微膠囊賴氨酸制備工藝及其緩釋效果的研究

?；?，祝愛俠，常 杰，謝中國，過世東，*

(1.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫 214122; 2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)動物科技學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000)

微膠囊賴氨酸制備工藝及其緩釋效果的研究

?；?，2，祝愛俠1，常 杰2，謝中國1，過世東1，*

(1.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫 214122; 2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)動物科技學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000)

為了制備在蝦類配合飼料里能被吸收利用的賴氨酸微膠囊(M－Lys)，分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的玉米醇溶蛋白(Zein)(溶于75%乙醇溶液，并以3%油酸為包衣液增塑劑)和聚丙烯酸樹脂混合液(Resin)(溶于75%乙醇溶液，并以5%檸檬酸三乙酯為包衣液增塑劑)為壁材，采用流化床空氣懸浮法制備M－Lys，采用正交實驗優(yōu)化了微膠囊包埋工藝條件:包衣室溫度45℃、包衣液速度100mL/min及噴霧壓力0.12MPa。在此條件下，所得Zein微膠囊包埋率為82.3%; Resin微膠囊包埋率為80.3%。經(jīng)SEM觀察顆粒外形不規(guī)則，大小不均勻，無晶體棱角，結(jié)果表明Zein和Resin對多棱角的晶體賴氨酸(C－Lys)具有較好的包埋效果。兩種M－Lys在人工模擬胃液60min內(nèi)賴氨酸的累積溶解釋放率分別為16.6%(Zein)和32.8%(Resin)，顯著低于在相同時間內(nèi)未包被賴氨酸的溶解率。

微膠囊，流化床，晶體賴氨酸，工藝優(yōu)化，緩釋

賴氨酸是飼料工業(yè)中的第一大氨基酸［1］。在養(yǎng)殖動物日糧中添加賴氨酸已廣泛應(yīng)用，但是在反芻動物［2］和某些種類的水產(chǎn)動物［3－4］尤其是蝦類［5－6］的日糧中直接添加晶體賴氨酸沒有良好的效果，其主要是由于飼料中蛋白質(zhì)結(jié)合氨基酸在動物消化道內(nèi)吸收不同步造成的。因此，應(yīng)選擇適宜壁材，采用包被或微膠囊工藝制備緩釋氨基酸，是解決此問題的理想途徑。這也使得晶體氨基酸的微膠囊工藝、保護(hù)效果及其利用技術(shù)一直成為了氨基酸營養(yǎng)性添加劑研究的熱點。目前，國內(nèi)外已成功利用包被技術(shù)對反芻動物瘤胃氨基酸［7］和魚類氨基酸進(jìn)行包被［8］，而制備蝦飼用賴氨酸微膠囊還未有報道。選擇適合的壁材和工藝條件是制備賴氨酸微膠囊的關(guān)鍵，而制備蝦類飼用賴氨酸微膠囊必須符合的條件:其一是耐高溫，不溶或緩溶于水;其二是顆粒大小適中≤60目，且分布均勻;其三是流動性好，便于混合均勻等。根據(jù)L－賴氨酸鹽酸鹽特性，可采用流化床空氣懸浮法工藝制備賴氨酸微膠囊。流化床空氣懸浮法是最經(jīng)典的微膠囊化方法之一［9－10］，已廣泛應(yīng)用于食品、化工、藥物、陶瓷、聚合物、飼料等行業(yè)中［11－16］。本實驗著重探討壁材種類選擇、包衣液濃度、包衣液流速、噴霧形式等因素對賴氨酸微膠囊化效率的影響，并對制備的微膠囊產(chǎn)品進(jìn)行了表征和體外釋放的研究，以期制備出符合在蝦類日糧中添加的賴氨酸微膠囊作為飼料營養(yǎng)性添加劑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

L－賴氨酸鹽酸鹽 Lys有效含量78.8%，安迪蘇(Adisseo)，無錫大江集團(tuán);玉米醇溶蛋白(Zein) 江蘇吳江市八坼藥用輔料廠;聚丙烯酸樹脂II和III (藥用腸溶型Resin II) 連云港萬泰醫(yī)藥材料有限公司;油酸(增塑劑)、檸檬酸三乙酯(TEC增塑劑)、無水乙醇 均為化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

