玉米黃質復凝聚微膠囊化工藝研究

劉 兵，謝 昕

(1.商丘職業技術學院，河南 商丘 476100； 2.河南職業技術學院，河南 鄭州 450000)

玉米黃質(3,3′-二羥基-β-胡蘿卜素)與葉黃素是同分異構體，在綠色水果蔬菜中含量豐富.玉米黃質在功能食品上具有消除自由基、抗氧化等作用，在醫學上有抗癌、預防心血管疾病等作用，特別是在預防和減緩老年性眼部疾病方面有突出療效[1].此外，有研究者認為，人生命早期缺乏玉米黃質會影響腦的發育[2].玉米黃質在人體內無法自主合成，必須從膳食中得到補充.但玉米黃質的化學穩定性以及水溶性都很差，并且在儲存過程中容易因溫度、光照、食品添加劑等外在的一些因素影響而發生分解，這在很大程度上限制了玉米黃質在醫藥、食品行業上的應用.

微膠囊化技術是利用高分子材料包裹目標物，形成密封性囊壁及流動性良好的微小粒子的一種包封技術[3].如果把玉米黃質制成微膠囊的形式，能夠大大降低其易分解的性質，擴大其應用范圍.目前，食品行業常用的制備微囊化的方法有：物理法中的流化床法[4]和噴霧干燥法[5]、化學法中的原位聚合法[6]和復凝聚法[7]等.復凝聚法是利用靜電作用達到包裹芯材的目的[8].復凝聚法是被廣泛用于維生素、香精、魚油等食品的微膠囊化技術，其常用的壁材組合為明膠/阿拉伯膠體系[9].殼聚糖 (chitosan, CH)因具有正電性，及良好的吸附性、生物相容性和成膜性等優點，在微膠囊的制備方面應用比較廣泛[10].大豆分離蛋白(soybean protein isolate, SPI)來源廣泛，作為一種兩性電解，經常和殼聚糖一起用于微膠囊的制備工藝.本實驗以大豆分離蛋白和殼聚糖為壁材，采用復凝聚法制備玉米黃質微膠囊，以玉米黃質的包埋產率和包埋效率為指標，優化微膠囊化的制備工藝，以期為玉米黃質的廣泛利用提供技術支持.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(食品級，武漢盛世天元生物科技有限公司)；殼聚糖(食品級，河北龍華醫藥科技有限公司)；玉米黃質(食品級，西安旭全生物技術有限公司)；石油醚、鹽酸、冰醋酸(分析純，南京化學試劑股份有限公司)；氫氧化鈉(分析純，天津欣泰怡科技有限公司).

1.2 儀器與設備

紫外可見分光光度計(Agilent Cary 60)：安捷倫科技(中國)有限公司；萬分之一分析天平(ME104T)：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S)：鞏義市予華儀器有限公司；超聲波清洗器(KQ5200)：昆山市超聲儀器有限公司；臺式高速離心機(TG18K)：上海繼譜電子科技有限公司；數顯高速分散機(400W)：沈陽華之翼機械設備廠；pH計(PHS-3C)：上海儀電科學儀器股份有限公司；懸臂式恒速強力電動攪拌機(GZ)：金壇市岸頭林豐實驗儀器廠；數顯式電熱恒溫水浴鍋(XMTD-204)：上海躍進醫療器械有限公司；生物顯微鏡(DM2500)：德國徠卡.

1.3 復凝聚法制備玉米黃質微囊的工藝流程

將質量濃度為2.4%、pH8.0的大豆分離蛋白溶液和玉米黃質混合，使最終的混合液中的玉米黃質和大豆分離蛋白的質量比達到1∶1.6，將該混合液置于高速剪切分散機中，在45℃、18 000 r/min的條件下，乳化2 min，得到玉米黃質乳狀液.向玉米黃質乳狀液中緩慢加入一定質量濃度的殼聚糖溶液，并用10% NaOH溶液調節乳狀液的pH值.一定溫度下，將乳狀液攪拌一段時間后，冷卻至室溫，即得玉米黃質微膠囊懸浮液.用濾紙吸干微膠囊懸浮液上的水分，即得玉米黃質微膠囊產品.玉米黃質微膠囊化的工藝流程圖，如圖1所示.

圖1 玉米黃質微膠囊制備的工藝流程圖

1.4 玉米黃質含量的測定

利用分光光度法測定并計算微膠囊產品中玉米黃質的含量，計算公式如下[11]：

C=(A×f)/(E×m)

(1)

式中：C—玉米黃質的含量(g/g)；A—在450 nm處的吸光度值；f—溶液稀釋倍數；E—單位質量的玉米黃質溶于乙醇，在波長450 nm處的消光系數(g-1);m—制備的玉米黃質微膠囊樣品的質量(g).

1.5 微膠囊化效率和產率的測定

以無水乙醇為提取劑，分別提取和測定微膠囊中表面玉米黃質含量、微膠囊中玉米黃質總含量、反應體系中加入的玉米黃質總含量.采用下面的公式計算微膠囊化效率和產率[12].

