魔芋葡甘聚糖為壁材的蘋果多酚微膠囊制備及緩釋

鄭健姿，岳田利

（西北農林科技大學食品學院，陜西楊陵712100）

魔芋葡甘聚糖為壁材的蘋果多酚微膠囊制備及緩釋

鄭健姿，岳田利*

（西北農林科技大學食品學院，陜西楊陵712100）

研究以魔芋葡甘聚糖為壁材以蘋果多酚為芯材，采用冷凍干燥的方法，制備復合微膠囊。對微膠囊制備的壁材濃度，芯壁材質量比和反應溫度為單因素進行試驗，再利用Design expert 8.0.6.1設計試驗，以包埋率為指標，得到制備方法的最優條件。并對微膠囊進行緩釋試驗。結果表明：壁材濃度和芯壁材質量比對包埋率的影響最顯著，溫度對微膠囊的制備影響較大；較適宜的微膠囊制備條件為：壁材濃度2.2%，芯壁材料質量比1∶11，反應溫度41.51℃。此條件下預測可得到的微膠囊的包埋率為88.3%，實際包埋率為88.2%。在6 h緩釋試驗中，模擬胃液釋中放率為45.8%，模擬腸液中釋放率為67.5%，具有良好的緩釋效果。

葡甘聚糖；蘋果多酚；微膠囊；緩釋

蘋果是世界四大水果之首，熱量低、易吸收，而且我國是世界上最大的蘋果生產國，蘋果產量占世界的50%以上。蘋果中含有豐富的蘋果多酚，蘋果多酚具有清除自由基、抗氧化、預防癌癥、降血糖、降血脂、降血壓、預防心臟病、抗齲齒、抗過敏、抗病毒等功能特性[1]。蘋果多酚現已應用于多個領域，國內已有將蘋果多酚用于食品添加劑，并且成熟應用于化妝品行業，但蘋果多酚還很少用于保健食品行業。

魔芋葡甘聚糖是有益的堿性食品，對食用動物性酸性食品過多的人，搭配吃魔芋，可以達到食酸、堿平衡，對人體健康有利。研究表明，魔芋葡甘聚糖具有清潔腸道、提高耐糖能力、防止肥胖、改善膽固醇代謝等功能，能阻止人體對糖、脂、膽固醇的過量吸收，具有優良的保健功效[2]。同時，它還具有水溶性、穩定性、增稠性、成膜性、凝膠性等多種特性。由于上述幾種特性，在食品工業中魔芋葡甘聚糖可作為保水劑、穩定劑、增稠劑、成膜劑、凝膠劑等使用。

本文旨在利用葡甘聚糖良好的成膜性，將在空氣中不穩定的蘋果多酚用葡甘聚糖包埋，采用冷凍干燥的方法[3]，做微膠囊化處理，隨后進行優化，得到包埋率最高的產品，并進行體外模擬緩釋試驗，以期得到在人體中可以緩釋的產品，為下一步試驗做準備。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果多酚：湖南佳沐生物科技有限公司；魔芋葡甘聚糖：陜西錦泰魔芋產業發展有限公司；福林酚試劑、Na2CO3：天津市希爾斯化工有限公司；稀鹽酸：永清縣永飛化學試劑有限公司；NaOH：南京國晨化工；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；所有水為去離子水。

1.2 儀器與設備

HH-4型水浴鍋：上海國華儀器有限公司；TFD5505型冷凍干燥機：海爾冷凍干燥機帶冷凍離心機；DJ-2型磁力攪拌器：常州市晨陽儀器廠；JA5003型電子天平：上海良平儀器儀表有限公司；752型紫外分光光度計：上海儀電分析儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 葡甘聚糖為壁材的蘋果多酚微膠囊的制備

取一定質量的蘋果多酚粉末，注意避光，迅速稱量重量，加蒸餾水溶解混勻成芯材溶液。稱取一定質量的葡甘聚糖，加入到蘋果多酚的芯材溶液中，迅速攪拌（否則容易凝結成塊），避光條件下用磁力攪拌器進行攪拌8 h，使葡甘聚糖膠體充分溶脹，且可使芯材溶液和壁材充分混勻。使用冷凍干燥機進行凍干，12 h之后取出。過200目篩，得到微膠囊[4]。

1.3.2 單因素試驗

在綜合考慮各個試驗條件后，共設計了3個單因素試驗：壁材濃度（A）、芯壁材料質量比（B）和溫度（C），以微膠囊的包埋率為指標，得出每種因素對微膠囊包埋率的影響。包埋率的公式[5]為：

采用只溶解蘋果多酚，不溶解葡甘聚糖的溶劑對微膠囊表面進行清洗，并測量微膠囊外未包裹的蘋果多酚。蘋果多酚含量的測量方法為福林酚法，在765 nm下測量分光光度值。

1.3.2.1 壁材濃度的選擇

固定微膠囊的芯壁材質量比為1∶10，反應溫度為40℃，制備一定體積的芯材溶液，按照芯材溶液的質量濃度比 1%、1.5%、2%、2.5%、3%來稱取葡甘聚糖。按照1.3.1的方法制備微膠囊，遴選最佳壁材濃度。

