克氏原螯虾壳虾青素微胶囊制备工艺的优化

侯会绒，孙兆远，贡汉坤，陈晓东（.江苏食品药品职业技术学院，江苏淮安3003；.淮安快鹿牛奶有限公司，江苏淮安3003）

克氏原螯虾壳虾青素微胶囊制备工艺的优化

侯会绒1，孙兆远1，贡汉坤1，陈晓东2
（1.江苏食品药品职业技术学院，江苏淮安223003；2.淮安快鹿牛奶有限公司，江苏淮安223003）

摘要：以β-环糊精为壁材，阿拉伯胶为辅材，对克氏原螯虾壳虾青素进行微胶囊化包埋。通过单因素试验探讨壁材种类、壁材添加量、芯材添加量、搅拌时间、搅拌温度等因素对虾青素微胶囊制备效果的影响，并通过响应面法确定微胶囊制备工艺最佳条件为：80%β-环糊精+20%阿拉伯胶添加量0.19 g/mL、芯材添加量2.68%、搅拌时间50 min、搅拌温度40.9℃，在此条件下虾青素包埋率达到92.89%。

关键词：克氏原螯虾；虾青素；微胶囊；响应曲面

虾青素又名虾黄素、虾黄质，因其分子中含有很长的共轭双键链和不饱和的α-羟基酮而具有极强的抗氧化性能，是目前为止发现的抗氧化能力最强的物质，其抗氧化能力可达天然VE的100倍以上[1]。虾青素能有效的清除体内自由基、硫化物、二硫化物，具有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤，提高机体免疫力，保护视网膜等功效，可应用于保健食品、高档化妆品、药品等领域中。但虾青素属非极性物质，不溶于水，难以均匀添加到水溶性食品中，且虾青素长长的共轭不饱和双键结构非常不稳定，易受光、热、氧化物的破坏而失去活性[2]，这大大限制了虾青素在食品工业中的应用。

微胶囊化是一种将固体、液体、气体等物质包埋在微小封闭胶囊内的方法[3]。该方法不但能有效保护和隔离物质，减少氧化反应发生，钝化光敏性和热敏性；还能有效屏蔽芯材的不良气味，控制芯材的释放速度，改变芯材的理化性质（如分散性、颜色、形状、密度），提高芯材贮存稳定性[4-5]。

目前有关虾青素的研究基本都集中在虾青素提取工艺方面，对虾青素微胶囊包埋技术的研究鲜有报道。本研究应用β-环糊精和阿拉伯胶包埋法将克氏原螯虾壳虾青素制成一种抗氧化缓释微胶囊，并对影响包埋效果的因素进行了详细地探讨，旨在为解决虾青素在食品工业中应用的局限性提供参考。

1　材料与方法

1.1试验材料

克氏原螯虾：盱眙龙盛龙虾养殖场；虾青素标准品：美国西格玛投资集团有限公司；多孔淀粉：辽宁立达生物科技有限公司；β-环糊精：国药化学试剂有限公司；麦芽糊精、阿拉伯胶：成都格雷西亚化学技术有限公司；其余试剂均为国产分析纯。

1.2仪器

WF180万能粉碎机：上海光学仪器厂；RE-2000A旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；SHA-C恒温水浴振荡器：上海医疗器械厂；TDL-40C低速大容量离心机：上海安亭科学仪器厂；TU-1900紫外-可见分光光度计：北京普析通用仪器有限责任公司；Y92-DN超声波细胞粉碎机：宁波新芝生物科技股份有限公司；T09-1S磁力搅拌器：上海司乐仪器有限公司；GJB60-70高压均质机：常州市均质机械有限公司；LPG-5高速离心喷雾干燥机：常州一步干燥设备有限公司。

1.3试验方法

1.3.1样品处理

新鲜螯虾沸水煮制2 min后自然冷却，剥除虾仁和内脏，流水洗净虾头、尾及壳，避光、密封于-20℃备用。试验前用万能粉碎机粉碎，过筛后使用。

1.3.2虾青素的提取

取一定质量的虾壳粉，加入20倍体积的丙酮溶液浸泡2 h，超声处理30 min后离心，取上清液，重复3次，混合上清液，于60℃旋转蒸干后用丙酮溶解并定容至10 mL[5]。

