CN105029134B - 一种高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高稳定性蛋白质‑壳聚糖复凝聚交联微胶囊及其制备方法，首先将芯材与不含还原糖的或含有还原糖的蛋白质溶液混合，高速分散形成O/W型乳状液，再加入壳聚糖溶液，调节pH，让蛋白质与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成复凝聚相沉降在芯材乳滴周围而得到微胶囊，离心收集微胶囊，加热，使蛋白质‑壳聚糖、蛋白质‑壳聚糖‑还原糖两两之间发生美拉德反应引发交联而提高微胶囊的稳定性。本发明简单易行、安全、高效，适于大规模生产；本发明可广泛用于具有良好热稳定性芯材的包埋，对于开发高稳定性的蛋白质‑壳聚糖复凝聚微胶囊体系和推进复凝聚微囊化技术在食品工业中的实际应用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于包埋技术领域，具体涉及一种高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊及其制备方法。
背景技术
微囊化是提高芯材稳定性、实现控释和改变其物理状态的有效手段。微囊化的方法有很多种，包括喷雾干燥法、挤压法、流化床法和复凝聚法等，喷雾干燥是食品工业中最常用的方法，但是复凝聚法已引起了人们极大的兴趣。
复凝聚是发生在胶体溶液中的一种现象，其利用两种带不同电荷的聚电解质通过静电相互作用沉降在芯材周围来达到包埋的目的，目前在食品领域最常见的复凝聚体系为蛋白质-多糖组合。复凝聚微囊化法具有包埋效率高、控释性强等特点，而且所用聚电解质为天然大分子，因此具有极佳的生物相容性及安全性，在食品领域有很大的应用潜力。
由于复凝聚微胶囊的形成是基于聚电解质之间的静电相互作用，其机械强度较差，而且在偏离复凝聚反应最适pH值时易发生解离，因此必须进行交联以提高其稳定性。能够引起蛋白质发生共价交联的物质理论上均可用于复凝聚相的交联。目前报道最多的是基于蛋白质的交联剂，最常用且效果最好的是戊二醛，但是该化合物具有毒性，并不适合在食品工业中使用。谷氨酰胺转氨酶能催化蛋白质之间的交联反应，而且廉价易得，但是其所需反应时间较长，且对很多复凝聚体系的交联效果不如戊二醛。安全、高效且廉价的交联剂或交联方法已成为制约复凝聚微囊化技术在食品工业中应用的重要因素之一。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊及其制备方法。本发明以蛋白质和壳聚糖分别为聚阴离子和聚阳离子构成微胶囊壁材，通过复凝聚法制备微胶囊。在以蛋白质为乳化剂制备芯材O/W型乳状液时，通过控制在蛋白质溶液中是否添加还原糖，以及在微胶囊干燥过程中控制加热温度和时间，使蛋白质-壳聚糖、蛋白质-壳聚糖-还原糖两两之间发生复杂的美拉德反应而引发交联。所制备的微胶囊在pH4.0溶液中不溶解仅溶胀，克服了现有技术中复凝聚微胶囊机械强度较差、在偏离复凝聚反应最适pH值时易发生解离而失去稳定性的问题。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
一种高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法，它包括以下步骤：
（1）将芯材与蛋白质溶液混合，高速分散形成O/W型乳状液，所述O/W型乳状液中芯材与蛋白质的质量比为1:5-1:1；
（2）向所述O/W型乳状液中加入壳聚糖溶液，所述蛋白质与壳聚糖的质量比为9:1-3:1，低速搅拌，调节pH值，蛋白质与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在芯材乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
（3）进行离心，收集获得微胶囊，再使微胶囊中的反应组分在温度50-80℃下发生美拉德反应，反应时间为12-48h，制得所述复凝聚交联微胶囊。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（1）中芯材为维生素E或辣椒红色素。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（1）中蛋白质溶液中含有还原糖，所述还原糖与蛋白质的质量比为5:1-1:3。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（1）中还原糖为葡萄糖、核糖、甘露糖、木糖、半乳糖或阿拉伯糖中的至少一种。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（1）中蛋白质为大豆分离蛋白、豌豆分离蛋白、酪蛋白、牛血清白蛋白、乳球蛋白、丝蛋白、明胶或乳清分离蛋白中的一种。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（2）中调节pH值为5.5-6.5。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（2）中复凝聚反应的温度为25-55℃。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（2）中复凝聚反应的时间为15-60min。
本发明还提供了所述的制备方法制得高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊。
所述的微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中不溶解但可发生溶胀，浸泡2h后的芯材释放率为15.2%-25.8%。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：
