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內(nèi)源乳化凝膠化法制備海藻酸鈣微膠珠的工藝優(yōu)化

2014-02-13 01:26:36梁新曉贠婷婷田科雄付亭亭李愛科趙明久王永偉侯義江綦文濤
食品科學(xué) 2014年12期
關(guān)鍵詞:液體石蠟水油微膠囊

梁新曉,贠婷婷,田科雄,付亭亭,李愛科,趙明久,王永偉,侯義江,綦文濤,

(1.國(guó)家糧食局科學(xué)研究院,北京 100037;2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128)

微膠囊技術(shù)是一種保護(hù)性技術(shù),它能把化工產(chǎn)品、生物制品,甚至細(xì)胞等物質(zhì)固定和隔離在球形微粒中,使其避免外部脅迫的影響,最大限度地保護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性,同時(shí)還具有緩控釋放的特點(diǎn),已在醫(yī)藥食品、化工和飼料行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]。NaAlg由于具有良好的成膜性、生物相容性和可生物降解性等優(yōu)點(diǎn),成為微膠囊包被材料研究的熱點(diǎn)[2]。通常,微膠囊制備的首要步驟是得到粒徑尺寸適宜、分布均勻、形態(tài)良好的微膠珠,同時(shí),為降低成本,微膠珠的回收率和產(chǎn)率也是重點(diǎn)考慮的制備參數(shù)。在目前的微膠珠制備技術(shù)中,擠壓法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì),其缺點(diǎn)是生產(chǎn)的微膠珠粒徑較大(通常在1~2 mm之間),制得產(chǎn)品易破碎、傳質(zhì)性能差且生產(chǎn)效率較低[3-4]。噴霧法也具有成本低廉的特點(diǎn),且產(chǎn)量大,易于規(guī)?;a(chǎn),但其缺點(diǎn)是制備過程機(jī)械強(qiáng)度大、產(chǎn)品粒徑大小不易控制,分布不均勻等,因此不適合用于細(xì)胞等活性物質(zhì)的包埋。此外,常見的微膠珠制備技術(shù)還有靜電法和振動(dòng)噴頭法等,但普遍存在生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜、投入大、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn),因此限制了其廣泛應(yīng)用[5]。

許多研究表明,利用乳化法可以規(guī)?;a(chǎn)較小粒徑微膠珠(<1 mm),具有生產(chǎn)設(shè)備和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[6-7]。乳化法制備海藻酸鈣微膠珠可分為內(nèi)部凝膠化和外部凝膠化兩種。乳化-外部凝膠化是指NaAlg溶液與油相混合形成乳化液,通過加入CaCl2溶液,從NaAlg外部引發(fā)凝膠化反應(yīng),但由于CaCl2難溶于油相,破壞乳狀液滴形成,在完全固化前出現(xiàn)凝膠相互聚集現(xiàn)象,導(dǎo)致微膠珠形態(tài)差,粒徑分布廣[8-9]。而入源乳化凝膠化可很好解決這些問題,它是利用NaAlg與不溶性鈣鹽混合作為水相分散到油相中形成穩(wěn)定的乳化液,通過降低體系pH值,釋放Ca2+與海藻酸根離子結(jié)合形成海藻酸鈣微膠珠,利用該方法能制備出形態(tài)好、粒徑均勻的海藻酸鈣微膠珠[10-11]。同時(shí)具有制備設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn),非常適合用作DNA[12]、細(xì)胞[13-14]、激素[15-16]、蛋白質(zhì)[17]等的包埋。然而,系統(tǒng)研究制備過程關(guān)鍵工藝參數(shù)及石蠟重復(fù)利用次數(shù)等對(duì)海藻酸鈣微膠珠性能,包括形態(tài)、產(chǎn)率和粒度分布等的研究還較少。微膠囊由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在益生菌的應(yīng)用領(lǐng)域日益受到重視?;诓煌砘A(chǔ)之上的益生菌微膠囊制備方法層出不窮。然而益生菌作為活細(xì)胞,其包被對(duì)微膠囊的要求也較高,除了微膠囊粒徑大小和均勻性有一定限制外,為了充分保持微生物細(xì)胞的活性,對(duì)微膠囊制備過程的降低脅迫要求也較高。本實(shí)驗(yàn)利用內(nèi)源乳化凝膠化原理制備微膠珠,整個(gè)過程條件溫和,制得的微膠珠形態(tài)良好、產(chǎn)率較高、粒徑合適,在微生物等活細(xì)胞的包被領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