1.3.3微胶囊的制备

1）水相制备：称取一定量的壁材，加入适量水和0.2%司盘-80混匀，磁力搅拌器恒温搅拌30 min；

2）油相制备：虾青素丙酮溶液加入大豆油中，混匀，氮气吹除丙酮，加入0.1%的吐温-80，磁力搅拌器搅拌10 min[6]；

3）微胶囊制备：水相置于恒温磁力搅拌器中搅拌（转速1 200 r/min），缓慢滴加油相，再加适量水调节至合适浓度，高压均质机均质后备用；

4）喷雾干燥：混合液在进风温度185℃、出风温度85℃～95℃条件下喷雾干燥，得到虾青素微胶囊粉。

1.3.4各因素对微胶囊化效果的影响

以壁材种类（多孔淀粉、β-环糊精、麦芽糊精、80%多孔淀粉+20%阿拉伯胶、80%β-环糊精+20%阿拉伯胶、80%麦芽糊精+20%阿拉伯胶），壁材质量浓度（0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 g/mL），虾青素添加质量分数（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%），搅拌时间（20、30、40、50、60、70、80 min），搅拌温度（25、30、35、40、45、50、55℃）为因素，微胶囊包埋率为评价指标，考察各因素对虾青素微胶囊化效果的影响。

1.3.5微胶囊化效果的评定

1.3.5.1标准曲线的绘制

分别吸取0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50 mL，1.0 mg/mL虾青素标准溶液于比色管中，丙酮定容至50 mL，混合均匀后在478 nm波长下测定吸光度，以虾青素标准溶液浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线。结果表明虾青素在10 μg/mL～50 μg/mL范围内线性回归方程为y=0.008 6x-0.006 5，相关系数为0.999 5，结果符合朗伯比尔定律，方程可用于虾青素含量的测定。

1.3.5.2微胶囊表面虾青素含量的测定

准确称取0.5g干燥后的虾青素微胶囊粉，加20mL正己烷，反复振荡提取至无色，混合提取液，离心分离后用旋转蒸发仪蒸干，复溶于丙酮，在478 nm下测吸光度，根据标准曲线计算微胶囊表面虾青素含量[7]。

1.3.5.3微胶囊包埋率的测定

准确称取0.5 g干燥后的虾青素微胶囊粉，加20mL水搅拌成均一体系，再加入20 mL丙酮，反复振荡提取至无色，混合提取液，无水硫酸钠脱水，离心分离后用旋转蒸发仪蒸干，复溶于丙酮，在478 nm下测吸光度，根据标准曲线计算微胶囊中虾青素总含量，并根据如下公式计算微胶囊包埋率。

2　结果与分析

2.1壁材种类对微胶囊化效果的影响

壁材种类直接决定了芯材的包埋数量、缓释效果和贮藏稳定性，也影响了成品的溶解性和流动性[8]。因此，壁材的选择对于提高微胶囊化效率，获取性能优越的微胶囊产品至关重要。壁材种类对微胶囊化效果的影响见图1。

图1　壁材种类对微胶囊化效果的影响Fig.1　Effect of difference of wall materials on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由图1可知，3种淀粉类壁材（多孔淀粉、β-环糊精和麦芽糊精）单独使用时，多孔淀粉对虾青素的包埋率最低（38.81%），而β-环糊精的包埋率最高（62.88%）。这可能是因为分子量不同造成的。虽然多孔淀粉具有较大比孔容和比表面积，但仍属淀粉，分子量巨大；麦芽糊精是淀粉水解的产物，分子量介于100～5 000之间，部分可以达到15 000以上；而β-环糊精分子量是三者中最小的，仅为1 134.98。单位质量淀粉类壁材溶入水中，β-环糊精分子数量最多，与虾青素形成微胶囊的可能性也最大[9]。另外β-环糊精具有“内腔疏水，外壁亲水”的中空斜截锥形特殊结构，当水、β-环糊精和非极性的虾青素芯材混合搅拌时，极性水产生的斥力会迅速将小分子虾青素推入β-环糊精锥形结构空腔内，并通过范德华力形成微囊包合物[2-3]。

