一种西番莲果皮花色苷微胶囊及其二次包埋制备方法与流程

2021-02-02 18:02:25|

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本发明涉及微胶囊制备技术领域，具体涉及一种西番莲果皮花色苷微胶囊及其二次包埋制备方法。

背景技术：

花色苷是花色素与糖以糖苷键结合而成的一类化合物，广泛存在于植物的花、果实、茎、叶和根器官的细胞液中。花色苷作为一种天然色素，安全、无毒，且对人体具有许多保健功能，已被应用于食品、保健品、化妆品、医药等行业。但是，花色苷基本结构是二苯基苯并吡喃阳离子，结构上缺少一个电子，使其拥有极强的抗氧化活性，但花色苷由于自身分子结构上羟基和环氧离子的存在，结构稳定性较差，易受温度、相对湿度、光照、ph、酶和金属离子等因素的影响，导致花色苷的使用范围受到极大的限制。

提高花色苷稳定性的主要措施有添加稳定剂、改造花色苷结构和微胶囊化。其中，花色苷的微胶囊化效果较为突出，其可以有效提高花色苷的耐热性、耐光性、耐金属离子以及避免温度、湿度、ph等影响。微胶囊技术是将外保护壳材料(壁材)包覆内部材料(芯材)，形成核壳结构；或将芯材分散在保护材料基体中，用于保护芯材免受不利条件(如热、光、氧和金属离子存在等)影响；或以可控速度将芯材释放到外部，从而促进在各领域的应用。

然而，目前花色苷微胶囊化技术均是研究制备单层微胶囊，例如针对西番莲果皮花色苷，采用最多的是以明胶和阿拉伯胶为壁材制备单层西番莲果皮花色苷微胶囊。单层微胶囊存在一定的缺陷，例如囊壁韧性和强度不足，微胶囊稳定性较差，仍然受温度、湿度和ph等环境因素的影响等。

现有研究表明，二次包埋技术形成的双层微胶囊体系稳定，囊壁厚，能够较好地抵御环境压力。另外，近年来使用纳米粒子对高分子材料进行改性，制备出性能优良的微胶囊成为热点，其中，纳米sio2具备的表面能、良好的分散性和阻隔性，是提高壁材致密性和热稳定性的优质材料。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种西番莲果皮花色苷微胶囊及其二次包埋制备方法，其以明胶和阿拉伯胶为第一层壁材，以纳米sio2改性阿拉伯胶为第二层壁材，采用二次包埋法制备双层微胶囊。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种西番莲果皮花色苷微胶囊的二次包埋制备方法：步骤包括

步骤一、取西番莲果皮花色苷为芯材，明胶和阿拉伯胶为壁材，通过复凝聚法制备得到单层微胶囊湿嚢；

步骤二、取纳米sio2加入到55-65℃蒸馏水中，搅拌25-35min，超声处理1.5-2.5h，得到稳定的分散液，再在分散液中加入阿拉伯胶，混合搅拌25-35min，得纳米sio2改性阿拉伯胶溶液；

步骤三、将纳米sio2改性阿拉伯胶溶液与单层微胶囊湿嚢充分混合，160-240r/min室温搅拌25-35min，喷雾干燥后即得以明胶和阿拉伯胶第一层壁材、以纳米sio2改性阿拉伯胶为第二层壁材的西番莲果皮花色苷微胶囊。

进一步改进在于，每100ml的蒸馏水中加入0.15g的纳米sio2，加入6g阿拉伯胶，且制得纳米sio2改性阿拉伯胶溶液后与100ml单层微胶囊湿嚢混合。

进一步改进在于，步骤三中，所述喷雾干燥的条件为：进风温度180℃，出风温度90℃，进料速度7.5ml/min。

进一步改进在于，步骤一的具体操作为：

(1)明胶与阿拉伯胶原料液的配制

取明胶和阿拉伯胶作为壁材，控制壁材比为明胶:阿拉伯胶＝5:6，加入到蒸馏水中，控制壁材浓度为1.5％，40℃水浴中以200r/min的转速搅拌使二者充分溶解，获得原料液；

