天然红花黄色素的微胶囊化研究

刘 可,段 旭

(江苏科技大学计算机科学与工程学院,江苏镇江 212003)

天然红花黄色素的微胶囊化研究

刘 可,段 旭*

(江苏科技大学计算机科学与工程学院,江苏镇江 212003)

采用微胶囊化方法提高天然红花色素的稳定性,以推广天然红花黄色素在食品中的使用。本文首次采用多孔淀粉为吸附剂,使用明胶对天然红花黄色素进行包埋,制备红花黄色素微胶囊,并对其稳定性进行了研究。研究结果表明:其微胶囊化最佳工艺条件为包埋温度70℃,包埋时间2h,芯壁材比1∶40,此时红花黄色素的包埋率高达89.5%。其水溶性有所提高,红花黄色素微胶囊对温度、酸碱、光照、金属离子和氧化还原剂的稳定性较强。

色素,红花黄,稳定性,微胶囊化

红花黄色素(safflor yellow)是中药红花的主要功能因子,由酮类化合物组成,具有多种生理功能如抗氧化、抗凝血、抑血栓、降血脂、活血化瘀、止痛和增强心血管机能等。作为一种潜在的天然食品着色剂和功能保健剂,在未来可被广泛地应用于糕点、饮料、糖果、罐头、果酒、果汁及菜肴烹饪[1-2]。然而红花黄天然色素在使用过程当中,易受到多种理化因素的影响,如光、热可促使其氧化分解,失去显色能力,此外,pH、金属离子、氧化还原剂等对其均有不同程度的影响,在食品加工后功能性和着色性受到一定程度的破坏[3-4]。

微胶囊技术已广泛应用于天然色素如红曲、南瓜黄素、玉米黄、姜黄素、辣椒红、叶黄素和胡萝卜素等。天然黄瓜黄素经辛烯基琥珀酸淀粉酯钠和乳清分离蛋白包埋后,玉米黄色素经变性淀粉和β-环糊精包埋后,对光照、温度和pH的稳定性均有较大提高,此外,其他色素经过微胶囊化后受光照、温度、湿度、酸碱、金属离子和氧气等因素的影响显著降低,其稳定性均明显得到提高[5-10]。

本文拟首次采用价格低廉的多孔淀粉和明胶等作为吸附剂和壁材对红花黄天然色素进行微胶囊化,为红花黄天然色素稳定性提高及推广其在食品中的应用提供实验参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红花黄天然色素 广州市中旺生物科技有限公司;多孔淀粉(纯度98%) 重庆泰威生物工程公司;食用明胶(82%的蛋白质含量) 山东梁山万达生物科技有限公司;其他试剂均为分析纯级,购于中国国药集团。

722S型可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司;FS-2型可调高速分散器 金坛市荣华仪器制造有限公司;FreeZone 6L冻干机 美国Labconco;AY-120型分析电子天平 上海精密仪器仪表有限公司;HH-S2型数显恒温水浴锅 金坛市金南仪器制造有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 红花黄色素的微胶囊化 以去离子水为溶剂,配制50mg/mL红花黄色素溶液,取500mL,向其中加入60g多孔淀粉,吸附至饱和;同时配制20%浓度的明胶溶液,恒温静置30min,溶液至均匀透明;在选定的包埋温度下,以一定的芯壁材比向红花黄色素溶液中加入明胶液,包埋若干时间,搅拌均匀,高压均质,冷冻干燥24h,得微胶囊化红花黄色素固态物。

1.2.2 红花黄色素微胶囊化工艺条件的优化 基于前期的单因素实验结果,包埋时间、包埋温度和芯壁材分别为3h、70℃和1∶40时,红花黄色素具有较好的包埋率,因而在本正交实验中,包埋温度分别选取60、70、80℃,芯壁材比分别选取1∶30、1∶40、1∶50,包埋时间分别选取2、3、4h,考察不同操作条件对其包埋效果的影响,正交因素水平表如表1所示。

