趙 陽，謝巖黎

（河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

復乳化（W/O/W）-復凝聚-噴霧干燥法制備維生素B1微膠囊的研究

趙 陽，謝巖黎*

（河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001）

水溶性芯材包埋的方法復雜，包埋率較低。以明膠和阿拉伯膠為壁材，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶作為封端基劑，采用復乳化（W/O/W）-復凝聚-噴霧干燥法制備維生素B1微膠囊。研究結(jié)果表明：維生素B1微膠囊外觀呈球形，有典型凹陷，表面完整，囊壁的結(jié)構(gòu)對芯材有良好的保護作用；紅外圖譜顯示無新的化學鍵形成，表明明膠、阿拉伯膠是通過靜電相互作用形成膠囊；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為50.77℃，在室溫25℃時貯藏性質(zhì)較穩(wěn)定；D50粒徑是8.83 μm；微膠囊產(chǎn)品的包埋率為91.84%，復乳化（W/O/W）-復凝聚-噴霧干燥法能用于水溶性芯材的包埋。

維生素B1；微膠囊；復凝聚法；明膠；阿拉伯膠

網(wǎng)絡出版時間：2017-4-20 14:09:17

0 引言

維生素B1又名硫胺素，作為人體內(nèi)一種重要的輔酶，參與體內(nèi)糖、蛋白質(zhì)和脂肪等多種基本物質(zhì)的代謝[1]。硫胺素是一種易降解的維生素，在酸性條件下，對熱和光比較穩(wěn)定，在中性和堿性條件下很不穩(wěn)定。

始于20世紀30年代的微膠囊技術(shù)[2]是一種利用天然或合成的高分子材料，將分散的固體、液體甚至是氣體物質(zhì)包裹起來，形成具有半透性或密封囊膜的微型膠囊的技術(shù)。復凝聚法是微膠囊技術(shù)的方法之一，通過誘導修改兩種帶相反電荷的聚電解質(zhì)的去溶劑化過程[3]，由凝聚產(chǎn)生的微膠囊具有良好的緩釋性能和耐熱性能[4]，壁材結(jié)構(gòu)致密可以隔絕熱和光，從而對易降解的維生素B1起到很好的保護作用。本試驗以維生素B1作為芯材，采用復乳化[5－6]（W/O/W）-復凝聚-噴霧干燥法[7]研究營養(yǎng)素的微膠囊化，對水溶性維生素微膠囊化在食品中的應用具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

維生素B1（食品級）：鄭州明瑞化工產(chǎn)品有限公司；玉米油（食品級）：香港糧油（秦皇島）工業(yè)有限公司；明膠（食品級）：杭州群利明膠化工有限公司；阿拉伯膠（食品級）：蘇丹巨人阿拉伯膠樹膠公司；谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（食品級100 U/g）：泰興市東圣食品科技有限公司；芥酸蔗糖酯（ER-290）：日本三菱化學食品株式會社。

1.2 儀器與設備

TM2000小型噴霧干燥塔：德國GEA尼魯公司；BT-9300H激光顆度分布儀：丹東市百特儀器有限公司；E-6000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：上海亞榮生化儀器廠；Quanta200環(huán)境掃描電鏡：美國FEI公司；Q20差示掃描量熱儀：美國TA公司；WQF-510紅外圖譜分析儀：北京瑞利分析儀器公司；752型紫外可見分光光度計：上海美譜達儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 微膠囊的制備[8]

將2 g的維生素B1溶解在40 mL水中，倒入80 mL玉米油中，加入芥酸蔗糖酯（ER-290）[9]，高速乳化剪切（30 000 r/min，2～3 min）制得初乳。分別配制質(zhì)量分數(shù)為1%的明膠和阿拉伯膠溶液，兩者按1∶1比例混勻。將初乳（芯材∶壁材=1∶2）加到明膠和阿拉伯膠的混合溶液，乳化（10 000 r/min，3 min）制得復乳。40℃水浴，加入10%的醋酸溶液至pH=4.0。將微膠囊懸浮液置于冰浴中，冷卻至15℃以下，谷氨酰胺（15 U/g明膠）作為硬化壁材，低速攪拌1 h，微膠囊固化，pH值調(diào)整到6.0，得到微膠囊分散液。對微膠囊懸浮液進行噴霧干燥即可獲得干微膠囊。

