沙棘果漿微囊噴霧干燥制備工藝及其理化性質研究

徐思寧,劉紅波，唐志書，宋忠興，孫靜，崔春利，蔡興航，于金高，劉世軍，孫曉春

(陜西中醫(yī)藥大學/陜西省中藥資源產業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，秦藥特色資源研究與開發(fā)國家重點實驗室(培育)/陜西省創(chuàng)新藥物研究中心，陜西 咸陽， 712083)

沙棘為胡頹子科植物沙棘HippophaerhamnoidesL.的干燥成熟果實，收載于《中華人民共和國藥典》2015年版，具有健脾消食、止咳祛痰、活血散瘀等功效[1]。沙棘果是一種藥食兩用的植物資源，除含有豐富的維生素(包括維生素A、B、C、E、K等，其中維生素C含量最高)外，亦含有黃酮、多酚、不飽和脂肪酸、氨基酸、有機酸等多種生物活性成分[2-4]，是集藥用、食用為一體的具有良好開發(fā)價值的重要資源[5-6]。目前，以沙棘為資源開發(fā)的藥品、食品等產品得到了較為廣泛的研究與應用[6-13]。

沙棘果漿中含有豐富的維生素類、多酚類等不穩(wěn)定性的活性成分，易氧化，遇光、熱不穩(wěn)定[14]，通常用密閉不透光的包裝材料包裝，且需低溫貯藏；同時沙棘果漿口感酸澀，難以直接服用。這些問題為沙棘果漿在實際生產、貯藏、應用過程中帶來了諸多不便，影響了沙棘的開發(fā)利用。

微囊是指固態(tài)或液態(tài)物質被輔料包封形成的微小膠囊。物料經微囊化后可提高物料的穩(wěn)定性，掩蓋不良氣味，使液態(tài)物質固態(tài)化，以改善物料的物理化學性質[15-17]。因此可將沙棘果漿制備成微囊，以提高沙棘果漿的穩(wěn)定性，改善其不良口感，以利于沙棘果漿后續(xù)加工處理及相關產品的開發(fā)。

噴霧干燥技術是制備微囊的一種高效制備技術[18]。目前，對沙棘果漿進行微囊化處理的研究報道尚少，本實驗擬采用噴霧干燥技術制備沙棘果漿微囊，對關鍵制備工藝參數進行篩選、優(yōu)化，并研究沙棘果漿微囊的理化性質，以期為沙棘果漿微囊的制備及相關產品的開發(fā)提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

沙棘果漿(可溶性固形物含量11.36%)，購買于陜西艾康沙棘制藥有限公司。

1.2 試劑與儀器

偏磷酸、NaHCO3、無水乙醇、乙酸鉀、MgCl2、NaBr、KI、NaCl、(NH4)2SO4、KCl，天津市天力化學試劑有限公司，均為分析純；2，6-二氯靛酚標準品，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；阿拉伯膠，湖北葛店人福藥用輔料有限責任公司，麥芽糊精，上海泛科史康醫(yī)藥科技有限公司；高嶺土，上海麥克林生化科技有限公司；抗壞血酸標準品，中國食品藥品鑒定研究院，100425-201504。

YC-1800實驗室噴霧干燥機，上海雅程儀器設備有限公司；FJ200-SH數顯高速分散機，上海標本模型廠制造；AH-Basic均質機，德國ATS工業(yè)系統(tǒng)有限公司；HJ-S8電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；TGL-20B離心機，上海安亭科學儀器廠；Scout SE電子天平，奧豪斯儀器有限公司；HJ-6B恒溫磁力攪拌器，常州丹瑞實驗儀器設備有限公司；101電熱鼓風干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；Mastersizer 3000激光粒度儀，英國馬爾文儀器有限公司；LabMaster-AW水分活度測定儀，瑞士Novasina公司； ZEISS evo 18掃描電鏡，德國卡爾·蔡司股份公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 沙棘果漿微囊的制備

