一种包埋亲水化合物的纳米微胶囊及其制备方法与应用

本发明涉及亲水化合物包埋技术领域，涉及一种包埋亲水化合物的纳米微胶囊及其制备方法与应用，具体涉及一种蛋白和多糖纳米微胶囊包埋亲水化合物的方法及产品。

背景技术：

微胶囊技术可以实现食品和药品活性物质的靶向递送和精准释放，然而亲水化合物极易扩散到水相中，限制了亲水化合物的包埋。有大量文献报道了关于疏水性组分的包埋，然而仍缺乏有效的方法包埋和传递亲水化合物。目前关于亲水化合物的包埋方法主要有多层乳液，脂质体和水凝胶等方法，这些方法存在热不稳定，包埋率低，以及非食用级材料等技术问题。

在亲水化合物的包埋材料中，多糖和蛋白质因其天然安全的特性引起了广泛关注，常用的天然多糖有海藻酸钠、壳聚糖、阿拉伯胶等，天然蛋白质包括乳清蛋白、牛血清蛋白、酪蛋白等。一些学者采用海藻酸钠凝胶珠包埋亲水性药物(盐酸阿霉素)，通过将海藻酸钠和亲水化合物混合滴加到氯化钙和壳聚糖混合溶液中，从而实现亲水化合物的层层自组装，然而较大的粒径(大约100μm)限制了其应用。还有一些学者采用超声乳液的方法制备微胶囊用于亲水化合物的递送，然而其最高得率为38.2％，最高包埋率为54.6％。

咖啡因是一种中枢神经兴奋类物质，对中枢神经系统有广泛兴奋作用，能增强大脑皮层及皮层运动区的兴奋，可溶于水和乙醇。咖啡因广泛存在于茶、咖啡、可可等植物中。小剂量咖啡因具有抗氧化、保护心脏血管、利尿、减少疲劳、提高工作效率等功效。人体摄入咖啡因后，大约在40-50min达到血药浓度峰值，因而需要多次服用才能产生持续的有益效果。然而大剂量咖啡因又可能导致不良的反应，例如神经过敏，心悸，焦虑，震颤，肌肉抽搐、睡眠紊乱等症状。通过微胶囊手段可以延缓或延长咖啡因的作用，从而达到持续兴奋作用。

技术实现要素：

现有技术在制备包埋亲水化合物纳米微胶囊时，常使用的包埋方法主要有多层乳液，脂质体和水凝胶等方法，这些方法存在热不稳定，包埋率低，以及非食用级材料等技术问题。本发明首次发现，在适当的壁材与芯材比例下，结合连续的超声和酸化处理，可以成功的将芯材(亲水化合物)包埋在由多糖和蛋白组成的壁材中，形成可包埋亲水化合物的核-壳或核-壳-壳结构的纳米微胶囊。

具体地，本发明为了解决现有技术中，体系热不稳定，包埋率低，以及非食用级材料等问题，提供了一种具体方案如下：

第一方面，本发明提供一种包埋亲水化合物的纳米微胶囊的制备方法，以蛋白和多糖作为壁材，将所述壁材和所述亲水化合物在水中混合，形成混合溶液，超声处理混合溶液的过程中，调节混合溶液ph为3.4-4.5，获得可包埋亲水化合物的核-壳结构的纳米微胶囊。

本发明提供的制备方法，采用食品级的壁材及物理处理方法，有效减少了工艺处理难度，本发明在超声的同时改变混合液ph，使得作为壁材的多糖和蛋白形成致密的纳米微胶囊核-壳结构，有效包埋分散在水中的亲水化合物。采用本发明所提供的制备方法得到的纳米微胶囊可以用于食品、药品及保健品等精细加工领域。

在本发明所提供的制备方法中，以质量体积百分数计，所述蛋白的浓度为0.3-10％，所述多糖的浓度为0.3-10％；所述超声处理为在100-750w超声1-5min。

在本发明所提供的制备方法中，所述多糖为卡拉胶和/或硫酸软骨素；所述多糖的浓度为1-3％。

在本发明所提供的制备方法中，所述蛋白为乳清蛋白、牛血清蛋白、酪蛋白和/或蛋清蛋白；所述蛋白为乳清蛋白；所述蛋白的浓度为1-3％。

在使用本发明所提供的制备方法进行，亲水化合物纳米微胶囊的制备时，亲水化合物占壁材干物质总重的0.5-7％，在超声处理过程时，继续加入浓度为1-3％的蛋白溶液，可以形成核-壳-壳的自组装亲水化合物纳米胶囊。

