正交試驗優化番茄紅素微膠囊化工藝

邱偉芬，李 敏，汪海峰，高瑀瓏

(南京財經大學食品科學與工程學院，江蘇省糧油品質控制與深加工技術重點實驗室，江蘇 南京 210046)

正交試驗優化番茄紅素微膠囊化工藝

邱偉芬，李 敏，汪海峰，高瑀瓏

(南京財經大學食品科學與工程學院，江蘇省糧油品質控制與深加工技術重點實驗室，江蘇 南京 210046)

以水溶性大豆多糖為壁材，對噴霧干燥法番茄紅素的微膠囊化工藝條件進行優化。通過單因素試驗和正交試驗考察壁材質量濃度、芯材壁材比、乳化劑含量、噴霧干燥進風口溫度、出風口溫度對番茄紅素微膠囊效率的影響作用，同時用掃描電子顯微鏡法(SEM)對產品進行了形態觀察。結果表明：最優工藝為壁材質量濃度0.28g/mL、芯材壁材比1:7、乳化劑質量分數2%、噴霧干燥進風口溫度160℃、出風口溫度88℃，所得微膠囊效率為91.8%，此番茄紅素微膠囊產品膜結構致密完整。水溶性大豆多糖為壁材噴霧干燥法對番茄紅素紅素進行微膠囊包埋具有可行性。

番茄紅素；微膠囊；水溶性大豆多糖；噴霧干燥

番茄紅素(lycopene)是類胡蘿卜素中的一種，它是許多類胡蘿卜素生物合成的中間產物，是一種功能性的脂溶性色素，具有清除自由基、抗氧化、誘導細胞間連接通訊、調控腫瘤增殖、心血管病防治等多種功能[1]，人體中存在番茄紅素，它與人體的健康關系密切[2]。由于番茄紅素分子中含不飽和雙鍵，因此它非常不穩定，在光、熱和氧的作用下容易氧化降解[3]，這就大大限制了其使用價值，提高番茄紅素在功能性產品中的可用性是近年來需進一步研究的一項核心技術。采用微膠囊技術對番茄紅素進行包埋，可以使番茄紅素與外界環境隔絕，保持其理化性質，提高溶解度和穩定性，促進其生理功能的發揮，最大限度地保護番茄紅素的生物活性。

理想的微膠囊壁材應具有以下主要特性：良好的乳化穩定性和成膜性；黏度低，易溶解；可食性，無異味等[4]。水溶性大豆多糖(soluble soybean polysaccharides，SSPS)是近年來研究較多的一種新型水溶性天然高分子材料，具有特殊的分子結構，它表現出良好的乳化性、分散性、穩定性、抗黏結性及成膜性等，因此受到人們越來越多的關注[5]。同時水溶性大豆多糖本身就是膳食纖維，兼有抗氧化性和免疫學活性，它作為食品添加劑已經得到了廣泛的研究與應用[6]，但大豆多糖作為壁材的研究還不多見，因此本研究選用水溶性大豆多糖作為番茄紅素的包埋材料，開發其作為微膠囊壁材的應用價值。目前，在番茄紅素微膠囊領域，開發新型壁材也是研究的一個熱點，已采用明膠、阿拉伯膠、β-環糊精、麥芽糊精和可變性淀粉等作為微膠囊化壁材，尚未見大豆多糖作為壁材制備番茄紅素微膠囊的報道。

本研究采用大豆多糖為壁材，對番茄紅素進行包埋處理，探討噴霧干燥法制備番茄紅素微膠囊的工藝條件，從而為實際生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

番茄紅素油樹脂(純度6%) 紅帆生物科技有限公司；番茄紅素標準品(純度＞90%) 美國Sigma公司；Soyafibe-S-DA100水溶性大豆多糖 日本不二制油公司；乙酸乙酯、石油醚沸程(30～60℃)、丙酮、吐溫-80和吐溫-20(均為分析純) 南京化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

HH-4型數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；JB25-M型電動攪拌機、DS-1型高速組織搗碎機 上海標本模型廠；L-117型噴霧干燥機 北京來亨科貿有限責任公司；722N型可見分光光度計 上海精密科學儀器有限公司；HG202-2(2A/2AD)電熱干燥箱 南京實驗儀器廠；UV2401PC紫外-可見連續掃描分光光譜儀 日本島津公司；3400N掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 番茄紅素微膠囊的制備