表1 红花黄色素微胶囊化正交因素水平表Table 1 Orthogonal factor level table for preparing safflor yellow microencapsules

包埋率是指微胶囊化色素与总色素的百分比。在本实验中,以包埋率作为考察指标,通过正交实验(三因素三水平)确定微胶囊化最佳操作条件。

包埋率(%)=微胶囊固体物中红花黄天色素量/红花黄色素总量×100

1.2.3 微胶囊化中红花黄色素含量的测定 取1mg红花黄色素,去离子水溶解,100mL容量瓶定容得标准溶液。分别取标准溶液1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL加无水乙醇定容至10mL,于403nm处测定吸光度,得标准曲线。

称取微胶囊化红花黄色素20mg,50%乙醇溶解,定容于10mL容量瓶,吸取0.05mL。加无水乙醇定容于100mL容量瓶,于403nm处测定吸光度,根据标准曲线方程求红花黄色素的含量。

1.2.4 红花黄微胶囊水溶性测定 取0.5g红花黄色素和红花黄微胶囊分别加入10mL水中,在常温下观察其溶解情况,比较其溶解时间、溶液颜色和混浊或透明性程度。

1.2.5 红花黄微胶囊的稳定性研究 配制一定浓度的红花黄色素和红花黄微胶囊,考察其微胶囊化前后的稳定性。

1.2.5.1 加热的影响 分别取10mL两种溶液于50、60、70、80、90、100℃的水浴或油浴中加热30min,于403nm处测其吸光值,考察不同加热温度对两种物质的影响。

分别取10mL两种溶液于100℃的油浴中加热10、20、30、40、50、60min,于403nm处测其吸光值,考察在高温加热时不同加热时间对两种物质的影响。

1.2.5.2 pH的影响 分别取10mL两种溶液,调整其不同pH(pH分别为1、3、5、7、9、11、13),观察其颜色变化,并测定其吸光度值。

1.2.5.3 光照的影响 取10mL两种溶液,将溶液置于阳光下,每隔3d测定其吸光值,经1个月后,比较其吸光值变化。

1.2.5.4 金属离子的影响 分别配制含不同浓度(0.000、0.004、0.020、0.100、0.200μg/mL)的Fe2+、Al3+、K+、Ca2+和Mg2+红花黄色素和红花黄微胶囊溶液,室温放置1h后,考察其吸光值的变化。

1.2.5.5 氧化还原剂的影响 分别配制含1%的Na2SO3、VC、H2O2的红花黄色素和红花黄微胶囊溶液,室温放置12h后,考察其吸光值的变化。

1.2.6 数据统计方法 每个实验重复三次,结果取其平均值,采取SASS软件,ANOVA和DMRT法评估数据的显著差异性,显著差异水平设定p<0.05。

2 结果与分析

2.1 红花黄色素微胶囊化工艺条件的优化

以包埋率为考察指标,正交实验制取红花黄色素微胶囊的结果如表2所示。

表2 红花黄色素微胶囊化的正交实验结果Table 2 Orthogonal experiment of preparing safflor yellow microencapsules

由表2可得,包埋温度为影响红花黄微胶囊化效果的主要因素。温度升高时,溶液体系分子的扩散速度增加,粘度有所减少,红花黄色素的渗透能力增加,易向多孔淀粉内部扩散而被吸附于所形成的微胶囊网状结构。当温度达到70℃,其包埋效果较好,随着温度进一步升高,过高的温度易使多孔淀粉糊化,破坏了网状结构,对包埋反而不利。

芯壁材比为影响红花黄微胶囊效果的次要因素。如芯壁材比值大时,较少的壁材难以使红花黄色素完全包埋于其形成的网状结构中。随着芯壁材比的减少,红花黄微胶囊的包埋率增加,当比例为1∶40时达到较高值且趋于饱和;如继续增加壁材量,多余的壁材聚集于微态环境,对壁材和壁芯的扩散运动和微胶囊网状结构的形成不利。

