CN103948565B - 一种采用双包被法制备番茄红素微胶囊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种采用双包被法制备番茄红素微胶囊及其制备方法，通过选用合适的混合壁材，研究最佳乳化条件和干燥工艺参数，采用超临界萃取技术与超高压异构化处理技术相结合，通过双包被法制备番茄红素微胶囊，二次包被番茄红素微胶囊的制备的工艺采用多孔淀粉用量按0.16%，β‑环糊精用量按0.16%，吸附温度50℃，吸附时间30 min；使其封闭在囊膜内与外界环境隔离，以改善其对光和氧的稳定性，扩大使用范围，有效的克服目前番茄红素应用中存在的技术瓶颈，制备的番茄红素微胶囊顺式异构体比例为45‑50%，生物利用度高；包埋率可达97.75%，番茄红素载量为40.70 mg/g，具有广泛的实用性和应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及番茄红素提取制备的技术领域。具体的说，本发明涉及一种利用包被法制备番茄红素微胶囊的技术领域。
背景技术
番茄红素 (Lycopene)，又名茄红素，是成熟番茄中的主要色素之一，也是自然界已发现的600多种类胡萝卜素(Carotenoid)的一种。近些年的研究显示，番茄红素不仅可作为一种新型功能性天然色素，而且在预防各种疾病、防癌抗癌、提高免疫功能、预防衰老等诸多方面，都有较强的生物学功能作用。有研究表明，每天摄入含40mg番茄红素的番茄制品，就足以显著降低低密度脂蛋白( LDL) 氧化，降低癌症心血管疾病等某些疾病的患病危险。因此，番茄红素素来有“藏在西红柿里的黄金”之美称，联合国粮农组织、食品添加剂委员会和世界卫生组织均认定其为A类营养素，50多个国家和地区也将其作为具有营养与着色双重作用的食品添加剂，广泛用于食品、保健品、医药和化妆品等领域。
番茄红素是由11个共轭及2个非共轭双键构成的多不饱和碳氢化合物，是β-胡萝卜素的同分异构体番茄红素的多共轭双键，使其非常容易发生顺反异构化和氧化降解，稳定性极差，尤其纯度越高的番茄红素，由于缺少其他物质的保护，极不稳定，易被氧化破坏。在自然界中，番茄红素大多以全反式构型(all-trans)存在，全反式也是热力学最稳定的一种形式。而在人体的各个组织中，番茄红素却大多以顺式异构体存在，尤其在前列腺中，顺式番茄红素高达80%。因此比研究发现，番茄红素可受光照、酸、紫外辐射的影响发生异构化[5]，产生部分顺式异构体，其性质也因此而改变。
超高压食品加工技术是指利用100MPa以上的压力，在常温或较低的温度下，使食品中的酶、蛋白质、核糖核酸和淀粉等生物大分子改变活性、变性或糊化，同时杀死细菌等微生物以达到灭菌的过程，而食品的天然味道、风味和营养价值不受或很少受影响的一种加工方法。目前，食品科学家已证明了高压处理在工业化规模使用的可行性。成为食品工业中替代热加工的一种非常具有吸引力的加工技术，符合现代食品“天然、营养、卫生、安全”的发展方向，满足消费者崇尚“天然、健康”的需要。我国超高压处理食品技术正处于早期研究阶段，超高压技术这块多用于食品的杀菌或提取，并没有人直接将其作为一种促进番茄红素异构化的手段进行研究过，至今市场上尚未见到超高压食品出售，所以加快开展超高压食品研究, 对于我国参与国际竞争有特别重要的意义。
超高压技术满足了非热条件下保证食品高品质与微生物安全的需求，高的压力可均匀作用于整个食品，并不受产品的大小和几何形状的局限。Jin L发现超高压技术在低温条件下可对天然植物提取物和食品进行消毒，不会水解天然植物，但可诱导有机体发生形态变化，Woon Yong Choi等在500MPa条件下，对人参皂苷超高压处理20min，发现超高压可物理性水解高分子量的人参皂苷，得到更高生物活性的低分子量的人参皂苷。根据勒·夏托列原理推断，超高压处理可促使物料的化学反应以及分子构象朝着体积减小的方向进行，番茄红素的顺反异构体的构型会发生一定的转化。
Ines J. P. Colle等研究了番茄红素的异构化动力学模型，发现异构化过程对温度有明显的依赖性，过高的温度会使番茄红素被破坏，过低的温度减缓异构化的发生；张环伟等探讨了溶剂法对番茄红素异构化的影响，发现6%番茄红素油树脂中顺式异构体占比高于90％番茄红素中顺式异构体占比，但溶剂法异构化效率较低、易残留。因此，采用超高压手段，可保证低温条件下，促进番茄红素异构化，同时具有杀菌效果，具有一定的研究价值。
微胶囊（Microencapsule）是以天然的或合成的高分子材料作为壁材，通过物理法、化学法或物理化学法将一种活性物质（芯材）包裹起来形成具有半透性或密封囊膜的微型胶囊。微胶囊技术即微胶囊化，是一种把固体或液体用成膜材料包埋形成微小粒子的技术。这种微小粒子的粒径可在毫米、微米，甚至纳米的范围，根据粒径大小可分为纳米粒或纳米胶囊、微胶囊、微粒以及微球等。微胶囊化时，被包埋的物质被称作芯材，包埋芯材的成膜材料被称为壁材。壁材通常是由天然或合成的高分子材料形成，在微胶囊化过程中需要具备良好的流动性和溶解性，促进芯材的包裹以形成较稳定的乳化液体系。微胶囊化的方法有喷雾干燥法、包结络合物法、相分离法和界面聚合法等，番茄红素是目前国际上新型功能食品成分研究中的一个热点，而我国在这方面的研究还处于起步阶段。由于番茄红素属于脂溶性，并且在光、热和氧的作用下容易氧化降解，大大限制了它的使用价值，采用微胶囊技术进行包囊化处理，可以提高其稳定性及其在功能性产品中的可用性，促进其生理功能的发挥。此法具有很大的潜在应用价值，许多物质，如香辛料精油、香精、色素、 维生素等物质都可与壁材形成包结络合物。目前有关番茄红素微胶囊技术应用的研究，国内外都在进行，但尚属初步。已有一些文献对番茄红素的微胶囊化进行了报道。
