沙棘果浆微囊喷雾干燥制备工艺及其理化性质研究

徐思宁,刘红波，唐志书，宋忠兴，孙静，崔春利，蔡兴航，于金高，刘世军，孙晓春

(陕西中医药大学/陕西省中药资源产业化协同创新中心，秦药特色资源研究与开发国家重点实验室(培育)/陕西省创新药物研究中心，陕西 咸阳， 712083)

沙棘为胡颓子科植物沙棘HippophaerhamnoidesL.的干燥成熟果实，收载于《中华人民共和国药典》2015年版，具有健脾消食、止咳祛痰、活血散瘀等功效[1]。沙棘果是一种药食两用的植物资源，除含有丰富的维生素(包括维生素A、B、C、E、K等，其中维生素C含量最高)外，亦含有黄酮、多酚、不饱和脂肪酸、氨基酸、有机酸等多种生物活性成分[2-4]，是集药用、食用为一体的具有良好开发价值的重要资源[5-6]。目前，以沙棘为资源开发的药品、食品等产品得到了较为广泛的研究与应用[6-13]。

沙棘果浆中含有丰富的维生素类、多酚类等不稳定性的活性成分，易氧化，遇光、热不稳定[14]，通常用密闭不透光的包装材料包装，且需低温贮藏；同时沙棘果浆口感酸涩，难以直接服用。这些问题为沙棘果浆在实际生产、贮藏、应用过程中带来了诸多不便，影响了沙棘的开发利用。

微囊是指固态或液态物质被辅料包封形成的微小胶囊。物料经微囊化后可提高物料的稳定性，掩盖不良气味，使液态物质固态化，以改善物料的物理化学性质[15-17]。因此可将沙棘果浆制备成微囊，以提高沙棘果浆的稳定性，改善其不良口感，以利于沙棘果浆后续加工处理及相关产品的开发。

喷雾干燥技术是制备微囊的一种高效制备技术[18]。目前，对沙棘果浆进行微囊化处理的研究报道尚少，本实验拟采用喷雾干燥技术制备沙棘果浆微囊，对关键制备工艺参数进行筛选、优化，并研究沙棘果浆微囊的理化性质，以期为沙棘果浆微囊的制备及相关产品的开发提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料

沙棘果浆(可溶性固形物含量11.36%)，购买于陕西艾康沙棘制药有限公司。

1.2 试剂与仪器

偏磷酸、NaHCO3、无水乙醇、乙酸钾、MgCl2、NaBr、KI、NaCl、(NH4)2SO4、KCl，天津市天力化学试剂有限公司，均为分析纯；2，6-二氯靛酚标准品，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；阿拉伯胶，湖北葛店人福药用辅料有限责任公司，麦芽糊精，上海泛科史康医药科技有限公司；高岭土，上海麦克林生化科技有限公司；抗坏血酸标准品，中国食品药品鉴定研究院，100425-201504。

YC-1800实验室喷雾干燥机，上海雅程仪器设备有限公司；FJ200-SH数显高速分散机，上海标本模型厂制造；AH-Basic均质机，德国ATS工业系统有限公司；HJ-S8电热恒温水浴锅，北京科伟永兴仪器有限公司；TGL-20B离心机，上海安亭科学仪器厂；Scout SE电子天平，奥豪斯仪器有限公司；HJ-6B恒温磁力搅拌器，常州丹瑞实验仪器设备有限公司；101电热鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；Mastersizer 3000激光粒度仪，英国马尔文仪器有限公司；LabMaster-AW水分活度测定仪，瑞士Novasina公司； ZEISS evo 18扫描电镜，德国卡尔·蔡司股份公司。

1.3 实验方法

1.3.1 沙棘果浆微囊的制备

取一定量阿拉伯胶、麦芽糊精，加适量纯化水，50℃下搅拌均匀后加入适量沙棘果浆。先用高速分散机进行高速搅拌(转速10 000 r/min，时间5 min)，再用高压均质机均质(压力400 kPa)，制备得到沙棘果浆均质液，备用。采用实验小型喷雾干燥机对沙棘果浆均质液进行喷雾干燥，制备得到沙棘果浆微囊。

