莲固体废弃物中多酚类物质的喷雾干燥微胶囊化研究

颜 征,张海晖,李亚群,段玉清,*,张 迪,陆玉洪,孙冀平

(1.江苏大学食品与生物工程学院,江苏镇江 212013;2.江苏怡味莲朗伯食品有限公司,江苏宝应 225800)

莲为睡莲科水生草本植物,我国莲资源充足,莲非可食部分往往被丢弃,而未被充分利用[1]。莲固体废弃物(莲房、莲子壳、藕皮、藕节)富含多酚类物质[2-5]。植物多酚具有抗氧化、抗菌、降血脂、抗肿瘤和清除自由基等生物活性[6-9],在食品和医药卫生领域具有广阔的应用前景。但是多酚中富含活泼羟基基团,对光照、氧气和温度等极其敏感,易发生氧化、聚合、缩合等反应,从而失去活性,还可能导致食品发生褐变。因此,增强多酚的稳定性,对于多酚开发应用尤为重要[10]。

为保护多酚类物质活性成分免受破坏,增强其稳定性,常采用微纳米载体、可食用膜包裹、硬胶囊、微胶囊和软胶囊等技术将其包裹起来,与外界隔绝以增强其稳定性,其中,微胶囊作为一种新型包埋技术,具有包埋率好、生物利用度高、操作简单、成本低和环境友好等优点[11-13],已被应用于多酚类、多糖类、皂甙类大分子化合物的包埋。Aysu等[14]研究了葡萄多酚微胶囊的制备和性质;Wang等[15]研究了茶多酚微胶囊的特征和贮藏性质;韩路等[16]采用复凝聚法制备苹果多酚微胶囊。

目前,微胶囊制备方法有真空冷冻干燥法、凝聚法、粉床法、喷雾干燥法和挤压法等。其中,喷雾干燥具有干燥时间短、干燥温度相对较低的优点[17],干燥过程中可以保持多酚的生物活性;与其他方法相比,喷雾干燥成本低、工艺简单、所得产品颗粒细微均匀,又是一种纯物理的微胶囊加工技术[18-21],因此,适用于莲固体废弃物多酚类物质的微胶囊化。

基于以上,本实验采用亚临界水萃取莲固体废弃物多酚,经AB-8大孔树脂分离/富集后,得到多酚类物质。以该多酚的原料,优化出莲固体废弃物多酚微胶囊最佳壁材配方,在此基础上,优选出多酚类物质微胶囊喷雾干燥的最佳工艺参数为多酚的微胶囊化提供理论依据,为莲固体废弃物多酚类物质产品开发提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

莲固体废弃物(莲房、莲子壳、藕节和藕皮) 江苏大学农贸市场;AB-8大孔树脂 沧州宝恩吸附材料科技有限公司;阿拉伯胶 分析纯,上海国药化学试剂有限公司;β-环状糊精 分析纯,上海国药化学试剂有限公司;单甘酯 分析纯,上海国药化学试剂有限公司;乙醇 分析纯,上海国药化学试剂有限公司。

QZR-5型移动式高速离心喷雾干燥机 江苏省无锡市林洲干燥机制造厂;SGH型亚临界水反应釜 镇江丹徒环球机电配件厂;ALPHAI-4/2-4型冷冻干燥机 德国CHRIST公司;DL-5C型离心机 上海安亭科学仪器厂;DHG-9015A型电热鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司;JA2003型分析天平 北京赛多利斯科学仪器有限公司;SHZ-D(III)型循环水真空泵 上海锦赋实验仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 莲固体废弃物多酚的制备 莲固体废弃物烘干后粉碎,过100目筛。按水料比30∶1 (mL/g)加入萃取釜中,加入溶剂量1‰的NaHSO3作为保护剂,控制萃取温度160 ℃下萃取15 min。将萃取液经4000 r/min离心8 min,得到多酚粗提液,粗提液过AB-8大孔吸附树脂柱分离/富集(上样量为4 BV,流速2 mL/min),用5 BV的70%乙醇洗脱(流速2 mL/min),收集洗脱液,45 ℃下减压浓缩,将浓缩液真空冷冻干燥,即为多酚粉末。

1.2.2 莲固体废弃物多酚微胶囊的制备过程 首先将阿拉伯胶和β-环状糊精按一定的的质量比溶解于50～60 ℃蒸馏水中,然后加入单甘酯制作壁材;然后按照一定的芯壁比称取多酚样品用少量无水乙醇溶解,将多酚溶液在不断搅拌的情况下缓慢加入到壁材溶液中,溶解完全后形成悬浮液,用高速分散器促进乳化,经喷雾干燥设备干燥,得到多酚微胶囊产品。