南京财经大学邱伟芬[73]以番茄红素油树脂为芯材，采用水溶性大豆多糖喷雾干燥得到番茄红素微胶囊产品，膜结构致密完整，但由于所用大豆多糖分子间结合作用力不同，制得的微胶囊表面存在凹凸不平的问题；石河子大学孙传庆等[74研究了喷雾干燥法制备微胶囊番茄红素粉末的工艺及技术，微胶囊化后的番茄红素水溶性好、分散性好，但实验所得微胶囊效率、产率偏低；淮南联合大学靳学远等[75]采用超声法制备番茄红素β-环糊精包合物，番茄红素的包合率可达73.6%，包合的番茄红素在60d内保留率达到92.2%，但实验所得番茄红素包合率较低，有部分番茄红素残留在包合物表面，造成了一定程度的浪费。
在国内专利方面，上海交通大学刘荣厚等申报了“番茄红素微胶囊的制备方法(专利申请号200710037308)”。得到的番茄红素微胶囊为粉红色，粒径均一、表面光滑、无异味、流动性好、有良好的水溶性、番茄红素含量高；陈恒雷申报了“一种番茄红素微胶囊的生产方法(专利申请号201010004928)”。该方法讲述了芯材、壁材溶液的调配，混合后进行均质，均质后的乳化液经喷雾干燥得到的番茄红素微胶囊溶解度高，对光、热和氧的稳定性好。这些通过喷雾干燥所得微胶囊一般来说粒径都较小，经过一段时间，容易发生粘连吸附作用，产品感官状态不佳。在国外，番茄红素产品的技术专利过去一直是以色列专有，后来美国、意大利、英国等都开发出了多种剂型的番茄红素类产品，但这些专利大多为番茄红素的原料制备方面的专利。
由此可见，番茄红素是番茄和番茄产品中主要的类胡萝卜素，也是人类饮食中重要的化合物。番茄红素具有如抗氧化、清除自由基、诱导细胞间连接通讯、调控肿瘤增殖等多种功能。然而由于番茄红素为脂溶性物质，在水中溶解性较差，而且它们对氧、热和光都不稳定，这使得它们在生产加工及应用中存在很大的局限性。此外，番茄红素存在顺反异构体，顺式异构体比反式异构体更容易被吸收，加热处理会使番茄红素会从反式变为顺式，但也会发生氧化分解，番茄红素中存在的VE、植物甾醇等也会发生破坏。这些现实中客观存在的技术问题都需要制备工艺技术加以解决。
发明内容
针对现有技术中未有效克服番茄红素在水中溶解性较差，对氧、热和光都不稳定，这使得它们在生产加工及应用中存在很大的局限性，番茄红素存在顺反异构体，顺式异构体比反式异构体更容易被吸收，加热处理会使番茄红素会从反式变为顺式，但也会发生氧化分解，番茄红素中存在的VE、植物甾醇等也会发生破坏的现实问题。本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，旨在提供一种采用双包被法制备番茄红素微胶囊及其制备方法，本发明以番茄红素微胶囊制备工艺为主要研究内容，通过选用合适的混合壁材，研究最佳乳化条件和干燥工艺参数，采用超临界萃取技术与超高压异构化处理技术相结合，通过双包被法制备番茄红素微胶囊，使其封闭在囊膜内与外界环境隔离，以改善其对光和氧的稳定性，扩大使用范围，有效的克服目前番茄红素应用中存在的技术瓶颈，具有现实的广泛应用价值。
本发明具体提供一种采用双包被法制备番茄红素微胶囊的方法，%按照重量百分比计，番茄红素微胶囊的具体步骤如下。
（1）番茄皮渣的制备：选择无霉变番茄皮渣，去除杂物，并用清水将皮渣上的泥土、杂物洗净待用。
（2）制备番茄红素油树脂：将上述制备的番茄皮渣采用超临界CO2萃取，压力28MPa、萃取温度在70-72.5℃，CO₂流量2500—2600kg／h,萃取时间：120min，在此工艺条件下，可得到纯度达90%以上的番茄红素；本发明将番茄皮渣中超临界CO2萃取得到的6%的番茄红素油树脂作为原料，保证了原料上不含任何化学成分及溶剂残留，安全无毒。
（3）番茄红素纯化工艺：采用将上述步骤（2）提供的番茄红素油树脂按1:10（w/v）的料液比溶于正己烷，经磁力搅拌10min后，放置室温冷却，再放入冰箱-18℃冷却静置12h后抽滤得番茄红素结晶体，按此步骤反复纯化三次后得番茄红素，经测定纯度为41.8%。
（4）超高压异构化处理，制备顺式比例的番茄红素：将上述步骤（3）制备的纯化过的番茄红素油树脂，按照每5mg番茄红素油树脂溶解于100/mL的正己烷，装到聚乙烯复合袋中真空密封，采用常见超高压设备，在500Mpa,50℃下超高压10min条件下得到顺式异构体比例45.69%，含量为103.24mg/g的番茄红素，再采用高效液相色谱法对其进行分离，最终得到顺式的番茄红素；采用超高压处理手段有效促使番茄红素从反式结构转变为顺式结构，不会水解番茄红素中其他的有效成分，还能起到低温杀菌的作用。
（5）采用一次包被番茄红素微胶囊的制备：利用超声乳化和喷雾干燥法进行番茄红素的第一次包被，以阿拉伯胶和变性淀粉为壁材，阿拉伯胶与变性淀粉比例按m/m计1:2，固形物含量10%，芯壁比按m/m计1:1，吐温-80用量2%，在30℃，160W条件下超声乳化15min，喷雾干燥进风温度190℃，出风温度80℃，喷雾压力18MPa，微胶囊包埋效率可达85.12%，产率为60.50%；得到的一次包被番茄红素微胶囊平均粒径为8.13μm，75%的粒径集中在5~15μm间，番茄红素载量为34.87mg/g；采用超声辅助乳化可有效促进微胶囊粒子均匀集中，避免因高速剪切力对番茄红素微胶囊的形态构成破坏，喷雾干燥法可大大提高番茄红素微胶囊的分散性和溶解性，提高了番茄红素的生物效价。
