虾青素微胶囊化及其稳定性的研究进展

付力丹，刘頔，赵晓燕，*，毕玉平，王兴军

（1.济南大学酒店管理学院食品科学与营养系，山东济南250022；2.山东省农业科学院生物技术研究中心，山东济南250100）

虾青素微胶囊化及其稳定性的研究进展

付力丹1，刘頔1，赵晓燕1，*，毕玉平2，王兴军2

（1.济南大学酒店管理学院食品科学与营养系，山东济南250022；2.山东省农业科学院生物技术研究中心，山东济南250100）

天然虾青素作为一种新型的天然抗氧化剂，其抗氧化能力约为VE的550倍，在许多领域有着广阔的应用价值，如食品、医药等。因虾青素结构中存在较多共轭双键，故易受外界环境的影响而发生降解氧化。针对虾青素这一特性，主要探讨喷雾干燥过程中壁材及干燥温度等因素对虾青素微胶囊包埋效果的影响，并分析了虾青素微胶囊在贮存过程中对外界环境因素的耐受情况；同时对虾青素微胶囊现阶段在食品领域中的应用现状进行了总结，为日后虾青素产品的开发及广泛应用提供新思路。

虾青素；微胶囊；喷雾干燥；稳定性；应用

虾青素是类胡萝卜素的含氧衍生物之一，也是其合成的最高级别产物，属于酮式类胡萝卜素，抗氧化活性高出同类别的β-胡萝卜素10倍左右，是自然界中最具潜力的抗氧化色素。现有的临床试验表明，虾青素能够有效清除体内自由基，同时促进抗体的生成，提高动物体免疫力[1]，不仅可以抗炎抗癌[2]，防止紫外线辐射[3]，还可以预防心血管[4]、神经系统[5]等方面的疾病，在食品、保健品、医药等行业均具有可观的实用价值和应用前景。

国内外已有较多文献报道了虾青素的提取与纯化方法，部分已相当成熟，但由于虾青素自身的弱极性分子结构中含有较多共轭双键，导致其稳定性及水溶性较差，使得现阶段虾青素的市场可投放领域受到了限制[6]。为了解决上述问题，已有许多研究者开始尝试利用微胶囊技术对虾青素进行包埋处理。本文主要对影响虾青素微胶囊包埋效果的主要因素进行了总结和分析，为今后对虾青素在微胶囊领域的深入研究提供借鉴。

1 微胶囊技术

微胶囊技术是一种用来保护被包裹物料，并对其原有化学性质不产生影响的新技术。主要通过含有高

分子聚合物的囊壁将常温下性质不稳定的固体、液体或气体包埋封存，从而达到隔绝外界光、氧等因素的目的。

1936年，美国某公司首次利用石蜡作为壁材实现了鱼肝油的微胶囊化，自此微胶囊技术开始走入人们的视野。经过几十年的发展，喷雾干燥、界面聚合、离心锐孔等方法也被相继应用到微胶囊技术中。随着该技术的日趋成熟，其应用的领域也越来越广泛，如食品、医药、化工等。常见的微胶囊制备的方法及特征如表1所示。

表1 常见的微胶囊制备方法Tab le1 Preparationm ethodsofm icrocapsule

2 芯壁材对虾青素微胶囊包埋效果的影响

微胶囊包括芯材和壁材两个部分，在食品工业中，由于产品食用的安全性以及用途的特殊性，通常要求壁材必须选用安全性较高（即无味、无毒且不与芯材发生反应等）的物质[14]。

2.1 壁材成分配比对虾青素微胶囊包埋效果的影响

食品微胶囊中的壁材一般选用易溶于水且具有良好缓释性的天然高分子材料以及半合成高分子材料，如水溶性胶类、淀粉、蛋白类、糖类、纤维素类、脂类等[15]。常见的壁材及其特点总结如表2所示。

