复合凝聚β－胡萝卜素微胶囊制备工艺研究

李世伟石睿杨马春颖董志俭

（1.渤海大学食品科学研究院，辽宁 锦州 121013；2.渤海大学化学化工与食品安全学院，辽宁 锦州 121013；3.辽宁省食品安全重点实验室，辽宁 锦州 121013；4.“食品贮藏加工及质量安全控制工程技术研究中心”辽宁省高校重大科技平台，辽宁 锦州 121013）

类胡萝卜素是自然界含量最丰富的天然色素，其中β－胡萝卜素具有很高的维生素A 原活性，无论是天然或人工合成的β－胡萝卜素均可用于食品。流行病学研究［1］发现摄入β－胡萝卜素含量高的果蔬与人类某些癌症的低发病率有关，也有学者［2］提出β－胡萝卜素的抗氧化活性具有抑制白内障、防止动脉硬化和抗衰老作用。然而在食品加工、贮藏过程中，β－胡萝卜素稳定性差，因热、酸和光的作用易发生异构化。β－胡萝卜素具有很多共轭双键，故极易被氧化，此反应会导致维生素A原活性损失。若有亚硫酸盐和金属离子存在，β－胡萝卜素的氧化降解加剧［3－5］。另外，弱极性分子结构决定了β－胡萝卜素具有不溶于水、微溶于油脂的性质，限制了其应用范围。市售的β－胡萝卜素多是微晶悬浮液，不同于一般的微胶囊芯材，通过传统微胶囊制作工艺很难将其包埋，得到的产品稳定性差，当微胶囊应用于焙烤等高温、高湿环境中时，微胶囊的玻璃态壁材就会崩塌，失去对β－胡萝卜素的保护作用［6，7］。

本试验拟通过复合凝聚技术解决这些问题。相比于喷雾干燥法在高温中制备微胶囊，复合凝聚技术制备微胶囊的整个过程温度不超过40 ℃，环境条件更温和，不会对β－胡萝卜素结构造成破坏。微胶囊经固化后形成交联网状结构，在高温、高湿环境下不易塌陷。明胶／阿拉伯胶构成的网状结构外膜包裹着β－胡萝卜素，能有效降低光、热、酸、氧及金属离子对β－胡萝卜素结构的破坏，起到良好的保护作用，并在高温高湿环境中具有优越的缓释性能［8］。此外，复合凝聚法制备微胶囊时，通常以甲醛作为固化剂，但因其具有毒性而难以应用到食品中。本试验采用转谷氨酰胺酶代替甲醛，制备可食用的复合凝聚微胶囊，使得β－胡萝卜素在食品工业中获得更加广泛的应用。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

明胶：化学纯，沈阳市兴顺化学试剂厂；

阿拉伯胶：DL－A－I，山东鼎力胶业有限公司；

β－胡萝卜素：湖北世力达生物科技有限公司；

甜橙油：广东博盈贸易有限公司；

桔油：浙江黄岩中兴香精香料有限公司；

转谷氨酰胺酶：酶活2万U／g，泰兴市一鸣生物制品有限公司；

高速分散均质机：FJ－200，上海标本模型厂；

悬臂式搅拌器：RW20.n，广州仪科实验室技术有限公司；

数码显微镜：Motic BA300，日本麦克奥迪（Motic）公司；

pH 计：PB－10，德国Sartorius公司；

可见光分光光度计：722，上海精密科学仪器有限公司；

喷雾干燥机：SP－1500，上海顺仪实验设备有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 复合凝聚β－胡萝卜素微胶囊的制备 将明胶、阿拉伯胶分别溶解于300mL 水中，待完全溶解后将二者混合均匀，加入β－胡萝卜素，用高速分散均质机于12 000r／min乳化5min，倒入三口烧瓶中，40 ℃水浴加热，搅拌并滴入冰乙酸使pH 值降低，进行复合凝聚反应。一段时间后加冰降温到15 ℃以下，用10% NaOH 溶液调整pH 到6.0，加入一定量的转谷氨酰胺酶固化2h。然后进行喷雾干燥，条件为进风温度200 ℃、出口温度90 ℃、进料速度500mL／h。