（6）采用二次包被番茄红素微胶囊的制备：在上述步骤（5）一次包被的番茄红素微胶囊基础上，采用二次包被技术对一次包被的番茄红素的微胶囊进行进一步包被和改进，二次包被番茄红素微胶囊的制备的工艺采用多孔淀粉用量按0.16%，β-环糊精用量按0.16%，吸附温度50 ℃，吸附时间30 min，在此条件下制备的双包被番茄红素微胶囊包埋率可达97.75%，制得的双包被番茄红素平均粒径为16.67 μm，80%的微胶囊粒径范围在10 ~24μm，番茄红素载量为40.70 mg/g。
（7）恒温干燥法制得双包被番茄红素微胶囊：经上述步骤（6）二次包被番茄红素微胶囊通过多孔淀粉吸附后，于50℃的恒温干燥箱中干燥，最终得到双包被番茄红素微胶囊产品，更加有利于产品的贮藏和保存。
本发明中，一次包被番茄红素微胶囊采用以阿拉伯胶和变性淀粉为壁材，采用超声辅助乳化和喷雾干燥法对番茄红素进行微胶囊包埋。通过单因素实验和均匀设计实验考察不同配方和工艺参数，采用正交实验设计优化各因素，得到包埋最优工艺为：阿拉伯胶与变性淀粉比例1:2（m/m），固形物含量10%，芯壁比1:1（m/m），吐温-80用量2%，在30℃，160W条件下超声乳化15min，喷雾干燥进风温度190℃，出风温度80℃，喷雾压力18MPa，微胶囊包埋效率可达85.12%，产率为60.50%；番茄红素载量为34.87mg/g，平均粒径为8.13μm，75%的粒径集中在5~15μm间。
本发明中，一次包被的番茄红素微胶囊虽然达到了一个较为理想的包埋效果，对番茄红素起到了一定的保护作用，但通过贮藏性实验发现，随着时间的推移，一次包被番茄红素微胶囊容易产生静电吸附、粘连成块的现象，考虑到多孔淀粉表面的孔隙吸附作用，采用二次包被技术对一次包被的番茄红素的微胶囊进行进一步包被和改进，采用双包被技术研究了番茄红素微胶囊制备工艺，通过超声乳化和喷雾干燥法一次包埋番茄红素，再用多孔淀粉吸附一次包被微胶囊，以单因素实验和响应面设计优化得到双包被最优制备工艺为：多孔淀粉用量0.16%（4 g），β-环糊精用量0.16%（4 g），吸附温度50 ℃，吸附时间30min。
本发明中，采用二次包被微胶囊技术处理番茄红素，其中利用超声乳化进行番茄红素的第一次包被，提高番茄红素的生物效价，在经过第一次包被后，再和淀粉类等包被材料通过喷涂处理形成第二次包被，得到粒度大小适宜、形状合适的新型双包被番茄红素微胶囊产品，制备的番茄红素微胶囊顺式异构体比例为45-50%，生物利用度高；包埋率可达97.75%，番茄红素载量为40.70 mg/g，避免的原料的损失和浪费；平均粒径为16.67 μm，80%的微胶囊粒径范围在10 ~24 μm，颗粒形态均匀，贮藏稳定性良好；常温保持3个月，番茄红素可保持率90% 以上。
通过实施本发明具体的发明内容可以达到以下有益效果。
（1）本发明率先将超高压技术应用在番茄红素顺反异构体的转化上，通过超高压处理及其它条件调控番茄红素顺反异构体的比例和数量，顺式异构体比例在45-50%，生物利用度高；包埋率可达97.75%，番茄红素载量为40.70 mg/g，避免的原料的损失和浪费；平均粒径为16.67 μm，80%的微胶囊粒径范围在10 ~24 μm，颗粒形态均匀，贮藏稳定性良好；常温保持3个月，番茄红素可保持率90% 以上，显著的提高了番茄红素功能作用。
（2）目前生产的番茄红素一次包被微胶囊产品，存在很大的静电性和吸水性，容易发生团聚、结块等质量问题，为解决以上问题，本发明采用双包被技术制备番茄红素微胶囊，不仅使包合后番茄红素的水溶性和稳定性大大提高，且克服普通一次包被的番茄红素微胶囊产品的粒度较小（300目以下）引起的质量问题，具有巨大的静电性和吸水性，容易发生团聚、结块等质量问题，使得包被率达到90%以上，提高了新疆番茄红素微胶囊产品的技术水平。
附图说明
图1显示为采用双包被法制备番茄红素微胶囊的工艺流程图。
图2 显示为超高压处理前的番茄红素全波长扫描图。
图3 显示为超高压处理后的番茄红素全波长扫描图。
图4显示为番茄红素标准品的高效液相色谱图。
图5显示为番茄红素标准样品的UV-Vis光谱图。
图6显示为番茄红素的高效液相分离色谱图。
图7显示为超高压处理后HPLC色谱峰1的全波长扫描图。
图8显示为超高压处理后HPLC色谱峰2的全波长扫描图。
图9显示为超高压处理后HPLC色谱峰3的全波长扫描图。
图10显示为超高压处理后HPLC色谱峰4的全波长扫描图。
图11显示为超高压处理后HPLC色谱峰5的全波长扫描图。
图12 双包被番茄红素微胶囊单因素中多孔淀粉用量(g)实验结果图。
图13双包被番茄红素微胶囊单因素中β-环糊精用量(g)实验结果图。
图14 双包被番茄红素微胶囊单因素中吸附时间(min)实验结果图。
图15双包被番茄红素微胶囊单因素中吸附温度(℃)实验结果图。
图16为双包被番茄红素微胶囊中吸附温度与多孔淀粉用量交互影响包埋率响应面图。
图17为双包被番茄红素微胶囊中吸附温度与β-环糊精用量交互影响包埋率响应面图。
图18为双包被番茄红素微胶囊中β-环糊精与多孔淀粉用量交互影响包埋率响应面图。
图19显示为一次包被番茄红素微胶囊的 SEM 照片。
图20显示为双包被番茄红素微胶囊的 SEM 照片。
图21显示为人工胃液中番茄红素产品体外释放结果对照图。
