超声辅助高压微射流制备乳清分离蛋白-菊粉基人参皂苷纳米乳液的工艺优化及其抗氧化活性

柴雨行,徐艳阳*,黄舒腾,游溪溪

(吉林大学 食品科学与工程学院,吉林 长春 130062)

摘 要: 为研究超声辅助高压微射流工艺对乳清分离蛋白-菊粉基人参皂苷纳米乳液品质的影响,优化工艺条件,以人参皂苷的包埋率和平均粒径为考察指标,研究超声功率、超声时间、微射流压力和微射流次数对人参皂苷纳米乳液的影响,并进行响应面优化试验, 获得较优制备工艺;利用激光共聚焦显微镜对制得的纳米乳液微观结构进行分析,并通过其对DPPH 自由基和ABTS+自由基清除率进行抗氧化活性分析。结果表明,人参皂苷纳米乳液的最佳工艺条件为超声功率450 W、超声时间14 min、微射流压力100 MPa、微射流8 次。在此条件下制备的纳米乳液平均粒径为(202.85±3.00) nm,人参皂苷包埋率为(69.32±2.21)%。与单独超声工艺相比,此工艺制备的纳米乳液的包埋率提高48%,平均粒径减小32%;与单独高压微射流工艺相比,此工艺纳米乳液包埋率提高7%,平均粒径减小5%。由微观结构可知,该乳液为O/W 型结构。通过DPPH、ABTS+自由基清除率结果可知,超声辅助高压微射流处理以及蛋白质-多糖复合体系的纳米载体均能够提高人参皂苷纳米乳液的抗氧化活性。因此超声辅助高压微射流工艺制备的乳清分离蛋白-菊粉基人参皂苷纳米乳液品质更优,可以作为制备纳米乳液的一种更有效方法。

关键词: 人参皂苷; 纳米乳液; 超声辅助;高压微射流;抗氧化活性

人参(Panax ginseng C. A. Meyer)是五加科、人参属多年生草本植物的干燥根,也是我国传统的名贵中药和食品原料,被称为“百草之王”[1]。人参中最主要的活性成分是人参皂苷,包括人参三醇、人参皂苷Rh2、Rg5、Rc、Re、Rd 等,具有提高机体免疫力、调节神经系统、抗氧化、抗炎、抑制肿瘤和抗衰老[2-4]等功效。但是人参皂苷的水溶性差、消化吸收慢、生物利用度低[5-6],在一定程度上限制了其在医药和食品中的应用。

近年来,纳米技术的快速发展,促进了纳米递送系统在医药和食品领域的研究开发。研究发现,使用纳米级递送系统封装和递送疏水性生物活性物质能够极大改善化合物的水分散性、化学稳定性、释放特性和生物功效[7-8]。食品级纳米递送系统主要包括纳米颗粒、纳米乳液、纳米脂质体和凝胶等[9-10]

乳清分离蛋白(whey protein isolate,WPI)是奶酪生产过程中重要的副产物,即牛乳除去酪蛋白后得到纯度超过90%的乳清蛋白[11-12]。乳清分离蛋白具有较高的营养价值、低廉的价格以及乳化、增稠、多糖复合等多种功能特性,因此可作为生物活性物质的载体[13-14]。其应用缺陷主要是热稳定性低、抗氧化性有限,限制了其在食品工业特别是在乳化包埋体系中的进一步应用。改善乳清分离蛋白功能特性的有效改性方法之一是物理加工,如超声波处理[15]和高压均质处理[16]。另外,为进一步增强蛋白包埋体系的稳定性,可在蛋白外附加一层多糖,多糖通过静电作用与蛋白复合,可以增加复合物间的空间位阻和静电排斥力[17]

菊粉(inulin,Inu)是一种线性直链阴离子多糖,广泛存在于复合科植物的根茎中[18]。研究表明菊粉和蛋白质通过分子间相互作用形成的复合物比单独菊粉或蛋白质具有更好的功能特性[19-21],例如乳化和热稳定特性。基于食品蛋白质和多糖的纳米递送系统因具有高封装效率、较好的生物相容性、生物降解性和控释性等优点成为封装生物活性物质的重要研究领域[22-23]。因此,可以用菊粉和乳清分离蛋白制备纳米乳液递送系统来封装人参皂苷。

