原花青素乳液及其微胶囊制备技术研究

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(郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南郑州 450002)

原花青素乳液及其微胶囊制备技术研究

铁珊珊,刘梦培,纵伟*,张丽华,赵光远

(郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南郑州 450002)

以原花青素为芯材,用高压微射流技术结合喷雾干燥制备原花青素乳液及其微胶囊。采用高压微射流处理原花青素乳液,选取阿拉伯胶和β-环糊精作为壁材,以壁材中阿拉伯胶含量、乳化剂用量、总固形物含量、处理压力为影响因素,以乳液的Zeta电位为指标进行研究。在单因素的实验基础上,通过响应面优化分析可知最佳优化工艺为:阿拉伯胶含量为40%、总固形物含量为15%、处理压力为160 MPa。在最优条件下制备的乳液经喷雾干燥后,微胶囊的包埋产率为98.20%,包埋效率为88.60%。同时采用红外光谱进行表征,结果表明原花青素包埋前后某些色谱峰的峰强存在差异,需要进一步分析高压微射流处理对原花青素性质的影响。

原花青素,乳液,动态高压微射流,Zeta电位,微胶囊

原花青素是一类在植物界中广泛存在的多酚类物质[1-2],它具有很强的抗氧化能力,是目前国际上公认的清除人体内自由基最有效的天然抗氧化剂[3-4],具有保护心血管、预防高血压、抗肿瘤、抗辐射等作用[5]。因此,以原花青素为主要成分的药品、保健品、化妆品等在国内外具有广泛应用[6-7]。

近年来,国内外关于原花青素的研究相对较多,但很少有人对其乳液进行研究。动态高压微射流均质技术(Dynamic High Pressure Microfluidization,DHPM)是一种特殊形式的均质技术,主要利用高速压力、高频振动、瞬时压力下降、强烈的剪切、空穴爆炸力和短时间内(少于5 s)达到200 MPa超高压力等综合作用达到相应的目的[8-10]。Syamaladevi等研究发现高压均质处理会使红树莓乳液的粒径降低,乳液的稳定性提高[11];刘岩等研究发现高压微射流均质会改善花生分离蛋白的乳化特性[12]。

经均质形成的乳液具备足够好的稳定性,是制备微胶囊产品的必需条件[13],同时,乳液的乳化效果对微胶囊的包埋效率和产率具有重要影响。林传舟研究发现优化亚麻籽油多层乳液的制备工艺可以提高微胶囊的包埋效率和包埋产率[14];王晓霞研究发现优化冷榨芝麻油乳状液的乳化条件对微胶囊的制备具有重要的作用[15]。但关于原花青素乳液与微胶囊产品之间的关系鲜有报道。

因此本文采用DHPM对原花青素乳液进行处理,选择总固形物含量、阿拉伯胶含量、处理压力等因素进行实验,在单因素的实验基础上,以乳液的Zeta电位作为指标进行响应面实验,获得乳液的最优制备工艺,接着进行喷雾干燥,研究乳液的制备工艺与微胶囊产品之间的关系。

1 材料与仪器

1.1材料与试剂

葡萄籽提取物原花青素 批号:002-1608069-24,含量为98%,天津市尖峰天然产物研究开发有限公司;阿拉伯胶(gum arabic,GA)、卵磷脂、番茄红素、β-环糊精 国药集团有限公司。

FPG12800高压纳米均质机 安盛联合科技有限公司;Zetasizer Nano-ZS90激光粒度仪 马尔文仪器有限公司;DC-1500实验型喷雾干燥机 上海达程实验设备有限公司;Vertex70傅里叶变换红外光谱仪 美国Bruker公司。

1.2实验方法

1.2.1 乳液的制备 将一定量的原花青素溶于蒸馏水中,加入壁材GA和β-环糊精、乳化剂、番茄红素(质量分数为总固形物的1%),其中原花青素的添加量为壁材的40%,在常温下搅拌均匀,采用胶体磨处理三次,然后采用DHPM在160 MPa下处理一次,获得相应的乳液[16]。以乳液的Zeta电位作为评价指标[17],研究乳化剂用量、GA含量、总固形物含量和处理压力对乳液稳定性的影响。

1.2.2 乳液Zeta电位的测定 采用Nano-ZS90激光粒度仪测定乳液的Zeta电位,在测定界面菜单条上选择Measure-Manual,手动设定测量参数:温度25 ℃,平衡时间120 s,测量持续运行周期为20,测定3次。

