桃胶-明胶复合凝聚法制备紫苏籽油微胶囊研究

2016-06-27袁发浒

长江大学学报(自科版) 2016年15期

关键词：桃胶壁材芯材

袁发浒

(江汉大学医学院，湖北武汉 430056;武汉轻工大学生物与制药工程学院，湖北武汉 430023)

陈婷,黄强,冯涵,左正宇,刘志国

(武汉轻工大学生物与制药工程学院，湖北武汉 430023)

桃胶-明胶复合凝聚法制备紫苏籽油微胶囊研究

袁发浒

(江汉大学医学院，湖北武汉 430056;武汉轻工大学生物与制药工程学院，湖北武汉 430023)

陈婷,黄强,冯涵,左正宇,刘志国

(武汉轻工大学生物与制药工程学院，湖北武汉 430023)

[摘要]为了提高紫苏(Perilla frutescens (L.) Britt)籽油的稳定性，以桃胶-明胶为壁材、紫苏籽油为芯材、转谷氨酰胺酶为固化剂，采用复合凝聚法制备紫苏籽油微胶囊，研究了壁材组成、芯壁比、壁材浓度、pH、搅拌速度、乳化速度等因素对微胶囊形成的影响，确定其最佳工艺为:桃胶∶明胶重量比为1∶1，芯壁比为1∶1，壁材浓度为1.25%，pH为4.3，搅拌速度为300r/min，乳化速度12000r/min。通过对所得产品的包埋率、溶解度、贮藏稳定性等指标进行测定评估，结果发现复合凝聚法制备的紫苏籽油微胶囊包埋率达到90%，溶解度达到75%，15d后的过氧化值降低2.6倍，可为紫苏油在食品中的广泛应用提供参考依据。

[关键词]紫苏(Perilla frutescens (L.) Britt)籽油；复合凝聚；微胶囊；工艺

紫苏(Perillafrutescens(L.) Britt)为唇形科草本一年生植物，是国家批准的食药兼用植物,在医药、食品、化工等领域有着重要的开发价值[1，2]。紫苏籽含油量一般为30%～51%，其中人体必须的α-亚麻酸含量高达60%左右[3]。α-亚麻酸是ω-3长链多不饱和脂肪酸的前体物质，在人体内可以转化生成具有重要生理作用的物质——二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)。长期食用紫苏籽油对调节人体新陈代谢、预防和治疗心脑血管疾病及高血脂有很好的效果[4～7]。因此，紫苏籽油被认为是潜在的功能性脂质。但是，紫苏籽油高不饱和的化学特性使其在加工运输过程中极易被氧化，使得其在商品领域中的应用受到限制。

采用微胶囊技术包埋油脂，可以抑制其中不饱和脂肪酸的氧化，延长产品的贮藏期[8]。目前，国内外对油脂微胶囊化的方法主要有喷雾干燥法、环糊精包埋法及复合凝聚法[8，9]。喷雾干燥法制备微胶囊工艺简单、利于工业化生产，但芯材物质易吸附于微胶囊表面破坏其风味，产品的货架期短。环糊精包埋法载量很低，受限于被包埋芯材的极性和大小。而复合凝聚法制备出的微胶囊具有高产率、高载量，是一种较实用的方法。复合凝聚法包括乳化、复合凝聚、凝胶化、固化4个阶段。该方法制备条件温和，微胶囊经固化后囊壁结构十分稳定，能够耐受高温、高湿，具有优良的缓释特性。

桃胶系桃或山桃等蔷薇科植物分泌出来的胶质物质,属多糖类物质[10]。最新研究发现，桃胶多糖与阿拉伯胶多糖的组成类似[11，12]。我国桃胶资源十分丰富，利用价廉易得的桃胶替代昂贵的阿拉伯胶有着重要意义。本研究以桃胶替代目前复合凝聚法普遍采用的阿拉伯胶，以桃胶-明胶为壁材，以转谷氨酰胺酶为固化剂，制备复合凝聚紫苏籽油微胶囊，研究了壁材组成、芯壁比、pH、搅拌速度、乳化速度等因素对微胶囊形成的影响，并对所得产品的包埋率、溶解度、贮藏稳定性等指标进行了评价，为粉末状紫苏籽油在食品中的应用提供了一定理论基础。

1材料与方法

1.1主要原料

冷榨紫苏籽油：吉林省通化县红润山珍食品有限公司产品；食用明胶：郑州博研生物科技有限公司产品；桃胶粉：山东鼎力胶业有限公司产品；转谷氨酰胺酶(TG酶)：深圳恒生生物科技有限公司产品。其他试剂均为国药集团化学试剂有限公司产品。

1.2主要仪器设备

悬臂式搅拌器(RW20.N)：广州仪科实验室技术有限公司生产；高速分散均质机(FJ-200)：上海标本模型厂生产；电热恒温水浴锅(HH.S11-2-S)：上海圣科仪器有限公司生产；电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9140A)：上海精宏仪器有限公司生产；pH计(PHS-3C)：上海雷磁设备有限公司生产；冷冻干燥机(LGJ-10)：上海安亭科学仪器厂生产；生物显微镜(CX23)：奥林巴斯(中国)有限公司生产。