在实际应用中，由于单一壁材很难达到微胶囊理想的包埋状态，故生产中常利用两种或两种以上壁材混合后产生的协同效应对目的物进行包埋处理，例如黄原胶和瓜尔豆胶以一定比例混合后可增加体系黏度[20]，海藻糖或葡萄糖等小分子糖可与淀粉类等大分子壁材复配后起到补充包埋作用[21]。

表2 食品微胶囊中常见的壁材Table2 The classification of commonm icrocapsulewallmaterial in food industry

在关于虾青素微胶囊包埋的研究中，也有不少学者在尝试不同壁材的复配，以期达到虾青素的最佳包埋效果。Shen等[22]将酪蛋白酸钠分别与可溶性玉米纤维和乳清蛋白混合配比，对虾青素进行了微胶囊包埋实验，结果证实采用两种方案所制得的虾青素微胶囊品质优良且均取得90%以上的良好的收率。另外，Pu等[23]也分别采用不同成分的壁材包埋含有虾青素的油剂，并从中筛选出最佳的壁材复配方案，得到84.84%的较理想产率，但由于实验中部分胶囊表面残留少量芯材油剂，常温下贮存时易氧化酸败，影响产品品质。

2.2 壁材复配比例对虾青素微胶囊包埋效果的影响

最优的壁材复配比例能够在微胶囊包埋的过程中形成稳定的乳化液体系，为达到最佳的包埋效果提供有力保障。Yu等[24]曾在喷雾干燥微胶囊的实验中证实，复合壁材比例能够影响微胶囊体系中乳状液的黏稠度及稳定性，并与之呈一定线性关系。例如当麦芽糊精分别与明胶、大豆蛋白、酪蛋白酸盐复配时，乳化液体系的稳定性因受壁材比例大小的影响，随麦芽糊精与蛋白质比例的增加而降低。

因此有研究利用乳清蛋白、阿拉伯胶以及麦芽糊精等作为壁材，分别组合后对虾青素进行包埋处理，并探讨了不同壁材组合在不同梯度比例时虾青素微胶囊产率及效率的变化，最终确定当阿拉伯胶与乳清蛋白在比例为1∶3时包埋效果最佳[25]。

目前，针对虾青素微胶囊壁材种类的文献报道较多，但由于所选用的壁材性质不同，实验所得到的壁材复配比例也随成分的变化而略有差异。因此，筛选合适的壁材种类及比例对于虾青素的微胶囊包埋具有非常重要的意义。

2.3 芯壁材比对虾青素包埋效果的影响

在微胶囊包埋实验中，芯材与壁材的混合比例可以决定微胶囊囊壁的形成，影响产品质量，因而通常也作为实验筛选条件之一。胡婷婷等[26]在虾青素微胶囊包埋的实验中，对芯壁材比例进行了5个梯度的筛选，并发现在逐渐增加虾青素含量的过程中，测得微胶囊包埋率及产率的变化整体呈先增后降的趋势。有研究认为产生该现象的原因是由于喷雾干燥时微胶囊中芯材含量较少，体系黏度较大，造成微胶囊外壁形成速度较慢且易堆积过厚，所得产品包封率不高且品质不佳[27]；另外，Laohasongkram等[28]证实，若体系中芯材浓度过饱和，可能会造成由于壁材含量不足而难以包覆芯材的现象，使得囊壁厚度以及致密度受到影响。厚度降低易产生裂纹或发生破裂，致密度不高易导致芯材透过结构相对疏松的囊壁到达壁外，两种结果均可使包埋效果大打折扣。

3 喷雾干燥过程对虾青素微胶囊包埋效果的影响

一般来说，微胶囊化过程可大致分为制备含芯壁材的乳状液以及微胶囊的成膜处理两个部分。在喷雾干燥法中，微胶囊的成膜质量主要取决于均质雾化压力的大小和进出风温度的高低。

