克氏原螯蝦殼蝦青素微膠囊化研究

克氏原螯蝦殼蝦青素微膠囊化研究

蝦青素也被稱為“蝦黃素”和“蝦黃素”。由于其含有較長的共軛雙鏈和飽和-羥基酮，因此具有較強(qiáng)的抗逆性。這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最具抗逆性的藥物。它的抗逆性可以達(dá)到天然土壤。微膠囊化是一種將固體、液體、氣體等物質(zhì)包埋在微小封閉膠囊內(nèi)的方法目前有關(guān)蝦青素的研究基本都集中在蝦青素提取工藝方面,對蝦青素微膠囊包埋技術(shù)的研究鮮有報道。本研究應(yīng)用β-環(huán)糊精和阿拉伯膠包埋法將克氏原螯蝦殼蝦青素制成一種抗氧化緩釋微膠囊,并對影響包埋效果的因素進(jìn)行了詳細(xì)地探討,旨在為解決蝦青素在食品工業(yè)中應(yīng)用的局限性提供參考。1實驗試劑和試劑克氏原螯蝦:盱眙龍盛龍蝦養(yǎng)殖場;蝦青素標(biāo)準(zhǔn)品:美國西格瑪投資集團(tuán)有限公司;多孔淀粉:遼寧立達(dá)生物科技有限公司;β-環(huán)糊精:國藥化學(xué)試劑有限公司;麥芽糊精、阿拉伯膠:成都格雷西亞化學(xué)技術(shù)有限公司;其余試劑均為國產(chǎn)分析純。1.2tdl-40c溶液用量WF180萬能粉碎機(jī):上海光學(xué)儀器廠;RE-2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器:上海亞榮生化儀器廠;SHA-C恒溫水浴振蕩器:上海醫(yī)療器械廠;TDL-40C低速大容量離心機(jī):上海安亭科學(xué)儀器廠;TU-1900紫外-可見分光光度計:北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;Y92–DN超聲波細(xì)胞粉碎機(jī):寧波新芝生物科技股份有限公司;T09-1S磁力攪拌器:上海司樂儀器有限公司;GJB60-70高壓均質(zhì)機(jī):常州市均質(zhì)機(jī)械有限公司;LPG-5高速離心噴霧干燥機(jī):常州一步干燥設(shè)備有限公司。1.3蝦頭、尾及殼的制備新鮮螯蝦沸水煮制2min后自然冷卻,剝除蝦仁和內(nèi)臟,流水洗凈蝦頭、尾及殼,避光、密封于-20℃?zhèn)溆?。試驗前用萬能粉碎機(jī)粉碎,過篩后使用。1.3.2超聲-丙酮法取一定質(zhì)量的蝦殼粉,加入20倍體積的丙酮溶液浸泡2h,超聲處理30min后離心,取上清液,重復(fù)3次,混合上清液,于60℃旋轉(zhuǎn)蒸干后用丙酮溶解并定容至10mL1.3.3微膠囊的制備1)水相制備:稱取一定量的壁材,加入適量水和0.2%司盤-80混勻,磁力攪拌器恒溫攪拌30min;2)油相制備:蝦青素丙酮溶液加入大豆油中,混勻,氮?dú)獯党?加入0.1%的吐溫-80,磁力攪拌器攪拌10min3)微膠囊制備:水相置于恒溫磁力攪拌器中攪拌(轉(zhuǎn)速1200r/min),緩慢滴加油相,再加適量水調(diào)節(jié)至合適濃度,高壓均質(zhì)機(jī)均質(zhì)后備用;4)噴霧干燥:混合液在進(jìn)風(fēng)溫度185℃、出風(fēng)溫度85℃~95℃條件下噴霧干燥,得到蝦青素微膠囊粉。1.3.4各因素對微膠囊化效果的影響以壁材種類(多孔淀粉、β-環(huán)糊精、麥芽糊精、80%多孔淀粉+20%阿拉伯膠、80%β-環(huán)糊精+20%阿拉伯膠、80%麥芽糊精+20%阿拉伯膠),壁材質(zhì)量濃度(0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35g/mL),蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%),攪拌時間(20、30、40、50、60、70、80min),攪拌溫度(25、30、35、40、45、50、55℃)為因素,微膠囊包埋率為評價指標(biāo),考察各因素對蝦青素微膠囊化效果的影響。1.3.5微膠囊化效果評價1.3.5.