番茄紅素微粒制備工藝研究

賈新超，王紅霞，焦麗娟，高偉，田洪，徐建中*

(1.河北省天然色素工程技術(shù)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)

番茄紅素主要存在于番茄、西瓜、木瓜等成熟的果實中[1]。番茄紅素是一種食品著色劑，可應(yīng)用于蟹棒、飲料的著色保鮮，同時又是天然抗氧化劑，具有多項生理功能[2，3]。

番茄紅素屬于β-胡蘿卜素的一種，化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，極易受到外界條件(光、熱、氧)的影響，發(fā)生順反異構(gòu)化反應(yīng)[4]。番茄紅素屬于脂溶性成分，在水中的溶解度非常小，大大限制了其在食品、調(diào)味品以及制藥工業(yè)中的應(yīng)用[5，6]。微膠囊化技術(shù)是包埋技術(shù)的一種，不僅延長了番茄紅素的貨架時間以及改變了番茄紅素的水溶性，而且在香辛料、復(fù)合調(diào)味料行業(yè)中也有著廣泛的應(yīng)用[7-9]。本研究通過研磨工藝和噴霧-淀粉流化造粒參數(shù)的優(yōu)化，制備出高穩(wěn)定性番茄紅素微粒產(chǎn)品，為其在食品、調(diào)味品等行業(yè)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)[10]。

1 材料與方法

1.1 材料

番茄紅素晶體(含量90%):晨光生物科技集團股份有限公司提供；牛骨明膠：羅賽洛(中國)明膠有限公司；蔗糖、普魯蘭多糖為食品原料；混合生育酚、抗壞血酸為食品添加劑。

1.2 儀器

L5T高剪切乳化機 英國Silverson公司； NNM05臥式砂磨機 諾研上海機械儀器有限公司；SY-6000噴霧造粒器 上海世遠生物設(shè)備工程有限公司；Mastersizer 2000激光粒度分析儀 英國Malvern公司；UV1102紫外可見分光光度計 上海天美科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 制備工藝

油相+水相→混合乳化→納米研磨→噴霧造粒→微粒。

操作要點：將壁材溶解于70 ℃的純凈水中，再緩慢加入抗氧化劑，待抗氧化劑溶解后，緩慢加入番茄紅素晶體，攪拌均勻后進行剪切乳化。將乳化液加入砂磨機進行研磨，最后對研磨好的料液進行噴霧-淀粉流化造粒。

1.3.2 研磨工藝優(yōu)化的單因素試驗

1.3.2.1 研磨轉(zhuǎn)速的確定

對用最佳配方制備的乳化液進行研磨工藝優(yōu)化，選取研磨時間90 min、研磨介質(zhì)填充率75%，研究研磨轉(zhuǎn)速1200,1400,1600,1800,2000,2200 r/min對乳液粒徑的影響。

1.3.2.2 研磨時間的確定

對用最佳配方制備的乳化液進行研磨工藝優(yōu)化，選取研磨轉(zhuǎn)速1600 r/min、研磨介質(zhì)填充率75%，研究研磨時間30,60,90,120,150 min對乳液粒徑的影響。

1.3.2.3 研磨介質(zhì)填充率的確定

對用最佳配方制備的乳化液進行研磨工藝優(yōu)化，選取研磨轉(zhuǎn)速1600 r/min、研磨時間120 min，研究研磨介質(zhì)填充率70%,72%,74%,76%,78%,80%對乳液粒徑的影響。

1.3.3 噴霧-淀粉流化造粒工藝優(yōu)化的單因素試驗及正交試驗

1.3.3.1 物料流速的確定

利用最佳配方制備乳化液，對淀粉流化床造粒過程中的物料流速進行優(yōu)化。固定參數(shù)為噴頭轉(zhuǎn)速、物料黏度和進風(fēng)溫度，研究不同物料流速對微粒的微囊化效率的影響。

1.3.3.2 噴頭轉(zhuǎn)速的確定

利用最佳配方制備乳化液，對淀粉流化床造粒過程中的噴頭轉(zhuǎn)速進行優(yōu)化。固定物料流速、物料黏度和進風(fēng)溫度，研究不同噴頭轉(zhuǎn)速對微粒的微囊化效率的影響。

1.3.3.3 物料黏度的確定

利用最佳配方制備乳化液，對淀粉流化床造粒過程中的物料黏度進行優(yōu)化。固定物料流速、噴頭轉(zhuǎn)速和進風(fēng)溫度，研究不同物料黏度對微粒的微囊化效率的影響。

1.3.3.4 進風(fēng)溫度的確定

利用最佳配方制備乳化液，對淀粉流化床造粒過程中的進風(fēng)溫度進行優(yōu)化。固定物料流速、噴頭轉(zhuǎn)速和物料黏度，研究不同進風(fēng)溫度對微粒的微囊化效率的影響。

