一种番茄红素纳米粉末及其制备方法与流程

本发明属于功能性营养食品制备工艺技术领域。更具体地，涉及一种番茄红素纳米粉末及其制备方法。

背景技术：

番茄红素(lycopene)是类胡萝卜素的一种，具有广泛的生物学活性，有研究报道不断发现和证实番茄红素具有防癌治癌、防治心血管疾病和增强免疫活性等多种功效，然而番茄红素的性质在很大程度上限制了其应用发挥，水不溶性和不稳定性是其中最主要的两个因素，这在很大程度上限制了其应用发挥。

纳米乳液是一种粒径在50～200nm范围内的热不稳定体系，具有很好的稳定性，常表现为透明或半透明的状态，适合添加各种食品、饮料体系中。但毕竟乳液是一种热力学不稳定系统，相分离、沉淀、老化等不稳态变化的趋势不可扭转，而且外界环境的改变会加剧这种趋势的发生，不利于乳液的储藏、运输和应用。

因此，往往对乳液进行干燥化处理，制成粉末制品，其中喷雾干燥法具有很强的适应性和经济性，成为最常使用的方法之一。但不同的干燥温度、干燥时间及氧气等因素的差异，会对番茄红素造成不同程度的破坏，并严重影响其储存稳定性，当番茄红素遭到破坏后，番茄红素粉末中的其他热敏性营养素，如vc、叶酸、生物素等会损失更多，其中的还原糖等物质也会发生褐变，造成营养损失。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有番茄红素粉末储存稳定性差、营养素含量低的缺陷和不足，提供一种番茄红素纳米粉末及其制备方法。本发明所述方法操作简单，制备得到的番茄红素纳米粉末颗粒，储藏稳定性高，离子稳定性和蔗糖稳定性高，营养素含量高。

本发明的目的是提供一种番茄红素纳米粉末。

本发明另一目的是提供一种番茄红素纳米粉末及其制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种番茄红素纳米粉末的制备方法，所述粉末是番茄红素纳米乳液通过喷雾干燥法制得，所述制备的进风温度为170～210℃，出风温度为65～105℃，进料速率为10～30ml/min。

优选地，所述进风温度为170～190℃。

更优选地，所述进风温度为190℃。

优选地，所述出风温度为75～95℃。

更优选地，所述出风温度为85℃。

优选地，所述进料速率为15～25ml/min。

更优选地，所述进料速率为20ml/min。

最优选地，一种番茄红素纳米粉末的制备方法，所述粉末是通过喷雾干燥法制得，所述制备的进风温度为190℃，出风温度为85℃，进料速率为20ml/min。

此外，由上述制备方法得到的番茄红素纳米粉末，也在本发明保护范围之内。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述方法操作简单，制备得到的番茄红素纳米粉末，在常温避光干燥的条件下储藏一个月后，纳米粉末中番茄红素的负载率仍可达60％，保留率可以高于80％，平均粒径增幅为165nm，储藏稳定性高；营养素含量高；制备粉末颗粒的形状接近于球形，无明显裂缝或孔隙；番茄红素纳米颗粒在ph为3～6下稳定性较好，离子稳定性和蔗糖稳定性高。说明所构建的纳米干燥粉末具有在食品体系中应用的潜力，适合大面积推广和应用。

附图说明

图1为番茄红素原始乳液和喷雾干燥番茄红素粉末复原乳的粒径分布图。

图2为喷雾干燥番茄红素纳米乳液粉末复原乳稀释液照片。

图3为纯番茄红素和番茄红素纳米粉末的还原力和dpph自由基猝灭活性比较。

图4为番茄红素粉末颗粒的外观图和sem图。

图5为番茄红素晶体粉末，番茄红素纳米粉末颗粒，osa变性淀粉-番茄红素混合物和osa变性淀粉的差示扫描量热谱图。

图6为osa变性淀粉、番茄红素粉末颗粒和纯番茄红素晶体的红外图谱。

图7为不同nacl浓度下复原乳的粒径和电位值。

图8为不同mgcl2浓度下复原乳的粒径和电位。

图9为不同蔗糖浓度对纳米乳粒径和吸光值的影响。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1一种番茄红素纳米乳液的制备

