銳孔法制備原花青素微膠囊工藝研究

丁保淼 袁武華

（長江大學生命科學學院，湖北 荊州 434025）

（College of Life Science，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434025，China）

原花青素是自然界一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，屬多酚化合物［1，2］。它是一種資源豐富、天然安全、無毒食用色素，而且還有很高的營養和藥理作用［3］。近年的研究［4，5］表明，原花青素具有抗氧化、清除自由基、抑制腫瘤、抗輻射以及美容等多種生理功能。因而，在食品、化妝品、醫藥等領域原花青素均有著巨大的應用潛力。然而原花青素對pH 值、溫度、光照、氧化劑和金屬離子等十分敏感［6］，易于被氧化和破壞，這大大限制了它的使用。為保持原花青素的諸多優點，有必要采取措施，將原花青素保護起來［7］，增加它的穩定性，以保持和提高它的生理功能。

微膠囊是一種以聚合物為壁殼，將固體、液體或氣體物質包埋、封存在內的囊泡［8］。微膠囊的壁材形成的膜可以將內外環境隔開，能夠大大地增加芯材對外界環境如光、熱、氧氣、pH 等的穩定性，延長芯材的釋放時間，增加芯材的有效性［9］。近年來，已被廣泛地應用于藥品、食品、印染等領域［10－13］。

微膠囊制備方法有多種；其中，銳孔法微膠囊制備技術因其設備簡單、投資少、低溫條件下操作，且能制得粒徑均一的微膠囊而受到重視。其原理是壁材液通過銳孔滴入凝固液，凝固形成微膠囊。本試驗擬采用銳孔法，以海藻酸鈉為壁材，CaCl2為凝固劑制備原花青素微膠囊，優化原花青素微膠囊的制備工藝，得到最佳制備工藝條件，為其工業化生產和實際應用提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

葡萄籽原花青素：天津尖峰天然產物有限公司；

海藻酸鈉（≥98.0%）、檸檬酸（≥99.0%）、磷酸氫二鈉（≥99.0%）、CaCl2（≥96.0%）、無水乙醇（≥99.7%）、正丁醇（≥99.5%）、鹽酸（36.0%～38.0%）等：均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 試驗儀器

紫外可見分光光度計：UV－1100，上海美譜達儀器有限公司；

數顯恒溫水浴鍋：HH－2，常州諾基儀器有限公司；

恒溫磁力攪拌器：85－2，江蘇省金壇市環宇科學儀器廠；

真空干燥箱：SDZF－6020，南通金石實驗儀器有限公司；

水循環真空泵：SHB－3，武漢常儀實業有限公司；

視頻變焦顯微鏡：DZ3型，日本Union公司；

抽濾設備：本實驗室自制；

注射器：1，10mL，武漢基因美生物科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 原花青素微膠囊的制備 采用銳孔法［14］。

1.3.2 原花青素的含量測定 采用正丁醇－鹽酸法［15］。取1.0mL適當濃度樣品溶液，置于25 mL 比色管中，再加入正丁醇－濃鹽酸（V／V ＝95／5）試劑10.0mL，搖勻成均一體系。打開塞子放入97 ℃恒溫水浴中，3 min后塞緊塞子，加熱40 min 后，打開塞子于自來水中冷卻5 min，在550nm處測吸光度，計算原花青素含量。

1.3.3 原花青素微膠囊包埋率的測定 測定原花青素微膠囊制備時抽濾出的濾液中原花青素含量Aout。按式（1）計算原花青素微膠囊的包埋率（entrapment efficiency）。

式中：

EE—— 原花青素微膠囊的包埋率，%；

Aout—— 濾液中原花青素的含量，g；

Atotal—— 微膠囊化時所用的原花青素的總含量，g。

1.3.4 原花青素微膠囊制備單因素試驗 分別設不同水平，分析海藻酸鈉質量濃度、CaCl2質量濃度、芯壁比、針頭孔徑、針頭高度5個單因素對微膠囊化效果的影響。按1.3.1中的方法，制備原花青素微膠囊，以包埋率、成型效果、成球難易等為評價指標，在固定其它4個因素的條件下，依次考察各因素不同水平對原花青素微膠囊制備效果的影響。