1.3.2.2 芯壁材質量比的選擇

固定微膠囊的壁材濃度為2%，反應溫度為40℃，按照芯壁材質量濃度比為 1 ∶3、1 ∶5、1 ∶10、1∶15、1 ∶20來制備微膠囊，篩選出最佳的芯壁材質量比。

1.3.2.3 反應溫度的選擇

固定微膠囊的壁材質量濃度為2%，芯壁質量比為1∶10，設定芯材溶液與壁材膠體混合時的反應溫度為 30、35、40、45、50℃。利用 1.3.1的方法制備微膠囊，篩選出最佳反應溫度。

1.3.3 響應面分析

由單因素試驗得到的壁材濃度（A）、芯壁材質量比（B）和溫度（C）3個條件的數據，利用 Design expert 8.0.6.1軟件的BOX-Behnken中心組合的設計原理，以壁材濃度（A）、芯壁材質量比（B）和溫度（C）3個因素作為變量，以微膠囊的包埋率為響應值設計三因素三水平共17個試驗點的響應面分析試驗，選出最優條件。響應面設計如表1所示。

表1 響應面設計Table 1 Response surface design

1.3.4 體外模擬緩釋試驗

將制備的微膠囊分別置于模擬胃液與模擬腸液的環境中，在100 r/min的搖床中每隔1小時取1 mL樣品進行分析，然后加1 mL水補齊液體，用福林酚法測定溶出蘋果多酚的含量，計算釋放率[6]。

2 結果與分析

2.1 微膠囊的單因素試驗結果

2.1.1 壁材濃度對微膠囊包埋率的影響及壁材濃度的選擇

固定芯壁材質量比，反應溫度后，用5種壁材濃度制備出的微膠囊的包埋率如圖1所示。

從圖1中可以分析得到：微膠囊的包埋率是隨著壁材濃度的增加而上升，壁材濃度到達2%之后包埋率上升趨于平緩。可能的原因是在濃度大于2%之后，葡甘聚糖的分子成團現象比較嚴重，導致對蘋果多酚的包埋量并沒有隨著葡甘聚糖的增加而增加太多，與增加量不成正比。雖然在葡甘聚糖濃度大于2%之后包埋率還是上升的，但是由于實際原因，在葡甘聚糖濃度大于2.5%之后，壁材溶液基本已無法攪拌，而且考慮實際生產中的經濟成本問題，故選擇壁材濃度為2%。

圖1 壁材濃度對微膠囊包埋率的影響Fig.1 The influence of wall material concentration on embedding rate

2.1.2 芯壁材質量比對微膠囊包埋率的影響及芯壁材質量比的選擇

固定壁材濃度和反應溫度，用5種不同芯壁材質量比制備微膠囊的包埋率如圖2所示。

圖2 芯壁質量比對微膠囊包埋率的影響Fig.2 The influence of proportion of core/wall material on embedding rate

由圖2可以看出，微膠囊的包埋率先上升后下降，最高峰出現在芯壁材質量比為1∶10處，所以毫無疑問膠囊的芯壁材質量比選擇為1∶10。

2.1.3 溫度對微膠囊包埋率的影響及最適反應溫度的選擇

固定壁材濃度和芯壁材質量比之后，在3個反應溫度下制備的微膠囊的包埋率如圖3所示。

由圖3可知，微膠囊的包埋率隨著溫度的增加而增加，在40℃之后升高的速度減慢。因為隨著溫度升高而包埋率的升高不明顯，所以選用40℃為反應溫度。

2.2 響應面對試驗方法的優化

2.2.1 Box-Benhnken的中心組合設計試驗結果及分析

根據表1的響應面設計，得到的響應面分析試驗數據如表2所示。以微膠囊的包埋率為Y值，得到包埋率與壁材濃度（A）、芯壁材質量比（B）和溫度（C）的三元二次方程為：Y=87.48+2.65A+1.15B+0.725C+0.45AB+1.3AC+0.15BC-3.515A2-3.365B2-2.165C2

圖3 溫度對微膠囊包埋率的影響Fig.3 The influence of temperature on embedding rate

表2 響應面分析試驗數據Table 2 The data of response surface analysis

回歸方程方差分析見表3。

由表 3 可知，A、B、C、AC、A2、B2、C2都是顯著的，Prob＞F值小于0.000 1說明回歸方程具有高度的顯著性，失擬項為0.160 9大于0.05，所以是不顯著的，該方程模擬較好[7]。R2=0.991 1，說明此數值說明本試驗模型可以解釋99.11%響應值的變化，只有總變異的0.89%不可以用此模型解釋，表明響應值與預測值之間具有較好的擬合度，該試驗方案是可行的[8]。可以使用此模型對微膠囊的制備進行優化。

