TWI740604B - 油性成分微膠囊製備方法 - Google Patents

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彭宣融
蘇鼎元
陳素月
董志宏
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    • B01J13/00—Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
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    • B01J13/043—Drying and spraying

Abstract

一種油性成分微膠囊製備方法，包含將水、酪蛋白鈉、麥芽糊精與水相乳化劑均勻混合為連續相；將油性成分與油相乳化劑均勻混合為分散相；施加氣體壓力使該分散相通過孔隙約1.9 µm之多孔玻璃膜(Porous Glass membrane)進入該連續相，形成粒徑均一之乳化液；噴霧乾燥該乳化液製備出具有高承載率、好的緩釋性及儲藏安定性的油性成分微膠囊，適合應用於精油等風味物質或魚油的微膠囊化。

Description

油性成分微膠囊製備方法
本發明係關於一種利用薄膜乳化技術搭配噴霧乾燥技術來製備以油性風味物質或機能性成分為芯材的微膠囊。
微膠囊化技術是一種可以藉由壁材的包覆，提供芯材與外界環境間的物理屏障，進而抵抗環境中的光、溫度、氧氣以及酸鹼等影響，達到延長機能性成分安定性、控制釋放與味道遮蔽等特性。將分散相(dispersed phase)的芯材均勻分散於連續相(continuous phase)的壁材中，形成穩定的乳化液是微膠囊化製程的關鍵步驟。食品業界最常使用高壓均質乳化技術，透過高壓將流體送到均質閥，過程產生剪切力將分散相均勻分散，而得到性狀良好之乳化液。但高壓均質乳化過程中能源效率(Energy efficiency)僅2%，設備零件在高壓操作下容易耗損，且乳化液溫度會在過程中上升，易影響熱敏感物質，而限縮芯材使用範圍。
薄膜乳化技術原理為分散相受到些微的氣體增壓下通過孔隙均一的多孔玻璃膜(Porous Glass membrane)，並在膜表面形成液滴(droplets)，在沿膜表面流動之連續相的沖刷作用下，當液滴的直徑達到某一值時，就從膜表面剝離，進入連續相而形成乳化液。相對於其他乳化方式，具有低剪切力、低耗能、粒徑均一且製程再現性高等優點。
CN105707290A揭示一種粉末雞油的製造方法，需先將變性澱粉加熱至82℃，加入麥芽糊精後降溫至60℃，使壁材完全溶解於水中，以均質機於18 MPa條件下進行乳化，將乳化液溫度保持於60℃，並以入風溫度168℃進行噴霧乾燥。
CN102641245揭示一種裝載難溶性藥物的殼聚糖-殼聚糖衍生物奈米球產品，將難溶性藥物溶解於有機溶劑如液體石蠟及石油醚當中作為內油相(O 1)，以殼聚糖、乳化劑及水作為水相(W)，透過均質乳化法製備O 1/W乳化液，再透過多孔膜形成O 1/W/O 2型乳化液。將上述多重乳化液先以25℃固化1 hr，緩慢加熱至50℃，再恆溫交聯反應10 hr，離心去除上清液後，即得微膠囊。
儘管膜乳化可製備性狀優良之乳化液，但能否在乾燥後形成微膠囊仍有技術缺口，因此目前尚無專利將薄膜乳化應用於風味分子微膠囊製程當中。
本發明利用薄膜乳化技術搭配噴霧乾燥技術製備以風味物質或機能性成分為芯材的微膠囊。
本發明藉由乳化劑及壁材的篩選，來維持乳化液的穩定性，並製造出大小均一、高包覆率的微膠囊顆粒。
本發明之微膠囊顆粒具有很好的緩釋性及儲藏安定性，並達到風味物質或機能性成分延長釋放的目的。