1.3.2 微囊Vc包封率及收率测定

采用二氯靛酚滴定法测定Vc含量[19]。

微囊中总Vc含量测定：精确称取沙棘果浆微囊5 g，加入100 mL偏磷酸溶液中，搅拌溶解，再加入2 g高岭土进行脱色，过滤，滤液于10 000 r/min下离心15 min，取上清液10 mL，用2,6-二氯靛酚溶液滴定，记录滴定体积，计算VC含量(mg/100g)。

微囊表面未包封Vc含量测定：精确称取沙棘果浆微囊5 g，用无水乙醇反复充分洗涤，合并过滤液。精确量取滤液10 mL，加入10 mL偏磷酸溶液后用2,6-二氯靛酚溶液滴定，记录滴定体积，计算VC含量(mg/100g)。

微囊VC包封率计算如公式(1)所示：

(1)

式中：X1，微囊中总VC含量，mg/100g；X2，微囊表面未包封VC含量，mg/100g。

微囊收率计算如公式(2)所示：

(2)

1.3.3 工艺优化

1.3.3.1 单因素试验

以进风温度、进料速度、阿拉伯胶占总囊材质量百分数、壁芯比(囊材与果浆固含质量比)、固形物含量等为主要因素，进行单因素考察试验，以微囊Vc包封率与收粉率为评价指标。

1.3.3.2 正交优化试验

在单因素试验的基础上，采用正交实验设计，优化沙棘果浆微囊的制备工艺。

1.3.4 微囊理化性质检测

1.3.4.1 水分及水分活度

精密称取沙棘果浆微囊1.0 g，平行3份，置于已干燥至恒重的称量瓶中，于105 ℃下烘干至恒重，计算水分含量。

采用水分活度测定仪检测样品25 ℃下的水分活度，平行测定3次。

1.3.4.2 溶解度指数

根据参考文献[20]，精密称取沙棘果浆微囊2.0 g，平行3份，加入到100 mL纯化水中，37 ℃下磁力搅拌30 min，于10 000 r/min离心10 min。离心后，将离心管内的沉淀于105 ℃下干燥至恒重，利用公式(3)计算溶解度指数：

(3)

1.3.4.3 吸湿性

采用静态称量法进行吸湿性测试[21]。取微囊约0.2 g，平行3份，精密称量(记作m0)，置于已烘干至恒重的称量瓶中，其中微囊与称量瓶的初始总质量记作m1。将称量瓶敞口分别置于底部盛有不同过饱和盐溶液的干燥器中。饱和盐溶液分别为乙酸钾、氯化镁、溴化钠、碘化钾、氯化钠、硫酸铵与氯化钾的饱和溶液，其形成的空气湿度分别为20.4%、32.8%、43.2%、57.6%、62.4%、75.3%、81.0%、84.3%。将干燥器置于温度为25 ℃的环境中，定期精密称量微囊与称量瓶的总质量，直至前后2次称量值相差不超过± 0.001g，即认为达到吸湿平衡。将吸湿平衡后微囊与称量瓶的总质量记作m2，如公式(4)所示：

(4)

式中：m0，为囊质量，g；m1，微囊与称量瓶的初始总质量，g；m2,吸湿平衡后微囊与称量瓶的总质量，g。

1.3.4.4 显微结构

取沙棘果浆微囊适量，用导电双面胶将微囊固定于样品台上，用扫描电子显微镜观察微囊表面形态特征。电压5 kV。

1.3.4.5 稳定性

将沙棘果浆微囊于室温条件下避光放置6个月，分别于第0、1、2、3、4、5、6个月取样，检测微囊VC含量，计算VC保留率如公式(5)所示：

(5)

