基于Pickering乳液模板法制备的芝麻素微胶囊性能表征.pdf

Food Science And Technology And Economy粮食科技与经济2023 年6月第48卷 第3期Jun.2023Vol.48,No.3 芝麻素是一种主要存在于芝麻籽中的全天然成分，具有抗癌1、保护神经系统2、改善抑郁和记忆丧失3、降低高血压和改善内皮功能障碍4、调节肠道菌群5等功能。但芝麻素不易储存，使其应用受到限制。微胶囊技术使用高分子材料通过成膜或成囊技术将气体、固体或者液体包裹起来，形成具有壳层结构的微小颗粒6。近年来，运用 Pickering 乳液为模板来制备微胶囊受到极大的关注。Pickering 乳液因其吸附在水/油界面的固体粒子的不可逆性而展示出非常优秀的稳定乳滴的能力，因而 Pickering 乳液模板法是一种卓越的能稳定芯材的微胶囊制备方法7。本实验采用 Pickering 乳液模板法制备芝麻素微胶囊，通过荧光显微表征、红外光谱分析、热稳定性测定、贮存稳定性测定以及生物安全性分析来系统评估芝麻素微胶囊的形态、结构及安全性，以期为芝麻素微胶囊作为食品功能因子在功能食品领域的应用提供依据。1 材料与方法1.1 材料与试剂芝麻素：上海如吉生物科技发展有限公司；凹凸棒：灵寿县华耀矿产品加工厂；大豆分离蛋白、尼罗红试剂：北京索莱宝科技有限公司；壳聚糖盐基于 Pickering 乳液模板法制备的芝麻素微胶囊性能表征邓 瑜，孔令艳，薛 梅，雷 红（南京财经大学 食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210023）摘要：为提高芝麻素的稳定性及利用度，拓展其在功能食品领域的应用范围。以酸改性凹凸棒为固体乳化剂，大豆分离蛋白和壳聚糖盐酸盐为壁材，通过 Pickering 乳液模板法制备了芝麻素微胶囊。通过荧光显微、红外光谱、热重、差示热量扫描和生物安全实验对芝麻素微胶囊的形态、组成结构、热稳定性和生物安全性进行评估。结果表明，芝麻素微胶囊颗粒分散性良好，大小均一，其为稳定的蛋白多糖静电结构，具有良好的热稳定性和生物安全性。关键词：芝麻素；Pickering 乳液；微胶囊；性能表征；生物安全性中图分类号：TS229 文献标志码：A DOI：10.16465/431252ts.20230324收稿日期：2022-11-05基金项目：国家自然科学基金面上项目(31872899)；江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。作者简介：邓瑜，女，硕士研究生，研究方向为食品功能因子。通信作者：雷红，女，博士，教授，研究方向为食品功能因子。Characterization of sesamin microcapsules prepared by Pickering emulsion template methodDeng Yu,Kong Lingyan,Xue Mei,Lei Hong（College of Food Science and Engineering,Nanjing University of Finance and Economics/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety,Nanjing,Jiangsu 210023）Abstract:In order to improve the stability and availability of sesamin and expand its application in the field of functional food.Sesamin microcapsules were prepared by Pickering emulsion template method using acid modified attapulgite as solid emulsifier,soybean protein isolate and chitosan hydrochloride as wall material.The morphology,composition,thermal stability and biosafety of sesamin microcapsules were evaluated by fluorescence microscopy,infrared spectroscopy,thermogravimetric scanning,differential thermal scanning and biosafety