采用大豆多糖為壁材，對番茄紅素油樹脂進行包埋。將大豆多糖加入到一定量的蒸餾水中，并加入一定量吐溫－20，在80℃進行攪拌溶解，制成水相。同時，在避光條件下，將番茄紅素油樹脂加入到乙酸乙酯中，并加入一定量吐溫-80在60℃進行攪拌溶解后得到油相。將油相緩慢加入到水相中，并進行充分攪拌，使混合液溫度保持在80℃，以蒸發混合液中多余的有機溶劑，從而得到符合本試驗設計的固形物量含量的乳液，再經組織搗碎機均質(12000r/min、2min)后，番茄紅素充分被基質包裹，最后進行噴霧干燥即可得到粉末狀的番茄紅素微膠囊化產品。

1.3.2 番茄紅素微膠囊化效果測定

1.3.2.1 番茄紅素最大吸收波長的測定

稱取番茄紅素標準品適量，用適量乙酸乙酯溶解，配制成一定質量濃度標準溶液，在300～600nm波長范圍內進行掃描，結果顯示番茄紅素的吸收光譜在447.5、473.0nm和504.5nm處均出現較大的吸收峰，其中以473.0nm處的吸光度最大，故本研究選用此波長473nm來進行測定。

1.3.2.2 番茄紅素標準曲線的繪制

參照GB/T 14215—2008《番茄醬罐頭》中番茄紅素測定方法，進行改進制作番茄紅素標準曲線。具體如下：稱取0.0025g番茄紅素標準品溶解于適量乙酸乙酯中，完全轉移至50mL棕色容量瓶，定容，搖勻。分別吸取0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0mL置于50mL棕色容量瓶中，用乙酸乙酯定容，得到質量濃度為0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0μg/mL的番茄紅素標準溶液，在番茄紅素的最大吸收波長473nm處，以乙酸乙酯為空白對照，分別測定吸光度。以番茄紅素標準溶液質量濃度和相應吸光度分別為橫、縱坐標，繪制標準曲線，得線性擬合方程為：y＝0.0766x＋0.0127，R2＝0.9996。由此可知，番茄紅素在0～10.00μg/mL質量濃度范圍內，其質量濃度與吸光度存在良好的線性關系。

1.3.2.3 番茄紅素微膠囊中番茄紅素的測定

微膠囊中番茄紅素含量的測定：稱取番茄紅素微膠囊0.1g于錐形瓶中，加適量的水，反復振蕩使其充分溶解，然后加入石油醚與丙酮(1:1，V/V)的混合液，超聲波(頻率40kHz) 處理1min，番茄紅素完全溶于有機溶劑，如此反復提取，直至水相變為無色為止。將有機相合并，加入適量無水硫酸鈉進行脫水處理，于可見分光光度計在473nm處測定吸光度，對照標準曲線計算番茄紅素含量。

微膠囊表面番茄紅素含量的測定：稱取番茄紅素微膠囊0.1g于50mL具塞試管中，加入10mL石油醚，振蕩1min，真空抽濾將濾液與不溶物質分離，不溶物質中加入石油醚多次提取至提取液無色，石油醚提取液合并后，于可見分光光度計在473nm處測定吸光度，對照標準曲線計算番茄紅素含量。

1.3.2.4 番茄紅素微膠囊化效率評定

微膠囊效率是評價所制備的微膠囊產品質量的重要指標。微膠囊效率高表明芯材裸露在微膠囊表面的數量少，與外界環境接觸的機會少，產品的穩定性高，便于長時間貯藏。按照式(1)計算微膠囊效率。

1.3.3 番茄紅素微膠囊制備單因素試驗

分別設不同水平，分析壁材質量濃度、芯壁比、乳化劑含量、進風口溫度和出風口溫度5個單因素對微膠囊化效果的影響。

1.3.4 番茄紅素微膠囊制備正交試驗

在單因素試驗基礎上，采用L16(45)正交試驗，設計5因素4水平試驗，通過正交試驗及方差分析來確定優化番茄紅素微膠囊的最佳工藝條件。

1.3.5 番茄紅素微膠囊產品的掃描電鏡形態

參照文獻Rosenberg[7]、謝良[8]和鄧宇峰[9]等的方法。具體如下：取適量番茄紅素微膠囊樣品，使其均勻分散在雙面膠上面，然后粘于樣品臺上，用離子濺射器噴一層150的金粉于微膠囊樣品的表面，最后采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)，觀察番茄紅素微膠囊的表面形態結構。加速電壓10kV，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。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 壁材質量濃度對微膠囊化的影響

