不同壁材对β胡萝卜素微胶囊性质的影响

薛露，彭珍，关倩倩，熊涛，*

（1.南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西南昌330047；2.南昌大学食品学院，江西南昌 330031）

维生素A是重要的营养成分，不仅能够提高视力和预防夜盲症，还能够适当的提高免疫能力、促进生长发育、提高肠胃功能[1-2]、甚至可以预防和延缓肿瘤的发生[3]。但是人类自身无法合成维生素A，必须从饮食中获得适量的维生素A，如胡罗卜、枸杞等。β胡萝卜素是类胡萝卜素中维生素A活性最高的物质，对维生素A的转化也是最有效的[1，4]。β胡萝卜素除了作为主要维生素A的来源外，还具有抗氧化的作用，由于β胡萝卜素独特的共轭双键结构，其抗氧化性主要表现在清除自由基的能力，并保护机体不被破坏[5-6]。β胡萝卜素作为蔬菜成分只有20%～50%被吸收，因为β胡萝卜素的生物利用率主要取决于其所在食品基质中，同时由于β胡萝卜素的共轭双键，导致其容易异构化与氧化[7]。因此微胶囊技术常常应用到β胡萝卜素当中，并起着保护的作用。

微胶囊技术是指用高分子成膜性材料将其他物质（芯材）包裹起来形成非均相微小颗粒的技术[8]。微胶囊不仅可以保护芯材，防止其被外界环境破坏，还可以保持核内物质的挥发性并控制芯材的释放[9]。目前微胶囊技术已应用到食品、微生物、医学、农业、化妆等行业。β胡萝卜素微胶囊已成为研究热点，因为β胡萝卜素微胶囊不仅可以保护β胡萝卜素，防止其被破坏，而且溶于水后的β胡萝卜素微胶囊生物利用度更高[10-11]。

喷雾干燥是将液态物料以雾滴状态分散到热气流中，瞬间完成传热和传质的过程，使雾滴中的水分迅速蒸发为气体的一种方法。微胶囊的制备过程当中常常用到喷雾干燥技术，喷雾干燥干燥室内温度与微胶囊的包埋率有关，较高的进风口温度会促进微胶囊玻璃体形成，微胶囊包埋率也随之增大[12]；喷雾干燥进料的速率对水分的蒸发充分度有着影响，进一步可以影响微胶囊产品的得率[13]；甚至喷雾干燥的喷雾压力也可以影响到微胶囊产品的得率[14]，更有人单独研究喷雾干燥的工艺对β胡萝卜素的影响[15]。所以喷雾干燥这一过程对微胶囊的形成也显得至关重要。

本研究在参考大量文献及试验的条件下，选择合适的喷雾干燥条件，以常见的明胶（gelatin）、阿拉伯胶（gum arabic）、麦芽糊精（maltodextrin）为壁材，分别形成以明胶为壁材的β胡萝卜素微胶囊（G-microcapsulation）、以阿拉伯胶为壁材的β胡萝卜素微胶囊（GA-microcapsulation）、以麦芽糊精为壁材的微胶囊（M-microcapsulation），并通过一系列试验比较3种微胶囊产品的性质，以壁材差异性来评价β胡萝卜素微胶囊，为选择β胡萝卜素微胶囊壁材提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

明胶、阿拉伯胶、麦芽糊精、蔗糖：食品级，安徽省来发食品贸易有限公司；大豆油：市售；正己烷、环己烷、异戊醇：分析纯，西陇科学股份有限公司；SE-11蔗糖脂肪酸：食品级，北京鑫达食品添加剂有限公司；β胡萝卜素（纯度96%）：上海麦克林生化科技有限公司。

1.2 仪器与设备

紫外可见分光光度计（752s）：上海精密科学仪器有限公司；多功能酶标仪（Multiskan FC）；美国Thermo公司；高速混合剪切乳化机（FM200）：上海弗鲁克流体机械制造公司；恒温磁力搅拌器（90-1）：上海精科实业有限公司；离心机（AnkeLXJ-IIB）：上海安亭科学仪器厂；高压均质机（GYB）：上海华东高压均质机厂；小型喷雾干燥仪（B-290）：瑞士BUCHI公司；X衍射仪（D8 ADVANCE）：德国BRUKER公司；热重分析仪（TGA 4000）、差示扫描量热仪（DSC 8000）：美国 PE 公司；粒度和电位测量仪（Zetasizer nano zs90）：英国马尔文公司；场发射扫描电镜带能谱仪（JSM 6701F）：日本电子公司；智能型傅里叶变换红外光谱仪（Nicolet 5700）：美国热电尼高力公司。