图22显示为人工肠液中无胆酸盐时番茄红素产品体外释放结果对照图。
图23显示为人工肠液中加胆酸盐时番茄红素产品体外释放结果对照图。
具体实施方式
下面，举实施例说明本发明，但是，本发明并不限于下述的实施例,本发明中基本涉及到的%无特别指明都是重量百分比计。
实验原辅料及试剂：番茄为主要原料；以多孔淀粉、β-环糊精、可变性淀粉JX-001、阿拉伯胶为辅料；番茄红素标准品（番茄红素纯度97%）购自上海至威化工有限公司；正己烷为分析纯；北京阳光溢彩科技有限公司；海藻酸钠 食品级，青岛明月海藻集团有限公司；明胶 食品级，新疆艾萨尔生物科技股份有限公司。
主要仪器与设备：UHP900×2-Z超高压处理装置，包头科发高压科技有限责任公司；V-2102PCS型紫外可见分光光度计，尤尼柯（上海）仪器有限公司；高效液相色谱仪，北京创新通恒科技有限公司；色谱柱：YMC CarotenoidS-5(4.6mm×250mm)；EYELA Spray DryerSD-1000 Tokyo Rikakikai Co Ltd；KQ-400KDE型高功率数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；RE-52A旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂；PL203电子天平 Mettler-ToledoGroup；JJ-6数显直流恒速搅拌器 金坛市医疗仪器厂；V-1100D可见分光光度计 上海美谱达仪器有限公司；79-2双向磁力搅拌器 江苏金坛市金城国盛实验仪器厂；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱；Motio AE31 Nikon显微数码摄影机等。
本发明中选用的所有番茄原辅材料，所选用的所有试剂和仪器都为本领域熟知选用的，但不限制本发明的实施，其他本领域熟知的一些试剂和设备都可适用于本发明以下实施方式的实施。
实施例一：番茄红素微胶囊的制备
参照附图1，采用双包被法制备番茄红素微胶囊的方法，具体步骤如下：
（1）番茄皮渣的制备：选择无霉变番茄皮渣，去除杂物，并用清水将皮渣上的泥土、杂物洗净待用。
（2）制备番茄红素油树脂：将上述制备的番茄皮渣采用超临界CO2萃取，压力28MPa、萃取温度在70-72.5℃，CO₂流量2500—2600kg／h,萃取时间：120min，在此工艺条件下，可得到纯度达90%以上的番茄红素；通过将番茄皮渣中超临界CO2萃取得到的6%的番茄红素油树脂作为原料，保证了原料上不含任何化学成分及溶剂残留，安全无毒。
（3）番茄红素纯化工艺：采用将上述步骤（2）提供的番茄红素油树脂按1:10（w/v）的料液比溶于正己烷，经磁力搅拌10min后，放置室温冷却，再放入冰箱-18℃冷却静置12h后抽滤得番茄红素结晶体，按此步骤反复纯化三次后得番茄红素，经测定纯度为41.8%。
（4）超高压异构化处理，制备顺式比例的番茄红素：将上述步骤（3）制备的纯化过的番茄红素油树脂，按照每5mg番茄红素油树脂溶解于浓度为50µg/mL的正己烷，装到聚乙烯复合袋中真空密封，在500Mpa,50℃下超高压10min，最终得到顺式异构体比例45.69%，含量为103.24mg/g的番茄红素，再采用高效液相色谱法对其进行分离，最终得到顺式的番茄红素；采用超高压处理手段有效促使番茄红素从反式结构转变为顺式结构，不会水解番茄红素中其他的有效成分，还能起到低温杀菌的作用。
（5）采用一次包被番茄红素微胶囊的制备：利用超声乳化和喷雾干燥法进行番茄红素的第一次包被，以阿拉伯胶和变性淀粉为壁材，阿拉伯胶与变性淀粉比例1:2（m/m），固形物含量10%，芯壁比1:1（m/m），吐温-80用量2%，在30℃，160W条件下超声乳化15min，喷雾干燥进风温度190℃，出风温度80℃，喷雾压力18MPa，微胶囊包埋效率可达85.12%，产率为60.50%；得到的一次包被番茄红素微胶囊平均粒径为8.13μm，75%的粒径集中在5~15μm间，番茄红素载量为34.87mg/g；采用超声辅助乳化可有效促进微胶囊粒子均匀集中，避免因高速剪切力对番茄红素微胶囊的形态构成破坏，喷雾干燥法可大大提高番茄红素微胶囊的分散性和溶解性，提高了番茄红素的生物效价；
（6）采用二次包被番茄红素微胶囊的制备：一次包被的番茄红素微胶囊虽然达到了一个较为理想的包埋效果，对番茄红素起到了一定的保护作用，但通过贮藏性实验发现，随着时间的推移，一次包被番茄红素微胶囊容易产生静电吸附、粘连成块的现象，考虑到多孔淀粉表面的孔隙吸附作用，采用二次包被技术对一次包被的番茄红素的微胶囊进行进一步包被和改进，二次包被番茄红素微胶囊的制备的工艺采用多孔淀粉用量4 g，β-环糊精用量4 g，吸附温度50 ℃，吸附时间30min，在此条件下制备的双包被番茄红素微胶囊包埋率可达97.75%，制得的双包被番茄红素平均粒径为16.67 μm，80%的微胶囊粒径范围在10 ~24μm，番茄红素载量为40.70 mg/g。
（7）恒温干燥法制得双包被番茄红素微胶囊：将上述步骤经过二次包被番茄红素微胶囊，经多孔淀粉吸附后，于50℃的恒温干燥箱中干燥，最终得到双包被番茄红素微胶囊产品，更加有利于产品的贮藏和保存。