1.2.3 莲固体废弃物多酚微胶囊壁材配比优化

1.2.3.1 壁材配比对包埋率的影响 本研究选用阿拉伯胶和β-环状糊精为壁材,固定芯材与壁材组合配比为1∶3 (W∶W),单甘酯添加量为0.1%,喷雾干燥条件为进料固形物含量20%,进风温度180 ℃,进料速度300 mL/h,出风温度为80 ℃,按照阿拉伯胶与β-环糊精配比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1对多酚进行微胶囊化,通过测定包埋率优选出阿拉伯胶与β-环糊精的最佳配比。

1.2.3.2 芯壁比对包埋率的影响 固定阿拉伯胶和β-环状糊精配比为3∶1,单甘酯添加量为0.1%,喷雾干燥条件为进料固形物含量20%,进风温度180 ℃,进料速度300 mL/h,出风温度为80 ℃,按照芯材与壁材配比为1∶1、1∶3、1∶5、1∶7、1∶9对多酚进行微胶囊化,通过测定包埋率优选出芯材与壁材的最佳配比。

1.2.3.3 单甘酯用量对包埋率的影响 固定阿拉伯胶和β-环状糊精配比为3∶1,芯材与壁材的组合配比为1∶5,分别在单甘酯用量为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%时对多酚进行微胶囊化,喷雾干燥条件为进料固形物含量20%,进风温度180 ℃,进料速度300 mL/h,出风温度为80 ℃,通过测定包埋率,确定单甘酯适宜用量。

包埋率(%)=(1-微胶囊表面的芯材质量)/微胶囊的总芯材质量×100

1.2.4 微胶囊壁材配比正交实验设计 在单因素实验基础上,选取壁材比-阿拉伯胶和β-环状糊精配比、芯壁比-芯材与壁材配比、单甘酯用量3个因素,每个因素取三个水平,按正交表L9(34)进行实验,以微胶囊包埋率为指标(见表1),优化微胶囊化壁材最佳配比。

表1 微胶囊壁材配比优化实验因素水平表

1.2.5 多酚微胶囊喷雾干燥工艺优化

1.2.5.1 进料固形物含量对包埋率的影响 进风温度180 ℃,出风温度80 ℃,进料速度300 mL/h,分别在进料固形物含量为5%、10%、15%、20%、25%时对多酚微胶囊处理,考察进料固形物含量对多酚微胶囊包埋率的影响。

1.2.5.2 进料流量对微胶囊化效率的影响 进风温度180 ℃,出风温度80 ℃,进料固形物含量20%,分别在进料速度为100、200、300、400、500 mL/h时对多酚微胶囊处理,考察进料速度对莲多酚微胶囊包埋率的影响。

1.2.5.3 进风温度对包埋率的影响 进料固形物含量20%,进料速度300 mL/h,出风温度80 ℃,分别在进风温度为170、180、190、200、210 ℃时对多酚微胶囊处理,考察进风温度对莲多酚微胶囊包埋率的影响。

1.2.5.1 出风温度对包埋率的影响 进料固形物含量20%,进料速度300 mL/h,进风温度为180 ℃,分别在出风温度为70、75、80、85、90 ℃时对多酚微胶囊处理,考察进风温度对多酚微胶囊包埋率的影响。

1.2.6 多酚微胶囊喷雾干燥响应面实验设计 在单因素结果的基础上,依照Box-Behnken 中心组合实验设计原理,选进料固形物含量、进料速度、进风温度3个因素为自变量,多酚微胶囊包埋率为响应值,设计响应面分析实验(表2),并优化多酚喷雾干燥微胶囊技术参数和工艺。

表2 Box-Behnken实验设计因素水平表

1.3 数据处理

每组实验平行三次,通过正交设计助手V3.1和Design Expert 7.05 软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 莲固体废弃物多酚微胶囊壁材配比优化实验结果

2.1.1 壁材配比对包埋率的影响 阿拉伯胶和β-环状糊精是常用的壁材,阿拉伯胶成膜性和乳化稳定性较好,β-环状糊精由于具有环内疏水、环外亲水的特性,能将多酚包合,减少多酚的氧化,钝化多酚的光敏性和热敏性[22]。结果如图1所示,随着壁材配比的增大,多酚微胶囊包埋率呈上升趋势,当壁材配比为3∶1时包埋率最高,之后再增加壁材配比包埋率则呈下降趋势。这是由于阿拉伯胶具有一定的乳化性和成膜性,有助于提高微胶囊产品的包埋率,然而阿拉伯胶含量过高,则会造成料液粘度过大,不仅不利于喷雾干燥的顺利进行,还会造成包埋率下降[23],故选取阿拉伯胶与β-环状糊精的配比为3∶1左右为宜。