目前,纳米乳液的制备方法分为低能和高能两种[24]。低能乳化法主要包括相转变温度法、相转变组成法、微乳液稀释法等。高能乳化法常用均质机(如高压均质机、高压微射流均质机等)进行匀浆、剪切搅拌、超声等制备纳米乳液。其中由于高压微射流具有短时间对乳液体系进行高速撞击、剪切、气蚀等特点,因此,可作为形成均一、稳定及超精细流体的主要制备方法。高压微射流技术在制备甜橙油、岩藻黄素、姜黄素、紫苏油纳米乳液方面已有一定的研究[25-28]

目前对人参皂苷纳米乳液递送系统的研究较少,因此本文将乳清分离蛋白和菊粉复合,应用超声辅助高压微射流技术制备人参皂苷纳米乳液,探讨超声辅助高压微射流工艺制备乳清分离蛋白-菊粉基人参皂苷纳米乳液的最优工艺,旨在开发一种低粒径、较高载量、稳定性好的脂质体运载体系,为纳米乳液递送系统和人参功能食品的开发及人参皂苷在药品、食品实际加工生产中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

人参皂苷(纯度80%):吉林省宏久生物科技有限公司;甲醇、乙腈(均为色谱纯):美国Fisher 公司;乳清分离蛋白:美国Hilmar 公司;菊粉:重庆骄王天然产物有限公司;无水乙醇(分析纯):广东光华科技股份有限公司;大豆油:益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司;人参皂苷Rg1、Re、Rd、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)、2,2′-联氮双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)[2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid),ABTS](均为色谱纯)、尼罗红、尼罗蓝(均为生物试剂):上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

FB-110T5 超高压微射流均质机:上海励途超高压设备有限公司;JY92-ⅡDN 型超声波细胞粉碎机:宁波新芝生物科技股份有限公司;G7114A 高效液相色谱仪、symmetryC18 反相色谱柱(4.6 mm×150 mm,5 μm):美国安捷伦科技有限公司;Nano-ZS 激光粒度仪:英国Malvern 公司;AL104 型电子分析天平:上海梅特勒-托利多仪器有限公司;SRH60-70 高压均质机:廊坊市盛通机械有限公司;FV-1000 光谱型激光共聚焦显微镜:日本奥林巴斯公司。

1.3 方法

1.3.1 水、油相配制

水相:将乳清分离蛋白(WPI)和菊粉(Inu)分别溶解于蒸馏水中,磁力搅拌2 h,使充分溶解,制得质量分数均为2.0%的WPI 和Inu 溶液,然后置于4 ℃冰箱过夜水合。将水合的WPI 和Inu 溶液按体积比1∶1 混合,磁力搅拌1 h 后,置于4 ℃储存备用。

油相:将一定量的人参皂苷在无水乙醇中溶解,磁力搅拌10 min 后,加入一定量的大豆油,继续搅拌2 h。

1.3.2 WPI-Inu 基人参皂苷纳米乳液的制备

将水相与油相按体积比9∶1 混合,经1 h 磁力搅拌后,超声一定时间,经高压微射流制备WPI-Inu 基人参皂苷纳米乳液。

单独超声试验:将水相与油相按体积比9∶1 混合,经1 h 磁力搅拌后,仅在超声功率450 W、超声时间14 min 下制备对比组的纳米乳液。

单独高压微射流试验:将水相与油相按体积比9∶1混合,经1 h 磁力搅拌后,仅在微射流压力100 MPa、循环8 次下制备对比组的纳米乳液。

1.3.3 WPI-Inu 基人参皂苷纳米乳液的制备工艺优化

以人参皂苷包埋率和平均粒径为考察指标,研究超声功率、超声时间、微射流压力和微射流次数对人参皂苷纳米乳液的影响,在此基础上应用响应面法优化试验设计。

1.3.3.1 单因素试验设计

固定超声时间为10 min、微射流压力为100 MPa、微射流次数为5,设置超声功率分别为180、280、380、480、580 W,考察超声功率对人参皂苷纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响。

固定超声功率为480 W、微射流压力为100 MPa、微射流次数为5,设置超声时间分别为5、10、15、20、25 min,考察超声时间对人参皂苷纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响。