experiments.The results showed that sesamin microcapsules had good dispersion and uniform size,stable proteoglycan electrostatic structure,and had good thermal stability and biosafety.Key words:sesamin,Pickering emulsion,microcapsules,performance characterization,biological safety109Vol.48,No.3 Jun.2023 Food Science And Technology And Economy粮食科技与经济酸盐：东菀市鑫恒食品原料有限公司；大豆油：嘉里粮油有限公司；无水乙醇（分析纯）、丙酮（分析纯）：南京慧杰诚生物科技有限公司。实验动物：斑马鱼，南京一树梨花生物科技有限公司。1.2 仪器与设备SHA-B 型水浴振荡器：金坛市荣华仪器制造有限公司；RCD-1A 型高速均质乳化机：常州越新仪器制造有限公司；HJ-5A 型数显多功能加热搅拌器：常州国宇仪器制造有限公司；PHS-25 型数显 pH 计：上海精密科学仪器有限公司；1500F 型超声波分散仪：宁波新芝生物科技有限公司；Millipore-Q 型纯水仪：美国 Millipore 公司；Zeiss Axio Scope A1 型 显 微 镜：德 国 Carl Zeiss 公司；BUCHI B-290 小型喷雾干燥仪：瑞士 Buchi 公司；PE 型同步热重/差热分析仪：美国 Perkin-Elmer 公司；TENSOR 27 型傅里叶变换红外光谱仪：德国 Bruker 公司；Agilent 1260型液相色谱仪：美国安捷伦科技公司。1.3 实验方法1.3.1 芝麻素微胶囊的制备工艺准确称取 1.5 g 酸改性凹凸棒颗粒8分散在溶解了 2.0 g 大豆分离蛋白的溶液中，在室温下通过超声使其分散均匀，调节 pH 为 6.0，形成水相；将 2 mL 大豆油和 25 mg 芝麻素混合组成油相加到水相中，12 000 r/min 高速均质 5 min，形成Pickering 乳液。将 Pickering 乳液滴加到装有 2.0 g壳聚糖盐酸盐溶液的烧杯中，调节溶液 pH 为 5.0，水浴 55 加热搅拌 3 h，形成芝麻素微胶囊溶液，通过喷雾干燥（进风温 180）得到微胶囊粉末。1.3.2 芝麻素微胶囊基本理化性质测定密度：称取一定质量的微胶囊，将其放入具塞量筒中测量体积，密度即为质量与体积的比值；水分含量：采用直接干燥法9，将微胶囊粉末放入105 烘箱中干燥 12 h；溶解度：称取微胶囊粉末溶解于温水中，反复搅拌后 3 000 r/min 离心 10 min，过滤，沉淀物干燥并称重，前后质量差即为溶解度10；流动性：将 5 g 微胶囊粉末自然堆积在平面上，测量粉堆高度以及粉堆半径计算粉堆的休止角大小，休止角越小表明流动性越好11。1.3.3 荧光显微分析准确称取尼罗红 2 mg 溶于 10 mL 丙酮中配成0.02 g/100 mL 储备液。滴加 2 L 尼罗红试剂对芝麻素微胶囊悬浮液进行荧光标记，3 min 后在荧光显微镜下（400）观察。1.3.4 红外光谱分析取少量大豆蛋白、酸改性凹凸棒、壳聚糖盐酸盐、大豆油、芝麻素和芝麻素微胶囊粉末放入样品池进行测定。测定光谱范围 4 000 400 cm-1，扫描次数 64，分辨率 4 cm-1。1.3.5 热重分析称取 5 mg 的芝麻素微胶囊于热重分析仪铝盒中，其升温范围 50600，升温速率 10/min，氮气流速 30 mL/min。1.3.6 差示量热扫描分析用差示扫描量热仪测定微胶囊产品的玻璃态转化温度（Tg），取 2 mg（精确到 0.1 mg）芝麻素微胶囊于铝盒中，扫描温度-20 220，扫描速度 10 /min。1.3.7 芝麻素微胶囊贮存稳定性将微胶囊样品置于 25 干燥皿中储藏 30 d，每5 d 测一次芝麻素微胶囊芝麻素的保留率。采用高效液相色谱法测定芝麻素保留率。将芝麻素微胶囊粉末碾碎后溶解于无水乙醇中，6 000 r/min 离心5 min，用过滤的上清液分析芝麻素含量12。芝麻素保留率即为残留芝麻素与最初微胶囊芝麻素含量的比值。1.3.8 芝麻素微胶囊生物安全性分析以斑马鱼为生物模型测定芝麻素微胶囊生物安全性，参照 GB/T 132671991 的试验条件，配制芝麻素微胶囊质量浓度为 100 mg/L 的溶液。设置实验组和空白对照组，实验历时 96 h。