本研究的主要目的是利用內(nèi)源乳化凝膠化法對(duì)制備粒徑在300~600 μm用于發(fā)酵前包被益生菌微膠珠的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并考察油相液體石蠟回收重復(fù)利用次數(shù)對(duì)微膠珠產(chǎn)品質(zhì)量的影響,以期在獲得乳化法制備益生菌發(fā)酵前包被微膠囊最佳工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步降低工藝成本,為微膠囊在益生菌領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

NaAlg、Span 80、Tween 80、液體石蠟(均為化學(xué)純),CaCO3、冰醋酸(均為分析純) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JJ-4A六聯(lián)電動(dòng)攪拌器 上海喬躍電子有限公司;CKX41生物倒置顯微鏡 日本Olympus公司;Mastersizer 2000 激光粒度儀 英國(guó)馬爾文儀器有限公司;LVDVC黏度計(jì) 美國(guó)Brook field公司。

1.3 方法

1.3.1 微膠珠的粒徑分布

用激光粒度儀測(cè)定微膠珠粒徑分布及體積平均粒徑,取制備的海藻酸鈣微膠珠樣品30 mL左右,去離子水作為分散劑,泵速為2 500 r/min,遮光度控制在10%~15%之間,每個(gè)樣品測(cè)定3 次,取平均值。

1.3.2 海藻酸鈣微膠珠形態(tài)

在倒置顯微鏡下觀察微膠珠的球形度和表面光潔度,用“++、+、-”分別來表示“好、一般、差”。

1.3.3 海藻酸鈣微膠珠產(chǎn)率計(jì)算

濾紙放置烘箱中65 ℃干燥30 min并記錄質(zhì)量,用濾紙過濾得到海藻酸鈣微膠珠,微膠珠與濾紙一同放置烘箱中65 ℃干燥至質(zhì)量恒定,計(jì)算微膠珠的干質(zhì)量,根據(jù)式(1)計(jì)算海藻酸鈣微膠珠的產(chǎn)率[18]。

式中:m1為海藻酸鈣微膠珠的干質(zhì)量;m2為加入反應(yīng)體系中NaAlg的干質(zhì)量;m3為CaCO3的干質(zhì)量。

1.3.4 分離效率測(cè)定

固化結(jié)束后,加去離子水分離沉淀海藻酸鈣微膠珠。通過測(cè)定在10 min內(nèi)海藻酸鈣微膠珠從油相沉降進(jìn)入水相中的速度來表征其分離效率好壞。用“++、+、-”分別來表示“快、中速、慢”。

1.3.5 海藻酸鈣微膠珠制備工藝

按與NaAlg一定的質(zhì)量比,稱取CaCO3,分散于少量蒸餾水中,然后加入一定質(zhì)量濃度完全溶解的NaAlg溶液,攪拌均勻,作為水相;表面活性劑Span 80充分分散于液體石蠟中作為油相,按一定水油兩相體積比值,往油相中加入水相,以400 r/min攪拌5 min形成穩(wěn)定的乳化液;向其中加入冰醋酸酸解CaCO3解離出Ca2+,與NaAlg產(chǎn)生凝膠化反應(yīng),形成海藻酸鈣微膠珠,固定化時(shí)間為10 min,最后用體積分?jǐn)?shù)1% Tween 80溶液和去離子水依次沖洗,通過分液漏斗分離沉降海藻酸鈣微膠珠。