1、本发明采用蛋白质和壳聚糖构成复凝聚体系来制备微胶囊，以蛋白质溶液为乳化剂制备芯材乳状液时，选择在蛋白质溶液中不添加还原糖或添加还原糖，最后在微胶囊干燥的过程中控制加热温度和时间，使蛋白质-壳聚糖、蛋白质-壳聚糖-还原糖两两之间发生美拉德反应引发微胶囊交联，从而提高其在pH4.0溶液中的稳定性。克服了现有技术中复凝聚微胶囊机械强度较差、在偏离复凝聚反应最适pH值时易发生解离而失去稳定性的问题。
2、壳聚糖含有丰富的游离–NH2，可与还原糖发生美拉德反应而引起壳聚糖发生交联。另外，壳聚糖含有还原性末端，也可直接与蛋白质发生美拉德反应生成高分子复合物。本发明是利用壳聚糖在美拉德反应中这种独特的性质而对蛋白质-壳聚糖复凝聚微胶囊体系进行交联，从而提高其稳定性。与现有技术相比，本发明可实现的交联程度更高，所得微胶囊的稳定性更好。
3、本发明操作步骤简便，不需要像现有交联技术中要调节微胶囊的pH值而容易导致微胶囊壁材离解，也不需要像现有技术中添加醛类有毒试剂作为交联剂而不适用于食品工业，而仅仅只需控制是否添加还原糖或还原糖种类及添加量、反应温度和时间即可，不需要特殊试剂和设备。本发明生产工艺简单易行、安全高效，易于规模化生产，对于包埋热稳定性较好的芯材具有广阔的市场前景。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明的高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备工艺流程图。
图2 为本发明中实施例1和实施例2制备的交联微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后的VE累积释放率。
图3 为本发明中实施例3和实施例4制备的交联微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后的VE累积释放率。
图4 为本发明中实施例5和实施例6制备的交联微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后的辣椒红色素累积释放率。
图5 为本发明中实施例7和实施例8制备的交联微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后的辣椒红色素累积释放率。
具体实施方式
首先配制蛋白质溶液：将一定质量的蛋白质溶解于pH7.0以上的水溶液中，制备得到所需浓度（w/v）的蛋白质溶液作为聚阴离子溶液；然后将壳聚糖溶解在1%（w/v）的醋酸溶液中，磁力搅拌4h，得到1%（w/v）的壳聚糖溶液，以此溶液为聚阳离子贮备液，使用前用1%（w/v）的醋酸溶液将壳聚糖溶液稀释到所需浓度。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
实施例1
本实施例高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法包括以下步骤：
1、将芯材维生素E（VE）添加到2.4%（w/v）的大豆分离蛋白（SPI）溶液中，VE与SPI的质量比为1:2，在45℃、12000r/min条件下高速分散乳化15min，形成均匀的O/W型VE乳状液；
2、将0.6%（w/v）的壳聚糖溶液加入到上述O/W型乳状液中，加入的所述壳聚糖溶液体积与所述乳状液体积相等，保持SPI与壳聚糖的质量比为4:1，用10%（w/v）NaOH溶液调节混合液的pH到6.5，25℃、300r/min搅拌15min，使SPI与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在VE乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
3、3000r/min离心5min，收集湿VE微胶囊，在50℃下加热48h，让SPI和壳聚糖直接发生美拉德反应达到交联的目的，从而获得VE微胶囊。
同时设置对照组，未经过美拉德反应交联的VE微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，壁材离解且VE的累积释放率达到了65.2%。本实施例制备的VE微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，VE的累积释放率仅为20.3%。
实施例2
本实施例高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法包括以下步骤：
1、将半乳糖与2.4%（w/v）的SPI溶液混合，半乳糖与SPI的质量比为3:1，再将芯材VE加入上述混合液中，VE与SPI的质量比为1:2，在45℃、12000r/min条件下高速分散乳化15min，形成均匀的O/W型VE乳状液；
2、将0.6%（w/v）的壳聚糖溶液加入到上述O/W型乳状液中，加入的所述壳聚糖溶液体积与所述乳状液体积相等，保持SPI与壳聚糖的质量比为4:1，用10%（w/v）NaOH溶液调节混合液的pH到6.5，25℃、300r/min搅拌15min，使SPI与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在VE乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
3、3000r/min离心5min，收集湿VE微胶囊，在50℃下加热48h，让SPI-壳聚糖-半乳糖两两之间发生复杂的美拉德反应达到交联的目的，从而获得VE微胶囊。
同时设置对照组，未经过美拉德反应交联的VE微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，壁材离解且VE的累积释放率达到了65.2%。本实施例制备的VE微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，VE的累积释放率仅为15.2%。
