基于Pickering乳液模板法制備的芝麻素微膠囊性能表征

鄧瑜 孔令艷 薛梅 雷紅

摘要：為提高芝麻素的穩(wěn)定性及利用度，拓展其在功能食品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。以酸改性凹凸棒為固體乳化劑，大豆分離蛋白和殼聚糖鹽酸鹽為壁材，通過Pickering乳液模板法制備了芝麻素微膠囊。通過熒光顯微、紅外光譜、熱重、差示熱量掃描和生物安全實驗對芝麻素微膠囊的形態(tài)、組成結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和生物安全性進行評估。結(jié)果表明，芝麻素微膠囊顆粒分散性良好，大小均一，其為穩(wěn)定的蛋白多糖靜電結(jié)構(gòu)，具有良好的熱穩(wěn)定性和生物安全性。

關(guān)鍵詞：芝麻素；Pickering乳液；微膠囊；性能表征；生物安全性

中圖分類號：TS229 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230324

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（31872899）；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目（PAPD）。

Characterization of sesamin microcapsules prepared by Pickering emulsion template method

Deng Yu， Kong Lingyan， Xue Mei， Lei Hong

（ College of Food Science and Engineering， Nanjing University of Finance and Economics/ Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety， Nanjing， Jiangsu 210023 ）

Abstract： In order to improve the stability and availability of sesamin and expand its application in the field of functional food. Sesamin microcapsules were prepared by Pickering emulsion template method using acid modified attapulgite as solid emulsifier， soybean protein isolate and chitosan hydrochloride as wall material. The morphology， composition， thermal stability and biosafety of sesamin microcapsules were evaluated by fluorescence microscopy， infrared spectroscopy， thermogravimetric scanning， differential thermal scanning and biosafety experiments. The results showed that sesamin microcapsules had good dispersion and uniform size， stable proteoglycan electrostatic structure， and had good thermal stability and biosafety.

Key words： sesamin， Pickering emulsion， microcapsules， performance characterization， biological safety

芝麻素是一種主要存在于芝麻籽中的全天然成分，具有抗癌[1]、保護神經(jīng)系統(tǒng)[2]、改善抑郁和記憶喪失[3]、降低高血壓和改善內(nèi)皮功能障礙[4]、調(diào)節(jié)腸道菌群[5]等功能。但芝麻素不易儲存，使其應(yīng)用受到限制。

微膠囊技術(shù)使用高分子材料通過成膜或成囊技術(shù)將氣體、固體或者液體包裹起來，形成具有殼層結(jié)構(gòu)的微小顆粒[6]。近年來，運用Pickering乳液為模板來制備微膠囊受到極大的關(guān)注。Pickering乳液因其吸附在水/油界面的固體粒子的不可逆性而展示出非常優(yōu)秀的穩(wěn)定乳滴的能力，因而Pickering乳液模板法是一種卓越的能穩(wěn)定芯材的微膠囊制備方法[7]。

本實驗采用Pickering乳液模板法制備芝麻素微膠囊，通過熒光顯微表征、紅外光譜分析、熱穩(wěn)定性測定、貯存穩(wěn)定性測定以及生物安全性分析來系統(tǒng)評估芝麻素微膠囊的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及安全性，以期為芝麻素微膠囊作為食品功能因子在功能食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芝麻素：上海如吉生物科技發(fā)展有限公司；凹凸棒：靈壽縣華耀礦產(chǎn)品加工廠；大豆分離蛋白、尼羅紅試劑：北京索萊寶科技有限公司；殼聚糖鹽酸鹽：東菀市鑫恒食品原料有限公司；大豆油：嘉里糧油有限公司；無水乙醇（分析純）、丙酮（分析純）：南京慧杰誠生物科技有限公司。

實驗動物：斑馬魚，南京一樹梨花生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SHA-B型水浴振蕩器：金壇市榮華儀器制造有限公司；RCD-1A型高速均質(zhì)乳化機：常州越新儀器制造有限公司；HJ-5A型數(shù)顯多功能加熱攪拌器：常州國宇儀器制造有限公司；PHS-25型數(shù)顯pH計：上海精密科學(xué)儀器有限公司；1500F型超聲波分散儀：寧波新芝生物科技有限公司；Millipore-Q型純水儀：美國Millipore公司；Zeiss Axio Scope A1型顯微鏡：德國Carl Zeiss公司；BUCHI B-290小型噴霧干燥儀：瑞士Buchi公司；PE型同步熱重/差熱分析儀：美國Perkin-Elmer公司；TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀：德國Bruker公司；Agilent 1260型液相色譜儀：美國安捷倫科技公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 芝麻素微膠囊的制備工藝