1.5.1 微膠囊中表面玉米黃質的含量測定

稱取玉米黃質微膠囊100 mg放入20 mL試管中，加入石油醚10.00 mL，在500 r/min 的條件下，渦旋震蕩2 min，震蕩結束后，靜置10 min，取試管上清液，以石油醚為空白參比液，于450nm處測吸光度[13]，按照式(1)計算含量.

1.5.2 微膠囊中玉米黃質總含量的測定

稱取100 mg 制備好的玉米黃質微膠囊于20 mL試管中，加入10.00 mL石油醚，室溫下以800 W的超聲功率處理15 min左右，直至玉米黃質被完全提取出來，靜置10 min，取上層含玉米黃質的橘黃色溶液.以石油醚為空白參比液，于450 nm處測吸光度，按照式(1)計算含量.

1.5.3 反應體系中 PRP 總含量的測定

稱取100 mg微膠囊中需要加入玉米黃質的總量于20 mL試管中，按照1.5.2中的處理方法進行處理，取其上清液用石油醚稀釋，以石油醚為空白參比液，于450 nm處測吸光度，按照式(1)計算玉米黃質的總量.

1.6 數據處理

1.7 玉米黃質微膠囊形態的觀察

吸取少量制備好的玉米黃質微膠囊溶液于載玻片上，蓋上蓋玻片，使用DM2500生物顯微鏡觀察微膠囊形態.

2 結果與分析

2.1 復凝聚法制備玉米黃質微膠囊的工藝優化

2.1.1 壁材比的影響

將玉米黃質乳狀液與一定質量濃度的殼聚糖溶液混合，用10% NaOH溶液調節混合液的pH值到6.3，在轉速為200 r/min的條件下，攪拌15 min，整個攪拌過程控制溫度為25℃.以玉米黃質微膠囊的產率和效率為指標，來考察壁材比對微膠囊的影響.考察的壁材比SPI∶CH(m∶m)有：1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1.

根據復凝聚法制備微膠囊化的原理，當兩種壁材的正負兩種電荷的數目相等時，微膠囊化的效果最好.圖2為不同壁材比(SIP∶CH)對玉米黃質微膠囊產率和效率的影響.從圖2可以看出，隨著壁材比的增加，玉米微膠囊包埋的產率是先增加后減少，當SIP和CH兩種壁材比為4∶1時，玉米黃質的包埋產率為83.18%，達到最大.此結果與黃高清[14]的 SPI/CH 發生復凝聚微膠囊化的最適比例一致.因此，我們選擇壁材比4∶1作為最佳壁材比值.

2.1.2 pH值的影響

將玉米黃質乳狀液與一定質量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調節混合液的pH值，在轉速為200 r/min的條件下，攪拌15 min，整個攪拌過程控制溫度為25℃.以玉米黃質微膠囊的產率和效率為指標，來考察pH對微膠囊的影響.考察的pH值有：5.7、6.0、6.3、6.5、6.7.圖3為不同pH值對玉米黃質微膠囊化產率和效率的影響.

圖2 壁材比對玉米黃質微膠囊化的影響

圖3 pH值對玉米黃質微膠囊化的影響

復凝聚法需要帶正負兩種不同電荷的壁材，其中殼聚糖是帶正電荷的.大豆分離蛋白是兩性電荷，其等電點大概在4.5，只有大豆分離蛋白帶負電荷時，其才能與帶正電荷殼聚糖通過靜電作用發生復凝聚.通過調節pH值，大豆分離蛋白帶的負電荷數不斷增加，當所帶正負電荷數相等時，大豆分離蛋白和殼聚糖產生靜電作用，發生復凝聚的效果最好.由圖3可以看出，在pH值等于6.5時，玉米黃質的微膠囊包埋產率和效率均達到最大值，分別為84.2%和92.21%.實驗結果與黃高清的 SPI/CH 發生復凝聚微膠囊化的最佳pH值的結果基本相一致.因此，我們選擇制備微膠囊化的最佳pH值為6.5.

2.1.3 攪拌速度的影響

將玉米黃質乳狀液與一定質量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調節混合液的pH值到6.5，在一定轉速條件下，攪拌15 min，整個攪拌過程控制溫度為25℃.以玉米黃質微膠囊的產率和效率為指標，來考察攪拌速度對微膠囊的影響.考察的攪拌速度有：100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min、500 r/min.圖4為不同攪拌速度對玉米黃質微膠囊化產率和效率的影響.

在制備微膠囊化的過程中，如果攪拌的速度太慢，壁材和芯材不能很好地混合，最終得到的微膠囊也比較少；如果攪拌速度太快，形成的微膠囊穩定性較差，容易破裂，最終得到的微膠囊數量也會減少[15].由圖4可知，隨著攪拌速度的增加，玉米黃質微膠囊的包埋率先增加再降低，與文獻15所述的規律基本一致.當攪拌速度為300 r/min時，加入的壁材和芯材達到了很好的混合，并且攪拌速度不是太快，形成的微膠囊也比較穩定，形狀也較好，玉米黃質的微膠囊包埋產率和效率分別達到最高，分別為89.5%和93.67%.考慮攪拌速度對制備成的微膠囊穩定性和形狀的影響，選擇300 r/min為最佳攪拌速度.

