半乳甘露聚糖改性蛋白微胶囊壁材的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种半乳甘露聚糖改性蛋白微胶囊壁材的制备方法及其应用，属于食品添加剂微胶囊技术领域。

背景技术：

辣椒红色素是一种从辣椒中提取出来的天然色素，主要成分是辣椒红素和辣椒玉红素。由于其良好的着色性，色彩鲜艳，广泛用于各种食品添加。辣椒红色素不会对人体造成副作用，并且具有营养保健、防辐射等特殊功效，已经被美国faq、英国、who及中国认定为无限制使用的天然食品添加剂，在医药、食品、化妆品、饲料等行业广泛应用。

但是辣椒红色素是一种油溶性的物质，不溶于水，在食品加工过程中较难与其他物质均匀混合。在高温、强光照、cu2+、fe2+等条件下，辣椒红色素也不如其他人工色素稳定性好。而微胶囊技术是把少量物质包裹在聚合物薄膜中的技术，现在微胶囊技术已经广泛应用于药物、食品研发中。微胶囊技术有着极大的优越性：一、微胶囊技术可以改变芯材的状态，将液体的芯材粉末化，便于储存和运输；二、有效地降低外界环境对芯材的影响，延长芯材的活性，维持芯材的稳定性，延长产品架货期；三、可以根据实际的需求，人为地释放芯材。由于微胶囊技术的这些优点，已使之成为21世纪重点研发的新兴技术，特别是香精香料和油溶性物质研究最为广泛。通过微胶囊技术可以将液体状的辣椒红色素变成水溶性的粉末，大大提高辣椒红色素的应用范围。

应用美拉德反应，不添加任何化学试剂，在控制的条件下，使蛋白质的分子中氨基酸侧链的自由氨基与多糖的还原性羰基末端反应得到共价复合物。从现在已知的文献来看，蛋白质和多糖进行美拉德反应主要有两种方法，湿法接枝和干法接枝。kato首次提出了用干法制备蛋白－多糖复合物，发现其产物具有更好的乳化性及乳化稳定性。本发明是使用酪蛋白、大豆分离蛋白分别与半乳甘露聚糖进行美拉德反应，以提高酪蛋白和大豆分离蛋白的溶解性、乳化活性及乳化稳定性。酪蛋白自身很容易在水中形成胶束，这是因为酪蛋白自身的疏水性，所以，在酪蛋白上接枝多糖是很有必要的，这样可以增加它的亲水性，并形成前述的聚电解质络合物胶束的壳。大豆分离蛋白本身就具有一定的乳化性，但是为了提高它的溶解性，所以接枝多糖是一个很好的选择。

并以半乳甘露聚糖与酪蛋白和大豆分离蛋白进行美拉德反应后的产物，通过喷雾干燥来包埋辣椒红色素，制成辣椒红色素微胶囊。这种微胶囊粉末不仅方便运输储存，而且能够让不溶于水的辣椒红色素能够溶于水中，使其在食品应用中能够更好地与其他基材混合在一起，到更好的着色效果。而且辣椒红色素微胶囊能够避免辣椒红色素被外界的光热所破坏，保持辣椒红色素的活性。并且整个过程条件温和，且使用的壁材都是安全可食用的材料，没有造成化学污染，可达到让消费者更加放心、高效使用辣椒红色素的目的。

技术实现要素：

本发明提供了一种半乳甘露聚糖改性蛋白微胶囊壁材的制备方法及其应用具体设计以酪蛋白、大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖为原料，采用干法美拉德反应，将酪蛋白、大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖进行接枝反应，在将蛋白多糖共聚物通过喷雾干燥技术包埋辣椒红素，可更广泛的应用于食品药品领域。

本发明采用的技术方案如下：一种半乳甘露聚糖改性蛋白的制备方法，包括下述步骤：

半乳甘露聚糖改性蛋白的制备：将酪蛋白/大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖以一定的质量比溶于0.2mol/l的磷酸缓冲溶液中。置于磁力搅拌上，不断搅拌直至溶解(或呈现均匀状态)。冷冻干燥48h。将冷冻干燥后的样品磨细，得到干粉。取适量干粉，置于装有饱和溴化钾溶液的干燥器内放入真空恒温干燥箱中反应22-26小时，温度为45-75℃。