1.2.3 单因素实验 采用1.2.1中的方法制备乳状液,固定反应条件为:壁材中GA含量为40%,总固形物含量为15%,处理压力为160 MPa,研究乳化剂用量(占总固形物的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)对乳液Zeta电位的影响;固定反应条件乳化剂用量为0.4%,总固形物含量为15%,处理压力为160 MPa,研究壁材中GA含量(20%、30%、40%、50%、60%、70%)对乳液Zeta电位的影响;固定反应条件乳化剂用量为0.4%,壁材中GA含量为40%,处理压力为160 MPa,研究总固形物含量(10%、15%、20%、25%、30%)对乳液Zeta电位的影响;固定反应条件乳化剂用量为0.4%,壁材中GA含量为40%,总固形物含量为15%,研究处理压力(80、120、160、200、240 MPa)对乳液Zeta电位的影响。每一实验处理重复3次,取平均值。

1.2.4 响应面法优化乳液的制备 在单因素实验的基础上,乳液中乳化剂用量固定为0.4%,根据Box-Behnken实验设计原理,以乳液的Zeta电位作为响应值,设计三因素三水平响应面分析实验,其因素与水平见表1。

表1 响应面实验因素与水平表Table 1 Factors and levels Table ofresponse surface methodology experiment

1.2.5 喷雾干燥 选择乳化效果好的乳液在进风温度为200 ℃,进料速度为45 mL/min的条件下进行喷雾干燥,获得原花青素微胶囊产品。

1.2.6 微胶囊化效果 采用正丁醇-盐酸法测定原花青素微胶囊的包埋产率和效率[18],原花青素的标准曲线y=0.4359x+0.0198(R2=0.9967),线性范围为0.2～1.4 mg/mL。

包埋产率(%)=产品中原花青素含量/加入的原花青素量×100

包埋效率(%)=(1-微胶囊表面原花青素含量/产品中总原花青素量)×100

产品表面原花青素含量的测定:称取0.01 g样品加入9 mL的无水乙醇,溶解5 min后过滤至50 mL的容量瓶中,加入5 mL的蒸馏水,用无水乙醇定容。取0.5 mL溶液置于具塞试管内,然后加入正丁醇-盐酸溶液,封口,90 ℃下水浴2 h,在546 nm处测定吸光值。

产品中原花青素含量的测定:称取0.01 g样品加入9 mL的无水乙醇,超声溶解5 min后置于50 mL的容量瓶中,加入5 mL的蒸馏水,用无水乙醇定容。其他测定方法同上。

1.2.7 原花青素微胶囊产品的红外光谱分析 固体样品的透射红外采用KBr压片,使样品均匀地分散在KBr压片中,检测器为DTGS,分辨率为4 cm-1,扫描次数为64次,波数范围为4000～500 cm-1[19]。

1.3数据处理

采用Design-Expert 8.0.6 Trial、SPSS、Origin 8.5软件处理实验数据,结果采用平均值±标准差表示,差异显著性水平为p<0.05。

2 结果与讨论

2.1单因素实验

2.1.1 乳化剂用量对乳液Zeta电位的影响 乳化剂用量对乳液乳化效果的影响见图1。Zeta电位的研究可用于分析乳液在其所应用的环境中是否维持稳定[20]。从图1可知,Zeta电位的范围在-12.2～-12.9 mV之间,当乳化剂用量为0.4%时,乳液的Zeta电位绝对值最大。不同乳化剂用量的Zeta电位之间不存在显著差异(p<0.05),说明乳化剂用量对乳液的乳化效果影响不大,该结果与王忠合等人关于乳化剂用量对乳液稳定性的影响研究一致[21]。因此,根据乳化剂用量对Zeta电位的影响,乳液最佳配比中乳化剂的添加量为0.4%。

图1 乳化剂用量对乳液Zeta电位的影响Fig.1 The effect of emulsifier contenton Zeta potential of emulsion注:图中小写字母不同表示数据之间存在显著性差异(p<0.05),图2～图4字母与此图代表意义相同。

