普鲁兰在喷雾干燥法制备姜油树脂微胶囊中的作用研究
2011-11-14张嫔娉童群义
张嫔娉,童群义
(江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江南大学食品学院,江苏无锡214122)
普鲁兰在喷雾干燥法制备姜油树脂微胶囊中的作用研究
张嫔娉,童群义
(江南大学食品科学与技术国家重点实验室,江南大学食品学院,江苏无锡214122)
研究了普鲁兰多糖在制备以大豆蛋白和麦芽糊精为壁材的姜油树脂微胶囊过程中对乳化液的稳定作用及其对微胶囊产品的影响,考察了使用不同比例的大豆蛋白和麦芽糊精作为壁材的微胶囊产品的各项指标以及不同工艺条件对最终微胶囊产品的影响。研究结果表明,普鲁兰多糖添加量在1%(w/v)时具有稳定姜油树脂乳化液的作用,同时可以获得最大的包埋率;大豆蛋白与麦芽糊精最佳的添加比例为1∶2,固形物含量为20%(w/v),均质压力为30MPa(两次),进风温度140℃,出风温度80℃。
姜油树脂,微胶囊,普鲁兰多糖
姜科植物姜(Zingiber officinale Roscoe)的干燥根茎在我国乃至亚洲都被视为传统药食兼用植物,超临界 CO2萃取干姜得到的姜油树脂(ginger oleoresin)是棕色黏稠液体,除了具备姜的全部香气味道以外,其主要成分姜酚还具有降血脂、健胃、抗炎及止吐等药理功效[1],因此在食品、医药工业都具有很高的应用价值。但另一方面我们也应看到,该产品为既粘又稠的油状物,在水溶液中的分散性能差,直接用于食品加工或医药工业较困难。采用微胶囊技术改变姜油树脂的状态,将姜油树脂转变成固体粉末可以有效地解决上述问题,同时还方便其使用和贮藏运输。普鲁兰多糖,又名短梗霉多糖、茁霉多糖,是出芽短梗霉(Aureobasidium pullulans)合成的一种细胞外水溶性大分子中性多糖[2]。普鲁兰多糖具有很好的成膜性,用它制成的各种膜都具有透明、弹性强、耐油、可热封、可食、可生物降解、几乎不透氧气、不透氮气和香气等特点[3]。Matsumura等报道了普鲁兰在阿拉伯胶、麦芽糊精与油脂乳化体系中的乳化特性[4];另有学者报道了以普鲁兰、阿拉伯胶和麦芽糊精为壁材所制备的微胶囊具有高包埋率[5]。
1 材料与方法
1.1 材料与设备
姜油树脂 深圳芳润香化科技有限公司;大豆蛋白 南通光合生物技术有限公司;普鲁兰 日本林原生化有限公司(Hayashibara);香兰素 分析纯,国药集团有限公司。
NDJ-79旋转式黏度计 同济大学机电厂;DDS-11AT型电导率仪 上海雷磁仪器厂;UV-2100紫外可见光分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司;QZ-5高速离心喷雾干燥机 锡山市林洲干燥机厂;15MR-8TBA型均质机 美国APV公司;Quanta -200扫描电镜 荷兰PHILIP公司;Mastersizer激光粒径分布仪 英国MALVERN公司。
1.2 实验方法
1.2.1 微胶囊制备过程 按比例称取一定质量的大豆分离蛋白、麦芽糊精以及普鲁兰多糖,溶于水,搅拌均匀,然后边加热边搅拌至80℃,保持30min,冷却至室温,加入姜油树脂,搅拌均匀,用高速组织捣碎机分散1min(转速8000~14000r/min),均质后喷雾干燥。
1.2.2 微胶囊包埋率的测定
1.2.2.1 标准曲线绘制 姜油树脂中总姜酚是6-、8-、10-姜酚的混合物,平均分子量304.46g/mol。由于香草醛(152.15g/mol)和姜酚结构相似,二者的乙醇溶液在280nm均有吸收峰,因此用香草醛作对照品[6]。配制2560μg/mL的香草醛乙醇溶液,精密吸取0.2、0.4、0.6、0.8、1mL至10mL容量瓶中,用乙醇定容,测定280nm处的吸光度A,以香草醛浓度C为横坐标,吸光度A为纵坐标,计算得标准曲线为A= 1.697C+0.0098(r2=0.9995)。
1.2.2.2 微胶囊中姜油树脂含量的检测 微胶囊中姜油树脂含量是指裸露于微胶囊表面和被壁材包埋住的姜油树脂量之和。准确称量微胶囊产品4.5g左右,加水15mL形成均一体系,在高速离心机中转动20min,倒掉上清液,沥干离心桶底部残留物表面的水分。以无水乙醇提取离心桶中姜油树脂油溶性成分,所得滤液定容至50mL。用紫外分光光度计在280nm下测其吸光值,查标准比色曲线方程得出微胶囊中姜油树脂含量[7]。
1.2.2.3 微胶囊表面姜油树脂含量的检测 准确称取微胶囊产品4.5g,加入25mL无水乙醇,在搅拌器上搅拌5min,所得滤液定容至50mL。用紫外分光光度计在280nm下测其吸光值,查标准比色曲线方程得出微胶囊表面姜油树脂含量[7]。
1.2.3 乳化液性质的测定