1.3 方法

1.3.1 β胡萝卜素油悬液（油相制备）

β胡萝卜素油悬液参照文献[16]制备，其中有机试剂正己烷与β胡萝卜素质量比为10∶1，经磁力搅拌器搅拌，搅拌速度300 r/min，搅拌温度50℃，搅拌时间30 min。然后添加大豆植物油，添加量为β胡萝卜素的10倍，继续使用磁力搅拌器搅拌，搅拌速度300 r/min，搅拌温度75℃，搅拌时间3 h。

1.3.2 水相制备

按壁材与蔗糖质量比为5∶1溶解在蒸馏水中，壁材与蔗糖∶蒸馏水=3∶20（质量比），以50℃水温搅拌辅助溶解。按图1所示，制备β胡萝卜素微胶囊。

1.3.3 乳化稳定性

水相和油相混合经过高速剪切和高压均质之后得到乳状液，将其静置12 h。读取游离水层体积，乳化稳定性公式如下：

1.4 微胶囊的β胡萝卜素含量测定

图1 β胡萝卜素微胶囊制作过程Fig.1 Forming process of β-carotene microcapsulation

微胶囊的β胡萝卜素含量测定分为微胶囊表面β胡萝卜素含量与总β胡萝卜素含量测定。微胶囊表面β胡萝卜素含量采用外标法测定，由正己烷溶解，建立β胡萝卜素含量与吸光度之间的关系[17]。称取0.02 g左右β胡萝卜素微胶囊样品，溶解于20 mL正己烷中，充分摇匀振荡1 min，然后经过离心5 000 r/min 5 min，取上清液1 mL于50 mL棕色容量瓶中，正己烷定容至50 mL，于450 nm下测定其吸光值。总β胡萝卜素含量用异丙醇∶环己烷体积比=3∶1混合有机试剂溶解，称取0.01 g左右的β胡萝卜素样品于100 mL容量瓶中，用异丙醇和环己烷混合有机试剂定容至100 mL，异丙醇和环己烷混合有机试剂作为空白对照，于450nm处测定其吸光值，按下列公式计算总β胡萝卜素含量（X）[17]：

1.5 微胶囊的包埋率

微胶囊的包埋率根据如公式：

1.6 微胶囊溶解性测定

以GB/T 11903-1989《水质色度的测定》来辅助考察微胶囊溶解性，主要采用稀释倍数法[18]，稀释的倍数即为溶液色度。指标成分法测微胶囊溶解性为主，称取0.5 g左右，20 mL蒸馏水溶解，并搅拌辅助溶解。过滤滤去未溶解的微胶囊成分，并于55℃下干燥48 h，称量未溶解的微胶囊质量，按下列公式计算溶解度：

1.7 分光测色仪分析

以颜色强度C*为指标，用分光测色仪分别测量3种微胶囊的颜色强度，其中分光测色仪的测量波长范围为400 nm～700 nm，波长间隔10 nm。

1.8 微胶囊产品红外光谱分析

采用KBr压片法制样，通过Nicolet 5700傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transformation infra red，FIRT）记录不同壁材及不同壁材形成微胶囊和β胡萝卜素的红外光谱图，波长范围 400 cm-1～4 000 cm-1，分辨率 4 cm-1。

1.9 X-衍射分析

称取0.2 g样品于全自动X-射线衍射（X-ray diffraction，XRD）仪样品盒中，采用连续扫描。分析条件：室温25℃，Cu靶（Ka射线，波长=1.541 87 nm），电压：40 kV，电流：40 mA，扫描速率：2 °/min，步宽：0.02°，扫描范围为 5°～80°（2θ）。