采集斑马鱼肠道、脑部、肝组织用 0.01 mol/L PBS 溶液灭菌后置于 4%的多聚甲醛中保存，经封片处理后置于显微镜下，观测斑马鱼组织形态。1.4 数据处理每组实验进行 3 次平行，应用 Origin 2019b软件对数据进行分析处理，结果以平均值 标准差表示。2 结果与分析2.1 芝麻素微胶囊的基本理化性质如表 1 所示，芝麻素微胶囊密度较小，含水量较小，说明其得到了充分的干燥，在一般环境中不表 1 芝麻素微胶囊理化指标理化指标单位结果密度g/cm3 0.4480.028含水量%3.3830.124溶解度%90.2730.203休止角（）14.7870.387110Vol.48,No.3 Jun.2023 Food Science And Technology And Economy粮食科技与经济易变质。芝麻素微胶囊的水溶解度较为理想，且流动性较好，可方便用于食品加工。2.2 荧光显微分析芝麻素微胶囊在荧光显微镜的表观形态如图 1所示，油脂经尼罗红染色后在荧光显微镜下会显色，证明了大豆油作为微胶囊的芯材载体被壁材包埋在微胶囊内部，且微胶囊颗粒之间分散性良好，大小较为均一。图 1 芝麻素微胶囊荧光显微图（400）2.3 红外光谱分析如图 2 所示，参考红外各基团特征峰对照表，酸改性凹凸棒颗粒在 511.31 cm-1处是钙离子的特征峰，在 996.37 cm-1处出现的峰与磷酸根离子的伸缩振动有关；大豆分离蛋白在 1 479.34 cm-1处出现的特征峰与苯环骨架的伸缩振动有关，在1 593.26 cm-1处出现的特征峰与CN 的伸缩振动有关；大豆油在 1 110.25 cm-1处是醇的特征峰，在 1 735.92 cm-1处的强峰是由脂肪醛的伸缩振动引起的，在 2 809.87、2 873.53 cm-1处的峰是由CH3的伸缩振动引起的；壳聚糖盐酸盐在 982.33、1 095.71 cm-1处的特征峰与 CH 的面外弯曲振动有关；芝麻素在 726.78 1 046.73 cm-1处的峰与 CH 面外弯曲振动区有关，主要是苯环二取代引起的特征峰，在 1 124.37 1 445.00 cm-1处是烷基的特征峰，在 3 080.11 cm-1处是苯环上质子CH 的伸缩振动峰。芝麻素微胶囊的红外图谱显示，微胶囊具有和芝麻素、大豆油相同的吸收特征峰，表明大豆油和芝麻素的结构并未发生改变，因此微胶囊技术能够保护食品功能因子。大豆分离蛋白在 1 479.34、1 593.26 cm-1的峰明显减弱且发生了偏移，证明大豆分离蛋白羧基COO-带负电基团与壳聚糖盐酸盐的带正电基团NH3+发生静电反应。综上所述，芝麻素和大豆油的结构并未发生改变，而大豆分离蛋白与壳聚糖盐酸盐发生了静电反应，形成了稳定的蛋白多糖静电结构，所以基于Pickering 乳液模板法制备微胶囊的反应过程属于物理反应过程。2.4 热重分析如图 3 所示，芝麻素微胶囊在 59.2 开始产生质量损失，质量变化程度较少。升温至 262.0 时，质量损失开始加速，这个过程中微胶囊结构在高温作用下被破坏，壁材破裂分解，芯材被释放出来。温度为 382.1 438.2 时，质量变化程度较快，微胶囊结构经前面高温分解后各组分在高温下进一步碳化。升温至 550 之后，微胶囊质量变化逐渐平稳，最终残留质量为37.13%。整个升温过程，芝麻素微胶囊经历了 3 次不同的质量损失，表明微胶囊的结构能够在一定程度上保护芯材组分。温度/质量/g图 3 芝麻素微胶囊热重分析图2.5 差示量热扫描分析由图 4 可知，芝麻素微胶囊的玻璃态转化温度温度/热流率/（W g-1）图 4 芝麻素微胶囊 DSC 分析图图 2 红外光谱图波数/cm-1透射率/%500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 4 000111Vol.48,No.3 Jun.2023 Food Science And Technology And Economy粮食科技与经济为 50.24，表明微胶囊在室温下能够维持稳定的玻璃态。在稳定的玻璃态下，微胶囊的分子结构较为紧密，能有效地保护芯材。2.6 芝麻素微胶囊贮存稳定性如图 5 所示，芝麻素微胶囊在 25 干燥皿中贮存 30 d 后，芝麻素保留率仍在 90%以上，说明芝麻素微胶囊在日常干燥环境中具有良好的稳定性。图 5 贮存过程中芝麻素保留率时间/d芝麻素保留率/%2.7 芝麻素微胶囊生物安全性由图 6 可知，微胶囊组斑马鱼的脑部、肝部较为健康，组织上并未受到毒性损害，与空白对照组的状态较为接近；微胶囊组斑马鱼的肠道屏障依然图 6 斑马鱼病理切片图完整，芝麻素微胶囊的功能分子材料并未对斑马鱼本身造成明显影响。