1.3.3.5 正交試驗

以淀粉流化造粒過程中的4個影響參數(shù)為考察因素，以微囊化效率為考察指標(biāo)，每個因素設(shè)置3個水平，設(shè)計了四因素三水平進行正交試驗[11,12]。

1.3.4 檢測方法

1.3.4.1 番茄紅素微囊化效率評定

微囊化效率是評價微囊化效果的最重要依據(jù)。微囊化效率是通過檢測微粒表面的番茄紅素含量，然后再檢測產(chǎn)品中番茄紅素的含量，微粒表面的番茄紅素含量與產(chǎn)品中番茄紅素含量的比值，即為微膠囊化效率，按公式(1)計算：

(1)

1.3.4.2 穩(wěn)定性評定方法

穩(wěn)定性的好壞是微囊化產(chǎn)品的重要指標(biāo)，通過包埋處理可以提高熱敏性物料的穩(wěn)定性，延長其貨架期，通過測定在不同條件下微粒產(chǎn)品中番茄紅素的含量，含量保留率按公式(2)計算：

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 研磨工藝優(yōu)化

2.1.1 研磨轉(zhuǎn)速

表1 研磨轉(zhuǎn)速對乳狀液粒徑的影響Table 1 Effect of grinding rotational speed on the particle size of emulsion

由表1可知，研磨轉(zhuǎn)速的大小對乳狀液粒徑有較大影響。乳狀液色調(diào)隨著研磨轉(zhuǎn)速的增加，從紫紅逐漸變成鮮紅色，粒徑逐漸變小。當(dāng)研磨轉(zhuǎn)速由1600 r/min增加至2000 r/min時，表面能逐漸增大，當(dāng)比表面積超出了壁材和填充劑的載量時油相就會發(fā)生泄漏，番茄紅素晶體聚集粒徑增大，表明已發(fā)生破乳。綜上，選擇研磨轉(zhuǎn)速為1600 r/min。

2.1.2 研磨時間

表2 研磨時間對乳狀液粒徑的影響Table 2 Effect of grinding time on the particle size of emulsion

由表2可知，隨著研磨時間的增加，乳狀液色調(diào)從紫紅逐漸變成鮮紅，乳液粒徑逐漸變小，在研磨時間為120 min時，乳液粒徑達到了1 μm，但隨著時間的延長，150 min時，乳液粒徑又逐漸變大，可能是乳液液滴容易破乳聚合導(dǎo)致粒徑變大，微囊化效率在研磨時間為120 min時，乳液粒徑最小，微囊化效率最高，因此確定最佳研磨時間為120 min。

2.1.3 研磨介質(zhì)填充率

表3 研磨介質(zhì)填充率對乳狀液粒徑的影響Table 3 Effect of filling rate of grinding medium on the particle size of emulsion

由表3可知，研磨介質(zhì)填充率在70%～78%時，乳狀液色調(diào)均呈鮮紅色，當(dāng)大于76%時，乳液粒徑變化不明顯，因此確定研磨介質(zhì)的最佳填充率為76%。

2.2 噴霧-淀粉流化造粒工藝的優(yōu)化

2.2.1 物料流速對番茄紅素微粒的微囊化效率的影響

物料流速是淀粉流化床造粒過程中的重要參數(shù)，不僅關(guān)系到生產(chǎn)效率的高低，還決定著產(chǎn)品品質(zhì)的好壞。通過先固定參數(shù)為噴頭轉(zhuǎn)速、物料黏度和進風(fēng)溫度，研究物料流速對微囊化效率的影響，測定結(jié)果見圖1。

圖1 物料流速對番茄紅素微粒的微囊化效率的影響Fig.1 Effect of material flow rate on the microencapsulation efficiency of lycopene particles

由圖1可知，在物料流速為60 L/h時，微囊化效率達到峰值。當(dāng)物料流速大于60 L/h時，微囊化效率下降，可能是物料流速過大，產(chǎn)品干燥不完全，產(chǎn)品表面存在裂紋，導(dǎo)致微囊化效率降低。當(dāng)物料流速為60 L/h時，微囊化效率最大。物料流速太低，形成的顆粒會很小；物料流速太高，物料在氣流的沖擊下當(dāng)物料流速小于60 L/h時，在相同的進風(fēng)溫度情況下迅速干燥，產(chǎn)品表面也容易存在裂紋，導(dǎo)致微囊化效率降低。

2.2.2 噴頭轉(zhuǎn)速對番茄紅素微粒的微囊化效率的影響

噴頭轉(zhuǎn)速是淀粉流化床造粒過程中成型好壞的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)速較小時，噴霧的液滴較大，很難形成噴霧造粒的效果；轉(zhuǎn)速過大時，噴出的霧滴較小，最終形成的產(chǎn)品粒度較小，造成產(chǎn)品的比表面積增大，導(dǎo)致部分芯材泄露，微囊化效率降低。

