克氏原螯蝦殼蝦青素微膠囊制備工藝的優化

侯會絨，孫兆遠，貢漢坤，陳曉東（.江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇淮安3003；.淮安快鹿牛奶有限公司，江蘇淮安3003）

克氏原螯蝦殼蝦青素微膠囊制備工藝的優化

侯會絨1，孫兆遠1，貢漢坤1，陳曉東2
（1.江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇淮安223003；2.淮安快鹿牛奶有限公司，江蘇淮安223003）

摘要：以β-環糊精為壁材，阿拉伯膠為輔材，對克氏原螯蝦殼蝦青素進行微膠囊化包埋。通過單因素試驗探討壁材種類、壁材添加量、芯材添加量、攪拌時間、攪拌溫度等因素對蝦青素微膠囊制備效果的影響，并通過響應面法確定微膠囊制備工藝最佳條件為：80%β-環糊精+20%阿拉伯膠添加量0.19 g/mL、芯材添加量2.68%、攪拌時間50 min、攪拌溫度40.9℃，在此條件下蝦青素包埋率達到92.89%。

關鍵詞：克氏原螯蝦；蝦青素；微膠囊；響應曲面

蝦青素又名蝦黃素、蝦黃質，因其分子中含有很長的共軛雙鍵鏈和不飽和的α-羥基酮而具有極強的抗氧化性能，是目前為止發現的抗氧化能力最強的物質，其抗氧化能力可達天然VE的100倍以上[1]。蝦青素能有效的清除體內自由基、硫化物、二硫化物，具有抗氧化、抗衰老、抗腫瘤，提高機體免疫力，保護視網膜等功效，可應用于保健食品、高檔化妝品、藥品等領域中。但蝦青素屬非極性物質，不溶于水，難以均勻添加到水溶性食品中，且蝦青素長長的共軛不飽和雙鍵結構非常不穩定，易受光、熱、氧化物的破壞而失去活性[2]，這大大限制了蝦青素在食品工業中的應用。

微膠囊化是一種將固體、液體、氣體等物質包埋在微小封閉膠囊內的方法[3]。該方法不但能有效保護和隔離物質，減少氧化反應發生，鈍化光敏性和熱敏性；還能有效屏蔽芯材的不良氣味，控制芯材的釋放速度，改變芯材的理化性質（如分散性、顏色、形狀、密度），提高芯材貯存穩定性[4-5]。

目前有關蝦青素的研究基本都集中在蝦青素提取工藝方面，對蝦青素微膠囊包埋技術的研究鮮有報道。本研究應用β-環糊精和阿拉伯膠包埋法將克氏原螯蝦殼蝦青素制成一種抗氧化緩釋微膠囊，并對影響包埋效果的因素進行了詳細地探討，旨在為解決蝦青素在食品工業中應用的局限性提供參考。

1　材料與方法

1.1試驗材料

克氏原螯蝦：盱眙龍盛龍蝦養殖場；蝦青素標準品：美國西格瑪投資集團有限公司；多孔淀粉：遼寧立達生物科技有限公司；β-環糊精：國藥化學試劑有限公司；麥芽糊精、阿拉伯膠：成都格雷西亞化學技術有限公司；其余試劑均為國產分析純。

1.2儀器

WF180萬能粉碎機：上海光學儀器廠；RE-2000A旋轉蒸發器：上海亞榮生化儀器廠；SHA-C恒溫水浴振蕩器：上海醫療器械廠；TDL-40C低速大容量離心機：上海安亭科學儀器廠；TU-1900紫外-可見分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；Y92-DN超聲波細胞粉碎機：寧波新芝生物科技股份有限公司；T09-1S磁力攪拌器：上海司樂儀器有限公司；GJB60-70高壓均質機：常州市均質機械有限公司；LPG-5高速離心噴霧干燥機：常州一步干燥設備有限公司。

