陳雨露，呂沛峰，袁 芳

（中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083）

番茄紅素是存在于人血清中的一種類胡蘿卜素，其分子中共軛雙鍵的數(shù)量較多（11 個），是最有效的抗氧化劑之一[1]。番茄紅素還具有預防癌癥[2]、動脈粥樣化[3]和心血管疾病[4]的功能，廣泛存在于番茄、番石榴、薔薇果等果蔬之中[1,5]。番茄紅素可作為著色劑和營養(yǎng)強化劑應用于食品工業(yè)，但天然的番茄紅素不溶于水，易受外界環(huán)境的影響而異構化和降解，這些都限制了番茄紅素在食品工業(yè)中的應用[6]。微膠囊化技術有望解決上述問題，甚至可實現(xiàn)功能成分的控釋或定向釋放[7-8]。

以番茄紅素為芯材、多糖為壁材，采用噴霧干燥制備番茄紅素微膠囊的研究已有報道。Silva等[9]采用明膠-果膠復合材料為壁材制備番茄紅素微膠囊，結果顯示該微膠囊化可高效封裝番茄紅素，但不能有效阻止貯存過程中番茄紅素的降解。伍秀英[10]以多孔淀粉為壁材微膠囊化包埋番茄紅素，顯著提高了番茄紅素的穩(wěn)定性。Rocha等[11]采用噴霧干燥的方法以變性淀粉將含有不同含量番茄紅素的乳液微膠囊化，顯著提高了番茄紅素的穩(wěn)定性及其在食品體系中的分散性。由此可見，微膠囊化技術結合其他封裝技術具有提高番茄紅素穩(wěn)定性的潛力。

已有諸多研究報道了蛋白和多糖協(xié)同可提高微膠囊中活性成分的穩(wěn)定性和體外模擬釋放性能[12-14]。在以往的研究中，本課題組以乳清分離蛋白（whey protein isolate，WPI）和殼聚糖為材料成功制備了封裝有番茄紅素的雙層乳液，該體系中番茄紅素包埋率和溶解度顯著提升，但其在貯藏期間的穩(wěn)定性卻不盡理想[15]。此外，目前國內外鮮見關于以雙層乳液為芯材、多糖為壁材制備微膠囊的研究報道。因此本研究以菊粉、海藻糖和麥芽糊精水溶性多糖為壁材、以番茄紅素雙層乳液為芯材，通過噴霧干燥法制備一種新型的番茄紅素微膠囊。通過分析壁材種類、芯壁質量比對微膠囊包埋率、微觀形貌、貯藏穩(wěn)定性及其在酸性飲料中穩(wěn)定性和模擬消化的影響，探究應用多糖為壁材、雙層乳液為芯材制備微膠囊的可行性，以期進一步擴大番茄紅素遞送體系的種類，同時為遞送其他功能成分的保護提供新型的遞送載體。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

WPI 美國Davisco有限公司；番茄紅素標準品（純度99%） 河北晨光生物公司；殼聚糖 美國Sigma-Aldrich公司；氫氧化鈉（分析純）、鹽酸（分析純）、正己烷、無水乙醇（體積分數(shù)＞99%） 北京化工廠；胃蛋白酶（P7125-100G）、胰脂肪酶（L3126-100G）、膽鹽（48305-50G-F） 美國Sigma公司；中鏈甘油三酸酯（C8-C10） 上?？固貒H有限公司；菊粉豐寧平安高科實業(yè)有限公司；海藻糖 日本林源株式會社；麥芽糊精 山東旺勢達化工科技有限公司。

1.2 儀器與設備

T25-digital高速剪切分散機 德國IKA公司；ARC120電子分析天平 上海奧豪斯國際貿易有限公司；Orion Star型pH計 美國Thermo Scientific公司；NS1001L2K型高壓均質機 意大利Niro-Soavi公司；Zetasizer Nano-ZS90激光粒徑儀 英國Malvern公司；UV-1800型紫外-可見分光光度計日本Shimadzu公司；Q-SUN/Xe-1-B型光照箱美國Q-LAB公司；磁力攪拌器上海司樂儀器有限公司；噴霧干燥器英國LabPlant公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備