1.3.6 制備工藝條件優(yōu)化

對(duì)海藻酸鈣微膠珠制備過程中各變量進(jìn)行單因素分析,各變量水平包括:NaAlg原液質(zhì)量濃度(5、10、15 g/L和20 g/L);表面活性劑Span 80分散于液體石蠟中的質(zhì)量濃度(1、5、10 g/L和15 g/L);CaCO3和NaAlg質(zhì)量比(1∶1、1∶3、1∶5和1∶7);水與油兩相體積比(1∶1、1∶3、1∶5、1∶7)。以微膠珠形態(tài)、粒徑大小和產(chǎn)率為評(píng)價(jià)指標(biāo),通過正交試驗(yàn)L9(34)摸索最佳制備工藝條件。將回收微膠珠后的液體石蠟收集,并用于下一次的微膠珠制備,依次類推,并對(duì)制備所得的微膠珠進(jìn)行質(zhì)量和產(chǎn)率分析。另外,對(duì)于分離回收的液體石蠟,記錄回收體積和使用黏度計(jì)測(cè)定其黏度值,式(2)計(jì)算液體石蠟回收率。每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次,每個(gè)樣品測(cè)定3 次,結(jié)果取平均值。

式中:V1為液體石蠟利用回收后的體積;V2為液體石蠟利用前的體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaAlg質(zhì)量濃度對(duì)微膠珠品質(zhì)的影響

圖1 NaAlg質(zhì)量濃度對(duì)海藻酸鈣微膠珠粒徑的影響Fig.1 Effect of sodium alginate concentration on the particle size of calcium alginate microbeads

表1 NaAlg質(zhì)量濃度對(duì)海藻酸鈣微膠珠品質(zhì)的影響Table 1 Effect of sodium alginate concentration on the quality of calcium alginate microbeads

Ca2+與海藻酸根離子結(jié)合形成海藻酸鈣凝膠是微膠珠成型的關(guān)鍵,海藻酸根的質(zhì)量濃度,即NaAlg的質(zhì)量濃度在決定凝膠結(jié)構(gòu)和致密性的同時(shí),還會(huì)影響微膠珠的粒徑大小、分布和形態(tài)等[19]。由圖1和表1可知,在本工藝條件下,NaAlg質(zhì)量濃度越大,海藻酸鈣微膠珠的平均粒徑越大,其分布也越寬,但分離效果較好。原因是質(zhì)量濃度的提高增加了NaAlg溶液的黏度,當(dāng)在一定剪切力下,高黏度NaAlg不易被分散,所以形成的油包水體系粒徑較大,粒徑分布也較寬[20]。盡管低黏度NaAlg可以制備粒徑較小的微膠珠,但此時(shí)的微膠珠容易聚結(jié)成團(tuán),造成分離效率較低。通常用于包被微生物細(xì)胞的微膠囊尺寸以400 μm左右為最佳。粒徑過大,微膠囊的機(jī)械性能差,易破碎,內(nèi)部傳質(zhì)效果不利于微生物的充分增殖;粒徑過小,微膠囊膨脹系數(shù)小,微生物生長(zhǎng)過程易造成細(xì)胞的泄漏和微膠囊的破碎[13]。因此,綜合以上各個(gè)因素,結(jié)果表明,NaAlg質(zhì)量濃度為15 g/L時(shí),微膠珠產(chǎn)率高、形態(tài)良好、易于分離。此時(shí)微膠珠平均粒徑大小為481 μm,適合微生物包被用微膠囊的制備。

2.2 表面活性劑Span 80質(zhì)量濃度對(duì)微膠珠品質(zhì)的影響

由于油相表面張力較大,與水相混合時(shí),形成穩(wěn)定乳化體系的難度較大,不利于微膠珠的制備,因此制備過程中,需要加入一定量表面活性劑,以調(diào)節(jié)油相的表面張力。選擇好的乳化劑是制備穩(wěn)定乳狀液的關(guān)鍵,表面活性劑親水親油平衡值(hydrophilic lypophilic balance,HLB)越低,親油性越強(qiáng),愈易形成油包水型乳狀液,通常選擇HLB值小的Span類表面活性劑,研究比較表面活性劑Span 85與Span 80對(duì)乳狀液穩(wěn)定性影響發(fā)現(xiàn),Span 80能更快地穩(wěn)定乳狀液,防止液滴重聚,粒徑分布也越窄,同時(shí),Span 80具有無毒、不溶于水等特性,廣泛應(yīng)用于化妝品、生物醫(yī)藥、化工等行業(yè)中[21]。