采用上述双包被微胶囊技术制备的番茄红素微胶囊，得到粒度大小适宜、形状合适的新型双包被番茄红素微胶囊产品，制备的番茄红素微胶囊顺式异构体比例在45-50%，生物利用度高；包埋率可达97.75%，番茄红素载量为40.70 mg/g，避免的原料的损失和浪费；平均粒径为16.67 μm，80%的微胶囊粒径范围在10 ~24 μm，颗粒形态均匀，贮藏稳定性良好；常温保持3个月，番茄红素可保持率90% 以上。
实施例二：采用超高压制备顺式番茄红素
将番茄红素样品用正己烷溶解，浓度为50µg/mL，装到聚乙烯复合袋中真空密封。在不同压力、时间及温度下进行超高压处理，考察番茄红素内部异构化程度及番茄红素含量。
不同超高压处理条件对番茄红素异构化的影响：通过在不同压力、时间及温度下进行超高压处理，考察番茄红素内部异构化程度及番茄红素含量。结果见表1。
表1：不同处理条件对番茄红素异构化的影响
| 样品 | 顺式番茄红素比例(%) | 番茄红素含量(mg/g) |
| 未处理样品 | 13.25% | 52.37mg/g |
| 400Mpa，10min，50℃ | 34.76% | 87.94mg/g |
| 500Mpa，10min，50℃ | 45.69% | 103.24mg/g |
| 500Mpa，10min，常温 | 43.23% | 98.79mg/g |
| 500Mpa，8min，50℃ | 39.51% | 97.67mg/g |
由表1可知，经500Mpa,10min,50℃的超高压处理后，番茄红素无论是顺式比例还是含量都明显高于其他条件处理后的样品。
用紫外-可见分光光度计对超高压处理后的番茄红素样品液进行UV-Vis光谱扫描，并与未处理的番茄红素样品液的UV-Vis光谱扫描光谱图进行比较，通过观察两者之间的区别确定超高压处理后的番茄红素样品液中是否存在顺式异构体，通过紫外-可见光谱鉴定超高压番茄红素样品中的番茄红素结构。
全反式的番茄红素可通过保留时间和紫外可见光谱图来进行鉴定。番茄红素的顺式异构体可以通过全波长扫描图的各主要吸收峰的波长nm数和Q值来进行鉴定。Q值即Acis/Atrans。
UV-Vis（紫外扫描）鉴定番茄红素异构体：通过对处理前后的番茄红素样品进行全波长扫描，发现处理前后番茄红素波长有较明显的变化，出现了文献报道在362nm处出现的顺式峰。
参照附图2为超高压处理前的番茄红素溶液全波长扫描图，附图3为超高压处理后的番茄红素溶液全波长扫描图，可知两个全波长扫描图中番茄红素分别在447、471、503 nm处有3个最大吸收波长，但是超高压处理后的番茄红素液中的番茄红素的特征吸收光谱发生了变化，在近紫外区361 nm 处出现了特征吸收峰，此波长的特征吸收是由于反式番茄红素异构化为顺式异构体而引起的，因此可以初步超高压处理使番茄红素的结构发生了变化。
HPLC分离鉴定番茄红素样品中的不同结构体。
色谱柱：YMC CarotenoidS-5(4.6mm×250mm)；流动相A：含0.05%的乙腈、甲醇混合液(乙腈：甲醇为3:1)；流动相B：含0.05%的MTBE溶液，梯度洗脱；流动相B：8min内，0~55%(V/V)；8~35min：维持55%(V/V)；流速：1mL/min。
进样量为20μL，检测波长为471nm，根据分离得到的组分保留时间和光谱特征确定顺反异构体，面积归一化法对样品中顺反异构体的含量进行确定。
参照附图4，对分出的组分进行初步鉴定，从全波长扫描图，参照附图5，得出以上5个峰为同类型物质，可以认定为番茄红素的异构体。对比超高压处理后的样品经HPLC分离后所得的5个分离峰的UV-Vis光谱可见，参照附图6至附图11，除Rt=33.607所对应成分的响应时间与全反式番茄红素的一致，可基本认定其为全反式番茄红素，其他四个峰（Rt=28.307、29.790、31.923、38.007）所对应成分在UV-Vis光谱中在440-500nm波长区段的峰型与全反式番茄红相似，但其峰位有3-10nm的紫移，同时在361nm出有益较强吸收峰，与顺式结构番茄红素的UV-Vis光谱相一致。
结论：在500Mpa,10min,50℃的超高压处理条件下，番茄红素无论是顺式比例还是含量都明显高于其他条件处理后的样品。番茄红素的顺式异构体比例在45-50%，番茄红素含量为103.24mg/g。对分出的组分进行初步鉴定，从全波长扫描图得出以上5个峰为同类型物质，可以认定为番茄红素的异构体。进一步推断证明其中四种成分为番茄红素的四种顺式异构体，可以被分离出来进行下一步使用。
实施例三：番茄红素微胶囊一次包被工艺试验
通过单因素实验确定一次包被番茄红素壁材的选择、壁材组分比例、芯壁比、乳化剂用量及固形物含量，采用超声辅助乳化法对一次包被的番茄红素微胶囊乳化液进行乳化，在利用喷雾干燥对其干燥。由于超声辅助乳化和喷雾干燥涉及到多种参数，选择均匀设计实验方法对各参数进行筛选和显著性分析，最终确定两个影响最显著的因素与单因素中两个最显著的因素一起采用正交实验优化，从而得到最优工艺及配方。
结论：超声辅助乳化和喷雾干燥法制备番茄红素微胶囊最优工艺为：阿拉伯胶与变性淀粉比例为1:2（m/m），固形物含量10%，芯壁比1:1（m/m），吐温-80用量2%，在30℃，160W条件下超声乳化10min，喷雾干燥进风温度190℃，出风温度80℃，喷雾压力18Mpa，微胶囊效率可达85.12%，产率为60.50%，番茄红素载量34.87mg/g，平均粒径为8.13μm，75%的粒径集中在5~15μm间。
实施例四：双包被制备番茄红素微胶囊单因素实验
1.番茄红素微胶囊制备单因素实验
