丁酸钠微胶囊的制备工艺优化、表征及抑菌特性分析_孙辉.pdf

现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.6 154 丁酸钠微胶囊的制备工艺优化、表征及抑菌特性分析 孙辉，范俐，杜仲达，杨浩林，汤小玉（武夷学院茶与食品学院，福建武夷山 354300）摘要：为提高丁酸钠的包埋率和抑菌特性，通过复凝聚法制备海藻酸钠/壳聚糖包埋丁酸钠的微胶囊，运用响应面法优化关键工艺参数，并探究其外观形态、结构特性和抑菌性能。结果表明：丁酸钠微胶囊的最优制备配方参数为海藻酸钠 3.0%（m/m），壳聚糖1.75%（m/m），丁酸钠 2.5%（m/m），氯化钙 3.0%（m/m），包埋时间3 h，包埋率为95.12%，且回归模型具有极显著差异（P0.000 1），失拟项不具备显著差异（P=0.35），模型拟合度较好（R2=0.98）；扫描电镜发现丁酸钠微胶囊外观呈带凸起的纺锤形；傅里叶变换红外光谱分析发现丁酸钠特征峰全部削弱甚至消失表明海藻酸钠和壳聚糖形成微胶囊。丁酸钠微胶囊对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌率分别比丁酸钠升高28.82%和25.25%，且丁酸钠微胶囊（质量浓度：2.0 g/L）对两种致病菌干预24 h 后，其总抑菌率均高于99%。说明此优化工艺制备的丁酸钠微胶囊包埋率高、颗粒紧实牢固，具有较好的抑菌性能，能够为丁酸类绿色抗生素替代品的开发提供理论支撑。关键词：丁酸钠；复合凝聚法；响应面优化；微胶囊；抑菌性 文章编号：1673-9078(2023)06-154-161 DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2023.6.0771 Preparation Process Optimization,Characterization and Antimicrobial Properties of Sodium Butyrate Microcapsules SUN Hui,FAN Li*,DU Zhongda,YANG Haolin,TANG Xiaoyu(College of Tea and Food Science,Wuyi University,Wuyishan 354300,China)Abstract:In order to improve the encapsulation rate and antimicrobial properties of sodium butyrate,sodium alginate/chitosan microcapsules of sodium butyrate were prepared by the complex coacervation method,and the key process parameters were optimized by response surface methodology.The appearance,morphology,structural features and antimicrobial properties of the optimized butyrate microcapsuleswere also analyzed.The results showed that the optimal formulation parameters of butyrate microcapsules with an embedding rate of 95.12%were sodium alginate 3.0%(m/m),chitosan 1.75%(m/m),sodium butyrate 2.5%(m/m),calcium chloride 3.0%(m/m),and embedding time 3 h.The obtained regression model was highly significant(P0.000 1),with the lack of fit beingin significant(P=0.35),and the model fit being very good(R2=0.98).Scanning electron microscopy(SEM)showed that the sodium butyrate microcapsules were spindle-shaped with nodules.Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR)analysis showed that the characteristic peaks of sodium butyrate were all weakened or even disappeared,indicating that sodium alginate and chitosan formed microcapsules.The antibacterial rates of the sodium butyrate microcapsules against S.aureus and E.coli increased by 28.82%and 25.25%,respectively,compared with those of the sodium butyrate.After 24 h of intervention with sodium butyrate microcapsules(mass concentration:2.0 g/L)against both bacteria,the total inhibition rate were higher than 99%.These results indicate that the sodium butyrate microcapsules prepared by the optimized process had a high embedding rate,compact and firm particles,and good antibacterial properties,which can provide a theoretical support for development of butyric acid-derived green antibiotic substitutes.Key words:butyrate;complex coacervation;response surface methodology;microcapsules;antibacterial activity 引文格式：孙辉,范俐,杜仲达,等.