复合凝聚结合冷冻干燥制备紫苏油微胶囊的工艺研究

常大伟, 张天宝, 马如甜, 郑灿辉, 方晨璐

(陕西科技大学 食品与生物工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

紫苏油是亚麻酸的主要膳食来源之一，其中的亚麻酸含量高达53.6%～64%.α-亚麻酸是人体必需的脂肪酸，在体内代谢可以转化成能够帮助降低胆固醇和甘油三酯含量、促进体内饱和脂肪酸代谢的必需多不饱和脂肪酸EPA，和被称为脑黄金、具有能促进胎儿大脑发育、促进视网膜光感细胞成熟等功能的DHA[1-3].长期食用紫苏籽油对调节人体新陈代谢、预防和治疗心血管疾病及高血脂有很好的效果，因此紫苏油被认为是潜在的功能性脂质[4,5]，被称为陆地深海鱼油，在人体营养和健康方面有重要功效，可作为功能性食品配料、化妆品原料和药用基础材料进行研究及应用.

但从另一方面来看，由于富含多不饱和脂肪酸，紫苏油极易氧化[6]，限制了其在食品工业中的应用，对其进行稳定化处理可防止紫苏油中高含量不饱和脂肪酸的氧化，保存其营养价值，延长其保质期，使用微胶囊技术使油脂粉末化，可获得包埋率更高、稳定性更好的紫苏油微胶囊产品[7].

复合凝聚反应制备微胶囊技术是指两种聚合物电解质在水溶液中具有相反电荷，发生相互作用形成凝结层沉积在乳液表面上，然后通过桥联剂固化，最终形成稳定的微胶囊[8-13].复合凝聚制备微胶囊一般选取蛋白质-多糖发生静电反应，多糖在大范围pH值范围内带负电，而蛋白质在其等电点周围带有不同的电荷，因此调控至某一特定pH值，可以使两者发生复合凝聚，获得微胶囊[14-16].

本文通过分析制备复合凝聚紫苏油微胶囊的关键控制点，对形成的微胶囊的形态进行研究，并在此基础上采用冷冻干燥进一步制备紫苏油微胶囊粉末，为扩大紫苏油的应用范围提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

明胶、阿拉伯胶、氢氧化钠、冰醋酸、淀粉，均购于国药集团化学试剂有限公司；紫苏油，购于西安风吹麦浪农产品技术开发有限公司；转谷氨酰胺酶，一鸣精细化工有限公司.

1.2 主要仪器和设备

光学显微镜，奥林巴斯(深圳)工业有限公司；高压均质机，尼鲁索尔维公司；紫外可见分光光度计，上海达平仪器有限公司；高速剪切乳化机，弗鲁克流体机械制造有限公司；悬臂式搅拌器，上海昂尼仪器仪表有限公司；冷冻干燥机，金西盟生物技术有限公司；扫描电子显微镜，复纳科学仪器(上海)有限公司.

1.3 实验方法

1.3.1 紫苏油微胶囊的制备工艺流程

将一定量的明胶与阿拉伯胶加入盛有500 mL超纯水的烧杯中，65 ℃下于集热式恒温加热磁力搅拌器中溶解，待完全溶解后，冷却至室温，加入紫苏油， 经高速剪切机以10 000 rpm剪切30 s后，用均质机于400 bar均质压力下均质2次，形成均匀乳状液.之后倒入三口烧瓶中，在45 ℃水浴下用300 rpm的悬臂式搅拌器搅拌，同时逐滴滴入10%的醋酸溶液降低pH至发生复合凝聚反应，一段时间后将温度降至15 ℃，加入10%的氢氧化钠溶液调整pH至6.0，随后加入质量为明胶质量1/4的转谷氨酰胺酶固化2 h，于1 109×g离心力下离心5 min，除去上清液，随即冷冻干燥得到固态微胶囊.

1.3.2 明胶-阿拉伯胶复合凝聚制备紫苏油微胶囊影响因素实验

(1)壁材浓度对微胶囊形态结构的影响

明胶与阿拉伯胶的混合比例为1∶1、芯壁比为1∶1、pH为3.9、搅拌速度为300 rpm，研究壁材质量分数为0.3%、0.5%、1%、2%和2.5%时微胶囊的结构.

(2)pH值对微胶囊形态结构的影响

固定明胶与阿拉伯胶的混合比例为1∶1、壁材质量分数为0.5%、芯壁比为1∶1、搅拌速度为300 rpm，研究pH分别为4.5、3.9、3.5、3.2和2.9时微胶囊的形态.