1.3.5 原花青素微膠囊制備正交試驗 在單因素試驗基礎上，采用L16（45）正交試驗，設計3因素4水平試驗，通過正交試驗及極差分析來確定番茄紅素微膠囊的最佳工藝條件。

1.4 原花青素微膠囊的形態表征

選擇高倍物鏡（放大倍數為200～1 000倍），使用透射光源，將適量的原花青素微膠囊懸浮液滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，放在視頻變焦顯微鏡（VZM）的載物臺上進行觀察，并打開計算機中的Pinnacle Studio 8.0圖像采集軟件。調整視頻變焦顯微鏡的放大倍數和焦距，至樣品圖像清晰，保存圖像。

2 結果與分析

2.1 單因素結果

2.1.1 海藻酸鹽濃度對原花青素微膠囊化的影響 海藻酸鈉作為壁材不僅影響微膠囊的包埋率，還影響微膠囊的機械強度、成球難易及微膠囊的形狀。在CaCl2質量濃度為1%、芯材濃度為2%、針頭孔徑為0.7mm、針頭高度為5cm 條件下，海藻酸鈉濃度對原花青素微膠囊的影響見表1。

由表1可知，隨著海藻酸鈉濃度的升高，微囊成型越來越難；濃度升高到一定程度時，微膠囊成型效果變差；微膠囊的包埋率也呈先升后降趨勢。當海藻酸銨濃度為3%時，微膠囊的包埋率最高，成型也很好。這可能是因為海藻酸鈉溶液具有很大粘性，且在低濃度時，其黏度隨濃度的增加而增大［16］，因而也越不容易通過注射器成型，影響了包埋率。高濃度的海藻酸鈉遇到凝固液CaCl2會更快地凝固，于是微膠囊顯得硬質［14］。

表1 海藻酸鈉濃度對原花青素微膠囊化效果的影響Table 1 Effect of sodium alginate concentration on proanthocyanidins microcapsules

2.1.2 CaCl2濃度對原花青素微膠囊化的影響 在微膠囊制備過程中，CaCl2溶液作為凝固浴，其濃度直接影響著微膠囊壁的形成速度和質量。在海藻酸鈉質量濃度為3%、芯材濃度為2%、針頭孔徑為0.7mm、針頭高度為5cm 條件下，CaCl2濃度對原花青素微膠囊的影響見表2。

表2 CaCl2濃度對原花青素微膠囊化效果的影響Table 2 Effect of cacium chloride concentration on proanthocyanidins microcapsules

由表2 可知，微膠囊成型的效果很大程度上取決于CaCl2溶液的濃度。CaCl2濃度過低，微膠囊成型效果不好，微膠囊干燥后變形現象嚴重；隨著CaCl2溶液濃度的提高，微膠囊迅速固化、成型；當CaCl2溶液濃度過高時，制得的原花青素微膠囊表面形成了致密的海藻酸鈣層，不利于微膠囊的干燥［17］。CaCl2濃度在1.0%和2.5%時包埋率變化很小，之后隨著CaCl2濃度的增加，包埋率又逐漸下降。故確定CaCl2的最佳濃度為2.5%。

2.1.3 芯壁比對原花青素微膠囊化的影響 微膠囊化過程中，若芯壁比過小，則壁材含量過多，微膠囊化產率偏低；若芯壁比過大，則壁材含量過少，無法將芯材完全包埋，致使原花青素的微膠囊化產率和效率都降低。在海藻酸鈉質量濃度為3%、CaCl2濃度為2.5%、針頭孔徑為0.7 mm、針頭高度為5cm 條件下，芯壁比對原花青素微膠囊包埋效果的影響見表3。

