微膠囊化蝦青素的工藝優化

賈新超，徐建中*，楊文江，王紅霞，楊香瑜

(1.河北省天然色素工程技術研究中心，河北 邯鄲 057250；2.晨光生物科技集團股份有限公司，河北 邯鄲 057250)

微膠囊化蝦青素的工藝優化

賈新超1,2，徐建中1,2*，楊文江1,2，王紅霞1,2，楊香瑜1,2

(1.河北省天然色素工程技術研究中心，河北 邯鄲 057250；2.晨光生物科技集團股份有限公司，河北 邯鄲 057250)

以阿拉伯膠為壁材，蝦青素油為芯材，吐溫-80為乳化劑，用噴霧干燥技術對制備2%蝦青素微囊的配方和工藝進行了研究。試驗結果表明最佳配方為蝦青素油(含量12.4%)質量分數19%，丙二醇質量分數18%，阿拉伯膠質量分數33%，麥芽糊精質量分數22%，抗壞血酸質量分數2.0%，吐溫-80質量分數3%，混合生育酚質量分數3%。噴霧干燥工藝參數為：進風溫度160 ℃，噴霧氣體壓力0.16 MPa和進料流速為600 mL/h。微囊化使蝦青素的水溶性、穩定性得到了明顯的改善，為蝦青素提供了更廣闊的應用領域。

蝦青素；微膠囊；微膠囊效率；穩定性；水溶性

蝦青素是類胡蘿卜素的一種，主要存在于蝦、蟹和藻類植物中[1]。蝦青素是一種極強的抗氧化劑，也是一種安全的食品添加劑，它的安全添加量可達80 mg/kg[2,3]，可以作為食品和調味品的天然著色劑[4,5]，張光緒等在制備香菇醬時加入蝦青素粉用于著色[6]。由于其結構中含有一個長的共軛不飽和雙鍵，很容易受光、熱和氧氣的影響而失去活性[7]。蝦青素由于其弱極性的分子結構，使得其難溶于水，微溶于油脂，這使得蝦青素的應用領域和范圍受到很大的限制[8]。

微膠囊化技術是包埋技術的一種，在香辛料、復合調味料等調味品中有著廣泛的應用[9-11]。目前對蝦青素的研究集中于蝦青素的提取工藝，對蝦青素的微囊化研究鮮有報道[12]。本研究以阿拉伯膠和麥芽糊精為復合壁材、吐溫-80為乳化劑對蝦青素進行了噴霧干燥工藝優化，并通過單因素和正交試驗對配方及工藝進行了優化，制備出水溶性和穩定性好的蝦青素微膠囊，為擴大蝦青素的應用范圍，保護其在調味料等產品中應用的穩定性提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

蝦青素油：含量15%，晨光生物科技集團股份有限公司；阿拉伯膠、麥芽糊精、混合生育酚、丙二醇、抗壞血酸鈉、吐溫-80。

1.2 儀器

L5T高剪切乳化機 英國Silverson公司；GYB 40-10S高壓均質機 上海東華高壓均質機廠；UV 1102紫外可見分光光度計 上海天美科學儀器有限公司；SY-6000噴霧干燥器 上海世遠生物設備工程有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 制備工藝

將壁材和水溶性抗氧化劑溶解于純凈水中得到水相；蝦青素油在50 ℃水浴中溶解于一定質量丙二醇中，然后加入油溶性抗氧化劑，得到油相。油相加入水相時應在剪切的過程中緩慢加入。

1.3.2 乳化液穩定性的評價

量取100 mL已均質完全的乳狀液置于100 mL具塞試管中，40 ℃水浴中放置24 h，記錄游離水層體積，V/mL。

1.3.3 微膠囊效率和產率的測定

1.3.4 蝦青素微囊粉中總蝦青素含量的測定

準確稱量0.1000 g左右樣品置于50 mL容量瓶中，用二甲基亞砜超聲溶解，用二甲基亞砜定容。然后移取2.0 mL溶液于25 mL棕色容量瓶中，用二甲基亞砜定容，用紫外-可見分光光度計在波長489 nm處，測其吸光度A，蝦青素微囊粉中蝦青素含量的計算公式如下：

