壁材选择对番茄皮橄榄油提取类胡萝卜素微胶囊化的影响

《Journal of Food Measurement and Characterization》：Influence of wall material selection on the microencapsulation of olive oil-extracted carotenoids from tomato peel

　　

摘要
类胡萝卜素的生物活性通常因双共轭键的异构化和氧化而降低，这些双共轭键对光、高温、酸、氧、金属和自由基非常敏感。微胶囊化可作为预防这些反应的一种措施。本研究旨在评价不同壁材（多糖、动物蛋白和植物蛋白）对乳液和微胶囊品质特性的影响，实现番茄皮提取物的微胶囊化，以获得稳定的类胡萝卜素来源。番茄皮提取物在室温下用橄榄油提取，然后以麦芽糊精（maltodextrin）、麦芽糊精-壳聚糖（maltodextrin-chitosan）、大豆蛋白（soy protein）、豌豆蛋白（pea protein）、酪蛋白酸钠（sodium caseinate）和酪蛋白酸钠-转谷氨酰胺酶（sodium caseinate-transglutaminase）为壁材，通过喷雾干燥进行乳化并微胶囊化。不同壁材对乳液和微胶囊的大多数品质参数均有显著影响，但没有任何一种壁材在所有特性上均表现出理想值。多变量分析表明，麦芽糊精（尤其是与壳聚糖组合使用时）是提高抗氧化能力（0.40 μmol trol/g样品）和类胡萝卜素保留效率（61.83%）最适宜的壁材，酪蛋白酸钠以类胡萝卜素含量（14.02 μg ly/g样品）和产率（68.87%）紧随其后。本研究结果为选择壁材以增强富含类胡萝卜素配料的稳定性和功能性提供了有价值的理论基础。

**论文解读：壁材选择对番茄皮橄榄油提取类胡萝卜素微胶囊化的影响**

**一、研究背景与问题**

类胡萝卜素是一类主要来源于植物的色素，赋予水果和蔬菜黄色、橙色及红色，番茄和西瓜是富含这类化合物的食物。类胡萝卜素具有抗氧化活性，部分还是维生素A的前体，并且与预防心血管疾病、神经退行性疾病和癌症相关疾病有关，因此作为生物活性化合物备受关注。

然而，类胡萝卜素由含有双共轭键的异戊二烯重复单元组成，对光、高温、酸、氧、金属和游离自由基高度敏感，容易发生异构化和氧化等结构变化，生成无生物活性的环氧类胡萝卜素和类胡萝卜素降解产物。微胶囊化可作为防止这些反应的有效手段，壁材能阻止生物活性化合物与外界因素接触，保持其稳定性。

番茄加工业产生大量副产品（如果皮和种子），其中果皮富含类胡萝卜素，番茄红素含量最高，但多数研究集中于从番茄果肉中提取类胡萝卜素。传统的类胡萝卜素提取使用甲醇、乙酸乙酯或石油醚等有机溶剂，这些溶剂存在毒性、环境问题以及食品应用前需要去除溶剂等限制。因此，开发更绿色的提取技术并系统比较多种壁材以确定最佳配方，对于提高类胡萝卜素保留率、抗氧化活性和工艺效率至关重要。研究人员基于此开展了本研究。

**二、主要技术方法**

研究人员从当地市场购买成熟梨形番茄和特级初榨橄榄油。将番茄去皮、干燥（40 °C，3 h）、研磨后与橄榄油按2.5:1（w/v）比例混合，密封磁力搅拌1 h，过滤收集油相提取物。以麦芽糊精（MD）、麦芽糊精-壳聚糖（MDCH）、豌豆蛋白（PP）、大豆蛋白（PS）、酪蛋白酸钠（SC）和酪蛋白酸钠-转谷氨酰胺酶（SCTG）为壁材制备乳液，采用UltraTurrax混合及高压均质（1200 bar，3次均质），随后使用实验室规模喷雾干燥器（配备0.5 mm喷嘴）在进风温度180 °C、出风温度110–120 °C、进料速率300 mL/h条件下进行微胶囊化。对提取物和微胶囊进行类胡萝卜素定量（紫外-可见分光光度法，478 nm）和抗氧化能力测定（CUPRAC法，450 nm）；对乳液分析pH、密度、粘度和乳析指数；对微胶囊分析微胶囊化产率、水分、水分活度、色泽、溶解度指数、流动特性、微胶囊化效率、脂质氧化（TBARs法，523 nm）、类胡萝卜素含量、抗氧化能力、壁材相互作用（ATR-FTIR）、微观结构（SEM）和粒径（激光衍射法）。每种微胶囊制备三个独立批次（n=3），每批三次重复。采用单因素方差分析、Tukey检验和主成分分析（PCA）进行统计分析。

**三、研究结果**

**（一）番茄皮提取物表征**

通过初步实验确定最佳提取条件：干燥番茄皮在1 h提取时间内获得较高抗氧化能力值（1.402 ± 0.190 μmol trol/g样品），高于新鲜番茄皮（0.771 ± 0.058 μmol trol/g样品）；将提取时间延长至24 h并未提高抗氧化能力。当番茄皮与橄榄油比例从1:1增加到1.75:1和2.5:1（w/v）时，提取物的抗氧化能力依次提高（1.430 ± 0.286、2.539 ± 0.126和3.893 ± 0.110 μmol trol/g样品），因此选择2.5:1比例作为最终提取条件。在最佳条件下，番茄皮油提物中类胡萝卜素浓度为257.41 ± 41.38 μg ly/g油，抗氧化能力为3.89 ± 0.88 μmol trol/g油，均高于先前研究中的相应数值。研究人员认为，采用室温提取是为了避免维生素A原类胡萝卜素的氧化和异构化，而橄榄油本身具有的内在抗氧化能力也发挥了保护作用。