表3 芯壁比對微膠囊化效果的影響Table 3 Effect of core－to－wall ratio on proanthocyanidins microcapsules

由表3可知，當芯壁比為1∶1 時，微膠囊成型效果不好，且質地松軟；當芯壁比大于1∶2.5時，包埋率趨于下降，這可能是由于壁材含量過高，濃度過大，不利于壁材的固化，導致芯材不能有效地被包埋在微膠囊內。故確定芯壁比的最佳比例為1∶2.5。

2.1.4 針頭孔徑對原花青素微膠囊化的影響 針頭孔徑直接影響著擠出液滴的體積。在海藻酸鈉質量濃度為3%、CaCl2質量濃度為2.5%、芯壁比為1∶2.5、針頭高度為5cm條件下，針頭孔徑對原花青素微膠囊化影響見表4。

表4 針頭孔徑對微膠囊化效果的影響Table 4 Effect of needle size on proanthocyanidins microcapsules

由表4可知，微囊粒度隨著注射器針頭孔徑變小而越來越小，因此微囊總的表面積變大，從而使得微囊能夠包覆更多的原花青素，所以微膠囊的包埋率隨之增大。當針頭孔徑小于0.45mm 時，由于海藻酸鈉溶液具有一定的黏度，因此溶液推出困難，不利于造粒的進行，且此時對制備的微膠囊形態影響不大。因此，選擇0.45mm 為最優針頭孔徑。

2.1.5 針頭下滴高度對原花青素微膠囊化的影響 針頭下滴高度影響著擠出液滴與凝固浴的接觸形式，最終會影響微膠囊的成型效果。在海藻酸鈉質量濃度為3%、CaCl2質量濃度為2.5%、芯壁比為1∶2.5、針頭孔徑為0.45mm 條件下，針頭下滴高度對原花青素微膠囊化效果的影響見表5。

表5 下滴高度對微膠囊化效果的影響Table 5 Effect of drop height on proanthocyanidins microcapsules

由表5可知，下滴高度過低時，液滴與凝固浴CaCl2溶液太接近，微球不易分散，影響包封率；下滴高度過高時，液滴下降過程形態發生變化，微球會變得扁平，包封率會下降。綜合包埋率和微囊形態兩方面，選擇8cm 為最優下滴高度。

2.2 正交試驗結果分析

根據單因素試驗結果，確定針頭孔徑為0.45 mm，針頭高度為8cm，采用正交試驗對原花青素微膠囊工藝進一步優化，考察海藻酸鈉濃度、氯化鈣濃度，以及芯壁比對微膠囊制備的影響。正交設計試驗因素水平見表6和結果見表7。

表6 正交試驗因素水平表Table 6 Orthogonal experiment factors and levels

由表7可知，當以微膠囊包埋率為指標時，綜合評價極差大小結果顯示各因素作用大小順序為海藻酸鈉濃度＞芯壁比＞CaCl2濃度；銳孔法制備原花青素微膠囊的最佳工藝條件為A3B3C3，即：海藻酸鈉濃度3%，CaCl2濃度3%，芯壁比1∶4（芯材濃度為1.5%）。在此條件下進行3次平行驗證實驗，所得原花青素微膠囊的平均包埋率為77.83%。正交試驗結果與單因素試驗結果存在差別，這可能是由于各因素之間具有交互作用引起的。

2.3 原花青素微膠囊視頻變焦顯微鏡圖

視頻變焦顯微鏡具有超高連續可調的放大倍率并可連續變焦。采用同軸照明的方式，用它觀察樣品，得到原花青素微膠囊的形態圖見圖1。

由圖1可知，原花青素微膠囊具有良好的形態分布。

3 結論

采用銳孔法制備出了原花青素微膠囊，優化了制備工藝，單因素試驗表明針頭孔徑和下滴高度對微膠囊制備影響較小，最優選擇分別為0.45mm 和8cm；正交試驗極差分析表明海藻酸鈉濃度、CaCl2濃度、芯壁比對微膠囊制備效果的影響為海藻酸鈉濃度＞芯壁比＞CaCl2濃度，最優選擇分別為3%、1∶4和3%；此時原花青素的包埋率為77.83%，與文獻［18］中采用噴霧干燥方法所得最優結果相似。視頻變焦顯微鏡圖顯示，該法制備的原花青素微膠囊具有良好的形態分布。但微膠囊對芯材原花青素的保護效果還有待于進一步研究，下一階段的研究方向將是探討光、熱、氧氣、pH 等環境因素對微膠囊化的原花青素穩定性的影響。