FLP－型流化床制粒包衣機(jī) 常州市奇琪干燥制粒設(shè)備有限公司;FW100型高速粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司;NDL型旋轉(zhuǎn)式粘度計 上海精密科學(xué)儀器有限公司;高效液相色譜儀(Agilent 1100)

美國安捷倫公司;Quanta－200型掃描電子顯微鏡(SEM) 荷蘭FEI公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預(yù)處理 將晶體賴氨酸用高速粉碎機(jī)粉碎成粉末(粒徑≤60μm)。

1.2.2 賴氨酸微膠囊制備流程 將玉米醇溶蛋白和薄膜包衣預(yù)混劑(Resin II和 Resin III)分別溶入75%乙醇溶液中，加入3%的油酸和檸檬酸三乙酯(TEC)分別作為兩種溶液的增塑劑，攪拌使其完全溶解脫泡，40℃水浴恒溫形成穩(wěn)定均勻的包衣液。取500g L－賴氨酸鹽酸鹽粉末置入流化床包衣室中，通入壓縮空氣使顆粒懸浮在包衣室。設(shè)置一定的包衣液流速(V)，包衣室溫度(T)，噴霧壓力(P)，進(jìn)行流化床制粒包衣。噴入一定量的包衣材料，重復(fù)此包埋過程，直到涂層(壁材)達(dá)到所需要的微膠囊厚度。然后45℃流化干燥5min，制得賴氨酸微膠囊。

1.2.3 賴氨酸微膠囊化工藝條件參數(shù)優(yōu)化實驗 采用正交實驗，以微膠囊包埋效果(微膠囊包埋效率)為評價指標(biāo)，設(shè)計3因素3水平正交實驗(見表1)，考察各因素對微膠囊包埋效果的影響，以確定賴氨酸微膠囊包埋的最佳工藝參數(shù)。

1.3 賴氨酸微膠囊化的效果評定

粘度的測定:取一定量不同配比的包衣液，分別在30、40和50℃條件下通過粘度計測定其粘度。微膠囊化效果用微膠囊包埋效率來衡量，其公式如下。

表1 賴氨酸微膠囊工藝優(yōu)化正交實驗表Table 1 Orthogonal experiments on microencapsulation technology parameter

取5g賴氨酸微膠囊產(chǎn)品置于盛有50mL去離子水的燒杯中，使表面晶體賴氨酸鹽酸鹽溶于水，再用濾紙將殘液過濾掉，然后將剩余的物質(zhì)在65℃烘干至恒重，此物質(zhì)中的賴氨酸含量即是微膠囊內(nèi)賴氨酸含量。

微膠囊內(nèi)賴氨酸和微膠囊總賴氨酸含量的測定:兩種樣品各取約90mg分別置于兩個100mL的具塞容量瓶中，用去離子水定容至100mL;再將容量瓶置入超聲波洗滌器中破碎30min，使微膠囊內(nèi)賴氨酸完全溶解;然后利用高效液相色譜儀測定賴氨酸的含量。

1.4 賴氨酸微膠囊表面結(jié)構(gòu)的觀察

用導(dǎo)電雙面膠將微膠囊粉末固定在金屬樣品平臺上，在真空中噴涂鈀金后，置于電子掃描顯微鏡中以20kV電子束觀察，拍攝微膠囊顆粒的形貌照片，觀察其粒徑的大小和表面結(jié)構(gòu)。

1.5 不同壁材的體外釋放

1.5.1 人工模擬胃液的配制 取9mL的濃鹽酸，加約800mL蒸餾水及胃蛋白酶10g，pH約為2.5，混勻后待用。準(zhǔn)確稱取10.0g賴氨酸微膠囊，置入容量瓶中，用人工模擬胃液定容至100mL，恒溫(25±1)℃，攪拌速度為 100r/min。在 0、5、15、30、60、90和120min時間點，分別取10mL上清液，樣品采用高效液相色譜儀測定賴氨酸的含量。每個樣品重復(fù)測定3次。