(2)微胶囊的形成

将西番莲果皮花色苷作为芯材，加入到原料液里，控制芯壁比为1:5.5，边加边搅拌，溶解完全后用10％冰乙酸调节溶液ph至3.49，40℃下复凝聚反应30min；

(3)微胶囊的固化

复凝聚反应后，将得到的微囊溶液冷却至室温，继续搅拌1h，随后将微胶囊溶液温度降至15℃，按30g/100g明胶的添加量加入谷氨酰胺转氨酶，并持续搅拌3h，完成固化，经过滤即得单层微胶囊湿嚢。

一种西番莲果皮花色苷微胶囊，其利用所述制备方法制得。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用二次包埋法制备得到西番莲果皮花色苷双层微胶囊，其解决了单层微胶囊囊壁韧性、强度不足，微胶囊稳定性较差，受温度、湿度和ph等环境因素影响较大等缺陷，使其能够较好地抵御环境压力。

(2)本发明第二层壁材采用了纳米sio2改性阿拉伯胶作为壁材，充分利用了纳米sio2具备的表面能、良好的分散性和阻隔性，纳米sio2的羟基与阿拉伯胶分子上的羟基形成氢键，使得囊壁结构更加致密，不易破碎，相对于普通双层微胶囊，其包埋率、液滴粒径、水分含量、sem、热稳定性(dsc)以及储藏稳定性等方面均得到不同幅度的改善。

附图说明

图1为本发明实施例的方法示意图；

图2为芯壁比对微胶囊包埋率的影响示意图；

图3为壁材比对微胶囊包埋率的影响示意图；

图4为壁材浓度对微胶囊包埋率的影响示意图；

图5为复凝聚ph对微胶囊包埋率的影响示意图；

图6为反应温度对微胶囊包埋率的影响示意图；

图7为反应时间对微胶囊包埋率的影响示意图；

图8为酶添加量对微胶囊包埋率的影响示意图；

图9为三种微胶囊的包埋率示意图；

图10为三种微胶囊的光学显微镜示意图，其中，样品(a)、(b)和(c)：单层微胶囊、阿拉伯胶-双层微胶囊和阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊；

图11为三种微胶囊的液滴粒径示意图；

图12为三种微胶囊水分含量示意图；

图13为三种微胶囊的sem示意图，其中，样品(a)、(b)和(c)：单层微胶囊、阿拉伯胶-双层微胶囊和阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊；

图14为三种微胶囊的热稳定性示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例

材料与仪器：

原料：阿拉伯胶购于国药集团化学试剂有限公司；纳米sio2购于舟山明日有限公司。仪器：干燥器(规格307mm×330mm，昆明盘龙华森实验设备成套部)，磁力搅拌水浴锅(hh-s4型，常州朗越仪器制造有限公司)，超声波细胞破碎仪(jra-650型，无锡杰瑞安仪器设备有限公司)，ph计(phs-25型，上海仪电科学仪器股份有限公司)，喷雾干燥机(b-290型，瑞士buchi实验室技术公司)，1/10000电子分析天平(bsa224s型，北京赛多利斯仪器系统有限公司)，紫外分光光度计(760crt型，上海仪电科学仪器股份有限公司)，恒温恒湿培养箱(spx-150b型，天津泰斯特仪器有限公司)，扫描电镜(sc-4800型，日本日立高新技术公司)，差示量热扫描仪(dsc204f1型，德国耐驰仪器制造有限公司)。

如图1所示，一种西番莲果皮花色苷微胶囊的二次包埋制备方法：步骤包括

步骤一、取西番莲果皮花色苷为芯材，明胶和阿拉伯胶为壁材，通过复凝聚法制备得到单层微胶囊湿嚢，具体操作为：

(1)明胶与阿拉伯胶原料液的配制

(2)微胶囊的形成

将西番莲果皮花色苷作为芯材，加入到原料液里，控制芯壁比为1:5.5，边加边搅拌，溶解完全后用10％冰乙酸调节溶液ph至3.49，40℃下复凝聚反应30min；

(3)微胶囊的固化

步骤二、取0.15g纳米sio2加入到100ml的55-65℃蒸馏水中，搅拌30min，超声处理2h，得到稳定的分散液，再在分散液中加入6g阿拉伯胶，混合搅拌30min，得纳米sio2改性阿拉伯胶溶液；