1.10 微胶囊表面形态观察

用扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）观察微胶囊的表面形态，将微胶囊撒在贴有双面胶的扫描电镜样品台上，吹去多余粉末，然后喷金，置于电子显微镜样品台上，电压10 kV，选择合适且清晰的画面观察，并拍照。

1.11 ζ电位和粒径检测

室温25℃下准确称取0.1g微胶囊样品溶于20mL蒸馏水中，通过粒度和电位测量仪，测定溶解后微胶囊的粒度分布和ζ电位。

1.12 热重分析

热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）往往用来分析样品的热稳定性，分别对β胡萝卜素，G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation进行热重分析。分析温度范围：40℃～800℃，扫描速率：10℃/min，分析环境：氮气。

1.13 数据处理

表面β胡萝卜素含量、总β胡萝卜素含量、溶解度、分光测色分析ζ电位与粒径数据均重复测定3次，使用SPSS 22.0软件对数据进行统计学处理，所有数据以±S的形式表示（色度除外），并使用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 微胶囊的制备

β胡萝卜素虽为脂溶性维生素，但其在油脂的溶解性并不理想，需要一定的条件加以溶解，如研磨法，将β胡萝卜素油溶液研磨成悬浊液后加入水相[19]；直接熔融法，将油相升温到150℃左右，促进β胡萝卜素的溶解[20]；高温高压法，β胡萝卜素同样需要经过高温高压[21]；超临界流体法，采用超临界流体溶解β胡萝卜素[22]。研磨法、直接熔融法、高温高压都会直接或间接接触高温，但β胡萝卜素高温条件下会发生异构化，由生物效价较高的反式异构化成生物效价较低的顺式[17]；但超临界流体目前还只是适合实验室生产β胡萝卜素微胶囊，并不适合工业化生产。本文β胡萝卜素油悬液保证了制备过程不接触高温，可以有效的防止其异构化。

乳化稳定性是影响微胶囊的包埋率的关键因素之一[23]，影响乳化稳定性往往由乳化剂的种类及添加量决定，如许波等[14]采用多种乳化剂的复配使稳定性达到最佳，也有人[24]通过添加交联剂使乳状液更稳定，但往往交联剂有一定的毒性，不宜采取。除乳化剂外，壁材及壁材与芯材的比例均会影响包埋率[25]。本文通过添加SE-11蔗糖脂肪酸酯（含蔗糖脂肪酸单酯、蔗糖脂肪酸多酯、游离蔗糖），使乳化稳定性效果达到最佳。微胶囊的包埋率与乳化稳定性见表1。

表1 微胶囊的包埋率与乳化稳定性Table 1 Encapsulation efficiency and emulsion stability of microcapsulation

由表 1 可知，G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation之间包埋率并无显著性差异（p＞0.05），因此推断通过添加合适的乳化剂可以消除壁材之间差异性对微胶囊包埋率的影响。

2.2 微胶囊的溶解性

溶解性是微胶囊的一个重要理化指标，在考察溶解性时，目前主要有以色度考察溶解性、粘度考察溶解性、指标成分溶解考察溶解性。本文以指标成分溶解法为主，以GB/T 11903-1989为辅来考察溶解性。微胶囊的溶解性与色度见表2。

表2 微胶囊的溶解性与色度Table 2 Solubility and chrominance of microcapsulation

GA-microcapsulation的溶解性最佳，辅助考察溶解性的色度也是最佳；G-microcapsulation的溶解性最低，辅助考察溶解性的色度也是最低。微胶囊溶解能力与壁材本身有关，因为阿拉伯胶在常温下溶解质量分数可达40%[26]；以蒸馏水溶解，pH值中性条件下，明胶蛋白质分子间氢键与分子内氢键不易被打破，易形成胶团结构，使的明胶肽链不能充分展开和分散[27]，导致其中性条件下溶解度较低。故以蛋白为壁材的微胶囊，其溶解度会有一定程度降低。

2.3 分光测色分析

强烈的色彩颜色与强度会给人带来视觉得冲击，并增强其吸引力，而且样品的颜色比其他风味信息更重要[28]，甚至颜色在食品的风味感知中也发挥作用。不同微胶囊的颜色强度见图2。