包埋时间是影响红花黄微胶囊效果最次要因素。在选定的时间范围内,2～4h能够确保红花黄色素微胶囊化的形成,其包埋率随着时间的增加而提高;当达到4h后,红花黄色素与多孔淀粉及明胶之间的吸附和包埋已达到饱和状态,此时动态平衡形成,过长的包埋时间对于微胶囊化无意义。

由表2可以看出,根据K值,最佳因素的组合为A2B2C1,即包埋温度为70℃,芯壁材比为1∶40,包埋时间为2h。经过验证实验,此条件下,红花黄微胶囊的色素平均包埋率可达89.5%,与第5组A2B2C3的90.6%的包埋率结果差异不显著,而与其他组合存在着差异显著性(p<0.05)。考虑到包埋2h即可达到包埋4h后的包埋效果,因而最终选取A2B2C1为最佳组合。

2.2 红花黄色素微胶囊的溶解性

室温下红花黄微胶囊在6min内能完全溶解,其色泽鲜艳,透明,无沉淀。而游离的红花黄色素溶解需要11min,且出现少量沉淀物,色泽混浊、不透明,红花黄色素经微囊化后,其水中溶解性能明显得到提高。

2.3 加热对红花黄色素微胶囊稳定性的影响

两种色素在50～100℃的温度中加热30min后,游离红花黄色素和红花黄色素微胶囊后的稳定性存在着显著差异性(结果如图1所示)。

图1 温度对红花黄色素微胶囊稳定性的影响Fig.1 Effect of temperature on the stability of safflor yellow microencapsules

当加热温度为60℃以下时,温度的变化不影响游离红花黄色素的稳定性,但当温度进一步提高直至100℃时,游离红花黄色素的稳定性呈梯度陡峭下降,加热对游离红花黄色素具有较强的破坏作用。而对于红花黄色素微胶囊,在50～100℃的加热过程中,红花黄色素微胶囊的吸光度始终趋于稳定,加热对该微胶囊的分子结构无影响。在50～100℃的加热过程中,游离红花黄色素的吸光值减少率高达45.3%,而红花黄微胶囊吸光值减少率仅为6.5%。红花黄色素经微胶囊化后,红花黄色素作为壁芯被多孔淀粉吸附,被壁材所包埋,与明胶共同形成网络结构,微胶囊结构呈现出较好的刚性,色素的耐热性显著得到提高。红花黄微胶囊色素在100℃下保持着较高耐热性,适用于食品加工中的加热过程。

保持100℃的加热温度经不同时间后,游离红花黄色素和红花黄色素微胶囊的稳定性也存在着显著差异性(结果如图2所示)。两种色素在100℃保持20min时,两者吸光度值变化不大,分子结构保持较好的完整性。随着加热时间的进一步延长,游离红花黄色素的吸光度值显著降低,加热60min后,其吸光度值降低率达56.7%,其分子结构经过长时间加热后遭到破坏。而红花黄色素微胶囊经过长时间的高温加热后,其吸光度值始终保持在0.252±0.008～0.248±0.003间,游离红花黄色素经过微胶囊化后,被多孔淀粉和明胶吸附和包埋,网络结构有助于保护色素的完整性,其耐热耐性有了明显的改善。

图2 100℃时加热时间对红花黄色素微胶囊稳定性的影响Fig.2 The effect of heat time on the stability of safflor yellow microencapsules

2.4 pH对红花黄色素微胶囊稳定性的影响

pH对红花黄色素微胶囊稳定性的影响如图3所示。在pH1～pH13时,游离红花黄色素经微胶囊化后,其稳定性发生了较大的变化。

通过颜色变化的比较,pH1～pH7时,游离红花黄色素和其微胶囊均为黄色,两种红花黄色素在酸性介质中性质均很稳定;当pH>7后,游离红花黄色素在碱性环境下的溶液颜色开始向棕色转变,而其微胶囊的颜色始终保持黄色不变,红花黄色素微胶囊在碱性介质中稳定性依然较强,没有被碱性介质破坏,其对酸碱介质均具有良好的稳定性。

