复凝聚法制备苹果多酚微胶囊

韩 路，吕春茂*，赵明慧，郑 鹏，刘 畅

(沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866)

摘 要：为提高苹果多酚生物有效性及利用率，以壳聚糖和明胶为壁材，采用复凝聚法制备寒富苹果多酚微胶囊。以包埋率为评价指标，研究不同因素对微胶囊制备效果的影响，通过响应面试验设计优化工艺条件。结果表明：在明胶与壳聚糖质量比1:1、壁材质量分数1%、芯壁比1:1、温度54℃、pH7.0的条件下，苹果多酚微胶囊最大包埋率为93.2%。

关键词：寒富苹果；多酚；复凝聚；微胶囊

Microencapsulation of Apple Polyphenols by Complex Coacervation

HAN Lu，LÜ Chun-mao*，ZHAO Ming-hui，ZHENG Peng，LIU Chang

(College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866，China)

Abstract：Microcapsules of apple polyphenols from the cultivar ‘Hanfu’ were prepared by complex coacervation method with gelatin and chitosan as wall materials. The effects of various factors on the quality of microcapsules were explored. Response surface methodology was employed to establish the optimal process conditions: gelatin/chitosan ratio of 1:1, wall material concentration of 1%, core material/wall material ratio of 1:1, reaction temperature of 54 ℃ and pH 7. Under these conditions, the highest embedding efficiency of apple microcapsules was experimentally observed to be 93.2%.

Key words：Hanfu apple；polyphenols；complex coacervation；microencapsulation

中图分类号：TS255.36 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)20-0342-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201320071

随着人们生活水平的提高，对食品的营养要求也越来越高。苹果含有丰富的营养成分[1]，苹果多酚是苹果中所含多元酚类物质的通称[2]，是一种天然的抗氧化剂，其生理活性和营养价值备受关注。研究发现它的许多生理功能活性比茶多酚高100倍以上[3]，但因苹果多酚在潮湿、阳光、高温等条件下极易发生氧化、聚合等反应限制了苹果多酚的应用[4]。

微胶囊技术是当今一项用途广泛而又发展迅速的新技术[5]，复凝聚法是制备微胶囊的常用方法[6]，其原理是使用两种或两种以上水溶性高分子电解质为成膜材料，在适当条件下，由于电荷中和成膜材料从溶液中凝聚，将芯材包覆形成微胶囊，这是一种高效率实用微囊化方法[7-8]。复凝聚法相对操作简单，反应条件温和。本实验所采用的壁材明胶是一种来源丰富的天然生物材料，壳聚糖是由甲壳素脱去乙酞基而制得的天然高分子材料[9-10]，都具有来源丰富、无毒、稳定性和密封性好等特点[11]。

目前，对植物类多酚的研究及开发非常盛行，特别是结合微胶囊技术已屡见不鲜，大多为茶多酚、葡萄多酚、龙眼多酚等物质的微胶囊化研究，以茶多酚尤为突出。但对苹果多酚微胶囊化的研究尚未见报道。本实验应用复凝聚法对苹果多酚进行微胶囊化，旨在为提高苹果多酚类物质的利用率提供一种有效的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

寒富苹果采自沈阳市深井子金德胜果园。

福林试剂、碳酸钠(分析纯)、明胶 国药集团化学试剂有限公司；壳聚糖 北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司。

1.2 仪器与设备

7200型可见分光光度计 尤尼柯(上海)仪器有限公司；UV-1600型紫外-可见分光光度计 北京瑞利分析仪器公司；电子分析天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；电热恒温水浴锅、磁力搅拌器 常州国华电器有限公司；E-52型旋转蒸发仪 上海博通经贸有限公司。

1.3 方法

1.3.1 苹果多酚的制备工艺流程

寒富苹果→打浆→浸提→抽滤→真空浓缩→真空干燥→苹果多酚粗提物

1.3.2 苹果多酚含量的测定

采用Folin-Ciocalteu法[12-13]进行测定，在碱性溶液中，酚类化合物可以将钨钼酸还原(W6+变为W5+)，生成蓝色的化合物，颜色的深浅与多酚含量呈正相关，蓝色化合物在760nm左右波长处有最大吸收[14-15]。吸光度关于多酚质量浓度的线性回归方程为：Y=0.0594X+0.0068，R2=0.999。