丁酸钠微胶囊的制备工艺优化、表征及抑菌特性分析J.现代食品科技,2023,39(6):154-161.SUN Hui,FAN Li,DU Zhongda,et al.Preparation process optimization,characterization and antimicrobial properties of sodium butyrate microcapsules J.Modern Food Science and Technology,2023,39(6):154-161.收稿日期：2022-06-20 基金项目：福建省科技厅自然科学基金项目（2020J05215）；高层次引进人才项目（YJ202004）作者简介：孙辉（1986-），女，博士，副教授，研究方向：食品化学与营养，E-mail：sun_hui_ 通讯作者：范俐（1970-)，男，硕士，副教授，研究方向：食品生物化学，E-mail： 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.6 155 丁酸钠是重要的功能性短链脂肪酸盐，在动物营养、食品营养、生物医药等领域常作为酸味剂和能量 调节剂使用1。相关研究证明，丁酸钠的有效成分丁酸具有脂水两溶和穿透性强的特点，能够促进畜禽类动物肠上皮吸收，平衡胞内 pH 和微生态等2-4。但由于丁酸钠有酸臭味、易挥发、口味差、易潮解和易被胃吸收5等问题限制了它的应用范围。另外，丁酸钠在存储和加工过程中易受到环境影响发生降解，而微胶囊包埋的丁酸钠则更稳定6，且无不良气味和刺激性，利于强化其抗生抑菌功效7。赵鹏宽等8采用喷雾干燥技术筛选合适丁酸钠的微胶囊颗粒包被材料和工艺参数；刘金松等9利用分步聚合法制备了肠溶性丁酸钠微胶囊；Shi 等10采用植物脂肪作为包膜主材料，利用自主研发的智能微胶囊包膜技术（IM 技术）对丁酸钠进行双层包膜处理，得到粒径均匀和包封率较高的包膜短链脂肪酸产品。可见目前市面上的微胶囊丁酸钠具有良好的功能稳定性，但存在包材食用安全性偏低和包埋效率不足的问题9。因此，利用微胶囊新技术提高丁酸钠的包埋率具有重要的现实意义。微胶囊技术作为新兴的固定化方法，具有缓释、掩味、隔离活性成分和改良物质理化性质等特点，常被广泛应用在生物制药、食品工业和农牧业等多个领域11。目前常用的工业化微胶囊制备方法有喷雾干燥法和化学交联法，其中喷雾干燥是简廉高效的物理法，但存在损耗大以及产品易褐变吸潮等问题12；交联法是一种加强物质性能稳定的化学法，但生物大分子原料的低生物相容性则限制其使用范围13；而复凝聚法是通过改变 pH 值使得异种电荷的水溶性高分子溶液形成的电解质复合物解离，从而分散在芯材周围沉积而形成微胶囊。该物化方法简便廉效、包封率高且具有良好的缓释性能。利用复凝聚技术制备微胶囊，保证包埋效率的关键是相反电荷的高分子材料和包埋物质间比例。壳聚糖是一种天然阳性多糖，其分子结构含大量带正电荷的伯氨基，而海藻酸钠是含有大量羧基的阴离子多糖材料，壳聚糖和海藻酸钠组合能够通过静电作用形成聚电解质膜，且水溶性好、利于基团堆积和结构修饰，适用于制备脂水两溶性物质的微胶囊14,15。因此，针对丁酸高效利用的剂型局限性16这一难题，本研究拟采用复凝聚微胶囊技术提升丁酸钠的包埋率，提升丁酸对条件致病菌的抑制效力，保证丁酸钠的绿色抗生替代功效。囊材选用海藻酸钠、壳聚糖为主的植物源生物大分子材料，通过响应面法探索双层复凝聚法制备最高包埋率丁酸钠微胶囊的优化条件，并对其结构和体外抑菌活性进行表征测定。有望为丁酸钠的高值化利用和绿色代抗产品的开发提供理论依据和技术支撑。1 材料与方法 1.1 材料与设备 1.1.1 实验试剂 丁酸钠购于西格玛奥德里奇公司；壳聚糖、海藻酸钠均为分析纯购于源叶生物科技有限公司；盐酸、碳酸钠、氯化钙、磷酸二氢钾、无水乙醇、氢氧化钠均为分析纯购于国药集团化学试剂有限公司。1.1.2 菌种和培养基 病 原 菌：金 黄 色 葡 萄 糖 球 菌 ATCC6538（Staphylococcus aureus）、大肠杆菌 ATCC25922（Escherichia coli）由武夷学院微生物实验室提供；营养肉汤（NB）、琼脂（NA）购于上海麦克林生化科技有限公司。1.1.3 仪器设备 BSA224S 型分析天平，赛多利斯仪器有限公司；IKA RCT 型磁力搅拌器，广州艾卡仪器设备有限公司；H-1 型微型漩涡混合器，上海精科实业有限公司；DELTA 320 型精密 pH 计，上海雷磁有限公司；SDTQ600 型同步热分析仪，美国 TA 公司；Antaris II 型傅立叶红外光谱，美国赛默飞公司；VEGA3 SBH扫描电镜，瑞士泰思肯公司。1.2 试验方法 1.2.1 丁酸钠微胶囊的制备工艺 将一定量的海藻酸钠完全溶解于热的磷酸缓冲液（pH 值 3.0）中，自然降温至 25 后加入适量丁酸钠；在混合液中以 2 mL/min 速度滴入氯化钙溶液，观察到液滴迅速凝聚成均匀颗粒胶后，完全反应后将混合溶液置于 4 冰箱 12 h 使其硬化，将颗粒胶反复过滤清洗 5 次后，过滤至壳聚糖溶液中复膜 15 min，再次将颗粒胶过滤和清洗 2 次，