式中：Cn，不同时间点微囊样品中Vc含量，mg/100g；C0，微囊中Vc初始含量，mg/100g。

2 结果与分析

2.1 微囊制备工艺研究

2.1.1 单因素考察

2.1.1.1 囊材配比对微囊Vc包封率与收率的影响

囊材对微囊的制备及性能具有重要影响[22]。阿拉伯胶、麦芽糊精是制备微囊常用的囊材材料。阿拉伯胶成膜性好，但抗氧化能力差；麦芽糊精成膜性差，但抗氧化能力强。因此二者常联合复配应用，以获得性能良好的微囊。二者不同配比对微囊Vc包封率与微囊收率的影响见图1。当阿拉伯胶占总囊材比例从0%增至70%时，微囊Vc包封率呈不断增大趋势；而微囊收率则逐渐降低。实验结果显示，增大阿拉伯胶配比可提高微囊Vc包封率；增大麦芽糊精配比则可提高微囊收率，但提高程度有限。综合考虑，本实验中阿拉伯胶占总囊材百分比在60%～80%较为适宜。

图1 囊材配比对微囊Vc包封率与收率的影响

2.1.1.2 壁芯比对微囊Vc包封率与收率的影响

壁芯比即是囊材与包囊物二者间的比例。壁芯比对微囊制备具有重要影响。当壁芯比较低时，较少的囊材不能将包囊物完全包裹，导致物料包封率较低；当壁芯比较高时，不仅会浪费囊材，亦会降低微囊中物料的含量。因此，需要将壁芯比控制在适宜的范围。由图2可知，本实验中壁芯比对微囊收率影响较小，而对微囊Vc包封率影响较大。当壁芯比从1∶1增大至6∶1时，微囊Vc包封率随壁芯比的增大而增大；再继续增大壁芯比时，包封率则趋于稳定。综合考虑，本实验中将壁芯比控制在2∶1～6∶1较为适宜。

图2 壁芯比对微囊VC包封率与收率的影响

2.1.1.3 料液总固形物含量对微囊VC包封率与收率的影响

在喷雾干燥过程中，当固形物含量较低时，喷雾干燥形成的微囊质地较轻，易随气流排出，降低了微囊收率，同时亦延长了料液喷雾干燥时间；当固形物含量过高时，则会使料液黏度过大，不易利于喷雾干燥操作。由图3可知，固形物含量对微囊VC包封率影响较小，而对微囊收率影响较大。当固形物含量在10%～30%时，微囊收率随固形物含量的增大而增大；但当增大至40%时，由于黏度较大，料液均质及喷雾干燥困难，黏壁现象较为严重，导致微囊收率急剧降低。综合考虑，本实验中将料液固形物含量控制在10%～30%较为合适。

图3 固形物含量对微囊VC包封率与收率的影响

2.1.1.4 进风温度对微囊VC包封率与收率的影响

进风温度决定了微囊水分蒸发及囊膜形成速度。当进风温度较低时，微囊水分蒸发速度较慢，易出现微囊黏壁现象；当进风温度较高时，会增大物料中热不稳定性成分损失，同时过高的温度也易使微囊产生热黏壁现象，导致物料损失。由图4可知，随着进风温度的升高，微囊VC包封率及收率都呈现出先增大后降低的趋势。根据实验结果综合考虑，将进风温度控制在160～180 ℃较为适宜。

图4 进风温度对微囊VC包封率与收率的影响

2.1.1.5 进料速度对微囊VC包封率与收率的影响

喷雾干燥进料速度对微囊VC包封率与收率的影响见图5。随着进料速度的增大，微囊VC包封率和收率亦都呈现先增大后降低的趋势，但其对微囊收率的影响较为明显。当进料速率较低时，喷雾干燥形成的粉粒小而轻，易随空气排出而降低收率；当进料速度较高时，过多物料在短时间内不能被充分雾化干燥，易产生黏壁现象，亦会使收率降低。在实验过程中发现，当进料速率增大至30 mL/min时出现了较为严重的黏壁现象。根据实验结果综合考虑，本实验中将物料进料速度确定为20 mL/min。