1.3工艺流程

配制一定比例的桃胶、明胶溶液，溶解后按比例加入紫苏籽油，再用高速分散均质机进行乳化，倒入三口烧瓶中40°C恒温搅拌，醋酸调节pH至所需值，进行复合凝聚反应一段时间后，降温至15°C，用氢氧化钠调节pH至6.0，加入转谷氨酰胺酶进行固化，反应2.5h后停止搅拌，固化12h，过滤洗涤沉淀后得到微胶囊湿囊，将微胶囊湿囊倒入培养皿中，放入冰箱中冷藏过夜，经真空干燥机冷冻干燥即得到粉末状紫苏油产品。

1.4试验方法1.4.1微胶囊制备工艺单因素试验

分别测定不同壁材组成(桃胶∶明胶的比例分别为0.50∶1.50、0.75∶1.25、1.00∶1.00、1.25∶0.75、1.50∶0.50)、芯壁比(1∶2、1∶1、2∶1)、壁材浓度(0.75%、1.00%、1.25%、1.50%、1.75%)、pH(3.0、3.5、4.0、4.5)、搅拌速度(100、300、500、700r/min)、乳化速度(6000、8000、10000、12000r/min)下的微胶囊产率，确定各单因素的最佳水平。

1.4.2复合凝聚紫苏籽油微胶囊产率测定

将紫苏籽油微胶囊样品放入烧杯中，用少量的蒸馏水分散均质后转移至圆底烧瓶中，加入一定量的蒸馏水进行水蒸气蒸馏，使烧瓶中溶液澄清至油柱高度恒定为止，待油柱冷却后读取油柱体积，按如下公式计算产率。

式中:m为反应得到的复合凝聚微胶囊的总质量,g；v为反应加入的紫苏籽油总体积,L；m′为水蒸汽蒸馏取用的湿复合凝聚紫苏籽油微胶囊的质量,g；v′为将质量为的湿复合凝聚紫苏籽油微胶囊蒸馏后所得油的体积,L。

1.4.3复合凝聚紫苏籽油微胶囊形态观察及粒径测定

取一滴固化后的复合凝聚紫苏籽油微胶囊悬浮液，将其放在载玻片上用显微镜观察并拍照，放大倍数100倍。对拍摄的照片选取约50个目标，测定其平均粒径并作统计分析。

1.4.4复合凝聚紫苏籽油微胶囊溶解度测定

称取紫苏油微胶囊约5.0g于50mL离心管中，加入适量25～30℃的蒸馏水，加盖充分震荡溶解5min后，置于离心机中，以1000r/min转速离心10min，倾去上清液，在离心管中再加入适量25～30℃水，充分震荡溶解5min，离心10min后倾去上清液，重复此步骤至沉淀物不再溶解为止，用少量水将沉淀洗入已知重量的称量皿中，先在沸水浴上蒸干水分，再移入烘箱中105℃干燥至恒重。

1.4.5复合凝聚紫苏籽油微胶囊的贮藏稳定性

将冷冻干燥制备的微胶囊产品及紫苏油均匀地铺在锥形瓶底，放入恒温箱中65℃进行油脂的加速氧化实验，每隔24h以硫代硫酸钠法测1次过氧化值[13]，第10d后，每隔120h测定1次，直至第30d。

2结果与分析

2.1壁材组成对复合凝聚紫苏籽油微胶囊产率的影响

图1所示为不同壁材组成下的复合凝聚紫苏籽油微胶囊产率。由图1可见，随着桃胶所占比例的增加，产率先升高后降低。当桃胶∶明胶的比例至1∶1时，复合凝聚微胶囊的产率最高达到87.9%。当桃胶比例继续增加时，产率开始逐渐下降，可能是形成的复聚物较少，芯材不能很好地被壁材包埋，导致芯材在制备过程中损失，使得产率下降。综合考虑成本及产率，选择桃胶明胶比例为1∶1。

图1　不同壁材组成下的复合凝聚紫苏籽油微胶囊产率

2.2芯壁比对复合凝聚紫苏籽油微胶囊产率的影响

随着芯壁比增加，复合凝聚紫苏籽油微胶囊平均粒径逐渐增加，形态由球状变得不规则。当芯壁比为1∶2时，形成球状微胶囊，但粒径较小(50μm以内)。当芯壁比从1∶2上升至1∶1时，分散体系中芯材乳状液滴数量显著增加，因此形成的单核微胶囊数量也相应增加，更多的单核微胶囊彼此相互碰撞聚集成粒径较大(65μm以内)的球状多核微胶囊。当芯壁比为2∶1时，出现了不规则的多核微胶囊，由于已经形成的数量众多的、大的球状多核微胶囊之间发生碰撞，壁材破裂，重新组合成不规则的、粒径更大(72μm以内)的多核微胶囊，但是体系中仍有少数未破坏的球状多核微胶囊存在。芯壁比为1∶1时，制备的复合凝聚微胶囊球形度完好，大小均一，内部芯材分布均匀。因此，以桃胶:明胶为壁材制备球状多核复合凝聚紫苏籽油微胶囊的芯壁比确定为1∶1。