本發明的較佳具體實施例包括（但不限於）下列申請專利範圍所描述者。
以下預備例及實施例使用下列的材料及儀器設備。 材料：
九層塔香精（SWEET BASIL FLAVOR MC-20PM）購自廣福林有限公司(桃園，台灣)；
酪蛋白鈉（SODIUM CASEINATE）購自模里西斯商台紐股份有限公司台灣分公司(桃園，台灣)；
麥芽糊精（Maltodextrin）購自環太企業有限公司(桃園，台灣)；
阿拉伯膠（Gum Arabic）購自台灣阿拉伯膠有限公司(台北，台灣)；
乳化劑：聚山梨醇酯80 (Polysorbate 80)或稱Tween 80、聚山梨醇酯60 (Tween 60)、聚山梨醇酯20 (Tween 20)、聚蓖麻油酸聚甘油-3酯(Polyglyceryl-3-Polyricinoleate) (2253)、單硬脂酸甘油酯(Glyceryl Mono Stearate) (2910)以及單油酸甘油酯(Glyceryl Monooleate)(2905)均是購自允誠國際實業有限公司(彰化，台灣)；十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate)購自友和貿易股份有限公司(Sigma; Germany)。 儀器設備
1.    外壓式薄膜乳化設備MG-20 (SPG technology; Japan)
2.    均質乳化設備Polytron PT2100 (Kinematicas; Switzerland)
3.    雷射粒徑分析儀LS13 320 (Beckman coulter; USA)
4.    噴霧乾燥機L8 (Ohkawara; Japan)
5.    GC-MS 7890B-5977A (Agilent; USA)
6.    迴轉式震盪恆溫培養箱 (一升科技; 台灣)
7.    Spectrophotometers V-630 (Jasco; Japan)
8.    減壓濃縮機R-200 (Buchi; Taiwan) 預備例1：乳化活性 (Emulsion activity; EA)
本預備例以乳化活性(Emulsion activity; EA)篩選合適乳化劑組合。分析方法包括將水、10%大豆油和2.5%的如下表所示的乳化劑組合(HLB值介於11-12.5之間)混合後，以PT2100均質機於11,000 rpm條件下進行均質乳化1分鐘，再將乳化液以1,500 rpm離心20分鐘。如果乳化液出現分層現象，立即量測乳化層及總混合液高度，並依以下公式計算乳化活性：100 × (乳化層高度)/(總混合液高度)。計算結果同樣列於下表中。
編號 乳化劑組合 組合比例（重量） HLB 乳化活性
1 Tween 80 / 2905 2:1 11.1 100%
2 Tween 80 / 2253 2:1 11.3 94.8%
3 Tween 80 / 2910 2:1 11.2 未乳化
4 Tween 60 / 2253 2:1 11.3 94.8
5 Tween 60 / 2910 2:1 11.2 未乳化
6 Tween 20 / 2905 2:1 12.2 97.10
7 Tween 20 / 2253 2:1 12.3 94.60
8 Tween 20 / 2910 2:1 12.3 未乳化
從上表的結果可以看出乳化劑組合Tween 80 / 2905具有最佳的乳化活性100%，Tween 20 / 2905次之（97.1%），Tween 80 / 2253再次之（94.8%）。於以下實施例即選用乳化劑組合Tween 80 / 2905 （2:1）進行九層塔香精微膠囊的製備。 實施例1
