李宇,孙钟雷*,罗人舒
长江师范学院现代农业与生物工程学院(重庆 408100)
大蒜精油是从大蒜中提取纯化而得到的透明微黄色油状物,是大蒜中非常重要的功能性物质。大蒜精油中最具有研究价值的是活性硫化物[1],具有预防和治疗心血管疾病、降低血脂、抗高血压、抗血栓和抗癌等作用。大蒜精油气味冲鼻,有特殊的辛辣味,并且它的活性化合物性质不稳定,容易在加工和运输的过程中挥发,或易受环境的影响而变质[2-3],同时大蒜精油在水中的溶解度很低,在很大程度上限制了它在食品工业中的应用。壳聚糖是甲壳素的衍生物,有很好的成膜性、吸附性、通透性和保湿性[4]等,在食品工业中的应用非常广泛[5]。羧甲基纤维素钠无味无臭无毒,能够吸水膨胀,有较好的吸湿性[6]。以壳聚糖和羧甲基纤维素钠为壁材制备微胶囊已有一些研究[7-10],但是作为复配壁材包埋大蒜精油尚未见报道。因此,试验以大蒜精油为芯材,羧甲基纤维素钠与壳聚糖作为复合壁材,采用乳化-固化法制备大蒜精油微胶囊,增加了大蒜精油微胶囊壁材选用的广域性,为大蒜精油在食品工业上的应用奠定了一定的理论基础,具有重要的意义。
主要原料:大蒜精油(吉安市华硕香料油有限公司)、壳聚糖(食品级,天和生物科技有限公司)、羧甲基纤维素钠(食品添加剂,高要市蜜丹儿商贸有限公司)。
化学试剂:冰乙酸、无水乙醇、戊二醛、亚硫酸氢钠(均为分析纯);偏磷酸-乙酸溶液、碘酸钾、溴的CCl4溶液、醋酸锌(均为化学纯)。淀粉碘化钾试纸(上海磊固仪器有限公司)。
JJ-1B恒速增力电动搅拌器,金坛市城东新瑞仪器厂;LDZ5-2离心机,北京京立离心机有限公司;LGJ-10冷冻干燥机,北京松源华兴科技发展有限公司;OPTEC光学显微镜,重庆奥特光学仪器有限公司;HH-4数显恒温水浴锅,江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;PE20 pH计,梅特勒-托利多仪器上海有限公司;EL204电子天平,梅特勒-托利多仪器上海有限公司;BCD-195KANDZ海尔冰箱,中国(青岛)海尔集团。
1.3.1 工艺流程
大蒜精油→乳化→调节pH→固化→洗涤→冷冻干燥→成品
1.3.2 操作要点
将3%羧甲基纤维素钠在60 ℃恒温水浴锅中加热融化成透明状态,加入2 mL大蒜精油,转速为800 r/min,搅拌2 min,使二者充分混合。混合均匀后将转速调至1 000 r/min,加入3%壳聚糖溶液,继续乳化10 min。乳化完成后,加入少量的10%冰乙酸溶液,用pH计调整溶液的pH为4.5。再将1 mL戊二醛溶液缓慢滴入乳化液中,搅拌器转速为1 000 r/min,持续搅拌40 min进行固化。最后将大蒜精油微胶囊溶液依次用亚硫酸氢钠,无水乙醇洗涤,重复多次,在离心机中离心,收集下层沉淀的微胶囊,置于冷冻干燥机中干燥成粉末,即为成品。
1.3.3 大蒜精油微胶囊形态观察
用胶头滴管吸取少量大蒜精油微胶囊分散液于载玻片上,并盖上盖玻片,于显微镜下观测形态并拍照。
1.3.4 大蒜精油微胶囊包埋率测定
方法如下:取蒸馏水10 mL,加95%乙醇5 mL,醋酸锌溶液1 mL,在低温搅拌下,用溴的CCl4溶液滴定,淀粉碘化钾试纸变蓝,记录耗用溴溶液体积V0为空白。
取微胶囊样品液10 mL,加95%乙醇5 mL,醋酸锌溶液1 mL,在低温搅拌下,用溴的CCl4溶液滴定,淀粉碘化钾试纸变蓝,记录耗用溴溶液体积V为空白。
式中:M为溴的CCl4溶液浓度,mol/L;V为耗用溴的CCl4溶液体积,mL;V0为空白耗用溴的CCl4溶液体积,mL;V’为样品液用量,mL;0.555 5为1 g溴与大蒜5种有效成分之间的换算系数;159.80为溴的分子量。