固定超声功率为480 W、超声时间为15 min、微射流次数为5,设置微射流压力分别为20、50、80、110、140 MPa,考察微射流压力对人参皂苷纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响。

固定超声功率为480 W、超声时间为15 min、微射流压力为110 MPa,设置微射流次数为2、4、6、8、10,考察微射流次数对人参皂苷纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响。

1.3.3.2 响应面优化试验

在单因素试验的基础上,应用Design-Expert 13.0软件,按照Box-Behnken 设计原理,以超声功率(X1)、超声时间(X2)、微射流压力(X3)、微射流次数(X4)为自变量,人参皂苷包埋率(Y)为指标进行四因素三水平的响应面优化试验,因素及水平设计见表1。

表1 响应面设计的因素与水平
Table 1 Factors and levels of response surface design

水平-1 01因素X1 超声功率/W 380 480 580 X2 超声时间/min 10 15 20 X3 微射流压力/MPa 80 110 140 X4 微射流次数681 0

1.3.4 纳米乳液平均粒径的测定

将制得的乳液用超纯水稀释100 倍,使用激光粒度仪测定样品的粒径大小。

1.3.5 人参皂苷包埋率的测定

根据《中华人民共和国药典》2020 年版中人参皂苷的检测方法并稍作修改,以十八烷基硅烷键合硅胶为填充剂(柱长为15 cm,内径为4.6 mm,粒径为5 μm);以乙腈为流动相A ,以0.1%磷酸溶液为流动相B ,进行梯度洗脱;梯度洗脱条件:0~20 min,19%~20% A;20~65 min,20%~37% A;柱温为30 ℃;流速1 mL/min,检测波长为203 nm。

标准曲线的绘制:准确称取人参皂苷Rg1、Re、Rd标准样品溶于10 mL 甲醇,稀释得到15、30、60、120、240、300 μg/mL 的人参皂苷标准溶液,于203 nm 波长下测定峰面积,绘制人参皂苷标准曲线,横坐标为人参皂苷质量浓度,纵坐标为其对应的峰面积。人参皂苷在203 nm 处的标准曲线方程为y=3.604 11x+4.759 22,相关系数R2>0.999,说明人参皂苷在15~300 μg/mL 之间呈良好的线性关系,可以用于定量分析。

根据人参皂苷标准方程,计算游离人参皂苷浓度,按下列公式计算人参皂苷的包埋率(X,%)。

式中:C1 为添加到体系中的人参皂苷的初始浓度,μg/mL;C2 为体系中游离的人参皂苷浓度,μg/mL。

1.3.6 人参皂苷纳米乳液的微观结构

使用光谱型激光共聚焦显微镜观察乳液的微观结构,参照Yu 等[29]的方法并进行适当修改,提前24 h 配制染液。首先取1 mL 新鲜制备的乳液样品加入40 μL尼罗红(1 mg/mL)和80 μL 尼罗蓝(10 mg/mL)两种荧光染料染色,然后移取10 μL 样品放在显微镜载玻片上,并用盖玻片轻轻覆盖,尼罗蓝在633 nm 处被He-Ne 激光激发,而尼罗红在488 nm 处被Ar/Kr 激光激发,通过调整合适的倍镜,采集荧光图像并拍照保存。

1.3.7 人参皂苷纳米乳液的抗氧化活性的测定

1.3.7.1 DPPH 自由基清除率的测定

参照Fu 等[30]的方法并适当修改。将1 mL 纳米乳液与1 mL 0.1 mmol/L 的DPPH 乙醇溶液混合,在室温下避光反应30 min。然后在517 nm 处测定吸光度,并以乙醇溶液为对照。DPPH 自由基清除率(Y,%)使用以下公式计算。

式中:A 为纳米乳液和DPPH 乙醇溶液反应后的吸光度;A1 为纳米乳液和无水乙醇反应后的吸光度;A0为蒸馏水和DPPH 乙醇溶液反应后的吸光度。

1.3.7.2 ABTS+自由基清除率的测定

参照Wang 等[31]的方法并适当修改。准确称取97.03 mg ABTS、16.76 mg K2S2O8 分别置于25 mL 棕色容量瓶中,并用去离子水定容至刻度线,将配制的ABTS、K2S2O8 溶液等体积混合,室温下避光静置12~16 h 得到ABTS 储备液。测定时,将ABTS 储备液经无水乙醇稀释至吸光度为0.70±0.02,得ABTS 使用液。