選擇乳化劑添加量2%、芯材壁材比例1:4、進風口溫度160℃、出風口溫度90℃，考察不同壁材質量濃度對番茄紅素微膠囊效率的影響。

圖1 壁材質量濃度對番茄紅素微膠囊化效果的影響Fig.1 Effect of wall material concentration on lycopene microencapsulation

由圖1可知，在0.1～0.25g/mL范圍內，隨壁材質量濃度的增大，微膠囊效率逐漸增大；當質量濃度超過0.25g/mL時，微膠囊效率基本不變，壁材質量濃度為0.25～0.30g/mL時，微膠囊的效率達到最高，大約為82.7%。這是因為壁材質量濃度提高，有利于噴霧干燥過程中囊壁致密結構的形成；同時，由于壁材質量濃度的增加，縮短了玻璃態形成時間，減弱了番茄紅素向囊壁表面的擴散和遷移，番茄紅素能更好的持留，所以微膠囊效率有所提高。當壁材質量濃度較低時，乳化液中的水分含量相對較多，干燥過程中蒸發的水分增加，液滴的成膜速度減慢，番茄紅素向外的擴散增多，微膠囊效率會降低。但當壁材質量濃度大于0.30g/mL后，由于壁材質量濃度的增大，會給乳化液的霧化造成困難，霧滴顆粒在干燥塔內的粘附很嚴重，故選擇壁材質量濃度為0.25g/mL較為合適。

2.1.2 芯材壁材比例的選擇

選擇壁材質量濃度0.25g/mL，其他條件同2.1.1節，研究不同芯材壁材比例對番茄紅素微膠囊效率的影響。

圖2 芯材壁材比對番茄紅素微膠囊化效果的影響Fig.2 Effect of ratio of core material to wall material on lycopene microencapsulation

從圖2可知，當芯材壁材比例從1:2變化到1:4時，微膠囊效率顯著增加，芯材壁材比例在1:4時達到最高，為72.1%，而當芯材壁材比例超過1:4時，微膠囊效率逐漸下降，當芯材壁材比例小于1:6時，微膠囊效率沒有明顯變化。其原因可能是隨著壁材比例的逐漸增加，形成的微膠囊囊壁致密，有利于番茄紅素的持留，微膠囊效率有所升高；但當壁材比例繼續增加時，微膠囊效率有所下降，可能是由于壁材比例較大時，微膠囊粉末流動性變差，出現黏著現象；芯材含量過高，壁材分子表面吸附的番茄紅素相應增加，暴露在表面的番茄紅素易揮發和發生降解，從而使番茄紅素微膠囊效率降低，故選擇合適的芯壁質量比為1:6。

2.1.3 乳化劑含量的選擇

選擇芯材壁材比例1:6，其他條件同2.1.2節，研究不同乳化劑含量對番茄紅素微膠囊效率的影響。

圖3 乳化劑含量對番茄紅素微膠囊化效果的影響Fig.3 Effect of emulsion content on lycopene microencapsulation

從圖3可知，乳化劑質量分數含量在0～2%范圍內，微膠囊效率上升，在2%～4%內，微膠囊效率變化很小?？傮w來講，乳化劑含量對包埋效果影響不明顯，其原因可能是由于大豆多糖乳化液油水界面膜的強度大，其乳化穩定性較高。但是在制備微膠囊時，不添加乳化劑的乳化液的穩定性差，不利于乳化液霧化成小液滴分散到熱氣流中，故成膜性不好，微膠囊效率低；而添加適量的乳化劑可以得到穩定性較高、分散性較好的的乳化液，有利于提高微膠囊效率；王俊華等[10]研究表明，乳化劑用量太多，會導致制備的微膠囊產品粒徑過小，相對表面積增大，微膠囊易相互黏連，過多的乳化劑還會影響產品的風味等性質。因此應選取一個最適添加量，在本研究中乳化劑含量選擇2%比較適宜。

2.1.4 進風口溫度的選擇

選擇乳化劑添加量2%，其他條件同2.1.3節，研究不同進風口溫度對番茄紅素微膠囊效率的影響。

圖4 進風口溫度對番茄紅素微膠囊化效果的影響Fig.4 Effect of inlet temperature on lycopene microencapsulation