3.1 均质压力及均质次数对虾青素包埋效果的影响

均质压力影响雾化效果，雾化效果决定微胶囊反应面积。因此有研究认为，喷雾干燥实验中均质压力的大小与微胶囊包封率在一定范围内存在正相关关系[29]。黄文哲等[30]在对虾青素的包埋实验中也曾证实，在升高均质压力的过程中，虾青素的微胶囊效果也逐渐达到最佳，并在50MPa时得到最高的产率及效率，分别为98.08%和30.6%。其主要原因是由于在高压均质的过程中，伴随着均质压力的上升，雾化的乳液液滴能够得到进一步细化，反应面积相应增大，包埋更加均匀。同时，乳液的细化也有利于干燥时胶囊内水分的迅速蒸发，防止黏壁现象的发生[31]。

高压均质次数的增加可以提高乳化液的稳定性，但同时也能够导致体系温度升高，使分散在乳化液中的虾青素受热发生降解，影响微胶囊品质[27]。

3.2 进出风温度对虾青素微胶囊包埋效果的影响

在喷雾干燥过程中，进出风温度的高低往往对芯

材的保留率以及微胶囊囊壁的形成产生一定的影响。Raposo等[32]在虾青素微胶囊化的研究中证实，在出风温度相同的情况下，若降低进风温度，会导致微胶囊体系中滞留水分而发生粘壁现象，对囊壁的致密性产生影响。但若进风温度过高，不仅会使体系内分子运动加快，加速虾青素的降解，还可能使微胶囊囊壁表面出现裂纹或小凹坑，造成包埋效果不佳。

此外，出风温度的适当升高有助于微胶囊内水分的蒸发，加速微胶囊成型，提高芯材的保留率，反之亦然。黄立新等[33]认为，若出风温度过低，雾化后的液滴在高温后易提前形成壁壳，导致微胶囊颗粒内仍存在水分，在减速干燥阶段易积聚蒸汽，造成囊壁涨裂或水分含量过高而影响产品质量。另一方面，若出风温度过高，产品由于长时间受热易发生降解，而微胶囊颗粒在高温处理后亦不能及时形成壁壳，产生黏壁现象，影响产品品质。因此选择合适的进出风温度，可以使壁材尽快转变成玻璃态，从而减少芯材的损失，达到包埋的最佳效果[34]。

4 贮存条件对虾青素微胶囊稳定性的影响

微胶囊技术能够显著改善物质的稳定性，其应用对于延长产品的贮存时间具有非常重要的意义。

此前，已有研究证明色素微胶囊相对于其单体来说具有较优良的稳定性。例如韩宁等[35]在β-胡萝卜素晶体与其微胶囊的对比实验中，验证了在不同贮存环境（温度、氧气、光照、湿度）中两者的稳定性，结果显示β-胡萝卜素微胶囊的保留率在不同条件下均高于其晶体，表明微胶囊化可以改善β-胡萝卜素在不同环境下的降解情况。

虾青素与β-胡萝卜素性质相似，由于微胶囊壁材分子覆盖于虾青素颗粒表面，一定程度上避免了外界环境对其的影响。胡婷婷[36]将虾青素微胶囊以及虾青素晶体分别置于不同光照、温度以及氧气的条件下进行了为期28 d的贮存实验，并测定其保留率。结果表明，尽管二者在相同环境下均发生了降解，但前者的保留率均在70%以上，远高于后者。因此，以微胶囊技术包埋虾青素，能够显著减缓虾青素的降解，很大程度上的解决虾青素由于自身性质而无法得到有效开发的难题，对其在各个领域的发展起了十分重要的推动作用。

5 虾青素微胶囊在食品工业中的应用现状

随着对微胶囊研究的不断深入，越来越多的活性物质通过微胶囊技术实现了多领域应用，在满足市场需求的同时也丰富了产品种类。虾青素作为新兴的抗氧化剂，其微胶囊产品在食品行业中的应用也逐渐受到人们的广泛关注。