步骤中大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖的摩尔比1-2:1，优选为1:2，酪蛋白与半乳甘露聚糖的摩尔比3-1：1-3，优选1:1。

步骤中磷酸盐缓冲液的ph为3-11，大豆分离蛋白改性优选为7，酪蛋白改性优选为8，制备成蛋白均匀溶液的浓度为1％。

步骤中反应容器中的相对湿度为40％-80％，优选为79％。

半乳甘露聚糖改性蛋白的制备方法可以用于食品添加剂胶囊化中。

半乳甘露聚糖改性蛋白的制备方法在辣椒红素胶囊化中的应用，包括下述步骤：

(1)半乳甘露聚糖改性蛋白的制备：将酪蛋白/大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖以一定的质量比溶于0.2mol/l的磷酸缓冲溶液中。置于磁力搅拌上，不断搅拌直至溶解(或呈现均匀状态)。冷冻干燥48h。将冷冻干燥后的样品磨细，得到干粉。取适量干粉，置于装有饱和溴化钾溶液的干燥器内放入真空恒温干燥箱中反应22-26小时，温度为45-75℃。

(2)将制备好的美拉德反应产物溶于蒸馏水中，充分搅拌，使其溶解20min；在辣椒红色素中加入少量单硬脂酸甘油酯，充分混合。将壁材溶液倒入芯材溶液中，搅拌均匀，形成最初的乳状液。乳状液中，壁材/芯材为1:1，总固体浓度为4％(w/v)。将初乳液在10000r/min下剪切10min，形成均匀地乳状液，再将乳状液进行喷雾干燥，最后在喷雾干燥的收集瓶中收集粉末即为辣椒红色素微胶囊。

本发明的有益效果：通过美拉德反应在酪蛋白和大豆分离蛋白上接枝上半乳甘露聚糖，得到一种性能更加优良的微胶囊壁材。采用的喷雾干燥技术，可将辣椒红色素包裹在一个封闭的环境中，能够有效的延长产品的架货期并可以更加放心地应用于食品药品领域。半乳甘露聚糖本身具有较好的乳化性能，与蛋白反应后可以明显提高蛋白的乳化性。并且半乳甘露聚糖是一种天然的多糖，具有很多种生理功能，这样的多糖应用在食品中可以增加食品的营养价值和保健功能。所以用半乳甘露聚糖与酪蛋白和大豆分离蛋白进行美拉德反应得到的壁材具有广阔的研究价值。

附图说明

图1是缓冲溶液的ph值对接枝度的影响，a.大豆分离蛋白，b.酪蛋白；

图2是底物配比对接枝度的影响，a.大豆分离蛋白，b.酪蛋白；

图3是蛋白浓度对接枝度的影响，a.大豆分离蛋白，b.酪蛋白；

图4是反应时间对接枝度的影响及褐变程度的测定；a.大豆分离蛋白的接枝度与时间的关系，b.酪蛋白的接枝度与时间的关系，c.大豆分离蛋白的褐变程度与时间的关系，d.酪蛋白的褐变程度与时间的关系。

图5是不同反应时间共聚物与蛋白的溶解度变化；

图6是接枝物以及原料的红外谱图分析；

图7是大豆分离蛋白和酪蛋白及其接枝物的热重分析；

图8是zeta电位随溶液ph的变化情况；

图9是壁材/芯材比例与包埋率的关系，a是大豆分离蛋白，b是酪蛋白；

图10是进风温度对包埋率的影响，a是大豆分离蛋白，b是酪蛋白；

图11是辣椒红色素微胶囊的热重分析情况。

具体实施方法

实施例1

本实施例中蛋白-多糖美拉德反应，半乳甘露聚糖改性蛋白的制备包括以下步骤：

将酪蛋白/大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖以一定的质量比(1:2)溶于0.2mol/lph＝7的磷酸缓冲溶液中。置于磁力搅拌上，不断搅拌直至溶解(或呈现均匀状态)，蛋白的终浓度为1％。冷冻干燥48h。将冷冻干燥后的样品磨细，得到干粉。取适量干粉，置于装有饱和溴化钾溶液(相对湿度为79％)的干燥器内放入真空恒温干燥箱中反应24h，温度为60℃。