由圖4可知，隨著進風口溫度升高，番茄紅素微膠囊效率顯著增大，在進風口溫度為160℃時番茄紅素微膠囊效率最高，但當溫度超過160℃，微膠囊效率反而下降。由此可見，適當提高進風口溫度有利于番茄紅素的包埋效果。由于提高了進風口溫度，霧化后液滴等速干燥階段的時間縮短，使得水包油(O/W)微細液滴表面水分迅速蒸發，形成完整致密的微膠囊膜結構，即促進微膠囊的玻璃化轉變，番茄紅素的持留能力增加。在微膠囊制備過程中，當噴霧干燥進風口溫度低于150℃時，液滴顆粒較大，易黏結在干燥塔的塔壁上面，而只有細小的顆粒通過旋風分離器被收集，從而微膠囊效率較低；另外，進風口溫度低，蒸發能力相對減弱，液滴表面膜結構形成所需時間較長，液滴不能充分干燥，導致產品水分含量過高，從而影響其流動性。當進風口溫度超過160℃時，由于水分迅速蒸發導致微膠囊表面產生裂縫和凹痕，壁材成膜性降低，從而使得微膠囊中的番茄紅素暴露或向囊壁擴散，番茄紅素的持留能力減弱，微膠囊效率下降，為避免在高溫下出現“焦粉”現象及番茄紅素的降解，進風口溫度在160℃較為合適。許多研究[11-14]表明，進風口溫度會影響噴霧干燥速度和干燥能力；同時，也影響微膠囊產品的顆粒結構，吸濕性和熱穩定性。因此本研究噴霧干燥過程中選用的進風口溫度為160℃。

2.1.5 出風口溫度的選擇

選擇進風口溫度160℃，其他條件同2.1.4節，分析不同出風口溫度對番茄紅素微膠囊效率的影響。

圖5 出風口溫度對番茄紅素微膠囊化效果的影響Fig.5 Effect of outlet temperature on lycopene microencapsulation

由圖5 可知，微膠囊效率隨著出風口溫度的升高而逐漸增大，在90℃時達到最大，但是出風口溫度高于95℃，番茄紅素微膠囊效率明顯下降。適當提高出風口溫度，可以縮短物料減速干燥階段的時間，使微膠囊壁快速形成致密結構，降低番茄紅素的揮發損失，從而提高微膠囊效率；同時微膠囊產品中水分含量也明顯降低，有利于提高產品的貯存期。出風口溫度過低時，干燥時間長，會加速番茄紅素的氧化降解，導致微膠囊效率下降；并且微膠囊產品水分含量高會造成產品保存性變差，容易產生黏結現象。出風口溫度過高，會使微膠囊過度受熱，出現裂縫，降低產品質量。因此本研究噴霧干燥過程中選用的出風口溫度為90℃。

2.2 番茄紅素微膠囊化工藝正交試驗優化

表1 番茄紅素微膠囊化工藝優化正交設計和結果Table 1 Trials of orthogonal array design and experimental results

表2 正交試驗結果方差分析Table 2 Analysis of variance of orthogonal array design

采用正交試驗對番茄紅素微膠囊工藝進行優化，以大豆多糖作為番茄紅素微膠囊壁材，乳化劑添加量為2%，考察壁材質量濃度、芯壁質量比、進風口溫度、出風口溫度對微膠囊效率的綜合影響，設計了5因素4水平正交試驗L16(45)，試驗結果及方差分析分別見表1、2。

由表2可知，當以微膠囊效率為指標時，綜合評價極差大小結果顯示各因素作用主次順序為A＞B＞D＞C，即壁材質量濃度＞芯壁質量比＞出風口溫度＞進風口溫度。由方差分析結果可以看出，當置信水平a＝0.01時，由于FA＞F0.01，FB＞F0.01，說明壁材質量濃度、芯壁質量比對微膠囊效率影響極顯著，進風口溫度、出風口溫度對微膠囊效率影響不顯著。當置信水平a＝0.05，FA＞F0.05，FB＞F0.05，說明壁材質量濃度、芯壁質量比對微膠囊效率影響顯著，進風口溫度、出風口溫度對微膠囊效率影響不顯著。