1.2.3.1 乳化液黏度的测定 采用NDJ-79型旋转式粘度计测定乳化液的黏度。
1.2.3.2 乳化液粒径与多分散性指数(PDI)的测定
粒径大小与PDI均可以表征乳化液的稳定性程度,PDI表征了乳化液中粒子大小的均一程度,其值越小,表明体系越均一。
1.2.3.3 乳化液电导率 对乳化液的电性质研究最多的是电导,用电导法可以对乳化液的稳定性进行监控[8]。利用乳化液不稳定时,其电导发生显著变化的原理,在25℃下每隔1h测定一次电导率。
1.2.3.4 乳化液稳定性指数(ESI)测定 在离心管中加入乳化液,在离心机转速为1000r/min的转速下离心10min,观察离心管中上清液的体积,上清液体积越小,说明乳化液越稳定[9]。
1.2.4 微胶囊产品各指标的测定
1.2.4.1 水分测定 105℃烘箱法[10]。
1.2.4.2 流动性 休止角注入法[11]。
1.2.4.3 溶解性 参考文献[7]。
1.2.4.4 微胶囊化产品堆密度的测定 将微胶囊产品倒入到带刻度的量筒中,计算单位体积微胶囊产品的重量[12]。
1.2.4.5 微胶囊产品外形结构观察 取一些样品,均匀分散后,用双面胶粘于样品台上,用IB-3型离子溅射器在样品表面喷涂一层150A的金粉,之后在扫描电镜(SEM)下细致观察微胶囊的外形结构,加速电压为5kV。
2 结果与讨论
2.1 普鲁兰多糖对姜油树脂乳化效果的影响
乳化液不稳定时,其电导率会发生显著变化,因此可通过测定乳化液电导率来考察其稳定性。本研究固定大豆蛋白与麦芽糊精的比例为1∶2,姜油树脂添加量为壁材的10%(w/w),测定电导率随时间的变化,结果见图1。从图1可以发现,几种乳化液均较稳定,电导率的变化幅度都不是很大,但是可以很明显的看出,添加有普鲁兰多糖的乳化液电导率更趋平稳。
图1 电导率随时间的变化趋势
稳定的乳化液液滴之所以能保持良好的分散状态,是由粒子间的静电排斥及空间位阻作用造成的[13],因此乳化液的稳定性与其粒径大小有关。当姜油树脂乳化液中添加有少量普鲁兰多糖时,可形成均匀的乳化液滴,但这种液滴随着放置时间的延长会逐步聚集形成比较大的液滴。从表1可以看出,在制备初期,普鲁兰起到了稳定姜油树脂乳化液的作用,使乳化液的粒径分布更加均匀,添加有1%普鲁兰的姜油树脂乳化液的多分散性指数更小,这与电导率的测定结果是一致的。而在放置2d后其效果却与预计结果相反,添加有1%普鲁兰的姜油树脂乳化液平均粒径增大,多分散性指数也增大,使得乳化液的稳定性变差。
表1 乳化液放置前后的粒径变化
2.2 壁材组成对微胶囊工艺效果的影响
实验发现添加有不同程度普鲁兰多糖可以提高或降低最终微胶囊产品的包埋率,结果见表2。当普鲁兰多糖浓度在1%(w/v)以内时,体系黏度的提高可以减少液滴在干燥过程中内部的涡流湍动,同时普鲁兰具有很好的成膜性,在干燥过程中能在液滴表面形成一层光滑的膜,相对减少芯材向壁表面的扩散和迁移,因此有利于包埋率的提高。而当普鲁兰多糖浓度超过1%时,体系黏度过高不利于喷雾干燥过程的闪蒸脱水,囊壳不能快速形成,从而导致包埋率下降,因此普鲁兰多糖最佳的添加量为1%(w/v)。
表2 普鲁兰添加量对包埋率和黏度的影响
从表3可以看出,在保持普鲁兰多糖添加量为1%,姜油树脂添加量为壁材的10%(w/w)时,如果大豆蛋白质用量太少,所得乳化液稳定性不好,不足以乳化姜油树脂,在大豆蛋白与麦芽糊精比例为1∶4时,稳定性指数很小,在喷雾过程中乳化液分层,因此最终没有测定包埋率。大豆蛋白与麦芽糊精之比为1∶3时,喷雾过程中乳化液未见分层,但是所得微胶囊壁基质的致密性不够好,因此微胶囊化效率低下。当蛋白质用量太多时,微胶囊壁基质对在效率测定过程中有机溶剂向内部渗透的阻隔能力下降[14],因此大豆蛋白与麦芽糊精之比为1∶1时效率也有所下降。表3显示,当大豆蛋白与麦芽糊精最佳的添加比例为1∶2时可以获得最高的包埋效率。
表3 不同壁材比对稳定性指数和包埋率的影响
表4中,固形物含量在5%~20%之间变化时,随着固形物含量的增加,产品的包埋率迅速上升,当固形物含量大于20%后,包埋率却有所减少。这是由于固形物含量过低时,在喷雾干燥过程中,大量脱水导致有效成分过多的流失,使得包埋率较低。在固形物浓度大于20%后,水分蒸发速度可能受到影响,脱水速度太慢,粒子易于相互粘附聚结,喷雾干燥变得较为因难,表观上粘壁比较历害,因此取乳化液固形物浓度以20%为宜。若喷雾干燥塔型号和进、出风温度一定,对于同一种物料,浓度越高,越有助于形成大的干颗粒粒径[15],因而固形物含量高的产品溶解性较好。当固形物浓度为5%和10%时,所得姜油树脂微胶囊粉末流动性极差,以至在测定流动性和堆积密度时无法实现粉的自由散落,这样的粉在复水时势必会严重结团,影响使用。因此,喷雾干燥法制备姜油树脂微胶囊时应该控制固形物含量为20%(w/v)。