式中：A489為最大吸收波長489 nm處的吸光度值;625為稀釋倍數;1908為蝦青素在二甲基亞砜中的吸光系數；m為蝦青素微囊粉的質量(mg)。

1.3.5 蝦青素微囊粉表面油含量

準確稱取樣品0.0100 g于50 mL離心管中，加入20 mL正己烷，劇烈振蕩1 min，6000 r/min，4 ℃，離心5 min，取上清液用氮氣吹干，復溶于DMSO中，用微囊粉中蝦青素含量的測定方法在489 nm處進行比色測定[13]。

1.3.6 蝦青素微囊粉穩定性評定方法

利用分光光度計測定微囊粉產品中蝦青素的含量，通過含量保留率的變化反映其穩定性，計算公式如下：

1.4 微膠囊化配方優化

1.4.1 微囊粉壁材的選擇

壁材分別為阿拉伯膠、CAPSULE-變性淀粉、PG-ULTRA變性淀粉和辛烯基琥珀酸酯淀粉，其中填充劑為麥芽糊精，壁材和麥芽糊精的比例3∶2，混合生育酚的添加量3%，吐溫-80的添加量3%，蝦青素油的添加量19%，丙二醇的添加量20%，均質壓力為40 MPa，均質次數3次，噴霧干燥時，進風溫度150 ℃，出風溫度80 ℃，進料流速550 mL/h，進風壓力0.16 MPa，以乳液穩定性、微膠囊化效率和微膠囊化產率為評價指標，對微囊粉的壁材進行篩選。

1.4.2 微囊粉中乳化劑添加量的確定

以吐溫-80為乳化劑，對乳化劑的添加量進行單因素試驗，其中阿拉伯膠和麥芽糊精的添加量55%，混合生育酚的添加量3%，蝦青素油的添加量19%，丙二醇的添加量20%，均質壓力40 MPa，均質次數3次，噴霧干燥時，進風溫度150 ℃，出風溫度80℃，進料流速550 mL/h，進風壓力0.16 MPa，以乳液穩定性、微膠囊化效率和微膠囊化產率為評價指標，對微囊粉乳化劑的添加量進行篩選。

1.4.3 微囊粉中混合生育酚添加量的確定

以混合生育酚為抗氧化劑，對抗氧化劑的添加量進行單因素試驗，其中阿拉伯膠和麥芽糊精的添加量55%，吐溫-80的添加量3%，蝦青素油的添加量19%，丙二醇的添加量20%，均質壓力40 MPa，均質次數3次，噴霧干燥時，進風溫度150 ℃，出風溫度80 ℃，進料流速550 mL/h，進風壓力0.16 MPa，以乳液穩定性、微膠囊化效率和微膠囊化產率為評價指標，對微囊粉抗氧化劑的添加量進行篩選。

1.4.4 微囊粉中丙二醇添加量的確定

以丙二醇為助乳化劑，對助乳化劑的添加量進行單因素試驗，其中阿拉伯膠和麥芽糊精的添加量55%，吐溫-80的添加量3%，混合生育酚的添加量3%，蝦青素油的添加量19%，均質壓力40 MPa，均質次數3次，噴霧干燥時，進風溫度150 ℃，出風溫度80 ℃，進料流速550 mL/h，進風壓力0.16 MPa，以乳液穩定性、微膠囊化效率和微膠囊化產率為評價指標，對微囊粉中丙二醇的添加量進行篩選。

1.4.5 微囊粉最佳配方的確定

蝦青素油的添加量19%，均質壓力40 MPa，均質次數3次，噴霧干燥時，進風溫度150 ℃，出風溫度80 ℃，進料流速550 mL/h，進風壓力0.16 MPa，CAPSULE-變性淀粉和麥芽糊精、辛烯基琥珀酸酯淀粉和麥芽糊精、阿拉伯膠和麥芽糊精的添加量55%，吐溫-80的添加量分別為2%,3%,4%，混合生育酚的添加量分別為2%,3%,4%，丙二醇的添加量分別為16%,18%,20%，四因素三水平進行正交試驗，以微膠囊化效率和微膠囊化產率為評價指標，對微囊粉的最佳配方進行篩選。