实施例3
本实施例高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法包括以下步骤：
1、将芯材VE添加到0.09%（w/v）豌豆分离蛋白（PPI）溶液中，VE与PPI的质量比为1:5，在35℃、10000r/min条件下高速分散乳化10min，形成均匀的O/W型VE乳状液；
2、将0.01%（w/v）的壳聚糖溶液加入到上述O/W型乳状液中，加入的所述壳聚糖溶液体积与所述乳状液体积相等，保持PPI与壳聚糖的质量比为9:1，用10%（w/v）NaOH溶液调节混合液的pH到6.2，35℃、300r/min搅拌20min，使PPI与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在VE乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
3、3000r/min离心5min，收集湿VE微胶囊，在60℃下加热18h，让PPI和壳聚糖直接发生美拉德反应达到交联的目的，从而获得VE微胶囊。
同时设置对照组，未经过美拉德反应交联的VE微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，壁材离解且VE的累积释放率达到了68.5%。本实施例制备的VE微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，VE的累积释放率仅为25.8%。
实施例4
本实施例高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法包括以下步骤：
1、将葡萄糖与0.09%（w/v）的PPI溶液混合，葡萄糖与PPI的质量比为1:3，再将芯材VE加入上述混合液中，VE与PPI的质量比为1:5，在35℃、10000r/min条件下高速分散乳化10min，形成均匀的O/W型VE乳状液；
2、将0.01%（w/v）的壳聚糖溶液加入到上述O/W型乳状液中，加入的所述壳聚糖溶液体积与所述乳状液体积相等，保持PPI与壳聚糖的质量比为9:1，用10%（w/v）NaOH溶液调节混合液的pH到6.2，35℃、300r/min搅拌20min，使PPI与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在VE乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
3、3000r/min离心5min，收集湿VE微胶囊，在60℃下加热18h，让PPI-壳聚糖-葡萄糖两两之间发生复杂的美拉德反应达到交联的目的，从而获得VE微胶囊。
同时设置对照组，未经过美拉德反应交联的VE微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，壁材离解且VE的累积释放率达到了68.5%。本实施例制备的VE微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，VE的累积释放率仅为18.7%。
实施例5
本实施例高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法包括以下步骤：
1、将芯材辣椒红色素添加到2.0%（w/v）的明胶溶液中，辣椒红色素与明胶的质量比为1:3，在55℃、12000r/min条件下高速分散乳化20min，形成均匀的O/W型辣椒红色素乳状液；
2、将0.4%（w/v）的壳聚糖溶液加入到上述O/W型乳状液中，加入的所述壳聚糖溶液体积与所述乳状液体积相等，保持明胶与壳聚糖的质量比为5:1，用10%（w/v）NaOH溶液调节混合液的pH到6.0，55℃、400r/min搅拌60min，使明胶与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在辣椒红色素乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
3、3000r/min离心5min，收集湿辣椒红色素微胶囊，在70℃下加热15h，让明胶-壳聚糖直接发生美拉德反应达到交联的目的，从而获得辣椒红色素微胶囊。
同时设置对照组，未经过美拉德反应交联的辣椒红色素微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，壁材离解且辣椒红色素的累积释放率达到了57.6%。本实施例制备的辣椒红色素微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，辣椒红色素的累积释放率仅为21.9%。
实施例6
本实施例高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法包括以下步骤：
1、将木糖与2.0%（w/v）的明胶溶液混和，木糖与明胶的质量比为4:1，再将芯材辣椒红色素加入到上述混合液中，辣椒红色素与明胶的质量比为1:3，在55℃、12000r/min条件下高速分散乳化20min，形成均匀的O/W型辣椒红色素乳状液；
2、将0.4%（w/v）的壳聚糖溶液加入到上述O/W型乳状液中，加入的所述壳聚糖溶液体积与所述乳状液体积相等，保持明胶与壳聚糖的质量比为5:1，用10%（w/v）NaOH溶液调节混合液的pH到6.0，55℃、400r/min搅拌60min，使明胶与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在辣椒红色素乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
3、3000r/min离心5min，收集湿辣椒红色素微胶囊，在70℃下加热15h，让明胶-壳聚糖-木糖两两之间发生复杂的美拉德反应达到交联的目的，从而获得辣椒红色素微胶囊。