1.2.2 复合凝聚微胶囊中β－胡萝卜素含量的测定 依照1.2.1的方法制备未经固化处理的微胶囊悬浮液，抽滤，充分研磨，按照食品中胡萝卜素的测定（GB／T 5009.83——2003）进行测定。

1.2.3 复合凝聚微胶囊表面β－胡萝卜素含量的测定 湿囊无需研磨，其余方法同1.2.2。

1.2.4 复合凝聚微胶囊产率的测定 复合凝聚微胶囊产率按式（1）计算：

式中：

η1—— 微胶囊化产率，%；

m1—— 反应得到湿微胶囊质量，g；

X1—— 样品中β－胡萝卜素百分含量，%；

m—— 乳化使用β－胡萝卜素质量，g。

1.2.5 复合凝聚微胶囊效率的测定 复合凝聚微胶囊效率按式（2）计算：

式中：

η2—— 微胶囊化效率，%；

X1—— 样品中β－胡萝卜素百分含量，%；

X2—— 样品表面β－胡萝卜素百分含量，%。

1.2.6 复合凝聚多核微胶囊形态的观察 取1滴固化后的微胶囊悬浮液置于载玻片上，用数码显微镜观察并拍照。

1.2.7 复合凝聚多核微胶囊粒径的测定 复合凝聚微胶囊粒径用数码显微镜手动测定。从所拍照片中选取一定的范围，取50个目标，测定其直径，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 pH 值对复合凝聚微胶囊形态的影响

变动pH 值，其它因素相同，芯壁比为1∶2，壁材浓度为1%，明胶／阿拉伯胶为1∶1，搅拌速度为400r／min，按1.2.1制备微胶囊。由图1、2可知，pH 值对复合凝聚微胶囊形态和粒径影响非常显著。pH 值为4.4，微胶囊形态完全无规则；pH 值降低到4.2，微胶囊为较规则的球状；pH 值为到3.8，微胶囊形态最好；pH 值下降到3.0，微胶囊形态完全无规则。在pH 值下降过程中，所产生的复合凝聚物没有明显的增加［9］，微胶囊粒径的增大并不是由壁材复合凝聚物量的增加所导致的［10］。pH 值下降使得明胶带有更多的正电荷，同阿拉伯胶发生更为强烈的静电相互作用，形成具有高黏度的复聚物［11］，微胶囊粒径显著增加。因此制备球状多核复合凝聚β－胡萝卜素微胶囊的pH 值为3.8。

图1 pH 值对复合凝聚微胶囊形态的影响Figure 1 Effect of pH on the morphology of coacervate microcapsules

图2 pH 值对复合凝聚微胶囊粒径的影响Figure 2 Effect of pH on the particle size of coacervate microcapsules

2.2 芯壁比对复合凝聚微胶囊形态的影响

变动芯壁比，其它因素相同，壁材浓度为1%，明胶／阿拉伯胶为1∶1，pH 值为3.8，搅拌速度为400r／min，按1.2.1制备微胶囊。由图3可知，随着芯壁比的增加，复合凝聚微胶囊的形态由球形变得不规则，粒径逐渐变大。当芯壁比由1∶4增加到1∶2时，内部芯材液滴含量增大且分布更均匀；芯壁比增加到1∶1，微胶囊开始出现粘连，一些微胶囊形状变得不规则；芯壁比增加到2∶1，微胶囊粒径相差很大，其中粒径较大的微胶囊形状由球形变成纺锤形［12］。因此制备球状多核复合凝聚β－胡萝卜素微胶囊的芯壁比应不大于1∶2。

2.3 明胶／阿拉伯胶比率对复合凝聚微胶囊形态的影响

图3 芯壁比对复合凝聚微胶囊形态的影响Figure 3 Effect of core／wall ratio on the morphology of coacervate microcapsules

图4 明胶／阿拉伯胶比率对复合凝聚微胶囊形态的影响Figure 4 Effect of gelatin／gum Arabic ratio on the morphology of coacervate microcapsules