將酪蛋白鈉、麥芽糊精、聚山梨醇酯80及十二烷基硫酸钠依以下表1之重量溶解於水中，並定量至100 mL，以轉子攪拌混合10-12小時至完全溶解而得到連續相。
將九層塔香精及單油酸甘油酯依以下表1之重量混合均勻而得到分散相。 表1
原料 重量 (g)
九層塔香精 20
麥芽糊精(Maltodextrin) 15
酪蛋白鈉(Sodium Caseinate) 7
聚山梨醇酯80 2
單油酸甘油酯 1
十二烷基硫酸钠 0.5
採用MG-20膜乳化設備，將孔隙大小1.9 µm之SPG膜浸於該連續相當中，以氣體壓力差增壓35-40 kPa，將該分散相擠過SPG膜進入該連續相中進行乳化，同時於該連續相中以轉子進行400 rpm的轉動攪拌，轉子轉動帶動的水流將被擠出之分散相帶離該SPG膜，形成分散相（油滴），平均粒徑大小4.7 µm的水包油(oil-in-water)乳化液。圖1中的實線表示以雷射粒徑分析儀LS13 320測量該水包油乳化液中分散相的粒徑的粒徑分佈結果。
將該水包油乳化液的一部分以入風溫度170℃，及霧化器轉速於19,000 rpm的條件下進行噴霧乾燥而得到微膠囊粉體。
將前述製備的水包油乳化液的另一部分以高溫80°C處理0.5小時後，以雷射粒徑分析儀LS13 320測量其中分散相的粒徑，粒徑分佈的結果如圖1中的虛線所示，乳化液中分散相（油滴）平均粒徑僅小幅增加至4.9 µm，粒徑變化量僅4.2%。此結果顯示本實施例可製備出穩定性佳的九層塔香精乳化液。 實施例2
除了將九層塔香精的用量由20克改成12克外，重覆實施例1的步驟製備微膠囊粉體。 實施例3
除了將九層塔香精的用量由20克改成9克，麥芽糊精的用量由15克改成14.5克，及酪蛋白鈉的用量由7克改成5克外，重覆實施例1的步驟製備微膠囊粉體。 實施例4
將酪蛋白鈉、麥芽糊精、阿拉伯膠、聚山梨醇酯80及十二烷基硫酸钠依以下表2之重量溶解於水中，並定量至100 mL，以轉子攪拌混合10-12小時至完全溶解而得到連續相。
將九層塔香精及單油酸甘油酯依以下表2之重量混合均勻而得到分散相。 表2
原料 重量 (g)
九層塔香精 13.5
麥芽糊精 5
酪蛋白鈉 5
阿拉伯膠(Gum Arabic) 5
聚山梨醇酯80 2
單油酸甘油酯 1
十二烷基硫酸钠 2
重覆實施例1的薄膜乳化步驟製備水包油乳化液。
將該水包油乳化液以入風溫度170℃，及霧化器轉速19,000 rpm的條件進行噴霧乾燥，製備出微膠囊粉體。 實施例5
除了將九層塔香精的用量由13.5克改成8克，麥芽糊精的用量由5克改成14克及十二烷基硫酸钠的用量由2克改成1克外，重覆實施例4的步驟製備微膠囊粉體。 實施例6
除了將霧化器的入風溫度170℃改成150℃外，重覆實施例5的步驟製備微膠囊粉體。 實施例7
將酪蛋白鈉、麥芽糊精、阿拉伯膠、聚山梨醇酯80及十二烷基硫酸钠依以下表3之重量溶解於水中，並定量至100 mL，以轉子攪拌混合10-12小時至完全溶解而得到連續相。
將九層塔香精及單油酸甘油酯依以下表3之重量混合均勻而得到分散相。 表3
原料 重量 (g)
九層塔香精 12
麥芽糊精 26
酪蛋白鈉 2.5
阿拉伯膠(Gum Arabic) 7.5
聚山梨醇酯80 3
單油酸甘油酯 1.5
十二烷基硫酸钠 0.5
重覆實施例1的薄膜乳化步驟製備水包油乳化液。
將該水包油乳化液以入風溫度120℃，及霧化器轉速19,000 rpm的條件進行噴霧乾燥，製備出微膠囊粉體。 結果 乘載率：
乘載率為油脂類(精油及乳化劑)於微膠囊粉體佔有的比例，以實施例1來舉例，粉體原料總重為45.5克，油重包括九層塔香精、單油酸甘油酯及聚山梨醇酯80，重量為23g。因此，乘載率=(23/45.5) x 100% = 50.5%。 包覆率：
