噴霧冷卻法制備復(fù)合維生素微膠囊

井樂剛，趙新淮

（1.哈爾濱師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150025；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)乳品科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150030）

維生素是維持人體正常生理功能所必需的一類微量低分子有機(jī)化合物。大多數(shù)維生素性質(zhì)較為活潑，有些還具有不良的滋氣味。例如，水溶性維生素中的VB1、VB6等對(duì)光、熱、濕、氧等因素不穩(wěn)定，在食品加工和貯存過程中容易損失。此外，VB1略有米糠似的特異臭，味苦；煙酰胺有苦味[1]，在食品中應(yīng)用時(shí)會(huì)影響食品的感官品質(zhì)。微膠囊技術(shù)是指利用天然的或者合成的高分子包囊材料，將固體、液體或氣體物質(zhì)包埋在微小、半透性或密封的膠囊內(nèi)，使內(nèi)容物在特定條件下以可控的速率進(jìn)行釋放的技術(shù)。通過微膠囊技術(shù)可以達(dá)到隔離活性成分、保護(hù)芯材免受環(huán)境影響、掩蓋不良味道或氣味、控制釋放等目的[2]。微膠囊的方法有許多種，常用的有銳孔法[3]、分子包埋法[4]、噴霧干燥法[5]、冷凍干燥法[6]、相分離法[7]等。微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用已發(fā)展到香精、香料、油脂、添加劑、酶制劑、微生物制劑等許多方面[2-7]。關(guān)于維生素的微膠囊化研究，大多數(shù)是關(guān)于脂溶性維生素的，如維生素A、維生素D、維生素E等[8-10]。水溶性維生素的微膠囊化主要集中于維生素C[5-7]。關(guān)于B族維生素的微膠囊化研究報(bào)道則很少。本文作者曾利用冷凍干燥技術(shù)，結(jié)合粉碎、篩分技術(shù)，制備了復(fù)合維生素微膠囊[11]。本試驗(yàn)以聚甘油單硬脂酸酯為壁材，以維生素B1、維生素B6和煙酰胺為芯材，采用噴霧冷卻法制備復(fù)合維生素微膠囊，為開發(fā)新型的維生素類營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

VB1、VB6、煙酰胺（上海勵(lì)成精細(xì)化工有限公司），聚甘油單硬脂酸酯（丹尼斯克（中國(guó)）有限公司），均為食品級(jí)；其他試劑均為分析純；水為去離子水。

1.2 儀器設(shè)備

hx300型往復(fù)式噴霧器（余姚市東霞噴霧塑業(yè)有限公司）；FM300型高剪切分散乳化機(jī)（上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司）；GL-21M型高速冷凍離心機(jī)（上海市離心機(jī)研究所）；F-4500型熒光分光光度計(jì)（日本Hitachi公司）。

1.3 方法

1.3.1 復(fù)合維生素微膠囊的制備工藝

以聚甘油單硬脂酸酯為壁材，以維生素B1、維生素B6和煙酰胺的混合物為芯材，采用噴霧冷卻法，制備復(fù)合維生素微膠囊，制備的工藝流程如圖1所示。工藝要點(diǎn)分別為：

芯材溶液制備：稱取維生素B1、維生素B6、煙酰胺，加適量水溶解，混勻，制成芯材溶液。三種維生素之間的比例，依照“中國(guó)居民膳食營(yíng)養(yǎng)素參考攝入量表”中1～3歲幼兒需要量的比例（VB1∶VB6∶煙酰胺 =4∶3.3∶40，W/W）[12]。

圖1 噴霧冷卻法制備復(fù)合維生素微膠囊的工藝流程Fig.1 Flow chart of preparation of compound vitamin microcapsules by spray cooling