将1 mL 纳米乳液和4 mL ABTS 使用液混合,室温避光反应6 min,于734 nm 处测定吸光度,ABTS+自由基清除率(Z,%)使用以下公式计算。

式中:A 为纳米乳液和ABTS 使用液反应后的吸光度;A1 为纳米乳液和无水乙醇反应后的吸光度;A0 为蒸馏水和ABTS 使用液反应后的吸光度。

1.4 数据处理与分析

每组试验重复3 次,结果以平均值±标准差表示。应用SPSS 17.0 软件进行单因素方差分析及Duncan多重比较分析,Design-Exper 13.0 软件进行响应面优化试验,Origin 2023 软件作图,并进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 超声功率对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响

超声功率对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响见图1。

图1 超声功率对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响
Fig.1 Effects of ultrasonic power on average particle size and ginsenoside encapsulation rate of nanoemulsion

同一指标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图1 可知,超声功率为100~600 W,纳米乳液平均粒径为200~225 nm,符合食品级纳米乳液的要求。然而,当超声功率过大时,由于高温和表面活性剂功能的丧失,乳液粒径可能会增加[32]。180~480 W 内,人参皂苷包埋率随着超声功率的增大而增大,在480 W时,包埋率最大,为59.07%。超过480 W 后,包埋率显著下降(P<0.05)。综合考虑确定480 W 为进一步优化的零水平。

2.1.2 超声时间对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响

超声时间对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响见图2。

图2 超声时间对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响
Fig.2 Effects of ultrasonic time on average particle size and ginsenoside encapsulation rate of nanoemulsion

同一指标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图2 可知,超声时间在5~25 min 内,平均粒径在200~225 nm。这可能是因为超声波处理可以将乳液中的大颗粒破碎成细小的微粒,乳液粒径降低,从而使其分散性更好[33]。超声时间在5~15 min,人参皂苷包埋率逐渐增大,当超声时间为15 min 时达到最大,为57.11%,超过15 min 后逐渐下降。这可能因为纳米乳液经历长时间的碰撞和过高的空化能,其液滴结构遭到破坏,纳米体系稳定性降低,从而使人参皂苷包埋率降低。因此确定超声时间为15 min 为进一步优化的零水平。

2.1.3 微射流压力对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响

微射流压力对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响见图3。

图3 微射流压力对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响
Fig.3 Effects of microfluidization pressure on average particle size and ginsenoside encapsulation rate of nanoemulsion

同一指标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图3 可知,随着微射流压力的增加,乳液的平均粒径呈现降低趋势,而人参皂苷包埋率呈现先增加后降低的趋势。当微射流压力在20~110 MPa 时,乳液的平均粒径从(256.73±5.47) nm 减小到(210.93±3.17) nm,这可能是因为高压微射流处理中的机械力破坏了乳液颗粒。当粗乳液进入腔体内的相对狭小空间时,受到强烈的撞击作用,乳液瞬间受到强大的压力,导致乳液的较大颗粒被破碎。经过微射流处理的样品粒径减小,具有更高的稳定性,这与耿宏庆等[34]在研究高压处理微晶纤维素-猪油Pickering 乳液的结果一致。人参皂苷包埋率从(48.75±0.57)%提高到(58.76±0.48)%,且均具有显著性差异(P<0.05),综合考虑确定110 MPa 为进一步优化的零水平。

2.1.4 微射流次数对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响

微射流次数对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响见图4。

图4 微射流次数对纳米乳液平均粒径和人参皂苷包埋率的影响
Fig.4 Effects of microfluidization cycles on average particle size and ginsenoside encapsulation rate of nanoemulsion

同一指标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由图4 可知,随着微射流次数的增加,乳液的平均粒径呈现降低趋势,而人参皂苷包埋率呈现先增加后降低的趋势。当微射流次数为8 时,乳液的平均粒径从(234.43±3.16)nm 降低至(211.45±4.32)nm,人参皂苷包埋率从(52.25±0.56)%提高到(61.25±0.64)%,且均具有显著差异(P<0.05)。超过8 次后,包埋率显著降低。综合考虑确定微射流8 次为进一步优化的零水平。