1.3試驗方法

1.3.1樣品處理

新鮮螯蝦沸水煮制2 min后自然冷卻，剝除蝦仁和內臟，流水洗凈蝦頭、尾及殼，避光、密封于-20℃備用。試驗前用萬能粉碎機粉碎，過篩后使用。

1.3.2蝦青素的提取

取一定質量的蝦殼粉，加入20倍體積的丙酮溶液浸泡2 h，超聲處理30 min后離心，取上清液，重復3次，混合上清液，于60℃旋轉蒸干后用丙酮溶解并定容至10 mL[5]。

1.3.3微膠囊的制備

1）水相制備：稱取一定量的壁材，加入適量水和0.2%司盤-80混勻，磁力攪拌器恒溫攪拌30 min；

2）油相制備：蝦青素丙酮溶液加入大豆油中，混勻，氮氣吹除丙酮，加入0.1%的吐溫-80，磁力攪拌器攪拌10 min[6]；

3）微膠囊制備：水相置于恒溫磁力攪拌器中攪拌（轉速1 200 r/min），緩慢滴加油相，再加適量水調節至合適濃度，高壓均質機均質后備用；

4）噴霧干燥：混合液在進風溫度185℃、出風溫度85℃～95℃條件下噴霧干燥，得到蝦青素微膠囊粉。

1.3.4各因素對微膠囊化效果的影響

以壁材種類（多孔淀粉、β-環糊精、麥芽糊精、80%多孔淀粉+20%阿拉伯膠、80%β-環糊精+20%阿拉伯膠、80%麥芽糊精+20%阿拉伯膠），壁材質量濃度（0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 g/mL），蝦青素添加質量分數（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%），攪拌時間（20、30、40、50、60、70、80 min），攪拌溫度（25、30、35、40、45、50、55℃）為因素，微膠囊包埋率為評價指標，考察各因素對蝦青素微膠囊化效果的影響。

1.3.5微膠囊化效果的評定

1.3.5.1標準曲線的繪制

分別吸取0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50 mL，1.0 mg/mL蝦青素標準溶液于比色管中，丙酮定容至50 mL，混合均勻后在478 nm波長下測定吸光度，以蝦青素標準溶液濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制標準曲線。結果表明蝦青素在10 μg/mL～50 μg/mL范圍內線性回歸方程為y=0.008 6x-0.006 5，相關系數為0.999 5，結果符合朗伯比爾定律，方程可用于蝦青素含量的測定。

1.3.5.2微膠囊表面蝦青素含量的測定

準確稱取0.5g干燥后的蝦青素微膠囊粉，加20mL正己烷，反復振蕩提取至無色，混合提取液，離心分離后用旋轉蒸發儀蒸干，復溶于丙酮，在478 nm下測吸光度，根據標準曲線計算微膠囊表面蝦青素含量[7]。

1.3.5.3微膠囊包埋率的測定

準確稱取0.5 g干燥后的蝦青素微膠囊粉，加20mL水攪拌成均一體系，再加入20 mL丙酮，反復振蕩提取至無色，混合提取液，無水硫酸鈉脫水，離心分離后用旋轉蒸發儀蒸干，復溶于丙酮，在478 nm下測吸光度，根據標準曲線計算微膠囊中蝦青素總含量，并根據如下公式計算微膠囊包埋率。

2　結果與分析

2.1壁材種類對微膠囊化效果的影響

壁材種類直接決定了芯材的包埋數量、緩釋效果和貯藏穩定性，也影響了成品的溶解性和流動性[8]。因此，壁材的選擇對于提高微膠囊化效率，獲取性能優越的微膠囊產品至關重要。壁材種類對微膠囊化效果的影響見圖1。