壁材溶液制備：稱取聚甘油單硬脂酸酯，加入一定量的水，在57℃水浴中加熱、攪拌10 min，使其分散均勻，制成壁材溶液。

混合：按照一定的壁材/芯材比，將芯材溶液加入到壁材溶液中，攪拌、混勻。

乳化：將壁材、芯材混合物，用高剪切分散乳化機(jī)，在2 000 r·min-1下乳化3 min。

噴霧冷卻：把乳化后的溶液用噴霧器向裝有5℃0.05%吐溫60溶液的圓桶中噴霧，噴霧器的噴嘴直徑為1 mm。

離心分離：把噴霧后的混合液，用高速冷凍離心機(jī)于1 600 g離心10 min，把上清液倒出，沉淀即為微膠囊產(chǎn)品。

1.3.2 壁材/芯材比對(duì)微膠囊中維生素荷載量及包埋率的影響

選擇壁材/芯材比分別為5∶1、10∶1、15∶1（W/W），聚甘油單硬脂酸酯濃度為3∶50（W/V），制備微膠囊，測(cè)定微膠囊中維生素的荷載量及包埋率。

1.3.3 微膠囊中維生素荷載量及包埋率的測(cè)定

由于芯材為三種維生素的混合物，為簡(jiǎn)便起見，以維生素B1為考察對(duì)象。根據(jù)混合物中維生素B1的含量及比例，確定微膠囊中維生素的荷載量。以維生素B1的包埋率，代表維生素整體的包埋率。

微膠囊表面維生素B1量的測(cè)定：準(zhǔn)確稱取1～2 g微膠囊產(chǎn)品，加入約50 mL0.05%吐溫60溶液，輕輕攪拌，使其分散；200 g離心10 min；過濾上清后，用0.05%吐溫60溶液定容到50 mL。從中吸取一定量溶液，按1.3.4中的方法測(cè)定維生素B1量。

微膠囊中維生素B1量的測(cè)定：準(zhǔn)確稱取0.5～1g的微膠囊產(chǎn)品，加入15 mL三氯甲烷使其全部溶解，然后分別用15 mL去離子水萃取三氯甲烷3次，每次萃取時(shí)靜置30 min，合并水層后，定容到50 mL。從其中吸取一定量溶液，按1.3.4中的方法測(cè)定維生素B1量。

1.3.4 維生素B1量的測(cè)定

本試驗(yàn)采用熒光分光光度法[13]，測(cè)定微膠囊表面及微膠囊中維生素B1的量。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：稱取一定量的維生素B1，配制成濃度分別為0.05、0.10、0.20、0.30、0.40和0.50 μg·mL-1的溶液，再分別吸取上述溶液0.5 mL，加入 0.1 mol·L-1HCl溶液 2.5 mL、0.01 mol·L-1(NH4)6Mo7O24溶液1.0 mL，搖勻，氧化3 min，再加入0.1 mol·L-1NaOH溶液5.5 mL，最后加入0.5 mL水。用熒光分光光度計(jì)，在370 nm激發(fā)波長(zhǎng)、440 nm發(fā)射波長(zhǎng)下，測(cè)定熒光強(qiáng)度。以維生素B1濃度為橫坐標(biāo)，熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

樣品測(cè)定：測(cè)定微膠囊表面和微膠囊中維生素B1量時(shí)，根據(jù)不同的壁材性質(zhì)，把樣品進(jìn)行相應(yīng)的處理后，按上述方法測(cè)定，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算樣品中的維生素B1量。

2 結(jié)果與分析

2.1 維生素B1含量的分析

在本研究中，所制備的微膠囊中的芯材為三種維生素的混合物。由于逐一測(cè)定每一種維生素的含量相當(dāng)費(fèi)時(shí)，也不是十分必要，為簡(jiǎn)便起見，以其中一種維生素即維生素B1為考察對(duì)象。根據(jù)維生素混合物中維生素B1的含量及比例，確定微膠囊中維生素的荷載量，以維生素B1的包埋率代表維生素整體的包埋率。在試驗(yàn)過程中，需要經(jīng)常測(cè)定維生素B1的含量以進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。因此，選擇一種簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確的測(cè)定方法非常關(guān)鍵。鉬酸銨與維生素B1的熒光反應(yīng)，可以用于測(cè)定微膠囊樣品中維生素B1的含量，所利用的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖2所示。該氧化測(cè)定體系操作簡(jiǎn)便、快速，熒光強(qiáng)度穩(wěn)定，試劑無毒性。