1.3.3 复凝聚法微胶囊的制备

1.3.3.1 工艺流程

苹果多酚干粉

↓

壳聚糖HAc溶液→磁力搅拌

↓(混合液滴入明胶溶液中)

明胶加水于一定温度水浴中溶解→磁力搅拌→调节pH值→一定温度反应15min→抽滤、淋洗→

↗上清液→取1mL测吸光度

离心

↘微胶囊→真空干燥

1.3.3.2 因素的确定

以载药量及包埋率为指标[16]，考察壁材质量分数、芯壁比(m/m)、pH值、温度4个因素进行分析，显微镜观察其形状、大小，均匀度等成囊结果，取各个参数的合理范围。

1.3.3.3 响应面法工艺优化

在单因素试验基础上，根据Box-Behnken试验设计原理，以包埋率和载药量为指标，以壁材质量分数、芯壁比、温度、pH值4因素设计了四因素三水平共计31组试验(中心点重复7次，用于估计试验误差)，试验设计方案见表1。

表 1 响应面试验因素水平编码表

Table 1 Coded levels for independent variables used in response surface design

2 结果与分析

2.1 观察稀溶液复凝聚现象

在进行复凝聚反应之前，先通过实验观察两种胶体的复凝聚现象，当两种胶体溶液混合后，会通过复凝聚反应形成乳白色的混浊液，透光率降低，因此可以根据溶液透光率的最小值来确定明胶和壳聚糖的最佳投料比[17-18]。由表2可知，质量浓度相同的明胶和壳聚糖，当两者溶液体积比为1:1时，混合溶液的透光率最低，由此确定两者质量比为1:1时，明胶和壳聚糖溶液能够充分发生复凝聚反应。

表 2 明胶-壳聚糖溶液配比关系

Table 2 Relationship between gelatin/chitosan ratio and light transmittance

2.2 壁材质量分数对微胶囊包埋率和载药量的影响

固定芯壁比1:1、温度55℃、pH7.0，改变壁材质量分数，其余操作同工艺流程，考察壁材质量分数对微胶囊包埋率和载药量的影响，结果见图1。

图 1 壁材质量分数对微胶囊包埋率和载药量的影响

Fig.1 Effect of wall material concentration on drug loading (DL) and encapsulation efficiency (EE) of microcapsules

由图1可以看出，当壁材质量分数为1%时，微胶囊包埋率和载药量达到最大，此后，随着系统浓度的增高，微胶囊的包埋率及载药量均有下降的趋势。试验确定复凝聚法的壁材质量分数为1.0%。

2.3 芯壁比对微胶囊包埋率和载药量的影响

图 2 芯壁比对微胶囊包埋率和载药量的影响

Fig.2 Effect of core material/wall material ratio on DL and EE of microcapsules

固定壁材质量分数1%、温度55℃、pH7.0，改变芯壁比，其余操作同工艺流程，考察芯壁比对微胶囊包埋率和载药量的影响，结果见图2。

由图2可以看出，当芯壁比为1:1时，微胶囊包埋率和载药量达到最大，且微胶囊成型较好，大小和形状不均匀，胶粒清晰。随着比例的变化，微胶囊的包埋率和载药量降低的同时，胶囊的成型不均匀。

2.4 温度对微胶囊包埋率和载药量的影响

固定壁材质量分数1%、芯壁比1:1、pH7.0，改变温度，其余操作同工艺流程，考察温度对微胶囊包埋率和载药量的影响，结果见图3。

图 3 温度对微胶囊包埋率和载药量的影响

Fig.3 Effect of reaction temperature on DL and EE of microcapsules

由图3可以看出，随着温度的升高，微胶囊的载药量及包埋率先增后降，当反应温度为55℃时，微胶囊载药量及包埋率最高，之后随着反应温度的升高，载药量及包埋率均呈下降趋势。