1.5.2 飼料中晶體氨基酸體外緩釋效果評價 人工腸液配制:參照對蝦消化液(肝胰臟和腸液)pH和蛋白酶活配制。將磷酸二氫鉀13.6g溶入1000mL去離子水中，其溶液再用0.4%NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至7. 8;另將胰蛋白酶10g加適量去離子水溶解，再將兩液混合，然后用去離子水定容至2000mL。

1.5.3氨基酸添加量、蝦飼料配方及制作方法 參考Chowdhury等［17］，制作3種飼料，分別為基礎(chǔ)飼料(Control)、晶體飼料(Crystalline Lys，C－Lys)和微膠囊飼料(Microcapsule Lys，M－Lys)。取約8g顆粒飼料(120℃條件制粒)置于消化液內(nèi)，分別在浸濾30、60、120min時，取部分顆粒飼料;將浸濾后的顆粒飼料和最初的顆粒飼料(未濾浸)置于烘箱內(nèi)，在65℃溫度烘干4h;將在30、60、120min時所取的浸濾顆粒和最初顆粒飼料研磨，用高效液相色譜儀測定賴氨酸和蛋氨酸含量，計算其在消化液中的釋放率，其公式為如下。

AA釋放率(%)=［(飼料AA含量－基礎(chǔ)飼料AA含量)－(浸濾后飼料AA含量－浸濾后基礎(chǔ)飼料AA含量)］/(飼料AA含量－基礎(chǔ)飼料AA含量)×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對不同濃度壁材粘性變化的影響

微膠囊壁材應(yīng)具有良好的溶解性、乳化能力和干燥特性。食品和飼料領(lǐng)域常用的壁材為無毒副作用，來源廣的材料。根據(jù)賴氨酸微膠囊產(chǎn)品的要求和流化床包衣工藝，本實驗選擇玉米醇溶蛋白(Zein)和薄膜包衣預(yù)混劑(Resin II∶Resin III=1∶1)為壁材。在30、40和50℃溫度條件下，分別測定6%、8%、10%濃度的溶液粘度的變化，以期在其范圍內(nèi)選擇適宜的濃度作為包衣液。

玉米醇溶蛋白和薄膜包衣預(yù)混劑的溶解性受溶液溫度的影響，如表2所示。一般情況下，隨著溫度的升高，兩者的溶解性的增大。但是作為包衣材料，必須具有一定壁材/芯材比例，才能達(dá)到包衣效果;并且包衣溶液粘度太大，不利于噴霧涂層。適宜的包衣液溫度，是使包衣液保持具有低粘性和預(yù)設(shè)濃度的必要條件。本實驗表明，選擇75%乙醇溶液，在40℃溫度下，10%玉米醇溶蛋白或薄膜包衣預(yù)混劑溶液能滿足作為包衣液的條件。

表2 溫度對不同濃度壁材玉米醇溶蛋白和薄膜包衣預(yù)混劑粘度變化的影響(mPa·s)Table 2 Effect temperature on viscosity of different level Zein and Resin II/Resin III solution(mPa·s)

在一定溫度范圍內(nèi)，玉米醇溶蛋白和薄膜包衣預(yù)混劑溶液隨著溫度的升高，兩者包衣液粘度均下降。因此在既保證壁材的成膜性好和包埋率高，又要保證在噴霧包衣加工工藝中順利進(jìn)行，必須選定在一定溫度下具有符合要求粘度的包衣液。在40℃條件下，10%玉米醇溶蛋白和薄膜包衣預(yù)混劑包衣溶液的粘度分別為88.7mPa·s和98.8mPa·s。超過此粘度在噴霧包衣——干燥過程制備微膠囊時，會出現(xiàn)包衣液進(jìn)料不流暢、堵塞噴嘴和流化床內(nèi)物料粘結(jié)團(tuán)聚等不良現(xiàn)象。因此本實驗選擇在40℃恒溫條件下，10%玉米醇溶蛋白或薄膜包衣預(yù)混劑溶液作為L－賴氨酸鹽酸鹽包衣液。

