一種微膠囊花青素復合鹽的工藝研究

王嘉琪，涂李軍，朱勇生，孫漢巨，王軍輝，何述棟，張 強

（1.合肥工業大學食品與生物工程學院，安徽合肥 230009；2.安徽復合調味品重點試驗室，安徽強旺調味食品有限公司，安徽界首 236500）

黑米是由禾本科植物稻谷經過長時間的培育之后形成的一類極具特色的品種。在我國廣西、廣東、云南和陜西等地均廣泛種植[1]。黑米中不但含有錳、鋅、銅等無機鹽，而且還含有花青素、葉綠素、胡蘿卜素和維C等成分，具有豐富的營養和相當高的食用和藥用價值[2]。除了可以用于平常生活中的煮粥之外，還可以應用于制作各種富含營養的食品和釀制米酒，被稱為“黑珍珠”和“世界米中之王”[1，3]。

由于合成色素的危害性日漸浮現，天然色素越來越受到人們的關注和青睞?；ㄇ嗨兀址Q為花色素、花色苷，作為一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，屬于酚類化合物中的類黃酮類物質，使花瓣和果實呈現出多種不同的色彩[4]。除此之外，花青素因為是一種羥基供體，是一種自由基清除劑，具有一定的自由基清除能力，且有較強的抗氧化活性，能與蛋白質結合防止過氧化，幫助保護人體免受自由基的損傷。大量的研究表明，花青素還有改善貧血、降低血脂、預防動脈粥樣硬化、保護血管內皮、抗疲勞、抗缺氧、抗癌及抗腫瘤等作用[5-6]。然而，大多數花青素對光都很敏感，光會造成花青素的降解加快[7]。其次，花青素對熱不太穩定，在高溫狀態下或者經過長時間的加熱，花青素會加快其變色反應，而出現氧化導致的褪色現象。通常情況下，花青素極容易與一些金屬離子尤其是帶有金屬活性且分子量大、原子價態高的發生絡合反應，導致其發生褪色現象或出現沉淀物現象[8]。

微膠囊化是指通過某種方法用天然或合成高分子材料包裹某種物質制成有囊壁的微膠囊，以達到保護或者控制目的的方法，其所得到微小顆粒直徑一般在0.1～10 000 μm[9-10]。微膠囊具有改善和提高物質表觀及其性質的能力，能夠儲存微細物質，延緩和控制釋放，并具有保護芯材料免受環境影響、降低毒性、屏蔽氣味等作用微膠囊能夠提高產品的穩定性，防止各種組分之間的相互干擾，還能降低和掩蓋食品不良風味和揮發性。此外，在控制釋放方面，其也具有很高的可控度[9，11]。因此，采用包埋技術處理花青素對提高產品穩定性有一定的價值。

食鹽不僅是人們日常生活中不可缺少的調味品，而且是維持人體正常新陳代謝的重要物質之一。試驗將具有天然著色能力、極強的自由基清除能力和抗氧化能力的花青素和人們日常需求的食鹽結合在一起，目的是方便人們日常生活中對花青素的攝取和豐富調味鹽種類。該產品中所含花青素在提供一定功能性的同時，還可以提供一定的色澤和風味。在此基礎上使用包埋法制備花青素鹽微膠囊并優化生產工藝，解決了花青素鹽在生產、儲存和使用時的穩定性差、不易儲存等問題。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

黑米和食鹽，購于家樂福超市；檸檬酸、磷酸氫二鈉、環狀糊精、氫氧化鈉、無水乙醇、甲醇、鹽酸和阿拉伯膠，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.2 試驗儀器

KRT-NT-2-1型多功能膜設備，合肥科銳特環保工程有限公司產品；DHG-9000型電熱鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司產品；JM-50型膠體磨，溫州市甌海梧田華慧乳化機械廠產品；SD-1500實驗型噴霧干燥機，上海沃迪自動化裝備股份有限公司產品；BT-100型恒流泵，上海滬西分析儀器廠有限公司產品；SHZ-D型循環水式真空泵，鞏義市予華儀器有限責任公司產品；HH-2型數顯恒溫水浴鍋，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司產品；LGJ-12型真空冷凍干燥機，北京松原華興科技發展有限公司產品；DZF-6000型真空干燥箱，上海三發科學儀器有限公司產品；754PC型可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司產品；FJ200-SH型數顯高速分散均質機，上海標本模型廠產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 黑米花青素的提取