图2 不同微胶囊的颜色强度Fig.2 Color intensity of different microcapsulation

不同壁材形成微胶囊，其中GA-microcapsulation颜色强度最佳，3种微胶囊形成的颜色强度之间存在显著性组间差异（p＜0.05），故壁材对微胶囊颜色强度的影响十分明显。颜色强度之间差异性来自壁材结构的不同，遂造成了微胶囊颜色强度之间的差异性。根据共轭学说，阿拉伯胶的共轭体系使得其颜色强度要强于其他两种微胶囊的颜色强度，同时根据有机化合物电子结构学说，阿拉伯胶具有较多活性较大的π电子，导致颜色强度也要强于其他两种微胶囊[29]。

2.4 红外光谱分析

通过红外光谱来分析不同壁材、β胡萝卜素、及不同壁材包裹的微胶囊之间官能团的变化。明胶、麦芽糊精、阿拉伯胶、β-胡萝卜素、G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation 的红外光谱图见图3。

图3 明胶、麦芽糊精、阿拉伯胶、β-胡萝卜素、G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation的红外光谱图Fig.3 FTIR spectra of gelatin，maltodextrin，gum arabic，βcarotene，G-microcapsulation，GA-microcapsulation，M-microcapsulation

如图3所示，从β胡萝卜素微胶囊红外光谱图可见，30 448.5-1伸缩振动、3 029.62 cm-1处不饱和-CH伸缩振动、2 918.16 cm-1和2 850.64 cm-1分别为饱和-CH反对称和对称伸缩振动、1 606.50 cm-1处共轭双键伸缩振动、1 383.97 cm-1处的-CH3的弯曲振动、964.50 cm-1处反式稀烃的面外振动、775.13 cm-1处不饱和-CH面外弯曲振动。在不同壁材形成的微胶囊红外光谱中，3 029.62 cm-1处不饱和-CH伸缩振动、964.50 cm-1处反式稀烃的面外振动、775.13 cm-1处不饱和-CH面外弯曲振动都消失，说明β胡萝卜素被不同壁材有效包裹起来，导致其特征峰的消失。3种微胶囊红外光谱图中，同时出现了一个1 746.00 cm-1C=O振动拉伸新的吸收峰，这与Jain A等[30]的微胶囊红外光谱图形成的新峰一致，这表明在微胶囊的形成过程中，不同壁材与填充物之间均发生了酯化。3种壁材红外光谱图均在1 025 cm-1处有伸缩振动，可能来自羧酸、酯或醚，能够与羟基形成氢键，作为形成壳膜的连接键[31]。相对3种壁材的红外光谱图，其所形成的微胶囊红外光谱图在2 926.97 cm-1和2 856.16 cm-1处吸收峰加强，且其指纹区的峰带变宽，也证实了氢键的存在。由红外光谱可知，3种不同壁材其所形成的微胶囊，其新生产的官能团与结构相似。

2.5 X-衍射分析

X-衍射用来研究不同壁材、β胡萝卜素、不同壁材微胶囊的的结构。明胶、麦芽糊精、阿拉伯胶、β-胡萝卜素、G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation的X-衍射谱图见图4。

图4 明胶、麦芽糊精、阿拉伯胶、β-胡萝卜素、G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation 的 X-衍射谱图Fig.4 X-RD spectra of gelatin，maltodextrin，gum arabic，βcarotene，G-microcapsulation，GA-microcapsulation，M-microcapsulation

如图4所示，β胡萝卜素显示出较强的晶体衍射峰，其2θ与粉末衍射数据库中的一致（JCPDS cards，No.14-0912），特征峰分别位于 12.005 3、14.711 5、15.669 1、16.929 6、19.074 6、22.108 5、24.863 2[32]。3 种微胶囊X-衍射图均无β胡萝卜素的特征衍射峰，这也表明3种壁材所形成的微胶囊将β胡萝卜素有效包裹起来。从3种壁材到其所形成的微胶囊过程中，X-衍射图没有显示出任何特征峰，这说明壁材及其形成的微胶囊都是无定形的，所以在微胶囊形成的任何过程中没有形成晶体，故3种壁材所形成的微胶囊对β胡萝卜素释放模式及稳定性不会产生任何影响[31]。