取一定量阿拉伯膠、麥芽糊精，加適量純化水，50℃下攪拌均勻后加入適量沙棘果漿。先用高速分散機進行高速攪拌(轉速10 000 r/min，時間5 min)，再用高壓均質機均質(壓力400 kPa)，制備得到沙棘果漿均質液，備用。采用實驗小型噴霧干燥機對沙棘果漿均質液進行噴霧干燥，制備得到沙棘果漿微囊。

1.3.2 微囊Vc包封率及收率測定

采用二氯靛酚滴定法測定Vc含量[19]。

微囊中總Vc含量測定：精確稱取沙棘果漿微囊5 g，加入100 mL偏磷酸溶液中，攪拌溶解，再加入2 g高嶺土進行脫色，過濾，濾液于10 000 r/min下離心15 min，取上清液10 mL，用2,6-二氯靛酚溶液滴定，記錄滴定體積，計算VC含量(mg/100g)。

微囊表面未包封Vc含量測定：精確稱取沙棘果漿微囊5 g，用無水乙醇反復充分洗滌，合并過濾液。精確量取濾液10 mL，加入10 mL偏磷酸溶液后用2,6-二氯靛酚溶液滴定，記錄滴定體積，計算VC含量(mg/100g)。

微囊VC包封率計算如公式(1)所示：

(1)

式中：X1，微囊中總VC含量，mg/100g；X2，微囊表面未包封VC含量，mg/100g。

微囊收率計算如公式(2)所示：

(2)

1.3.3 工藝優(yōu)化

1.3.3.1 單因素試驗

以進風溫度、進料速度、阿拉伯膠占總囊材質量百分數、壁芯比(囊材與果漿固含質量比)、固形物含量等為主要因素，進行單因素考察試驗，以微囊Vc包封率與收粉率為評價指標。

1.3.3.2 正交優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎上，采用正交實驗設計，優(yōu)化沙棘果漿微囊的制備工藝。

1.3.4 微囊理化性質檢測

1.3.4.1 水分及水分活度

精密稱取沙棘果漿微囊1.0 g，平行3份，置于已干燥至恒重的稱量瓶中，于105 ℃下烘干至恒重，計算水分含量。

采用水分活度測定儀檢測樣品25 ℃下的水分活度，平行測定3次。

1.3.4.2 溶解度指數

根據參考文獻[20]，精密稱取沙棘果漿微囊2.0 g，平行3份，加入到100 mL純化水中，37 ℃下磁力攪拌30 min，于10 000 r/min離心10 min。離心后，將離心管內的沉淀于105 ℃下干燥至恒重，利用公式(3)計算溶解度指數：

(3)

1.3.4.3 吸濕性

采用靜態(tài)稱量法進行吸濕性測試[21]。取微囊約0.2 g，平行3份，精密稱量(記作m0)，置于已烘干至恒重的稱量瓶中，其中微囊與稱量瓶的初始總質量記作m1。將稱量瓶敞口分別置于底部盛有不同過飽和鹽溶液的干燥器中。飽和鹽溶液分別為乙酸鉀、氯化鎂、溴化鈉、碘化鉀、氯化鈉、硫酸銨與氯化鉀的飽和溶液，其形成的空氣濕度分別為20.4%、32.8%、43.2%、57.6%、62.4%、75.3%、81.0%、84.3%。將干燥器置于溫度為25 ℃的環(huán)境中，定期精密稱量微囊與稱量瓶的總質量，直至前后2次稱量值相差不超過± 0.001g，即認為達到吸濕平衡。將吸濕平衡后微囊與稱量瓶的總質量記作m2，如公式(4)所示：

(4)

式中：m0，為囊質量，g；m1，微囊與稱量瓶的初始總質量，g；m2,吸濕平衡后微囊與稱量瓶的總質量，g。

1.3.4.4 顯微結構

取沙棘果漿微囊適量，用導電雙面膠將微囊固定于樣品臺上，用掃描電子顯微鏡觀察微囊表面形態(tài)特征。電壓5 kV。

1.3.4.5 穩(wěn)定性

將沙棘果漿微囊于室溫條件下避光放置6個月，分別于第0、1、2、3、4、5、6個月取樣，檢測微囊VC含量，計算VC保留率如公式(5)所示：

(5)

