紫薯中花青素微膠囊的制備

王余夢 陳偉 蔡子維 孫鈺杰 田琳

摘? ?要：花青素具有很高的營養價值，易受到溫度、pH、金屬離子、光照等影響變得不穩定。使用銳孔法制備花青素微膠囊，由單因素試驗得出最佳海藻酸鈉質量分數為3%，CaCl2質量分數為3%，芯壁體積比1∶3，針孔孔徑為0.6 mm。在520 nm處測定吸光度，計算包埋率。使用響應面分析法進行3因素3水平試驗，得到包埋率與海藻酸鈉質量分數、氯化鈣質量分數、芯壁體積比的回歸方程。優化后的提取工藝參數為3.03%海藻酸鈉、3.26%氯化鈣、芯壁體積比1.00∶3.56，微膠囊包埋率可達71.81%。

關鍵詞：紫薯;花青素;微膠囊;銳孔法;包埋率

紫薯又名“黑薯”，屬旋花科番薯屬，一年生草本植物。富含花青素，具有抗氧化和抗癌抗腫瘤等多種功效[1-2]。花青素作為一種天然的水溶性色素對溫度、pH、金屬離子、光照等十分敏感[3-4]。為保持花青素的營養價值，本實驗采用銳孔法制備花青素微膠囊[5]，以包埋率為指標，在520 nm處測定花青素芯材溶液和CaCl2濾液的吸光度。單因素實驗中確定最佳的海藻酸鈉質量分數、CaCl2質量分數、針頭孔徑、芯壁比、混合液與CaCl2體積比，再使用響應面法優化實驗方案，以達到最佳的包埋程度。

1? ? 實驗

1.1? 實驗材料

粗提的花青素樣品。

1.2? 實驗試劑

無水氯化鈣分析純，海藻酸鈉化學純。

1.3? 實驗設備

紫外可見分光光度計UV-5500，恒溫磁力攪拌器B11-1型。

1.4? 實驗方法

1.4.1? 微膠囊的制備方法

以海藻酸鈉為壁材，花青素樣品為芯材，CaCl2為固化劑。將芯材溶液緩慢加入海藻酸鈉溶液并磁力攪拌混合。吸取一定體積的混合液至注射器中，在一定高度以一定速度滴入CaCl2溶液中。固化30 min[6]，過濾后在520 nm處測定吸光度。

1.4.2? 紫薯花青素微膠囊包埋率的計算

包埋率計算公式如下：

式中：A1為芯材在520 nm處的吸光度;V1為芯材的體積，mL;A2為CaCl2濾液在520 nm處的吸光度;V2為CaCl2濾液的體積，mL。

1.4.3? 微膠囊化單因素實驗

配制1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的海藻酸鈉溶液，50 ℃恒溫磁力攪拌溶解，冷卻至室溫且溶液內氣泡消失。將0.1%花青素芯材溶液以芯壁比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6緩慢加入海藻酸鈉溶液中，磁力攪拌充分混合。靜置至混合液中氣泡消失，用一次性膠頭滴管吸取混合液10 mL，至針頭孔徑為0.45 mm、0.50 mm、0.60 mm、0.70 mm的5 mL注射器中。以2 mL/min的下滴速度，滴入1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0% CaCl2溶液中，固化30 min，濾液。在520 nm處測得芯材溶液與CaCl2溶液的吸光度。以包埋率、擠壓難易、凝膠珠形狀等為衡量指標，依次考察不同因素不同質量分數對紫薯中花青素微膠囊制備的影響。

1.4.4? 響應面法試驗優化紫薯花青素中微膠囊的制備工藝

在1.4.3單因素實驗基礎上，選取對包埋率影響較大的海藻酸鈉質量分數、氯化鈣質量分數、芯壁體積比進行響應面試驗，利用Design-Expert-8.0.6軟件中的響應面設計（Box-Behnken Design，BBD）進行3因素3水平試驗（見表1）。

1.5? 數據處理

使用Design-Expert-8.0.6和Excel2010進行數據統計。

2? ? 結果分析

2.1? 單因素實驗

2.1.1? 海藻酸鈉質量分數

將5 mL 0.1%芯材溶液按照芯壁比1∶4分別加入20 mL 1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的海藻酸鈉溶液。在一定高度用0.6 mm 5 mL的注射器吸取10 mL混合液，按混合液與CaCl2溶液體積比1∶4滴入40 mL 1.5% CaCl2溶液中。

在1%～3%這個范圍中，隨著海藻酸鈉質量分數的增大，凝膠珠的成型效果越好，形態越均一，彈性增大凝膠珠不易破裂（見圖1）。在3%質量分數達到包埋率最大值之后，溶液質地濃稠度增加，凝膠珠質地硬度增加，注射成球困難。高質量分數的海藻酸鈉遇到固化劑CaCl2溶液凝固更快[8]。確定制備紫薯花青素微膠囊的最佳海藻酸鈉質量分數為3%。

