史紫千，周天水，周 兴，钱施娟，冯 芳

（苏州科技大学 化学生物与材料工程学院，江苏 苏州215009）

微胶囊化技术是把气态、液态、固态的物质，包埋在一个微小、半透性或封闭的胶囊里面，让里面被包埋的物质能够在特定的条件下释放[1]。微胶囊的构成包含芯材和壁材。芯材指的是被包埋的物质，亦可称作芯、核或内包物。壁材是指用来包埋芯材的物质，也可以称为壁膜、壳或者保护膜[2]。脂溶性食品添加剂，不溶于水，在氧、热和光的环境下都不稳定，易发生氧化分解和异构，这样在加工生产过程中会出现问题。将其微胶囊化后，光、热等外界条件对它的影响将大大降低；食品添加剂中的活性物质的挥发也会减少；食品添加剂的物理化学性质，如溶解性、稳定性也会增强和提高；芯材的释放也可以得到控制，提高它的利用率。作为典型的脂溶性食品添加剂，β-胡萝卜素是类胡萝卜素的一种，具有良好的抗氧化能力，被人体摄入后可以转化为维生素A[3]，在食品工业中，可给食物上色，亦能丰富食品的营养。但是其性质非常活泼，在氧、热及光的环境下很不稳定，容易氧化分解和发生异构。并且，由于胡萝卜素是脂溶性的，不溶于水，大大限制了它的应用[4-5]。将胡萝卜素包埋在一种膜中，起到保护核芯物质的作用，特别是胡萝卜素经微胶囊化以后，使胡萝卜素利用微胶囊能够溶解在水里面，并且分散性良好、水溶液也不会分层。笔者通过制备脂溶性食品添加剂包埋微胶囊，研究包埋前后对脂溶性食品添加剂性质的影响，使制备的微胶囊具有较高的包埋率，再通过红外光谱仪、扫描电镜、热重分析进行微胶囊的表征，探索通过高压电喷雾装置制备优选组成结构合理、性能优良的结构微球，以期提升被包埋添加剂的使用效果、利用率等。

1 实验部分

1.1 实验材料及试剂

β-胡萝卜素晶体、β-环糊精、二氯甲烷、石油醚、乙醇均分析纯，购于为国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 制备微胶囊

（1）冷冻干燥制备β-环糊精空白微胶囊。称取5.86 g 环糊精加到60 ℃80 mL 蒸馏水中搅拌溶解，制成β-环糊精饱和溶液，冷却到50 ℃保温待用。少量的大豆油溶解在石油醚中，缓慢滴加到β-环糊精饱和溶液中，50 ℃恒温下避光搅拌4 h。冷却后冰箱内冷藏24 h，再用真空泵进行抽滤，适量蒸馏水洗涤，在2XZ-2 型LGJ-10 冷冻干燥机（谭氏真空设备有限公司）中低温干燥24 h，得到β-环糊精空白胶囊[6]。

（2）电喷法制备β-环糊精空白微胶囊。β-环糊精饱和溶液，加入5 mL 的注射器中，另在1 mL 的注射器加入石油醚和大豆油的混合液（体积比为7∶3）。在喷头下放置一个培养皿，以收集电喷出的液滴。高压电喷装置初始速度为2 mL·h-1，将两只注射器固定在高压电喷轨道上，调整高度约12 cm，按下开始键。以不同电压为变量，收集不同电压下的产物，进行扫描电镜SEM 观察其形状大小，选出结构最好的一组。

（3）β-环糊精负载β-胡萝卜素制备微胶囊[6]。以β-环糊精为壁材，制备β-环糊精饱和溶液。称取5.86 g 的β-环糊精加至60 ℃的80 mL 蒸馏水中搅拌溶解，制成β-环糊精饱和溶液，冷却到50 ℃保温待用。称取0.100 7 g 胡萝卜素加少量的植物油溶解。再按体积比2∶1 的比例，将胡萝卜素溶解在石油醚中，然后缓慢滴加到β-环糊精饱和溶液中，在50 ℃下避光搅拌4 h。冷却后放入冰箱内冷藏24 h，再用真空泵进行抽滤，适量蒸馏水洗涤，在2XZ-2 型LGJ-10 冷冻干燥机中低温干燥24 h，得到胡萝卜素β-环糊精的包埋物，储存在冰箱中备用。

1.2.2 微胶囊中β-胡萝卜素含量的测定

（1）β-胡萝卜素准曲线的测定。称取0.004 8 g 左右的β-胡萝卜素（含量大于99%），1 mL 氯仿溶解，石油醚定容至50 mL 在棕色容量瓶中。分别移取1.0、1.5、3.0、5.0、8.0 mL 到10 mL 棕色容量瓶中，石油醚定容，在450 nm 下用TU-1901 型可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）测定吸光值，绘出曲线[7]。

（2）β-环糊精负载的β-胡萝卜素微胶囊中胡萝卜素含量的测定。称取0.2 g 制备的胡萝卜素β-环糊精包埋物，置于锥形瓶中加水溶解后再加入石油醚萃取胡萝卜素，摇匀后放到KQ-100E 超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）中超声10 min 左右，使胡萝卜素转移到有机相中，如此反复数次。直至水相变为无色为止。将有机相合并，脱水后在分光光度计上450 nm 处测定吸光值，最后代入到标准曲线方程里面计算胡萝卜素的含量。

（3）β-环糊精负载的β-胡萝卜素微胶囊包埋率和载药量的测定。包埋率（%）=微胶囊中胡萝卜素的含量/起始加入胡萝卜素的量×100%；载药量（%）=微胶囊中胡萝卜素的含量/实际得到的微胶囊的量×100%。

1.2.3 微胶囊的性能测试与表征

（1）红外光谱分析。称取溴化钾150 mg 左右，溴化钾与被测物比例为200∶1。然后称取β-环糊精与β-胡萝卜素包埋物、β-环糊精、β-胡萝卜素以及β-环糊精与β-胡萝卜素混合物各1 份，将溴化钾与被测物混合在玛瑙研钵中，研细。放入红外干燥机中干燥2 min。混合均匀后，加入压片机中制成膜片，最后放入Spectrum BXII 傅里叶变换红外光谱仪（美国铂金埃尔默股份有限公司）中对准中心的红点，进行检测。

（2）扫描电镜测试。通过S4800 扫描电子显微镜（日立高新技术公司）进行表征测试，检测喷金样品，得到微胶囊表面形貌的图片[8]。待测试样品：①β-胡萝卜素环糊精微胶囊；②空白微胶囊；③电喷法制得的不同电压（8、8.5、9 kV）下的微胶囊。

（3）热重分析。称取β-胡萝卜素微胶囊8.3 mg 于容器中，放至Diamond DSC 差示扫描量热仪（美国铂金埃尔默股份有限公司）的热天平上，以空白容器为参照，放下热天平的罩子，打开氮气阀开始实验。设置最高温度为400 ℃，以10 ℃每分钟的速度升温，观察测试过程中样品的吸热放热和质量变化，得出曲线图。

2 结果与讨论

2.1 空白β-环糊精微胶囊和β-胡萝卜素β-环糊精微胶囊的制备

图1（a）是制得的空白微胶囊乳液。图1（b）是乳液静置3 min 后的状态，可观测到空白微胶囊沉淀。而实验开始前，β-环糊精能在60 ℃的时候完全溶解在水里，沉淀的出现表明了空白微胶囊的产生。

图2（a）是制得的胡萝卜素β-环糊精微胶囊乳液，成品呈乳白色，乳液上面有一层打出的泡沫。图2（b）是将乳液在冰箱冷藏24 h 后的状态，乳液出现分层，上层为透明的液体，下层很明显看出是包埋物沉淀了，摇晃时有颗粒晃动。

图1 β-环糊精微胶囊溶液

图2 包埋β-胡萝卜素β-环糊精微胶囊乳液

2.2 对干燥后的胡萝卜素β-环糊精微胶囊进行扫描电镜测试

观察制备出的胡萝卜素β-环糊精微胶囊的形态，由图3（a）可以看到胡萝卜素包埋物表现出不规则的粉末形状，放大5 000 倍，可以从图3（b）看到大量胡萝卜素细小的片状颗粒紧紧吸附在大块的环糊精长方体上。

图3 负载胡萝卜素β-环糊精微胶囊SEM 图

2.3 对干燥后的胡萝卜素β-环糊精微胶囊进行红外光谱测试

采用红外光谱法对β-环糊精与β-胡萝卜素包埋物以及β-环糊精与β-胡萝卜素混合物进行测定[9]。如图4，比较混合物和包埋物相，2 918 cm-1处的C－H 峰强减弱。而1 628 cm-1处的峰显著减弱，此峰是胡萝卜中C＝C 的特征峰[10]，环糊精的O-H、C-O 特征峰为3 400、1 200 cm-1，并未发生明显改变，从而证明了胡萝卜素β-环糊精包埋物的存在。

2.4 对干燥后的胡萝卜素β-环糊精微胶囊进行热重分析

由图5 中的热重曲线可见，在290 ℃之前样品很稳定，只有微小的失重，对应的是样品中吸附水的失去。290 ℃之后有一明显的失重阶段，对应着微胶囊的分解。到400 ℃之后，热重曲线趋于平缓，对应的是残留的不易挥发的分解物。从差热曲线中未见到β-胡萝卜素185 ℃熔点峰[11]，说明与β-环糊精形成了包合物。在275～300 ℃有一大的吸热峰，对应着微胶囊失去结构水及分解的过程。在320 ℃之后有一大的放热峰，对应的是碳与氧生成二氧化碳的氧化过程[12]。

图4 β-环糊精与β-胡萝卜素混合物的红外光谱及β-胡萝卜素β-环糊精包埋物的红外光谱

图5 胡萝卜素β-环糊精微胶囊的热重、差热分析

2.5 胡萝卜素β-环糊精微胶囊包埋效果研究

实验中，测定好吸光度，绘出β-胡萝卜素的曲线后，可以得出标准曲线方程为Y=227.21X-234.25，R2=0.996 17，式中X为吸光度，Y为胡萝卜素的浓度（μg·mL-1）。干燥后得到的产品质量为4.726 g。萃取后再脱水除杂，用可见分光光度计测到吸光度A=1.914，代入曲线方程，能够计算出0.2 g 产品内，胡萝卜素有2.1 mg，则微胶囊的载药量为1%，总产品中胡萝卜素含量为0.496 g，算出微胶囊的包埋率为49.26%。由于胡萝卜素不溶于水，即使已经用石油醚溶解了，但是在加入β-环糊精饱和水溶液时，三口烧瓶里面的溶液迅速从白色变成了橘黄色，上面涌现一层泡沫，胡萝卜素此时会迅速析出，漂浮在水溶液的表面，即使经过4 h 不断的搅拌，胡萝卜素和β-环糊精能够接触的机会仍然很少，溶液上层还有未发生反应的胡萝卜素，包埋反应并不完全，因此，微胶囊的包埋率不太理想[13]。

2.6 电喷法制备β-环糊精空白微胶囊

鉴于冷冻干燥法制备获得产物的局限性，初步研究采用电喷技术制备微胶囊。相较于冷冻干燥法，电喷法的工艺操作更简单，制备的粒径均匀[14]。用高压电喷装置制备微胶囊时，电压加到7 kV，针头还没有液滴出现，8 kV 开始才有少量液体流出。喷出液主要呈小液滴状，伴有少量细丝出现，如图6所示。

图6 不同电压下电喷法制备的环糊精微胶囊的SEM 图

图6 （a）、6（c）、6（e）分别是8 kV、8.5 kV、9 kV 电压下放大1 000 倍的空白环糊精微胶囊的形貌图，可观察到微胶囊的形状有别于冷冻干燥法制备的产物，表面更为平整光滑，没有破损，形状被拉长了。这是由于高压电喷的挤压作用变成了细长的立方体，表面光滑平整，呈现比较紧密规则的状态，结构比较稳定。

图6（b）、6（d）、6（f）分别是8 kV，8.5 kV，9 kV 电压下放大5 000 倍的空白环糊精微胶囊的形态，8 kV 电压下的微胶囊表面平整，结构完整；8.5 kV 电压下的微胶囊出现断裂，表面破碎；9 kV 电压下的微胶囊完全破碎，无法看出立体结构。所以8 kV 电压下制备的微胶囊最为完整。相较于冷冻干燥法制备的空白微胶囊，电喷法制备出的微胶囊表面更光滑平整，结构更完整。

冷冻干燥法中β-胡萝卜素与环糊精不能够充分接触而导致的包埋率不理想的问题，电喷技术的同轴电喷法可以有效地解决。水溶性的环糊精与脂溶性的胡萝卜素位于同轴喷头的外层与内层，只在形成微胶囊的瞬间接触，可以有效地解决环糊精和胡萝卜素不互溶而导致包埋率低的问题，提高β-胡萝卜素微胶囊的包埋率和载药量，下一步的实验将会对以上问题进行验证与优化。

进一步结合电喷技术的优势，其在微胶囊制备应用的研究可侧重对β-胡萝卜素微胶囊化的相关参数进行优化，以期得到更好性状和更高含量的微胶囊。选用其他的配比、制备方法、载药性能，优化现有的实验。探索出更多的性能良好、可食用的的壁材，能够较好包埋脂溶性食品添加剂，得到较高的收率和包埋率。尝试多重包埋的方式，例如仿照玉米黄质的三次包埋[15]，解决传统单层包埋的缺陷。

3 结语

对β-胡萝卜素微胶囊化技术的相关方面进行了研究，制备的β-胡萝卜素β-环糊精微胶囊，收率为80.68%、包埋率为49.26%、载药量为1%。冷冻干燥制得的微胶囊表面凹凸不平，呈现不规则的状态，在水中溶解性良好，热稳定性良好。在此研究基础上，初步探索了高压电喷技术在β-胡萝卜素微胶囊化制备中的应用，研究发现对不同电压下高压电喷出的微胶囊进行比较，8 kV 下制备的微胶囊结构最好。高压静电喷雾技术制备的微胶囊表面光滑平整，呈现比较紧密规则的状态，结构比较稳定。