黑米花青素的提取參考婁秋燕等人[12]的提取方法。

1.3.2 花青素濃度標準曲線

稱取5.00 mg花青素標準品定容于10 mL的純水中，得到0.50 mg/mL花青素標準溶液。分別移取0.30，0.40，0.50，0.60，0.70，0.80，0.90，1.00 mL 標準溶液，定容至5 mL。搖勻并靜置5 min后，使用可見分光光度計，于波長520 nm處測定溶液的吸光度（OD值）。最后，繪制花青素的標準曲線。

1.3.3 花青素微膠囊化包埋率

未包埋花青素含量的測定：準確稱取花青素鹽產品200 mg溶于5 mL超純水，于波長520 nm處測定溶液的吸光度，根據標準曲線計算出花青素的含量，記為A1。產品中總的花青素含量的測定：準確稱取花青素鹽產品200 mg，用5 mL超純水充分洗滌后過濾，將濾液轉移至10 mL容量瓶并用超純水定容，于波長520 nm處測定溶液的吸光度，根據標準曲線計算出花青素的含量，記為A2?；ㄇ嗨匕衤视嬎闳缦拢?/p>

1.3.4 花青素復合鹽的配比工藝研究

（1） 單因素優化試驗。取5個250 mL的燒杯，按照壁材比為1∶1（阿拉伯膠∶羥丙基-β-環糊精）的比例進行調配，乳化劑含量為2.0%的比例與花青素鹽（花青素含量1%，m/m）進行混合。然后，分別按照芯壁比為1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10的比例，加入芯材（花青素）和壁材（阿拉伯膠∶羥丙基-β-環糊精），再按照固形物含量（壁材、芯材和乳化劑總質量占混合液比例）為15%的比例加入緩沖液進行稀釋溶解。將所得的混合液均質后，使用噴霧干燥機進行噴霧干燥，得到微膠囊后以包埋率為指標。對花青素復合鹽微膠囊濾液在520 nm處的吸光度（OD值）進行測量，根據花青素的標準曲線，計算出所含的花青素濃度大小，最后將所得的花青素濃度帶入公式進行計算，由此得到了最終的微膠囊包埋率。固形物、均質速度、壁材比和乳化劑含量單因素試驗方法同上。

（2）正交優化試驗。

配比工藝正交試驗因素水平見表1。

基于上述4個單因素試驗，選取芯壁比、固形物含量、壁材比和乳化劑含量作為正交試驗的因素，每個因素都選擇3個水平。然后，采用四因素三水平L9（34）正交試驗，確定花青素微膠囊的最佳配比。

表1 配比工藝正交試驗因素水平

1.3.5 微膠囊的噴霧干燥工藝研究

準備5份已經均質（10 000 r/min） 的花青素鹽微膠囊溶液，分別按照170，180，190，200，210℃的進風溫度，90℃的出風溫度和2 500 mL/h的進料速度，進行噴霧干燥制備微膠囊。于波長520 nm處測定花青素復合鹽微膠囊濾液的吸光度（OD值）。依照已經測出的花青素的標準曲線，計算出所含的花青素質量濃度，最后將所得的花青素質量濃度帶入公式進行計算，由此得到了最終的微膠囊包埋率。出風溫度、進料速度單因素優化試驗同上。

1.3.6 微膠囊保留率的測定

取相同量的空白花青素和花青素復合鹽微膠囊分別溶解在緩沖液中，分別移取50 mL溶液放置在25℃不避光的條件下，每隔1 h取樣檢測，并記錄保存率數據。

1.3.7 花青素微膠囊的微觀結構觀察

使用鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM） 觀察花青素復合鹽微膠囊表面的形態，在進行電子顯微鏡觀察前需提前制備樣品，在觀察樣品臺上先貼一層膠。然后，將樣品粉末少量輕輕撒在膠上，吹凈多余的粉末。之后，進行噴金處理后就可以使用電子顯微鏡觀察，觀察微膠囊的形狀和表面光滑程度。

1.3.8 統計分析

所有試驗重復3次，并采用SPSS 20.0軟件處理數據，結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 花青素標準曲線

以黑米花青素為標品，按1.3.2所述的方法進行試驗，就能夠得到用于計算微膠囊包埋率的花青素標準曲線?；貧w方程為Y=3.816 7X-0.038 3，相關系數為R2=0.999。