式中：Cn，不同時間點微囊樣品中Vc含量，mg/100g；C0，微囊中Vc初始含量，mg/100g。

2 結果與分析

2.1 微囊制備工藝研究

2.1.1 單因素考察

2.1.1.1 囊材配比對微囊Vc包封率與收率的影響

囊材對微囊的制備及性能具有重要影響[22]。阿拉伯膠、麥芽糊精是制備微囊常用的囊材材料。阿拉伯膠成膜性好，但抗氧化能力差；麥芽糊精成膜性差，但抗氧化能力強。因此二者常聯(lián)合復配應用，以獲得性能良好的微囊。二者不同配比對微囊Vc包封率與微囊收率的影響見圖1。當阿拉伯膠占總囊材比例從0%增至70%時，微囊Vc包封率呈不斷增大趨勢；而微囊收率則逐漸降低。實驗結果顯示，增大阿拉伯膠配比可提高微囊Vc包封率；增大麥芽糊精配比則可提高微囊收率，但提高程度有限。綜合考慮，本實驗中阿拉伯膠占總囊材百分比在60%～80%較為適宜。

圖1 囊材配比對微囊Vc包封率與收率的影響

2.1.1.2 壁芯比對微囊Vc包封率與收率的影響

壁芯比即是囊材與包囊物二者間的比例。壁芯比對微囊制備具有重要影響。當壁芯比較低時，較少的囊材不能將包囊物完全包裹，導致物料包封率較低；當壁芯比較高時，不僅會浪費囊材，亦會降低微囊中物料的含量。因此，需要將壁芯比控制在適宜的范圍。由圖2可知，本實驗中壁芯比對微囊收率影響較小，而對微囊Vc包封率影響較大。當壁芯比從1∶1增大至6∶1時，微囊Vc包封率隨壁芯比的增大而增大；再繼續(xù)增大壁芯比時，包封率則趨于穩(wěn)定。綜合考慮，本實驗中將壁芯比控制在2∶1～6∶1較為適宜。

圖2 壁芯比對微囊VC包封率與收率的影響

2.1.1.3 料液總固形物含量對微囊VC包封率與收率的影響

在噴霧干燥過程中，當固形物含量較低時，噴霧干燥形成的微囊質地較輕，易隨氣流排出，降低了微囊收率，同時亦延長了料液噴霧干燥時間；當固形物含量過高時，則會使料液黏度過大，不易利于噴霧干燥操作。由圖3可知，固形物含量對微囊VC包封率影響較小，而對微囊收率影響較大。當固形物含量在10%～30%時，微囊收率隨固形物含量的增大而增大；但當增大至40%時，由于黏度較大，料液均質及噴霧干燥困難，黏壁現(xiàn)象較為嚴重，導致微囊收率急劇降低。綜合考慮，本實驗中將料液固形物含量控制在10%～30%較為合適。

圖3 固形物含量對微囊VC包封率與收率的影響

2.1.1.4 進風溫度對微囊VC包封率與收率的影響

進風溫度決定了微囊水分蒸發(fā)及囊膜形成速度。當進風溫度較低時，微囊水分蒸發(fā)速度較慢，易出現(xiàn)微囊黏壁現(xiàn)象；當進風溫度較高時，會增大物料中熱不穩(wěn)定性成分損失，同時過高的溫度也易使微囊產生熱黏壁現(xiàn)象，導致物料損失。由圖4可知，隨著進風溫度的升高，微囊VC包封率及收率都呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。根據實驗結果綜合考慮，將進風溫度控制在160～180 ℃較為適宜。

圖4 進風溫度對微囊VC包封率與收率的影響

2.1.1.5 進料速度對微囊VC包封率與收率的影響

噴霧干燥進料速度對微囊VC包封率與收率的影響見圖5。隨著進料速度的增大，微囊VC包封率和收率亦都呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，但其對微囊收率的影響較為明顯。當進料速率較低時，噴霧干燥形成的粉粒小而輕，易隨空氣排出而降低收率；當進料速度較高時，過多物料在短時間內不能被充分霧化干燥，易產生黏壁現(xiàn)象，亦會使收率降低。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當進料速率增大至30 mL/min時出現(xiàn)了較為嚴重的黏壁現(xiàn)象。根據實驗結果綜合考慮，本實驗中將物料進料速度確定為20 mL/min。