**（二）番茄皮提取物乳液表征**

不同壁材对乳液的pH、密度、粘度和乳析指数均有显著影响。MDCH乳液的pH值最低（3.98），归因于壳聚糖溶解在1 M醋酸溶液中；蛋白质基乳液（PP、PS、SC和SCTG）的pH值相近（6.84–7.05），与pH 7.5磷酸盐缓冲液的使用有关。MD和MDCH因固形物含量较高（120 g麦芽糊精）而表现出最高密度（1.053和1.057 g/cm3），蛋白质基乳液因固形物较少（70 g蛋白质）而密度较低（1.012–1.021 g/cm3）。SCTG乳液的粘度最高（32.14 cps），MDCH次之（20.08 cps），单一壁材乳液的粘度较低（11.17–16.08 cps），转谷氨酰胺酶和壳聚糖的添加分别通过蛋白质交联和增加流动阻力提高了粘度。SCTG（0.44）和MD（2.87）乳液的乳析指数最低，表明其稳定性最好。PP乳液因豌豆蛋白在环境温度下发生变性（变性温度5–10 °C）而出现沉淀物，无法测量乳析指数。

**（三）番茄皮提取物微胶囊表征**

微胶囊化产率方面，SC（68.87%）和PP（65.23%）最高，MDCH（40.16%）和SCTG（40.32%）最低。高粘度乳液（MDCH和SCTG）会增大喷雾干燥过程中的雾化阻力，导致粉末回收率降低。所有微胶囊的水分含量（1.8%–3.5%）和水分活度（均低于0.35）均处于适宜范围，能够维持物理化学稳定性并防止微生物生长，且不同壁材间无显著差异。

溶解度指数受壁材影响显著，PP最高（53.40%），PS（26.01%）和MD（25.71%）居中，MDCH（6.89%）、SCTG（3.47%）和SC（3.29%）较低，这与壁材的分子结构密切相关；壳聚糖的半结晶结构和酪蛋白酸钠的强氢键作用均导致低溶解度。

色泽方面，所有微胶囊均呈高亮度（L* 94.85–97.62）和近白色（a* 1.60–3.24），b*值在PS（11.10）和PP（11.05）中最高，MD（6.89）和MDCH（7.24）最低，这与微胶囊外油含量和橄榄油本身色泽相关。

流动特性方面，MD具有最高的松密度（0.41 g/cm3）和振实密度（0.65 g/cm3），SC最低（0.13和0.31 g/cm3）。所有批次微胶囊的卡尔指数（36.56–46.71）和豪斯纳比（1.58–1.88）均表明流动性能较差，这可能给工业处理带来一定困难。

微胶囊化效率和脂质氧化方面，外油含量以PP最高（9.39%），MD最低（1.11%）；总油含量以PP最高（23.49%），SCTG最低（3.81%）。微胶囊化效率以MD最高（89.99%），MDCH最低（33.52%），后者与麦芽糊精-壳聚糖壁的脆性及其对破裂的高敏感性有关。值得关注的是，MD微胶囊虽然效率最高，但TBARs值也最高（17.56 mg MDA/kg样品），这可能与其较小的粒径和较大的比表面积有关，增加了与氧气的接触。

类胡萝卜素保留效率方面，MDCH（61.83%）和SC（59.42%）最高，PS最低（9.38%）。壳聚糖在酸性介质中质子化带正电荷，与类胡萝卜素的共轭双键产生增加的相互作用，从而增强了类胡萝卜素的保留能力。FTIR分析显示，微胶囊与壁材相比未出现明显的峰位移或新吸收带，表明包封主要通过物理截留实现，核心与壁材之间未形成新的共价键。SEM观察显示，所有微胶囊呈球形，但蛋白质基微胶囊表面出现明显凹陷，MDCH和SCTG微胶囊存在孔洞缺陷，而MD微胶囊表面光滑无孔洞。

**四、讨论与结论**

主成分分析（PCA）显示，第一和第二主成分共解释67.23%的总方差（PC1为45.82%，PC2为21.41%）。得分图将微胶囊按壁材类型清晰分组：麦芽糊精基微胶囊（MD和MDCH）位于右侧象限，植物蛋白微胶囊（PP和PS）位于左上象限，动物蛋白微胶囊（SC和SCTG）位于左下象限。变量图显示，抗氧化能力、类胡萝卜素含量和密度与MDCH微胶囊紧密相关，MD微胶囊主要由效率参数和总油含量描述。

综合来看，没有任何一种壁材在所有特征上均表现出理想值。麦芽糊精（尤其是与壳聚糖组合使用时）是提高抗氧化能力（0.40 μmol trol/g样品）和类胡萝卜素保留效率（61.83%）最适宜的壁材，而酪蛋白酸钠在类胡萝卜素含量（14.02 μg ly/g样品）和产率（68.87%）方面表现出竞争性优势。FTIR分析证实微胶囊化过程主要受分子间作用力控制，未形成共价键。

研究结论表明，壁材选择应根据最终产品的目标功能特性进行。当以优化稳定性和抗氧化能力为目标时，推荐使用麦芽糊精-壳聚糖体系；当需要高类胡萝卜素含量或高工艺产率时，酪蛋白酸钠可视为更优选择。这些微胶囊在功能性食品或营养保健品中具有潜在应用价值，可实现类胡萝卜素递送和抗氧化性能的改善。未来研究应关注将微胶囊添加至食品后的效果，评估其对类胡萝卜素生物可及性和强化食品品质特性的影响。本研究的发现为选择壁材以增强富含类胡萝卜素配料的稳定性和功能性提供了有价值的理论基础。