一种负载番茄红素纳米乳液，由油相溶液和水相溶液组成，油水相质量比为1：11，所述油相由mct(中链甘油三酯)和番茄红素组成，所述水相由变性淀粉和去离子水组成，具体步骤如下：

1、配置质量浓度为20～30％的变性淀粉溶液，在30～70℃下搅拌溶解，然后放至室温搅拌，使其充分水化，作为水相；

2、配置质量浓度为0.1～0.5％的番茄红素油，常温下超声溶解，待其溶解完全后过滤，作为油相；

3、将油相和水相按质量比1：11混合，并在50℃下搅拌乳化；

4、混合液高速分散之后在110mpa下均质3次得到最终负载番茄红素纳米乳液。

实施例2进风温度的优化

1、实验步骤

将实施例1制备的番茄红素纳米乳液，用喷雾干燥法制备得到番茄红素纳米乳液粉末。喷雾干燥采用上海紫裕生物科技有限公司的zy-8000低温喷雾干燥器，干燥室尺寸为并配备0.7mm口径双流体喷嘴；

喷雾干燥的操作条件为：制备的进风温度为170～210℃，出风温度为85℃，进料速率为20ml/min。

2、实验结果

对番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率进行测定，结果如表1所示。

表1不同进风温度制备番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率

结果发现，当进风温度为170～190℃时，制备的番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率较高，效果较好。

实施例3出风温度的优化

1、实验步骤

制备的进风温度为190℃，出风温度为65～105℃，进料速率为20ml/min，其他制备条件参考实施例2。

2、实验结果

对番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率进行测定，结果如表2所示。

表2不同出风温度制备番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率

结果发现，当出风温度为75～95℃时，制备的番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率较高，效果较好。

实施例4进料速率的优化

1、实验步骤

制备的进风温度为190℃，出风温度为85℃，进料速率为10～30ml/min，其他制备条件参考实施例2。

2、实验结果

对番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率进行测定，结果如表3所示。

表3不同出风温度制备番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率

结果发现，当进料速率为15～25ml/min时，制备的番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率较高，效果较好。

实施例5一种番茄红素纳米乳液粉末的制备方法

1、实验步骤

制备的进风温度为190℃，出风温度为85℃，进料速率为20ml/min，其他制备条件参考实施例2，对番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率进行测定。

2、实验结果

当制备条件：进风温度为190℃，出风温度为85℃，进料速率为20ml/min时，制备的番茄红素纳米乳液粉末中番茄红素的负载率最高达79.36％。

实施例6正交优化

1、实验步骤

根据单因素试验结果，选择进风温度为170～190℃、出风温度为75～95℃和进料速率为15～25ml/min，这3个因素作为正交考察因素，采用三因素三水平的设计，以负载率为响应值并进行结果分析，其他制备条件参考实施例2。

表4正交试验因素和水平表

2、实验结果

正交优化实验结果如表5所示。

表5正交试验结果(n＝9)

2、实验结果

由表5可知，第8组的番茄红素的负载率最高，达79.36％，和单因素优化结果相同，即当进风温度为190℃，出风温度为85℃，进料速率为20ml/min时，负载率最高，为79.36％。

实施例7番茄红素纳米粉末颗粒的稳定性研究

1、实验步骤

1.1按表6中不同条件下制备番茄红素粉末颗粒，在常温避光的条件下储藏30天，选择原料番茄红素纳米乳液作为对照组；

1.2配置复原乳：表6中不同条件下制备番茄红素粉末颗粒，将粉末和去离子水按照5：6进行配置；

1.3取1ml去离子水复溶0.2g储藏后的粉末，并用磁力搅拌器搅拌直至均匀，对番茄红素的含量进行测定，计算其负载率和保留率，对番茄红素粉末颗粒的粒径进行测定，番茄红素溶液在低浓度范围内满足朗伯-比尔定律，因此选用分光光度法测定番茄红素的量，具体测定方法如下：