变动明胶／阿拉伯胶比率，其它因素相同，芯壁比为1∶2，壁材浓度为1%，pH 值为3.8，搅拌速度为400r／min，按1.2.1制备微胶囊。由图4可知，随着明胶／阿拉伯胶比率的增加，复合凝聚微胶囊的形态逐渐不规则。明胶／阿拉伯胶比率为1∶2时，图中出现了大量的小亮点，应为空的复合凝聚物液滴；明胶／阿拉伯胶比率为1∶1，胶囊形态好，芯材分布均匀；壁材组成增加到2∶1，开始出现粘连，粒径增大；壁材组成增加到4∶1，微胶囊形态非常不规则。随着复合凝聚物中明胶含量的增加，复合凝聚的黏度增大、黏性增大，大量的微胶囊在搅拌下更易发生碰撞，重新聚集成大的不规则的多核微胶囊［13］。因此制备球状多核复合凝聚β－胡萝卜素微胶囊的明胶／阿拉伯胶比率应为1∶1。

2.4 搅拌速度对复合凝聚微胶囊形态的影响

变动搅拌速度，其它因素相同，芯壁比为1∶2，pH 值为3.8，壁材浓度为1%，明胶／阿拉伯胶为1∶1，按1.2.1制备微胶囊。由图5、6可知，搅拌速度对复合凝聚微胶囊的形态和粒径有一定影响。搅拌速度为200r／min时，微胶囊部分呈球状，部分呈大而不规则的形状，这些微胶囊含油量特别高；搅拌速度增加到400r／min，微胶囊具有很高的球形度，芯材平均分布在微胶囊中，平均粒径变小。Nihant等［14］也证实了降低搅拌速度，微胶囊的平均粒径增加，但搅拌速度低于100r／min 时微胶囊无法形成。当转速继续增加到600r／min时，由于搅拌过于剧烈，每个微胶囊所包埋的芯材量明显减少。由此可以看出，制备复合凝聚球状多核β－胡萝卜素微胶囊的搅拌速度为400r／min。

2.5 不同芯材复合凝聚微胶囊的形态比较

选用不同芯材，其它因素相同，芯壁比为1∶2，pH 值为3.8，壁材浓度为1%，明胶／阿拉伯胶为1∶1，搅拌速度为400r／min，按1.2.1制备微胶囊。由图7、8可知，不同芯材微胶囊均呈现规则的球状，且微胶囊粒径均一，芯材含量平均，但不同芯材在微胶囊中的分布明显不同，β－胡萝卜素微胶囊芯材在胶囊中的分部较为分散，而另两种胶囊较为集中，存在较厚的囊壁。β－胡萝卜素微胶囊的平均粒径明显小于甜橙油及桔油微胶囊，这可能是因为使用的是β－胡萝卜素微晶油悬浮液，粘稠度大，芯材液滴的界面性质与桔油、甜橙油不同。

图5 搅拌速度对复合凝聚微胶囊形态的影响Figure 5 Effect of stirring speed on the particle size of coacervate microcapsules

图6 搅拌速度对复合凝聚微胶囊粒径的影响Figure 6 Effect of stirring speed on the particle size of coacervate microcapsules

2.6 复合凝聚β－胡萝卜素微胶囊的产率和效率

β－胡萝卜素微胶囊成品的产率为94.38%，效率为92.65%，说明复合凝聚法制备β－胡萝卜素微胶囊具有较高的产率和效率，制备过程中芯材损失较少，能有效地将β－胡萝卜素包埋在微胶囊中。

3 结论

（1）通过本试验可确定制备复合凝聚球状多核β－胡萝卜素微胶囊的工艺条件：芯壁比为1∶2，壁材浓度为1%，明胶／阿拉伯胶比例为1∶1，pH 值为3.8，搅拌速度为400r／min。

图7 芯材对复合凝聚微胶囊形态的影响Figure 7 Effect of kinds of core materials on the morphology of coacervate microcapsules

图8 芯材对复合凝聚微胶囊粒径的影响Figure 8 Effect of kinds of core materials on particle size of coacervate microcapsules

（2）试验得到的β－胡萝卜素微胶囊产率为94.38%，效率为92.65%，包埋效果良好。

（3）在上述制备条件下，β－胡萝卜素、甜橙油及桔油微胶囊均呈球状，粒径均一，芯材含量平均，β－胡萝卜素微胶囊的平均粒径明显小于甜橙油及桔油微胶囊。

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