步骤三、将纳米sio2改性阿拉伯胶溶液与100ml单层微胶囊湿嚢充分混合，200r/min室温搅拌30min，喷雾干燥(进风温度180℃，出风温度90℃，进料速度7.5ml/min，氮气吹气速度20ml/min)后即得以明胶和阿拉伯胶第一层壁材、以纳米sio2改性阿拉伯胶为第二层壁材的西番莲果皮花色苷微胶囊(阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊)。

1针对本发明实施例步骤一工艺参数的研究验证

1.1单因素试验

1.1.1芯壁比对微胶囊包埋率的影响

制备微胶囊的其他条件不变，研究不同芯壁比对微胶囊包埋率的影响。如图2所示，壁材比重上升，微胶囊包埋率呈先上升后下降的趋势。芯壁比为1：5时，微胶囊包埋率达到最大，为96.00％。原因为壁材过少，芯材不能被完全包裹；壁材过多，形成不含芯材的空囊，壁材被浪费。故芯壁比选择1：5更为适宜。

1.1.2壁材比对微胶囊包埋率的影响

如图3所示，随阿拉伯胶比重增加，微胶囊包埋率呈先上升后下降的趋势。明胶：阿拉伯胶＝1：1时，包埋率上升至最高值，为94.25％。蛋白质与多糖在复凝聚中是正负电荷的相互作用，明胶在溶液ph小于其等电点时带正电，电离出氨基离子，阿拉伯胶一般带负电，当壁材在适当的比例下，溶液正负电荷数相等，形成复凝聚物最多，对花色苷起到良好的包埋作用；壁材比例不当，复凝聚物形成过少，生成的微胶囊不足，包埋率降低。

1.1.3壁材浓度对微胶囊包埋率的影响

壁材浓度是影响复凝聚过程的重要因素，过高或者过低都不利于微胶囊的形成。如图4所示，在固定芯壁比为1：4，壁材比为1：1，复凝聚ph为3.5，反应温度为40℃，反应时间为30min，tg酶添加量为30g/100g明胶时，不同壁材浓度对微胶囊化影响。当壁材浓度升高时，包埋率随之上升，在1.5％出现峰值，为94.18％。壁材浓度超过1.5％，包埋率呈现下降的趋势，这是因壁材浓度过大，体系中离子浓度增加，聚合物之间的相互作用被削弱。同时，壁材浓度增加使微胶囊之间易发生粘连，包埋率降低。

1.1.4复凝聚ph对微胶囊包埋率的影响

明胶是两性蛋白质，溶液ph低于明胶等电点时，明胶带正电，溶液ph高于明胶等电点，明胶带负电。阿拉伯胶分子在溶液中一般带负电，通过调节ph，使明胶带正电，二者带相反电荷就会发生复凝聚反应。

复凝聚ph对微胶囊包埋率的影响如图5所示，ph3.5时存在包埋率最大值94.23％。由于壁材提供的正负电荷数量相等，交联作用最为理想，产生最多复凝聚物。ph超过或低于3.5，产生复凝聚物变少，芯材未被完全包裹，包埋率降低。

1.1.5反应温度对微胶囊包埋率的影响

反应温度在化学反应中常常起到重要作用，如图6所示，展示的为反应温度对微胶囊包埋率的影响。可见，复凝聚温度在20～40℃，包埋率升高。温度升高对复凝聚反应有积极作用，温度较低，明胶呈凝胶状态，不易发生复凝聚反应；温度升高，一定程度上降低了明胶的黏度，流动性增强，反应充分；但温度高于40℃，持续搅拌下，明胶和阿拉伯胶分子热运动加速，不易聚集在芯材附近，同时，高温对芯材有破坏作用。因此，反应温度选取40℃最为适宜。