圖5 進料速度對微囊VC包封率和收率的影響

2.1.2 正交優(yōu)化設計

在單因素試驗的基礎上，選擇阿拉伯膠占總囊材百分比(A)、壁芯比(B)、固形物含量(C)、進風溫度(D)為主要考察因素，以微囊VC包封率與收率為評價指標，采用L9(34)正交表設計實驗，優(yōu)化沙棘果漿微囊的噴霧干燥制備工藝。因素水平見表1，正交試驗結果見表2，方差分析結果見表3。

表1 因素水平

表2 正交設計結果

表3 方差分析

由表2極差分析結果可知，影響微囊VC包封率的因素主次順序是：A>C>D>B，優(yōu)化的工藝條件為A1B3C2D3。影響微囊收率的因素主次順序是：A>C>B>D，優(yōu)化的工藝條件為A1B2C3D1。

由表3方差分析結果可知，各因素各水平間沒有顯著性差異，綜合考慮，將優(yōu)化的工藝條件確定為：A1B3C2D1，即：阿拉伯膠占總囊材百分比為80%，壁芯比為2∶1，料液固含量為20%，進風溫度為160 ℃。

在優(yōu)化工藝條件下平行3次試驗，微囊VC包封率分別為96.25%、95.21%、94.98%，包封率均值為95.48%；微囊收率分別為55.49%、58.21%、57.73%，收率均值為57.14%。結果表明優(yōu)化的工藝穩(wěn)定、可行。

2.2 沙棘果漿微囊理化性質研究

由表4可知，沙棘果漿微囊含水量低，溶解性能較好。水分活度aw反映了物質中水的能量狀態(tài)，表示水與物質間的結合緊密程度，也是微生物賴以生存的自由水量度。aw介于0～1，數值越大，表示物質中水的自由度越高，越容易被微生物利用。當aw<0.6時，包括最耐受高滲的酵母菌和耐旱真菌在內的所有微生物將不會增殖[23]。沙棘果漿微囊的aw為0.43，表明其具有良好的耐微生物性。

表4 沙棘果漿微囊理化性質

物質的臨界相對濕度值越大，表明物質的吸濕性越低。不同濕度環(huán)境下沙棘果漿微囊的吸濕性見圖6。根據實驗結果，圖6中曲線兩端的切線交點對應的橫坐標即為臨界相對濕度(crtitcal relativegumidity,CRH)，用解析幾何算法求得微囊的CRH為73%，其CRH值較高，表明沙棘果漿微囊的吸濕性較低。

圖6 沙棘果漿微囊的吸濕性

不同放大倍數下的沙棘果漿微囊掃描電鏡顯微結構見圖7。圖7可看到，沙棘果漿微囊呈不規(guī)則圓球形，表面光滑且未見裂紋與孔隙，表明微囊結構良好，可有效保護微囊中的物質。

圖7 沙棘果膠微囊顯微結構

沙棘果漿微囊粒徑分布情況見圖8。沙棘果漿微囊粒徑分布較為均勻，大部分粒徑集中分布在1～10 μm。

圖8 沙棘果漿微囊粒徑分布

圖9為沙棘果漿微囊穩(wěn)定性實驗結果。從結果中可知，沙棘果漿微囊室溫下避光放置6個月后，微囊中VC保留率達到了80%，表明沙棘果漿微囊化后，有效地提高了果漿中VC的穩(wěn)定性。

圖9 沙棘果漿微囊穩(wěn)定性

3 結論

本實驗以阿拉伯膠、麥芽糊精為囊材，采用噴霧干燥法制備沙棘果漿微囊，優(yōu)化的制備工藝為：阿拉伯膠占總囊材質量百分比為80%，壁芯比為2∶1，料液固含量為20%，進風溫度為160 ℃。制備的沙棘果漿微囊VC包封率達95.48%，收率為57.14%。沙棘果漿微囊具有較好的溶解性、穩(wěn)定性，可為沙棘果漿微囊的制備及相關產品的開發(fā)提供研究基礎。