一种微胶囊花青素复合盐的工艺研究

王嘉琪，涂李军，朱勇生，孙汉巨，王军辉，何述栋，张 强

（1.合肥工业大学食品与生物工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽复合调味品重点试验室，安徽强旺调味食品有限公司，安徽界首 236500）

黑米是由禾本科植物稻谷经过长时间的培育之后形成的一类极具特色的品种。在我国广西、广东、云南和陕西等地均广泛种植[1]。黑米中不但含有锰、锌、铜等无机盐，而且还含有花青素、叶绿素、胡萝卜素和维C等成分，具有丰富的营养和相当高的食用和药用价值[2]。除了可以用于平常生活中的煮粥之外，还可以应用于制作各种富含营养的食品和酿制米酒，被称为“黑珍珠”和“世界米中之王”[1，3]。

由于合成色素的危害性日渐浮现，天然色素越来越受到人们的关注和青睐。花青素，又称为花色素、花色苷，作为一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素，属于酚类化合物中的类黄酮类物质，使花瓣和果实呈现出多种不同的色彩[4]。除此之外，花青素因为是一种羟基供体，是一种自由基清除剂，具有一定的自由基清除能力，且有较强的抗氧化活性，能与蛋白质结合防止过氧化，帮助保护人体免受自由基的损伤。大量的研究表明，花青素还有改善贫血、降低血脂、预防动脉粥样硬化、保护血管内皮、抗疲劳、抗缺氧、抗癌及抗肿瘤等作用[5-6]。然而，大多数花青素对光都很敏感，光会造成花青素的降解加快[7]。其次，花青素对热不太稳定，在高温状态下或者经过长时间的加热，花青素会加快其变色反应，而出现氧化导致的褪色现象。通常情况下，花青素极容易与一些金属离子尤其是带有金属活性且分子量大、原子价态高的发生络合反应，导致其发生褪色现象或出现沉淀物现象[8]。

微胶囊化是指通过某种方法用天然或合成高分子材料包裹某种物质制成有囊壁的微胶囊，以达到保护或者控制目的的方法，其所得到微小颗粒直径一般在0.1～10 000 μm[9-10]。微胶囊具有改善和提高物质表观及其性质的能力，能够储存微细物质，延缓和控制释放，并具有保护芯材料免受环境影响、降低毒性、屏蔽气味等作用微胶囊能够提高产品的稳定性，防止各种组分之间的相互干扰，还能降低和掩盖食品不良风味和挥发性。此外，在控制释放方面，其也具有很高的可控度[9，11]。因此，采用包埋技术处理花青素对提高产品稳定性有一定的价值。

食盐不仅是人们日常生活中不可缺少的调味品，而且是维持人体正常新陈代谢的重要物质之一。试验将具有天然着色能力、极强的自由基清除能力和抗氧化能力的花青素和人们日常需求的食盐结合在一起，目的是方便人们日常生活中对花青素的摄取和丰富调味盐种类。该产品中所含花青素在提供一定功能性的同时，还可以提供一定的色泽和风味。在此基础上使用包埋法制备花青素盐微胶囊并优化生产工艺，解决了花青素盐在生产、储存和使用时的稳定性差、不易储存等问题。

1 材料和方法

1.1 试验材料

黑米和食盐，购于家乐福超市；柠檬酸、磷酸氢二钠、环状糊精、氢氧化钠、无水乙醇、甲醇、盐酸和阿拉伯胶，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司提供。

1.2 试验仪器

KRT-NT-2-1型多功能膜设备，合肥科锐特环保工程有限公司产品；DHG-9000型电热鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司产品；JM-50型胶体磨，温州市瓯海梧田华慧乳化机械厂产品；SD-1500实验型喷雾干燥机，上海沃迪自动化装备股份有限公司产品；BT-100型恒流泵，上海沪西分析仪器厂有限公司产品；SHZ-D型循环水式真空泵，巩义市予华仪器有限责任公司产品；HH-2型数显恒温水浴锅，江苏金坛市荣华仪器制造有限公司产品；LGJ-12型真空冷冻干燥机，北京松原华兴科技发展有限公司产品；DZF-6000型真空干燥箱，上海三发科学仪器有限公司产品；754PC型可见分光光度计，上海菁华科技仪器有限公司产品；FJ200-SH型数显高速分散均质机，上海标本模型厂产品。