2.2 响应面优化试验结果与分析

2.2.1 回归模型的建立及显著性分析

响应面试验设计及结果见表2。

表2 响应面试验设计及结果
Table 2 Response surface test design and results

序号1234567891 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 X1 /W 480 480 480 480 480 380 480 580 480 480 380 580 480 380 480 480 380 480 580 380 480 480 580 580 480 480 480 580 380 X2 /min 15 15 15 10 15 15 15 15 20 15 20 10 20 15 20 15 15 10 15 15 15 10 20 15 10 20 15 15 10 X3 /MPa 80 80 140 80 110 110 110 140 110 140 110 110 140 110 110 110 80 110 80 140 110 140 110 110 110 80 110 110 110 X4 61 0 10 881 0881 0688866881 0888881 068868包埋率/%54.60 56.89 52.67 56.19 61.98 56.64 64.27 49.16 55.39 52.52 56.47 53.35 53.51 56.97 56.11 62.88 56.53 58.98 53.37 55.00 62.30 54.26 50.25 52.06 57.17 54.35 61.45 52.26 58.77

应用Design-Expert 13.0 软件对数据进行回归拟合分析,获得响应值与自变量的回归方程为Y=-196.319 76 + 0.451 893X1 + 3.786 60X2 + 1.304 17X3+14.910 25X4-0.000 400X1X2-0.000 223X1X3+0.000 162X1X4+0.001 817X2X3-0.063 250X2X4-0.008 917X3X4-0.000 466X12-0.116 637X22-0.00 5427X32-0.808 354X42

回归模型方差分析见表3。

表3 回归模型方差分析
Table 3 Analysis of variance for regression model

注: *表示影响显著, P<0.05;**表示影响极显著, P<0.01。

方差来源模型X1 X2 X3 X4 X1X2 X1X3 X1X4 X2X3 X2X4 X3X4 X12 X22 X32 X42残差失拟项纯误差总和平方和390.51 74.62 13.33 18.29 0.751 5 0.163 4 1.81 0.004 6 0.295 8 1.6 1.14 141.04 55.11 154.72 67.76 12.51 7.86 4.65 403.03自由度14 111111111111111 4 10 4 28均方27.89 74.62 13.33 18.29 0.751 5 0.163 4 1.81 0.004 6 0.295 8 1.6 1.14 141.04 55.11 154.72 67.76 0.893 8 0.785 8 1.16 F 值31.21 83.49 14.92 20.46 0.840 8 0.182 8 2.03 0.005 2 0.331 1.79 1.28 157.8 61.66 173.11 75.82 0.675 4 P 值<0.000 1**<0.000 1**0.001 7**0.000 5**0.374 7 0.675 5 0.176 5 0.943 8 0.044 2*0.201 8 0.277 5<0.000 1**<0.000 1**<0.000 1**<0.000 1**0.720 6

F 值可以反映各因素对试验指标的重要性,F 值越大,表明对指标的影响越大,即重要性越大。由表3可知,各因素的影响程度大小顺序为超声功率>微射流压力>超声时间>微射流次数。该模型P<0.000 1,表明影响极显著;失拟项P=0.720 6>0.05,影响不显著;相关系数R2 为0.969 0,校正系数RAdj2=0.937 9,说明该模型与实际拟合良好,可用于人参皂苷纳米乳液的工艺优化。

2.2.2 响应面交互作用分析

利用Design-Expert 13.0 软件对回归模型构建响应面和等高线,分析各因素对包埋率的影响,结果见图5。

图5 各因素间交互作用对人参皂苷包埋率影响的响应面图
Fig.5 Response surface diagrams of the effects of interactions between factors on ginsenoside encapsulation rate

由图5 可知,自变量之间交互作用的显著程度,其中圆形表示两个自变量之间交互作用不明显,椭圆形表示交互作用显著。超声时间和微射流压力的等高线图为椭圆形,表明两个自变量之间交互作用明显,与方差结果一致。

2.2.3 验证试验结果

根据响应面试验结果,得到WPI-Inu 基人参皂苷纳米乳液的最佳工艺条件为超声功率454.483 W、超声时间14.077 2 min、微射流压力为106.485 MPa、微射流次数8.130 22;综合考虑到实际操作条件,将最佳工艺条件调整为超声功率450 W、超声时间14 min、微射流压力100 MPa、微射流8 次,在此条件下进行3 次验证试验,得到纳米乳液的平均粒径为(202.85±3.00) nm,人参皂苷的包埋率为(69.32±2.21)%,理论预测值为68.54%,与实际测定值之间的相对误差为1.13%,与预测值接近,表明该响应面法得到的超声辅助微射流较佳制备工艺条件可靠,可用于人参皂苷纳米乳液的制备。