包覆率為粉體內油脂類的含量百分比，以下列公式計算： 包覆率=(1-(表面油重/總油重)) x 100% 微膠囊粉體表面油重測定：
精確秤取3 g微膠囊粉體，置放於砂蕊漏斗中，加入40 ml石油醚，輕微攪拌1分鐘後進行抽氣過濾，再加入25 ml石油醚，輕微攪拌40秒後進行抽氣過濾，濾液以減壓濃縮去除有機溶劑，秤重後得表面油重。 微膠囊粉體總油量測定：
以鹼性乙醚提取法測定微膠囊粉體總油量，精確秤取10 g微膠囊粉體，以40 ml蒸餾水溶解後，加入20 ml氨水反應15分鐘(以加熱器維持65°C反應溫度)，與40 ml乙醇(95%)混合均勻，並於冷水中進行冷卻，待溶液冷卻後將其轉移至分液漏斗，加入40 ml乙醚，加塞輕搖及洩氣，接著再加入40 ml石油醚，劇烈震盪及洩氣，靜置30分鐘後將上清液(醚層)轉入濃縮瓶，減壓濃縮去除有機溶劑，秤重後得總油重。 表4
實施例 乘載率 包覆率
1 50.55% 86%
2 40.00% 90%
3 37.50% 75%
4 49.25 18%
5 30.56% 77%
6 30.25% 66%
7 31.13% 45%
從表4的結果可以看出實施例2-3的酪蛋白鈉及麥芽糊精組合在乘載率40%及37.5%條件下，包覆率分別為90%以及75%。當實施例1將乘載率提高到50%條件時，包覆率則為86%。雖然實施例2具有最高的包覆率90%，高於實施例1的包覆率，但實施例1的乘載率50%高於實施例2的40%。亦即於實施例1中被包覆於微膠囊粉體中的九層塔香精佔全部粉體原料的43.47%；實施例2中則只有36%。當以乘載率50%進行酪蛋白鈉、阿拉伯膠、麥芽糊精的壁材組合的實驗時，如實施例5所示，乘載率僅為18%。因此，在實施例5-7的實驗時將乘載率下降至約30%，酪蛋白鈉、阿拉伯膠、麥芽糊精的壁材組合可以分別在噴霧乾燥溫度170℃、150℃及120℃達成77%、66%及45%的包覆率。以上結果顯示，麥芽糊精與酪蛋白鈉之組合相較於酪蛋白鈉、阿拉伯膠、麥芽糊精的壁材組合在高乘載率條件下具有較高的包覆率。 實施例8：九層塔香精微膠囊安定性測試
以定子/轉子均質乳化技術製作的九層塔香精乳化液作為對照組與實施例1所製造的微膠囊粉體進行比較。定子/轉子均質乳化技術使用與實施例1相同的乳化劑製備連續相及分散相，將連續相及分散相均勻混合後，使用PT2100均質機進行均質乳化5分鐘(11,000 rpm)形成九層塔香精乳化液。最後以與實施例1相同的噴霧乾燥技術製備成九層塔香精微膠囊。對照組與實施例1所製造的微膠囊粉體被分裝於50 ml樣品瓶中。於恆溫培養箱進行安定性試驗，試驗條件如下，恆溫60°C儲存0、7、14、21、28及35天 (高溫虐待性試驗)；恆溫40°C儲存0、14、28、42及56天 (高溫加速試驗)，分別檢測酸價、硫代巴比妥酸價（TBARS）、油脂包覆率及香氣成分。 酸價 (Acid value; AV)
精秤10 g九層塔香精微膠囊粉末，並以30 ml蒸餾水溶解後，加入90 ml正己烷進行油脂萃取2小時，萃取液轉移至分液漏斗中，再加入90 ml乙醇 (95%) 後劇烈震盪及洩氣，靜置30分鐘後，將上清液 (醚層) 轉入濃縮瓶，減壓濃縮去除有機溶劑，秤重後得總油重。得到之香精萃取物的酸價依CNS食用油脂檢驗法-酸價之測定進行。 硫代巴比妥酸法 (Thiobarbituric acid reactive substances; TBARS)
