羧甲基纤维素钠对番茄红素复凝聚微胶囊性能的影响

王鲁慧，徐同成，刘丽娜，黄国清，肖军霞,*

羧甲基纤维素钠对番茄红素复凝聚微胶囊性能的影响

王鲁慧1，徐同成2，刘丽娜2，黄国清1，肖军霞1,*

（1.青岛农业大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266109；2.山东省农业科学院农产品研究所，山东 济南 250100）

本研究以大豆分离蛋白和壳聚糖为壁材，通过复凝聚法制备番茄红素微胶囊，研究了在反应体系中添加不同质量浓度的羧甲基纤维素钠对番茄红素包埋性能及微胶囊各种性质的影响。结果发现加入20 mg/mL的羧甲基纤维素钠溶液后，制备的番茄红素微胶囊较为分散，粒径和ζ电位降低，微胶囊粉末的休止角为50º，包埋产率和效率分别急剧增加至64.3%和74.2%，释放率为12.0%，表明在反应体系中加入羧甲基纤维素钠可增加番茄红素微胶囊的分散性、流动性、包埋产率和包埋效率，降低微胶囊的粒径、ζ电位及芯材在酸性介质中的释放速率，且存在剂量-效应关系；另外，羧甲基纤维素钠的存在还增强了微胶囊在100 ℃高温下的稳定性。因此，在大豆分离蛋白-壳聚糖复凝聚体系中添加羧甲基纤维素钠可提高番茄红素微胶囊的加工特性。该研究为拓展番茄红素在食品中的应用提供了理论依据。

番茄红素；复凝聚；微胶囊；羧甲基纤维素钠；分散性

番茄红素是一种脂溶性天然色素，广泛分布于各种植物中，其在番茄中含量最高，可达3～14 mg/100 g[1]。番茄红素具有抗氧化、抗癌、防癌、消除香烟和汽车废气中的有毒物质、活化免疫细胞等功能，因此是一种很有开发前景的功能性天然色素[2-3]。但番茄红素难溶于水，且对光和氧十分敏感，这使其应用范围受到了很大的限制。微胶囊技术是提高番茄红素在水中分散性和稳定性的重要措施[4-5]，孙传庆等[4]利用喷雾干燥法制备番茄红素微胶囊，显著提高了功能性产品中番茄红素的生物利用度。

复凝聚微胶囊化技术是采用两种带相反电荷的聚电解质作为复合壁材，通过调节反应体系的pH值，使两种聚电解质因电荷吸引相互作用，造成溶解度降低而凝聚在芯材周围，形成微胶囊[6-7]，多糖和蛋白质是最常用的壁材。由于具有可用壁材种类多、安全性好、选择范围广、反应条件温和、包埋效率高等特点，该技术在微胶囊化领域获得了广泛应用[8-10]。孙新虎[11]利用复凝聚法制备番茄红素微胶囊，显著提高了番茄红素的稳定性。然而，聚集是复凝聚微胶囊化技术面临的一个较为重要的问题，这会导致微胶囊粉末的流动性和分散性变差。为了解决这个问题，可向复凝聚体系中加入合适的抗结剂如羧甲基纤维素钠（sodium carboxymethyl cellulose，CMC）、微晶纤维素、二氧化硅等，其中CMC的应用最为广泛[12-15]。

李素君等[16]以CMC为分散剂制得CMC包覆纳米铁，发现CMC分子层之间的静电斥力和空间位阻效应抑制了纳米铁的聚集与沉降，且增加CMC用量能改善纳米铁在水中的分散性，Phenrat等[17]得到了类似的研究结果；何蕾[18]制备了低密度脂蛋白/CMC纳米凝胶，发现CMC发挥其亲水性和静电排斥作用阻止了低密度脂蛋白的聚集沉淀，从而得到了均一的纳米凝胶溶液；David等[19]以明胶和CMC为壁材，通过复合凝聚法制备微胶囊，得到了具有较好流动性和分散性的微胶囊。上述研究表明，CMC不仅可以有效地阻止微胶囊的聚集，而且其电荷特性还会对复凝聚体系中聚电解质之间的静电相互作用造成一定的影响。