準確稱取1.5 g酸改性凹凸棒顆粒[8]分散在溶解了2.0 g大豆分離蛋白的溶液中，在室溫下通過超聲使其分散均勻，調(diào)節(jié)pH為6.0，形成水相；將2 mL大豆油和25 mg芝麻素混合組成油相加到水相中，12 000 r/min高速均質(zhì)5 min，形成Pickering乳液。將Pickering乳液滴加到裝有2.0 g殼聚糖鹽酸鹽溶液的燒杯中，調(diào)節(jié)溶液pH為5.0，水浴55 ℃加熱攪拌3 h，形成芝麻素微膠囊溶液，通過噴霧干燥（進風溫180 ℃）得到微膠囊粉末。

1.3.2 芝麻素微膠囊基本理化性質(zhì)測定

密度：稱取一定質(zhì)量的微膠囊，將其放入具塞量筒中測量體積，密度即為質(zhì)量與體積的比值；水分含量：采用直接干燥法[9]，將微膠囊粉末放入105 ℃烘箱中干燥12 h；溶解度：稱取微膠囊粉末溶解于溫水中，反復(fù)攪拌后3 000 r/min離心10 min，過濾，沉淀物干燥并稱重，前后質(zhì)量差即為溶解度[10]；流動性：將5 g微膠囊粉末自然堆積在平面上，測量粉堆高度以及粉堆半徑計算粉堆的休止角大小，休止角越小表明流動性越好[11]。

1.3.3 熒光顯微分析

準確稱取尼羅紅2 mg溶于10 mL丙酮中配成0.02 g/100 mL儲備液。滴加2 μL尼羅紅試劑對芝麻素微膠囊懸浮液進行熒光標記，3 min后在熒光顯微鏡下（400 ×）觀察。

1.3.4 紅外光譜分析

取少量大豆蛋白、酸改性凹凸棒、殼聚糖鹽酸鹽、大豆油、芝麻素和芝麻素微膠囊粉末放入樣品池進行測定。測定光譜范圍4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)64，分辨率4 cm-1。

1.3.5 熱重分析

稱取5 mg的芝麻素微膠囊于熱重分析儀鋁盒中，其升溫范圍50～600 ℃，升溫速率10 ℃/min，氮氣流速30 mL/min。

1.3.6 差示量熱掃描分析

用差示掃描量熱儀測定微膠囊產(chǎn)品的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度（Tg），取2 mg（精確到0.1 mg）芝麻素微膠囊于鋁盒中，掃描溫度-20～220 ℃，掃描速度10 ℃/min。

1.3.7 芝麻素微膠囊貯存穩(wěn)定性

將微膠囊樣品置于25 ℃干燥皿中儲藏30 d，每5 d測一次芝麻素微膠囊芝麻素的保留率。采用高效液相色譜法測定芝麻素保留率。將芝麻素微膠囊粉末碾碎后溶解于無水乙醇中，6 000 r/min離心5 min，用過濾的上清液分析芝麻素含量[12]。芝麻素保留率即為殘留芝麻素與最初微膠囊芝麻素含量的比值。

1.3.8 芝麻素微膠囊生物安全性分析

以斑馬魚為生物模型測定芝麻素微膠囊生物安全性，參照GB/T 13267—1991的試驗條件，配制芝麻素微膠囊質(zhì)量濃度為100 mg/L的溶液。設(shè)置實驗組和空白對照組，實驗歷時96 h。采集斑馬魚腸道、腦部、肝組織用0.01 mol/L PBS溶液滅菌后置于4%的多聚甲醛中保存，經(jīng)封片處理后置于顯微鏡下，觀測斑馬魚組織形態(tài)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組實驗進行3次平行，應(yīng)用Origin 2019b軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，結(jié)果以平均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 芝麻素微膠囊的基本理化性質(zhì)

如表1所示，芝麻素微膠囊密度較小，含水量較小，說明其得到了充分的干燥，在一般環(huán)境中不易變質(zhì)。芝麻素微膠囊的水溶解度較為理想，且流動性較好，可方便用于食品加工。

2.2 熒光顯微分析

芝麻素微膠囊在熒光顯微鏡的表觀形態(tài)如圖1所示，油脂經(jīng)尼羅紅染色后在熒光顯微鏡下會顯色，證明了大豆油作為微膠囊的芯材載體被壁材包埋在微膠囊內(nèi)部，且微膠囊顆粒之間分散性良好，大小較為均一。