在本发明所提供的制备方法中，所述亲水化合物为咖啡因、咖啡提取物、花青素、多糖、寡肽、多肽、藻蓝蛋白、环核苷酸、环磷酸腺苷和/或萜烯酸类化合物。

第二方面，本发明提供一种可用于包埋亲水化合物的纳米微胶囊，使用上述制备方法制备得到。

第三方面，本发明提供一种亲水化合物纳米微胶囊，使用上述方法制备得到，所述纳米微胶囊的粒径为100-500nm，呈现核-壳结构或者核-壳-壳结构。

根据本领域技术人员的理解，本发明还要求保护上述的制备方法或上述的纳米微胶囊在生产功能性食品、功能性保健品或靶向治疗药物中的应用。

具体地，将含有上述的纳米微胶囊的溶液进行杀菌罐装后，得到含亲水化合物纳米微胶囊的饮料；

或将含有上述的纳米微胶囊的溶液进行喷雾干燥，进风温度：160-190℃，出口温度：70-90℃，收集塔底产物，得到亲水化合物纳米微胶囊的粉末。

作为本发明的一个具体实施例方式，本发明还要求保护一种制备咖啡因纳米微胶囊的方法，将乳清蛋白、硫酸软骨素和咖啡因在水中，形成混合液，所述乳清蛋白或硫酸软骨素的浓度为0.3-3％；所述咖啡因占蛋白和多糖干物质总重的0.5-7％；对所述混合液在100-750w超声处理1-5min的同时，调节混合液ph为4，获得咖啡因纳米微胶囊。

在咖啡因纳米微胶囊的制备中，乳清蛋白与硫酸软骨素在超声处理下，形成空腔，在酸性环境下，乳清蛋白和硫酸软骨素进一步交联，形成一个纳米胶囊壳，所述纳米胶囊壳的空腔为包埋咖啡因提供空间。

本发明的有益效果至少在于：

(1)本发明制备得到的亲水化合物纳米微胶囊，采用食品级的材料作为壁材，作为壁材的蛋白和多糖安全性高、具有良好的食用价值；

(2)本发明制备得到的亲水化合物纳米微胶囊，纳米微胶囊的粒径为100-500nm，具有很好的分散性；

(3)采用本发明提供的制备方法，可以有效包埋咖啡因等亲水化合物，形成核-壳结构，进一步可以形成核-壳-壳结构；

(4)本发明提供的制备方法，适用范围广，可以用于食品中花青素、多糖、功能性低聚糖(寡糖)、多肽、蛋白、环核苷酸、环磷酸腺苷、萜烯酸类化合物等水溶性化合物纳米微胶囊的制备。

附图说明

图1为本发明实施例1中亲水化合物纳米微胶囊的扫描电镜图(左)和投射电镜图(右)。

图2为本发明制备得到的亲水化合物纳米微胶囊的效果图。

具体实施方式

以下实例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的保护范围。

若未特别指明，本发明实例中所用的实验材料、试剂、仪器等均可市售获得；若未具体指明，本发明实例中所有的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

本实施例提供咖啡因纳米微胶囊的制备方法，步骤如下：

(1)纳米微胶囊制备

将蛋白、多糖及咖啡因溶于水中，其中蛋白的浓度为0.8％，多糖的浓度为1.2％，咖啡因的含量占蛋白和多糖干物质的总重为1％。

所述多糖为硫酸软骨素；所述蛋白质为乳清蛋白；咖啡因为咖啡的提取物。

将超声探头浸入混合溶液中或者采用超声装置，在500w条件下超声处理混合溶液3min；

超声过程中采用1％的柠檬酸溶液将体系ph调至3.5，得到纳米微胶囊。

(2)层层自组装纳米微胶囊

为了进一步增强纳米微胶囊缓释效果，可以在上述溶液持续超声的过程中，继续加入蛋白溶液，形成核-壳-壳的自组装纳米微胶囊，制备得到的纳米微胶囊的电镜扫描图见图1。本实施例制备得到的咖啡因混合溶液见图2。