与单独超声工艺相比,超声辅助高压微射流工艺处理的人参皂苷纳米乳液的包埋率提高了48%,平均粒径减小了32%。与单独高压微射流工艺相比,超声辅助高压微射流工艺处理的人参皂苷纳米乳液的包埋率提高了7%,平均粒径减小了5%。

2.3 人参皂苷纳米乳液的微观结构分析

各人参皂苷纳米乳液的激光共聚焦显微镜图见图6。

图6 各人参皂苷纳米乳液的激光共聚焦显微镜图
Fig.6 Confocal laser scanning microscope images of ginsenoside nanoemulsion

如图6 所示,WPI 和大豆油分别用尼罗蓝和尼罗红染色[29],可以看出,油滴的红色荧光被蛋白的绿色信号紧密包围,表明形成的乳液体系属于O/W 乳液。

2.4 人参皂苷纳米乳液的抗氧化活性分析

不同浓度人参皂苷纳米乳液对DPPH、ABTS+自由基的清除能力见图7。

图7 不同浓度人参皂苷纳米乳液对DPPH、ABTS+自由基的清除能力
Fig.7 Activities of ginsenoside nanoemulsion with different concentrations to scavenge DPPH and ABTS+ free radicals

UH-WIG.超声辅助高压微射流制备的WPI-Inu 基人参皂苷纳米乳液;U-WIG.超声制备的WPI-Inu 基人参皂苷纳米乳液;H-WIG.高压微射流制备的WPI-Inu 基人参皂苷纳米乳液;UH-WG.超声辅助高压微射流制备的WPI 基人参皂苷纳米乳液;UH-WI.超声辅助高压微射流制备的WPI-Inu 纳米乳液;UH-IG.超声辅助高压微射流制备的Inu 基人参皂苷纳米乳液。

由图7 可知,当人参皂苷纳米乳液浓度为10 mg/mL时,超声辅助高压微射流制备的纳米乳液DPPH 和ABTS+自由基清除率比仅通过超声或者高压微射流方法制备的纳米乳液分别提高了5.97%、13.89% 和9.21%、25.89%。同时,人参皂苷纳米乳液比不添加人参皂苷的分别提高了15.51% 和19.02%,说明超声辅助高压微射流制备的人参皂苷纳米乳液具有更高的抗氧化活性。可能是因为超声处理乳清分离蛋白后其抗氧化基团和结构释放,提高了蛋白的抗氧化活性。并且超声波产生的空化效应为乳液提供剪切作用,产生分散良好的小颗粒,从而增加乳液油水界面的接触面积并提供更多的自由基反应位点。这与Zhang 等[35]的结果一致,经过超声处理的乳清分离蛋白的抗氧化活性提高。高压微射流处理过程中引入了疏水基团或氨基酸,这些疏水残基有助于与疏水自由基相互作用,从而增加它们在油水界面的浓度。Zhang 等[36]利用动态高压微射流制作大麻分离蛋白高内相乳液,发现其抗氧化活性显著增强。

由WPI 和Inu 形成的蛋白-多糖复合纳米递送体系的DPPH 和ABTS+自由基清除率比使用单一蛋白或者多糖的清除率分别提高了3.58%、13.56%和81.05%、101.10%,说明乳清分离蛋白-菊粉复合纳米递送体系能够提升人参皂苷纳米乳液的抗氧化活性。这可能是因为WPI 是一种天然抗氧化生物聚合物,含有蛋氨酸和半胱氨酸等氨基酸,具有清除自由基的能力,可以提高抗氧化活性[37]。乳清分离蛋白和菊粉结合后,复合物表面羟基的数量增加,从而增强其抗氧化能力[38]