2.3 紅外光譜分析

如圖2所示，參考紅外各基團特征峰對照表，酸改性凹凸棒顆粒在511.31 cm-1處是鈣離子的特征峰，在996.37 cm-1處出現(xiàn)的峰與磷酸根離子的伸縮振動有關(guān)；大豆分離蛋白在1 479.34 cm-1處出現(xiàn)的特征峰與苯環(huán)骨架的伸縮振動有關(guān)，在1 593.26 cm-1處出現(xiàn)的特征峰與—C—N的伸縮振動有關(guān)；大豆油在1 110.25 cm-1處是醇的特征峰，在1 735.92 cm-1處的強峰是由脂肪醛的伸縮振動引起的，在2 809.87、2 873.53 cm-1處的峰是由—CH3的伸縮振動引起的；殼聚糖鹽酸鹽在982.33、1 095.71 cm-1處的特征峰與C—H的面外彎曲振動有關(guān)；芝麻素在726.78～1 046.73 cm-1處的峰與C—H面外彎曲振動區(qū)有關(guān)，主要是苯環(huán)二取代引起的特征峰，在1 124.37～1 445.00 cm-1處是烷基的特征峰，在3 080.11 cm-1處是苯環(huán)上質(zhì)子—CH的伸縮振動峰。

芝麻素微膠囊的紅外圖譜顯示，微膠囊具有和芝麻素、大豆油相同的吸收特征峰，表明大豆油和芝麻素的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，因此微膠囊技術(shù)能夠保護食品功能因子。大豆分離蛋白在1 479.34、1 593.26 cm-1的峰明顯減弱且發(fā)生了偏移，證明大豆分離蛋白羧基—COO-帶負電基團與殼聚糖鹽酸鹽的帶正電基團—NH3+發(fā)生靜電反應(yīng)。

綜上所述，芝麻素和大豆油的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，而大豆分離蛋白與殼聚糖鹽酸鹽發(fā)生了靜電反應(yīng)，形成了穩(wěn)定的蛋白多糖靜電結(jié)構(gòu)，所以基于Pickering乳液模板法制備微膠囊的反應(yīng)過程屬于物理反應(yīng)過程。

2.4 熱重分析

如圖3所示，芝麻素微膠囊在59.2 ℃開始產(chǎn)生質(zhì)量損失，質(zhì)量變化程度較少。升溫至262.0 ℃時，質(zhì)量損失開始加速，這個過程中微膠囊結(jié)構(gòu)在高溫作用下被破壞，壁材破裂分解，芯材被釋放出來。溫度為382.1～438.2 ℃時，質(zhì)量變化程度較快，微膠囊結(jié)構(gòu)經(jīng)前面高溫分解后各組分在高溫下進一步碳化。升溫至550 ℃之后，微膠囊質(zhì)量變化逐漸平穩(wěn)，最終殘留質(zhì)量為37.13%。整個升溫過程，芝麻素微膠囊經(jīng)歷了3次不同的質(zhì)量損失，表明微膠囊的結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上保護芯材組分。

2.5 差示量熱掃描分析

由圖4可知，芝麻素微膠囊的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度為50.24 ℃，表明微膠囊在室溫下能夠維持穩(wěn)定的玻璃態(tài)。在穩(wěn)定的玻璃態(tài)下，微膠囊的分子結(jié)構(gòu)較為緊密，能有效地保護芯材。

2.6 芝麻素微膠囊貯存穩(wěn)定性

如圖5所示，芝麻素微膠囊在25 ℃干燥皿中貯存30 d后，芝麻素保留率仍在90%以上，說明芝麻素微膠囊在日常干燥環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性。

2.7 芝麻素微膠囊生物安全性

由圖6可知，微膠囊組斑馬魚的腦部、肝部較為健康，組織上并未受到毒性損害，與空白對照組的狀態(tài)較為接近；微膠囊組斑馬魚的腸道屏障依然完整，芝麻素微膠囊的功能分子材料并未對斑馬魚本身造成明顯影響。說明芝麻素微膠囊具有生物安全性，可保證其應(yīng)用在食品領(lǐng)域的合理性。

3 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明：① 基于Pickering乳液模板法制備的芝麻素微膠囊干燥性和流動性良好，將芯材完整包埋，且分散性良好大小均一，其組成為蛋白多糖靜電結(jié)合作用的結(jié)果。② 芝麻素微膠囊具有良好的熱穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下對芯材有一定的保護作用，其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度為50.24 ℃，能保證微膠囊在室溫環(huán)境下的貯存穩(wěn)定性。③ 芝麻素微膠囊具有生物安全性，可以應(yīng)用于功能食品領(lǐng)域。

參 考 文 獻

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