圖2 Span 80質(zhì)量濃度對(duì)海藻酸鈣微膠珠粒徑的影響Fig.2 Effect of Span 80 concentration on the particle size of calcium alginate microbeads

表2 Span 80質(zhì)量濃度對(duì)海藻酸鈣微膠珠品質(zhì)的影響Table 2 Effect of Span 80 concentration on the quality of calcium alginate microbeads

由圖2可見,隨著表面活性劑Span 80質(zhì)量濃度的增加,微膠珠粒徑變小,粒徑分布變窄,但分離效果變差,導(dǎo)致回收率降低。同時(shí),表面活性劑質(zhì)量濃度的增大,增加了吸附在水油界面上分子的緊密度,致使界面膜強(qiáng)度增強(qiáng),增加了醋酸分子通過水油界膜的難度,因此降低了微膠珠產(chǎn)率,如表2所示。因此,綜合考慮微膠珠的形態(tài)、回收率及粒徑大小和分布等因素,表面活性劑Span 80的質(zhì)量濃度為1 g/L時(shí)可滿足粒徑為400 μm左右微膠囊的制備。

2.3 CaCO3與NaAlg質(zhì)量比對(duì)微膠珠品質(zhì)的影響

由圖3可見,CaCO3與NaAlg的不同質(zhì)量比對(duì)微膠珠粒徑的影響不顯著。從表3可以看出,不同質(zhì)量比條件下制備的微膠珠都具有良好的形態(tài)和分離效率,粒徑分布均在450 μm左右。酸引發(fā)的鈣離子數(shù)與NaAlg結(jié)合引起凝膠化反應(yīng),當(dāng)CaCO3與NaAlg質(zhì)量比在1∶1~1∶3左右時(shí),此時(shí)鈣離子質(zhì)量濃度相對(duì)較大,酸引發(fā)CaCO3時(shí)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w破壞了微膠珠表面結(jié)構(gòu),出現(xiàn)小孔現(xiàn)象,這影響了微膠珠產(chǎn)品形態(tài)和性能。當(dāng)CaCO3與NaAlg質(zhì)量比為1∶5時(shí),鈣離子質(zhì)量濃度相對(duì)較低,同時(shí)海藻酸鈣微膠珠結(jié)構(gòu)較緊密,生成的CO2氣體不足以對(duì)微膠珠結(jié)構(gòu)造成較大的破壞,因此制備的微膠珠形態(tài)良好,回收率和產(chǎn)率都較高。當(dāng)CaCO3與NaAlg質(zhì)量比進(jìn)一步增大至1∶7時(shí),由于鈣離子數(shù)量少,形成微膠珠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,清洗過程易破碎,因此大大降低了微膠珠的產(chǎn)率。

圖3 CaCO3與NaAlg質(zhì)量比對(duì)海藻酸鈣微膠珠粒徑的影響Fig.3 Effect of mass ratio of CaCO3 to sodium alginate on the particle size of calcium alginate microbeads

表3 CaCO3與NaAlg質(zhì)量比對(duì)海藻酸鈣微膠珠品質(zhì)的影響Table 3 Effect of mass ratio of CaCO3 to sodium alginate on the quality of calcium alginate microbeads

2.4 水油兩相體積比值對(duì)微膠珠品質(zhì)的影響

圖4 水油兩相體積比值對(duì)海藻酸鈣微膠珠粒徑的影響Fig.4 Effect of volumetric ratio of water to oil on the particle size of calcium alginate microbeads

從圖4可知,隨著水油兩相體積比值的減少,微膠珠粒徑逐漸增大,分布變寬。從表4可知,在本實(shí)驗(yàn)所選擇的不同水油兩相體積比值下,水油兩相體積比值越小,微膠珠的形態(tài)越好,回收率越高。然而,過低的水油兩相比值不但顯著增加了微膠珠的制備成本,也使得微膠珠的分離難度加大。另一方面,水油相比值過高,形成的微膠珠密度過大,增加了微膠珠之間相互接觸和聚結(jié)的機(jī)會(huì),因此影響了其單分散性和形態(tài)。結(jié)果表明當(dāng)水油相體積比為1∶3時(shí),微膠珠生產(chǎn)性能最優(yōu)。