圖2 熒光分光光度法測(cè)定維生素B1含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve for the determination of content of vitamin B1by fluorospectrophotometry

2.2 壁材/芯材比對(duì)微膠囊中維生素荷載量及包埋率的影響

不同壁材/芯材比對(duì)微膠囊中維生素荷載量及包埋率的影響如表1所示。

可以看出，隨著壁材/芯材比的增加，微膠囊中維生素的荷載量降低。這顯然是由于，隨著壁材/芯材比的增加，微膠囊中芯材所占比例下降。還可以看出，隨著壁材/芯材比的增加，微膠囊中維生素的包埋率則增加。這是由于，壁材比例增加時(shí)，壁材所產(chǎn)生的物理阻隔或屏障作用增大，芯材不易泄露到微膠囊表面，因此導(dǎo)致維生素的包埋率增加。上述結(jié)果與采用冷凍干燥-粉碎-篩分工藝制備微膠囊[11]的結(jié)果是一致的。

表1 壁材/芯材比對(duì)維生素荷載量及包埋率的影響Table 1 Effects of ratio of polyglycerol monostearate to core material on the loading and encapsulation efficiency of vitamins

表中的試驗(yàn)結(jié)果還顯示，雖然維生素的包埋率不算太低，但其荷載量卻非常低。這一方面是由于包埋率低，導(dǎo)致部分維生素進(jìn)入吐溫60溶液中，離心后被除去；另一方面，也可能是由于本試驗(yàn)所使用的噴霧裝置霧化效果不好所造成的。相比我們之前的研究[11]，本試驗(yàn)的芯材中沒有加入維生素B2和葉酸，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒械娜芙舛榷驾^低。如果在芯材中加入這兩種維生素，那么噴霧冷卻的料液濃度必然較低，壁材濃度也要相應(yīng)較低。為了提高壁材濃度，改善包埋效果，雖然在芯材中沒有加入這兩種維生素，但從試驗(yàn)結(jié)果來看，微膠囊產(chǎn)品的包埋率仍不是很高。

把微膠囊產(chǎn)品應(yīng)用于食品中時(shí)，一般希望芯材的荷載量越高越好，這樣可以減少壁材的使用量，降低成本；同時(shí)，也希望芯材的包埋率越高越好，這樣有利于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和應(yīng)用效果。過低的壁材/芯材比雖然可以增加維生素的荷載量，但對(duì)包埋是不利的。在制備微膠囊時(shí)，對(duì)于壁材/芯材比的選擇，需要綜合考慮荷載量、包埋率、生產(chǎn)成本、應(yīng)用效果等多方面因素。從表中數(shù)據(jù)來看，當(dāng)壁材/芯材比為10:1（W/W）時(shí)，微膠囊中維生素的荷載量和包埋率都相對(duì)較高。因此，壁材/芯材比為10:1是一較為合適的比例。