1.3.2 微膠囊粒徑的測定

取初乳于燒杯中，以一定的比例加入無水乙醇溶液，用吸管取一滴于載玻片上，待晾干后放在顯微鏡下觀察，記錄數(shù)據(jù)和拍照。取復乳于燒杯中，以一定的比例加入蒸餾水，同上。取少量微膠囊于燒杯中以一定的比例加入無水乙醇，同上。

1.3.3 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微膠囊的超微結(jié)構(gòu)

在樣品臺上貼上一層雙面膠，將微膠囊粉末輕輕撒在上面并吹去多余的粉末，然后在樣品上噴金供SEM觀察，加速電壓為10 kV，觀察時間應盡可能短，以避免電子束長時間照射引起電子損傷。

1.3.4 微膠囊的傅里葉紅外圖譜掃描

將分析的明膠、阿拉伯膠和微膠囊置于烘箱內(nèi)，在105℃下干燥4 h，直至樣品的質(zhì)量不變，保存在干燥器中。稱取干燥的溴化鉀晶體置于瑪瑙研缽中進行研磨，直到晶體變?yōu)榉勰偌由倭繕悠?，繼續(xù)研磨達到充分混合。研磨后的混合物粉末灌注于壓膜器中壓片，隨后將透明薄片小心取出，放入樣品架上進行紅外掃描，波數(shù)的范圍在400～4 000 cm-1之間。

1.3.5 微膠囊產(chǎn)品的 DSC分析

稱取少量樣品加到DSC樣品盒中，以空白為參照，以5℃/min的速率從20℃加熱至100℃，記錄加熱過程中的熱量掃描曲線。

1.3.6 微膠囊產(chǎn)品包埋率的測定

微膠囊營養(yǎng)素總含量的測定[10]：精確稱取微膠囊約200 mg，加入去離子水，進行攪拌，研磨幾分鐘，再用乳化機使顆粒完全溶解破碎，等到微膠囊內(nèi)部芯材完全釋放出來，形成乳狀液，精確采用過濾漏斗將雜質(zhì)分離出來，離心，合并離心液，測定吸光度。

微膠囊表面營養(yǎng)素含量的測定：精確稱取微膠囊約200 mg，用20 mL乙醚振蕩萃取，重復3次，將所有濾液合并，精確采用分液漏斗將芯材萃取出來，用0.1 moL/L的鹽酸溶液溶解并稀釋定容，測定吸光度。

包埋率（%）=（1-微膠囊表面營養(yǎng)素的量/微膠囊總營養(yǎng)素的量）×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 維生素B1初乳和復乳的顯微鏡照片

圖1（a）為維生素B1初乳在顯微鏡下放大40倍的照片，圖1（b）為維生素B1復乳放大40倍的照片，在顯微鏡下，初乳、復乳顆粒都比較飽滿，乳狀液分布都較均勻，外觀比較圓滑，且分散度較好，但大部分復乳中包含有多個初乳顆粒，由照片可以看出，復乳的粒徑明顯比初乳的粒徑大，顯示出明顯的水包油包水的結(jié)構(gòu)，而小部分復乳只有單層結(jié)構(gòu)，只包含有單個初乳顆粒。

圖1 初乳、復乳的顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 The microscope photos of initial emulsion and multiple emulsion

2.2 微膠囊產(chǎn)品的粒徑分布

圖2 初乳、復乳和微膠囊粒徑分布比較Fig.2 Comparison of particle size distribution of initial emulsion,multiple emulsion and microencapsule