1.3.1标准曲线绘制：准确称取2.1mg番茄红素标品，以少量二氯甲烷溶解，加入正己烷定容至10ml为1号母液。于1号母液中分布吸取10、50、100、500、1000、2000μl置于6个10ml的容量瓶中，加正己烷至刻度，摇匀，即配成番茄红素质量浓度为0.2、1.0、5.0、10.0、20.0、40.0μg/ml的标准溶液。以正己烷为参比，依次在472nm下测其吸光度；

1.3.2番茄红素含量测定：取200μl番茄红素样品与800μl的dmso均匀混合，然后依次加入2ml的正己烷：二氯甲烷的混合有机相(3：1，v：v)进行萃取，重复萃取3次后合并萃取液，在3000rpm下离心10min，取上层清液置于分光光度计下测定番茄红素的吸光值。以正己烷作为空白对照，测定波长为472nm，结果通过标准曲线算出。

1.3.3番茄红素的负载率

计算方程如式(2.1)所示：

式中，c1—30天后粉末中番茄红素的含量；c0—储藏前乳液中番茄红素的含量。

1.3.4番茄红素的保留率

计算方程如式(2.2)所示：

式中，c2—在储藏时间30天后粉末中番茄红素的含量；c3—储藏前粉末中番茄红素的含量。

1.3.5粒径测定

利用纳米粒度及zeta电位分析仪zetasizernanozs90(配有he/ne激光器(λ＝633nm))测定乳液的粒径。所有样品测试前先使用去离子水对复原乳稀释100倍，然后吸取适量(约为比色皿的1/3)的待测液加入石英比色皿中，在25±0.1℃时保温2～3min，每个样品重复测定三次。

表6不同条件下番茄红素粉末颗粒的制备

2、实验结果

对番茄红素粉末颗粒粒径，及其番茄红素的保留率和负载率的测定结果如表7所示。

表7储藏30天后番茄红素粉末颗粒粒径及其番茄红素的保留率和负载率的测定结果

由表7可知，在最佳制备条件下，番茄红素粉末颗粒在常温避光的条件下储藏30天后，番茄红素的负载率最高达60.42％，保留率达81.24％，且其粒径几乎不发生变化，而在其他不同条件下制备的番茄红素粉末颗粒中番茄红素的负载率和保留率也分别达到40％和69％以上，储藏稳定性远高于对照组，说明本工艺可以大大提高番茄红素粉末颗粒的保藏时间，用喷雾干燥方法将纳米乳液制成粉末是提高储藏性和使用方便性的一个有效途径。

实施例8番茄红素纳米粉末的溶解特性及其粒径研究

1、番茄红素纳米粉末的水复溶性研究

1.1实验步骤

为了考察喷雾干燥番茄红素粉末的水复溶性，具体为取1ml去离子水复溶0.2g干燥后的粉末，并用磁力搅拌器搅拌直至均匀，肉眼观察其外观形态。

1.2实验结果

结果粉末颗粒呈现出良好的复水溶解性，没有出现结块现象，体系溶解均匀。

2、番茄红素纳米粉末的粒径研究

2.1实验步骤

使用马尔文粒度分析仪对番茄红素原始乳液和复原乳的粒径及粒径分布进行测定，具体测定方法参见【实施例7】。

利用纳米粒度及zeta电位分析仪zetasizernanozs90(配有he/ne激光器(λ＝633nm))测定原乳液和复原乳的分散系数(polydispersityindex，pdi)，其余步骤参见【实施例7】。