1.3.1.1 番茄紅素雙層乳液的制備

參考許朵霞[16]、侯占群[17]的方法制備番茄紅素雙層乳液。首先制備質量分數(shù)為0.6%的WPI溶液，溶脹過夜后得到水相，調節(jié)水相pH值至6.0；將番茄紅素的油懸浮液溶解于中鏈甘油三酸酯中得到油相（番茄紅素質量分數(shù)0.8%）。高速剪切（10 000 r/min、5 min）水相和油相的混合溶液后得到粗乳液，隨后通過高壓均質機（50 MPa、均質3 次）進一步均質得到中鏈甘油三酸酯油相質量分數(shù)為10%的番茄紅素單層乳液。使用磁力攪拌的方法將殼聚糖溶解于去離子水中，用0.1 mol/L HCl溶液調節(jié)pH值至2.0，使殼聚糖完全溶解，再使用0.1 mol/L NaOH溶液調節(jié)pH值至6.0，攪拌溶脹過夜，最終得到質量分數(shù)為0.5%的殼聚糖-水溶液，作為第二層水相；等質量混合番茄紅素單層乳液和殼聚糖-水溶液，10 000 r/min剪切5 min形成雙層粗乳液，然后通過高壓均質得到油相質量分數(shù)為5%的WPI-殼聚糖番茄紅素雙層乳液[16-17]。

1.3.1.2 番茄紅素微膠囊的制備

參考文獻[18-19]，采用噴霧干燥法制備番茄紅素微膠囊。分別將不同質量濃度的菊粉、海藻糖以及麥芽糊精水溶液等質量加入至番茄紅素雙層乳液中，使得芯壁質量比分別為1∶2、1∶3和1∶4（以兩種溶液中番茄紅素與各可溶性多糖質量比計）。10 000 r/min剪切混合溶液5 min后進行噴霧干燥，進料速率為500 mL/h，進風溫度和出風溫度分別為170 ℃和90 ℃。將接收瓶中所得噴霧干燥粉末放入棕色玻璃瓶中避光密封保存，以用于之后的實驗。

1.3.1.3 模擬酸性飲料的制備

準備50 mL滅菌棕色玻璃瓶。稱取一定質量的白砂糖和檸檬酸，用去離子水攪拌溶解，得到白砂糖和檸檬酸質量分數(shù)分別為10%和0.15%的糖酸水溶液。使用糖酸水溶液溶解一定質量的番茄紅素微膠囊粉末，配制質量分數(shù)為1%的微膠囊糖酸水溶液。90 ℃持續(xù)加熱上述溶液1 min后，迅速灌入棕色玻璃瓶中，經(jīng)封口機封裝后倒置3 min。分階段水浴冷卻至室溫[20]。

1.3.2 番茄紅素質量濃度的測定

1.3.2.1 標準曲線的繪制

采用紫外-可見分光光度法測定番茄紅素的質量濃度[21]。準確稱取5 mg番茄紅素標準品溶解于正己烷中，配制成50 μg/mL的儲備液，在200～600 nm波長范圍內掃描，確定最大吸收波長為471 nm。隨后，分別準確移取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mL番茄紅素標準溶液于10 mL棕色容量瓶中，并用正己烷進行定容，在471 nm波長處測溶液的吸光度，得到番茄紅素質量濃度的標準曲線：y＝0.294 3x－0.002 4，R2＝0.999 8。

1.3.2.2 包埋率的測定

將10 mg的番茄紅素微膠囊粉末溶于去離子水中，吸取兩份1 mL番茄紅素微膠囊溶液分別溶于10 mL離心管中。其中一份加入3 mL正己烷，混合均勻后離心取上清液，稀釋至一定倍數(shù)后在471 nm波長處測其吸光度，根據(jù)番茄紅素標準曲線計算出樣品中番茄紅素的質量濃度，即代表未包埋番茄紅素質量濃度；另一份首先使用研棒和研缽研磨樣品以破壞微囊膜，隨后加入1 mL無水乙醇和2 mL正己烷，同理測得上清液中番茄紅素的質量濃度即代表微膠囊中總番茄紅素質量濃度。番茄紅素微膠囊包埋率按式（1）計算[22]。