同时设置对照组，未经过美拉德反应交联的辣椒红色素微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h，壁材离解且辣椒红色素的累积释放率达到了57.6%。本实施例制备的辣椒红色素微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，辣椒红色素的累积释放率仅为16.5%。
实施例7
本实施例高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法包括以下步骤：
1、将芯材辣椒红色素添加到3.0%（w/v）的乳清分离蛋白（WPI）溶液中，辣椒红色素与WPI的质量比为1:1，在35℃、11000r/min条件下高速分散乳化15min，形成均匀的O/W型辣椒红色素乳状液；
2、将1.0%（w/v）的壳聚糖溶液加入到上述O/W型乳状液中，加入的所述壳聚糖溶液体积与所述乳状液体积相等，保持WPI与壳聚糖的质量比为3:1，用10%（w/v）NaOH溶液调节混合液的pH到5.5，45℃、300r/min搅拌30min，使WPI与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在辣椒红色素乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
3、3000r/min离心5min，收集湿辣椒红色素微胶囊，在80℃下加热12h，让WPI-壳聚糖直接发生美拉德反应达到交联的目的，从而获得辣椒红色素微胶囊。
同时设置对照组，未经过美拉德反应交联的辣椒红色素微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，壁材离解且辣椒红色素的累积释放率达到了53.4%。本实施例制备的辣椒红色素微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，辣椒红色素的累积释放率仅为19.6%。
实施例8
本实施例高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法包括以下步骤：
1、将阿拉伯糖与3.0%（w/v）的WPI溶液混和，阿拉伯糖与WPI的质量比为5:1，再将芯材辣椒红色素加入到上述混合液中，辣椒红色素与WPI的质量比为1:1，在35℃、11000r/min条件下高速分散乳化15min，形成均匀的O/W型辣椒红色素乳状液；
2、将1.0%（w/v）的壳聚糖溶液加入到上述O/W型乳状液中，加入的所述壳聚糖溶液体积与所述乳状液体积相等，保持WPI与壳聚糖的质量比为3:1，用10%（w/v）NaOH溶液调节混合液的pH到5.5，45℃、300r/min搅拌30min，使WPI与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，形成的复凝聚相沉降在辣椒红色素乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
3、3000r/min离心5min，收集湿辣椒红色素微胶囊，在80℃下加热12h，让WPI-壳聚糖-阿拉伯糖两两之间发生复杂的美拉德反应达到交联的目的，从而获得辣椒红色素微胶囊。
同时设置对照组，未经过美拉德反应交联的辣椒红色素微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，壁材离解且辣椒红色素的累积释放率达到了53.4%。本实施例制备的辣椒红色素微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中浸泡2h后，辣椒红色素的累积释放率仅为15.9%。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：
（1）将芯材与蛋白质溶液混合，高速分散形成O/W型乳状液，所述O/W型乳状液中芯材与蛋白质的质量比为1:5-1:1；所述蛋白质溶液中含有还原糖，所述还原糖与蛋白质的质量比为5:1-1:3；
（2）向所述O/W型乳状液中加入壳聚糖溶液，所述蛋白质与壳聚糖的质量比为9:1-3:1，低速搅拌，调节pH值为5.5-6.5，蛋白质与壳聚糖通过静电相互作用发生复凝聚反应，所述复凝聚反应的温度为25-55℃，所述复凝聚反应的时间为15-60min；形成的复凝聚相沉降在芯材乳滴周围而得到微胶囊悬浮液；
（3）进行离心，收集获得微胶囊，再使微胶囊中的反应组分在温度50-80℃下发生美拉德反应，反应时间为12-48h，制得所述复凝聚交联微胶囊。
2.根据权利要求1所述的高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中芯材为维生素E或辣椒红色素。
3.根据权利要求1所述的高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中还原糖为葡萄糖、核糖、甘露糖、木糖、半乳糖或阿拉伯糖中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中蛋白质为大豆分离蛋白、豌豆分离蛋白、酪蛋白、牛血清白蛋白、乳球蛋白、丝蛋白、明胶或乳清分离蛋白中的一种。
5.权利要求1-4任一项所述的制备方法制得高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊。
6.根据权利要求5所述的高稳定性蛋白质-壳聚糖复凝聚交联微胶囊，其特征在于所述的微胶囊在pH4.0的盐酸溶液中不溶解但可发生溶胀，浸泡2h后的芯材释放率为15.2%-25.8%。
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