噴霧干燥玫瑰茄花色苷微膠囊化效果及其性質

王麗霞，肖輝民，吳湞湞，陳天龍，林素英

莆田學院環境與生物工程學院，福建省新型污染物生態毒理效應與控制重點實驗室（莆田 351100）

玫瑰茄，又稱洛神花、洛神葵、洛神果、山茄、紅角葵，洛濟葵，是錦葵科木槿屬1年生草本植物或多年生灌木，生長于熱帶和亞熱帶地區[1]。中國福建、臺灣、廣東、海南、廣西、云南等地均有栽培。其花萼中含有一種安全、無毒的天然食用色素，即玫瑰茄紅色素，又稱玫瑰茄紅、班瑰茄、玫瑰茄色素，主要成分為矢車菊素-3-葡萄糖苷、飛燕草素-3-葡萄糖苷、矢車菊素-3-接骨木二糖苷和飛燕草素-3-接骨木二糖苷4種花色苷[2]。

玫瑰茄花色苷為水溶性色素，具有多種生理功能，如抗氧化、清除自由基、抗炎、減肥、抗高血脂、抗高血壓、抑制血小板聚集、利尿、抗泌尿系結石、抗菌、抗癌、保肝、護腎、抗腫瘤、免疫調節、解除鎘中毒等功能[1]。然而，其性質不穩定，易受各種理化因素的影響而發生變化，如對光、熱、堿敏感，易氧化，金屬離子如Fe3+、Cu2+等鰲合致其變色或降低生物活性等[3-4]。通過物理或化學作用實現花色苷的穩態化成為研究的熱點。國內外關于提高玫瑰茄花色苷穩定性的研究較少，主要有銳孔法、噴霧干燥法制備微膠囊[5-6]、攪拌混合包埋制備膠囊法[7]。噴霧干燥法制備微膠囊是食品工業中用于功能性化合物保護的最常用的制備膠囊的技術之一[6]。這種方法的主要優點是產物性能穩定[6]、多種壁材可供選擇[6]、產品形態較好[8]、成本低、操作方便、適合工業化生產。

試驗采用噴霧干燥法制備玫瑰茄花色苷微膠囊，研究壁材組成、芯壁比、固形物含量、進風溫度、進料流速對微膠囊化效率及產率的影響，表征產物性能，獲得理化性質穩定的玫瑰茄花色苷微膠囊產品，使玫瑰茄花色苷更加廣泛、有效地開發應用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋精粉（KGM含量91.4%，云南昭通市三艾公司）；玫瑰茄干花萼（漳州金三角生物科技有限公司）；卡拉膠（κ型，福建省綠麒食品膠體有限公司）；乙醇、氯化鈉、鹽酸、醋酸、醋酸鈉等（分析純）。

1.2 儀器與設備

WK-150全新氣流式超微粉碎機（欣鎮企業有限公司）；AR224CN電子天平[奧豪斯儀器（上海）有限公司]；KQ-200VDE型雙頻數控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；TGL-20M型臺式高速冷凍離心機（上海盧湘離心機儀器有限公司）；SHZ-D（Ⅲ）循環水式真空泵/RE-301旋轉蒸發儀（鞏義市予華儀器有限責任公司）；自動收集器（上海青浦滬西儀器廠）；DHG-9030A電熱鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）；85-2恒溫磁力攪拌器（金壇市江南儀器廠）；LABPLANTSD-06AG全自動噴霧干燥器；STARTER2100/3C精密數顯酸度計；UV-1800紫外可見光光度計（上海美譜達儀器有限公司）；VERTEX 70傅里葉變換紅外光譜儀（德國BRUKER）；S-4800場發射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；Q600同步熱分析儀（美國TA儀器公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 玫瑰茄花色苷的制備

玫瑰茄干花萼于超微粉碎機中粉碎，置于棕色瓶內4 ℃密封保存。取適量微粉，用蒸餾水以1∶130（g/mL）比例混合均勻，在50 ℃超聲波清洗器中超聲處理30 min，超聲功率60%，提取液冷凍離心得上清液[9]。于40 ℃減壓濃縮得紅色黏稠的粗提液，經HPD-100大孔樹脂純化[10]，于40 ℃減壓濃縮得到純化的玫瑰茄花色苷濃縮液，經噴霧干燥得到紫紅色粉末（花色苷含量10.8 mg/g）。

1.3.2 微膠囊化工藝

稱取一定量壁材用磁力攪拌器分散攪拌于去離子水中溶脹，并稱取一定量1.3.1小節獲得的玫瑰茄花色苷粉末溶于水中作為芯材，將兩者充分混合均勻，噴霧干燥，獲得玫瑰茄花色苷微膠囊。