1.3.3 微觀形貌觀察

采用SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察番茄紅素微膠囊的微觀形貌。樣品觀察前需要對其進行真空噴金處理，加速電壓為3.0 kV[19]。

1.3.4 貯藏穩(wěn)定性的測定

參考文獻[9]，分別稱取兩份等質量的番茄紅素微膠囊粉末，裝入棕色玻璃瓶中，分別在常溫條件下（25 ℃）和55 ℃恒溫箱充氮保存。每隔1 d取一定質量的微膠囊于試管中，使用乙醇-正己烷（體積比1∶2）重復萃取3 次，合并上層正己烷萃取液，使用紫外分光光度計測其在471 nm波長處的吸光度。根據(jù)已繪制的番茄紅素標準曲線計算樣品中番茄紅素質量濃度。穩(wěn)定性以番茄紅素的保留率表示，按式（2）計算。

式中：ρ0為番茄紅素的初始質量濃度/（μg/mL）；ρ為經(jīng)處理后的番茄紅素質量濃度/（μg/mL）。

1.3.5 酸性飲料中的番茄紅素微膠囊的穩(wěn)定性評價

1.3.5.1 貯藏穩(wěn)定性

將封口機封口后的裝有溶解不同番茄紅素微膠囊糖酸水溶液的棕色玻璃瓶分別置于常溫條件下（25 ℃）和55 ℃恒溫箱充氮貯藏，每個樣品配制3 份，貯藏7 d后取出開封進行番茄紅素質量濃度的測定，測定方法同1.3.4節(jié)，貯藏穩(wěn)定性以番茄紅素的保留率表示。

1.3.5.2 光照穩(wěn)定性

取一定量的番茄紅素微膠囊糖酸水溶液裝入光照瓶中，并將光照瓶放入光照箱中（模擬全光譜日光），在光照強度為450 W/m2、溫度為45 ℃的條件下持續(xù)進行8 h照射，每2 h取樣測定乳液中番茄紅素質量濃度變化[23]，測定方法同1.3.4節(jié)，光照穩(wěn)定性以番茄紅素的保留率表示。

1.3.6 體外模擬消化釋放

參考Tai Kedong等[24]的研究方法，對含有番茄紅素微膠囊的模擬酸性飲料進行體外模擬消化實驗。整個模擬消化過程需在37 ℃水浴搖床中進行，分別使用0.1 mol/L和1 mol/L的HCl溶液或NaOH溶液調節(jié)樣品的pH值。

模擬胃消化：等體積混合樣品和模擬胃液（3.2 g/L胃蛋白酶、2.0 g/L NaCl）至錐形瓶中，并調節(jié)溶液pH值至1.2。將錐形瓶置于水浴搖床中，并在30 min和60 min時取1 mL樣品備用。

模擬小腸消化：調節(jié)模擬胃消化液pH值至7.0終止胃模擬消化，取20 mL模擬胃消化液與20 mL模擬腸液（2.0 g/L胰液素、8.8 g/L NaCl、6.8 g/L磷酸二氫鉀、12.0 g/L膽鹽）混合，再次調節(jié)pH值至7.0。混合液繼續(xù)置于水浴搖床中保持2 h（溫度37 ℃），每隔30 min取1 mL樣品備用，模擬小腸消化共進行2 h。

所有取樣在10 000 r/min、25 ℃條件下離心10 min，根據(jù)1.3.2.1節(jié)標準曲線計算上清液中番茄紅素質量濃度，計算番茄紅素的累計釋放率，累計釋放率為各時間點上清液中番茄紅素質量濃度與初始質量濃度的百分比。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

每組實驗重復2 次，每項檢測重復3 次，采用SPSS 23軟件處理數(shù)據(jù)，結果用平均值±標準差表示，采用Origin軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 微膠囊中番茄紅素的包埋率