標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制分別吸取0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50mL,1.0mg/mL蝦青素標(biāo)準(zhǔn)溶液于比色管中,丙酮定容至50mL,混合均勻后在478nm波長下測定吸光度,以蝦青素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo),吸光度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明蝦青素在10μg/mL~50μg/mL范圍內(nèi)線性回歸方程為y=0.0086x-0.0065,相關(guān)系數(shù)為0.9995,結(jié)果符合朗伯比爾定律,方程可用于蝦青素含量的測定。1.3.5.微膠囊表面蝦青素含量的測定準(zhǔn)確稱取0.5g干燥后的蝦青素微膠囊粉,加20mL正己烷,反復(fù)振蕩提取至無色,混合提取液,離心分離后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干,復(fù)溶于丙酮,在478nm下測吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算微膠囊表面蝦青素含量1.3.5.微膠囊的提取與包埋率的測定準(zhǔn)確稱取0.5g干燥后的蝦青素微膠囊粉,加20mL水?dāng)嚢璩删惑w系,再加入20mL丙酮,反復(fù)振蕩提取至無色,混合提取液,無水硫酸鈉脫水,離心分離后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干,復(fù)溶于丙酮,在478nm下測吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算微膠囊中蝦青素總含量,并根據(jù)如下公式計算微膠囊包埋率。2結(jié)果與分析2.1淀粉與阿拉伯膠復(fù)配的微囊化效果壁材種類直接決定了芯材的包埋數(shù)量、緩釋效果和貯藏穩(wěn)定性,也影響了成品的溶解性和流動性由圖1可知,3種淀粉類壁材(多孔淀粉、β-環(huán)糊精和麥芽糊精)單獨(dú)使用時,多孔淀粉對蝦青素的包埋率最低(38.81%),而β-環(huán)糊精的包埋率最高(62.88%)。這可能是因為分子量不同造成的。雖然多孔淀粉具有較大比孔容和比表面積,但仍屬淀粉,分子量巨大;麥芽糊精是淀粉水解的產(chǎn)物,分子量介于100~5000之間,部分可以達(dá)到15000以上;而β-環(huán)糊精分子量是三者中最小的,僅為1134.98。單位質(zhì)量淀粉類壁材溶入水中,β-環(huán)糊精分子數(shù)量最多,與蝦青素形成微膠囊的可能性也最大由圖1還可知,3種淀粉與阿拉伯膠復(fù)配形成的壁材膠囊化效果均優(yōu)于單獨(dú)使用。這主要是因為以β-環(huán)糊精、麥芽糊精為代表的淀粉類壁材不但吸水性好、吸油能力強(qiáng),易干燥,不吸潮,還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性,分散在水及其它溶劑中能保持明顯的結(jié)構(gòu)完整性2.2壁材質(zhì)量濃度對微膠囊包埋率的影響壁材添加量對微膠囊化效果的影響見圖2。由圖2可知,當(dāng)壁材質(zhì)量濃度為0.05g/mL,微膠囊包埋率僅為13.83%,這主要是因為較少的壁材難以使蝦青素完全包埋于其形成的封閉結(jié)構(gòu)中,存在于微膠囊表面的蝦青素在噴霧干燥過程容易受到高溫影響而失去活性。隨著壁材質(zhì)量濃度的不斷增加,包埋率也隨之增加。當(dāng)壁材質(zhì)量濃度達(dá)到0.20g/mL時,微膠囊包埋率達(dá)到最大值(80.15%)。這主要是因為壁材濃度的增加,提高了單位體積中壁材和芯材的碰撞機(jī)率,加快了微膠囊的凝聚速度;同時,壁材濃度的增加使得溶液黏度增大,而高黏度的凝聚相更有利于其在蝦青素表面的鋪展,并形成更穩(wěn)定的微膠囊結(jié)構(gòu)當(dāng)壁材添加量大于0.20g/mL時,繼續(xù)增加壁材質(zhì)量濃度,微膠囊包埋率緩慢下降。這可能是因為當(dāng)壁材質(zhì)量濃度為0.20g/mL時,芯材已經(jīng)基本趨于飽和,如繼續(xù)增加,過多的壁材通過分子鍵聚集使得溶液黏度增大,這既降低了壁材和壁芯的擴(kuò)散速度2.3微膠囊包埋率芯材添加量對微膠囊化效果的影響見圖3。