1.3.3 花色苷質量濃度的測定

采用pH示差法測定提取花色苷質量濃度[11]。按式（1）計算。

式中：ρ為花色苷質量濃度，mg/mL；A520nm為波長520 nm處的吸光度；A700nm為波長700 nm處的吸光度；M為矢車菊素-3-葡萄糖苷相對分子質量，449.2（g/mol）；n為待測液稀釋倍數；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數，26 900 L/（mol·cm）；V為取樣液體積，mL；m為樣品質量，g。

1.3.4 微膠囊化效果評價

評價微膠囊化效果的重要指標有微膠囊化效率和微膠囊化產率。微膠囊化效率定義為花色苷實際被包埋量與理論被包埋量的比值，是用來衡量花色苷被包埋程度的指標；微膠囊化產率定義為微膠囊產品中含花色苷與初始加入的總花色苷質量濃度之比[12]。分別采用式（2）和（3）計算。

式中：ωME為微膠囊化效率，%；CSAC為微膠囊表面花色苷質量濃度，mg/mL；CPAC為微膠囊產品中花色苷質量濃度，mg/mL。

式中：ωMY為微膠囊化產率，%；CPAC為微膠囊產品中花色苷質量濃度，mg/mL；CIAC為初始加入的花色苷質量濃度，mg/mL。

1.3.4.1 微膠囊產品表面花色苷質量濃度測定[12]

稱取約0.2 g微膠囊，加入10 mL無水乙醇，搖勻并充分攪散，超聲波振蕩5 min，冷凍離心5 min，倒出上清液備用，測定花色苷質量濃度。

1.3.4.2 微膠囊產品中花色苷質量濃度測定[12]

稱取約0.2 g微膠囊，加入10 mL蒸餾水，待其充分溶解，超聲波振蕩5 min，加入5 mL無水乙醇進行吸附花色苷5 min，冷凍離心5 min，倒出上清液備用，測定花色苷質量濃度。

1.3.5 微膠囊產品評價

1.3.5.1 紅外光譜

采用KBr壓片，分別測試花色苷、卡拉膠、微膠囊的紅外光譜。波數范圍4 000～400 cm-1，儀器分辨率0.5 cm-1，掃描次數32/64。

1.3.5.2 掃描電鏡

將適量微膠囊產品均勻分散貼附于樣品臺上，噴金后，使用電鏡掃描（SEM）觀察顆粒形貌。

1.3.5.3 微膠囊產品的熱穩定性

在氮氣環境、流速20 mL/min、加熱速率10 ℃/min條件下，對花色苷粉末及微膠囊產品進行同步熱重/差示量熱掃描測試，比較其穩定性，測試溫度范圍從室溫至500 ℃。

1.4 試驗設計

1.4.1 壁材組成對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察壁材組成對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，配制不同配比的復合壁材膠體，魔芋膠∶卡拉膠分別為4∶11，3∶12，2∶13，1∶14和0∶15（g/g），總膠體質量濃度1.5（g/L），分別加入0.2 g玫瑰茄花色苷于磁力攪拌器攪拌并充分包埋后，經噴霧干燥制得微膠囊，測定其花色苷質量濃度，并計算微膠囊化效率及產率。

1.4.2 芯壁比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察芯壁比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，配制不同芯壁比的膠體溶液進行噴霧干燥，芯壁比分別為1∶15，2∶15，3∶15，4∶15和5∶15（g/g），其中卡拉膠質量濃度1.5（g/L），花色苷分別為0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 g，配成膠體后于磁力攪拌器攪拌并充分包埋后，經噴霧干燥制得微膠囊，測定其花色苷質量濃度，并計算微膠囊化效率及產率。

1.4.3 固形物質量濃度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察固形物質量濃度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，配制不同固形物質量濃度的膠體溶液進行噴霧干燥，固形物質量濃度分別為1.02，1.36，1.70，2.04和2.38（g/L），其中卡拉膠質量分別為0.9，1.2，1.5，1.8和2.1 g，花色苷質量分別為0.12，0.16，0.20，0.24和0.28 g，制成膠體后經噴霧干燥制得微膠囊，測定其花色苷質量濃度，并計算微膠囊化效率及產率。

1.4.4 進風溫度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察噴霧進口溫度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，對噴霧干燥進風溫度進行設置，分別設計干燥溫度140，160，180，200和220 ℃，制得微膠囊后，測定其花色苷質量濃度，并計算微膠囊化效率及產率。

1.4.5 料液流速對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察料液流速對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，將料液流速分別設置為11，14，17，20和23（mL/min）進行噴霧干燥，制得微膠囊后，測定其花色苷質量濃度，并計算微膠囊化效率及產率。