图3 pH对红花黄色素微胶囊稳定性的影响Fig.3 The effect of pH on the stability of safflor yellow microencapsules

这种颜色变化与其吸光度值的变化相一致。pH1～pH7时,两种红花黄色素的吸光度值分别保持在0.484和0.316,变化不显著;当溶液转化为碱性后,游离红花黄色素的吸光值陡然下降,其下降率高达22.1%,而红花黄微胶囊吸光度值变化不显著,始终保持在0.316±0.006～0.319±0.008范围内。

2.5 光照对红花黄色素微胶囊稳定性的影响

天然红花黄色素在微胶囊化前后,光照1个月期间的吸光度值变化情况如图4所示。实验结果表明:游离红花黄色素经光照后,其吸光度值逐日陡降,从0.484±0.012降低到0.146±0.008,下降率高达69.8%,其颜色也从黄色转变成棕色;而红花黄色素经微胶囊化后,其颜色一直呈现黄色,吸光度值始终保持在0.319±0.008～0.28±0.008范围内,变化不显著,微胶囊红花黄色素对光照显示出良好的稳定性。红花黄色素经过包埋和吸附后,内嵌于微胶囊网状结构,明胶壁材和多孔淀粉吸附剂对其起保护隔离作用,色素不易直接受到光照的影响,稳定性有所增强。

图4 光照对红花黄色素微胶囊稳定性的影响Fig.4 Effect of light on the stability of safflor yellow microencapsules

2.6 金属离子对红花黄色素微胶囊稳定性的影响

不同金属离子在不同浓度下对红花黄色素微胶囊化前后的稳定性影响有所不同(如图5和图6所示)。对于游离红花黄色素而言,低浓度Fe2+(<0.020μg/mL)对色素无影响,而浓度进一步增加时对色素具有减色作用,其吸光度值显著减少,溶液转化为浅黄色;而Al3+、K+、Ca2+和Mg2+(0.004～0.020μg/mL范围内)这类金属离子能使游离红花黄色素的吸光度值有一定程度的提高,增加了色素的稳定性。

图5 金属离子对游离红花黄色素稳定性的影响Fig.5 Effect of metal ion on the stability of free safflor yellow

图6 金属离子对红花黄色素微胶囊稳定性的影响Fig.6 Effect of metal ion on the stability of safflor yellow microencapsules

而对于红花黄色素微胶囊而言,Fe2+、Al3+、K+、Ca2+和Mg2+对红花黄色素微胶囊溶液的吸光度值无显著影响,其吸光度平均值始终保持在0.319周围,经微胶囊化后,明胶壁材和多孔淀粉包埋吸附着红花黄色素,形成微胶囊网状结构,这种结构同时具有缓释性,红花黄色素不易受环境介质中金属离子的影响,其对金属离子的稳定性较好。

2.7 氧化还原剂对红花黄色素微胶囊稳定性的影响

不同氧化还原剂对红花黄色素微胶囊化前后的稳定性影响有所不同(如图7和图8所示)。

图7 氧化还原剂对游离红花黄色素稳定性的影响Fig.7 Effect of oxidizer and reducer on the stability of free safflor yellow

图8 氧化还原剂对红花黄色素微胶囊稳定性的影响Fig.5 Effect of oxidizer and reducer on the stability of safflor yellow microencapsules

对于游离红花黄色素而言,还原剂Na2SO3对色素存在一定的影响,经过12h后,其吸光度值下降20.2%,而还原剂VC对色素影响较弱,其12h后的吸光度值下降0.82%。氧化剂H2O2对游离红花黄色素具有显著影响,随着时间的延长,其吸光度值呈陡降,经过12h吸光度值下降达48.6%,氧化剂H2O2对游离红花黄色素结构的破坏性较以上两种还原剂的强。