大豆分离蛋白-壳聚糖复凝聚胶体系已被用于辣椒红色素[20]和大蒜油[21]的微胶囊化。因此，本实验采用该复凝聚体系来包埋番茄红素，在包埋过程中加入不同质量浓度的CMC，研究CMC对番茄红素微胶囊的分散性、包埋效率、包埋产率、外观形态、粒径、ζ电位、流动性、释放性及热稳定性等参数的影响。本研究对于推动复凝聚技术在番茄红素微胶囊化中的应用具有参考意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

番茄红素油（质量分数为5%） 陕西康跃生物科技有限公司；大豆分离蛋白 青岛天新食品添加剂有限公司；壳聚糖（黏度80 mPa·s、脱乙酰度为95.2%）潍坊海之源有限公司；番茄红素标准样品 南京森贝伽生物科技有限公司；氢氧化钠、盐酸、乙酸、无水乙醇（均为分析纯） 莱阳市康德化工有限公司；石油醚（分析纯） 天津市津东天正精细化学试剂厂；CMC、无水氯化钙、无水硫酸钠（均为分析纯） 天津市巴斯夫化工有限公司。

1.2 仪器与设备

Mr-90恒温磁力搅拌器 上海沪西分析仪器厂有限公司；DL-5-B低速大容量离心机 上海安亭科学仪器厂；WB2000-D高速搅拌器 德国维根斯公司；T18高速分散仪 德国IKA公司；Nano ZS90纳米粒度仪、ZEN3690 ζ电位仪 英国马尔文实验设备公司；SPS401F分析天平 德国赛多利斯科学仪器有限公司；Delta320 pH计 瑞士梅特勒-托利多仪器公司；XSP-24双目生物显微镜 江南光电集团；UV-2000紫外分光光度计 上海尤尼科仪器有限公司；ZDG-0.25真空冷冻干燥机 烟台冰轮股份有限公司；RE52AA旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 番茄红素微胶囊的制备

准确称取4 份0.450 0 g番茄红素油于100 mL烧杯中，各加入30 mL 24 mg/mL的大豆分离蛋白溶液，在65 ℃条件下12 000 r/min高速乳化20 min，制备番茄红素O/W型乳状液。然后加入30 mL 6 mg/mL的壳聚糖溶液，再逐滴加入1 mol/L NaOH调节混合溶液pH值到6.3，在25 ℃条件下300 r/min搅拌15 min后，分别加入质量浓度为0、2、10、20 mg/mL的CMC水溶液各1 mL，300 r/min搅拌10 min至分散均匀，静置分层，移出上层悬浮物，用少量水洗涤沉淀，得到微胶囊湿囊，然后将其中一部分放置于-80 ℃下预冻3 d后，冷冻干燥得到番茄红素微胶囊粉末。

1.3.2 番茄红素微胶囊形态的观察

吸取少量1.3.1 节中的番茄红素微胶囊湿囊悬浮液滴到载玻片上，盖上盖玻片，在双目显微镜下观察、拍照。

1.3.3 番茄红素微胶囊粒径和ζ电位的测定

取少量番茄红素微胶囊湿囊用去离子水按体积比1∶100稀释，利用Nano ZS90纳米粒度仪及ZEN3690 ζ电位仪测定微胶囊的粒径和ζ电位，测试温度为25 ℃，平行测定3 次。

1.3.4 番茄红素微胶囊流动性的测定

根据GB 11986—2002《表面活性剂 粉体和颗粒休止角的测量》中规定的休止角法，采用沙漏法来测定[22]。称冻干的微胶囊轻轻研磨成颗粒，将漏斗固定在铁架台上，在漏斗正下方放置一半径r为25 mm的圆盘，然后将微胶囊注入到漏斗中，使微胶囊颗粒沿漏斗流下，落到圆盘上，当微胶囊颗粒从圆盘边缘流出时停止注入，测定此时微胶囊颗粒的堆积高度H，根据式（1）计算休止角α。

式中：α为休止角/（°）；H为当胶囊颗粒停止注入时微胶囊颗粒的堆积高度/mm；r为圆盘半径/mm。

1.3.5 番茄红素微胶囊微观结构的测定

用刀片切一块冷冻干燥后的微胶囊，通过导电胶黏贴到样品台上，然后在样品台上喷金3 次，电压为2 kV，然后通过扫描电子显微镜观察。观察时间应尽可能短，以避免电子束长时间照射引起电子损伤。