2.2 賴氨酸微膠囊鹽酸鹽工藝參數(shù)的優(yōu)化實驗

微膠囊包埋效果不僅受芯材壁材的比例的影響，還受到包衣液流速、包衣室溫度和噴霧壓力等條件因素的影響［18］。因此采用正交實驗設(shè)計，分別以玉米醇溶蛋白和薄膜包衣預(yù)混劑溶液為包衣液，按照表1設(shè)定的參數(shù)，在不同包衣液流速、包衣室溫度和噴霧壓力條件下進(jìn)行噴霧包衣干燥，以包埋率為評價指標(biāo)。其微膠囊包埋率正交實驗結(jié)果及方差分析如表3和表4所示。

由極差分析表明，Zein和Resin分別作為包衣液，其影響因素的大小依次均為包衣室溫度、包衣液流速及噴霧壓力。最佳組合均為A2B3C2。即微膠囊化工藝參數(shù)最佳組合為包衣液流速100mL/min、包衣室溫度45℃及噴霧壓力0.12MPa。由方差分析表明:Zein作為包衣液制備賴氨酸微膠囊，其包衣液流速、包衣室溫度和噴霧壓力對微膠囊包埋率影響不顯著(P＞0.05);Resin混合液作為包衣液制備賴氨酸微膠囊，其包衣液流速和噴霧壓力對微膠囊包埋率影響不顯著(P＞0.05)，而包衣室溫度對微膠囊包埋率影響顯著(P＜0.05)。

表3 微膠囊配方優(yōu)化的正交實驗結(jié)果Table 3 Results of orthogonal experiment

表4 微膠囊化工藝參數(shù)正交實驗結(jié)果方差分析Table 4 Results of variance analysis on microencapsulation processing parameters orthogonal experiment

2.3 賴氨酸微膠囊鹽酸鹽最佳工藝組合驗證

由優(yōu)化實驗得賴氨酸微膠囊最佳工藝組合，即壁材分別為玉米醇溶蛋白和聚丙烯酸樹脂混合液質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%(所用乙醇溶液濃度75%，3%油酸和5%TEC分別作為Zein和Resin包衣液增塑劑)、包衣室溫度45℃、包衣液速度100mL/min及噴霧壓力0.12MPa。在此條件下分別進(jìn)行3次驗證實驗，所得Zein微膠囊包埋率分別為82.4%、80.9%、83.6%; Resin微膠囊包埋率分別為79.6%、80.4%、80.9%。均與各正交實驗所得結(jié)果基本一致，因此，該制備條件確定為最佳工藝包埋條件。

2.4 賴氨酸微膠囊鹽酸鹽SEM表面結(jié)構(gòu)觀察

用SEM觀察粉末和微膠囊的超微結(jié)構(gòu)可以得到工藝條件對產(chǎn)品質(zhì)量影響的直接證據(jù)。從圖1可以看出粉碎后的晶體賴氨酸粒徑在0～60μm，大小不均一，粒型不規(guī)則，多棱角不圓整。從圖2可看出在本實驗最佳包埋條件下制得的微膠囊粒徑約在160μm左右，壁材包覆粉末，無晶體狀，無粘連現(xiàn)象。

圖1 晶體賴氨酸粉末的表面結(jié)構(gòu)Fig.1 SEM photo of crystalline lysine flour

圖2 賴氨酸微膠囊顆粒的表面結(jié)構(gòu)Fig.2 SEM photos of microencapsulation lysine

2.5 不同壁材體外釋放分析

C－Lys和M－Lys在25℃人工胃液中的累積釋放曲線如圖3所示。從圖3可見，0～5min內(nèi)C－Lys在人工胃液快速溶解，在10min內(nèi)幾乎完全溶解。而M－Lys在60min內(nèi)，Lys累積溶解釋放率只有16.6% (Zein)和 32.8%(Resin)，顯著低于在同時間點C－Lys的累積溶解釋放率。引起M－Lys溶解釋放的，可能有兩個原因，其一是在M－Lys表面吸附有少量的晶體賴氨酸粉末，在人工胃液中立即溶解，在0～10min釋放，屬于初期的突釋行為;其二是隨著壁膜在人工胃液中的吸水、膨脹和裂解，少部分C－Lys逐漸從微膠囊內(nèi)溶解釋放出來，這與壁材種類有密切關(guān)系。因此，制備出的M－Lys在人工模擬蝦類胃液中具有保護(hù)作用。