分析方法參考Premanand (Premanand, R., Santhosh Kumar1, P. H. and Mohan, A. 2006. Study of Thiobarbituric Reactive Substances and Total Reduced Glutathione as Indices of Oxidative Stress in Chronic Smokers With and Without Chronic Obstructive Pulmonary Disease. The Indian Journal of Chest Diseases & Allied Sciences, 49: 9-11)之方法並加以調整。精秤樣品1.5 g，置於15 ml離心管，以三氯乙酸 (Trichloroacetic acid; TCA) 定量至5 ml，震搖半小時。3500 rpm離心20分鐘，吸除油脂後，準確取上清液1 ml置於2 ml eppendorf內，加入1 ml TBA (Thiobarbituric acid; TBA)溶液，混勻並於90°C下反應40分鐘，待冷卻至室溫，以Elisa Reader 分光光度計，檢測532 nm之吸光值。 香氣成分變化
精確秤取10 mg九層塔香精微膠囊粉末樣品，將其放入20 ml玻璃樣品瓶中，與3 ml蒸餾水混合，加熱震盪至完全溶解後，加入10 µl內標準品甲醇溶液 (p-propyl anisole)；另取390 mg九層塔香精與60 mg乳化劑至300 ml蒸餾水中，以11,000 rpm均質1分鐘後，取3 ml九層塔香精乳化液至20 ml玻璃樣品瓶中。以Agilent公司的GC Sampler 80進行動態頂部空氣自動進樣，樣品瓶於60℃加熱30分鐘後，抽取250 µl頂部空氣進樣。揮發性成分以7890B-5977A氣相層析質譜儀進行成分分析，使用HP-5MS Ultra Inert毛細管柱(30 m × 0.25 mm × 0.20 µm)；烘箱起始溫度40℃停留3分鐘，以每分鐘6℃速率升溫至250℃並停留5分鐘，載氣為氦氣，管柱氣體流量為1 mL/min。進樣口溫度250℃，不分流模式。氣相層析質譜儀偵測質量範圍為33-400，離子源溫度230℃，四極柱溫度150℃，電子撞擊游離能70 eV。以內標準品法計算樣品中揮發性成分的相對強度。 酸價
高溫加速性試驗(40°C)期間，九層塔香精於存放14天內，酸價顯著上升，14天之後上升速度趨緩，而九層塔香精微膠囊酸價並無顯著上升，其酸價28天後才小幅上升，而後維持數值穩定，顯示九層塔香精經過微膠囊包覆，可以有效保護芯材，並延緩其酸價的升高(圖2)。高溫虐待性試驗(60°C)期間，九層塔香精在7天內酸價顯著上升，而九層塔香精微膠囊在21天內酸價無顯著變化，28天後酸價才顯著上升，顯示經過微膠囊包覆的九層塔香精，可以有效延緩或抑制油脂中游離脂肪酸生成(圖3)。 TBARS
高溫加速性試驗(40°C)處理期間，九層塔香精微膠囊的數值穩定持平，而九層塔香精TBARS數值顯著上升(圖4)。高溫虐待性試驗(60°C)期間，九層塔香精TBARS值之上升幅度顯著大於九層塔香精微膠囊之TBARS值(圖5)。上述結果顯示微膠囊可在高溫條件下保護其所包覆之香精物質，有效抑制香精類物質氧化，減少過氧化物的生成，進而達到保護芯材的效果。 香精包覆率變化
九層塔香精微膠囊經過60°C高溫虐待性試驗35天後，分析香精包覆率，由86.4%下降至83.0%，共僅下降4%，表示即使在嚴苛的儲存條件下，香精微膠囊型態結構仍可維持完整，被包覆之香精也不易散失；以相同的儲存條件參數，均質乳化法製備出之九層塔香精微膠囊，經過相同虐待性試驗35天後，包覆率則由56.7%下降至41.6%，香精包覆率共下降了15.1% ，顯示不同的乳化方式會影響壁材包覆的完整性，進而影響香精的包覆率以及產品穩定度(圖6)。 風味分子成分變化
