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同轴静电纺丝水胶体制备封装β-胡萝卜素的食品级纳米纤维

2022-09-27   易丝帮

本研究通过同轴静电纺丝将β-胡萝卜素封装在两种不同的食品水胶体基质中,即纯普鲁兰多糖(PUL)及其与乳清蛋白分离物(WPI)的混合物(WPI:PUL重量比为30:70)。β-胡萝卜素在生成的WPI:PUL(30:70w/w)和PUL纳米纤维中的包封率分别达到了90%和95%。在检查的各种操作参数中,对包封效率影响最大的因素是油-β-胡萝卜素溶液(芯材)的流速。使用纯普鲁兰多糖作为壁材获得了更均匀的线状纳米纤维,而WPI:PUL(30:70w/w)共混物沿纤维轴周期性地形成具有珠状形态的纳米结构。β-胡萝卜素降解动力学遵循明显的一级反应模型,检查的所有基质和储存温度(25℃,35℃,45℃)在中等水活性水平下的速率常数最高。降解动力学似乎与纤维聚合物组分的分子流动性(即非晶态壁材的物理状态)没有直接关系,因为即使在低于其玻璃化转变温度(Tg)的温度下,β-胡萝卜素的损失也很明显。与纯PUL相比,电纺WPI:PUL纳米纤维更适合作为载体,在不同的储存温度、aw水平和UV-Vis照射下延迟β-胡萝卜素的氧化。总体而言,使用WPI:PUL(30:70w/w)混合物作为封装载体的同轴静电纺丝工艺似乎是制备富含β-胡萝卜素的功能性食品或膳食补充剂的有效技术。

 

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图1.β-胡萝卜素负载电纺WPI:PUL(30:70w/w)(a)和PUL(b)纳米纤维的EE%预测值与实际值的对比图。


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图2.响应面和等高线图显示了壳溶液流速、核溶液流速、外加电压对β-胡萝卜素负载WPI:PUL(30:70w/w)纳米纤维的EE%的影响。壳溶液流速与核溶液流速的关系(外加电压:21kV,针尖至收集器距离:18cm)(a);核溶液流速与外加电压的关系(壳溶液流速:2.2mL/h,针尖至收集器距离:18cm)(b);壳溶液流速与外加电压的关系(核溶液流速:0.15mL/h,针尖至收集器距离:18cm)(c)。


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图3.响应面和等高线图显示了壳溶液流速、核溶液流速、外加电压对β-胡萝卜素负载PUL纳米纤维的EE%的影响。外加电压与核溶液流速的关系(壳溶液流速:2.2mL/h,针尖至收集器距离:18cm)(a);外加电压与壳溶液流速的关系(核溶液流速:0.15mL/h,针尖至收集器距离:18cm)(b)。


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图4.电纺β-胡萝卜素-WPI:PUL(30:70w/w)(a)(工艺条件:2.00mL/h,0.10mL/h,19kV和17cm)和β-胡萝卜素-PUL(b)(工艺条件:2.40mL/h,0.10mL/h,23kV和19cm)纳米纤维的SEM图像。比例尺10μm。


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图5.在玉米油中的纯β-胡萝卜素溶液(a)、干燥的PUL(b)和WPI:PUL(30:70w/w)(c)纳米纤维,干燥的β-胡萝卜素负载WPI:PUL(30:70w/w)(d)和PUL(e)纳米纤维的红外吸收光谱。


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图6.β-胡萝卜素负载WPI:PUL(30:70w/w)(a)和PUL(b)纳米纤维的水吸附等温线(温度25、35和45℃,水活性范围0.11-0.94):菱形,25℃;正方形,35℃;三角形,45℃。插图给出了相应的GAB和BET图。


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图7.封装在WPI:PUL(30:70w/w)(a)和PUL(b)纳米纤维中并在不同相对湿度环境下平衡(aw=0.0-0.94)的β-胡萝卜素的代表性DSC扫描;热谱图给出了相应样品的水分含量。


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图8.两种封装基质(WPI:PUL(30:70w/w)(正方形)和PUL(实心圆))在三种储存温度25℃(a)、35℃(b)和45℃(c)下的Gordon-Taylor图(Tg与w2)。数据来源于样品的DSC扫描,这些样品之前储存在不同的相对湿度环境中以吸收水分。


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图9.封装在WPI:PUL(30:70w/w)(正方形)和PUL(圆形)纳米纤维中的β-胡萝卜素的典型一级降解图(lnC/C0与时间的关系)。


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图10.在不同温度和相对湿度下储存的封装β-胡萝卜素的降解速率常数的Arrhenius图。数据对应于用WPI:PUL(30:70w/w)(a)和PUL(b)纳米纤维封装的样品。


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图11.WLF模型图说明了用WPI:PUL(30:70)(a)和PUL(b)纳米纤维封装的样品的降解率(k)和(lnk)-1(插图)对ΔT=T-Tg的依赖性:菱形,25℃储存的样品;正方形,35℃储存的样品;三角形,45℃储存的样品。


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图12.游离以及WPI:PUL(30:70w/w)和PUL纳米纤维封装的β-胡萝卜素暴露于UV-Vis辐照时的降解图(lnC/C0与时间的关系)。

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