(3)芯壁比对微胶囊形态结构的影响

将明胶与阿拉伯胶混合比例固定为1∶1、壁材质量分数为0.5%、搅拌速度为300 rpm、pH 3.9，研究芯壁比为2∶1、1∶1、1∶2时微胶囊的形态.

(4)搅拌速度

将明胶与阿拉伯胶混合比例固定为1∶1、壁材质量分数为0.5%、芯壁比为1∶1、pH 3.9，研究搅拌速度为100 rpm、300 rpm、500 rpm时微胶囊的形态.

1.3.3 复合凝聚微胶囊形态观察

取一滴复合凝聚微胶囊悬浮液，将其置于载玻片上，放大倍数400倍，并在倒置显微镜下观察并拍照.

1.3.4 扫描电镜观察

在电镜的进样台上贴上双面胶，将少许冻干的微胶囊粉末撒于胶面上，用氮气吹去多余的粉末.喷金后用扫描电子显微镜观察微胶囊产品的表面结构，加速电压为20 kV.

2 结果与讨论

2.1 壁材浓度对复合凝聚紫苏油微胶囊结构的影响

不同壁材浓度下制备的微胶囊形态如图1所示，图1(a)～(e)分别对应壁材浓度为0.3%、0.5%、1%、2%、2.5%.由图1可知，在不同壁材浓度下，所得紫苏油微胶囊的形态具有显著区别，说明壁材浓度对微胶囊产品有显著影响.

由图1(a)可见，壁材浓度为0.3%，形成的微胶囊粒径不均，存在未包埋芯材的复合凝聚物液滴，说明壁材浓度过低不利于形成良好形态的微胶囊.当壁材浓度增加到0.5%时，微胶囊变得芯材均匀，球形度更好.这与董志俭等[17]曾在复合凝聚制备橘油微胶囊的文章中分析了壁材浓度对微胶囊形态的影响是一致的，其结果显示壁材浓度过低，会存在空白复聚物，体系中残余油滴数量增加；而壁材浓度合适时，形态较好，包埋率更高，粒径更为均一.继续提高壁材浓度至1%，所得微胶囊产品形态又开始变差，当壁材浓度提高至2.5%时，已不能形成完整的包埋体.可能由于壁材浓度过高时，囊壁变厚，复凝聚物的量显著增加，从而体系粘度增大，导致微胶囊相互聚集成粒径更大、形态极不规则的团状.因此确定以明胶-阿拉伯胶为壁材复合凝聚制备紫苏油微胶囊的最佳壁材浓度为0.5%.

(a)0.3% (b)0.5%

(c)1% (d)2%

(e)2.5%图1 壁材浓度对复合凝聚紫苏油微胶囊形态的影响

2.2 pH值对复合凝聚紫苏油微胶囊的结构的影响

复合凝聚反应是由于壁材之间的静电相互作用，所以pH是决定复合凝聚微胶囊性质的主要因素.明胶是一种蛋白质，其所带电荷的正负是由其所处pH环境所决定的，当调节体系的pH值高于其等电点时，明胶一直带负电荷，而当pH值低于其等电点时，明胶所带电荷由负转正，进而可以与一直带负电荷的阿拉伯胶发生静电相互作用，络合形成复合凝聚物而包埋在紫苏油滴的表面.与此同时，有学者研究发现[17]蛋白质多糖之间发生的静电相互作用所产生的引力会对复合凝聚物粘度产生影响，而其粘度的高低主要取决于体系的pH值.图2是不同pH下的复合凝聚微胶囊的形态，图2(a)～(e)分别对应显微镜下观察pH为4.5、3.9、3.5、3.2、2.9时所得紫苏油微胶囊的形态.当pH为4.5时，由于吸引力很弱，故壁材所形成的复合凝聚程度很低，显微镜下未观察到微胶囊存在(如图2(a)所示).当pH降低至3.9时，观察所得微胶囊的形态均一，呈现球状结构，且囊壁明显，结构紧致(如图2(b)所示).当pH继续降低，微胶囊的形态逐步变差，当降低至3.2时，微胶囊形态有不规则趋势，进一步降低至2.9，已无法形成规则的胶囊形态.这是由于在改pH条件下，明胶带有更多正电荷，因此与带负电荷的阿拉伯胶产生强烈的静电作用，导致复合凝聚反应强度过大，因此形成的复合凝聚物粘度大，乳化性和流动性都很差，不能很好的在油滴表面形成囊壁，从而碰撞粘结成大的不规则的微胶囊(如图2(e)所示)，同时壁材间也出现了相互交联的现象.陈琳等[18]分析其原因为pH过高会导致无法发生复合凝聚反应，过低会使壁材发生粘连，会使微胶囊粘结成团.