由图1还可知，3种淀粉与阿拉伯胶复配形成的壁材胶囊化效果均优于单独使用。这主要是因为以β-环糊精、麦芽糊精为代表的淀粉类壁材不但吸水性好、吸油能力强，易干燥，不吸潮，还具有良好的机械强度和热稳定性，分散在水及其它溶剂中能保持明显的结构完整性[6]。而以阿拉伯胶为代表的亲水胶体类壁材具有黏度低，流动性好，成膜性强，乳化性较好等特点[10-12]，两者复配使用不但可弥补淀粉类壁材不具备的界面特性，提高微胶囊的致密性，增加对芯材的保护效果，降低高温喷雾干燥、氧气和光等外界因素导致的虾青素结构变化，还改善了胶体类壁材的无定形状态，提高了微胶囊产品的机械强度[6]。对比6种壁材可知，β-环糊精+阿拉伯胶的包埋率最高，因此选择80%β-环糊精+20%阿拉伯胶为壁材进行包埋处理。

2.2壁材添加量对微胶囊化效果的影响

壁材添加量对微胶囊化效果的影响见图2。

图2　壁材添加量对微胶囊化效果的影响Fig.2　Effect of the concentration of wall material on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由图2可知，当壁材质量浓度为0.05 g/mL，微胶囊包埋率仅为13.83%，这主要是因为较少的壁材难以使虾青素完全包埋于其形成的封闭结构中，存在于微胶囊表面的虾青素在喷雾干燥过程容易受到高温影响而失去活性。

随着壁材质量浓度的不断增加，包埋率也随之增加。当壁材质量浓度达到0.20 g/mL时，微胶囊包埋率达到最大值（80.15%）。这主要是因为壁材浓度的增加，提高了单位体积中壁材和芯材的碰撞机率，加快了微胶囊的凝聚速度；同时，壁材浓度的增加使得溶液黏度增大，而高黏度的凝聚相更有利于其在虾青素表面的铺展，并形成更稳定的微胶囊结构[13]；另外，壁材量的增加也加快了喷雾干燥过程中液滴成膜速度，降低了芯材的损失，提高了微胶囊效率。

当壁材添加量大于0.20 g/mL时，继续增加壁材质量浓度，微胶囊包埋率缓慢下降。这可能是因为当壁材质量浓度为0.20 g/mL时，芯材已经基本趋于饱和，如继续增加，过多的壁材通过分子键聚集使得溶液黏度增大，这既降低了壁材和壁芯的扩散速度[7]，又使得芯材进入壁材内部路径受阻[3，14]；另外，过量的壁材量使得喷雾干燥时液滴雾化速度下降，物料在雾化前停留时间变长，虾青素受氧气和热的影响而损失增加[15]。

2.3芯材添加量对微胶囊化效果的影响

芯材添加量对微胶囊化效果的影响见图3。

图3　芯材添加量对微胶囊化效果的影响Fig.3　Effect of the concentration of astaxanthin on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由图3可知，当芯材添加质量分数在0.50%～2.50%范围内，虾青素包埋率基本维持在80%左右的高位，变化幅度很小。这主要是因为在此范围内，壁材足量而且浓度适宜，能基本完全包裹虾青素。包埋率出现少许波动可能是由喷雾干燥时水分蒸发量不同造成干燥温度略有差异造成的。

当虾青素添加质量分数大于2.50%时，随着虾青素添加量的不断增加，包埋率略有下降，这说明0.2 g/mL的β-环糊精+阿拉伯胶混合壁材最适与2.50%的虾青素进行微胶囊化。继续增加虾青素添加量，会造成芯壁比过大，微胶囊囊壁变薄而不稳定[13]。当虾青素质量分数从3.00%增加到3.50%时，包埋率快速下降，这可能是因为壁材不足而造成部分虾青素没有被包埋，表面虾青素受喷雾干燥破坏而分解转化。另外在后期喷雾干燥过程，芯材浓度越低，能源消耗越大，因此选择芯材添加量在2.0%～3.0%进行下一步试验。