2.2实验结果

结果如图1所示。由图可以看出，原始乳液和复原乳的粒径分布差异并不明显，两者均表现为较窄的单峰形状，并且番茄红素原始乳液和复原乳的平均粒径分别为150nm和151nm，粒径无明显变化，pdi均小于0.25，粒径分布集中，说明本发明所制备的番茄红素纳米粉末与原始乳液粒径无差异。

进一步说明，本发明所述喷雾干燥方法并不会影响番茄红素纳米乳液的溶解特性和粒径大小，为使用喷雾干燥方法制备纳米乳液粉末产品的合理性提供一定的数据支持。

实施例9番茄红素纳米粉末的静置后均匀度研究

1、番茄红素纳米粉末的静置后均匀度研究

1.1实验步骤

1.1.1制备复原乳，具体制备方法参见【实施例7】；

1.1.2对番茄红素粉末颗粒的复原乳进行稀释1、2和3倍后静置24h后，观察其形态。

1.2实验结果

结果如图2所示，将复原乳分别稀释1、2和3倍后静置24h后，复原乳依然保持良好的均匀度。说明纳米粉末复溶后稳定性依旧良好，干燥工艺并不会影响乳液本身的性能。

实施例10番茄红素纳米粉末的化学抗氧化活性研究

为了考察喷雾干燥过程中高温条件对粉末颗粒中番茄红素的损伤影响程度，设计实验对其化学抗氧化活性进行研究。

1、实验步骤

1.1还原力测定

1.1.1称取一定量的番茄红素粉末样品溶解于磷酸盐缓冲液制成复原乳；

1.1.2混合1ml的复原乳和1ml铁氰化钾(1％，w/v)并置于在50℃下水浴加热20min；

1.1.3添加1ml三氯乙酸(10％，w/v)，待溶液反应完全；

1.1.4在3000rpm转速下离心20分钟，将上清液移去后添加0.5ml20mm/l的氯化铁溶液1ml去离子水，搅拌均匀后于700nm波长下测其吸光值，对照组为溶于四氢呋喃/二甲亚砜(1：1，v/v)的番茄红素水溶液。

1.2清除dpph·自由基能力的测定

1.2.1复原乳的制备；

1.2.2取三支试管分别定义试管a1为样品，试管a2为参比，试管a3为空白，按表8加入试剂，其中样品组在25℃下水浴30min；

1.2.3分别在517nm处进行吸光度的测定，以95％乙醇溶液调零。对照组为溶于四氢呋喃/二甲亚砜(1：1，v/v)的番茄红素水溶液。

表8消除dpph自由基加样表

样品对dpph自由基的清除能力即清除率可用公式表示为：

dpph清除率(％)＝[1-(a1-a3)/a2]×100

2、实验结果

结果如图3(a所示，由图中可以看出，伴随着番茄红素浓度的增加，样品的还原力增强，同一浓度下，番茄红素纳米粉末颗粒的还原力均要远高于游离番茄红素晶体。

结果如图3(b所示，与还原力变化趋势一致，样品的dpph自由基猝灭能力随着番茄红素浓度的增加而增加，且在相同浓度条件下，番茄红素纳米粉末颗粒的猝灭能力比番茄红素稍大。

结果说明形成的番茄红素纳米粉末颗粒的化学特性与游离番茄红素相比，其还原力和对dpph自由基的猝灭能力较高，说明本方法在喷雾干燥过程中的高温条件没有对粉末颗粒中番茄红素造成损伤。

实施例11番茄红素纳米粉末颗粒的形态结构研究

1、实验步骤

1.1利用肉眼对番茄红素纳米粉末颗粒进行观察；

1.2参考实施例7制备复原乳，用去离子水稀释100倍并摇匀，用玻璃棒蘸取后点于载玻片上，盖上盖玻片，用sem进行外观形态观察并拍照，放大倍数为1000倍。

2、实验结果

结果如图4所示，由图中可以看出，番茄红素纳米粉末颗粒颜色和分散度均一，没有出现结块的现象，说明喷雾干燥条件效果良好。从sem显微图片中也可以看出颗粒之间明显分离，没有粘在一起。进一步说明本申请记载喷雾干燥条件效果良好。