双包被制备番茄红素微胶囊过程中包埋率受到多种因素影响，如多孔淀粉的用量，β-环糊精的用量，多孔淀粉的吸附时间，以及多孔淀粉的吸附温度等。
1.1 多孔淀粉用量对微胶囊效果的影响:在其他条件一定的情况下，称取一次包被番茄红素微胶囊1g，多孔淀粉的含量分别按1 g，2 g，4 g，6 g，8 g；按1.2.2制备双包被番茄红素微胶囊，并计算其番茄红素微胶囊化包埋率。
1.2 β-环糊精的用量对微胶囊效果的影响:取上述最优结果，称取一次包被番茄红素微胶囊1 g，多孔淀粉的含量为4 g，β-环糊精的用量分别按1 g，2 g，3 g，4 g，6 g，8g；按1.2.2制备双包被番茄红素微胶囊，并计算其番茄红素微胶囊化包埋率。
1.3 多孔淀粉吸附时间对微胶囊效果的影响: 取上述优化结果，称取一次包被番茄红素微胶囊1 g，多孔淀粉的含量为4 g，β-环糊精的用量为4 g，吸附时间分别为15 min，30 min，45 min，60 min；按1.2.2制备双包被番茄红素微胶囊，并计算其番茄红素微胶囊化包埋率。
1.4多孔淀粉吸附温度对微胶囊效果的影响:称取一次包被番茄红素微胶囊1 g，多孔淀粉的含量为4 g，β-环糊精的用量为4 g，多孔淀粉的吸附时间为30 min，多孔淀粉的吸附温度分别按40 ℃，50 ℃，60 ℃，70 ℃，80 ℃；按上述制备双包被番茄红素微胶囊，并计算其番茄红素微胶囊化包埋率。
单因素实验结果：参照附图12可知，多孔淀粉在一定范围内会促进微胶囊的形成，但当其达到饱和后，便不再吸附；而从图13中可以看出，β-环糊精作为壁材，在乳化液中过量添加会挤压已成型的微胶囊，导致微胶囊破裂；多孔淀粉的吸附时间也有一定的限值，如图14，当吸附时间到30 min后，随着时间延续，微胶囊化包埋率逐渐趋于饱和平衡状态；图15表明温度对包埋影响效果较明显，这是因为温度升高使分子运动速度加快，分子之间扩散加剧，促使番茄红素向多孔淀粉内部扩散，但温度过高可能又会导致壁材性质发生变化（如发生淀粉糊化或淀粉结构被破坏），导致番茄红素微胶囊包埋率下降。
综上所述，选取多孔淀粉用量4 g，β-环糊精用量4 g，吸附时间30 min，吸附温度为50 ℃时双包被单因素实验效果最佳，折算为重量百分比计，多孔淀粉用量0.16%，β-环糊精用量0.16。
实施例五：番茄红素微胶囊双包被工艺参数的优化实验
在单因素基础上，采用响应面法对多孔淀粉用量，β-环糊精用量，多孔淀粉吸附温度三个因素进行优化，以微胶囊包埋率为指标，正交因素水平表见表2。
表2：响应面法分析因子及水平表
响应面法优化实验结果：通过实际操作及上述单因素实验分析，发现吸附时间对微胶囊包埋率影响不明显，故舍去，选取多孔淀粉用量，β-环糊精用量，多孔淀粉吸附温度进行三因素三水平的响应面分析，以双包被微胶囊的包埋率为响应值，结果见表:3。
表3： 响应面优化试验设计与结果
| 标准序 | 运行序 | 多孔淀粉用量/g(X1) | β-环糊精用量/g(X2) | 吸附温度/℃（X3） | 包埋率/% |
| 11 | 1 | 0 | -1 | 1 | 93.01% |
| 4 | 2 | 1 | 1 | 0 | 91.13% |
| 8 | 3 | 1 | 0 | 1 | 90.84% |
| 12 | 4 | 0 | 1 | 1 | 95.96% |
| 13 | 5 | 0 | 0 | 0 | 97.75% |
| 15 | 6 | 0 | 0 | 0 | 96.76% |
| 9 | 7 | 0 | -1 | -1 | 97.05% |
| 10 | 8 | 0 | 1 | -1 | 91.07% |
| 3 | 9 | -1 | 1 | 0 | 94.82% |
| 2 | 10 | 1 | -1 | 0 | 96.09% |
| 6 | 11 | 1 | 0 | -1 | 94.53% |
| 1 | 12 | -1 | -1 | 0 | 97.23% |
| 14 | 13 | 0 | 0 | 0 | 96.31% |
| 7 | 14 | -1 | 0 | 1 | 96.75% |
| 5 | 15 | -1 | 0 | -1 | 94.78% |
表4：回归模型系数及显著性检验结果
| 项 | 系数 | 系数标准误 | T | P | 显著性 |
| 常量 | 0.969400 | 0.005469 | 177.252 | 0.000 | |
| X1 | -0.013737 | 0.003349 | -4.102 | 0.009 | ** |
| X2 | -0.013000 | 0.003349 | -3.882 | 0.012 | * |
| X3 | -0.001087 | 0.003349 | -0.325 | 0.759 | |
| X1*X1 | -0.010850 | 0.004930 | -2.201 | 0.079 | |
| X2*X2 | -0.010375 | 0.004930 | -2.105 | 0.089 | |
| X3*X3 | -0.016300 | 0.004930 | -3.306 | 0.021 | * |
| X1*X2 | -0.006375 | 0.004736 | -1.346 | 0.236 | |
| X1*X3 | -0.014150 | 0.004736 | -2.988 | 0.031 | * |