粒徑分布是判斷粒徑大小的重要因素，對粒徑分布而言，D50是關于粒徑分布的重要數(shù)值，它表示粒度分布比例達到50%時所對應的粒徑的大小。圖2可以看出同一水平下初乳、復乳和微膠囊的D50分別為10.65 μm、10.85 μm和8.83 μm，復乳的粒徑分布最大。長徑比和圓形度是表示顆粒表觀形態(tài)的兩個變量，長徑比越接近于1，顆粒越接近于球體?？芍?，微膠囊的長徑比和圓形度更接近于1，更接近于球體。在pH為4.0、明膠和阿拉伯膠的質(zhì)量分數(shù)分別為1%、維生素B1溶液∶玉米油=1∶2、初乳∶壁材=1∶2、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶作為封端基劑的條件下，形成水包油包水的結(jié)構(gòu)，制得維生素B1微膠囊，微膠囊的包埋率為91.84%，說明復凝聚法制備微膠囊具有很高的包埋率，壁材能有效地將維生素B1包埋其中。

2.3 微膠囊產(chǎn)品的掃描電鏡形態(tài)

圖3顯示，噴霧干燥的產(chǎn)品具有較好的單一性和完整性，表面有典型褶皺，但外觀依然呈現(xiàn)球形，表示壁材對芯材的包裹完整。噴霧干燥制得的微膠囊表面凹陷明顯，這與噴霧干燥過程中的霧化過程有關。在噴霧干燥過程中，在高速率的噴霧條件下，壁材的固化先于熱氣流造成的微膠囊膨脹，壁材的皺縮造成凹陷的形成[11]；也可能是由于在噴霧干燥時形成的小液滴，與熱空氣進行熱交換時，液滴水被蒸發(fā)對壁材層產(chǎn)生一定的沖擊力，而當水分大量蒸發(fā)形成微膠囊后，壁材層出現(xiàn)不均衡的回復，導致了這一現(xiàn)象。

圖3 不同倍數(shù)的微膠囊掃描電鏡圖Fig.3 Electron microscope scanning of microencapsule with different multiples

2.4 微膠囊的傅里葉紅外圖譜分析

圖4為明膠、阿拉伯膠和維生素B1的紅外光譜以及復合凝聚物固化后的紅外光譜比較。4種樣品的紅外掃描圖譜在 3 300～3 600 cm-1波長之間，明膠、阿拉伯膠、維生素B1的紅外圖譜都出現(xiàn)了極強的寬峰，這是—OH的吸收峰，因為這3種原料中都含有較多的羥基，在得到的微膠囊產(chǎn)品中也同樣在這個位置出現(xiàn)寬峰。在 1 645 cm-1處，明膠、阿拉伯膠的紅外圖譜中都出現(xiàn)特征峰，這是C＝C的伸縮振動峰，微膠囊產(chǎn)品也出現(xiàn)了較強吸收峰。

由維生素 B1的紅外圖譜可以看出在 1 350 cm-1處有極強的振動峰，這是 C—N鍵（芳基碳）的伸縮振動強度較大所致，而在微膠囊產(chǎn)品紅外圖譜中，此波數(shù)處并沒有明顯的伸縮振動現(xiàn)象；在復合凝聚物的紅外光譜上未發(fā)現(xiàn)存在于明膠、阿拉伯膠和維生素B1之外的特殊峰值，這說明了沒有新的化學鍵生成，它只是電荷相互吸引正、負離子的絡合物。

圖4 紅外光譜比較Fig 4 Infrared spectrometer of gelatin,gum Arabic, vitamin B1and microcapsule

2.5 微膠囊產(chǎn)品的DSC分析

微膠囊是由芯材和壁材這兩部分組成的，所以芯材和壁材的理化性質(zhì)會因為溫度受到影響，相對應的微膠囊的品質(zhì)以及性質(zhì)也會出現(xiàn)問題。

