复乳化（W/O/W）-复凝聚-喷雾干燥法制备维生素B1微胶囊的研究

赵 阳，谢岩黎

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

复乳化（W/O/W）-复凝聚-喷雾干燥法制备维生素B1微胶囊的研究

赵 阳，谢岩黎*

（河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001）

水溶性芯材包埋的方法复杂，包埋率较低。以明胶和阿拉伯胶为壁材，谷氨酰胺转氨酶作为封端基剂，采用复乳化（W/O/W）-复凝聚-喷雾干燥法制备维生素B1微胶囊。研究结果表明：维生素B1微胶囊外观呈球形，有典型凹陷，表面完整，囊壁的结构对芯材有良好的保护作用；红外图谱显示无新的化学键形成，表明明胶、阿拉伯胶是通过静电相互作用形成胶囊；玻璃化转变温度为50.77℃，在室温25℃时贮藏性质较稳定；D50粒径是8.83 μm；微胶囊产品的包埋率为91.84%，复乳化（W/O/W）-复凝聚-喷雾干燥法能用于水溶性芯材的包埋。

维生素B1；微胶囊；复凝聚法；明胶；阿拉伯胶

网络出版时间：2017-4-20 14:09:17

0 引言

维生素B1又名硫胺素，作为人体内一种重要的辅酶，参与体内糖、蛋白质和脂肪等多种基本物质的代谢[1]。硫胺素是一种易降解的维生素，在酸性条件下，对热和光比较稳定，在中性和碱性条件下很不稳定。

始于20世纪30年代的微胶囊技术[2]是一种利用天然或合成的高分子材料，将分散的固体、液体甚至是气体物质包裹起来，形成具有半透性或密封囊膜的微型胶囊的技术。复凝聚法是微胶囊技术的方法之一，通过诱导修改两种带相反电荷的聚电解质的去溶剂化过程[3]，由凝聚产生的微胶囊具有良好的缓释性能和耐热性能[4]，壁材结构致密可以隔绝热和光，从而对易降解的维生素B1起到很好的保护作用。本试验以维生素B1作为芯材，采用复乳化[5－6]（W/O/W）-复凝聚-喷雾干燥法[7]研究营养素的微胶囊化，对水溶性维生素微胶囊化在食品中的应用具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

维生素B1（食品级）：郑州明瑞化工产品有限公司；玉米油（食品级）：香港粮油（秦皇岛）工业有限公司；明胶（食品级）：杭州群利明胶化工有限公司；阿拉伯胶（食品级）：苏丹巨人阿拉伯胶树胶公司；谷氨酰胺转氨酶（食品级100 U/g）：泰兴市东圣食品科技有限公司；芥酸蔗糖酯（ER-290）：日本三菱化学食品株式会社。

1.2 仪器与设备

TM2000小型喷雾干燥塔：德国GEA尼鲁公司；BT-9300H激光颗度分布仪：丹东市百特仪器有限公司；E-6000A旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；Quanta200环境扫描电镜：美国FEI公司；Q20差示扫描量热仪：美国TA公司；WQF-510红外图谱分析仪：北京瑞利分析仪器公司；752型紫外可见分光光度计：上海美谱达仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 微胶囊的制备[8]

将2 g的维生素B1溶解在40 mL水中，倒入80 mL玉米油中，加入芥酸蔗糖酯（ER-290）[9]，高速乳化剪切（30 000 r/min，2～3 min）制得初乳。分别配制质量分数为1%的明胶和阿拉伯胶溶液，两者按1∶1比例混匀。将初乳（芯材∶壁材=1∶2）加到明胶和阿拉伯胶的混合溶液，乳化（10 000 r/min，3 min）制得复乳。40℃水浴，加入10%的醋酸溶液至pH=4.0。将微胶囊悬浮液置于冰浴中，冷却至15℃以下，谷氨酰胺（15 U/g明胶）作为硬化壁材，低速搅拌1 h，微胶囊固化，pH值调整到6.0，得到微胶囊分散液。对微胶囊悬浮液进行喷雾干燥即可获得干微胶囊。

1.3.2 微胶囊粒径的测定

取初乳于烧杯中，以一定的比例加入无水乙醇溶液，用吸管取一滴于载玻片上，待晾干后放在显微镜下观察，记录数据和拍照。取复乳于烧杯中，以一定的比例加入蒸馏水，同上。取少量微胶囊于烧杯中以一定的比例加入无水乙醇，同上。

1.3.3 扫描电子显微镜（SEM）观察微胶囊的超微结构

在样品台上贴上一层双面胶，将微胶囊粉末轻轻撒在上面并吹去多余的粉末，然后在样品上喷金供SEM观察，加速电压为10 kV，观察时间应尽可能短，以避免电子束长时间照射引起电子损伤。