2 結果與分析

2.1 噴霧干燥法各因素對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

2.1.1 壁材組成對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

壁材種類及其配比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（a）。由圖1（a）可知，微膠囊化效率及產率均隨魔芋膠比例增加而減小，這是由于魔芋膠與卡拉膠易形成凝膠或成膜，壁材溶液體系黏度增大，花色苷粉末不易被混合體系有效包埋，造成噴霧效果差，產品形態差，如顆粒不規則、不光滑、部分呈片狀，易堵塞霧化器口等影響。因此選用壁材組成0∶15（g/g），即0.15%卡拉膠作為壁材，此時微膠囊化效率及產率均為最高值。

圖1 各因素對噴霧干燥玫瑰茄花色苷微膠囊化效率及產率的影響

2.1.2 芯壁比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

芯壁比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（b）。由圖1（b）可以看出，隨著芯壁比增加，微膠囊產品的微膠囊化效率先增大后減小，這是由于當芯材在一定濃度范圍內時，壁材具有包埋芯材的能力，增加芯材比例，包埋率增加；繼續增加芯材比例，壁材包覆的負荷增大，壁材膠囊壁強度減弱，料液在霧化造粒及干燥過程中不耐摩擦或擠壓，降低壁材對芯材的包埋效果，從而微膠囊化效率降低[13]。此外，隨著芯壁比增加，微膠囊產品產率先逐步增加后趨于平衡最后逐漸降低，這是由于隨著初始花色苷質量濃度增大，微膠囊產品中花色苷質量濃度也增大，總體比值增大；隨著初始花色苷質量濃度繼續增大，未被包埋的花色苷即吸附于微膠囊表面的花色苷質量濃度增多，表面吸附的花色苷受噴霧干燥高溫損壞，因此微膠囊化產品中花色苷質量濃度相比初始加入的質量濃度降低，體現在比值上從較平穩到逐漸降低。因此，芯壁比選取2∶15（g/g）。

2.1.3 總固形物質量濃度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

總固形物對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（c）。由圖1（c）可知，隨著總固形物質量濃度增加，微膠囊化效率先上升后下降，這是由于體系質量濃度太稀薄時，壁材不能形成連續的均勻的網絡結構，不能很好地包覆芯材，體系不耐噴霧干燥的高溫，此時，微膠囊化效率比較低。總固形物質量濃度增加，有助于噴霧干燥過程中膠囊壁的形成及增強囊壁的致密性，包埋效果增加。但是總固形物質量濃度過高時，由于卡拉膠及花色苷粉末均具有黏性，體系黏度過高使得料液的霧化難度增大，干燥筒壁粘連現象嚴重，產品易形成薄膜狀，影響噴霧效果，因此微膠囊化效率降低。微膠囊化的產率先期提高較快，后期趨于平穩，同樣可以解釋為前期體系質量濃度較低，不耐高溫，在噴霧干燥過程中囊壁的成膜情況較差，從而影響微膠囊化效率，加入的花色苷受噴霧干燥高溫的影響損失，因此產率較低；隨著總固形物質量濃度增加，較多的固形物能夠耐受噴霧干燥的高溫，微膠囊產品中的玫瑰茄花色苷質量濃度增加，因此產率提高。因此，選取總固形物質量濃度1.7 g/L為優化條件。

2.1.4 進風溫度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

進風溫度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（d）。由圖1（d）可知，隨著進風溫度提高，微膠囊化效率和產率均先上升后下降。這是由于進風溫度較低時，微膠囊化產品水分較高，產品黏稠，不松散，部分呈團塊狀，壁材不能很好包裹住花色苷；進風溫度過高時，花色苷受高溫降解，產品顏色較淺，微膠囊化效率和產率均下降；進風溫度合適時，產品干燥、松散，呈均勻顆粒狀，為紫紅色，此時微膠囊化效率和產率均最高。因此，進風溫度選擇160 ℃。

2.1.5 進料速度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

進料速度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（e）。由圖1（e）可知，隨著進料速度提高，玫瑰茄花色苷微膠囊化效率和產率均為先增加后下降，這可能是由于進料速度較慢時，料液與熱風溫度作用時間較長，花色苷質量濃度有所損失，因此包埋效果不佳；進料速度達到20 mL/min后，包埋效果亦降低，這可能是由于進料速度過大，物料霧化效果降低，液滴的大小不均勻，從而影響產品的顆粒度及致密性。溶劑蒸發不充分，出口溫度降低，產品含水量較高。微膠囊化產品在較高出口溫度及較多水分的條件下，內部花色苷易氧化變質。因此，進料速度選擇20（mL/min）。