2.3壁材浓度对复合凝聚紫苏籽油微胶囊产率的影响

在复合凝聚阶段随着壁材浓度的增加，微胶囊的形态由球形变得不规则，平均粒径由逐渐增大再到减小；同时，体系粘度增加，复合凝聚物量也以相同的比例增加，芯壁比保持不变，芯材的量也同比率增加，因此产率略有增加(图2)。当壁材浓度为1.25%时，微胶囊的具有较高的球形度，芯材在微胶囊中的分布也较为均一。因此，以桃胶明胶为壁材制备复合凝聚紫苏油微胶囊的壁材浓度为1.25%较为适宜。

图2　不同壁材浓度下的复合凝聚紫苏籽油微胶囊产率

2.4搅拌速度对复合凝聚紫苏籽油微胶囊性质的影响

随着搅拌速度的增加，微胶囊的粒径减小。搅拌速度为100r/min时，复合凝聚紫苏籽油微胶囊具有较大的粒径，平均粒径为150μm，微胶囊的含油量不均匀。当搅拌速度增加到300r/m时，微胶囊的粒径减小，此时微胶囊的平均粒径为70μm，乳状液的稳定性增强，不同粒径的球状多核微胶囊的含油量的差别较小，粒径均一，表面光滑。搅拌速度升至500r/min时，平均粒径减少到45μm，可以看到球状的微胶囊，但内部含油量也减少。当搅拌速度增加到700r/min时，微胶囊呈不规则形，且微胶囊的平均粒径减少到30μm。当搅拌速度增加时，产率和载量均略有下降。可能是在高速搅拌条件下，复合凝聚物不能充分沉积在油滴表面，使得包埋率降低，产率和载量下降。因此，以桃胶-明胶为壁材制备球状多核复合凝聚紫苏籽油微胶囊的较为合适的搅拌速度为300r/min。

2.5pH对复合凝聚紫苏籽油微胶囊性质的影响

当pH为4.5时，可形成单核微胶囊或不规则多核的微胶囊，也有少量不含芯材的空复合凝聚物。当pH降到4.0时，微胶囊的形状由不规则状变成球状，粒径增大(由20μm增加到70μm)。当pH由4.0降到3.5时，微胶囊的粒径减小(由70μm减小到35μm)。但在pH下降的过程中，微胶囊产率的变化并不大(图3)。

图3　不同pH下的复合凝聚紫苏籽油微胶囊产率

2.6乳化速度对复合凝聚紫苏籽油微胶囊形态及性质的影响

乳化速度6000r/min乳化时，乳化效果差，所形成的微胶囊芯材分布不均匀，芯材乳状液滴上浮，使得壁材不能完全包埋芯材。随着乳化速度的升高，乳化液稳定性越好，因为乳化液经充分均质后，油滴变得很小而且均匀地分散在溶液中，壁材能够均匀地分布在小油滴周围，从而形成较为稳定的乳化液。转速过大不利于对油相进行包裹，且容易使包覆紫苏籽油的微胶囊破裂，包埋率下降。故选择乳化速度为12000r/min。

2.7微胶囊效果的评价

通过上述最佳工艺制备的紫苏籽油微胶囊经冷冻干燥后所得的微胶囊产品，测定后可知其包埋率为90%，溶解度达到75%。由微胶囊的贮藏稳定性测定结果(图4)可以看出，随着放置时间的延长，紫苏籽原油与微胶囊冷冻干燥粉均表现出过氧化值增长的趋势，紫苏籽原油由于没有壁材的包埋，直接与外界环境接触，氧化速率快，过氧化值迅速增大。而复合凝聚微胶囊化对紫苏籽油具有很好的保护作用，减少其与光照和氧气接触的机会，有效缓解氧化破坏，较未包埋的紫苏籽原油，其稳定性得到很大提高。因此，经过复凝聚法包埋的紫苏籽油储藏期延长，有效降低了紫苏籽油的氧化变质。

图4　微胶囊产品在贮藏过程中过氧化值的变化

3结论

对桃胶-明胶复合凝聚紫苏籽油微胶囊的制备工艺进行了研究，确定了微胶囊的最佳制备工艺为:桃胶明胶比例为1∶1，芯壁比为1∶1，壁材浓度为1.25%，pH为4.3，搅拌速度为300r/min，乳化速度12000r/min。采用转谷氨酰胺酶作为固化阶段的改良剂，取代常用的甲醛、戊二醛等有毒试剂，使复凝聚法制备的微胶囊产品应用在食品行业成为可能。所得产品包埋率高、稳定性好，可为紫苏油在食品中的广泛应用提供参考依据。

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