1.1.6反应时间对微胶囊包埋率的影响

如图7所示，适当延长反应时间有利于微胶囊形成。反应时间在15～30min，包埋率升高，30min达到最高点，后下降。原因为反应时间短，复凝聚未完成；时间过长，微胶囊粘连聚集，囊壁稍有破碎，包埋率降低。故本实施例选择30min进行后续研究。

1.1.7tg酶添加量对微胶囊包埋率的影响

复凝聚阶段形成的微胶囊结构不稳定，易受溶液ph和温度影响，此时需要固化过程，固化剂使蛋白质分子间交联，稳固结构，本课题选用tg酶。固定其他制备条件，考察tg酶添加量对微胶囊包埋率的影响。

如图8所示，tg酶添加量在15～30g/100g明胶，酶与蛋白质的作用位点充分结合，发生共价交联，微胶囊结构稳定，添加量为30g/100g明胶，包埋率达到最高；添加量持续增加，包埋率下降，这可以解释为酶量过高导致蛋白质交联过度，微胶囊发生粘连，包埋率下降。

1.2plackett-burman试验设计结果分析

plackett-burman试验设计结果分析见表1，试验因素水平及效应见表2。运用minitab18软件对各个因素进行t检验，选择置信度较高的因素作为显著因素进行进一步分析。由表2可知，影响包埋率的主要因素为x1(芯壁比)、x2(壁材比)和x4(复凝聚ph)。因此，选取芯壁比、壁材比和复凝聚ph作为进一步考察对象。

表1plackett-burman试验设计及结果

表2plackett-burman试验因素水平及效应

1.3最陡爬坡试验结果分析

本课题最陡爬坡试验的意义在于，找出主要因素，使主要因素同时朝向响应值的最大方向变化，逼近最大响应区间，找出峰值，建立有效的响应面方程模型才能较好地反映真实情况。表2确定爬坡方向，芯壁比、壁材比和复凝聚pht值为正，爬坡方向从低水平向高水平。试验结果如表3，试验3包埋率最高，故以a＝1：5，b＝1：1，c＝3.5为后续响应面试验的中心点。

表3最陡爬坡试验设计及结果

1.4响应面结果优化分析

1.4.1模型建立与显著性分析

在单因素和plackett-burman试验设计结果基础上，固定其他条件，以芯壁比(a)、壁材比(b)和复凝聚ph(c)为因素，微胶囊包埋率为响应值，通过design-expertv8.6.0.1软件的box-behnken设计得到17组试验，设计方案及结果见表4：

表4响应面设计方案及结果

经软件design-expertv8.6.0.1回归拟合，得出以包埋率为响应值的回归方程：

y＝95.78-2.64a-4.23b-2.35c+0.12ab+0.27ac+0.88bc-4.60a²-6.05b²-3.68c²。

为验证方程的有效性，进一步对其进行方差分析，结果见表5。显著性检验p<0.0001<0.01，表明该模型具有统计学意义，其中一次项a(芯壁比)、b(壁材比)和c(复凝聚ph)显著性均是极显著(p<0.0001)，对微胶囊制备工艺有显著影响；失拟项＝0.1817>0.05，失拟项不显著，表明回归方程对实验拟合较好，各因素之间存在较强的交互作用；决定系数r²＝0.9858，实验误差非常小，表明该模型拟合程度好，可对复凝聚法制备西番莲果皮花色苷微胶囊工艺过程的分析及预测。

表5回归模型方差分析结果

a**表示极显著，即p<0.01；

b*表示显著，即p<0.05.