3 结论

本文应用超声波辅助微射流技术制备乳清分离蛋白-菊粉基人参皂苷纳米乳液,在单因素试验基础上,通过四因素三水平的响应面优化试验,得到超声波辅助微射流制备人参皂苷纳米乳液的最佳条件,并建立人参皂苷包埋率的二次多项式数学模型。超声波辅助处理的最佳制备条件为超声功率450 W、超声时间14 min、微射流压力100 MPa、微射流8 次,在此优化条件下人参皂苷纳米乳液的平均粒径为(202.85±3.00) nm,人参皂苷的包埋率为(69.32±2.21)%。同时,与单独超声工艺相比,超声辅助高压微射流工艺处理的人参皂苷纳米乳液的包埋率提高了48%,平均粒径减小了32%。与单独高压微射流工艺相比,超声辅助高压微射流工艺处理的人参皂苷纳米乳液的包埋率提高了7%,平均粒径减小了5%。由人参皂苷纳米乳液的微观结构分析可知,该乳液为O/W 结构。抗氧化结果表明,超声辅助高压微射流处理以及蛋白质-多糖复合体系的纳米载体均能够提高纳米乳液的抗氧化活性。因此,超声波辅助微射流处理是一种有效的人参皂苷纳米乳液制备方法,能够为纳米递送系统的制备提供一种更优的加工方式。

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Ultrasound-Assisted High-Pressure Microfluidization Process Optimization and Antioxidant Activity of Whey Protein-Inulin-Based Ginsenoside Nanoemulsion

CHAI Yuxing, XU Yanyang*, HUANG Shuteng, YOU Xixi

(College of Food Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130062, Jilin, China)

Abstract: The effect of ultrasound-assisted high-pressure microfluidization on the quality of whey protein-inulin-based ginsenoside nanoemulsions was studied. With the encapsulation efficiency and average particle size of ginsenosides as evaluation indicators, response surface methodology was employed to optimize the preparation process including ultrasonic power, ultrasonic time, microfluidization pressure, and microfluidization cycles of ginsenoside nanoemulsions. Laser confocal microscopy was employed to observe the microstructure of the nanoemulsion. The antioxidant activity of the prepared nanoemulsion was assessed based on the DPPH and ABTS+ radical scavenging rates. The results indicated that the optimal conditions for preparing ginsenoside nanoemulsions were ultrasonic power of 450 W, ultrasonic time of 14 min, microfluidization pressure of 100 MPa,and 8 microfluidization cycles. Under these conditions, the average particle size of the nanoemulsion was(202.85±3.00) nm, and the encapsulation efficiency of ginsenosides was (69.32±2.21)%. Compared with the ultrasonic process alone, the combined method improved the encapsulation efficiency by 48% and reduced the average particle size by 32%. Compared with the high-pressure microfluidization alone, the combined method increased the encapsulation efficiency by 7% and decreased the average particle size by 5%. The microscopic analysis revealed that the emulsion had an O/W structure. The DPPH and ABTS+ radical scavenging rates suggested that ultrasound-assisted high-pressure microfluidization and the protein-polysaccharide composite nanocarrier system enhanced the antioxidant activity of the ginsenoside nanoemulsion. The whey protein-inulinbased ginsenoside nanoemulsion prepared by ultrasound-assisted high-pressure microfluidization exhibited superior quality. The findings suggested that ultrasound-assisted high-pressure microfluidization represented an effective method for producing nanoemulsions.

Key words: ginsenoside; nanoemulsion; ultrasonound-assisted; high-pressure microfluidization; antioxidant activity

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2025.07.010

引文格式:

柴雨行,徐艳阳,黄舒腾,等. 超声辅助高压微射流制备乳清分离蛋白-菊粉基人参皂苷纳米乳液的工艺优化及其抗氧化活性[J]. 食品研究与开发,2025,46(7):76-84.

CHAI Yuxing, XU Yanyang, HUANG Shuteng, et al. Ultrasound-Assisted High-Pressure Microfluidization Process Optimization and Antioxidant Activity of Whey Protein-Inulin-Based Ginsenoside Nanoemulsion[J]. Food Research and Development,2025,46(7):76-84.

基金项目:吉林省科技发展计划项目(20200708055YY)

作者简介:柴雨行(2000—),女(汉),硕士研究生,研究方向:食品营养与安全。

*通信作者:徐艳阳, 副教授,博士, 研究方向:功能因子及其纳米运载体系构建。

责任编辑:冯娜

收稿日期:2024-01-16