1.5 微膠囊化噴霧干燥參數的優化

1.5.1 進風溫度的確定

以1.4.5篩選的最佳配方，均質壓力40 MPa，均質次數3次，噴霧干燥時，進料流速550 mL/h，進風壓力0.16 MPa，以微膠囊化效率和微膠囊化產率為評價指標，對進風溫度進行篩選。

1.5.2 進料流速的確定

以1.4.5篩選的最佳配方，均質壓力 40 MPa，均質次數3次，噴霧干燥時，進風溫度170 ℃，進風壓力0.16 MPa，以微膠囊化效率和微膠囊化產率為評價指標，對進料流速進行篩選。

1.5.3 進風壓力的確定

以1.4.5篩選的最佳配方，均質壓力40 MPa，均質次數3次，噴霧干燥時，進風溫度170 ℃，進料流速550 mL/h，以微膠囊化效率和微膠囊化產率為評價指標，對進風壓力進行篩選。

2 結果與分析

2.1 配方優化

2.1.1 蝦青素微囊粉壁材的選擇

壁材直接影響著微囊粉的溶解性、緩釋性和流動性，不同的壁材乳化能力差別很大，因此選用合適的壁材對產品的質量影響很大[14]。本文主要對阿拉伯膠、CAPSULE-變性淀粉、PG-ULTRA變性淀粉和辛烯基琥珀酸酯淀粉進行了篩選，結果見表1。

表1 壁材種類對乳液穩定性、微膠囊化效率和產率的影響Table 1 Effect of wall materials on emulsion stability, microencapsulation efficiency and yield %

由表1可知，阿拉伯膠和麥芽糊精復配得到的乳液穩定性最佳，微膠囊化效率、微膠囊化產率最高，辛烯基琥珀酸酯淀粉和麥芽糊精復配得到的乳液的穩定性、微膠囊化效率和微膠囊化產率次之。可能是阿拉伯膠較淀粉的乳化能力強，因此，我們選用阿拉伯膠作為蝦青素微囊粉的壁材。

2.1.2 水溶性乳化劑吐溫-80添加量對乳液穩定性的影響

乳化劑是微囊粉中至關重要的一份子，乳化劑的添加量是乳液和微囊粉品質的關鍵因素。吐溫-80添加量對乳液穩定性、微膠囊化效率、微膠囊化產率的影響見表2。

表2 水溶性乳化劑對乳液穩定性、微膠囊化效率 和產率的影響Table 2 Effect of water-soluble emulsifier on emulsion stability, microencapsulation efficiency and yield %

由表2可知，隨著吐溫-80添加量的增加，乳液穩定性先保持穩定，超過一定量乳液穩定性迅速下降;添加量3%時，微膠囊化效率和微膠囊化產率相對較高。以乳液穩定性、微膠囊化效率和微膠囊化產率為綜合評價指標，選擇乳化劑吐溫-80添加量為3%。

2.1.3 混合生育酚添加量對微囊粉穩定性的影響

混合生育酚對乳液穩定性、微膠囊化效率和產率的影響見表3。

表3 混合生育酚對乳液穩定性、微膠囊化效率和產率的影響Table 3 Effect of mixed tocopherols on emulsion stability, microencapsulation efficiency and yield %

由表3可知，在一定范圍內，隨著混合生育酚的添加量的增多，蝦青素乳化液的穩定性很好，都為100%，但是微膠囊化效率先增大后減小，在混合生育酚的添加量3%時微膠囊化效率最大，為97%，微囊粉的微膠囊化產率隨著混合生育酚的添加，微膠囊化產率逐漸增大，在添加量超過3%后，微膠囊化產率基本保持不變。綜合微膠囊化效率和微膠囊化產率兩項評價指標，初步確定混合生育酚的添加量為3%。

2.1.4 丙二醇添加量對微囊粉穩定性的影響

丙二醇對乳液穩定性、微膠囊化效率和產率的影響見表4。

表4 丙二醇對乳液穩定性、微膠囊化效率和產率的影響Table 4 Effect of propylene glycol on emulsion stability, microencapsulation efficiency and yield %

