CN105477014B - 一种纳米级硫酸亚铁营养补充剂微囊化产品及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米级硫酸亚铁营养补充剂微囊化产品及制备工艺。所述的铁剂微胶囊先后通过三次快速膜乳化制备成稳定的四相复乳，然后对壁材海藻酸钠分别通过氯化钙和壳聚糖两次固化处理制备而成。本发明制备铁剂微胶囊具有粒径大小均一，粒径范围可控制在纳米级，具有良好的缓释、肠溶和高效吸收及低生产成本等优势，尤其适用于大范围食品营养强化及缺铁性贫血的预防。
Description
技术领域
本发明涉及食品加工强化领域中的微胶囊化技术，具体为一种纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊及其制备工艺。
背景技术
成年人体内大约含有3～4g铁，这些铁主要集中在血红蛋白、肌红蛋白、转铁蛋白以及各种酶类中。铁最基本的生理功能就是与氧结合并将其输送到机体各个组织，线粒体中的酶所含的铁主要参与能量代谢，其它的含铁酶也都参与了各种途径的代谢和调节，这其中就包括蛋白质和脂类代谢。正因为铁广泛参与了各种新陈代谢，因此若铁缺乏会引发多种对机体不利的连锁反应。铁缺乏可以发生在各个时期，但由于特殊的生理需要，包括胎儿、婴幼儿和儿童在内的生命早期成为了铁缺乏高度敏感的窗口期。在中枢神经***发育过程中，铁扮演了重要的角色，其中铁参与了细胞复制和新陈代谢、中枢神经***的髓鞘形成以及神经递质的形成。孕晚期胎儿大脑的铁摄入量达最大值，同时髓鞘形成也达到了顶峰。大量研究已经证实，生命早期的铁缺乏会对智力发育造成不可逆转的损伤，而且会一直持续到儿童期甚至是成年以后。
目前，无论是在发展中国家还是发达国家，铁缺乏和缺铁性贫血均已成为备受瞩目的公共卫生问题。铁强化食品是预防高危人群铁缺乏和缺铁性贫血行之有效的措施。在由中国疾病预防控制中心营养与健康研究所主持的“农村义务教育学生营养改善计划”和“贫困地区儿童营养改善试点项目”等国家大型营养干预项目中，“铁强化酱油”和“营养包”等系列铁强化食品的应用已经获得非常明显的效果，我国今后也将继续加大对贫困地区和高危人群的营养干预力度和覆盖面。
在各式各样的营养补充铁剂中，硫酸亚铁由于成本低廉且生物利用率高而备受世界卫生组织青睐，其强化食品尤其适用于在国家贫困地区大型营养干预和强化项目中推广和应用。然而，硫酸亚铁因为其浓烈的铁锈味道和亚铁离子极易被氧化等特性，限制了其在强化食品中的广泛普及。出于生产可行性考虑，相关食品企业无奈只能选择一些高成本的铁剂，如柠檬酸亚铁、乳酸亚铁、葡萄糖酸亚铁和乙二胺四乙酸铁钠等，这无疑加大了我国政府在营养干预项目上的经济投入。
微胶囊技术具有独特的工艺优势和规模化生产的可行性，并在食品加工领域得到广泛的认可。近年来，各种营养素及生理活性成分的微囊化产品如雨后春笋般涌现出来。通过微囊化工艺可以改变营养物质的形态，如从液体转变成固体颗粒；可有效保护那些对周围环境敏感且容易氧化变质的营养物质；还可有效遮蔽某些营养物质固有的不良味道，如腥味、金属味、苦涩味等；此外，还能最大限度延长商品的货架期和保质期。目前，无论是硫酸亚铁还是其他形式铁剂的微囊化产品，主要还是通过传统的喷雾干燥工艺来制得。该类产品主要存在以下不足：首先，微胶囊尺寸普遍较大，从几十微米甚至到上百微米，且粒径大小不均一，这在一定程度上限制了其在肠粘膜的有效吸收；其次，喷雾干燥工艺流程中固有的高温环节会部分加速亚铁离子的氧化速度，导致产品营养价值降低；此外，在微胶囊所选用的壁材方面，现有微胶囊产品的缓释及肠溶等特性较差，使得该类产品用水冲调后或者在人体胃部环境内，壁材就会迅速崩解并过早释放出包埋的亚铁离子，这也会严重影响产品的口感。再者，在类似硫酸亚铁微囊化工艺方面，目前普遍存在着包埋壁材较单薄、难以避免的壁材孔隙等问题，这也会加速亚铁离子与外界的接触而被氧化，使得产品的保质期和营养价值受到影响。