表7 原花青素微膠囊化工藝優化正交設計和結果Table 7 Orthogonal experiment results of proanthocyanidins microencapsulation

圖1 原花青素微膠囊視頻變焦顯微鏡圖（×200）Figure 1 Video zoom microscope photo of proanthocyanidin microcapsules

1 Skerget M，Kotnik P，Hadolin M，et al.Phenols，proanthocyanidins，flavones and flavonols in some plant materials and their antioxidant activities［J］.Food Chem.，2005，89（2）：191～198.

2 杜文華，劉忠義.葡萄酒中花色苷的研究進展［J］.食品與機械，2011，27（4）：169～172，176.

3 Weber H A，Hodges A E，Guthrie J R，et al.Comparison of proanthocyanidins in commercial antioxidants：grape seed and pine bark extracts［J］.J.Agric.Food Chem.，2007，55（1）：148～156.

4 孫傳范.原花青素的研究進展［J］.食品與機械，2010，26（4）：146～149.

5 Santos－Buelga C，Scalbert A.Proanthocyanidins and tannin－like compounds－nature，occurrence，dietary intake and effects on nutrition and health［J］.J.Sci.Food Agric.，2000，80（7）：1 094～1 117.

6 王忠合，朱俊晨，陳惠音.雙層原花青素微膠囊的試驗研究［J］.食品科學，2007，28（1）：102～106.

7 陳紅波，徐保明.壁材組成對原花青素微膠囊化的影響［J］.食品研究與開發，2010，31（9）：68～71.

8 吳曉，王珺，霍乃蕊.微膠囊技術及其在食品工業中的應用［J］.食品工程，2011（1）：3～7.

9 王芳，田建文.微膠囊技術在食品抗氧化劑中的應用研究進展［J］.食品與機械，2010，26（4）：149～152.

10 Gouin S.Microencapsulation：industrial appraisal of existing technologies and trends［J］.Trends in Food Sci.Tech.，2004，15（7－8）：330～347.

11 于蒙，沙漠，劉珊珊，等.甜杏仁油微膠囊化工藝響應面法優化［J］.食品與機械，2012，28（1）：222～226.

12 李高陽，李忠海，任國譜.配方食品中功能油脂及其微膠囊化研究進展［J］.食品與機械，2011，27（2）：156～160.

13 張海洋，呂怡，倪悅，等.明膠／CMC復合凝聚法制備微膠囊研究［J］.食品與機械，2010，26（5）：44～48.

14 劉欣，郭星堯，韓亞，等.海藻酸鈉為囊材銳孔法制備鐵葉綠酸鈉微囊［J］.現代食品科技，2009，25（9）：1 043～1 045，1 015.

15 陳健，孫愛東，高雪娟，等.響應面分析法優化超聲波提取檳榔原花青素工藝［J］.食品科學，2011，32（4）：82～86.

16 王元蘭，李忠海，張樂華.低濃度海藻酸鈉的流變性及影響因素研究［J］.食品與機械，2008，24（1）：29～31.

17 徐麗萍，姚鵬程.銳孔法制備玉米胚中還原型谷胱甘肽微膠囊［J］.哈爾濱商業大學學報（自然科學版），2011，27（1）：47～50.

18 吳朝霞，孟憲軍，林琳，等.幾種微膠囊包裹方法對葡萄籽原花青素包裹效果的對比研究［J］.食品工業科技，2005，26（9）：67～69.