壁芯比2∶1,戊二醛1.5 mL,pH为4.5,搅拌速度为1 000 r/min固定不变,改变壳聚糖与羧甲基纤维素钠的质量比分别为0.8∶1,1.2∶1,1.6∶1和2∶1,考察壳聚糖与羧甲基纤维素钠的质量比对大蒜精油品质的影响,结果如图1所示。如图可知,当复合料比为0.8∶1时,大蒜精油微胶囊产率较低,且包埋剂对大蒜精油包覆不完全。当复合料比为2∶1时,溶液黏度很大,微胶囊容易聚集,不够均匀,且仍有少许精油浮于溶液表面。综合分析,较佳的复合壁材比为1.6∶1。
复合壁材比1.6∶1,戊二醛1.5 mL,pH为4.5,搅拌速度为1 000 r/min固定不变,改变壁芯比为0.5∶1,2∶1,4∶1和6∶1,考察壁芯比对大蒜精油成形品质的影响,结果如图2所示。如图可知,当壁芯比为0.5∶1时,壁材较少不足以包裹芯材,导致包埋率较低,多数大蒜精油浮在溶液表面。当壁芯比为6∶1时,大蒜精油太少,导致壁材使用率较低,形成的微胶囊数量过少。综合分析,较佳的壁芯比为2∶1。
图1 不同复合壁材比对大蒜精油微胶囊形态(×100)及包埋率的影响
图2 不同壁芯比对大蒜精油微胶囊形态(×100)及包埋率的影响
复合壁材比1.6∶1,壁芯比2∶1,pH为4.5,搅拌速度为1 000 r/min固定不变,改变戊二醛添加量分别为0.5,1,1.5和2 mL,考察戊二醛添加量对大蒜精油固化效果的影响,结果如图3所示。如图可知,当戊二醛添加量较少时,微胶囊颗粒较大,包埋率较低。添加量多于2 mL时包埋率又呈现下降的趋势,添加量为1.5 mL时,微胶囊颗粒形成较均匀且分散。综合分析,戊二醛较佳添加量为1.5 mL。
图3 不同戊二醛添加量对大蒜精油微胶囊形态(×100)及包埋率的影响
复合壁材比1.6∶1,壁芯比2∶1,戊二醛1.5 mL,搅拌速度为1 000 r/min固定不变,改变溶液pH分别为3.5,4.0,4.5和5.0,考察pH对大蒜精油微胶囊成形品质的影响。结果如图4所示。如图可知,pH能影响羧甲基纤维素钠的黏稠度,pH越小,黏稠度越小,微胶囊在溶液中分布越分散。当pH为3.5时,微胶囊在溶液中很分散,包埋率较低。当pH越大,微胶囊在溶液中分散越均匀,综合分析,pH较佳为4.5。
复合壁材比1.6∶1,壁芯比2∶1,戊二醛1.5 mL,pH为4.5固定不变,改变搅拌速度分别为800,1 000,1 200和1 400 r/min,考察搅拌速度对大蒜精油微胶囊成形品质的影响,结果如图5所示。如图可知,当搅拌速度小时,微囊颗粒较大且溶液中有油滴尚未包埋。当搅拌速度过大时,微囊颗粒较小,表示仪器剪切力过大,不适用于微胶囊成形。综合分析,最佳搅拌速度为1 200 r/min。
图4 不同pH对大蒜精油微胶囊形态(×100)及包埋率的影响
通过以上单因素试验,得出复合壁材比、壁芯比、戊二醛添加量、pH、搅拌速度的因素水平,正交试验的因素水平及结果分析见表1。
从表1的正交试验结果可以看出:影响壳聚糖、羧甲基纤维素钠制备大蒜精油微胶囊包埋率的因素主次顺序是:壁芯比、戊二醛、复合壁材比、pH、搅拌速度。经极差分析可知,最优组合为A3B2C3D3E4,而正交试验列表中得分最高的是A3B4C2D1E3,所以还需要增加一组验证试验,结果见表2。由表2可知,最优的组合是A3B2C3D3E4,即大蒜精油微胶囊的最佳条件是壳聚糖、羧甲基纤维素钠复合壁材比为1.6∶1,壁芯比2∶1,戊二醛1.5 mL,pH为4.5,搅拌速度为1 400 r/min,在此条件下微胶囊的包埋率为90.98%。
表1 正交试验结果分析表
以大蒜精油为芯材,壳聚糖和羧甲基纤维素钠为复合壁材,探讨了乳化-固化法制备大蒜精油微胶囊的工艺流程,运用光学显微镜确定大蒜精油微胶囊的基本形态,加成法测定包埋率,确定出大大蒜精油微胶囊制备的最佳工艺为:复合壁材料比1.6∶1,壁芯比2∶1,戊二醛1.5 mL,pH为4.5,搅拌速度为1 400 r/min。通过该工艺制备的大蒜精油微胶囊显微形态呈圆形,粒径均匀呈分散状态,包埋率达到90.98%。