| X2*X3 | 0.022325 | 0.004736 | 4.714 | 0.005 | ** |
表5： 回归模型的显著性检验
| 来源 | 自由度 | Seq SS | Adj SS | Adj MS | F | P | 显著性 |
| 回归 | 9 | 0.007417 | 0.007417 | 0.000824 | 9.18 | 0.013 | * |
| 线性 | 3 | 0.002871 | 0.002871 | 0.000957 | 10.67 | 0.013 | * |
| 平方 | 3 | 0.001589 | 0.001589 | 0.000530 | 5.90 | 0.043 | |
| 交互作用 | 3 | 0.002957 | 0.002957 | 0.000986 | 10.98 | 0.012 | * |
| 残差误差 | 5 | 0.000449 | 0.000449 | 0.000090 | |||
| 失拟 | 3 | 0.000340 | 0.000340 | 0.000113 | 2.09 | 0.340 | |
| 纯误差 | 2 | 0.000109 | 0.000109 | 0.000054 | |||
| 合计 | 14 | 0.007866 |
注：*为显著（p＜0.05）；**为极显著（p＜0.01）。
实验以随机次序进行，以微胶囊包埋率作为响应值，运用Minitab15.0数据统计分析软件对试验数据进行多元回归拟合，回归模型系数及显著性检验结果见表3。得到拟合回归方程为：
Y（%）
=0.969400-0.013737X1-0.013000X2-0.001087X3-0.010850X1X1-0.010375X2X2-0.016300X3X3-0.006375X1X2-0.014150X1X3+0.022325X2X3。
由表3可知一次项X1极显著，说明多孔淀粉的用量对包埋率极显著；X2显著；双项X3*X3显著；交互项X2*X3极显著，X1*X3显著，说明响应值的变化相当复杂，试验的各因素对番茄红素微胶囊包封率的影响不是简单的线性关系。由表4分析结果看出，F=9.18＞F0.05(9，9)=3.18，p＜0.05，表明回归模型显著。线性失拟项F=2.09<F0.05(9，3)=8.81，p=0.340＞0.05，不显著，说明该模型拟合程度良好，试验误差小，可以作为预测模型。对包埋率影响因素大小依次为：多孔淀粉用量、β-环糊精用量、吸附温度。
通过三维空间的响应图，参见附图16-18可以直观反映该模型各因素的交互作用以及对响应值的影响。结合实际操作和验证实验，进行三次重复，得出该优化条件下的双包被微胶囊包埋率可达97.75%，说明该模型预测良好，可作为模型预测最优工艺参数，因此最优微胶囊制备工艺为：多孔淀粉用量4 g，β-环糊精用量4 g，吸附温度50 ℃，吸附时间30min，在此条件下制备的双包被番茄红素微胶囊包埋率可达97.75%，番茄红素载量40.70mg/g。
结论：双包被最优制备工艺为：多孔淀粉用量4 g（0.16%），β-环糊精用量4 g（0.16%），吸附温度50 ℃，吸附时间30 min，双包被番茄红素微胶囊包埋率可达97.75%，番茄红素载量40.70 mg/g。
实施例六：双包被番茄红素微胶囊化技术指标的效果评定
准确称取双包被微胶囊产品放入比色管中，加入正己烷，恒速震荡一定时间后，真空抽滤，并用正己烷洗涤微胶囊表面残留的番茄红素到滤液至无色为止。抽滤后微胶囊产品放置于50 ℃恒温干燥箱中干燥30 min，称重，按公式计算双包被微胶囊包埋率。
m1：微胶囊产品（g）
m2：滤纸质量（g）
m3：烘干后微胶囊与滤纸总质量（g）
番茄红素载量计算
C：番茄红素溶液浓度（μg/mL）
V：番茄红素溶液体积（mL）
m：番茄红素微胶囊质量（g）
1.2.3 番茄红素最大吸收波长确定 取少量番茄红素晶体溶于正己烷中，用紫外分光光度计在300~600nm范围扫描。
1.2.4 番茄红素标准曲线的绘制 番茄红素标准溶液：精确称量番茄红素标准品2.5mg，用5mL二氯甲烷溶解，将其转移到50mL棕色容量瓶中，利用超声波促溶。用正己烷定容至50mL，配制成50μg/mL的储备液。
标准工作曲线的绘制：分别准确移取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mL番茄红素标准溶液置于10mL棕色容量瓶中，用正己烷定容，于471nm下用紫外分光光度计比色。
扫描电子显微镜SEM观察结构：
将固体样品颗粒分布于硅片上，在真空状态下采用真空溅射仪喷金5min，然后拍照。
结论：
（1）双包被最优制备工艺为：多孔淀粉用量4 g（0.16%），β-环糊精用量4 g（0.16%），吸附温度50 ℃，吸附时间30 min，双包被番茄红素微胶囊包埋率可达97.75%，番茄红素载量40.70 mg/g。
（2）参照附图19和20，一次包被所得的微胶囊颗粒大小基本都在5-10μm范围内，为表面有凹凸不平的近似球体的颗粒，这种情况会降低囊壁的致密性，导致产品的产率和效率有所下降；双层包被的微胶囊成较大的颗粒形状，颗粒大小在10-20μm范围内。由于二次包被壁材多孔淀粉较强的吸附能力，有效提高了双包被番茄红素微胶囊的包埋率。
实施例七：番茄红素产品的体外释放率实验