由表4可知，在一定范圍內，隨著丙二醇的添加量的增多，蝦青素微囊粉的乳化液穩定性先增大后保持不變，在添加量20%時，乳化液穩定性達到最佳；隨著丙二醇添加量的增多，微囊粉的微膠囊化效率先升高后降低，微膠囊化產率也是先升高后降低，在丙二醇的添加量18%時，微膠囊化效率和微膠囊化產率都最大。綜合3個評價指標考慮，初步確定丙二醇的添加量為18%。

2.1.5 正交試驗

以壁材種類、吐溫-80、混合生育酚和丙二醇為考察因素，以番茄紅素微囊粉70 ℃、以乳化液穩定性、微膠囊化效率和微膠囊化產率為考察指標，設計了四因素三水平試驗，采用L9(34)正交表進行試驗，試驗因素水平見表5。

表5 正交試驗因素水平Table 5 Factors and levels of orthogonal experiments %

以壁材種類、丙二醇、混合生育酚和吐溫-80為考察因素，以蝦青素微膠囊化效率為考察指標，設計了四因素三水平試驗，采用L9(34)正交表進行試驗，試驗結果見表6。

表6 蝦青素微囊粉配方優化的正交試驗結果Table 6 Results of orthogonal test for optimization of formula of astaxanthin microencapsulated powder

由表6可知，各因素的影響順序為A>B>C>D，即壁材種類>吐溫-80>混合生育酚>丙二醇，最優組合為A1B2C2D2，即最佳配方為壁材選擇為阿拉伯膠、吐溫-80質量分數3%,混合生育酚質量分數3%和丙二醇質量分數18%。

實驗驗證，蝦青素油的質量分數19%,丙二醇質量分數18%,阿拉伯膠質量分數33%,麥芽糊精質量分數22%,抗壞血酸質量分數2.0%,吐溫-80質量分數3%,混合生育酚質量分數3%。噴霧干燥工藝參數為：進風溫度150 ℃,噴霧氣體壓力0.16 MPa和進料流速600 mL/h。依此工藝得到的乳液穩定性100%，微膠囊化效率92.6%，微膠囊化產率86.3%。

2.2 噴霧干燥工藝的優化

2.2.1 進風溫度的選擇

圖1 進風溫度對蝦青素微膠囊化效率 和微膠囊化產率的影響Fig.1 Effect of inlet air temperature on microencapsulation efficiency and microencapsulation yied of astaxanthin

由圖1可知，通過一系列進風溫度的對比，隨著進風溫度的升高，蝦青素微膠囊化效率和微膠囊化產率先升高后降低，進風溫度為160 ℃時，微膠囊化效率和微膠囊化產率都最高，進風溫度的高低直接決定著干燥速率和產品的顆粒結構，若進風溫度過低，噴出的液滴干燥不完全，導致微囊粉的含水量高，易結塊，同時也會使微囊粉粘壁現象嚴重，影響微膠囊化產率；若進風溫度過高，液滴表面的水分急劇蒸發，導致芯材出現泄漏現象，微膠囊化效率下降，微膠囊壁上出現小氣孔，嚴重影響到產品的儲存穩定性。結果表明：其他條件相同，綜合微膠囊化效率和微膠囊化產率考慮，進風溫度為160 ℃得到的微囊粉品質較好。

2.2.2 進風壓力的選擇

由圖2可知，進風壓力為0.16 MPa時，蝦青素的微膠囊化效率和微膠囊化產率都最高，進風壓力升高或降低，微膠囊化效率和微膠囊化產率都有下降的趨勢。氣流壓力太小，霧化形成的霧滴較大，比表面積減小，干燥速度變慢，造成粘壁現象嚴重，同時微囊粉含水量偏高，大顆粒增多，大大降低了產品的產率；氣流壓力太大，形成的霧滴較小，表面積增大，霧滴與熱空氣接觸以后，水分迅速蒸發，致使跑粉現象嚴重，影響微囊粉的產率；顆粒過小導致相同壁材對芯材的包埋效果變差，影響微囊粉的微膠囊化效率。結果表明：其他條件相同，綜合微膠囊化效率和微膠囊化產率考慮，進風壓力為0.16 MPa時得到的微囊粉品質較好。