以GC-MS檢測九層塔香精以及九層塔香精微膠囊之風味分子成分及含量，檢測結果顯示，風味分子主要為草蒿(Estragole)，佔所有風味分子90%以上(圖7)。檢測經高溫虐待性試驗35天後，九層塔香精以及微膠囊之草蒿含量變化，作為風味保留之標的物質。經60°C高溫虐待性試驗，九層塔香精風味分子於第35天，風味分子強度下降27%，九層塔香精微膠囊僅下降10%(圖8)，由此推論，薄膜乳化製備之微膠囊於高溫下儲存一段時間後，微膠囊型態仍可保持穩定，因此風味物質不容易散失。
以上安定性測試結果顯示，以SPG薄膜乳化搭配噴霧乾燥技術製備九層塔香精微膠囊，於貯藏期間香精物質安定性高、微膠囊結構穩定且風味分子之衰退率低。顯示經由薄膜乳化技術，可使風味分子通過多孔玻璃膜形成水包油型乳化液，再經由噴霧乾燥技術製備之香精微膠囊可緩慢的釋放風味分子，達到控制釋放之目的。本發明方法除了應用於九層塔香精，也可用於其他油性風味物質或機能性成分的微膠囊的製備，如魚油、藻油、卵磷脂、多酚類、黃酮類物質等。
無
圖1顯示本發明製備的九層塔香精乳化液於常溫（實線）及高溫80°C處理0.5小時後（虛線），分別以雷射粒徑分析儀LS13 320測量其中分散相的粒徑的粒徑分佈結果。 圖2顯示本發明的九層塔香精微膠囊與對照例在高溫加速性試驗(40°C)期間的酸價的檢測結果。 圖3顯示本發明的九層塔香精微膠囊與對照例在高溫虐待性試驗(60°C)期間的酸價的檢測結果。 圖4顯示本發明的九層塔香精微膠囊與對照例在高溫加速性試驗(40°C)期間的硫代巴比妥(TBARS)酸價的檢測結果。 圖5顯示本發明的九層塔香精微膠囊與對照例在高溫虐待性試驗(60°C)期間的硫代巴比妥(TBARS)酸價的檢測結果。 圖6顯示本發明的九層塔香精微膠囊與對照例在高溫虐待性試驗(60°C)期間的香精包覆率變化。 圖7顯示以氣相層析質譜儀（GC-MS）檢測九層塔香精以及九層塔香精微膠囊之風味分子成分及含量，檢測結果顯示，風味分子主要為草蒿(Estragole)，佔所有風味分子90%以上。 圖8顯示本發明的九層塔香精微膠囊與對照例在高溫虐待性試驗(60°C)期間的草蒿含量變化。

Claims (7)

  1. 一種油性成分微膠囊製備方法，包含將酪蛋白鈉、麥芽糊精與水相乳化劑均勻混合為連續相；將油性成分與油相乳化劑均勻混合為分散相；藉由空氣壓力使該分散相通過孔隙1.4μm-2.4μm之多孔玻璃膜進入該連續相，形成粒徑均一之乳化液；及將該乳化液進行噴霧乾燥，得到微膠囊粉體，其中該水相乳化劑包含聚山梨醇酯80、聚山梨醇酯60或聚山梨醇酯20中的一種，和十二烷基硫酸鈉；及該油相乳化劑為聚蓖麻油酸聚甘油-3酯(Polyglyceryl-3-Polyricinoleate)或單油酸甘油酯(Glyceryl Monooleate)。
  2. 如請求項1的方法，其中該多孔玻璃膜的孔隙為1.9μm。
  3. 如請求項1的方法，其中該水相乳化劑包含聚山梨醇酯80和十二烷基硫酸鈉。
  4. 如請求項1的方法，其中該噴霧乾燥的入風溫度介於120-190℃及出風溫度介於80-140℃。
  5. 如請求項1的方法，其中該油性成分包含九層塔香精、魚油、藻油、卵磷脂、多酚、或黃酮化合物。
  6. 如請求項5的方法，其中該油性成分為九層塔香精。
  7. 如前述請求項1至6項中任一項的方法，其中該油相乳化劑為單油酸甘油酯。
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