2.4搅拌温度对微胶囊化效果的影响

搅拌温度对微胶囊化效果的影响见图4。

图4　搅拌温度对微胶囊化效果的影响Fig.4　Effect of the temperature of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由图4可知，在25℃时，虾青素包埋率仅为23.72%，这主要是因为在较低温度下，β-环糊精在水溶液中的溶解度较小，即使有阿拉伯胶的悬浮作用，仍有较多的β-环糊精析出，因此不能提供足够多分子状态的β-环糊精与虾青素相互结合；随着温度的升高，壁材和芯材分子扩散速度增加，虾青素分子与β-环糊精和阿拉伯胶分子碰撞的几率也增大，有利于微胶囊的形成；另外逐渐增加的温度也使得溶液黏度降低，虾青素渗透能力增加，易向β-环糊精内部扩散而形成微胶囊网状结构[14]。但温度过高时，虾青素长长的共轭不饱和双键结构受热而氧化分解[1]；同时高温还会破坏β-环糊精与虾青素之间的疏水键，将虾青素从β-环糊精的中空结构中释放出来[2]；另外，当温度大于50℃时，部分β-环糊精出现糊化现象，这也会使得微胶囊网络破坏，包埋率快速下降。

2.5搅拌时间对微胶囊化效果的影响

搅拌时间对微胶囊化效果的影响见图5。

图5　搅拌时间对微胶囊化效果的影响Fig.5　Effect of the time of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由图5可知，在短时间内（20 min），微胶囊包埋率很低（仅有55.32%）。随着搅拌时间的延长，微胶囊包埋率快速增大，这可能是因为β-环糊精包埋反应主要靠分子产生的空间位阻和水的排斥作用来吸附物质，吸附缓慢且耗时较长，而磁力搅拌能在短时间内使得分子扩散速度快速增加。当搅拌时间达到50 min时，虾青素包埋率达到最大值（87.89%），此时β-环糊精包埋反应处于动态平衡状态，芯材洗脱、溶解的逆向反应与吸附、包埋的正向反应基本平衡[2]。继续延迟搅拌时间，包埋率出现缓慢下降，这主要是因为部分溶出的虾青素在光、氧和热的作用下分解造成的[15]，因此选择搅拌时间为50 min进行后续试验。

2.6微胶囊制备工艺的优化

2.6.1响应面分析方案及结果

对比4种可变因素对包埋率影响的结果可知，在因素的变化范围内，壁材变化量对包埋率的影响最大（极差=66.32%），其次是搅拌温度（极差=64.09%），而搅拌时间对包埋率的影响最小（极差=32.57%）。因此固定搅拌时间为50 min，以虾青素包埋率为响应值，采用Box-Benhnken中心组合设计原理对壁材添加量、芯材添加量、搅拌温度3个因素继续优化。因素水平编码见表1，试验方案与结果见表2。

表1　Box-Benhnken试验设计因素水平编码表Table 1　Code and true values of variables of the Box-Benhnken design models

表2　Box-Benhnken 试验设计方案与结果Table 2 Experimental design and response results of Box-Benhnken model

采用sas软件对Box-Benhnken试验结果进行回归分析见表3。

表3　响应面二次回归方程方差分析Table 3　Analysis of variance for response surface quadratic regression equation

由方差分析结果（表3）可知，回归方程一次项中X1（壁材添加量）达到极显著水平（P＜0.01），X2（芯材添加量）、X3（搅拌温度）达到显著水平（P＜0.05）；二次项中X1*X1达到极显著水平（P＜0.01），X2X2、X3X3达到显著水平（P＜0.05）；交互项中X2X3达到显著水平（P＜0.05）。

利用sas软件对试验结果进行多元回归拟合，得到虾青素包埋率对X1、X2和X3的二次多项回归方程为：包埋率=-724.553+2480.5X1+105.385X2+21.417 5X3-6192X1X1-37X1X2-0.22X1X3-11.28X2X2-0.924X2X3-0.231X3X3。该方程整体模型达到极显著水平（P＜0.01），总决定系数R2=98.98%，失拟项不显著（F=6.75），表明该模型拟合程度良好，能较好的反映出微胶囊化条件对包埋率影响的规律，可以利用该回归方程对虾青素微胶囊化最佳条件进行预测。