對功能因子的有效封裝是評價食品傳遞體系的首要標準，番茄紅素在不同壁材（菊粉、海藻糖、麥芽糊精）和芯壁質量比（1∶2、1∶3、1∶4）的微膠囊中的包埋率如圖1所示。所有微膠囊均顯示出良好的包埋效果（包埋率穩(wěn)定在72.97%～81.90%），這可能是以包埋效果較好的番茄紅素-WPI-殼聚糖雙層乳液為芯材所致。其中，以菊粉為壁材的微膠囊在所有芯壁質量比條件下的包埋率均高于以海藻糖和麥芽糊精為壁材微膠囊的包埋率。對以菊粉和麥芽糊精為壁材的微膠囊來說，隨著芯壁質量比的降低，微膠囊的包埋率明顯增加，均在芯壁質量比為1∶4時達到最大值，最大值分別為（81.90±1.20）%和（78.36±1.20）%。這是由于隨著芯壁質量比的降低，番茄紅素乳液周圍多糖的含量增加使芯材被包裹的概率增大[25]。已知海藻糖是玻璃化轉變溫度（115 ℃）最高的雙糖，低溫時海藻糖分子鏈和鏈段不運動，只是原子（基團）在平衡位置振動[26]。在噴霧干燥過程中，剛性“外殼”的形成需要更長的時間，使得部分芯材損失[18]，表現(xiàn)為對于以海藻糖為壁材的番茄紅素微膠囊來說，其包埋率穩(wěn)定在77%左右，芯壁質量比的變化對微膠囊包埋率的影響較小。

圖1 不同壁材、芯壁質量比的番茄紅素微膠囊的包埋率Fig. 1 Encapsulation efficiency of lycopene microcapsules with different wall materials and core-to-wall ratios

2.2 微觀形貌觀察結果

使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察不同壁材、芯壁質量比條件下制備的番茄紅素微膠囊的微觀形貌，結果如圖2所示。所有條件下制備的微膠囊均顯示出典型的球狀結構[27]。對于以麥芽糊精為壁材制備的番茄紅素微膠囊來說，芯壁質量比較高時微膠囊形貌更加趨近于球形，而隨著芯壁質量比的降低，微膠囊表面皺縮程度明顯，且形狀更加不規(guī)則，這是麥芽糊精的起泡性所致，剪切過程中所產(chǎn)生的氣泡隨著噴霧干燥過程中水分的蒸發(fā)釋放而出，從而引起微膠囊表面皺縮[11,28]。而以海藻糖為壁材制備的番茄紅素微膠囊形狀為規(guī)則的球形，微膠囊表面在高芯壁質量比時有輕微褶皺，隨著芯壁質量比的降低，微膠囊的表面愈加光滑，這歸因于海藻糖良好的成形與支撐作用[29]，但是微膠囊顆粒大小的均一性有所降低。對于以菊粉為壁材的微膠囊來說，在芯壁質量比較高時微膠囊表面有輕微褶皺，甚至出現(xiàn)破碎的微膠囊顆粒；而隨著芯壁質量比的降低，微膠囊形狀更加規(guī)則且表面更加光滑，微膠囊的大小分布也愈加均勻。以上結果說明以較高含量的海藻糖和菊粉為壁材適用于制備微膠囊。

圖2 不同壁材、芯壁質量比的番茄紅素微膠囊的微觀形貌Fig. 2 Micromorphology of lycopene microcapsules prepared with different wall materials and core-to-wall ratios

2.3 番茄紅素微膠囊的貯藏穩(wěn)定性

25 ℃條件下微膠囊中番茄紅素的保留率在7 d貯藏期內的變化如圖3A所示，所有微膠囊粉末中的番茄紅素僅輕微降解，7 d后番茄紅素保留率均在85%以上，不同壁材及芯壁質量比的微膠囊中番茄紅素的降解沒有明顯差異?？赡苁怯捎趪婌F干燥降低了微膠囊粉末中的水分活度，對防止番茄紅素降解起到了一定的作用[25]。