1.3 试验方法

1.3.1 黑米花青素的提取

黑米花青素的提取参考娄秋燕等人[12]的提取方法。

1.3.2 花青素浓度标准曲线

称取5.00 mg花青素标准品定容于10 mL的纯水中，得到0.50 mg/mL花青素标准溶液。分别移取0.30，0.40，0.50，0.60，0.70，0.80，0.90，1.00 mL 标准溶液，定容至5 mL。摇匀并静置5 min后，使用可见分光光度计，于波长520 nm处测定溶液的吸光度（OD值）。最后，绘制花青素的标准曲线。

1.3.3 花青素微胶囊化包埋率

未包埋花青素含量的测定：准确称取花青素盐产品200 mg溶于5 mL超纯水，于波长520 nm处测定溶液的吸光度，根据标准曲线计算出花青素的含量，记为A1。产品中总的花青素含量的测定：准确称取花青素盐产品200 mg，用5 mL超纯水充分洗涤后过滤，将滤液转移至10 mL容量瓶并用超纯水定容，于波长520 nm处测定溶液的吸光度，根据标准曲线计算出花青素的含量，记为A2。花青素包埋率计算如下：

1.3.4 花青素复合盐的配比工艺研究

（1） 单因素优化试验。取5个250 mL的烧杯，按照壁材比为1∶1（阿拉伯胶∶羟丙基-β-环糊精）的比例进行调配，乳化剂含量为2.0%的比例与花青素盐（花青素含量1%，m/m）进行混合。然后，分别按照芯壁比为1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10的比例，加入芯材（花青素）和壁材（阿拉伯胶∶羟丙基-β-环糊精），再按照固形物含量（壁材、芯材和乳化剂总质量占混合液比例）为15%的比例加入缓冲液进行稀释溶解。将所得的混合液均质后，使用喷雾干燥机进行喷雾干燥，得到微胶囊后以包埋率为指标。对花青素复合盐微胶囊滤液在520 nm处的吸光度（OD值）进行测量，根据花青素的标准曲线，计算出所含的花青素浓度大小，最后将所得的花青素浓度带入公式进行计算，由此得到了最终的微胶囊包埋率。固形物、均质速度、壁材比和乳化剂含量单因素试验方法同上。

（2）正交优化试验。

配比工艺正交试验因素水平见表1。

基于上述4个单因素试验，选取芯壁比、固形物含量、壁材比和乳化剂含量作为正交试验的因素，每个因素都选择3个水平。然后，采用四因素三水平L9（34）正交试验，确定花青素微胶囊的最佳配比。

表1 配比工艺正交试验因素水平

1.3.5 微胶囊的喷雾干燥工艺研究

准备5份已经均质（10 000 r/min） 的花青素盐微胶囊溶液，分别按照170，180，190，200，210℃的进风温度，90℃的出风温度和2 500 mL/h的进料速度，进行喷雾干燥制备微胶囊。于波长520 nm处测定花青素复合盐微胶囊滤液的吸光度（OD值）。依照已经测出的花青素的标准曲线，计算出所含的花青素质量浓度，最后将所得的花青素质量浓度带入公式进行计算，由此得到了最终的微胶囊包埋率。出风温度、进料速度单因素优化试验同上。

1.3.6 微胶囊保留率的测定

取相同量的空白花青素和花青素复合盐微胶囊分别溶解在缓冲液中，分别移取50 mL溶液放置在25℃不避光的条件下，每隔1 h取样检测，并记录保存率数据。

1.3.7 花青素微胶囊的微观结构观察

使用钨灯丝扫描电子显微镜（SEM） 观察花青素复合盐微胶囊表面的形态，在进行电子显微镜观察前需提前制备样品，在观察样品台上先贴一层胶。然后，将样品粉末少量轻轻撒在胶上，吹净多余的粉末。之后，进行喷金处理后就可以使用电子显微镜观察，观察微胶囊的形状和表面光滑程度。

1.3.8 统计分析

所有试验重复3次，并采用SPSS 20.0软件处理数据，结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 花青素标准曲线

以黑米花青素为标品，按1.3.2所述的方法进行试验，就能够得到用于计算微胶囊包埋率的花青素标准曲线。回归方程为Y=3.816 7X-0.038 3，相关系数为R2=0.999。