3 討論與結(jié)論

以聚甘油單硬脂酸酯作為壁材，采用噴霧冷卻工藝制備微膠囊，已有一些文獻(xiàn)報(bào)道。Kwak等[14]用聚甘油單硬脂酸酯為壁材，采用噴霧冷卻工藝，制備了β-半乳糖苷酶微膠囊，研究了壁材與芯材比例對(duì)于微膠囊化效率的影響。由于把聚甘油單硬脂酸酯加熱到55℃時(shí)，仍很難噴霧，因此，需加入蒸餾水以降低聚甘油單硬脂酸酯的黏度。該研究工作考察了壁材與蒸餾水的比例對(duì)β-半乳糖苷酶微膠囊化效率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)壁材/蒸餾水為5∶4時(shí)，壁材/芯材比為15∶1（W/W）時(shí)，微膠囊化效率達(dá)到最高值72.8%；壁材/芯材比為5∶1時(shí)，微膠囊化效率最低，為50.9%。當(dāng)壁材/芯材比為15∶1（W/W）時(shí)，壁材/蒸餾水為5∶4時(shí)，微膠囊化效率達(dá)到最高值72.8%；壁材/蒸餾水為5∶2時(shí)，微膠囊化效率最低，為57.9%。Kwak等以聚甘油單硬脂酸酯為壁材，采用噴霧冷卻工藝，制備了硫酸鐵銨微膠囊。當(dāng)壁材與芯材及蒸餾水的比例為5∶1∶30（W/W/V）時(shí)，微膠囊化效率為最高值75%[15]。Lee等用聚甘油單硬脂酸酯為壁材，采用噴霧冷卻工藝，制備了L-抗壞血酸微膠囊[6]。在該研究中，壁材與蒸餾水的比例為1∶10（W/V）。隨著壁材/芯材比的增加，微膠囊中抗壞血酸的微膠囊化效率降低，但都在80%以上。Kim等以聚甘油單硬脂酸酯為壁材，采用噴霧冷卻工藝，按壁材與蒸餾水比例為5∶4，制備了β-半乳糖苷酶微膠囊，并研究了此微膠囊在模擬胃液和模擬腸液中的釋放特性。結(jié)果表明，當(dāng)壁材/芯材比為15∶1（W/W）時(shí)，微膠囊化效率達(dá)到最高值91.5%；當(dāng)壁材/芯材比為5∶1時(shí)，微膠囊化效率最低，為61.4%[16]。這些研究表明，微膠囊化的條件取決于壁材與芯材的比例、噴霧料液的黏度、壁材與芯材的種類以及微膠囊所應(yīng)用的食品體系。從表1中包埋率的數(shù)據(jù)來看，我們的研究結(jié)果與上述研究結(jié)果是一致的。

油溶性物質(zhì)的微膠囊化通常選擇水溶性的壁材，比較容易進(jìn)行微膠囊化處理。但是，對(duì)于水溶性的食品成分，要把其微膠囊化，使其在食品加工或貯藏過程中免受外界環(huán)境破壞，則比較困難。通常只能選擇食品級(jí)材料對(duì)其進(jìn)行包埋，使這些水溶性成分在食品體系中不泄露。對(duì)于水溶性物質(zhì)微膠囊化，最常用的方法是通過噴霧冷卻或噴霧冷凍。即先把水溶性成分分散在熔融的脂肪或蠟中，然后通過熱的噴嘴，在室溫（噴霧冷卻）或冷凍溫度（噴霧冷凍）下將分散液噴進(jìn)一容器中。如果容器在室溫下，那么包埋材料的熔點(diǎn)應(yīng)在45～122℃之間。如果容器被冷卻，那么包埋材料的熔點(diǎn)應(yīng)在32～42℃之間。這樣制備的微膠囊在水中是不溶的。如果食品的溫度升高到超過脂肪或蠟的熔點(diǎn)時(shí)，微膠囊中的芯材就會(huì)釋放出來。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)溫度控制釋放。如果在噴霧冷卻或噴霧冷凍過程中，不能很好地控制脂肪的結(jié)晶，就會(huì)產(chǎn)生不希望的釋放特性或粒子軟化[17]。

綜上所述，以聚甘油單硬脂酸酯為壁材，采用噴霧冷卻法，制備復(fù)合維生素微膠囊時(shí)，隨著壁材/芯材比的增加，維生素的包埋率增加而荷載量降低，比較合適的壁材/芯材比為10∶1（W/W）。

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