1.3.4 微胶囊的傅里叶红外图谱扫描

将分析的明胶、阿拉伯胶和微胶囊置于烘箱内，在105℃下干燥4 h，直至样品的质量不变，保存在干燥器中。称取干燥的溴化钾晶体置于玛瑙研钵中进行研磨，直到晶体变为粉末，再加少量样品，继续研磨达到充分混合。研磨后的混合物粉末灌注于压膜器中压片，随后将透明薄片小心取出，放入样品架上进行红外扫描，波数的范围在400～4 000 cm-1之间。

1.3.5 微胶囊产品的 DSC分析

称取少量样品加到DSC样品盒中，以空白为参照，以5℃/min的速率从20℃加热至100℃，记录加热过程中的热量扫描曲线。

1.3.6 微胶囊产品包埋率的测定

微胶囊营养素总含量的测定[10]：精确称取微胶囊约200 mg，加入去离子水，进行搅拌，研磨几分钟，再用乳化机使颗粒完全溶解破碎，等到微胶囊内部芯材完全释放出来，形成乳状液，精确采用过滤漏斗将杂质分离出来，离心，合并离心液，测定吸光度。

微胶囊表面营养素含量的测定：精确称取微胶囊约200 mg，用20 mL乙醚振荡萃取，重复3次，将所有滤液合并，精确采用分液漏斗将芯材萃取出来，用0.1 moL/L的盐酸溶液溶解并稀释定容，测定吸光度。

包埋率（%）=（1-微胶囊表面营养素的量/微胶囊总营养素的量）×100%。

2 结果与分析

2.1 维生素B1初乳和复乳的显微镜照片

图1（a）为维生素B1初乳在显微镜下放大40倍的照片，图1（b）为维生素B1复乳放大40倍的照片，在显微镜下，初乳、复乳颗粒都比较饱满，乳状液分布都较均匀，外观比较圆滑，且分散度较好，但大部分复乳中包含有多个初乳颗粒，由照片可以看出，复乳的粒径明显比初乳的粒径大，显示出明显的水包油包水的结构，而小部分复乳只有单层结构，只包含有单个初乳颗粒。

图1 初乳、复乳的显微镜照片Fig.1 The microscope photos of initial emulsion and multiple emulsion

2.2 微胶囊产品的粒径分布

图2 初乳、复乳和微胶囊粒径分布比较Fig.2 Comparison of particle size distribution of initial emulsion,multiple emulsion and microencapsule

粒径分布是判断粒径大小的重要因素，对粒径分布而言，D50是关于粒径分布的重要数值，它表示粒度分布比例达到50%时所对应的粒径的大小。图2可以看出同一水平下初乳、复乳和微胶囊的D50分别为10.65 μm、10.85 μm和8.83 μm，复乳的粒径分布最大。长径比和圆形度是表示颗粒表观形态的两个变量，长径比越接近于1，颗粒越接近于球体。可知，微胶囊的长径比和圆形度更接近于1，更接近于球体。在pH为4.0、明胶和阿拉伯胶的质量分数分别为1%、维生素B1溶液∶玉米油=1∶2、初乳∶壁材=1∶2、谷氨酰胺转氨酶作为封端基剂的条件下，形成水包油包水的结构，制得维生素B1微胶囊，微胶囊的包埋率为91.84%，说明复凝聚法制备微胶囊具有很高的包埋率，壁材能有效地将维生素B1包埋其中。

2.3 微胶囊产品的扫描电镜形态

图3显示，喷雾干燥的产品具有较好的单一性和完整性，表面有典型褶皱，但外观依然呈现球形，表示壁材对芯材的包裹完整。喷雾干燥制得的微胶囊表面凹陷明显，这与喷雾干燥过程中的雾化过程有关。在喷雾干燥过程中，在高速率的喷雾条件下，壁材的固化先于热气流造成的微胶囊膨胀，壁材的皱缩造成凹陷的形成[11]；也可能是由于在喷雾干燥时形成的小液滴，与热空气进行热交换时，液滴水被蒸发对壁材层产生一定的冲击力，而当水分大量蒸发形成微胶囊后，壁材层出现不均衡的回复，导致了这一现象。

图3 不同倍数的微胶囊扫描电镜图Fig.3 Electron microscope scanning of microencapsule with different multiples