综上所述，鉴于硫酸亚铁成本低廉且吸收高效，其具有巨大的市场开发潜力。因此，开发一种纳米级、粒径大小均一、气味遮蔽良好且吸收率较高的缓释、肠溶、包埋致密的低成本硫酸亚铁微胶囊具有非常深远的意义。
发明内容
针对现有技术和产品的不足，本发明提供一种新型纳米级硫酸亚铁微胶囊及其生产工艺：
一种纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊，包括由硫酸亚铁组成的活性层和由海藻酸钙-壳聚糖组成的壁材层，其特征在于：所述活性层和壁材层之间还包含一层由饱和食用油组成的保护层；所述活性层、保护层及壁材层分别占总重量的1-5%、20-50%、45-70%；所述微胶囊的粒径范围为500-1000nm，其亚铁离子有效装载率为70%-80%。
进一步的，所述微胶囊中还含有占总重量0.01-0.1%的水溶性抗氧化剂、0.02-0.25%的亲油性乳化剂、0.02-0.2%的亲水性乳化剂。
进一步的，所述水溶性抗氧化剂优选水溶性抗坏血酸。
进一步的，所述亲油性乳化剂选自司盘80或聚甘油脂肪酸酯中的一种或两种。
进一步的，所述的亲水性乳化剂优选蔗糖脂肪酸酯。
本发明所述的新型纳米级硫酸亚铁微胶囊及其制备工艺，是按照以下步骤进行的：
（1）内水相W1的配制：称取适量水溶性抗氧化剂，将其按照重量百分比0.1～1%添加到5～30%硫酸亚铁水溶液中，磁力搅拌至混匀；
（2）内油相O1的配制：称取适量的一种或几种亲油性乳化剂，将其按照总重量百分比0.1～0.5%添加到饱和食用油中，磁力搅拌至混匀；
（3）外水相W2的配制：称取适量的一种或几种亲水性乳化剂，将其按照总重量百分比0.1～1%添加到1～3%海藻酸钠水溶液中，磁力搅拌至混匀；
（4）外油相配O2的配制：称取适量的一种或几种亲油性乳化剂，将其按照总重量百分比2～4%添加到普通食用油中，磁力搅拌至混匀；
（5）氯化钙固化剂的配制：首先制备一定量的重量比为1～10%的氯化钙水溶液，然后按照体积1:5～1:10的比例将氯化钙水溶液添加到一定量步骤（4）的外油相中，超声混匀后备用；
（6）壳聚糖溶液的配制：按照重量比为1～3%的比例将一定量的壳聚糖溶解到pH值为3～4的醋酸/柠檬酸等酸性溶液中，磁力搅拌均匀后备用；
（7）第一次快速膜乳化：按照体积1:1～1:5的比例将步骤（1）的内水相预先添加到步骤（2）的内油相中磁力搅拌均匀，首先选取孔隙尽可能小的0.1～0.28μm之间的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第一次快速膜乳化1～3遍后形成W1/O1乳液；
（8）第二次快速膜乳化：按照体积1:5～1:10的比例将步骤（7）的W1/O1乳液预先添加到步骤（3）的外水相中磁力搅拌均匀，选取0.28～5.2μm不等的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第二次快速膜乳化1～3次后形成W1/O1/W2乳液；
（9）第三次快速膜乳化：按照体积1:10～1:20的比例将步骤（8）的W1/O1/W2乳液预先添加到步骤（4）的外油相中磁力搅拌均匀，选取5.2～9.2μm不等的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第三次快速膜乳化1～3次后最终制得W1/O1/W2/O2四相复乳；
（10）第一次固化：根据海藻酸钠大分子中所含古洛糖醛酸单元的数量，按照1:1～1:4的摩尔比将步骤（5）制备的氯化钙添加到步骤（9）制备的四相复乳中，30～60℃温控条件下以100～300rpm固化2～6小时；
（11）第二次固化：首先将步骤（10）制备的海藻酸钙微囊洗脱掉外油相后用一定量去离子水悬浮，然后按照等体积的比例将步骤（6）制备的壳聚糖溶液添加到该溶液中，以100～300rpm磁力搅拌下固化1～3小时，洗脱掉多余的壳聚糖后将微囊用少量去离子水悬浮；