实施例12番茄红素纳米粉末颗粒的热力学特性

1、番茄红素纳米粉末颗粒的热力学分析

1.1实验步骤

利用差示扫描量热仪分析番茄红素纳米粉末颗粒、番茄红素晶体、番茄红素-osa变性淀粉(辛烯基琥珀酸酯化淀粉)物理混合物和osa变性淀粉的热力学特性，具体步骤如下：

差热扫描量热分析仪采用德国林赛斯linseis公司生产的hdscpt500lt/1400低温差示扫描量热分析仪器，配置液氮低温控制器；

仪器使用前用铟进行校正，并在109℃下平衡1h，设置温度条件为升温速率为10℃/min，温度范围为50～300℃，检测样品热力学参数；

实验中以空的不锈钢容器作为对照，每次不锈钢样品容器内的纳米粉末颗粒的重量应小于10mg，并用含有o-型塑料环的不锈钢盖子密封，然后放置在对应的位置上；

用仪器自带软件对数据进行分析得到样品熔化焓值和晶体熔化温度，每个样品重复三次。

1.2实验结果

番茄红素纳米粉末颗粒、番茄红素晶体、番茄红素-osa变性淀粉物理混合物和osa变性淀粉的差示扫描量结果如图5所示。结果发现，在50～300℃的范围内，番茄红素纳米粉末颗粒在检测范围内没有发现番茄红素的熔解峰，说明纳米粉末中的番茄红素以水溶性更高的无定形状态存在。

进一步说明本方法制备的番茄红素纳米粉末颗粒溶解性更好，包埋的番茄红素溶解性也有提高，有利于未来在饮料、液体食品体系中的添加，便于人体吸收。

2、番茄红素纳米粉末颗粒的结构分析

2.1实验步骤

利用傅里叶红外光谱仪分别检测番茄红素粉末颗粒、osa变性淀粉和番茄红素晶体，通过吸收光谱图的变化映射物质结构的改变，具体步骤如下：

2.1.1样品的测试采用溴化钾压片法，分别称取1mg适量番茄红素、osa变性淀粉、番茄红素纳米乳液粉末样品与100mg溴化钾充分混合；

2.1.2在红外灯的照射下进行研磨，之后将研好的混合物粉末倒在硫酸纸上，灌注压模，用压片机压成透明片状；

2.1.3取出薄片，置于红外光谱仪样品室中，在400～4000cm^-1范围内进行扫描，光谱分辨率为4cm^-1；

2.1.4实验中采用空气为空白，扫描信号累加16次后得到样品的红外光谱图。

2.2实验结果

番茄红素纳米粉末颗粒、osa变性淀粉和番茄红素晶体的红外测定结果如图6所示，由图可知，番茄红素晶体在波长959cm^-1处强反式特征峰被掩盖，表明番茄红素被淀粉分子乳化层包埋完全。包埋后，osa变性淀粉在2930cm^-1的甲基伸缩振动峰移向2927cm^-1，且在2856cm^-1处新生成了一个振动这可能与番茄红素的载入相关，可推测淀粉分子与番茄红素之间可能存在氢键相互作用。此外，番茄红素纳米乳液粉末在1745cm^-1附近形成了强烈的吸收峰，此处为典型的c＝o的伸缩振动，在该粉末体系中代表了油相中的酯键，进一步说明本发明制备的番茄红素纳米粉末颗粒没有破坏番茄红素纳米乳液的结构，油相与淀粉分子之间仍然很好的结合，相较于osa变性淀粉和番茄红素晶体具有良好的稳定性。