花青素的標準曲線見圖1。

2.2 原料配比對微膠囊包埋率的影響

（1）芯壁比對微膠囊包埋率的影響。

芯壁比對微膠囊包埋率的影響見圖2。

取一定量的復合壁材和花青素，以1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10（m/m） 的比例復配，得到的包埋率如圖2。很顯然，隨著芯壁比的減小，包埋率逐漸增大；在芯壁比為1∶8時達到最大；之后，包埋率隨著芯壁比的減小而減小。該變化過程可分析如下：隨著加入壁材比例的逐漸增加，溶液的乳化效果提升，提高了花青素鹽包埋率。然而，隨著壁材比例的進一步增加，所產生花青素鹽微膠囊膜過厚，不利于花青素的釋放，致使其包埋率下降[13]。因此，花青素鹽的最佳芯壁比為1∶8。

（2）固形物含量對微膠囊包埋率的影響。

固形物含量對微膠囊包埋率的影響見圖3。

圖1 花青素的標準曲線

圖2 芯壁比對微膠囊包埋率的影響

圖3 固形物含量對微膠囊包埋率的影響

由圖3可知，當固形物含量低于10%時，隨著固形物含量的增加，花青素鹽包埋率顯著提高；當固形物含量高于10%時，包埋率逐漸減小，這可能是由于固形物含量影響了乳化液的穩定性，從而導致包埋率有差異[14]；當固形物含量為10%時，包埋率達到最大值（46.90%）。因此，固形物含量確定為10%。

（3）壁材比對微膠囊包埋率的影響。

壁材比對微膠囊包埋率的影響見圖4。

由圖4可知，當壁材比在3∶7～2∶3，隨著壁材中羥丙基-β-環糊精含量的增加，包埋率逐漸升高；當壁材比在2∶3～7∶3，隨著壁材中羥丙基-β-環糊精含量的升高，包埋率逐漸降低。很明顯，壁材比（羥丙基-β-環糊精∶阿拉伯膠） 在2∶3時，包埋率最高（53.10%）；隨著丙基-β-環糊精含量降低，溶液的黏度降低，影響了溶液的乳化性，導致花青素鹽包埋率不高。因此，花青素鹽的最佳壁材比為2∶3。

（4）乳化劑含量對微膠囊包埋率的影響。

乳化劑含量對微膠囊包埋率的影響見圖5。

圖4 壁材比對微膠囊包埋率的影響

圖5 乳化劑含量對微膠囊包埋率的影響

由圖5可知，在乳化劑含量低于1.5%時，包埋率隨著乳化劑含量的增加而逐步提高；在含量為1.5%時，包埋率達到最大值（46.32%）；隨后，包埋率隨著乳化劑含量的升高而降低。這是由于乳化劑會影響溶液的乳化性和黏度，利于乳化液成膜且不易破裂。然而，過多乳化劑會導致溶液產生聚集現象，產生少量沉淀，從而影響包埋率。因此，最佳乳化劑含量確定為1.5%。

（5）均質速度對花青素微膠囊包埋率的影響。

均質速度對微膠囊包埋率的影響見圖6。

圖6 均質速度對微膠囊包埋率的影響

圖6反映噴霧干燥前對微膠囊溶液進行均質時，均質速度對花青素鹽包埋率的影響。在均質速度低于11 000 r/min時，包埋率隨著速度的增加而逐漸上升；當均質速度為11 000 r/min時，包埋率達到最大值；之后，繼續增加均質速度，包埋率顯著下降。這是由于均質速度會影響乳化液的穩定性，過高的均質速度會使微膠囊形成更大的表面積，分散更加完全的小液滴可能會聚集，從而導致乳化液穩定性降低甚至產生沉淀[15]。劉萬龍[16]研究了不同乳化方式對微膠囊的影響，試驗結果表明均質的方式比超聲波更有利于微膠囊的形成。因此，花青素鹽的最佳均質速度確定為11 000 r/min。

（6）微膠囊花青素鹽配方的正交試驗。

配方正交試驗結果見表2。

表2 配方正交試驗結果

花青素鹽制備工藝的正交試驗結果如表2所示。4種因素R值大小順序為A＞D＞B＞C，即影響花青素鹽包埋率的因素主次為壁材比＞乳化劑含量＞芯壁比＞固形物含量。通過直觀分析可知，4號試驗組的花青素鹽包埋率最高（68.49%）。而極差分析結果為A2B1C2D3，與直觀分析結果相吻合。因此，花青素鹽的最佳工藝條件為A2B1C2D3，即壁材比2∶3，芯壁比1∶7，固形物含量10%，乳化劑含量2.0%。