2.2 玫瑰茄花色苷微膠囊產品評價

在單因素優化條件下，所得玫瑰茄花色苷微膠囊呈紫紅色粉末狀，產品的微膠囊化效率為95.75%，產率為94.18%。

2.2.1 紅外光譜分析

玫瑰茄花色苷、卡拉膠及微膠囊的紅外光譜如圖2所示。由花色苷的紅外光譜可看出，3 420 cm-1處顯示酚類O—H伸縮振動的吸收帶，2 930 cm-1和2 640 cm-1處顯示苯環的C—H伸縮振動峰，1 720 cm-1處C＝O可能來自花色苷糖殘基上的乙酰化結構，1 630 cm-1處可能是芳烴骨架C＝C鍵伸縮振動吸收峰，說明該花色苷中含有大量苯環結構，波數1 380 cm-1可能是甲氧基C—H面內彎曲振動吸收峰，波數1 280 cm-1可能為酚羥基的C—O伸縮振動，1 040 cm-1可能為醇羥基的C—O伸縮振動吸收峰[14-15]。

圖2 玫瑰茄花色苷、卡拉膠及微膠囊的紅外光譜

由κ-卡拉膠的紅外光譜可知，3 450 cm-1處為羥基的特征吸收峰，2 900 cm-1為C—H的伸縮振動，1 640 cm-1為糖的水化物的吸收峰，1 250 cm-1處較強的吸收峰為S＝O伸縮振動，表明多糖含有硫酸根，1 160 cm-1處則為醚類的C—O—C特征峰，1 060 cm-1處是連接羥基的C—O—的伸縮振動吸收峰，926 cm-1處為α-D-3，6內醚半乳糖上C—O—C的特征吸收峰，而849 cm-1處的吸收峰為C4硫酸化的特征吸收即半乳糖C4—O—S的伸縮振動吸收峰[16-17]。

比較玫瑰茄花色苷微膠囊、κ-卡拉膠及花色苷的紅外光譜可知，玫瑰茄花色苷中1 720 cm-1及1 630 cm-1處的特征峰消失，說明玫瑰茄花色苷被卡拉膠成功包埋。

2.2.2 掃描電鏡分析

由圖3的電鏡掃描圖可以看到，噴霧干燥玫瑰茄花色苷微膠囊基本成球形，表面光滑，未發現囊壁有破裂情況，說明芯材被壁材全部包裹。偶有微膠囊顆粒表面有凹陷、突起現象或呈不規則形態，凹陷可能是由于在噴霧干燥過程中，霧化液滴在干燥中，表面液滴迅速蒸發產生收縮而導致的或者可能由于在噴金過程中抽真空所導致的[18]，而凸起可能是少量未被包埋的花色苷吸附在膠囊壁表面。

圖3 微膠囊電鏡掃描圖

2.2.3 微膠囊熱穩定性分析

玫瑰茄花色苷及其微膠囊的DSC/TGA曲線如圖4所示。從花色苷的TGA曲線可以看出，花色苷在熱處理過程中，質量迅速下降，這是由于花色苷在高溫下被加熱分解的緣故。從花色苷的DSC曲線可以看出，花色苷出現2個吸熱峰，分別為45～50 ℃及125～225℃，這是由于花色苷的降解是一個吸熱過程[19]。

圖4 花色苷及微膠囊的DSC/TGA曲線

從微膠囊的TGA曲線可以看出，微膠囊在熱處理過程中，質量下降變得緩慢，溫度從室溫到75 ℃時的質量下降是由于花色苷中所含水分的蒸發。隨后曲線比較平緩，這是由于花色苷由大分子卡拉膠包埋的緣故，相對分子質量較大，質量下降較慢，說明卡拉膠對花色苷的降解起到保護作用。溫度升高至225 ℃時，質量下降迅速，出現第2段降解過程，這是由于花色苷及卡拉膠在高溫下迅速裂解的緣故。從微膠囊的DSC曲線可以看出，花色苷的2個吸熱峰消失，這是由于噴霧干燥過程的剪切力破壞卡拉膠與花色苷的結晶結構[20]，從而導致其熱降解過程變為非吸熱過程。

3 結論

采用噴霧干燥制備玫瑰茄花色苷微膠囊，通過單因素試驗確定的最佳制備條件參數為：壁材采用卡拉膠，芯壁比2∶15（g/g），總固形物質量濃度1.7（g/L），噴霧進風溫度160 ℃，進料流速20（mL/min）。在此條件下，產品的微膠囊化效率為95.75%，產率為94.18%。花色苷能夠被卡拉膠有效包埋或與卡拉膠通過靜電作用形成穩定的復合物；噴霧干燥微膠囊產品顆粒干燥、松散，結構完整，表面光滑，呈均勻的圓形或橢圓形，顏色為紫紅色。玫瑰茄花色苷微膠囊化具有較高的熱穩定性，有利于玫瑰茄花色苷在食品工業中的開發應用。