最终得到的核-壳-壳结构的纳米微胶囊包埋率为81.5％，核-壳结构的纳米微胶囊包埋率为70.2％。

实施例2

本实施例提供咖啡因纳米微胶囊的制备方法，步骤如下：

(1)纳米微胶囊制备

将蛋白、多糖及咖啡因溶于水中，其中蛋白的浓度为0.3％，多糖的浓度为0.5％，咖啡因的含量占蛋白和多糖干物质的总重为1％。

所述多糖为硫酸软骨素；所述蛋白质为乳清蛋白。

将超声探头浸入混合溶液中或者采用超声装置，在100w条件下超声处理混合溶液3min；

超声过程中采用1％的柠檬酸溶液将体系ph调至3.5，得到纳米微胶囊。

(2)层层自组装纳米微胶囊

为了进一步增强纳米微胶囊缓释效果，可以在上述溶液持续超声的过程中，继续加入蛋白溶液，形成核-壳-壳的自组装纳米微胶囊。

最终得到的核-壳-壳结构的纳米微胶囊包埋率为66.8％，核-壳结构的纳米微胶囊包埋率为60.3％。

实施例3

本实施例提供咖啡因纳米微胶囊的制备方法，步骤如下：

(1)纳米微胶囊制备

将蛋白、多糖及咖啡因溶于水中，其中蛋白的浓度为2％，多糖的浓度为3％，咖啡因的含量占蛋白和多糖干物质的总重为0.5％。

所述多糖为硫酸软骨素；所述蛋白质为牛血清蛋白。

将超声探头浸入混合溶液中或者采用超声装置，在750w条件下超声处理混合溶液4min；

超声过程中采用1％的柠檬酸溶液将体系ph调至4.5，得到纳米微胶囊。

(2)层层自组装纳米微胶囊

为了进一步增强纳米微胶囊缓释效果，可以在上述溶液持续超声的过程中，继续加入蛋白溶液，形成核-壳-壳的自组装纳米微胶囊。

最终得到的核-壳-壳结构的纳米微胶囊包埋率为89.5％，核-壳结构的纳米微胶囊包埋率为79.2％。

实施例4花青素纳米微胶囊、藻蓝蛋白纳米微胶囊

本实施例提供花青素和藻蓝蛋白作为芯材制备得到纳米微胶囊。本实施例溶液制备与纳米微胶囊制备与实施例1相同，区别在于，本实施例中所用芯材为供花青素和藻蓝蛋白。

本实施例制备得到的花青素和藻蓝蛋白的混合溶液见图2。从图2中可以看出三种芯材均呈现均一稳定的状态，图2证实了本发明作为一种通用体系实现食品或药品中亲水化合物的包埋。本实施例证实了本发明提供的制备方法，制备包埋亲水化合物纳米微胶囊具有普适性。本发明所提供的制备方法，可以用于制备包埋食品中花青素、多糖、藻蓝蛋白、功能性低聚糖(寡糖)、多肽、蛋白、环核苷酸、环磷酸腺苷、萜烯酸类化合物等水溶性化合物的纳米微胶囊。

实施例5纳米微胶囊产品

将实施例1制备得到纳米微胶囊的溶液进行杀菌罐装后，即得到蛋白和多糖纳米微胶囊包埋咖啡因的饮料；将含有所述纳米微胶囊的溶液进行喷雾干燥，进风温度：180℃，出口温度：80℃，最后收集塔底产物，即得到咖啡因纳米微胶囊的粉末。

对比例1不同壁材

本对比例采用阿拉伯胶和乳清蛋白作为壁材，采用与实施例2相同的方法制备咖啡因纳米微胶囊，发现无法得到成功包埋咖啡因的纳米微胶囊，试验表明阿拉伯胶不能与乳清蛋白形成包埋咖啡因的纳米微胶囊的壳。

对比例2不同芯材与壁材的配比

本对比例提供一种咖啡因纳米微胶囊的制备方法，本对比例提供的制备方法与实施例1相同，区别在于，本对比例的混合溶液中蛋白的浓度为2.7％，多糖的浓度为0.3％，咖啡因的含量占蛋白和多糖干物质的总重为8％。整个体系无法维持均一稳定，大量沉淀产生。

对比例3不同超声频率

本对比例提供一种咖啡因纳米微胶囊的制备方法，本对比例提供的制备方法与实施例1相同，区别在于，本对比例中，溶液混合后，将超声探头浸入混合溶液中或采用超声装置，在800w条件下超声处理混合溶液3min。

最终得到的核-壳-壳结构的纳米微胶囊包埋率为52.6％，核-壳结构的纳米微胶囊包埋率为46.1％。本对比例证实了过高功率的超声处理，可能导致微胶囊破裂，不利于咖啡因纳米微胶囊的形成。

对比例4

本对比例提供一种咖啡因纳米微胶囊的制备方法，本对比例提供的制备方法与实施例1相同，区别在于，本对比例中，溶液混合后，磁力搅拌3min，磁力搅拌过程中调节ph值。试验无法得到核-壳-壳或者核-壳结构的纳米微胶囊。本对比例证实了超声产生空化作用，形成了纳米微胶囊的球形结构。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。