然而，當貯藏溫度為55 ℃時，番茄紅素的保留率隨著貯藏時間的延長明顯降低（圖3B），直至貯藏7 d時，以麥芽糊精、海藻糖和菊粉為壁材的微膠囊均在芯壁質量比為1∶2時達到最低，分別為（43.05±6.91）%、（43.37±6.69）%和（38.45±7.01）%。對于同一壁材制備的微膠囊而言，番茄紅素的保留率隨芯壁質量比的降低（1∶2～1∶4）而增大。這是由于高含量的多糖加厚了微膠囊的保護外殼，從而增強了對番茄紅素的保護作用[30]。其中，以麥芽糊精與海藻糖為壁材的微膠囊中番茄紅素的保留率隨芯壁質量比降低而增大的程度較小，而以菊粉為壁材的微膠囊中番茄紅素的保留率在芯壁質量比為1∶4時大幅提高。上述現(xiàn)象可能是由于菊粉含量較低時所制得的微膠囊有一定的結構破裂（圖2），導致番茄紅素的暴露，而隨著菊粉含量的增加，能夠形成更加完整的微膠囊外殼，因此其保留率有較大的提升。

圖3 不同壁材、芯壁質量比的番茄紅素微膠囊在25 ℃（A）和55 ℃（B）條件下的貯藏穩(wěn)定性Fig. 3 Storage stability of lycopene microcapsules prepared with different wall materials and core-to-wall ratios at 25 (A) and 55 ℃ (B)

2.4 酸性飲料中的番茄紅素微膠囊的穩(wěn)定性評價

食品加工、貯藏條件的變化會影響食品成分，為保證番茄紅素在食品貨架期內仍保持生物活性，評價貯藏期間環(huán)境因素對番茄紅素微膠囊在食品基中穩(wěn)定性的影響是有必要的[31]。由于番茄紅素在酸性和光照條件下不穩(wěn)定，因此本實驗配制白砂糖和檸檬酸質量分數(shù)分別為10%和0.15%的糖酸水溶液作為模擬酸性飲料基質，以探究不同壁材及芯壁質量比的番茄紅素微膠囊在模擬酸性飲料中的貯藏穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性。

2.4.1 貯藏穩(wěn)定性

添加番茄紅素微膠囊的模擬酸性飲料在25 ℃和55 ℃條件下貯藏7 d后番茄紅素保留率的變化如圖4所示?？梢钥闯?，與圖3相比，25 ℃和55 ℃條件下貯藏1 周后，酸性飲料中番茄紅素的保留率均明顯低于以粉末形式貯藏的微膠囊，這是酸性環(huán)境加速番茄紅素降解所導致，與Boon等[32]的研究結果一致。也有研究表明，在酸性條件下，番茄紅素容易被質子化，繼而發(fā)生異構化和其他降解反應[33]。

如圖4A所示，25 ℃時以菊粉為壁材的微膠囊對番茄紅素的保護作用較好，當芯壁質量比為1∶4時，微膠囊中番茄紅素的保留率達到最大（（76.57±4.73）%）。番茄紅素在貯藏溫度為55 ℃時明顯降解，其中，以菊粉、海藻糖和麥芽糊精為壁材的微膠囊中番茄紅素的保留率在芯壁質量比為1∶4時也僅分別為（24.08±4.72）%、（18.15±4.53）%和（15.86±3.75）%（圖4B）。上述結果說明，常溫條件下，以菊粉、海藻糖和麥芽糊精為壁材的微膠囊在酸性環(huán)境中可有效防止番茄紅素的降解，而在高溫條件下，上述保護作用明顯降低。

圖4 不同壁材、芯壁質量比的番茄紅素微膠囊的模擬酸性飲料在25 ℃（A）和55 ℃（B）的貯藏穩(wěn)定性Fig. 4 Stability in simulated acidic beverages of lycopene microcapsules prepared with different wall materials and core-to-wall ratios at 25 (A)and 55 ℃ (B)