從圖4可看出，添加在飼料中的 C－Lys和M－Lys，在人工腸液中，飼料C－Lys在大約30min時釋放84%左右，而飼料M－Lys釋放34%。Control組結(jié)合蛋白氨基酸(賴氨酸)的釋放與飼料C－Lys組的釋放曲線，在各同一時間點有較大差別，而與飼料M－Lys組釋放曲線基本一致。

圖3 C－Lys和兩種不同壁材M－Lys在人工胃液中的溶解釋放曲線(n=3)Fig.3 Cumulative release profile of the C－Lys and M－Lys in simulated gastric fluid in vitro(n=3)

圖4 飼料中C－Lys和壁材為Zein M－Lys在人工腸液中的釋放曲線(n=3)Fig.4 Release profile of the C－Lys and Zein M－Lys in simulated intestinal fluid in vitro(n=3)

3 結(jié)論

選用不同的壁材，采用流化床空氣懸浮法，制備出蝦用賴氨酸微膠囊鹽酸鹽。通過正交實驗確定賴氨酸微膠囊包埋最佳條件為:壁材分別為10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的玉米醇溶蛋白或者聚丙烯酸樹脂混合液(所用乙醇溶液濃度75%，3%油酸和5%TEC分別作為Zein和Resin包衣液增塑劑)、包衣室溫度45℃、包衣液速度100mL/min及噴霧壓力0.12MPa。在此條件下，所得Zein微膠囊包埋率為82.3%;Resin微膠囊包埋率為80.3%。最終的兩種壁材微膠囊產(chǎn)品經(jīng)SEM觀察，顆粒外形不規(guī)則，大小分布廣，表面光滑，無晶體棱角，表明對形狀無規(guī)則、多棱角的C－Lys具有較好的包埋效果。對C－Lys粉末微膠囊包埋處理后，有效防止了其在水中快速溶失，對蝦胃液和腸液分別具有保護(hù)作用和釋放作用，從而使賴氨酸營養(yǎng)性添加劑在蝦類飼料中應(yīng)用范圍更加廣泛。

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Study on preparation process and release mechanism of microencapsulation lysine

NIU Hua－xin1，2，ZHU Ai－xia1，CHANG Jie2，XIE Zhong－guo1，GUO Shi－dong1，*
(1.State Key Laboratory of Food Science and Technology，School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China; 2.School of Animal Science and Technology，Inner Mongllia University for the Nationalties，Tongliao 028000，China)

In order to prepare microencapsulation lysine，which could be absorbed and utilized in shrimp feed，the wall materials and the technology of embedding by fluidized bed were studied.The mass fraction of 10%Zein (dissolved in 75%ethanol，and 3%oleic acid as the coating liquid plasticizers)and polyacrylic acid resin mixture (Resin)(dissolved in 75%ethanol and 5%triethyl citrate as the coating liquid plasticizers)as wall material，respectively，used offluidized bed airsuspension prepared M－Lys，orthogonaltestto optimize the microencapsulation embedded conditions:coating room temperature 45℃，coating liquid speed 100mL/min，spray coating liquid pressure 0.12MPa.Under these conditions，Zein and Resin of the microencapsulation embedded rate reached to 82.3%and 80.3%，respectively.By SEM observation of particles of irregular shape，uniform size，no crystal edges and corners，and the results showed that the Zein and Resin of the multi－angular crystalline lysine (C－Lys)has a good embedding results.Two kinds of M－Lys within 60min in artificial gastric juice dissolves the release of lysine accumulation rates were 16.6%(Zein)and 32.8%(Resin)，significantly lower than at the same time，uncoated lysine dissolution rate.

microencapsulation;fluidized bed;crystalline lysine;process optimization;release

TS201.2

B

1002－0306(2012)08－0252－05

2011－07－25 *通訊聯(lián)系人

?；?1978－)，男，博士研究生，主要從事水產(chǎn)動物飼料加工與營養(yǎng)方面研究。

浙江省國內(nèi)科技合作與成果引進(jìn)轉(zhuǎn)化項目(2007d70SA450004);內(nèi)蒙古民族大學(xué)博士科研啟動基金(BS255)。