圖2 噴頭轉(zhuǎn)速對番茄紅素微粒的微囊化效率的影響Fig.2 Effect of spraying rotational speed on the microencapsulation efficiency of lycopene particles

由圖2可知，噴頭轉(zhuǎn)速為2200 r/min時，微囊化效率達到峰值。當(dāng)噴頭轉(zhuǎn)速高于2200 r/min時，微囊化效率迅速下降。

2.2.3 物料黏度對番茄紅素微粒的微囊化效率的影響

物料黏度不僅和物料的種類有關(guān)，和料液的固形物也密切相關(guān)。通過調(diào)整固形物的高低，制備出一系列不同黏度的乳液進行淀粉流化床造粒。由圖3可知，物料黏度為180 mPa·s時，微囊化效率達到峰值。物料黏度低于180 mPa·s時，噴霧后的液滴會很細小，最終形成的微粒顆粒較小，比表面積增大，部分芯材包埋不完全。物料黏度太高時，噴霧過程中容易發(fā)生堵塞噴頭，同時不能在氣流的沖擊下分散均勻，干燥后的產(chǎn)品粒度分布范圍較大。

圖3 物料黏度對番茄紅素微粒的微囊化效率的影響Fig.3 Effect of material viscosity on the microencapsulation efficiency of lycopene particles

2.2.4 進風(fēng)溫度對番茄紅素微粒的微囊化效率的影響

圖4 進風(fēng)溫度對番茄紅素微粒的微囊化效率的影響Fig.4 Effect of inlet air temperature on the microencapsulation efficiency of lycopene particles

進風(fēng)溫度是淀粉流化床過程中的重要參數(shù)。由圖4可知，進風(fēng)溫度較低時，料液中的水分有部分來不及蒸發(fā)，造成干燥不完全，產(chǎn)品中水分含量偏高。進風(fēng)溫度較高時，水分蒸發(fā)速度過快，使得顆粒中含水率較低，對淀粉的粘附作用變?nèi)酰斐僧a(chǎn)品表面粘附的淀粉較少，二次包埋效果變差。當(dāng)進風(fēng)溫度為90℃時，微囊化效率達到峰值。

2.2.5 正交設(shè)計試驗

以物料速度、噴頭轉(zhuǎn)速、物料黏度和進風(fēng)溫度為考察因素，以番茄紅素微粒的微囊化效率為考察指標(biāo)，設(shè)計了四因素三水平試驗，采用L9(34)正交表進行試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 噴霧淀粉流化造粒技術(shù)參數(shù)的正交試驗結(jié)果Table 4 Results of orthogonal test of spraying and starch fluidifying granulation technology

續(xù) 表

由表4中的極差R值大小可知，各因素的影響順序為D>A>B>C，最優(yōu)組合為A3B2C2D2。用上述確定的最佳配方，按照最佳工藝組合進風(fēng)溫度90℃、物料黏度180 mPa·s、物料流速80 L/h和噴頭轉(zhuǎn)速2200 r/min，重復(fù)進行3組試驗，得出番茄紅素微粒的微囊化效率的平均值為98.7%。因此，確定此工藝為最佳工藝。

2.3 穩(wěn)定性評價

在上述確定的最佳配方、研磨工藝和噴霧-淀粉流化造粒工藝的條件下所得番茄紅素微粒和番茄紅素晶體進行穩(wěn)定性對比，穩(wěn)定性條件為25 ℃、60% RH放置10天，每2天測1次含量，結(jié)果見圖5。

圖5 番茄紅素微粒和番茄紅素晶體的穩(wěn)定性Fig.5 Stability of lycopene particles and lycopene crystal

由圖5可知，番茄紅素微粒的含量保留率明顯高于番茄紅素晶體，放置10 天后番茄紅素微粒含量保留率較番茄紅素晶體高65.09%，說明番茄紅素微粒的穩(wěn)定性顯著高于番茄紅素晶體。

3 結(jié)論

最佳納米研磨的參數(shù)為研磨轉(zhuǎn)速1600 r/min，研磨時間120 min，介質(zhì)填充率76%。噴霧造粒參數(shù)：進風(fēng)溫度90 ℃、物料黏度180 mPa·s、物料流速80 L/h和噴頭轉(zhuǎn)速2200 r/min。番茄紅素微粒在25 ℃、60% RH條件下放置10天的含量保留率較番茄紅素晶體提高了65.09%。通過納米研磨后制備的番茄紅素微粒的穩(wěn)定性顯著高于普通番茄紅素晶體。番茄紅素微粒的水溶性、穩(wěn)定性得到了明顯的改善，為番茄紅素提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。