通过单因素试验、plackett-burman试验设计和响应面分析试验优化复凝聚法制备西番莲果皮花色苷微胶囊工艺，以芯壁比、壁材比和复凝聚ph为变量，包埋率为响应值。该模型p<0.01，模型显著；失拟性p>0.05，失拟项不显著。表明回归方程对实验拟合较好。故实施例1步骤一中采取的最佳工艺为：芯壁比1:5.5，壁材比5:6，壁材浓度1.5％，复凝聚ph3.49，反应温度40℃，反应时间30min，tg酶添加量30g/100g明胶，该条件下包埋率为96.12％，在所有工艺参数中，效果最佳。

2针对本发明实施例所制得双层微胶囊的性能测试

2.1对比试验：设置对比试验如下：

对比例1

一种西番莲果皮花色苷单层微胶囊，其为通过复凝聚法制备得到的单层微胶囊(单层微胶囊)，具体步骤为：

(1)明胶与阿拉伯胶原料液的配制

(2)微胶囊的形成

将西番莲果皮花色苷作为芯材，加入到原料液里，控制芯壁比为1:5.5，边加边搅拌，溶解完全后用10％冰乙酸调节溶液ph至3.49，40℃下复凝聚反应30min；

(3)微胶囊的固化

复凝聚反应后，将得到的微囊溶液冷却至室温，继续搅拌1h，随后将微胶囊溶液温度降至15℃，按30g/100g明胶的添加量加入谷氨酰胺转氨酶，并持续搅拌3h，完成固化；

(4)微胶囊的干燥

采用喷雾干燥法进行干燥，参数为：进风温度180℃，出风温度90℃，进料速度7.5ml/min，即得单层微胶囊。

对比例2

一种西番莲果皮花色苷双层微胶囊，其为双层微胶囊，其步骤为在实施例步骤一的基础上将100ml质量浓度为6％的阿拉伯胶水溶液与100ml单层微胶囊湿嚢充分混合，200r/min室温搅拌30min，喷雾干燥(进风温度180℃，出风温度90℃，进料速度7.5ml/min)后得到阿拉伯胶作为第二层壁材的双层微胶囊(阿拉伯胶-双层微胶囊)。

2.2产品性能测试

对上述实施例以及对比例1-2进行同样的性能测试如下：

2.2.1包埋率

包埋率是评价微胶囊品质的重要参数之一，如图9所示，是单层微胶囊(对比例1)、阿拉伯胶-双层微胶囊(对比例2)和阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊(实施例)的包埋率比较。三种微胶囊的包埋率分别为96.12％、97.24％和97.85％，可见，二次包埋法可以提高微胶囊包埋率。阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊的包埋率最高，其原因是纳米sio2的羟基与阿拉伯胶分子上的羟基形成氢键，使微胶囊囊壁结构更加致密，不易破碎，芯材不易流出。

2.2.2液滴粒径

采用光学显微镜观察三种微胶囊的形态，如图10所示，(a)、(b)(c)分别表示单层微胶囊,阿拉伯胶-双层微胶囊和阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊的湿囊照片。图中可见，壁材形成凝胶薄膜，将西番莲果皮花色苷紧密包覆，微胶囊均呈球形。(c)中液滴平均粒径要大于其他两种微胶囊。如图11所示，采用软件s-eye1.4.7.645测量的液滴平均粒径也证明了这一现象，微胶囊粒径大小顺序是：阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊>阿拉伯胶-双层微胶囊>单层微胶囊。

这可以解释为，在搅拌的过程中，单层微胶囊中较大粒径的微胶囊容易破碎；阿拉伯胶-双层微胶囊囊壁变厚使微胶囊更加稳定；阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊的液滴粒径更大，除了微胶囊囊壁厚度增加，还因纳米sio2的添加增加了囊壁强度，即使大粒径微胶囊也不易在碰撞中破碎。本课题在纳米sio2改性阿拉伯胶膜的力学性能研究中，纳米sio2可以提高膜强度的结论也可以解释该结果。