而对于红花黄色素微胶囊而言,Na2SO3、VC和H2O2对红花黄色素微胶囊溶液的吸光度值无显著影响,其吸光度平均值始终保持在0.320左右,经微胶囊化后,红花黄色素的稳定性明显增强,不受氧化还原剂的影响,可应用于食品加工中。

3 结论

首次采用多孔淀粉为吸附剂,明胶为包埋剂对天然红花黄色素进行微胶囊化,其较优操作条件为:包埋温度70℃、芯壁材比例1∶40、包埋时间2h,此时包埋率可达89.5%。包埋温度为影响红花黄微胶囊化效果的主要因素,其次为芯壁材比和包埋时间。

经过微胶囊化后,游离红花黄色素的水溶性和稳定性有了明显改善,其耐高温性、耐强酸碱性、耐光性、耐氧化还原剂等性质均显著得到提高。红花黄微胶囊可用于高温加热过程和食品加工中,为天然红花黄色素在食品中的广泛应用提供实验参考。

[1]张宏宇,陈沫,熊文激. 红花黄色素抗血栓和降血脂作用的实验研究[J].中国实验诊断学,2010,14(7):1028-1031.

[2]Zhang Zuohui,Wu Zhengzheng,Zhu Xiaolei,etal. Hydroxy-safflor yellow A inhibits neuroinflammation mediated by Aβ1-42in BV-2 cell[J]. Neuroscience Letters,2014,562(6):39-44.

[3]Xu Renai,Xu Zhisheng,Ge Renshan. Effects of hydroxysafflor yellow A on the activity and mRNA expression of four CYP isozymes in rats[J]. Journal of Ethnopharmacology,2014,151

(3):1141-1146.

[4]Li Jie,Zhang Shenyang,Lu Mengru,etal. Hydroxysafflor yellow A suppresses inflammatory responses of BV2 microglia after oxygen-glucose deprivation[J]. Neuroscience Letters,2013,535(22):51-56.

[5]Nie Peihe,Zhang Lin,Zhang Wenhui,etal. The effects of hydroxysafflor yellow A on blood pressure and cardiac function[J].Journal of Ethnopharmacology,2012,139(3):746-750.

[6]罗晶,黄宇玫,曾文雪.红花中羟基红花黄色素A的提取工艺及其热稳定性研究[J].江西中医学院学报,2009,21(5):39-42.

[7]金鸣,臧宝霞,李金荣,等. 羟基红花黄色素A热稳定性的初步研究[J].中国中药杂志,2003,28(12):1197-1198.

[8]王慧,张立伟,晋民杰. 羟基红花黄色素A稳定性的研究[J].太原科技大学学报,2010,31(1):81-84.

[9]张寒冰,韩广源,董玲,等. 微胶囊南瓜黄色素的稳定性研究[J].河南农业科学,2013,42(1):139-142.

[10]焦岩,常影,郑喜群,等. 研磨法制备玉米黄粉色素微胶囊工艺研究[J].食品工业,2014,35(3):48-50.

Study on microencapsulation of safflor yellow

LIU Ke,DUAN Xu*

(School of Computer Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

The method of microencapsulation is adopted to improve the stability of safflor yellow,which could experimental evidence for its applications in food. Gelatin and Porous starch as adsorbent were used to microencapsulate natural safflor yellow for the first time,and the stability was tested. The optimum operating conditions were as follows:embedding temperature of 70℃,embedding time of 2h,the ratio(core-material to wall-material)of 1∶40,and safflor yellow microcapsules with an embedding ratio of 89.5% were obtained. Their solubility was increased,and their stability against temperature,alkaline or acidic agents,light,metal ion,oxidizer and reducer was also improved.

pigments;safflor yellow;stability;microencapsulation

2014-04-21

刘可(1992-)，男，本科，从事食品功能因子的仿真和识别模式的研究。

*通讯作者:段旭(1978-)，女，硕士，副教授，从事计算机仿真模式识别方向。

TS202.3

B

1002-0306(2015)01-0226-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.038