（12）冷冻干燥：将步骤（11）微胶囊悬浮液冷冻干燥24～72小时，即得所述的纳米级硫酸亚铁固体微胶囊。
进一步的，通过选取相应孔隙的SPG膜可制备500-1000nm且粒径大小均一的硫酸亚铁微胶囊。
本发明专利的有益效果为：
（1）在微囊化技术方面，本申请采用连续多次快速膜乳化工艺，制备出粒径均一、尺寸可控（纳米级）的硫酸亚铁微胶囊，而且快速膜乳化技术还具备规模化生产的现实可行性；
（2）本申请首次采用四相复乳工艺，在保证乳液均一稳定的前提下，又在硫酸亚铁内水相外面添加了一层致密的食用油级别的内油相作为保护层，这样可以有效阻止外界空气与亚铁离子的接触，从而使得产品的稳定性更强；
（3）对于任何微囊化产品而言，无论是制备单一乳液（如W/O或O/W），还是多相复乳（如W/O/W、O/W/O或者更加复杂的结构），保证乳液的稳定而不破乳是最为关键的一个环节。本申请采用快速膜乳化工艺，其相对于传统的如高压均质、超声等乳液制备工艺，具有低能耗、低剪切力等技术优势，对增强乳液的稳定性及增加对亚铁离子的保护性至关重要；
（4）根据实际产品需要，通过选取不同孔隙的SPG膜，可以制备几百纳米尺寸不等，且粒径大小均一的硫酸亚铁微胶囊；
（5）整个微囊化生产工艺流程中采用的均为食品级原料，未引入任何食品加工助剂以及有毒有害的化学物质，这对于微胶囊后续的推广应用，尤其是婴幼儿食品的强化将会更加安全可靠；
（6）海藻酸钠及壳聚糖均为天然可生物降解的多糖类物质，价廉易得且兼具保健功效，加之硫酸亚铁本身低成本而又高效，会使得产品生产成本总体大幅降低，适于广泛的推广和应用；
（7）海藻酸钙-壳聚糖微胶囊具有胃不溶而肠溶、缓释的特性，对于硫酸亚铁的金属味道遮盖效果很好，能提高尤其是婴幼儿对该类产品的可接受度。
附图说明
图1为硫酸亚铁微胶囊的制备工艺流程图；
图2为硫酸亚铁微囊化四相复乳模拟构造图；
图3为硫酸亚铁微胶囊扫描电镜图片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。
实施例1：
（1）内水相W1的配制：称取0.1g水溶性抗坏血酸，将其添加到100ml的20%硫酸亚铁水溶液中，避光环境下磁力搅拌至混匀；
（2）内油相O1的配制：称取0.1g司盘80，将其添加到100ml的市售饱和食用油中，磁力搅拌至混匀；
（3）外水相W2的配制：称取0.1g蔗糖脂肪酸酯（SE-15），将其添加到100ml的2%海藻酸钠水溶液中，磁力搅拌至混匀；
（4）外油相配O2的配制：称取1g聚甘油脂肪酸酯（PO-5S），将其添加到100ml葵花籽油中，磁力搅拌至混匀；
（5）氯化钙固化剂的配制：将5ml质量比为5%的氯化钙水溶液添加到30ml步骤（4）的外油相中，设定功率为30%条件下超声乳化2min；
（6）壳聚糖溶液的配制：将1.5g壳聚糖添加到100mlpH4.0的醋酸溶液中，磁力搅拌2h后离心取上清液备用；
（7）第一次快速膜乳化：按照体积1:3的比例将10ml步骤（1）的内水相预先添加到30ml步骤（2）的内油相中磁力搅拌均匀，选取孔隙0.1μm的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第一次快速膜乳化3遍后形成W1/O1乳液；
（8）第二次快速膜乳化：按照体积1:5的比例将10ml步骤（7）的W1/O1乳液预先添加到50ml步骤（3）的外水相中磁力搅拌均匀，选取5.2μm的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第二次快速膜乳化3次后形成W1/O1/W2乳液；
（9）第三次快速膜乳化：按照体积1:20的比例将10ml步骤（8）的W1/O1/W2乳液预先添加到200ml步骤（4）的外油相中磁力搅拌均匀，选取9.2μm的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第三次快速膜乳化3次后最终制得W1/O1/W2/O2四相复乳；