说明芝麻素微胶囊具有生物安全性，可保证其应用在食品领域的合理性。3 结 论本研究结果表明：基于 Pickering 乳液模板法制备的芝麻素微胶囊干燥性和流动性良好，将芯材完整包埋，且分散性良好大小均一，其组成为蛋白多糖静电结合作用的结果。芝麻素微胶囊具有良好的热稳定性，在高温环境下对芯材有一定的保护作用，其玻璃态转化温度为 50.24，能保证微胶囊在室温环境下的贮存稳定性。芝麻素微胶囊具有生物安全性，可以应用于功能食品领域。参 考 文 献1 MAJDALAWIEH A F,MASSRI M,NASRALLAH G K.A com-prehensive review on the anti-cancer properties and mechanisms of action of sesamin,a lignan in sesame seeds(Sesamum indicum)J.European Journal of Pharmacology,2017,815:512-521.2 SASIMOL U,CHAYANUT K,PERAPHAN P,et al.Sesamin suppresses LPS-induced microglial activation via regulation of TLR4 expressionJ.Journal of Functional Foods,2018,49:32-43.3 ZHAO Y H,WANG Q X,JIA M Z,et al.(+)-Sesamin attenuates chronic unpredictable mild stress-induced depressive-like behav-iors and memory deficits via suppression of neuroinflammationJ.Journal of Nutritional Biochemistry,2018,64:61-71.4 KONG X,YANG J R,GUO L Q,et al.Sesamin improves en-dothelial dysfunction in renovascular hypertensive rats fed with a high-fat,high-sucrose dietJ.European journal of pharmacology,2009,620(1/2/3):84-89.5 WANG M X,LIU P,KONG L Y,et al.Promotive effects of sesamin on proliferation and adhesion of intestinal probiotics and its mechanism of actionJ.Food and Chemical Toxicology,2021,149:112049.6 GRAY A,EGAN S,BAKALIS S,et al.Determination of micro-capsule physicochemical,structural,and mechanical propertiesJ.Particuology,2016,24(1):32-43.7 陈敏杰.三种植物精油微胶囊的制备及其性能研究 D.广州:华南农业大学,2016.8 张丽霞.改性凹凸棒土固载磷钨酸（盐）及其催化酯化研究D.无锡:江南大学,2010.9 徐娜.基于 Pickering 乳液模板法的姜精油微胶囊的性能表征及其肠道菌群调节作用 D.南京:南京财经大学,2021.10 HERMANTO R F,KHASANAH L U,ATMAKA W,et al.Physical characteristics of cinnamon oil microcapsuleJ.IOP Conference Series:Materials Science and Engineering,2016,107(1):012064.11 刘安然.油茶籽油的微胶囊化及其贮藏性、体外缓释动力学研究 D.长沙:湖南农业大学,2015.12 KANHA N,REGENSTEIN J M,SURAWANG S,et al.Proper-ties and kinetics of the in vitro release of anthocyanin-rich micro-capsules produced through spray and freeze-drying complex coa-cervated double emulsionsJ.Food Chemistry,2020,340:127950.