5.1 虾青素微胶囊与高级保健品

国外对于虾青素微胶囊产品的研究较早，应用也相对广泛。现阶段市场中虾青素的微胶囊产品以营养保健品居多，其产品定位主要集中在抗氧化、延缓衰老、降低血糖、提高免疫力、保护视网膜等方面。例如Eulara的美容胶囊、美国Aquasearch公司的抗血栓胶囊、日本Fancl的“虾青素30日”增强免疫力营养强化剂等微胶囊产品均含有虾青素成分。

除片剂以及胶囊类保健品外，利用虾青素微胶囊制得的保健饮品近年来也逐渐走入市场。很多国家已尝试将虾青素微胶囊用于成年人的发酵液体乳制品、未发酵液体乳制品、发酵豆制品和水果饮料中，在保健的同时也能够丰富虾青素的产品种类。

5.2 虾青素微胶囊与食品添加剂

虾青素微胶囊不仅可以作为营养补充剂应用于保健品中，还可以作为着色剂、抗氧化剂等食品添加剂，用以改善产品感官性状或保持食品的原有营养成分不受破坏。Bjerkeng等[37]在1995年时就曾证实，虾青素优越的抗氧化性对于鳟鱼片能够起到护色保质的作用。在日本，也有研究利用含有虾青素油剂的微胶囊，进行蔬菜、海藻以及水果的腌渍，结果均表明虾青素微胶囊在食品保鲜方面具有显著效果[38]。

此外，天然虾青素还具有良好的着色性。有研究发现，当虾青素微胶囊作为食品着色剂使用时，随着添加量的增加，其显色也由浅及深，呈现出不同的效果。现今已有很多不同类别的食品利用虾青素的这一特性对食品进行上色，如应用于人造奶油、冰淇淋、酸奶、果汁、糖果、蛋糕、面条、调味品等，既有良好的着色效果又有显著的保质作用[38]。

目前，国内利用微胶囊技术包埋色素来提高溶解性和稳定性的研究较多，如辣椒红素、番茄红素、玉米黄素等，部分色素的微胶囊产品已经投入市场并获得广泛认可。虽然近年来关于虾青素微胶囊化的系统性研究开始被重视，但由于受到技术成本以及市场的限制，虾青素在许多领域的应用仍旧空白，因此开发潜力巨大。随着虾青素的优良特性逐渐被人们所熟知，同时结合我国“药食同源”的传统理念，利用虾青素微胶囊开发功能性食品、化妆品等，将具有非常广阔的发展空间以及理想的应用前景。

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Research Progress on M icroencapsulation and Stability of Astaxanthin

FU Li-dan1，LIUDi1，ZHAOXiao-yan1，*，BIYu-ping2，WANGXing-jun2
（1.Departmentof Food Scienceand Nutrition，SchoolofHotelManagement，University of Jinan，Jinan 250022，Shandong，China；2.Biotechnology Research Centre，Shandong Academy ofAgriculturalSciences，Jinan 250100，Shandong，China）

Naturalastaxanthin isa novel powerful antioxidant，whose antioxidant capacity is 550 times higher than Vitamin E.Ithasbeen widely applied in food，pharmaceutical industry.The astaxanthin can be easily degraded by environmental conditionsbecause of itsunsaturated double bonds.This papermainly explored the effectofdifferentconditions in spray drying processon astaxanthinmicrocapsules，such aswallmaterialand drying temperatureetc.Italso analyzed the stability ofastaxanthinmicrocapsulesduring storage.At the same time，the development status of astaxanthinmicrocapsules in food field was summarized，in order to provide a new idea for thewidely exploitation and application ofastaxanthin product in the future.

astaxanthin；microencapsules；spray drying；stability；applications

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.23.046

2015-12-17

国家科技支撑计划课题（2012BAD33B00）；国家自然科学基金（21406133）

付力丹（1992—），女（汉），研究生，研究方向：天然产物与功能食品开发。

*通信作者：赵晓燕（1975—），女,副教授，硕士生导师，主要从事食品理论与加工应用及生物粉体技术研究。