1.3.6 番茄红素微胶囊包埋效果的测定

1.3.6.1 番茄红素含量的标准曲线绘制

准确称取番茄红素标准样品0.002 0 g，加入石油醚，超声处理直到番茄红素完全溶解，然后用石油醚定容至50 mL。分别吸取1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mL上述溶液，用石油醚定容到10 mL，混合均匀后得到质量浓度分别为4、8、12、16、20 μg/mL的溶液，于472 nm波长处测定吸光度。以番茄红素质量浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准曲线。

1.3.6.2 微胶囊中番茄红素总含量的测定

准确称取1.3.1节中的微胶囊粉末0.100 0 g于烧杯中，加入30 mL石油醚，超声振荡20 min，加入2 g无水硫酸钠除去水分。离心后取上清液，用石油醚定容至50 mL。以石油醚为空白，于472 nm波长处测定吸光度，根据标准曲线计算番茄红素含量。

1.3.6.3 微胶囊表面番茄红素含量的测定

准确称取1.3.1节中的微胶囊粉末0.100 0 g于烧杯中，用30 mL石油醚洗涤3 次后，过滤合并滤液，然后用石油醚定容至50 mL。以石油醚为空白，于472 nm波长处测定吸光度，根据标准曲线计算番茄红素含量。

1.3.6.4 包埋效果评价

番茄红素微胶囊的包埋效果采用包埋产率和包埋效率来表示，分别按如下公式（2）、（3）计算[23]。

1.3.7 番茄红素微胶囊释放性的测定

准确称取番茄红素微胶囊0.100 0 g于烧杯中，加入30 mL pH值为4.0的盐酸溶液，用保鲜膜密封后置于室温下，缓慢搅拌，每隔0.5 h取出5 mL，再量取5 mL pH值为4.0的盐酸溶液补齐到30 mL。将取出的液体在3 000 r/min下离心15 min，取上清液，加入石油醚，用分液漏斗萃取出上清液中的番茄红素，于472 nm波长处测定吸光度，根据标准曲线计算番茄红素含量，利用式（4）计算释放率[24]。

1.3.8 番茄红素微胶囊热稳定性的测定

准确称取番茄红素微胶囊0.100 0 g，共4 份，分别放置于4 个锥形瓶中，置于100 ℃烘箱中加热，分别在加热0、2、4、6 h时取出一份，用石油醚定容至50 mL，用分液漏斗萃取出上清液中的番茄红素，于472 nm波长处测定吸光度，根据标准曲线计算番茄红素含量，利用式（5）计算保留率[4]。

2 结果与分析

2.1 番茄红素微胶囊的形态

图1 CMC溶液质量浓度对番茄红素微胶囊外观形态的影响（×40）Fig. 1 Effect of CMC concentration on morphology of lycopene microcapsules (× 40)

图1为所加入CMC溶液质量浓度对番茄红素微胶囊湿囊水悬浮液形态的影响。可以看出，加入20 mg/mL CMC制备的番茄红素微胶囊较为分散；加入10 mg/mL CMC制备的番茄红素微胶囊分散性次之；加入2 mg/mL CMC制备的番茄红素微胶囊可能由于CMC质量浓度较低，分散效果不好；而未加入CMC的番茄红素微胶囊分散性最差，聚集较为明显，且可观察到大量的油滴，表明CMC的加入降低了微胶囊的聚集，并且对包埋效果也产生了影响。

这可能是由于在番茄红素微胶囊的成型初期，系统能量较高，较不稳定，在分子间作用力的影响下容易聚集；加入CMC后，其吸附于微胶囊表面，降低了微胶囊颗粒的界面张力而使自由能大幅度降低，同时增大了颗粒间的斥力使得颗粒间聚集的现象有所减少[25]。此外，CMC的吸附作用导致番茄红素微胶囊表面的吸附层变厚形成空间位阻，进一步阻碍了颗粒间的聚集[26-27]。因此，CMC对复凝聚番茄红素微胶囊具有良好的分散作用。

2.2 番茄红素微胶囊的粒径和ζ电位

图2 CMC溶液质量浓度对番茄红素微胶囊平均粒径及ζ电位的影响Fig. 2 Effect of CMC concentration on average particle size and ζ potential of lycopene microcapsules

由图2可知，随着CMC溶液质量浓度的增加，番茄红素微胶囊的平均粒径逐渐减小。结合图1分析，这可能是由于CMC的存在降低了微胶囊颗粒的聚集程度，因而使得微胶囊颗粒的平均粒径随着反应体系中CMC含量的增加而降低[27]。