表4 水與油兩相體積比值對(duì)海藻酸鈣微膠珠品質(zhì)的影響Table 4 Effect of volumetric ratio of water to oil on the quality of calcium alginate microbeads

2.5 正交試驗(yàn)

在上述單因素試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,以微膠珠粒徑和分離效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)影響內(nèi)源乳化凝膠化法制備微膠珠的4 個(gè)主要影響因素,包括NaAlg質(zhì)量濃度、Span 80質(zhì)量濃度、CaCO3與NaAlg質(zhì)量比及水油兩相體積比值等,采用L9(34)正交設(shè)計(jì)對(duì)工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化,試驗(yàn)各因素水平設(shè)計(jì)如表5、6所示。

表5 正交試驗(yàn)因素水平表Table 5 Coded levels for independent variables used in orthogonal array design

表6 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 6 Orthogonal array design and results

由表6可知,影響海藻酸鈣微膠珠產(chǎn)率因素大小為水油兩相體積比值>NaAlg質(zhì)量濃度>Span 80質(zhì)量濃度>CaCO3與NaAlg質(zhì)量比,最優(yōu)組合為A1B2C3D1。即NaAlg質(zhì)量濃度12 g/L、Span 80質(zhì)量濃度2 g/L、CaCO3與NaAlg質(zhì)量比1∶4、水油兩相體積比值1∶3,根據(jù)優(yōu)化工藝參數(shù)制備得到微膠珠顯微鏡照片如圖5所示,微膠珠形態(tài)較好,粒徑均勻,大小在450 μm左右,如圖6所示,與單因素分布結(jié)果基本一致。

圖5 海藻酸鈣微膠珠示意圖(×40)Fig.5 Micrograph of calcium alginate microbeads (× 40)

圖6 海藻酸鈣微膠珠粒徑分布圖Fig.6 Particle size distribution of calcium alginate microbeads

2.6 液體石蠟回收再利用

表7 回收利用液體石蠟對(duì)海藻酸鈣微膠珠性能的影響Table 7 Effect of repeated use of liquid paraffin on properties of calcium alginate microbeads

按照上述優(yōu)化得到最佳工藝對(duì)分離回收油相液體石蠟進(jìn)行多次重復(fù)利用,通過測(cè)定海藻酸鈣微膠珠形態(tài)和粒徑表述液體石蠟重復(fù)利用最大次數(shù)。液體石蠟回收利用次數(shù)對(duì)其回收率、黏度、微膠珠形態(tài)及產(chǎn)率的影響,結(jié)果如表7和圖7所示。液體石蠟重復(fù)利用次數(shù)并沒有顯著影響其黏度,因此,制備得到的微膠囊保持了很好的形態(tài),粒徑大小和分布也沒有發(fā)生顯著變化。液體石蠟的回收率基本維持在90%以上。液體石蠟的回收利用對(duì)微膠珠產(chǎn)率影響也不顯著,保持在70%左右。由于液體石蠟在內(nèi)源乳化凝膠化法制備微膠囊工藝中占據(jù)了較高的材料成本,因此其回收利用對(duì)于降低微膠囊產(chǎn)品成本,簡(jiǎn)化制備工藝具有重要的意義。

圖7 第10次回收利用液體石蠟制備海藻酸鈣微膠珠示意圖(×40)Fig.7 Micrograph of calcium alginate microbeads prepared by tenth repeated use of liquid paraffin (× 40)

3 結(jié) 論

通過單因素分析和正交試驗(yàn)對(duì)內(nèi)源乳化凝膠化法制備微膠珠的工藝進(jìn)行了優(yōu)化研究,得到最佳工藝參數(shù)為NaAlg質(zhì)量濃度12 g/L、Span 80質(zhì)量濃度2 g/L、CaCO3與NaAlg質(zhì)量比1∶4、水相與油相體積比值1∶3,在此條件下制備的微膠珠形態(tài)良好、產(chǎn)率較高,粒徑在450 μm左右,且分布均勻。同時(shí),在此工藝條件下液體石蠟在不經(jīng)過任何處理的條件下重復(fù)利用10 次,不會(huì)對(duì)微膠珠的制備性能產(chǎn)生顯著影響,有效地降低了微膠珠的生產(chǎn)成本。

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