2.2.3 進料流量的選擇

由圖3可知，進料流量為600 mL/h時，蝦青素的微膠囊化效率和微膠囊化產率都最高，進料流量升高或降低，微膠囊化效率和微膠囊化產率都有下降的趨勢。在其他條件不變的情況下，進料流量直接決定著霧滴的大小和速度，進料流量大則產品的顆粒較大，水分散性、溶解速度較好。但隨著進料流量過大，霧滴的粒徑越大，由于慣性作用，故其在干燥器內停留時間短，更容易發生干燥不完全的現象，同時進料流量過大會產生嚴重的粘壁現象，降低微囊粉的產率。結果表明:其他條件相同，綜合微膠囊化效率和微膠囊化產率考慮，進料流量600 mL/h時得到的微囊粉品質較好。

2.2.4 正交試驗

以進風溫度、進風壓力和進料流量為考察因素，以蝦青素微囊粉的微膠囊化效率為考察指標，設計了三因素三水平正交試驗，采用L9(34)正交表進行試驗，試驗因素水平和試驗結果分別見表7和表8。

表7 正交試驗因素水平Table 7 Factors and levels of orthogonal experiments

表8 正交試驗結果Table 8 Results of orthogonal experiments

由表8極差R的大小可知，各因素的影響順序為A>C>B，即進風溫度>進料流量>進風壓力，最優組合為A2B2C2。利用最佳配方，在進風溫度160 ℃、氣流壓力0.16 MPa和進料流量600 mL/h條件下進行噴霧干燥重復試驗3次，獲得的微囊粉其微膠囊化效率的平均值為98.8%。

3 結論

本文以蝦青素油為芯材，阿拉伯膠為壁材，麥芽糊精為填充劑，研究了微囊化蝦青素的制備工藝。通過單因素和正交試驗，確定了蝦青素微囊化的最佳配方和工藝：蝦青素油(含量12.4%)質量分數19%，丙二醇質量分數18%，阿拉伯膠質量分數33%，麥芽糊精質量分數22%，抗壞血酸質量分數2.0%，吐溫-80質量分數3%，混合生育酚質量分數3%。噴霧干燥工藝參數為：進風溫度160 ℃、噴霧氣體壓力0.16 MPa和進料流速600 mL/h。依此工藝制得的蝦青素微囊粉的微膠囊化效率高達98.8%。微囊化使蝦青素的水溶性、穩定性得到了明顯的改善，有利于其在復合調味料等調味品中應用的穩定性，為蝦青素提供了更廣闊的應用領域。

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Process Optimization of Microencapsulated Astaxanthin

JIA Xin-chao1,2，XU Jian-zhong1,2*，YANG Wen-jiang1,2，WANG Hong-xia1,2，YANG Xiang-yu1,2

(1.Research Center of Natural Pigment Engineering and Technology in Hebei Province,Handan 057250,China；2.Chenguang Biotech Group Co., Ltd.,Handan 057250,China)

The formula and technology of 2% astaxanthin microcapsules are studied by using spray drying technology with arabin as wall material, astaxanthin as core material and Tween-80 as emulsifier.The results show that the optimum formula is astaxanthin oil (content of 12.4%) of 19%, propylene glycol of 18%, arabin mass fraction of 33%, maltodextrin of 22%, ascorbic acid of 2.0%, Tween-80 of 3% and the mixed tocopherol content of 3%. Spray drying process parameters are inlet temperature of 160 ℃, spray gas pressure of 0.16 MPa and feed flow rate of 600 mL/h. Microencapsulation significantly improves the water solubility and stability of astaxanthin, providing a broader application range for astaxanthin.

astaxanthin；microencapsulation；microencapsulation efficiency；stability；water solubility

2017-02-12 *通訊作者

賈新超(1988-)，男，碩士，主要從事類胡蘿卜素微囊的研究； 徐建中(1983-)，男，工程師，碩士，主要從事食品微膠囊包埋技術的研究。

TS201.1

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2017.08.012

1000-9973(2017)08-0057-06