图5 进料速度对微囊VC包封率和收率的影响

2.1.2 正交优化设计

在单因素试验的基础上，选择阿拉伯胶占总囊材百分比(A)、壁芯比(B)、固形物含量(C)、进风温度(D)为主要考察因素，以微囊VC包封率与收率为评价指标，采用L9(34)正交表设计实验，优化沙棘果浆微囊的喷雾干燥制备工艺。因素水平见表1，正交试验结果见表2，方差分析结果见表3。

表1 因素水平

表2 正交设计结果

表3 方差分析

由表2极差分析结果可知，影响微囊VC包封率的因素主次顺序是：A>C>D>B，优化的工艺条件为A1B3C2D3。影响微囊收率的因素主次顺序是：A>C>B>D，优化的工艺条件为A1B2C3D1。

由表3方差分析结果可知，各因素各水平间没有显著性差异，综合考虑，将优化的工艺条件确定为：A1B3C2D1，即：阿拉伯胶占总囊材百分比为80%，壁芯比为2∶1，料液固含量为20%，进风温度为160 ℃。

在优化工艺条件下平行3次试验，微囊VC包封率分别为96.25%、95.21%、94.98%，包封率均值为95.48%；微囊收率分别为55.49%、58.21%、57.73%，收率均值为57.14%。结果表明优化的工艺稳定、可行。

2.2 沙棘果浆微囊理化性质研究

由表4可知，沙棘果浆微囊含水量低，溶解性能较好。水分活度aw反映了物质中水的能量状态，表示水与物质间的结合紧密程度，也是微生物赖以生存的自由水量度。aw介于0～1，数值越大，表示物质中水的自由度越高，越容易被微生物利用。当aw<0.6时，包括最耐受高渗的酵母菌和耐旱真菌在内的所有微生物将不会增殖[23]。沙棘果浆微囊的aw为0.43，表明其具有良好的耐微生物性。

表4 沙棘果浆微囊理化性质

物质的临界相对湿度值越大，表明物质的吸湿性越低。不同湿度环境下沙棘果浆微囊的吸湿性见图6。根据实验结果，图6中曲线两端的切线交点对应的横坐标即为临界相对湿度(crtitcal relativegumidity,CRH)，用解析几何算法求得微囊的CRH为73%，其CRH值较高，表明沙棘果浆微囊的吸湿性较低。

图6 沙棘果浆微囊的吸湿性

不同放大倍数下的沙棘果浆微囊扫描电镜显微结构见图7。图7可看到，沙棘果浆微囊呈不规则圆球形，表面光滑且未见裂纹与孔隙，表明微囊结构良好，可有效保护微囊中的物质。

图7 沙棘果胶微囊显微结构

沙棘果浆微囊粒径分布情况见图8。沙棘果浆微囊粒径分布较为均匀，大部分粒径集中分布在1～10 μm。

图8 沙棘果浆微囊粒径分布

图9为沙棘果浆微囊稳定性实验结果。从结果中可知，沙棘果浆微囊室温下避光放置6个月后，微囊中VC保留率达到了80%，表明沙棘果浆微囊化后，有效地提高了果浆中VC的稳定性。

图9 沙棘果浆微囊稳定性

3 结论

本实验以阿拉伯胶、麦芽糊精为囊材，采用喷雾干燥法制备沙棘果浆微囊，优化的制备工艺为：阿拉伯胶占总囊材质量百分比为80%，壁芯比为2∶1，料液固含量为20%，进风温度为160 ℃。制备的沙棘果浆微囊VC包封率达95.48%，收率为57.14%。沙棘果浆微囊具有较好的溶解性、稳定性，可为沙棘果浆微囊的制备及相关产品的开发提供研究基础。