由圖3可知,當(dāng)芯材添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.50%~2.50%范圍內(nèi),蝦青素包埋率基本維持在80%左右的高位,變化幅度很小。這主要是因為在此范圍內(nèi),壁材足量而且濃度適宜,能基本完全包裹蝦青素。包埋率出現(xiàn)少許波動可能是由噴霧干燥時水分蒸發(fā)量不同造成干燥溫度略有差異造成的。當(dāng)蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.50%時,隨著蝦青素添加量的不斷增加,包埋率略有下降,這說明0.2g/mL的β-環(huán)糊精+阿拉伯膠混合壁材最適與2.50%的蝦青素進(jìn)行微膠囊化。繼續(xù)增加蝦青素添加量,會造成芯壁比過大,微膠囊囊壁變薄而不穩(wěn)定由圖4可知,在25℃時,蝦青素包埋率僅為23.72%,這主要是因為在較低溫度下,β-環(huán)糊精在水溶液中的溶解度較小,即使有阿拉伯膠的懸浮作用,仍有較多的β-環(huán)糊精析出,因此不能提供足夠多分子狀態(tài)的β-環(huán)糊精與蝦青素相互結(jié)合;隨著溫度的升高,壁材和芯材分子擴(kuò)散速度增加,蝦青素分子與β-環(huán)糊精和阿拉伯膠分子碰撞的幾率也增大,有利于微膠囊的形成;另外逐漸增加的溫度也使得溶液黏度降低,蝦青素滲透能力增加,易向β-環(huán)糊精內(nèi)部擴(kuò)散而形成微膠囊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由圖5可知,在短時間內(nèi)(20min),微膠囊包埋率很低(僅有55.32%)。隨著攪拌時間的延長,微膠囊包埋率快速增大,這可能是因為β-環(huán)糊精包埋反應(yīng)主要靠分子產(chǎn)生的空間位阻和水的排斥作用來吸附物質(zhì),吸附緩慢且耗時較長,而磁力攪拌能在短時間內(nèi)使得分子擴(kuò)散速度快速增加。當(dāng)攪拌時間達(dá)到50min時,蝦青素包埋率達(dá)到最大值(87.89%),此時β-環(huán)糊精包埋反應(yīng)處于動態(tài)平衡狀態(tài),芯材洗脫、溶解的逆向反應(yīng)與吸附、包埋的正向反應(yīng)基本平衡2.6box-benhnken試驗設(shè)計及結(jié)果對比4種可變因素對包埋率影響的結(jié)果可知,在因素的變化范圍內(nèi),壁材變化量對包埋率的影響最大(極差=66.32%),其次是攪拌溫度(極差=64.09%),而攪拌時間對包埋率的影響最小(極差=32.57%)。因此固定攪拌時間為50min,以蝦青素包埋率為響應(yīng)值,采用Box-Benhnken中心組合設(shè)計原理對壁材添加量、芯材添加量、攪拌溫度3個因素繼續(xù)優(yōu)化。因素水平編碼見表1,試驗方案與結(jié)果見表2。采用sas軟件對Box-Benhnken試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析見表3。由方差分析結(jié)果(表3)可知,回歸方程一次項中X利用sas軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合,得到蝦青素包埋率對X2.6.2微膠囊化發(fā)酵劑包埋率低的影響因素分別將模型中X由圖6~圖8可知各因素的等高線圖呈橢圓形,這表面這些因素在較低水平均對包埋率均有促進(jìn)作用;但較高的水平又不利于微膠囊化生產(chǎn)。由響應(yīng)曲面圖可知,圖形上凸,這說明各因素的協(xié)同作用明顯,即一個因素的增加促進(jìn)了另一個因素對包埋率的影響。2.6.3試驗驗證試驗由sas軟件擬合二次回歸模型得出最優(yōu)條件和最優(yōu)值,結(jié)果見表4。由表4可知,當(dāng)包埋率最大時,X為驗證估算結(jié)果與實際情況的吻合程度,進(jìn)行驗證試驗,試驗結(jié)果為92.89%,與估算結(jié)果基本符合。因此確定微膠囊化制備最佳工藝條件為壁材添加量0.19g/mL、芯材添加量2.68%、攪拌溫度為40.9℃,此條件下蝦青素包埋率達(dá)到92.89%。3響應(yīng)面法優(yōu)化克氏原螯蝦殼蝦青素微膠囊制備工藝以包埋率為指標(biāo),探討壁材種類、壁材添加量、芯材添加量、攪拌時間、攪拌溫度等因素對蝦青素微膠囊化效果的影響,并通過Box-Behnke