由图2同时可以看出，未加入CMC的番茄红素微胶囊带正电荷，随着CMC溶液质量浓度的增加，番茄红素微胶囊表面所带负电荷逐渐增加且在CMC溶液质量浓度为20 mg/mL时达到最大绝对值。这可能是由于CMC本身带负电，其与微胶囊表面带正电荷的壳聚糖通过静电相互吸附而包裹在番茄红素微胶囊表面，从而使得整个微胶囊带负电；表面所带电荷越多，微胶囊颗粒间的排斥力越大，CMC的分散效果越好，这与图1中观察到的结果一致。

2.3 番茄红素微胶囊的流动性

图3 CMC溶液质量浓度对番茄红素微胶囊流动性的影响Fig. 3 Effect of CMC concentration on fl owability of lycopene microcapsules

由图3可以看出，未添加CMC时制备的微胶囊的休止角为60º，随着CMC溶液质量浓度的增加，所得微胶囊粉末的休止角随之降低，当CMC溶液质量浓度为20 mg/mL时，微胶囊粉末的休止角为50º，为最小。休止角越小，表明微胶囊颗粒之间的摩擦力越小，流动性越好，而流动性与微胶囊颗粒的分散性有直接关系[28]。因此，图3结果直观地表明，添加CMC可增加番茄红素微胶囊的流动性和分散性。

2.4 番茄红素微胶囊的微观结构

图4 添加CMC对番茄红色素微胶囊微观结构的影响（×400）Fig. 4 Effect of CMC addition on microstructure of lycopene microcapsules (× 400)

以CMC溶液质量浓度20 mg/mL为例，比较了添加CMC对番茄红素微胶囊微观结构的影响，结果如图4所示。未加入CMC的番茄红素微胶囊颗粒相互黏结情况非常严重，仅能观察到极少数单独的颗粒（图4A），而加入20 mg/mL CMC溶液后，视野中单独番茄红素微胶囊颗粒的数量增加（图4B），这也可能是由于CMC分子间的静电斥力和空间位阻有效阻止微胶囊颗粒的聚集，从而使其保持良好的分散性[29]。这表明CMC的加入对番茄红素微胶囊的确起到了分散的作用，番茄红素微胶囊颗粒能够完整独立的存在。

2.5 番茄红素微胶囊的包埋效果

图5 CMC溶液质量浓度对番茄红素微胶囊包埋产率和效率的影响Fig. 5 Effect of CMC concentration on the yield and microencapsulation eff i ciency of lycopene microcapsules

如图5所示，番茄红素微胶囊的包埋产率及包埋效率随着CMC质量浓度的增加而增加。未添加CMC时，所得微胶囊的包埋产率和包埋效率分别仅为21.2%和51.1%，而加入20 mg/mL的CMC溶液后，这两个参数急剧增加至64.3%和74.2%，表明添加CMC可提高大豆分离蛋白-壳聚糖复凝聚体系对番茄红素的包埋效果。这可能是由于带负电荷的CMC吸附在微胶囊粒子表面，有效地阻止了原本吸附在微胶囊表面的番茄红素在包埋过程中向溶剂相的迁移[30]，从而使得包埋产率和效率得到提高。

2.6 番茄红素微胶囊的释放性能

图6 CMC溶液质量浓度对番茄红素微胶囊在pH 4.0溶液中释放性能的影响Fig. 6 Effect of CMC concentration on release behavior of lycopene microcapsules in pH 4.0 medium

本研究以酸性食品基质为应用对象，对所得番茄红素微胶囊在pH 4.0溶液中的释放性能进行了测定，结果如图6所示。微胶囊中番茄红素的释放率随CMC质量浓度的增加而不断降低，未加入CMC的番茄红素微胶囊的释放率较高，2 h后的累积释放率达到了19.24%，而加入2、10、20 mg/mL的CMC溶液后，2 h后番茄红素微胶囊的累积释放率分别降至了15.3%、14.2%和12.0%。这可能是由于未添加CMC的番茄红素微胶囊表面略有空缺和孔隙[25]，且吸附有大量番茄红素，因此微胶囊内部和表面的番茄红素易从微胶囊中释放，因此释放率较高；而加入CMC后，由于微胶囊的包埋效率提高（图5），微胶囊内部的番茄红素迁移速率降低，从而使得释放率降低。