圖1　壁材種類對微膠囊化效果的影響Fig.1　Effect of difference of wall materials on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由圖1可知，3種淀粉類壁材（多孔淀粉、β-環糊精和麥芽糊精）單獨使用時，多孔淀粉對蝦青素的包埋率最低（38.81%），而β-環糊精的包埋率最高（62.88%）。這可能是因為分子量不同造成的。雖然多孔淀粉具有較大比孔容和比表面積，但仍屬淀粉，分子量巨大；麥芽糊精是淀粉水解的產物，分子量介于100～5 000之間，部分可以達到15 000以上；而β-環糊精分子量是三者中最小的，僅為1 134.98。單位質量淀粉類壁材溶入水中，β-環糊精分子數量最多，與蝦青素形成微膠囊的可能性也最大[9]。另外β-環糊精具有“內腔疏水，外壁親水”的中空斜截錐形特殊結構，當水、β-環糊精和非極性的蝦青素芯材混合攪拌時，極性水產生的斥力會迅速將小分子蝦青素推入β-環糊精錐形結構空腔內，并通過范德華力形成微囊包合物[2-3]。

由圖1還可知，3種淀粉與阿拉伯膠復配形成的壁材膠囊化效果均優于單獨使用。這主要是因為以β-環糊精、麥芽糊精為代表的淀粉類壁材不但吸水性好、吸油能力強，易干燥，不吸潮，還具有良好的機械強度和熱穩定性，分散在水及其它溶劑中能保持明顯的結構完整性[6]。而以阿拉伯膠為代表的親水膠體類壁材具有黏度低，流動性好，成膜性強，乳化性較好等特點[10-12]，兩者復配使用不但可彌補淀粉類壁材不具備的界面特性，提高微膠囊的致密性，增加對芯材的保護效果，降低高溫噴霧干燥、氧氣和光等外界因素導致的蝦青素結構變化，還改善了膠體類壁材的無定形狀態，提高了微膠囊產品的機械強度[6]。對比6種壁材可知，β-環糊精+阿拉伯膠的包埋率最高，因此選擇80%β-環糊精+20%阿拉伯膠為壁材進行包埋處理。

2.2壁材添加量對微膠囊化效果的影響

壁材添加量對微膠囊化效果的影響見圖2。

圖2　壁材添加量對微膠囊化效果的影響Fig.2　Effect of the concentration of wall material on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由圖2可知，當壁材質量濃度為0.05 g/mL，微膠囊包埋率僅為13.83%，這主要是因為較少的壁材難以使蝦青素完全包埋于其形成的封閉結構中，存在于微膠囊表面的蝦青素在噴霧干燥過程容易受到高溫影響而失去活性。

隨著壁材質量濃度的不斷增加，包埋率也隨之增加。當壁材質量濃度達到0.20 g/mL時，微膠囊包埋率達到最大值（80.15%）。這主要是因為壁材濃度的增加，提高了單位體積中壁材和芯材的碰撞機率，加快了微膠囊的凝聚速度；同時，壁材濃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蝦青素表面的鋪展，并形成更穩定的微膠囊結構[13]；另外，壁材量的增加也加快了噴霧干燥過程中液滴成膜速度，降低了芯材的損失，提高了微膠囊效率。

當壁材添加量大于0.20 g/mL時，繼續增加壁材質量濃度，微膠囊包埋率緩慢下降。這可能是因為當壁材質量濃度為0.20 g/mL時，芯材已經基本趨于飽和，如繼續增加，過多的壁材通過分子鍵聚集使得溶液黏度增大，這既降低了壁材和壁芯的擴散速度[7]，又使得芯材進入壁材內部路徑受阻[3，14]；另外，過量的壁材量使得噴霧干燥時液滴霧化速度下降，物料在霧化前停留時間變長，蝦青素受氧氣和熱的影響而損失增加[15]。

2.3芯材添加量對微膠囊化效果的影響

芯材添加量對微膠囊化效果的影響見圖3。

圖3　芯材添加量對微膠囊化效果的影響Fig.3　Effect of the concentration of astaxanthin on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由圖3可知，當芯材添加質量分數在0.50%～2.50%范圍內，蝦青素包埋率基本維持在80%左右的高位，變化幅度很小。這主要是因為在此范圍內，壁材足量而且濃度適宜，能基本完全包裹蝦青素。包埋率出現少許波動可能是由噴霧干燥時水分蒸發量不同造成干燥溫度略有差異造成的。