表3 回歸方程方差分析Fig.3 ANOVA of regression equation

2.2.2 響應面圖與等高線圖分析

圖4到圖6是根據2.2.1中的回歸方程所得到的不同因素對微膠囊包埋率影響的響應面圖和等高線圖，是對兩個不同條件相互交互作用對微膠囊包埋率的影響的直觀顯示。研究表明，等高線的形狀越趨于圓形，表示兩個因素相互作用較弱。等高線的形狀越趨于橢圓形，表示交互作用較強，比較顯著[9]。

圖4 壁材濃度和芯壁材質量比交互作用對微膠囊包埋率的影響Fig.4 The influence of wall material concentration and proportion of core/wall material interaction to the microcapsule embedding rate

圖5 壁材濃度和溫度交互作用對微膠囊包埋率的影響Fig.5 The influence of wall material concentration and temperature interaction to the microcapsule embedding rate

圖4和圖6的等高線圖都是趨于圓形，而且圖6更接近圓形，可以看出壁材濃度和芯壁材質量比的交互作用以及芯壁材質量比和溫度的交互作用對微膠囊的包埋率的影響是不顯著的。

而圖5表明了壁材濃度和溫度的交互作用。由圖5可以看出其等高線為橢圓形狀，這也體現了壁材濃度和溫度交互作用對微膠囊包埋率的顯著影響。當壁材濃度不變時，包埋率隨溫度的增加先增大后平緩；在溫度不變時，包埋率先隨壁材濃度的增加而增加，而后趨于不變。

2.3 驗證試驗結果

根據Box—Behnken試驗所得到的數據結果和回歸方程，利用Design Expert8.0.6.1軟件處理所得數據，得到較適宜的微膠囊制備條件為：壁材濃度為2.2%，芯壁材質量比為1∶11，反應溫度為41.51℃。此條件下預測可得到的微膠囊的包埋率為88.3%。而3次驗證試驗所得到的包埋率分別為88.5%、87.9%、88.1%，平均值為88.2%，與預測包埋率相差小于±1%，證明響應面設計比較好的預測了微膠囊包埋情況。

圖6 芯壁材質量比和溫度交互作用對微膠囊包埋率的影響Fig.6 The influence of proportion of core/wall material and temperature interaction to the microcapsule embedding rate

2.4 體外緩釋試驗結果

由于食物在胃中完全排空的時間是6h，所以取6h作為微膠囊在模擬胃液和模擬腸液中的受試時間。

圖7展示的是6 h微膠囊在模擬胃液與模擬腸液中的釋放曲線。

圖7 微膠囊在模擬胃液和模擬腸液中的溶出率Fig.7 The microcapsule dissolution rate in simulated gastric and simulate intestines liquid

由曲線可以看出，微膠囊在模擬胃液中6 h的釋放率為45.8%，在模擬腸液中6 h釋放率為67.5%，表明微膠囊在模擬胃液和模擬腸液中的緩釋效果較好，且模擬胃液中的釋放速率小于模擬腸液中。其可能的原因是由Phillips G O等[10]試驗的驗證表明，魔芋葡甘聚糖在pH小于3的模擬胃液環境下黏度急劇上升，導致壁材的空隙減少，使芯材從壁材中釋放的速度減慢，而模擬腸液中的pH為弱堿性，壁材黏度小于在模擬胃液環境下的黏度，所以釋放速度較模擬胃液中的快。

根據趙艷威[11]的試驗，蘋果多酚降血糖主要的機理是與小腸中的α-葡糖苷酶進行競爭性抑制，即蘋果多酚是在小腸中發揮作用，所以微膠囊的最佳效果是在胃中釋放的速率略緩慢，而在腸液中釋放稍迅速。而微膠囊的體外緩釋試驗恰好符合這一要求，這也為后續微膠囊降血糖試驗打下良好基礎。

3 結論

本試驗在單因素的基礎上，得到了包埋率比較高的試驗條件：壁材濃度為2.2%，芯壁材質量比為1∶11，反應溫度為41.51℃。此條件下可得到的微膠囊的包埋率為88.2%。在此條件下所制得微膠囊，在模擬胃液中6 h緩釋釋放量為45.8%，在模擬腸液中6 h釋放量為67.5%，具有明顯的緩釋作用。

[1]楊薇,張曉旭,李景明.蘋果多酚功能及其作用機理的研究進展[J].食品研究與開發,2012(1):193-196

[2]金靈紅,朱偉云.魔芋葡甘聚糖功能及其應用研究進展[J].畜牧與獸醫,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

[4]井樂剛,趙新淮.以明膠為壁材制備水溶性復合維生素微膠囊工藝[J].食品科學,2012,33(2):7-10

[5]譚明杰,張春香.冷凍干燥法茶多酚微膠囊的制備及其在煙用復合咀棒中的應用研究[J].食品工業,2011(8):57-59

[6]韓志任,杜有辰,李剛,等.阿維菌素脲醛樹脂微膠囊的制備及其緩釋性能[J].農藥學學報,2007(4):405-410

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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

農業部 948 重點項目[2011－G8（3）]

鄭健姿（1990—），女（蒙古），在讀碩士研究生，研究方向：食品營養與安全。

*通信作者：岳田利（1965—），男（漢），教授，博士生導師，研究方向：食品生物技術及食品安全控制。

2016-03-04