2.7 番茄红素微胶囊的热稳定性

图7 添加CMC对番茄红素微胶囊热稳定性的影响Fig. 7 Effect of CMC addition on thermal stability of lycopene microcapsules

由图7可知，未加入CMC的番茄红素微胶囊的热稳定性较差，在100 ℃条件下加热6 h后的保留率为63%，而加入20 mg/mL CMC溶液后制备的番茄红素微胶囊的保留率较高，达到了69%，这说明加入CMC有助于提高番茄红素微胶囊的稳定性。究其原因可能是CMC的存在提高了包埋效率，降低了微胶囊表面的芯材含量，同时吸附在微胶囊外层的CMC对被包埋的芯材又提供了额外的保护，使得番茄红素微胶囊的热稳定性有了提高。

3 结 论

本研究探索了添加CMC对采用大豆分离蛋白-壳聚糖复凝聚体系制备的番茄红素微胶囊性能的影响。在本实验中，加入20 mg/mL的CMC溶液后，制备的番茄红素微胶囊较为分散，粒径和ζ电位降低，微胶囊粉末的休止角为50º，包埋产率和效率分别急剧增加至64.3%和74.2%，释放率为12.0%，在100 ℃条件下加热6 h后的保留率可达69%。因此，加入CMC不仅能够提高复凝聚微胶囊的分散性及流动性，还能够提高番茄红素微胶囊的包埋效果和热稳定性，且可减缓番茄红素的释放速率。本研究为拓展复凝聚微胶囊技术在番茄红素包埋中的应用提供了理论参考。

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Effect of Sodium Carboxymethyl Cellulose on Properties of Coacervated Lycopene Microcapsules

WANG Luhui1, XU Tongcheng2, LIU Lina2, HUANG Guoqing1, XIAO Junxia1,*
(1. College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China;2. Institute of Agro-Food Science and Technology, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan 250100, China)

In this paper, microcapsules containing lycopene were prepared by the complex coacervation method with soybean protein isolate (SPI) and chitosan (Ch) as wall material and the effects of the addition of various amounts of sodium carboxymethyl cellulose (CMC) on the encapsulation efficiency and properties of microcapsules were investigated. The results indicated that microcapsules with good dispersibility and an angle of repose of 50º were obtained with addition of 20 mg/mL CMC, which demonstrated reduced particle size and ζ potential and sharply increased microcapsule yield and encapsulation efficiency of 64.3% and 74.2% along with a release rate of 12.0% compared with those without CMC. Thus,addition of CMC to the reaction system could increase the dispersibility, fl owability, microcapsule yield and microencapsulationeff i ciency, and reduce the particle size, ζ potential and lycopene release rate in acidic medium of microcapsules in a dosedependent manner. Meanwhile, added CMC enhanced the stability of microcapsules upon exposure to 100 ℃. To conclude,addition of CMC to SPI-Ch coacervation system could greatly improve the processing performance of the resultant lycopene microcapsules. This study may lay a theoretical foundation for extending the applicability of lycopene in the food industry.

lycopene; complex coacervation; microcapsule; sodium carboxymethyl cellulose; dispersibility

10.7506/spkx1002-6630-201801016

TS202.3

A

1002-6630（2018）01-0105-06

王鲁慧, 徐同成, 刘丽娜, 等. 羧甲基纤维素钠对番茄红素复凝聚微胶囊性能的影响[J]. 食品科学, 2018, 39(1):

105-110. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201801016. http://www.spkx.net.cn

WANG Luhui, XU Tongcheng, LIU Lina, et al. Effect of sodium carboxymethyl cellulose on properties of coacervated lycopene microcapsules[J]. Food Science, 2018, 39(1): 105-110. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201801016. http://www.spkx.net.cn

2016-11-17

国家自然科学基金面上项目（31571890）；山东省自然科学基金面上项目（ZR2015CM037）；

山东省农业科学院农业科技创新工程项目（CXGC2016B16）

王鲁慧（1994—），女，硕士研究生，研究方向为食品组分稳态化技术。E-mail：wlhfood@sina.com*通信作者简介：肖军霞（1977—），女，教授，博士，研究方向为食品组分稳态化技术。E-mail：xjxfood@qau.edu.cn