2.2.3水分含量

水分含量是评价食品粉末货架期的重要因素，水分含量低，食品干粉不易发生变质，货架期延长。如图12所示，比较了单层微胶囊,阿拉伯胶-双层微胶囊和阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊的水分含量，阿拉伯胶-双层微胶囊的水分含量为4.65％，高于食品应用中粉末最低要求(4.00％)。阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊含水量最低，小于3％，利于储藏。这些差异受材料水结合能力的影响，添加纳米sio2，纳米sio2的羟基与阿拉伯胶的亲水基团形成氢键，可减少水分子与材料亲水基团的接触。这与本课题对纳米sio2改性阿拉伯胶膜水蒸气透过能力研究结论一致，适当添加纳米sio2可降低材料结合水的能力。

2.2.4外观结构

喷雾干燥制备的微胶囊粉末理想的形态为光滑球形，但是实际上由于制备过程中壁材材料和工艺条件的影响，微胶囊表面大部分呈现出褶皱、凹陷和破碎，原因是干燥过程中，水分迅速蒸发，壁材容易不均匀并收缩。

如图13所示，(a)中单层微胶囊表面凹陷，褶皱较多；(b)中阿拉伯胶-双层微胶囊由于阿拉伯胶层的保护作用，减少了喷雾干燥过程中的损伤；(c)中阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊表面虽也有褶皱，但比其他两种微胶囊更为圆滑，无明显裂缝，芯材较好地包裹在壁材材料中，表明在微胶囊壁材中添加纳米sio2使微胶囊更能在喷雾干燥过程中保持完整的结构。

2.2.5热稳定性

如图14所示，是三种微胶囊的dsc曲线，可知单层微胶囊，阿拉伯胶-双层微胶囊和阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊的降解均为吸热过程，熔融温度分别为82.51℃、127.84℃和156.12℃。可看出，二次包埋法提高了微胶囊的热稳定性。

2.2.6储藏稳定性

游离西番莲果皮花色苷和喷雾干燥微胶囊粉末样品在光照、温度(4℃、20℃、40℃和60℃)和相对湿度(11％、33％、53％和75％)下的稳定性。反应速率常数(k)、系数(r²)和半衰期(t1/2)测定值如表6所示。

表6不同储藏环境下微胶囊的反应速率常数(k)、系数(r²)和半衰期(t1/2)

a速率常数(k)右上方的不同大写字母表示同一列k有显著性差异(p<0.05)；

b速率常数(k)右上方的不同小写字母表示同一行k值有显著性差异(p<0.05)。

针对光照稳定性，双层微胶囊对花色苷的保护作用强于单层微胶囊；同时，添加纳米sio2的阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊半衰期比阿拉伯胶-双层微胶囊高了14.18％(表6)，说明纳米sio2添加到微胶囊壁材中可提高微胶囊的耐光性。

针对温度稳定性，温度较低情况(4℃和20℃)下，游离花色苷和微胶囊样品均稳定，无明显差异(p>0.05)；温度升高到40℃，游离花色苷稳定性开始大幅度下降，t1/2缩减到了87.45天，微胶囊化的花色苷(单层微胶囊、阿拉伯胶-双层微胶囊和阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊)则有效地保护了芯材；在60℃的环境下，这是最差的储藏条件，在实验过程中观察到四种样品颜色均有褪色，呈现褐黄色，原因是花色苷中主导红色的黄烊盐阳离子一部分转化为无色的甲醇假碱和淡黄色的查尔酮结构。

针对湿度稳定性，在干燥的环境条件(11％和33％)下，样品都具有较高稳定性；而相对湿度达到了75％，由于壁材是水溶性材料，壁材在吸湿后其渗透性和机械性能都会不同程度的改变，芯材暴露在高相对湿度环境下，结构向着不稳定方向变化，加速降解；阿拉伯胶/sio2-双层微胶囊在75％相对湿度下t1/2比游离花色苷提高了25.51％，纳米sio2可降低膜透水蒸气速率的结论，添加纳米sio2到微胶囊壁材中，也增加了微胶囊的阻湿性。

二次包埋法通过增加壁厚提高微胶囊稳定性，纳米sio2与阿拉伯胶的成功交联提高了微胶囊光稳定性和热稳定性，在高湿度条件下也可以保持较长的t1/2。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

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