表4 不同固形物含量微胶囊产品各项性质的影响
2.3 工艺条件对微胶囊化工艺效果的影响
从表5可以看出,随着均质压力的增大,乳化液液滴粒径变小,包埋率随之增大,但是终产品在水中溶解所需时间增大,不利于产品的使用,因此均质压力选择30MPa为宜。
图2表明,进风温度低时,液滴表面形成膜的时间长,液体颗粒干燥不完全,在封闭的管道中很容易黏结,只有细微的颗粒才能被收集到料斗中,因此其包埋率要低一些。进风温度高时,液滴成膜速度快,颗粒干燥完全,但微胶囊中的有效成分有所挥发或微囊内部有效成分向囊壁扩散,导致包埋率反而下降,另外从图3、图4可以发现,进风温度过高,脱水速度过快造成微胶囊有少量破碎。综合考虑两个因素,进风温度选择140℃。
表5 均质压力对微胶囊化工艺效果的影响
图2 喷雾干燥进风温度对微胶囊化效果的影响
图3 进风温度180℃时产品SEM
图4 进风温度140℃时产品SEM
从表6可知,喷雾干燥出风温度从60℃升高到80℃,微胶囊产品的包埋率得到显著提高,这是由于出风温度升高,有利于缩短产品颗粒的降速干燥过程,迅速形成完整致密的壁结构,降低姜油树脂有效成分的挥发损失,从而提高包埋率,同时微胶囊化终产品的水分含量也有显著降低。水分含量的降低可以提高产品的贮存周期。但是在出风温度从80℃升高至120℃时,虽然水分含量有明显降低,但是这却需要损耗更多的能源,而且产品的包埋率并没有得到有效的提高反而略有下降,因此在选择出风温度时以80℃为宜。
表6 喷雾干燥出风温度对微胶囊化效果的影响
3 结论与展望
普鲁兰多糖在添加量为1%(w/v)时具有稳定姜油树脂乳化液的作用,可以使乳化液的粒径分布更加均匀,同时可以使微胶囊产品具有更高的包埋率,但是其乳化液放置数天后稳定性会变差。在制备姜油树脂乳化液时大豆蛋白与麦芽糊精的适宜比例为1∶2,均质压力为30MPa(两次),喷雾干燥的进风温度为140℃,出风温度为80℃。普鲁兰多糖对姜油树脂乳化液体系的稳定性作用还需进一步研究,乳化体系的稳定主要是静电稳定和空间稳定,普鲁兰多糖是一种中性的微生物多糖,因此推测其稳定作用主要是靠其多糖链与蛋白质发生的非化学键相互作用而产生的空间稳定效果。
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Study on the effect of pullulan on the microencapsulation of ginger oleoresin prepared by spray-drying
ZHANG Pin-ping,TONG Qun-yi
(State Key Laboratory of Food Science and Technology,School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)
The effect of pullulan in emulsification and its subsequent microencapsulation of ginger oleoresin were studied using soybean protein and maltodextrin as wall material.Different ratios of soybean and maltodextrin were used to evaluate the appropriate wall material for the encapsulation of ginger oleoresin prepared by spray drying. The optimal technology parameter was found as follows:pullulan concentration 1%(w/v),soybean protein/ maltodextrin ratio 1∶2,the wall material concentration 20%(w/v),the pressure of emulsion homogenization 30MPa(twice),the inlet air temperature 140℃,outlet air temperature 80℃.
ginger oleoresin;microencapsulation;pullulan
TS201.1
A
1002-0306(2011)01-0133-04
2010-01-06
张嫔娉(1985-),女,硕士研究生,主要从事碳水化合物研究。