2.6 微观结构观察

微胶囊的电镜扫描如图5所示，为3种壁材所形成的微胶囊电镜扫描图。

图5 微胶囊的电镜扫描图Fig.5 SEM images of microcapsulation

麦芽糊精所形成微胶囊（图5C）表面光滑。表面光滑与壁材的成膜性相关[33]，故麦芽糊精的成膜性最佳。成膜性相对较差的壁材，如明胶，阿拉伯胶，水分挥发后，整体颗粒收缩，使其表面出现大量的褶皱[17]。同时明胶所形成的微胶囊和阿拉伯胶所形成的微胶囊粒分布不均匀，部分表面不规则，液滴在干燥时的干燥速率差异，造成应力不均，也可以形成褶皱凹陷[34]。同时也有文献报道这可能是扫描电镜的预处理所致，因为预处理时要在材料表面镀一层金粉，如此高温会使表面部分水分蒸发，从而导致褶皱[35]。但整体上来说3种微胶囊微观形态基本呈现球形，表面无裂痕，相互黏连和破损颗粒很少，说明β胡萝卜素已被壁材完好的包埋，壁材也具有良好的完整性，但壁材对微胶囊表面的光滑性有着一定程度影响。

2.7 ζ电位与粒径分布

ζ电位与粒径的大小影响着溶解后微胶囊的稳定性，粒径越大越容易产生沉淀，导致不均一的现象产生[36]。ζ电位绝对值越大，由于电荷的相互排斥作用，使得颗粒之间不易形成凝聚，使的溶解后的微胶囊可以稳定分布在液体中[37]。本试验中不同壁材所制得的微胶囊ζ电位与粒径分布结果如图6所示。

图6 微胶囊的ζ电位与粒径分布Fig.6 ζpotential and Particle size distribution of microcapsulation

ζ电位绝对值最大的为麦芽糊精形成的微胶囊，明胶形成的微胶囊ζ电位绝对值最小，但是明胶形成的微胶囊ζ电位为正，这是溶解后明胶微胶囊溶液pH值位于明胶等电点以下[38]，且壁材对ζ电位影响存在极显著性差异（p<0.001）。粒径分布中，平均粒度最小的为M-microcapsulation，平均粒度最大的为GA-microcapsulation，其中G-microcapsulation的粒径分布存在两个峰，粒径分布更广，其溶液的稳定性更差。根据ζ电位和粒径分布，M-microcapsulation溶液稳定性最好。ζ电位和粒径除了受壁材的影响外，还受其他因素的影响，如乳化时的搅拌速度对粒径的影响，pH值对ζ电位的影响[39]，故提高搅拌速度、适当调节pH值均可提高微胶囊溶液的稳定性，但其能否消除壁材对稳定性差异性影响还值得深究。

2.8 热重分析

图7分别记录了β胡萝卜素、M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-microcapsulation 重量随温度变化关系。

图7 β胡萝卜素、M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules热重分析图Fig.7 TAG image of β-carotene、M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules

从图7中可知，温度扫描从40℃～200℃时，M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules有着稍微失重的趋势，其失重来自微胶囊的水分丢失；温度扫描从250℃～500℃，β胡萝卜素、M-micro capsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules，出现明显的失重，其开始随着温度的升高而分解。在高温条件下，M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules同时出现质量的丢失，这表明不同壁材所形成的微胶囊在高温条件下对β胡萝卜素没有保护作用，这也与Jain A等[31]的研究一致。

3 结论

本文以相同的工艺制备G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation，比较不同壁材所形成微胶囊的差异性，并分析造成差异性的原因。当需要选择溶解良好的β胡萝卜素微胶囊时，应该避免选择蛋白类壁材；当需要颜色强度良好的β胡萝卜素微胶囊时，应该选择结构上带有共轭体系或结构上带有较多π电子的壁材；当需要β胡萝卜素微胶囊溶解后稳定性依旧良好时，除了提高乳化搅拌速度、适当调节pH值外，选择合适的壁材也显得至关重要。壁材对β胡萝卜素微胶囊表面光滑程度的影响也十分明显，微胶囊表面的光滑程度是否影响其它理化性质，如吸湿性，流散性等，则需要进一步研究。总而言之，制备微胶囊时，壁材的选择显得十分重要。