DSC可以用來測定食品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的大小，對食品的安全性、穩(wěn)定性和貯藏特性具有重要的影響。利用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的大小，可以判斷產(chǎn)品穩(wěn)定性。一般來說，產(chǎn)品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高，產(chǎn)品也就越穩(wěn)定。當樣品所處的外界環(huán)境的溫度低于Tg時，分子運動能量低，分子鏈段大部分處于“凍結(jié)”狀態(tài)，運動狀態(tài)幾乎為0，而且體系黏度非常高（1 010～1 014 Pa·s），分子的擴散速率很小，體系是處在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。相反，當樣品所處的外界環(huán)境高于Tg時，樣品變?yōu)橄鹉z態(tài)，黏度大幅度降低，分子擴散運動導致變化反應速率加快[12]。

由圖5維生素B1微膠囊產(chǎn)品DSC掃描圖譜可以看出，微膠囊產(chǎn)品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為50.77℃，高于常溫貯存溫度，微膠囊壁材的物理和化學變化較小。因此，微膠囊在常溫下貯存處于玻璃態(tài)，有利于芯材物質(zhì)的保存，性質(zhì)比較穩(wěn)定。

圖5 微膠囊產(chǎn)品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Fig 5 The glass transition temperature of microcapsule products

3 結(jié)論

（1）維生素B1初乳和復乳顆粒飽滿，分散度好，大部分復乳中包含有單個或多個初乳顆粒，顯示明顯的水包油包水的結(jié)構(gòu)；同一水平下初乳、復乳和微膠囊的D50分別為10.65 μm、10.85 μm和8.83 μm，復乳的粒徑分布最大；微膠囊的包埋率為91.84%，壁材能有效地將維生素B1包埋其中。

（2）微膠囊產(chǎn)品具有較好的單一性和完整性，表面有典型褶皺，但外觀依然呈現(xiàn)球形，表示壁材對芯材的包裹完整。

（3）在復合凝聚物的紅外光譜上未發(fā)現(xiàn)存在于明膠、阿拉伯膠和維生素B1之外的特殊峰值，說明沒有新的化學鍵生成。微膠囊產(chǎn)品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為50.77℃，因此，微膠囊產(chǎn)品在常溫下處于玻璃態(tài)，性質(zhì)穩(wěn)定。

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MICROENCAPSULATION OF VITAMIN B1BY MULTIPLE EMULSIONCOMPLEX COACERVATION-SPRAY DRYING

ZHAO Yang，XIE Yanli
（School of Food Science and Technology，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China）

The methods of embedding water-soluble core materials are complex and embedding rate is low.The vitamin B1microcapsule was prepared by multiple emulsion（W/O/W）-complex coacervation-spray drying while gelatin and gum Arabic as wall materials and transglutaminase as cross-linking agent.The results showed that the appearance of vitamin B1microcapsule was spherical，with typical depression，integrity surface，and the structure of the capsule wall had a good protective effect on the core material；Comparison of infrared spectrum of gelatin，gum Arabic，vitamin B1and microcapsule showed that there was no new chemical bond formation，which indicating that gelatin/gum Arabic capsule was formed by electrostatic interaction;the glass transition temperature was 50.77℃，and the storage property was stable at room temperature of 25℃；the D50range of grain diameter was 8.83 μm；the embedding rate of microcapsule products was 91.84%.It was concluded that the method of multiple emulsion（W/O/W）-complex coacervation-spray drying could be applied in the embedding of water-soluble core material.

vitamin B1；micro-encapsulation；complex coacervation；gelatin；gum Arabic

TS201.1

B

1673-2383(2017)02-0040-04

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170420.1409.014.html

2016-06-22

“十二五”國家科技支撐計劃課題（2014BAD04B10）

趙陽（1991—），女，河南漯河人，碩士研究生，研究方向為食品營養(yǎng)與安全。

*通信作者