綜合表1、2直觀分析與方差分析，確定了噴霧干燥法制備番茄紅素微膠囊工藝的最優組合為A4B4C2D2，即工藝條件為壁材質量濃度0.28g/mL、芯壁質量比1:7、進風口溫度160℃和出風口溫度88℃。在此條件下進行3次平行實驗，所得番茄紅素微膠囊平均效率為91.8%。正交試驗結果與單因素試驗結果有差別，其原因可能是各種因素之間的交互作用的影響。

2.3 番茄紅素微膠囊產品的電鏡掃描形態

圖6 番茄紅素微膠囊掃描電鏡圖(×600)Fig.6 Scanning electron microscope micrograph of lycopene microcapsule (×600)

從圖6可觀察到，本實驗所制備的番茄紅素微膠囊顆粒大多呈橢圓形或圓球形，除少數顆粒表面有凹陷以外，整個表面平滑、連續、無裂痕，說明微膠囊產品具有良好的流動性；番茄紅素微膠囊的膜結構致密完整，可以有效阻止氧氣、光線、水分子進入到微膠囊內部，達到保護番茄紅素的目的。

本研究制備的番茄紅素微膠囊產品少數顆粒表面有凹痕，與相關文獻的結果一致。噴霧干燥法制備的微膠囊產品表面會出現凹痕是正?，F象，Nilsson等[15]認為，凹痕的形成是由霧化液滴在干燥和冷卻過程中發生收縮而導致的。凹痕的存在對微膠囊化的效果影響較小，但是不利于微膠囊產品的流動和分散。因此，在微膠囊制備過程中應盡量消除或減輕導致凹痕形成的因素。Pedroza-Ialas等[16]和Vernon-Carter等[17]研究表明，利用空氣或水蒸氣的熱膨脹加快霧化液滴的干燥速率，可減少凹痕的形成。微膠囊表面不光滑平整，原因是在微膠囊制備過程中，壁材物質在芯材物質周圍交織，當溶液中的水分受熱蒸發時，壁材物質中的大量支鏈和環狀結構形成薄膜，將芯材物質包埋其中，但是壁材種類不同，分子間的作用效果也不同，由于本研究采用的大豆多糖分子之間的結合作用力不同，導致微膠囊囊壁的厚度不同，使其表面凹凸不平。

3 結 論

本研究采用大豆多糖為壁材，采用噴霧干燥法對番茄紅素進行微膠囊化處理，通過單因素試驗和正交試驗考察了壁材質量濃度、芯材壁材比、乳化劑含量、噴霧干燥進風口溫度、出風口溫度等因素對番茄紅素微膠囊效率的影響作用，同時用SEM法對產品進行了形態觀察。試驗優化結果為壁材質量濃度0.28g/mL、芯材壁材比為1:7、乳化劑含量2%、噴霧干燥進風口溫度160℃、出風口溫度88℃，所得微膠囊效率為91.8%，此番茄紅素微膠囊產品膜結構致密完整，因此，水溶性大豆多糖為壁材噴霧干燥法對番茄紅素進行包埋是有可行性的。本研究為大豆多糖應用于番茄紅素的微膠囊化提供了一定理論依據。

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Optimization of Lycopene Microencapsulation by Orthogonal Array Design

QIU Wei-fen，LI Min，WANG Hai-feng，GAO Yu-long
(Jiangsu Provincial Key Laboratory of Quality Control and Further Processing of Food and Oils, College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210046, China)

Lycopene microcapsulation was prepared by spray-drying method using a wall system consisting of soluble soybean polysaccharides (SSPS). The microencapsulation efficiency was optimized by single factor and orthogonal array design experiments. Factors such as wall material concentration, ratio of core and wall material, contents of emulsifier, inlet temperature and outlet temperature were thoroughly studied. Scanning electron microscope was also employed to observe the product appearance. The optimal condition was determined to be 0.28 g/mL, 1:7, 2%, inlet temperature at 160 ℃, and outlet temperature at 88 ℃, respectively. The microencapsulation efficiency of products obtained under these conditions was 91.8%. The structure of the microencapsulated lycopene product is compact and complete. Microencapsulating by spray-drying of lycopene using SSPS is feasible.

lycopene；microencapsulation；soluble soybean polysaccharide；spray-drying

TS202.3

A

1002-6630(2012)10-0045-06

2012-02-04

江蘇省自然科學基金項目(BK2008364)；江蘇省高校自然科學研究資助項目(07KJB550033)

邱偉芬(1965—)，女，教授，博士，研究方向為食品分析及天然物的提取。E-mail：weifenqiu@yahoo.com.cn