2.6.2响应面分析及微胶囊化工艺优化

分别将模型中X1（壁材添加量）、X2（芯材添加量）和X3（搅拌温度）3个因素的1个因素固定在零水平，利用sas软件绘制其余两个因素的对虾青素包埋率影响的子模型等高线和相应曲面图，结果图6～图8。

由图6～图8可知各因素的等高线图呈椭圆形，这表面这些因素在较低水平均对包埋率均有促进作用；但较高的水平又不利于微胶囊化生产。由响应曲面图可知，图形上凸，这说明各因素的协同作用明显，即一个因素的增加促进了另一个因素对包埋率的影响。

图6　壁材浓度与芯材浓度对虾青素包埋率的影响Fig.6　Interactive effects of concentration of wall material and astaxanthin on the microencapsulation efficiency

图7　壁材浓度与搅拌温度对虾青素包埋率的影响Fig.7　Interactive effects of concentration of wall material and temperature of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency

图8　芯材浓度与搅拌温度对虾青素包埋率的影响Fig.8　Interactive effects of concentration of astaxanthin and temperature of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency

2.6.3最佳提取工艺的确定

由sas软件拟合二次回归模型得出最优条件和最优值，结果见表4。

表4　最佳提取条件的确定Table 4　The optimum conditions of preparation of astaxanthinmicrocapsules

由表4可知，当包埋率最大时，X1、X2、X3的最优编码值为-0.168 810、0.363 710、0.180 659，经编码换算后可知，估算最佳提取条件为：壁材添加量0.191 559 g/mL、芯材添加量2.681 855%、搅拌温度为40.903 296℃，预计最大包埋率为92.365974%。

为验证估算结果与实际情况的吻合程度，进行验证试验，试验结果为92.89%，与估算结果基本符合。因此确定微胶囊化制备最佳工艺条件为壁材添加量0.19 g/mL、芯材添加量2.68%、搅拌温度为40.9℃，此条件下虾青素包埋率达到92.89%。

3　结论

以包埋率为指标，探讨壁材种类、壁材添加量、芯材添加量、搅拌时间、搅拌温度等因素对虾青素微胶囊化效果的影响，并通过Box-Behnken中心组合试验设计和响应面分析法对克氏原螯虾壳虾青素微胶囊制备工艺进行研究。结果表明虾青素微胶囊化最佳工艺条件为壁材添加量0.19 g/mL、芯材添加量2.68%、搅拌温度为40.9℃，此条件下虾青素包埋率达到92.89%。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.20.021

收稿日期：2015-03-23

基金项目：淮安市2013年度科技支撑计划（工业）项目（HAG2013074）

作者简介：侯会绒（1980—），女（汉），讲师，硕士，主要从事天然产物活性成分的提取与应用研究。

Optimization of the Procam Barus Clarkia Shell Astaxanthin Microcapsules

HOU Hui-rong1，SUN Zhao-yuan1，GONG Han-kun1，CHEN Xiao-dong2
（1.Jiangsu Food&Pharmaceutical Science College，Huai'an 223003，Jiangsu，China；2.Huai'an Kuailu Milk Co.Ltd.，Huai'an 223003，Jiangsu，China）

Abstract：Procam barus clarkia shell astaxanthin microcapsules were prepared using β-cyclodextrin and arabic gum as wall material.The effects of difference of wall materials，concentration of wall material and astaxanthin，temperature and time of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency of astaxanthin were discussed by the single factor experiments.The optimum microencapsulation conditions were concluded by Box-Behnken center-united experiment design and response surface methodology as follows：80%β-cyclodextrin+20% arabic gum 0.19 g/mL，2.68%astaxanthin，time of magnetic stirring 50 min，temperature of magnetic stirring 40.9℃.Under the optimized conditions，the microencapsulation efficiency was 92.89%.

Key words：Procam barusclarkia shell；astaxanthin；microcapsule；response surface analysis