图1 壁材配比对多酚微胶囊包埋率的影响

2.1.2 芯壁比对包埋率的影响 随着芯材与壁材比例的减少,包埋率呈上升趋势,当芯材与壁材比例为1∶5时达到最高,随后开始下降,当包埋率达到最大值后,继续增加芯材添加量,多酚微胶囊的包埋率降低(如图2)。因此,芯材与壁材比例为1∶5左右为宜。

图2 芯壁比对多酚微胶囊包埋率的影响

2.1.3 单甘酯用量对包埋率的影响 单甘酯作为乳化剂,当它分散在分散质表面时,形成薄膜或双电层,可使分散相带有电荷,这样就能阻止分散相的小液滴相互凝结,使形成的乳状液比较稳定[24]。如图3所示,随着单甘酯用量的增加,微胶囊的包埋率上升,当达到0.10%后,再增加其用量,其包埋率反而下降,这是由于单甘酯可以使料液稳定性提高,用量过高,乳化液粘度也随之变大,会产生絮凝现象[25],易造成喷头堵塞,影响喷雾干燥的顺利进行,因此选取0.10%左右的单甘酯为宜。

图3 单甘酯浓度对多酚微胶囊包埋率的影响

2.1.4 微胶囊壁材配比正交实验结果 由表3和4分析可以看出,影响多酚微胶囊包埋率因素的主次顺序是:B>A>C,即芯材与壁材的配比对微胶囊包埋率的影响最大,壁材比(阿拉伯胶∶β-环状糊精)次之,单甘酯浓度对微胶囊化效率影响最小,但三种因素对微胶囊包埋率的影响均达到显著水平(p<0.01或p<0.05)。得出多酚微胶囊化的最佳壁材组合配比为A2B2C2,即壁材比(阿拉伯胶∶β-环状糊精)为3∶1,芯壁比为1∶5,单甘酯用量为0.10%,经验证实验得到多酚的平均包埋率为93.28%±0.52%。

表3 正交实验结果

表4 壁材配比优化实验方差分析表

2.2 多酚微胶囊喷雾干燥工艺优化实验结果

2.2.1 进料固形物含量对包埋率的影响 由图4可见,当固形物含量为15%时,微胶囊包埋率可达92.13%,在继续增加进料固形物含量,则微胶囊包埋率开始下降。这是由于进料固形物含量升高,乳状液粘度增加,芯材向壁材表面的迁移量减少,使芯材能够被更好的包埋,在干燥过程中能够促进囊壁的形成和提高产品的致密性,但进料固形物含量太高会导致乳状液液过于黏稠,不利于雾滴的形成[26]。因此将进料固形物含量定为15%左右。

图4 进料固形物含量对多酚类物质包埋率的影响

2.2.2 进料流速对微胶囊化效率的影响 从图5可见,适当增加进料流速,可以提高包埋率,当进料流速为300 mL/h时,微胶囊包埋率达到最高为93.27%,当超过300 mL/h时,包埋率开始下降并趋于平稳,故选择进料速度为300 mL/h左右。

图5 进料速度对多酚类物质包埋率的影响

2.2.3 进风温度对包埋率的影响 如图6所示,进风温度升高,微胶囊化包埋率提高,当进风温度升高到180 ℃吋,微胶囊包埋率最高达93.71%。但是,随着进风温度的继续升高,微胶囊包埋率呈下降趋势。所以选进风温度为180 ℃左右适宜。

图6 进风温度对多酚类物质包埋率的影响

2.2.4 出风温度对包埋率的影响 出风温度低于80 ℃时,包埋率随温度升高而升高,但温度高于80 ℃并继续升高时,则包埋率反而下降(见图7)。这是由于适度提高出风温度,有利于缩短产品颗粒的降速干燥过程,迅速形成完整致密的壁结构,从而提高包埋率。但出风温度过高,会导致产品因过度热而开裂,微胶囊包埋率下降。因此,将出风温度设定为80 ℃左右为宜。

图7 出风温度对多酚类物质包埋率的影响

表5 响应面实验结果

表6 回归方程系数显著性检验和结果

3 结论

通过单因素和正交实验,优选出莲固体废弃物中多酚类物质微胶囊化的最佳配方:阿拉伯胶:β-环状糊精为3∶1,芯壁比为1∶5,单甘酯添加量为0.1%;在此基础上,进行单因素和响应面实验,优选莲固体废弃物多酚类物质微胶囊喷雾干燥最佳工艺为:进料固形物含量16%,进料速度280 mL/h,进风温度185 ℃,出风温度80 ℃。莲固体废弃物多酚微胶囊包埋率为94.12%±0.37%,包埋效果较优,为多酚类物质的喷雾干燥微胶囊化提供了理论依据,同时还可减少资源浪费,保护环境,对莲固体废弃物多酚的合理开发利用具有重要现实意义。

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