实施例2

本实施例中辣椒红色素微胶囊的制备方法，包括以下步骤：

(1)将酪蛋白/大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖以一定的质量比(1:2)溶于0.2mol/lph＝7的磷酸缓冲溶液中。置于磁力搅拌上，不断搅拌直至溶解(或呈现均匀状态)，蛋白的终浓度为1％。冷冻干燥48h。将冷冻干燥后的样品磨细，得到干粉。取适量干粉，置于装有饱和溴化钾溶液(相对湿度为79％)的干燥器内放入真空恒温干燥箱中反应24h，温度为60℃。

(2)将制备好的美拉德反应产物溶于蒸馏水中，充分搅拌，使其溶解20min；在辣椒红色素中加入少量单硬脂酸甘油酯，充分混合。将壁材溶液倒入芯材溶液中，搅拌均匀，形成最初的乳状液。乳状液中，壁材/芯材为1:1，总固体浓度为4％(w/v)。将初乳液在10000r/min下剪切10min，形成均匀地乳状液，再将乳状液进行喷雾干燥，最后在喷雾干燥的收集瓶中收集粉末即为辣椒红色素微胶囊。

1.蛋白-多糖干热改性中的影响因素

1.1缓冲溶液的ph值对接枝度的影响

反应温度控制在60℃，大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖的摩尔比为1:2，酪蛋白与半乳甘露聚糖的摩尔比为1:1，反应时间24h，相对湿度均为79％。缓冲溶液ph对接枝度的影响如图1所示

1.2底物配比对接枝度的影响

反应温度控制在60℃，大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖的ph值为7，酪蛋白与半乳甘露聚糖的ph值为8，反应时间24h，相对湿度均为79％。底物配比对接枝度的影响如图2所示

1.3蛋白浓度对接枝度的影响

选取不同蛋白浓度(0.2％，0.4％，0.6％，0.8％，1.0％，1.2％，1.4％)的反应产物，检测其接枝度，结果如图3所示。

1.4反应温度对接枝度的影响

选取不同温度(45℃,60℃,75℃)的产物检测其接枝度及褐变程度，结果如下表1。

表1.反应温度与接枝度的关系

1.5相对湿度对接枝度的影响

通过不同饱和盐溶液来控制不同的相对湿度，将蛋白多糖混合物分别置于不同相对湿度(40％，65％，79％)干燥器中，反应温度控制在60℃，反应时间均控制在24h；大豆分离蛋白与半乳甘露聚糖配比1:2，ph值为7；酪蛋白与半乳甘露聚糖配比为1:1，ph值为8.相对湿度对接枝度的影响如表2所示

表2.相对湿度与接枝度的关系

1.6反应时间对接枝度的影响及褐变程度的测定

选取不同时间(6℃，12℃，18℃，24℃，30℃，36℃，48℃)的产物检测其接枝度及褐变程度，结果如图4。

有图1-4及表1-2可以得出，半乳甘露聚糖改性蛋白的最佳制备条件，最佳条件见表3。

表3.半乳甘露聚糖改性蛋白的最佳制备条件

2.半乳甘露聚糖改性蛋白的表征

2.1美拉德反应产物溶解性分析

准确称取一定量不同反应时间(0h、6h、12h、24h、36h、48h)的美拉德反应产物溶解在蒸馏水中，在室温中搅拌1h，10000r/min离心10min，取上层清夜，用考马斯亮蓝法测定上清液中的蛋白含量，标准曲线为y＝0.580x+0.01930。以蛋白质在相对湿度为79％，温度为60℃的反应器中反应0h、6h、12h、24h、36h、48h作为对比组。美拉德反应共聚物与单独单笔在不同反应时间溶解度的变化结果如图5。

2.2反应产物红外光谱分析

采用kbr压片法进行红外测定。取少量样品与kbr混合后在研钵中充分研磨后，压成薄片，在红外光谱仪上进行红外光谱测定，测定分辨率为4cm-1，波数4000cm-1～400cm-1，扫描次数为32次。美拉德反应共聚物和单糖、单蛋白的红外光谱分析情况，如图6所示。