2.1.4 攪拌溫度的影響

將玉米黃質乳狀液與一定質量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調節混合液的pH值到6.5，在300 r/min的攪拌條件下，攪拌10 min.以玉米黃質微膠囊的產率和效率為指標，來考察攪拌溫度對微膠囊的影響.考察的攪拌溫度有：25℃、35℃、45℃、55℃、65℃.圖5為不同攪拌溫度對玉米黃質微膠囊化產率和效率的影響.

圖4 攪拌速度對玉米黃質微膠囊化的影響

圖5 攪拌溫度對玉米黃質微膠囊化的影響

復凝聚反應的發生過程中，除了有物質之間的靜電作用外，物質之間的氫鍵和疏水性也起著一定的作用[16]，所以，溫度對微膠囊的包埋效果也有一定的作用.由圖5可知，在所考察的溫度范圍內，微膠囊的包埋產率和效率差異不太明顯.在45℃-50℃溫度范圍內，微膠囊的包埋率差別不大.但還是可以看出，溫度為55℃時，包埋產率和效率均達到最大值，分別為89.5%和93.67%.溫度較高的情況下，大豆分離蛋白會發生一定的變性，其空間結構會發生一定變化，這可能會增加其余殼聚糖之間的相互作用，從而使玉米黃質微膠囊化的產率和效率都有所提高.綜合各方面考慮，選擇制備微膠囊的最佳溫度為55℃.

2.1.5 攪拌時間的影響

將玉米黃質乳狀液與一定質量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調節混合液的pH值到6.5，并在溫度30℃及攪拌速度300 r/min的條件下，攪拌一定時間.以玉米黃質微膠囊的產率和效率為指標，來考察攪拌時間對微膠囊的影響.考察的攪拌時間有：5 min、10 min、15 min、20 min、25 min.圖6為不同攪拌時間對玉米黃質微膠囊化產率和效率的影響.

由圖6可知，在5 min-25 min攪拌時間內，對微膠囊的包埋產率和效率還是有一定影響的.要使大豆分離蛋白和殼聚糖能夠通過靜電作用完美包裹住玉米黃質，需要我們選擇一個最合適的攪拌時間.在不同攪拌時間下，玉米黃質微膠囊的產率相對都比較高，這與相關文獻記載的大豆分離蛋白和殼聚糖之間的靜電作用能夠迅速完成相符合.并且在10 min、15 min、20 min三個攪拌時間下，玉米黃質微膠囊的產率無顯著差別，但相對攪拌時間為15 min時，產率最高達到89.93%.玉米黃質微膠囊的包埋效率在不同的攪拌時間下，存在顯著差別，其中在攪拌時間為15 min時，包埋效率到最大，為93.96%.在低于和高于15 min時，包埋效率相對來說都要低一點，當攪拌時間低于15 min時，可能玉米黃質還沒有完全被包埋穩定，不斷從微膠囊表面脫落；當攪拌時間高于15 min時，可能微膠囊在溶液中存放時間較長，有一部分玉米黃質會從微膠囊內部滲透到其表面并脫落，這些都有可能引起玉米黃質微膠囊包埋效率的下降.綜合各方面考慮，選擇制備微膠囊的最佳攪拌時間為15 min.

2.2 玉米黃質微膠囊的微觀形態

根據上述實驗得到最佳工藝條件.圖7為通過最佳工藝條件得到的玉米黃質微膠囊圖像(放大500倍)。

圖7 玉米黃質微膠囊的微觀形態圖

由圖7可以看到玉米黃質微膠囊呈球形結構，球形結構大小不一，玉米黃質能夠很好地被包埋其中，這說明本研究采用的壁材和方法能夠很好地制備玉米黃質微膠囊.實驗結果與黃國清[17]利用與本實驗相同的壁材所制備的辣椒紅色素微膠囊的形態相一致.

3 結論

本研究采用復凝聚法，選用大豆分離蛋白和殼聚糖為壁材，以玉米黃質為芯材，來制備玉米黃質微膠囊.通過單因素變量的方法，得到最佳制備工藝：將一定體積的質量濃度為2.4%、pH值為8.0的大豆分離蛋白溶液和玉米黃質混合，最終使兩種物質的質量比達到1.6∶1，在一定震蕩條件下，將混合液乳化，得到玉米黃質乳狀液.加入一定質量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調節混合液的pH值到6.5，并在55℃下，300 r/min的條件下，攪拌15 min，得到玉米黃質微膠囊.該條件下的玉米黃質的包埋產率為89.93%，包埋效率為93.96%，得到的微膠囊均為球形形狀.