2.1.2 GA含量对乳液Zeta电位的影响 壁材中GA含量对乳液乳化效果的影响见图2。由图2可知,GA含量不同对乳液的Zeta电位具有显著影响(p<0.05)。当GA含量为20%时,乳液的Zeta电位为-10.93 mV,随着GA含量增加,当GA含量为40%时,Zeta电位(-12.2 mV)的绝对值最大,与其它样品相比存在显著差异(p<0.05),当GA含量大于40%时,乳液的Zeta电位绝对值逐渐降低。随着GA含量增加,乳液稳定性提高可能是由于GA具有良好的成膜性,可以提高乳液的乳化效果。但当GA含量超过40%后,乳液稳定性降低,可能是由于GA含量过多,导致其粘度相对较高,从而导致Zeta电位的绝对值降低[22]。张芬芬等研究发现Zeta电位的绝对值越大,乳液稳定性越好[23]。因此,综合GA含量对乳液Zeta电位的影响,选定GA含量为30%、40%、50%进行响应面优化实验。

图2 GA含量对原花青素乳液Zeta电位的影响Fig.2 The effect of gum arabic contenton Zeta potential of emulsion

2.1.3 总固形物含量对乳液Zeta电位的影响 总固形物含量对乳液稳定性的影响如图3所示。由图3可知,随着总固形物的含量越高,乳液的Zeta电位绝对值呈现先增加后下降的趋势,当总固形物含量为15%时,乳液的Zeta电位(-13.47 mV)绝对值最大,乳液的稳定性最好。说明乳液中固形物含量越高乳液稳定性越好,但浓度过大时反而会使稳定性降低[24]。因此,综合总固形物含量对乳液Zeta电位的影响,选定总固形物含量10%、15%、20%进行响应面优化实验。

图3 总固形物含量对原花青素乳液Zeta电位的影响Fig.3 The effect of total solids contenton Zeta potential of emulsion

2.1.4 处理压力对乳液Zeta电位的影响 处理压力对乳液乳化效果的影响见图4。如图4所示,处理压力对乳液的Zeta电位具有显著影响,随着均质压力增大,Zeta电位呈现先增加后下降的趋势,处理压力为160 MPa下获得的乳液Zeta电位(-12.13 mV)绝对值相对较高。可能是由于随着均质压力的增加,乳液形成的液滴体积越小,大小越均匀,随后均质压力过高,液滴过小,表面能过大,乳液的Zeta电位绝对值下降,乳液的稳定性也降低[25]。因此,综合处理压力对乳液Zeta电位的影响,选定处理压力120、160、200 MPa进行响应面优化实验。

图4 处理压力对乳液Zeta电位的影响Fig.4 The effect of treating pressureon Zeta potential of emulsion

2.2响应面实验

2.2.1 响应面实验设计方案及结果 在单因素实验的基础上,固定乳化剂用量为0.4%,以GA含量、总固形物含量、处理压力为自变量,以粒径作为响应值,采用Box-Behnken设计进行响应面实验,取单因素实验中Zeta电位绝对值大的作为因素水平,实验结果见表2。

表2 响应面实验设计方案及结果Table 2 Design and correspondingresults of response surface experiment

2.2.2 回归方程的建立与分析 采用Design-Expert 8.0.6软件对表2中的实验数据进行回归拟合,得到Zeta电位与三个因素之间的多项回归模型:Y=-12.46+0.16A+1.98B-0.070C-0.29AB+0.24AC-0.57BC+0.84A2+1.43B2+1.04C2,对模型进行方差分析,结果见表3。

由表3可知,该模型的F值为36.07,p<0.0001,说明所建立的回归模型极显著。一次项A和C对乳液的电位均无影响,而B对乳液的Zeta电位有极显著影响。实验中三因素对Zeta电位的影响顺序为B(总固形物含量)>A(GA含量)>C(处理压力)。交互项AB、AC对乳液的电位无显著影响,BC对乳液的电位有显著影响。

表3 回归方程模型方差分析及其系数的显著性检验Table 3 Analysis variance for the fitted quadratic model of Zeta potential and significance test of its regression coefficients

注:*表示差异显著,p<0.05;**表示差异极显著,p<0.01。

根据回归模型的分析结果可知,Zeta电位的模型失拟项p值为0.4338,不显著,说明该模型的拟合度良好。变异系数为3.65%,变异系数反映了模型的置信度,数值越低模型的置信度越高[26],说明该模型能较好地反映真实值,因此,可以利用该模型分析和预测乳液最优乳化效果。

2.2.3 响应面分析 利用Design-Expert 8.0.6绘制3D曲面图,考察所拟合的响应面形状,分析GA含量、总固形物含量、处理压力对乳液Zeta电位的影响,其3D曲面见图5。

图5 各因素交互作用对Zeta电位影响的响应面Fig. 5 Response surface plots for Zeta potentialas a function of three processing parameters