实施例13番茄红素纳米粉末颗粒的应用稳定性研究

1、ph稳定性测定

1.1实验步骤

对不同ph环境下番茄红素纳米粉末的稳定性进行研究，并对其粒径、pdi、zeta电位和吸光值进行测定，具体步骤如下：

1.1.1取适量的番茄红素纳米粉末，分别溶于ph为2、3、4、5、6、7、8和9的磷酸盐缓冲液中，用对应的缓冲液进行稀释100倍后置于室温平衡4h。

1.1.2测定其粒径和pdi值，具体参见【实施例7】，并在600nm处测定其吸光值。

1.1.3zeta电位测定：样品容器改用聚苯乙烯比色皿进行测试。样品的前期处理和其他测定步骤具体参见【实施例7】。

1.1.4pdi测定：具体方法参见【实施例8】。

1.2实验结果

对不同ph环境下番茄红素纳米粉末的稳定性进行研究，结果如表9所示。

表9不同ph下纳米乳液的平均粒径、pdi、zeta电位和吸光值

由表9可知，番茄红素复原乳的zeta电位值随着ph的上升而递增，颗粒直径，pdi和吸光值则呈现先减小后增大的变化规律，由此可以发现，过酸或过碱都会严重影响样品的性能。

总体上，番茄红素纳米颗粒在ph为3～6的范围内较为稳定，此时静电排斥作用减弱，但强大的空间位阻作用保证了纳米颗粒粒径的稳定性。

2、离子稳定性测定

2.1实验步骤

2.1.1配置浓度为0～1mol/l的nacl溶液和浓度为0～0.016mol/l的mgcl2溶液；

2.1.2用不同浓度的盐离子溶液对番茄红素纳米粉末进行复溶，稀释100倍后置于室温平衡4h；

2.1.3测定复原乳粒径具体方法参见【实施例7】。

2.1.4测定zeta电位值，具体方法参见上述ph稳定性测定步骤1.1.3。

2.2实验结果

电解质的添加会降低zeta电位，这是因为以osa变性淀粉稳定的纳米乳液是通过油水界面层的静电排斥作用和空间位阻作用来维持颗粒的稳定，电解质离子添加后附着于油水界面层，压缩界面层使其变薄，降低电位值；同时，带负电荷的r-coo^－所产生的静电排斥作用因被na⁺和mg²⁺屏蔽而减弱，软化了分子结构，单个分子在油水界面所占有的空间范围缩小，更多osa分子吸附在颗粒表面，体系的空间位阻效应增强，可以有效减缓颗粒凝聚。

结果如图7和图8所示。从图中可以看出，na⁺和mg²⁺的添加能导致颗粒的zeta电位显著下降，然而不同浓度的nacl和mgcl2并不会显著影响纳米颗粒的粒径，二者的粒径增长幅度均不超过10％。说明番茄红素纳米粉末的稳定性良好，食品体系中的盐离子并不影响其使用性能，有利于将番茄红素纳米粉末颗粒添加到食品体系中。

3、蔗糖稳定性测定

3.1实验步骤

3.1.1配置质量浓度2～18％的蔗糖溶液；

3.1.2用上述质量浓度的蔗糖溶液对番茄红素纳米粉末进行复溶，稀释100倍后置于室温平衡4h；

3.1.3测定其粒径，具体参见【实施例7】，并在600nm处测定其吸光值。

3.2实验结果

结果如图9所示，从图中可以看出，当蔗糖浓度从2％上升至18％时，体系中纳米颗粒的粒径由151nm增加到228nm，增长幅度达到50％，说明蔗糖浓度对番茄红素纳米粉末颗粒的粒径影响显著。而且伴随着浓度的增大，吸光值变小，样品的外观变得更加透明。

综上所述，食品饮料中蔗糖的浓度不仅不会影响番茄红素纳米颗粒的稳定性，还有利于提高其应用效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。