通过模拟体外肠胃环境，考察番茄红素油树脂、番茄红素一次包被微胶囊、番茄红素二次包被微胶囊以及市售番茄红素软胶囊4者的体外释放效果。其中，人工胃液为pH2.0的盐酸溶液加入胃蛋白酶0.32g/100mL。测定人工肠液中的释放率时，分两组对照，同时考察胆盐对4类产品释放率的影响。两组人工肠液配方分别为：(1)pH7.2的磷酸二氢钾溶液(含0.5g/100mL 吐温-80)加入胰蛋白酶1g/100mL；(2)pH7.2的磷酸二氢钾溶液(含0.5g/100mL吐温-80和1.5g/L胆酸盐)加入胰蛋白酶1g/100mL。
番茄红素释放率的测定及计算：精确量取番茄红素双包被番茄红素微胶囊、一次包被微胶囊、番茄红素软胶囊和番茄红素油树脂各1mL，每组3份，分别置于具塞试管中，每个试管分别加入释放介质50mL，加塞密封。将各试管置于台式恒温振荡器中，在(37.5±0.5)℃条件下，以100r/min转速水平振荡。分别于不同时间点(加样振荡后0.5、1、2、4、6、8、10、12、15、18、21、24h)取样5mL，并同时补充同样体积的新鲜释放介质。所取样品14000r/min离心10min，取上清液测定番茄红素的含量，计算累计释放率。
结论：参见附图21至附图23，对比双包被番茄红素微胶囊、一次包被番茄红素微胶囊、番茄红素油树脂及市售番茄红素软胶囊4中番茄红素产品，发现双包被番茄红素微胶囊在人工肠液中具有更好的缓释性，且释放更为彻底。与市售番茄红素软胶囊相比，双包被番茄红素微胶囊与一次包被番茄红素微胶囊有着更快的释放速率，与番茄红素油树脂相比，双包被番茄红素微胶囊与一次包被番茄红素微胶囊均能较好地改善提高番茄红素的生物利用率。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (1)
1.一种采用双包被法制备的番茄红素微胶囊, 其特征在于，按照重量百分比计，番茄红素微胶囊采用双包被法制备的具体步骤如下：
（1）番茄皮渣的制备：选择无霉变番茄皮渣，去除杂物，并用清水将皮渣上的泥土、杂物洗净待用；
（2）制备番茄红素油树脂：将上述制备的番茄皮渣采用超临界CO2萃取，压力28MPa、萃取温度在70-72.5℃，CO₂流量2500—2600kg／h,萃取时间120min，在此工艺条件下，可得到纯度达90%以上的番茄红素；将番茄皮渣中超临界 CO2萃取得到的 6% 的番茄红素油树脂作为原料用于下一步骤中；
（3）番茄红素纯化工艺：采用将上述步骤（2）提供的番茄红素油树脂按1:10w/v的料液比溶于正己烷，经磁力搅拌10min后，放置室温冷却，再放入冰箱-18℃冷却静置12h后抽滤得番茄红素结晶体，按此步骤反复纯化三次后得番茄红素，经测定纯度为41.8%；
（4）超高压异构化处理，制备顺式比例的番茄红素：将上述步骤（3）制备的纯化过的番茄红素油树脂，按照每5mg番茄红素油树脂溶解于100mL的正己烷，装到聚乙烯复合袋中真空密封，采用常见超高压设备，在500Mpa,50℃下超高压10min条件下得到顺式异构体比例45.69%，含量为103.24mg/g的番茄红素，再采用高效液相色谱法对其进行分离，最终得到顺式的番茄红素；
（5）采用一次包被番茄红素微胶囊的制备：利用超声乳化和喷雾干燥法进行番茄红素的第一次包被，以阿拉伯胶和变性淀粉为壁材，阿拉伯胶与变性淀粉比例按m/m计1:2，固形物含量10%，芯壁比1:1，吐温-80用量2%，在30℃，160W条件下超声乳化15min，喷雾干燥进风温度190℃，出风温度80℃，喷雾压力18MPa，微胶囊包埋效率达到85.12%，产率为60.50%；得到的一次包被番茄红素微胶囊平均粒径为8.13μm，75%的粒径集中在5~15μm间，番茄红素载量为34.87mg/g；
（6）采用二次包被番茄红素微胶囊的制备：在上述步骤（5）一次包被的番茄红素微胶囊基础上，采用二次包被技术对一次包被的番茄红素的微胶囊进行进一步包被和改进，二次包被番茄红素微胶囊的制备的工艺采用多孔淀粉用量按0.16%，β-环糊精用量按0.16%，吸附温度50 ℃，吸附时间30 min，在此条件下制备的双包被番茄红素微胶囊包埋率达到97.75%，制得的双包被番茄红素平均粒径为16.67 μm，80%的微胶囊粒径范围在10 ~24 μm，番茄红素载量为40.70 mg/g；
（7）恒温干燥法制得双包被番茄红素微胶囊：经上述步骤（6）二次包被番茄红素微胶囊通过多孔淀粉吸附后，于50℃的恒温干燥箱中干燥制备获得双包被番茄红素微胶囊。
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2003103645A1 (es) * | 2002-06-06 | 2003-12-18 | Consejo Superior De Investigaciones Científicas | Extracción fraccionada de carotenoides de fuentes naturales con alto contenido en licopeno mediante fluidos supercríticos |
| CN1799674A (zh) * | 2004-12-31 | 2006-07-12 | 北京绿海化学有限公司 | 番茄果皮干粉中番茄红素的超临界二氧化碳萃取方法 |
Non-Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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