當蝦青素添加質量分數大于2.50%時，隨著蝦青素添加量的不斷增加，包埋率略有下降，這說明0.2 g/mL的β-環糊精+阿拉伯膠混合壁材最適與2.50%的蝦青素進行微膠囊化。繼續增加蝦青素添加量，會造成芯壁比過大，微膠囊囊壁變薄而不穩定[13]。當蝦青素質量分數從3.00%增加到3.50%時，包埋率快速下降，這可能是因為壁材不足而造成部分蝦青素沒有被包埋，表面蝦青素受噴霧干燥破壞而分解轉化。另外在后期噴霧干燥過程，芯材濃度越低，能源消耗越大，因此選擇芯材添加量在2.0%～3.0%進行下一步試驗。

2.4攪拌溫度對微膠囊化效果的影響

攪拌溫度對微膠囊化效果的影響見圖4。

圖4　攪拌溫度對微膠囊化效果的影響Fig.4　Effect of the temperature of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由圖4可知，在25℃時，蝦青素包埋率僅為23.72%，這主要是因為在較低溫度下，β-環糊精在水溶液中的溶解度較小，即使有阿拉伯膠的懸浮作用，仍有較多的β-環糊精析出，因此不能提供足夠多分子狀態的β-環糊精與蝦青素相互結合；隨著溫度的升高，壁材和芯材分子擴散速度增加，蝦青素分子與β-環糊精和阿拉伯膠分子碰撞的幾率也增大，有利于微膠囊的形成；另外逐漸增加的溫度也使得溶液黏度降低，蝦青素滲透能力增加，易向β-環糊精內部擴散而形成微膠囊網狀結構[14]。但溫度過高時，蝦青素長長的共軛不飽和雙鍵結構受熱而氧化分解[1]；同時高溫還會破壞β-環糊精與蝦青素之間的疏水鍵，將蝦青素從β-環糊精的中空結構中釋放出來[2]；另外，當溫度大于50℃時，部分β-環糊精出現糊化現象，這也會使得微膠囊網絡破壞，包埋率快速下降。

2.5攪拌時間對微膠囊化效果的影響

攪拌時間對微膠囊化效果的影響見圖5。

圖5　攪拌時間對微膠囊化效果的影響Fig.5　Effect of the time of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency of astaxanthin

由圖5可知，在短時間內（20 min），微膠囊包埋率很低（僅有55.32%）。隨著攪拌時間的延長，微膠囊包埋率快速增大，這可能是因為β-環糊精包埋反應主要靠分子產生的空間位阻和水的排斥作用來吸附物質，吸附緩慢且耗時較長，而磁力攪拌能在短時間內使得分子擴散速度快速增加。當攪拌時間達到50 min時，蝦青素包埋率達到最大值（87.89%），此時β-環糊精包埋反應處于動態平衡狀態，芯材洗脫、溶解的逆向反應與吸附、包埋的正向反應基本平衡[2]。繼續延遲攪拌時間，包埋率出現緩慢下降，這主要是因為部分溶出的蝦青素在光、氧和熱的作用下分解造成的[15]，因此選擇攪拌時間為50 min進行后續試驗。

2.6微膠囊制備工藝的優化

2.6.1響應面分析方案及結果

對比4種可變因素對包埋率影響的結果可知，在因素的變化范圍內，壁材變化量對包埋率的影響最大（極差=66.32%），其次是攪拌溫度（極差=64.09%），而攪拌時間對包埋率的影響最小（極差=32.57%）。因此固定攪拌時間為50 min，以蝦青素包埋率為響應值，采用Box-Benhnken中心組合設計原理對壁材添加量、芯材添加量、攪拌溫度3個因素繼續優化。因素水平編碼見表1，試驗方案與結果見表2。

表1　Box-Benhnken試驗設計因素水平編碼表Table 1　Code and true values of variables of the Box-Benhnken design models

表2　Box-Benhnken 試驗設計方案與結果Table 2 Experimental design and response results of Box-Benhnken model

采用sas軟件對Box-Benhnken試驗結果進行回歸分析見表3。

表3　響應面二次回歸方程方差分析Table 3　Analysis of variance for response surface quadratic regression equation