2.3 噴霧干燥工藝對花青素微膠囊包埋率的影響

（1）進風溫度對花青素微膠囊包埋率的影響。

進風溫度對微膠囊包埋率的影響見圖7。

圖7 進風溫度對微膠囊包埋率的影響

進風溫度對花青素鹽包埋率有著較大影響。如圖7所示，在進風溫度低于180℃時，包埋率隨著溫度的增加而逐漸升高；在180℃時，包埋率達到最大值（92.85%）；隨后，隨著進風溫度的增大而減小。進風溫度影響噴霧干燥的干燥能力及速率，并且會對花青素產品的穩定性有一定的影響。當進風溫度較低時，花青素鹽干燥不充分并且含水量較高，發生黏壁現象；而過高的進風溫度會使花青素鹽壁材開裂，降低包埋率[17]。因此，花青素鹽噴霧干燥工藝的最佳進風溫度為180℃。李飛等人[18]研究了進風溫度對紫薯花青素包埋率的影響，其研究結果與試驗結果相類似。

（2）出風溫度對花青素微膠囊包埋率的影響。

出風溫度對微膠囊包埋率的影響見圖8。

圖8 出風溫度對微膠囊包埋率的影響

出風溫度也對產品干燥品質有著一定的影響。如圖8所示，出風溫度低于100℃，包埋率隨著溫度的升高而迅速增加，當風溫度為100℃時，包埋率達到最大值（92.81%）；隨后，溫度繼續升高，包埋率逐漸下降。適宜的出風溫度不僅可以減少產品的干燥時間，還能提高產品品質[19]。因此，花青素鹽噴霧干燥的最佳出風溫度為100℃。

（3）進料速度對花青素微膠囊包埋率的影響。

進料速度對微膠囊包埋率的影響見圖9。

圖9 進料速度對微膠囊包埋率的影響

進料速度對花青素鹽包埋率的影響如圖9所示。當進料速度為1 500～2 500 mL/h時，包埋率隨著進料速度的增加而上升；在2 500 mL/h時，包埋率最大（91.31%）；當進料速度高于2 500 mL/h，包埋率反而快速降低。這可能是由于進料速度過快時，物料未被干燥，導致其黏附在干燥室的內壁上，造成物料得率及質量均過低；而過低的進料速度又會使物料被過分干燥，微膠囊顆粒壓力升高，導致壁材破裂，從而使包埋率降低。因此，花青素鹽噴霧干燥工藝的最佳進料速度確定為2 500 mL/h。

2.4 微膠囊花青素鹽產品花青素含量

經優化后工藝生產的花青素鹽微膠囊產品花青素含量為2.5‰。

2.5 花青素微膠囊的保留率

25℃下花青素和花青素微膠囊保留率見圖10。

圖10 25℃下花青素和花青素微膠囊保留率

如圖10所示，將花青素和微膠囊花青素鹽分別放置在25℃條件下，每隔1 h測1次花青素和微膠囊花青素鹽中花青素的保留率。在25℃下花青素鹽的保留率明顯高于花青素的保留率，花青素的保留率相對保持在80%以上，而花青素的保留率相對保持在90%以上。由此可見，微膠囊花青素鹽的結構能夠對花青素的穩定性提高起到一定的作用，同時也保護了花青素的降解。而且，花青素保留率和花青素鹽的保留率的曲線都先表現為下降趨勢，之后又表現為相對平穩的趨勢。因此，微膠囊可以有效保護花青素，控制花青素釋放。

2.6 微膠囊花青素復合鹽的微觀結構

微膠囊花青素復合鹽的電鏡掃描圖見圖11。

圖11 微膠囊花青素復合鹽的電鏡掃描圖

由微觀電鏡掃描圖（圖11） 可以看出，微膠囊花青素主要呈現出外觀光滑的球形，但也會有呈現出外觀皺縮的不規則的外形。結果表明，微膠囊花青素復合鹽包埋工藝效果良好。

3 結論

通過單因素試驗和正交試驗，微膠囊花青素復合鹽的配方最優水平組合為芯壁比1∶7，固形物含量15%，壁材比2∶3（羥丙基-β-環糊精∶阿拉伯膠），乳化劑含量2%，同時也確定了最優均質工藝速度為11 000r/min。進一步通過單因素試驗，確定了復合鹽的最佳噴霧干燥工藝為進風溫度180℃，出風溫度100℃，進料速度2 500 mL/h。成品的微膠囊花青素復合鹽中花青素包埋率為91.31%，該工藝對花青素鹽包埋效果良好，對花青素的穩定性有大幅度的提高。經過微膠囊包埋處理后，微膠囊花青素復合鹽成分如下：食鹽90%，花青素0.91%，吐溫-80 1.82%，阿拉伯膠3.81%，羥丙基-β-環糊精2.55%。