最终，初步确定明胶-阿拉伯胶复合凝聚制备紫苏油微胶囊的最佳反应pH为3.9.

(a)pH4.5 (b)pH3.9

(c)pH3.5 (d)pH3.2

(e)pH2.9图2 pH值对复合凝聚紫苏油微胶囊结构的影响

2.3 芯壁比对复合凝聚反应制备紫苏油微胶囊结构的影响

图3(a)～(c)分别对应芯壁比为1∶2、1∶1、2∶1时所得紫苏油微胶囊的显微图片.由图3可见，随着芯壁比的增加，所得微胶囊的形态发生了较大的改变.当芯材过高时，会由于油量太高而壁材无法完全包裹，所得微胶囊表面油含量明显增加，如图3(c)所示，一方面导致浪费，另一方面也起不到对于芯材的保护效果.当壁材过高时，带相反电荷的壁材虽然能够围绕芯材凝聚，但壁材之间相互碰撞的几率也大大增加，壁材之间交联现象严重，所形成的聚合物形态不规则，如图3(a)所示.另外壁材也可能不围绕芯材液滴直接发生凝聚，导致出现很多空的未包埋油滴的复合凝聚物[19].由图3(b)所示，当芯壁比为1∶1时，壁材所带正负电荷恰好中和，复合聚物内部芯材的含量较芯壁比1∶2时明显增多，同时所得产品仍然能保持良好的球形结构，且较结构芯壁比为2∶1时的更为规则.因此，确定明胶-阿拉伯胶复合凝聚制备紫苏油微胶囊的最佳芯壁比为1∶1.

(a)1∶2 (b)1∶1

(c)2∶1图3 芯壁比对复合凝聚紫苏油微胶囊结构的影响

2.4 搅拌速率对复合凝聚反应制备紫苏油微胶囊的影响

图4为搅拌速率对复合凝聚反应制备紫苏油微胶囊的影响，图4(a)～(c)分别对应搅拌速率为100 rpm、300 rpm、500 rpm时所得复合凝聚紫苏油微胶囊的显微结构.由图4(a)～(c)中产品的结构可知，当增加搅拌速度时，微胶囊的粒径逐渐变小.当搅拌速度为100 rpm时，所得产品的粒径最大，此时的微胶囊为含油量很高的球状，但会存在一些粒径很小的空白复聚物液滴；当搅拌速度增加至300 rpm时，此时微胶囊呈现规则的球状，且含油量与粒径分布较为均匀；当继续增加搅拌速度至500 rpm，乳状液很难聚集，因此形成粒径很小，包埋芯材很少的微胶囊.

最终，确定复合凝聚紫苏油微胶囊的最佳搅拌速度为300 rpm.

(a)100 rpm (b)300 rpm

(c)500 rpm图4 搅拌速率对复合凝聚反应制备紫苏油微胶囊的影响

2.5 冷冻干燥微胶囊的扫描电镜观察

图5为不同pH条件下制备的经冷冻干燥的紫苏油复合凝聚微胶囊粉末的扫描电镜图，图5(a)～(d)分别对应pH为4.5、3.9、3.6、3.2时所得微胶囊粉末的扫描电子显微镜图.图5清晰的显示了不同pH条件下采用复合凝聚法制备的紫苏油微胶囊粉末的立体结构，由图5(b)可知，在pH 3.9时微胶囊粉末颗粒分明，球形结构最好.

(a)pH4.5微胶囊粉末(590×,标尺100 μm)

(b)pH3.9微胶囊粉末(1 200×,标尺50 μm)

(c)pH3.6微胶囊粉末(1 550×,标尺50 μm)

(d)pH3.2微胶囊粉末(1 550×,标尺50 μm)图5 扫描电子显微镜观察

最终，确定以明胶-阿拉伯胶为壁材复合凝聚制备紫苏油微胶囊的决定性因素pH为3.9.这个结果和制备复合凝聚过程中的结果一致.

3 结论

本文通过单因素实验，包括壁材混合比例、壁材质量分数、芯壁比、pH值和搅拌速度五个因素，通过观察光学显微镜和扫描电子显微镜所得出复合凝聚紫苏油微胶囊的形态，确定了复合凝聚发制备紫苏油微胶囊的最佳工艺条件：明胶∶阿拉伯胶=1∶1、芯壁比为1∶1、壁材质量分数为1%、pH3.9、搅拌速度300 rpm.