（10）第一次固化：量取30ml步骤（5）制备的氯化钙添加到步骤（9）制备的四相复乳中，40℃温控条件下以100rpm固化4小时；
（11）第二次固化：首先将步骤（10）制备的海藻酸钙微囊洗脱掉外油相后用20ml去离子水悬浮，然后将20ml步骤（6）制备的壳聚糖溶液添加到该溶液中，以200rpm磁力搅拌下固化1小时，洗脱掉多余的壳聚糖后将微囊用5ml去离子水悬浮后常规冷冻24h；
（12）冷冻干燥：将步骤（11）微胶囊悬浮液冷冻干燥72小时，即得所述的纳米级硫酸亚铁固体微胶囊。
本实施例的硫酸亚铁微胶囊水合粒径为751±84nm，多分散指数（PDI）为0.113，表面电荷为+5.5mV，电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）检测亚铁离子的有效装载率为73%，硫酸亚铁微胶囊冷场扫描电镜图片见附图3。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊，包括由硫酸亚铁组成的活性层和由海藻酸钙-壳聚糖组成的壁材层，其特征在于：所述活性层和壁材层之间还包含一层由饱和食用油组成的保护层；所述活性层、保护层及壁材层分别占总重量的1-5%、20-50%、45-70%；所述微胶囊的粒径范围为500-1000nm，其亚铁离子有效装载率为70%-80%。
2.如权利要求1所述的纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊，其特征在于：所述微胶囊中还含有占总重量0.01-0.1%的水溶性抗氧化剂、0.02-0.25%的亲油性乳化剂、0.02-0.2%的亲水性乳化剂。
3.如权利要求2所述的纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊，其特征在于：所述水溶性抗氧化剂优选水溶性抗坏血酸。
4.如权利要求2所述的纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊，其特征在于：所述亲油性乳化剂选自司盘80或聚甘油脂肪酸酯中的一种或两种。
5.如权利要求2所述的纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊，其特征在于：所述的亲水性乳化剂优选蔗糖脂肪酸酯。
6.一种制备如权利要求1所述纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）内水相W1的配制：称取适量水溶性抗氧化剂，将其按照重量百分比0.1～1%添加到5～30%硫酸亚铁水溶液中，磁力搅拌至混匀；
（2）内油相O1的配制：称取适量的一种或几种亲油性乳化剂，将其按照总重量百分比0.1～0.5%添加到饱和食用油中，磁力搅拌至混匀；
（3）外水相W2的配制：称取适量的一种或几种亲水性乳化剂，将其按照总重量百分比0.1～1%添加到1～3%海藻酸钠水溶液中，磁力搅拌至混匀；
（4）外油相O2的配制：称取适量的一种或几种亲油性乳化剂，将其按照总重量百分比2～4%添加到普通食用油中，磁力搅拌至混匀；
（5）氯化钙固化剂的配制：首先制备一定量的重量比为1～10%的氯化钙水溶液，然后按照体积1:5～1:10的比例将氯化钙水溶液添加到一定量步骤（4）的外油相中，超声混匀后备用；
（6）壳聚糖溶液的配制：按照重量比为1～3%的比例将一定量的壳聚糖溶解到pH值为3～4的醋酸/柠檬酸溶液中，磁力搅拌均匀后备用；
（7）第一次快速膜乳化：按照体积1:1～1:5的比例将步骤（1）的内水相预先添加到步骤（2）的内油相中磁力搅拌均匀，首先选取孔隙在0.1～0.28μm之间的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第一次快速膜乳化1～3遍后形成W1/O1乳液；