2.1.2? CaCl2質量分數

將40 mL 0.1%芯材溶液與40 mL 3%海藻酸鈉溶液按照芯壁比1∶4磁力攪拌混合，吸取10 mL混合液滴入0.6 mm 5 mL注射器中，在一定高度下滴入磁力攪拌的40 mL 1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0% CaCl2溶液中。

包埋率在1%～3%逐漸上升，3.0%～3.5%下降，呈先上升后下降的趨勢（見圖2）。當CaCl2質量分數較低時，凝膠珠外層的固化膜較薄，使得凝膠珠較松軟容易破裂。CaCl2質量分數過高時，外層迅速固化，阻礙了凝膠珠內部固化，同樣不利于微膠囊球的強度提高。故確定最佳CaCl2質量分數為3%。

2.1.3? 針孔孔徑

將12.5 mL 0.1%芯材溶液與50 mL 3%海藻酸鈉溶液按照芯壁比1∶4磁力攪拌混合，吸取10 mL混合液至0.45 mm、0.50 mm、0.60 mm、0.70 mm的注射器中，在一定高度滴入40 mL 3% CaCl2溶液中，即混合液∶CaCl2溶液=1∶4。

如圖3所示，隨著針孔孔徑的增大，凝膠珠的表面積增大，包埋的花青素就越多，但凝膠珠表面固化的時間延長，使得芯材容易溢出，包埋效果差。針孔孔徑為0.45 mm和0.50 mm時，混合液濃稠使得擠出成球困難，不易形成形態均一的凝膠珠。綜合考慮，選用針孔孔徑為0.60 mm最為合適。

2.1.4? 芯壁比

將10 mL 0.1%芯材溶液分別與10 mL、20 mL、30 mL、40 mL、50 mL、60 mL 3%海藻酸鈉溶液按照芯壁比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6磁力攪拌混合，取10 mL混合液至0.6 mm 5 mL的注射器中，滴入40 mL 3% CaCl2溶液中，即混合液∶CaCl2溶液=1∶4。

包埋率隨著芯壁比的減小先增大后減小，在1∶3處達到最大值（見圖4）。混合液中壁材較多，凝膠珠固化時間延長，使花青素不能高效地被包埋。壁材較少時，不能完全包埋住芯材，凝膠珠表面的固化膜較薄，芯材容易外溢。因此，選擇芯壁比為1∶3。

2.1.5? 混合液與CaCl2溶液的體積比

將15 mL 0.1%芯材與60 mL 3%海藻酸鈉溶液按照芯壁比1∶3磁力攪拌混合，吸取10 mL混合液至0.6 mm的注射器中。按照混合液與CaCl2溶液的體積比1∶1 、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6分別滴入10 mL、20 mL、30 mL、40 mL、50 mL、60 mL CaCl2溶液中。

如圖5所示，包埋率隨混合液與CaCl2溶液體積比的變化無明顯的趨勢，因為在成球的過程中，用磁力攪拌著CaCl2溶液，使凝膠珠不會沉積黏聯。考慮經濟成本，使用混合液與CaCl2溶液的體積比1∶2為宜。

2.2? 響應面法試驗結果

2.2.1? 響應面法設計與結果分析

根據2.1單因素實驗的結果，確定針孔孔徑為0.6 mm、混合液與CaCl2溶液體積比為1∶2，固化30 min進行試驗。選取對包埋率影響顯著的3個因素進行響應面法試驗，海藻酸鈉質量分數（A）、氯化鈣質量分數（B）、壁芯體積比（C）作為自變量，花青素微膠囊包埋率（Y）作為響應值。共有17個析因點，其中5個為中心點，其目的是估計實驗的純誤差。試驗結果如表2所示。

2.2.2? 回歸方程的建立與顯著性分析

通過BBD設計Analysis中的ANOVA分析，可得包埋率（Y）與海藻酸鈉質量分數（A）、氯化鈣質量分數（B）、芯壁體積比（C）的二次多元回歸方程為：Y=70.28+1.04A+2.62B+2.95C-0.48AB-0.44AC+0.61BC-4.07A2-2.86B2-2.89C2。

結果表明，該模型顯示為顯著。R2=0.970 9，進一步說明模型實際值與方程預測值之間有較好的相關性。從表3可以看出，A、B、C為顯著因素（P<0.05），AB、AC、BC為不顯著因素（P>0.05），不予考慮。回歸方程可以簡化為：Y=70.28+1.04A+2.62B+2.95C-4.07A2-2.86B2-2.89C2。

2.2.3? 響應面模型預測最優方案

根據BBD設計Optimization中的Numerical得出最優試驗方案為，3.03%海藻酸鈉、3.26%氯化鈣、芯壁體積比1.00∶3.56，微膠囊包埋率可達71.81%。

3? ? 結語

優化后的條件為：以3%海藻酸鈉50 ℃恒溫磁力攪拌溶解，與0.1%芯材按照芯壁比1.00∶3.56充分混合，加入混合液至0.6 mm的注射器中，在一定高度下以2 mL/min的下滴速度滴入3.26%氯化鈣中，固化30 min，包埋率可達71.81%。

[參考文獻]

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