2.4 微胶囊的傅里叶红外图谱分析

图4为明胶、阿拉伯胶和维生素B1的红外光谱以及复合凝聚物固化后的红外光谱比较。4种样品的红外扫描图谱在 3 300～3 600 cm-1波长之间，明胶、阿拉伯胶、维生素B1的红外图谱都出现了极强的宽峰，这是—OH的吸收峰，因为这3种原料中都含有较多的羟基，在得到的微胶囊产品中也同样在这个位置出现宽峰。在 1 645 cm-1处，明胶、阿拉伯胶的红外图谱中都出现特征峰，这是C＝C的伸缩振动峰，微胶囊产品也出现了较强吸收峰。

由维生素 B1的红外图谱可以看出在 1 350 cm-1处有极强的振动峰，这是 C—N键（芳基碳）的伸缩振动强度较大所致，而在微胶囊产品红外图谱中，此波数处并没有明显的伸缩振动现象；在复合凝聚物的红外光谱上未发现存在于明胶、阿拉伯胶和维生素B1之外的特殊峰值，这说明了没有新的化学键生成，它只是电荷相互吸引正、负离子的络合物。

图4 红外光谱比较Fig 4 Infrared spectrometer of gelatin,gum Arabic, vitamin B1and microcapsule

2.5 微胶囊产品的DSC分析

微胶囊是由芯材和壁材这两部分组成的，所以芯材和壁材的理化性质会因为温度受到影响，相对应的微胶囊的品质以及性质也会出现问题。

DSC可以用来测定食品的玻璃化转变温度（Tg），玻璃化转变温度的大小，对食品的安全性、稳定性和贮藏特性具有重要的影响。利用玻璃化转变温度的大小，可以判断产品稳定性。一般来说，产品的玻璃化转变温度越高，产品也就越稳定。当样品所处的外界环境的温度低于Tg时，分子运动能量低，分子链段大部分处于“冻结”状态，运动状态几乎为0，而且体系黏度非常高（1 010～1 014 Pa·s），分子的扩散速率很小，体系是处在相对稳定的状态。相反，当样品所处的外界环境高于Tg时，样品变为橡胶态，黏度大幅度降低，分子扩散运动导致变化反应速率加快[12]。

由图5维生素B1微胶囊产品DSC扫描图谱可以看出，微胶囊产品的玻璃化转变温度为50.77℃，高于常温贮存温度，微胶囊壁材的物理和化学变化较小。因此，微胶囊在常温下贮存处于玻璃态，有利于芯材物质的保存，性质比较稳定。

图5 微胶囊产品的玻璃化转变温度Fig 5 The glass transition temperature of microcapsule products

3 结论

（1）维生素B1初乳和复乳颗粒饱满，分散度好，大部分复乳中包含有单个或多个初乳颗粒，显示明显的水包油包水的结构；同一水平下初乳、复乳和微胶囊的D50分别为10.65 μm、10.85 μm和8.83 μm，复乳的粒径分布最大；微胶囊的包埋率为91.84%，壁材能有效地将维生素B1包埋其中。

（2）微胶囊产品具有较好的单一性和完整性，表面有典型褶皱，但外观依然呈现球形，表示壁材对芯材的包裹完整。

（3）在复合凝聚物的红外光谱上未发现存在于明胶、阿拉伯胶和维生素B1之外的特殊峰值，说明没有新的化学键生成。微胶囊产品的玻璃化转变温度为50.77℃，因此，微胶囊产品在常温下处于玻璃态，性质稳定。

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MICROENCAPSULATION OF VITAMIN B1BY MULTIPLE EMULSIONCOMPLEX COACERVATION-SPRAY DRYING

ZHAO Yang，XIE Yanli
（School of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

The methods of embedding water-soluble core materials are complex and embedding rate is low.The vitamin B1microcapsule was prepared by multiple emulsion（W/O/W）-complex coacervation-spray drying while gelatin and gum Arabic as wall materials and transglutaminase as cross-linking agent.The results showed that the appearance of vitamin B1microcapsule was spherical，with typical depression，integrity surface，and the structure of the capsule wall had a good protective effect on the core material；Comparison of infrared spectrum of gelatin，gum Arabic，vitamin B1and microcapsule showed that there was no new chemical bond formation，which indicating that gelatin/gum Arabic capsule was formed by electrostatic interaction;the glass transition temperature was 50.77℃，and the storage property was stable at room temperature of 25℃；the D50range of grain diameter was 8.83 μm；the embedding rate of microcapsule products was 91.84%.It was concluded that the method of multiple emulsion（W/O/W）-complex coacervation-spray drying could be applied in the embedding of water-soluble core material.

vitamin B1；micro-encapsulation；complex coacervation；gelatin；gum Arabic

TS201.1

B

1673-2383(2017)02-0040-04

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170420.1409.014.html

2016-06-22

“十二五”国家科技支撑计划课题（2014BAD04B10）

赵阳（1991—），女，河南漯河人，硕士研究生，研究方向为食品营养与安全。

*通信作者