2.3大豆分离蛋白和酪蛋白及其接枝物相关的热重分析

取适量美拉德反应产物及母体蛋白、半乳甘露聚糖，利用同步热分析仪进行热重分析。分析条件：起止温度：25℃-600℃，升温程序：20℃/min。载气：n2；载气流量：20ml/min。大豆分离蛋白和酪蛋白及其接枝物相关的热重分析情况，如图7所示。

2.4zeta电位随溶液ph的变化情况

共聚物和蛋白的zeta电位随溶液ph的变化情况，如图8所示。

3辣椒红色素微胶囊的制备

3.1喷雾干燥法制备辣椒红色素微胶囊

将制备好的美拉德反应产物溶于蒸馏水中，充分搅拌，使其溶解20min；在辣椒红色素中加入少量单硬脂酸甘油酯，充分混合。将壁材溶液倒入芯材溶液中，搅拌均匀，形成最初的乳状液。乳状液中，壁材/芯材为1:1，总固体浓度为4％(w/v)。将初乳液在10000r/min下剪切10min，形成均匀地乳状液，再将乳状液进行喷雾干燥，最后在喷雾干燥的收集瓶中收集粉末即为辣椒红色素微胶囊。

3.2步骤

3.2.1辣椒红色素标准曲线的绘制

称取0.100g的辣椒红色素，溶在正己烷溶液中，定容到100ml，取10.0ml定容到100ml，得到浓度为0.1mg/ml的辣椒红色素标准溶液。

辣椒红色素标准曲线的绘制

分别取0.0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0ml的标准溶液于6支比色管中，用正己烷定容到10.0ml。以正己烷为空白，测定以上6个样品吸光度，色素含量为横坐标，样品吸光度为纵坐标制成辣椒红色素的标准曲线。标准曲线为y＝0.05550x-0.0054。

3.2.2辣椒红色素微胶囊中辣椒红色素的含量测定

称取0.20g左右的样品，溶于正己烷中，直至正己烷颜色不再加深。以正己烷为空白，测定样品的吸光度，在标准曲线中读取辣椒中色素的含量。计算公式如下：

含量(g/g)＝c×10-3×k/m

式中：c为溶液中辣椒红色素的含量，k为稀释倍数，m为样品总质量。

3.2.3壁材与芯材比例对包埋率的影响

选用不同的壁材/芯材比例(0.5:1，1:1，2:1)通过喷雾干燥包埋辣椒红色素，测定包埋后辣椒红色素微胶囊中的辣椒红色素含量，计算其包埋率与壁材/芯材比例之间的关系。壁材/芯材比例与包埋率的关系如图9所示

从图中可以看出，在一定程度上增加壁材的用量可以提高包埋率，这是因为壁材含量的增加可以促进在包埋过程中壁材的成膜速率，加快对芯材的包裹，增加膜的厚度，防止膜破裂，减少芯材在包埋过程中的流失。但是当壁材的含量超过一定比例后，反而会降低包埋率，这是因为壁材过多，导致微胶囊的雾化速率下降，延长时间，导致膜破裂，芯材因而流失。所以选择壁材/芯材比例为1:1较为合适。

3.2.4进风温度对包埋率的影响

喷雾干燥的进风温度对包埋效果有很大的影响，增大进风温度可以提高包埋速率，一定程度上可以提高包埋率。但是温度过高会使微胶囊在形成过程中破裂，这是因为温度过高，干燥速率过快，水分流失较快，微胶囊表面稳定的玻璃态结构遭到破坏。但是温度过低，会使微胶囊干燥不完全，水分含量大，储存时间减少。而且，辣椒红色素长时间在高温环境下也会变性。从图10可以看出在170℃和180℃下，包埋率相差不大，所以最适宜的进风温度为170℃。

3.2.5辣椒红色素微胶囊的热重分析

取适量微胶囊粉末，利用同步热分析仪进行热重分析。分析条件：升温程序：20℃/min，起止温度：25℃-600℃。载气：n2；载气流量：20ml/min。图11是辣椒红色素微胶囊的热重分析图，本课题使用到的辣椒红色素是辣椒红色素溶于大豆油的产品，成分比较复杂，所以较难分析加热分解成何物。从图11a中也可以看出，大豆分离蛋白接枝物制备的辣椒红色素微胶囊的热稳定性更好。从图11b中可以看出，酪蛋白接枝物制备的辣椒红色素微胶囊的热稳定性更好，在240℃以后才开始分解。