（8）第二次快速膜乳化：按照体积1:5～1:10的比例将步骤（7）的W1/O1乳液预先添加到步骤（3）的外水相中磁力搅拌均匀，选取孔隙在0.28～5.2μm 之间的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第二次快速膜乳化1～3次后形成W1/O1/W2乳液；
（9）第三次快速膜乳化：按照体积1:10～1:20的比例将步骤（8）的W1/O1/W2乳液预先添加到步骤（4）的外油相中磁力搅拌均匀，选取孔隙在5.2～9.2μm之间的 SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第三次快速膜乳化1～3次后最终制得W1/O1/W2/O2四相复乳；
（10）第一次固化：根据海藻酸钠大分子中所含古洛糖醛酸单元的数量，按照1:1～1:4的摩尔比将步骤（5）制备的氯化钙添加到步骤（9）制备的四相复乳中，30～60℃温控条件下以100～300rpm固化2～6小时；
（11）第二次固化：首先将步骤（10）制备的海藻酸钙微囊洗脱掉外油相后用一定量去离子水悬浮，然后按照等体积的比例将步骤（6）制备的壳聚糖溶液添加到该溶液中，以100～300rpm磁力搅拌下固化1～3小时，洗脱掉多余的壳聚糖后将微囊用少量去离子水悬浮；
（12）冷冻干燥：将步骤（11）微胶囊悬浮液冷冻干燥24～72小时，即得所述的纳米级硫酸亚铁营养补充剂微胶囊。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：通过选取相应孔隙的SPG膜可制备500-1000nm且粒径大小均一的硫酸亚铁微胶囊。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）内水相W1的配制：称取0.1g水溶性抗坏血酸，将其添加到100ml的20%硫酸亚铁水溶液中，避光环境下磁力搅拌至混匀；
（2）内油相O1的配制：称取0.1g司盘80，将其添加到100ml的市售饱和食用油中，磁力搅拌至混匀；
（3）外水相W2的配制：称取0.1g蔗糖脂肪酸酯，将其添加到100ml的2%海藻酸钠水溶液中，磁力搅拌至混匀；
（4）外油相O2的配制：称取1g聚甘油脂肪酸酯，将其添加到100ml葵花籽油中，磁力搅拌至混匀；
（5）氯化钙固化剂的配制：将5ml质量比为5%的氯化钙水溶液添加到30ml步骤（4）的外油相中，设定功率为30%条件下超声乳化2min；
（6）壳聚糖溶液的配制：将1.5g壳聚糖添加到100mlpH4.0的醋酸溶液中，磁力搅拌2h后离心取上清液备用；
（7）第一次快速膜乳化：按照体积1:3的比例将10ml步骤（1）的内水相预先添加到30ml步骤（2）的内油相中磁力搅拌均匀，选取孔隙0.1μm的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第一次快速膜乳化3遍后形成W1/O1乳液；
（8）第二次快速膜乳化：按照体积1:5的比例将10ml步骤（7）的W1/O1乳液预先添加到50ml步骤（3）的外水相中磁力搅拌均匀，选取5.2μm的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第二次快速膜乳化3次后形成W1/O1/W2乳液；
（9）第三次快速膜乳化：按照体积1:20的比例将10ml步骤（8）的W1/O1/W2乳液预先添加到200ml步骤（4）的外油相中磁力搅拌均匀，选取9.2μm的SPG膜，然后将预混液放进装置中进行第三次快速膜乳化3次后最终制得W1/O1/W2/O2四相复乳；
（10）第一次固化：量取30ml步骤（5）制备的氯化钙添加到步骤（9）制备的四相复乳中，40℃温控条件下以100rpm固化4小时；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |