魔芋葡甘聚糖为壁材的苹果多酚微胶囊制备及缓释

郑健姿，岳田利

（西北农林科技大学食品学院，陕西杨陵712100）

魔芋葡甘聚糖为壁材的苹果多酚微胶囊制备及缓释

郑健姿，岳田利*

（西北农林科技大学食品学院，陕西杨陵712100）

研究以魔芋葡甘聚糖为壁材以苹果多酚为芯材，采用冷冻干燥的方法，制备复合微胶囊。对微胶囊制备的壁材浓度，芯壁材质量比和反应温度为单因素进行试验，再利用Design expert 8.0.6.1设计试验，以包埋率为指标，得到制备方法的最优条件。并对微胶囊进行缓释试验。结果表明：壁材浓度和芯壁材质量比对包埋率的影响最显著，温度对微胶囊的制备影响较大；较适宜的微胶囊制备条件为：壁材浓度2.2%，芯壁材料质量比1∶11，反应温度41.51℃。此条件下预测可得到的微胶囊的包埋率为88.3%，实际包埋率为88.2%。在6 h缓释试验中，模拟胃液释中放率为45.8%，模拟肠液中释放率为67.5%，具有良好的缓释效果。

葡甘聚糖；苹果多酚；微胶囊；缓释

苹果是世界四大水果之首，热量低、易吸收，而且我国是世界上最大的苹果生产国，苹果产量占世界的50%以上。苹果中含有丰富的苹果多酚，苹果多酚具有清除自由基、抗氧化、预防癌症、降血糖、降血脂、降血压、预防心脏病、抗龋齿、抗过敏、抗病毒等功能特性[1]。苹果多酚现已应用于多个领域，国内已有将苹果多酚用于食品添加剂，并且成熟应用于化妆品行业，但苹果多酚还很少用于保健食品行业。

魔芋葡甘聚糖是有益的碱性食品，对食用动物性酸性食品过多的人，搭配吃魔芋，可以达到食酸、碱平衡，对人体健康有利。研究表明，魔芋葡甘聚糖具有清洁肠道、提高耐糖能力、防止肥胖、改善胆固醇代谢等功能，能阻止人体对糖、脂、胆固醇的过量吸收，具有优良的保健功效[2]。同时，它还具有水溶性、稳定性、增稠性、成膜性、凝胶性等多种特性。由于上述几种特性，在食品工业中魔芋葡甘聚糖可作为保水剂、稳定剂、增稠剂、成膜剂、凝胶剂等使用。

本文旨在利用葡甘聚糖良好的成膜性，将在空气中不稳定的苹果多酚用葡甘聚糖包埋，采用冷冻干燥的方法[3]，做微胶囊化处理，随后进行优化，得到包埋率最高的产品，并进行体外模拟缓释试验，以期得到在人体中可以缓释的产品，为下一步试验做准备。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果多酚：湖南佳沐生物科技有限公司；魔芋葡甘聚糖：陕西锦泰魔芋产业发展有限公司；福林酚试剂、Na2CO3：天津市希尔斯化工有限公司；稀盐酸：永清县永飞化学试剂有限公司；NaOH：南京国晨化工；KH2PO4：天津市鼎鑫化工有限公司；NaCl：上海研一生物科技有限公司；所有水为去离子水。

1.2 仪器与设备

HH-4型水浴锅：上海国华仪器有限公司；TFD5505型冷冻干燥机：海尔冷冻干燥机带冷冻离心机；DJ-2型磁力搅拌器：常州市晨阳仪器厂；JA5003型电子天平：上海良平仪器仪表有限公司；752型紫外分光光度计：上海仪电分析仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 葡甘聚糖为壁材的苹果多酚微胶囊的制备

取一定质量的苹果多酚粉末，注意避光，迅速称量重量，加蒸馏水溶解混匀成芯材溶液。称取一定质量的葡甘聚糖，加入到苹果多酚的芯材溶液中，迅速搅拌（否则容易凝结成块），避光条件下用磁力搅拌器进行搅拌8 h，使葡甘聚糖胶体充分溶胀，且可使芯材溶液和壁材充分混匀。使用冷冻干燥机进行冻干，12 h之后取出。过200目筛，得到微胶囊[4]。

1.3.2 单因素试验

在综合考虑各个试验条件后，共设计了3个单因素试验：壁材浓度（A）、芯壁材料质量比（B）和温度（C），以微胶囊的包埋率为指标，得出每种因素对微胶囊包埋率的影响。包埋率的公式[5]为：

采用只溶解苹果多酚，不溶解葡甘聚糖的溶剂对微胶囊表面进行清洗，并测量微胶囊外未包裹的苹果多酚。苹果多酚含量的测量方法为福林酚法，在765 nm下测量分光光度值。

1.3.2.1 壁材浓度的选择

固定微胶囊的芯壁材质量比为1∶10，反应温度为40℃，制备一定体积的芯材溶液，按照芯材溶液的质量浓度比 1%、1.5%、2%、2.5%、3%来称取葡甘聚糖。按照1.3.1的方法制备微胶囊，遴选最佳壁材浓度。

1.3.2.2 芯壁材质量比的选择

固定微胶囊的壁材浓度为2%，反应温度为40℃，按照芯壁材质量浓度比为 1 ∶3、1 ∶5、1 ∶10、1∶15、1 ∶20来制备微胶囊，筛选出最佳的芯壁材质量比。

1.3.2.3 反应温度的选择

固定微胶囊的壁材质量浓度为2%，芯壁质量比为1∶10，设定芯材溶液与壁材胶体混合时的反应温度为 30、35、40、45、50℃。利用 1.3.1的方法制备微胶囊，筛选出最佳反应温度。

1.3.3 响应面分析

由单因素试验得到的壁材浓度（A）、芯壁材质量比（B）和温度（C）3个条件的数据，利用 Design expert 8.0.6.1软件的BOX-Behnken中心组合的设计原理，以壁材浓度（A）、芯壁材质量比（B）和温度（C）3个因素作为变量，以微胶囊的包埋率为响应值设计三因素三水平共17个试验点的响应面分析试验，选出最优条件。响应面设计如表1所示。

表1 响应面设计Table 1 Response surface design

1.3.4 体外模拟缓释试验

将制备的微胶囊分别置于模拟胃液与模拟肠液的环境中，在100 r/min的摇床中每隔1小时取1 mL样品进行分析，然后加1 mL水补齐液体，用福林酚法测定溶出苹果多酚的含量，计算释放率[6]。

2 结果与分析

2.1 微胶囊的单因素试验结果

2.1.1 壁材浓度对微胶囊包埋率的影响及壁材浓度的选择

固定芯壁材质量比，反应温度后，用5种壁材浓度制备出的微胶囊的包埋率如图1所示。

从图1中可以分析得到：微胶囊的包埋率是随着壁材浓度的增加而上升，壁材浓度到达2%之后包埋率上升趋于平缓。可能的原因是在浓度大于2%之后，葡甘聚糖的分子成团现象比较严重，导致对苹果多酚的包埋量并没有随着葡甘聚糖的增加而增加太多，与增加量不成正比。虽然在葡甘聚糖浓度大于2%之后包埋率还是上升的，但是由于实际原因，在葡甘聚糖浓度大于2.5%之后，壁材溶液基本已无法搅拌，而且考虑实际生产中的经济成本问题，故选择壁材浓度为2%。

图1 壁材浓度对微胶囊包埋率的影响Fig.1 The influence of wall material concentration on embedding rate

2.1.2 芯壁材质量比对微胶囊包埋率的影响及芯壁材质量比的选择

固定壁材浓度和反应温度，用5种不同芯壁材质量比制备微胶囊的包埋率如图2所示。

图2 芯壁质量比对微胶囊包埋率的影响Fig.2 The influence of proportion of core/wall material on embedding rate

由图2可以看出，微胶囊的包埋率先上升后下降，最高峰出现在芯壁材质量比为1∶10处，所以毫无疑问胶囊的芯壁材质量比选择为1∶10。

2.1.3 温度对微胶囊包埋率的影响及最适反应温度的选择

固定壁材浓度和芯壁材质量比之后，在3个反应温度下制备的微胶囊的包埋率如图3所示。

由图3可知，微胶囊的包埋率随着温度的增加而增加，在40℃之后升高的速度减慢。因为随着温度升高而包埋率的升高不明显，所以选用40℃为反应温度。

2.2 响应面对试验方法的优化

2.2.1 Box-Benhnken的中心组合设计试验结果及分析

根据表1的响应面设计，得到的响应面分析试验数据如表2所示。以微胶囊的包埋率为Y值，得到包埋率与壁材浓度（A）、芯壁材质量比（B）和温度（C）的三元二次方程为：Y=87.48+2.65A+1.15B+0.725C+0.45AB+1.3AC+0.15BC-3.515A2-3.365B2-2.165C2

图3 温度对微胶囊包埋率的影响Fig.3 The influence of temperature on embedding rate

表2 响应面分析试验数据Table 2 The data of response surface analysis

回归方程方差分析见表3。

由表 3 可知，A、B、C、AC、A2、B2、C2都是显著的，Prob＞F值小于0.000 1说明回归方程具有高度的显著性，失拟项为0.160 9大于0.05，所以是不显著的，该方程模拟较好[7]。R2=0.991 1，说明此数值说明本试验模型可以解释99.11%响应值的变化，只有总变异的0.89%不可以用此模型解释，表明响应值与预测值之间具有较好的拟合度，该试验方案是可行的[8]。可以使用此模型对微胶囊的制备进行优化。

表3 回归方程方差分析Fig.3 ANOVA of regression equation

2.2.2 响应面图与等高线图分析

图4到图6是根据2.2.1中的回归方程所得到的不同因素对微胶囊包埋率影响的响应面图和等高线图，是对两个不同条件相互交互作用对微胶囊包埋率的影响的直观显示。研究表明，等高线的形状越趋于圆形，表示两个因素相互作用较弱。等高线的形状越趋于椭圆形，表示交互作用较强，比较显著[9]。

图4 壁材浓度和芯壁材质量比交互作用对微胶囊包埋率的影响Fig.4 The influence of wall material concentration and proportion of core/wall material interaction to the microcapsule embedding rate

图5 壁材浓度和温度交互作用对微胶囊包埋率的影响Fig.5 The influence of wall material concentration and temperature interaction to the microcapsule embedding rate

图4和图6的等高线图都是趋于圆形，而且图6更接近圆形，可以看出壁材浓度和芯壁材质量比的交互作用以及芯壁材质量比和温度的交互作用对微胶囊的包埋率的影响是不显著的。

而图5表明了壁材浓度和温度的交互作用。由图5可以看出其等高线为椭圆形状，这也体现了壁材浓度和温度交互作用对微胶囊包埋率的显著影响。当壁材浓度不变时，包埋率随温度的增加先增大后平缓；在温度不变时，包埋率先随壁材浓度的增加而增加，而后趋于不变。

2.3 验证试验结果

根据Box—Behnken试验所得到的数据结果和回归方程，利用Design Expert8.0.6.1软件处理所得数据，得到较适宜的微胶囊制备条件为：壁材浓度为2.2%，芯壁材质量比为1∶11，反应温度为41.51℃。此条件下预测可得到的微胶囊的包埋率为88.3%。而3次验证试验所得到的包埋率分别为88.5%、87.9%、88.1%，平均值为88.2%，与预测包埋率相差小于±1%，证明响应面设计比较好的预测了微胶囊包埋情况。

图6 芯壁材质量比和温度交互作用对微胶囊包埋率的影响Fig.6 The influence of proportion of core/wall material and temperature interaction to the microcapsule embedding rate

2.4 体外缓释试验结果

由于食物在胃中完全排空的时间是6h，所以取6h作为微胶囊在模拟胃液和模拟肠液中的受试时间。

图7展示的是6 h微胶囊在模拟胃液与模拟肠液中的释放曲线。

图7 微胶囊在模拟胃液和模拟肠液中的溶出率Fig.7 The microcapsule dissolution rate in simulated gastric and simulate intestines liquid

由曲线可以看出，微胶囊在模拟胃液中6 h的释放率为45.8%，在模拟肠液中6 h释放率为67.5%，表明微胶囊在模拟胃液和模拟肠液中的缓释效果较好，且模拟胃液中的释放速率小于模拟肠液中。其可能的原因是由Phillips G O等[10]试验的验证表明，魔芋葡甘聚糖在pH小于3的模拟胃液环境下黏度急剧上升，导致壁材的空隙减少，使芯材从壁材中释放的速度减慢，而模拟肠液中的pH为弱碱性，壁材黏度小于在模拟胃液环境下的黏度，所以释放速度较模拟胃液中的快。

根据赵艳威[11]的试验，苹果多酚降血糖主要的机理是与小肠中的α-葡糖苷酶进行竞争性抑制，即苹果多酚是在小肠中发挥作用，所以微胶囊的最佳效果是在胃中释放的速率略缓慢，而在肠液中释放稍迅速。而微胶囊的体外缓释试验恰好符合这一要求，这也为后续微胶囊降血糖试验打下良好基础。

3 结论

本试验在单因素的基础上，得到了包埋率比较高的试验条件：壁材浓度为2.2%，芯壁材质量比为1∶11，反应温度为41.51℃。此条件下可得到的微胶囊的包埋率为88.2%。在此条件下所制得微胶囊，在模拟胃液中6 h缓释释放量为45.8%，在模拟肠液中6 h释放量为67.5%，具有明显的缓释作用。

[1]杨薇,张晓旭,李景明.苹果多酚功能及其作用机理的研究进展[J].食品研究与开发,2012(1):193-196

[2]金灵红,朱伟云.魔芋葡甘聚糖功能及其应用研究进展[J].畜牧与兽医,2014(2):97-100

[3]Fang W,Wu P.Variations of Konjac glucomannan(KGM)from Amorphophallus konjac and its refined powder in China[J].Food Hydrocolloids,2004,18(1):167-170

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[5]谭明杰,张春香.冷冻干燥法茶多酚微胶囊的制备及其在烟用复合咀棒中的应用研究[J].食品工业,2011(8):57-59

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[7]王博,斯聪聪,程国才.响应面优化超滤膜分离灵芝多糖工艺[J].食品工业,2015(12):1-4

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Preparation of Apple Polyphenol Microcapsules Using KGM as Wall Material and Its Sustained Release

ZHENG Jian-zi，YUE Tian-li*
（College of Food Science and Engineering，Northwest A&F University，Yangling 712100，Shaanxi，China）

This research was prepared the.Amorphophallus konjac（KGM）and apple polyphenol microcapsule with freeze drying method.Make the proportion of core/wall material，wall material concentration and temperature as a single factor，get the optimal single factor data.Then take the embedding rate as index and use Designexpert 8.0.6.1 to optimize experiment design，get the optimal solution of the experiment.Do sustained release experiment.The result showed that，the interaction of wall material concentration and temperature was significantly effect on embedding rate.And the best condition was：proportion of core/wall material was 1∶11，wall material concentration was 2.2%and reaction temperature was 41.51℃.The predicted embedding rate in this condition was 88.3%，and the real was 88.2%.The release rate in simulated gastric environment was 45.8%and it's 67.5%in simulate intestines liquid，the result showed the microcapsule had a good effect on sustained release.

Amorphophallus konjac（KGM）；apple polyphenol；microcapsule；sustained release

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.24.010

农业部 948 重点项目[2011－G8（3）]

郑健姿（1990—），女（蒙古），在读硕士研究生，研究方向：食品营养与安全。

*通信作者：岳田利（1965—），男（汉），教授，博士生导师，研究方向：食品生物技术及食品安全控制。

2016-03-04