2.4.2 光照穩(wěn)定性

番茄紅素對光照敏感，評價番茄紅素微膠囊在模擬酸性飲料中的光照穩(wěn)定性對產(chǎn)品的包裝、貯藏條件以及其他保護性輔料的添加有重要意義。由圖5可以看出，所有樣品中番茄紅素的含量均隨著光照時間的延長持續(xù)降低，直至模擬光照8 h時，模擬酸性飲料中番茄紅素的保留率總體低于10%，說明光照對番茄紅素的穩(wěn)定性影響較大，與以往的研究結果[34]一致。上述現(xiàn)象也可以通過酸性飲料顏色的變化說明（紅色轉變?yōu)槿榘咨?/p>

圖5 不同壁材、芯壁質量比的番茄紅素微膠囊在模擬酸性飲料中的光照穩(wěn)定性Fig. 5 Light stability in simulated acidic beverages of lycopene microcapsules prepared with different wall materials and core-to-wall ratios

總地來說，微膠囊產(chǎn)品在模擬酸性飲料中的光照穩(wěn)定性較差，這可能是因為在模擬酸性飲料中番茄紅素微膠囊的添加量較小，而糖酸水溶液為清澈透明溶液，透光性較好，從而加速了番茄紅素的降解。

2.5 體外模擬消化釋放結果

所有微膠囊中番茄紅素在模擬胃腸消化條件下的釋放情況如圖6所示。對于使用同一種壁材制備的微膠囊來說，芯壁質量比對番茄紅素在胃腸中的釋放率沒有明顯影響。而對于不同壁材制備的微膠囊來說，它們在模擬胃腸消化過程中表現(xiàn)出不同的番茄紅素釋放情況。其中以麥芽糊精和海藻糖為壁材的番茄紅素微膠囊具有控制番茄紅素釋放的功能，表現(xiàn)為在模擬胃液中釋放率較低，而在模擬腸液中釋放率明顯增加后趨于穩(wěn)定。海藻糖具有較好的耐酸性，因此在模擬胃液中番茄紅素的釋放量較低。而以菊粉為壁材的微膠囊在模擬胃液和模擬腸液中釋放率均較低，這可能是因為菊粉作為一種水溶性膳食纖維，人體的胃腸環(huán)境不能將其分解，只有結腸中的某些微生物可以將其分解并利用，因此在模擬消化實驗中，菊粉不能被有效分解，從而導致番茄紅素不能有效釋放[35]。

圖6 含有不同壁材、芯壁質量比番茄紅素微膠囊的模擬酸性飲料的體外消化模擬Fig. 6 In vitro simulated digestion in simulated acidic beverages of lycopene microcapsules prepared with different wall materials and core-to-wall ratios

3 結 論

本實驗以番茄紅素-WPI-殼聚糖雙層乳液為芯材，以多糖為壁材，探索了一種新型的微膠囊制備方法。結果顯示，使用不同壁材制備的微膠囊的包埋率均在72.97%～81.90%，且改變芯壁質量比對微膠囊包埋率的影響不明顯。以海藻糖和菊粉為壁材制備的番茄紅素微膠囊形狀為規(guī)則的球形，且隨著壁材含量的增加，該球形微膠囊外觀更加規(guī)則和完整。在貯藏期間微膠囊對番茄紅素的保護作用均隨壁材含量的增加而增強。微膠囊的形成可以在常溫貯藏期間保護酸性模擬飲料中的番茄紅素，但在高溫和光照條件下的保護作用不明顯。在體外模擬消化實驗中，以海藻糖為壁材制備的番茄紅素微膠囊顯示出良好的緩釋功能。綜上，以多糖為壁材的微膠囊的形成可有效提高番茄紅素雙層乳液在貯藏及酸性常溫條件下的穩(wěn)定性并實現(xiàn)番茄紅素的控制釋放，其中以海藻糖為壁材、芯壁質量比為1∶4制備的微膠囊有望應用于今后的研究與工業(yè)化生產(chǎn)中。