2.5 pH值对微胶囊包埋率和载药量的影响。

固定壁材质量分数1%、芯壁比1:1、温度55℃，改变pH值，其余操作同工艺流程，考察pH值对微胶囊包埋率和载药量的影响，结果见图4。

图 4 pH值对微胶囊包埋率和载药量的影响

Fig.4 Effect of pH on DL and EE of microcapsules

由图4可以看出，pH值低于6.2时，复凝聚反应不完全，观察不到微胶囊形，pH值大于7时，微胶囊粒径变大，粘连严重，成型微胶囊较少。pH值为6.4～7.4时，复凝聚反应完全，微胶囊的大小和形状均匀，且生成胶囊量最多。当复凝聚pH值为7.0时，微胶囊的包埋率和载药量最大。

2.6 响应面法优化微胶囊条件

响应面试验设计及结果见表3。

表 3 Box-Behnken试验设计及结果

Table 3 Box-Behnken design and results

2.6.1 回归模型的建立及统计分析

表 4 回归模型系数显著性检验

Table 4 Statistical significance of each item in the fitted regression model

表 5 回归模型方差分析

Table 5 Analysis of variance for the regression model

注：*. P＜0.05，差异显著；**. P＜0.01，差异极显著。

利用Minitab 15软件数据分析，建立数学模型方程为：Y=95.5944－0.2111A＋0.6944B＋0.8278C− 0.4833D－3.1379A2－4.3879B2－1.8879C2－0.2121D2＋
0.6563AB－0.4062AC－0.2687AD＋0.0688BC－0.6563BD＋0.3313CD。由表4可以看出，芯壁比、温度以及壁材质量分数与芯壁比的交互作用对微胶囊包埋率的影响均极显著(P＜0.01)，pH值、芯壁比与pH值的交互作用对微胶囊包埋率的影响均显著(P＜0.05)，而其他因素影响均不显著(P＞0.05)。

由表5可以看出，回归模型的方差分析结果为F=72.99，对应的P＜0.01，表明该模型极显著。因变量与自变量之间的线性关系显著(R2=0.9835)，模型调整复相关系数R2Adj=0.9711，说明该模型能解释97.11%响应值的变化，拟合程度较好。失拟项0.098不显著(P＞0.05)。

2.6.2 微胶囊化条件的响应面分析及优化

a.壁材质量分数和芯壁比

b. 芯壁比和温度

c.壁材质量分数和温度

图 5 各两因素交互作用对微胶囊包埋率影响的响应面和等高线图

Fig.5 Response surface and contour plots for the interactive effect of various process conditions on EE of microcapsules

通过Minitab 15软件分析，得到苹果多酚微胶囊最佳包埋条件为壁材质量分数1%、芯壁比1:1、温度54.27℃、pH7，在此条件下得到的最优包埋率为93.2%，考虑实际操作性，将最佳工艺参数修正为壁材质量分数1%、芯壁比1:1、温度54℃、pH7，在此条件下得到的包埋率为93.2%，与理论最大值94.2%接近，可见该模型能较好地预测实际情况。

2.7 微胶囊颗粒结构电镜检测分析

放大倍数为1000倍。

图 6 壳聚糖-明胶为复合壁材对苹果多酚微胶囊化的电镜照片

Fig.6 Electron micrographs of microencapsulated apple polyphenols with a mixture of gelatin and chitosan as wall materials

实现复凝聚的必要条件是两种聚合物离子的电荷相反，壳聚糖分子中的—NH2和明胶中的—COOH侧基，以及大分子间的范德华力作用，这些作用更有利于球形的圆滑与刚性[10,19]。由图6可以看出，最佳包埋条件下制备的苹果多酚微胶囊，胶囊形成产率高、成囊明显、微胶囊粒径小且形状规则。

3 结 论

在单因素试验基础上，采用响应面分析法优化复凝聚法制备寒富苹果多酚微胶囊的工艺。通过回归模型的分析可知，苹果多酚微胶囊制备的最佳工艺条件为壁材质量比1:1、壁材质量分数1%、芯壁比1:1、温度54℃、pH7，在此条件下得到的包埋率为93.2%，获得的苹果多酚微胶囊包埋率较大。

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