图6 原花青素及微胶囊的红外光谱图Fig.6 The FT-IR spectra ofprocyanidins and microencapsulation

通过响应面实验优化分析,得知GA含量为40%、总固形物含量为15%、处理压力为160 MPa时,Zeta电位的绝对值最大,乳液状态最为稳定。

2.2.4 验证实验结果 在最优条件下,Zeta电位的预测值为-12.46 mV,为验证响应面法优化实验结果的可靠性,在响应面优化的最佳条件下重新测定乳液的电位,所得Zeta电位真实值为(-12.13±0.12) mV,预测值与实际测量值吻合度为97.80%。说明响应值的实验值与回归方程预测值吻合良好。

2.3微胶囊的包埋效果

用GA含量为40%、总固形物含量为15%、处理压力为160 MPa处理条件下获得的乳液进行喷雾干燥,包埋产率为98.20%±0.7%,包埋效率为88.60%±0.3%。

2.4微胶囊产品的红外光谱分析

图6为原花青素包埋前后的红外光谱图,3308 cm-1处存在较宽的吸收峰为原花青素中羟基的伸缩振动。2913 cm-1处为苯环的C-H伸缩振动,1603、1519、1450 cm-1处是苯环的骨架C=C的特征振动吸收峰。1284、1207 cm-1处是酚羟基伸缩振动及面内弯曲振动,1151 cm-1处是C环中的C-H伸缩振动,1101、1047 cm-1处是原花青素分子中C-C的伸缩振动。当苯环上有3个相邻的H存在时,指纹区800～750 cm-1出现较强的吸收峰,818、771 cm-1出现,可能是由于原花青素C2、C3、C4结构中3个相邻H产生的[27]。

比较原花青素微胶囊前后的红外图谱,主要有两点不同。第一,包埋后原花青素在3308、1101、1047 cm-1这些色谱峰的峰强均高于包埋前原花青素,可能是与原花青素微胶囊前后的物质含量有关[28],也有可能是由于高压微射流处理会影响原花青素的平均聚合度,经高压处理后,原花青素的平均聚合度降低,导致微胶囊中的原花青素某些色谱峰的峰强增加[29],具体影响机制需进一步分析。第二,包埋前原花青素在1603～1174 cm-1之间具有许多尖强的色谱峰,而微胶囊图谱中大部分色谱峰仍存在但峰强变弱,可能是由于原花青素被基本包埋在微胶囊中所致。

3 结论

通过单因素及响应面优化分析可知,采用GA和β-环糊精作为壁材,壁材中GA含量为40%、乳化剂用量为0.4%、总固形物含量为15%、处理压力为160 MPa的处理条件下获得的乳液Zeta电位绝对值最大,乳液状态较为稳定。乳液经喷雾干燥后,微胶囊包埋产率为98.20%,包埋效率为88.60%。通过红外光谱分析可知,原花青素包埋前后某些色谱峰的峰强存在差异,需要进一步研究高压微射流处理对原花青素性质的影响。

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Studyonthepreparationtechnologyofemulsionandmicroencapsulationofprocyanidins

TIEShan-shan,LIUMeng-pei,ZONGWei*,ZHANGLi-hua,ZHAOGuang-yuan

(School of Food and Bioengineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)

The dynamic high pressure microfluidization(DHPM)and spray-drying method were applied to prepare emulsion and microencapsulation of procyanidins. The DHPM technology was chosed to deal with procyanidins emulsion,using gum arabic andβ-cyclodextrin as wall material,the independent variables were gum arabic content,the total solids content,dosage of emulsifying agent and treating pressure,the response was Zeta potential of emulsion. The single factor and response surface analysis results showed that the optimum process conditions were that gum arabic content was 40%,total solids content was 15% and treating pressure was 160 MPa. The capsulation productivity was 98.20% and its efficiency was 88.60% after spray-drying. Furthermore,Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FI-IR)was used to characterize procyanidins and microencapsulation,results showed that peak intensities of some chromatographic peaks were different,which need further analysis the effect of DHPM technology on the essentials of procyanidins.

procyanidins;emulsion;dynamic high pressure microfluidization;Zeta potential;microencapsulation

TS201.4

B

1002-0306(2017)19-0208-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.19.038

2017-04-14

铁珊珊(1991-)，女，在读研究生，研究方向：果蔬加工，E-mail:zasd0232@163.com。

*通讯作者:纵伟(1965-)，男，博士，教授，研究方向：果蔬加工，E-mail:Zongwei1965@126.com。

河南省科技创新杰出人才计划(174200510002)；河南省高校科技创新项目(16IRTSHN010)。