由方差分析結果（表3）可知，回歸方程一次項中X1（壁材添加量）達到極顯著水平（P＜0.01），X2（芯材添加量）、X3（攪拌溫度）達到顯著水平（P＜0.05）；二次項中X1*X1達到極顯著水平（P＜0.01），X2X2、X3X3達到顯著水平（P＜0.05）；交互項中X2X3達到顯著水平（P＜0.05）。

利用sas軟件對試驗結果進行多元回歸擬合，得到蝦青素包埋率對X1、X2和X3的二次多項回歸方程為：包埋率=-724.553+2480.5X1+105.385X2+21.417 5X3-6192X1X1-37X1X2-0.22X1X3-11.28X2X2-0.924X2X3-0.231X3X3。該方程整體模型達到極顯著水平（P＜0.01），總決定系數R2=98.98%，失擬項不顯著（F=6.75），表明該模型擬合程度良好，能較好的反映出微膠囊化條件對包埋率影響的規律，可以利用該回歸方程對蝦青素微膠囊化最佳條件進行預測。

2.6.2響應面分析及微膠囊化工藝優化

分別將模型中X1（壁材添加量）、X2（芯材添加量）和X3（攪拌溫度）3個因素的1個因素固定在零水平，利用sas軟件繪制其余兩個因素的對蝦青素包埋率影響的子模型等高線和相應曲面圖，結果圖6～圖8。

由圖6～圖8可知各因素的等高線圖呈橢圓形，這表面這些因素在較低水平均對包埋率均有促進作用；但較高的水平又不利于微膠囊化生產。由響應曲面圖可知，圖形上凸，這說明各因素的協同作用明顯，即一個因素的增加促進了另一個因素對包埋率的影響。

圖6　壁材濃度與芯材濃度對蝦青素包埋率的影響Fig.6　Interactive effects of concentration of wall material and astaxanthin on the microencapsulation efficiency

圖7　壁材濃度與攪拌溫度對蝦青素包埋率的影響Fig.7　Interactive effects of concentration of wall material and temperature of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency

圖8　芯材濃度與攪拌溫度對蝦青素包埋率的影響Fig.8　Interactive effects of concentration of astaxanthin and temperature of magnetic stirring on the microencapsulation efficiency

2.6.3最佳提取工藝的確定

由sas軟件擬合二次回歸模型得出最優條件和最優值，結果見表4。

表4　最佳提取條件的確定Table 4　The optimum conditions of preparation of astaxanthinmicrocapsules

由表4可知，當包埋率最大時，X1、X2、X3的最優編碼值為-0.168 810、0.363 710、0.180 659，經編碼換算后可知，估算最佳提取條件為：壁材添加量0.191 559 g/mL、芯材添加量2.681 855%、攪拌溫度為40.903 296℃，預計最大包埋率為92.365974%。

為驗證估算結果與實際情況的吻合程度，進行驗證試驗，試驗結果為92.89%，與估算結果基本符合。因此確定微膠囊化制備最佳工藝條件為壁材添加量0.19 g/mL、芯材添加量2.68%、攪拌溫度為40.9℃，此條件下蝦青素包埋率達到92.89%。

3　結論

以包埋率為指標，探討壁材種類、壁材添加量、芯材添加量、攪拌時間、攪拌溫度等因素對蝦青素微膠囊化效果的影響，并通過Box-Behnken中心組合試驗設計和響應面分析法對克氏原螯蝦殼蝦青素微膠囊制備工藝進行研究。結果表明蝦青素微膠囊化最佳工藝條件為壁材添加量0.19 g/mL、芯材添加量2.68%、攪拌溫度為40.9℃，此條件下蝦青素包埋率達到92.89%。

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DOI：10.3969/j.issn.1005-6521.2015.20.021

收稿日期：2015-03-23

基金項目：淮安市2013年度科技支撐計劃（工業）項目（HAG2013074）

作者簡介：侯會絨（1980—），女（漢），講師，碩士，主要從事天然產物活性成分的提取與應用研究。

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