花青素的标准曲线见图1。

2.2 原料配比对微胶囊包埋率的影响

（1）芯壁比对微胶囊包埋率的影响。

芯壁比对微胶囊包埋率的影响见图2。

取一定量的复合壁材和花青素，以1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10（m/m） 的比例复配，得到的包埋率如图2。很显然，随着芯壁比的减小，包埋率逐渐增大；在芯壁比为1∶8时达到最大；之后，包埋率随着芯壁比的减小而减小。该变化过程可分析如下：随着加入壁材比例的逐渐增加，溶液的乳化效果提升，提高了花青素盐包埋率。然而，随着壁材比例的进一步增加，所产生花青素盐微胶囊膜过厚，不利于花青素的释放，致使其包埋率下降[13]。因此，花青素盐的最佳芯壁比为1∶8。

（2）固形物含量对微胶囊包埋率的影响。

固形物含量对微胶囊包埋率的影响见图3。

图1 花青素的标准曲线

图2 芯壁比对微胶囊包埋率的影响

图3 固形物含量对微胶囊包埋率的影响

由图3可知，当固形物含量低于10%时，随着固形物含量的增加，花青素盐包埋率显著提高；当固形物含量高于10%时，包埋率逐渐减小，这可能是由于固形物含量影响了乳化液的稳定性，从而导致包埋率有差异[14]；当固形物含量为10%时，包埋率达到最大值（46.90%）。因此，固形物含量确定为10%。

（3）壁材比对微胶囊包埋率的影响。

壁材比对微胶囊包埋率的影响见图4。

由图4可知，当壁材比在3∶7～2∶3，随着壁材中羟丙基-β-环糊精含量的增加，包埋率逐渐升高；当壁材比在2∶3～7∶3，随着壁材中羟丙基-β-环糊精含量的升高，包埋率逐渐降低。很明显，壁材比（羟丙基-β-环糊精∶阿拉伯胶） 在2∶3时，包埋率最高（53.10%）；随着丙基-β-环糊精含量降低，溶液的黏度降低，影响了溶液的乳化性，导致花青素盐包埋率不高。因此，花青素盐的最佳壁材比为2∶3。

（4）乳化剂含量对微胶囊包埋率的影响。

乳化剂含量对微胶囊包埋率的影响见图5。

图4 壁材比对微胶囊包埋率的影响

图5 乳化剂含量对微胶囊包埋率的影响

由图5可知，在乳化剂含量低于1.5%时，包埋率随着乳化剂含量的增加而逐步提高；在含量为1.5%时，包埋率达到最大值（46.32%）；随后，包埋率随着乳化剂含量的升高而降低。这是由于乳化剂会影响溶液的乳化性和黏度，利于乳化液成膜且不易破裂。然而，过多乳化剂会导致溶液产生聚集现象，产生少量沉淀，从而影响包埋率。因此，最佳乳化剂含量确定为1.5%。

（5）均质速度对花青素微胶囊包埋率的影响。

均质速度对微胶囊包埋率的影响见图6。

图6 均质速度对微胶囊包埋率的影响

图6反映喷雾干燥前对微胶囊溶液进行均质时，均质速度对花青素盐包埋率的影响。在均质速度低于11 000 r/min时，包埋率随着速度的增加而逐渐上升；当均质速度为11 000 r/min时，包埋率达到最大值；之后，继续增加均质速度，包埋率显著下降。这是由于均质速度会影响乳化液的稳定性，过高的均质速度会使微胶囊形成更大的表面积，分散更加完全的小液滴可能会聚集，从而导致乳化液稳定性降低甚至产生沉淀[15]。刘万龙[16]研究了不同乳化方式对微胶囊的影响，试验结果表明均质的方式比超声波更有利于微胶囊的形成。因此，花青素盐的最佳均质速度确定为11 000 r/min。

（6）微胶囊花青素盐配方的正交试验。

配方正交试验结果见表2。

表2 配方正交试验结果

花青素盐制备工艺的正交试验结果如表2所示。4种因素R值大小顺序为A＞D＞B＞C，即影响花青素盐包埋率的因素主次为壁材比＞乳化剂含量＞芯壁比＞固形物含量。通过直观分析可知，4号试验组的花青素盐包埋率最高（68.49%）。而极差分析结果为A2B1C2D3，与直观分析结果相吻合。因此，花青素盐的最佳工艺条件为A2B1C2D3，即壁材比2∶3，芯壁比1∶7，固形物含量10%，乳化剂含量2.0%。

2.3 喷雾干燥工艺对花青素微胶囊包埋率的影响

（1）进风温度对花青素微胶囊包埋率的影响。

进风温度对微胶囊包埋率的影响见图7。

图7 进风温度对微胶囊包埋率的影响

进风温度对花青素盐包埋率有着较大影响。如图7所示，在进风温度低于180℃时，包埋率随着温度的增加而逐渐升高；在180℃时，包埋率达到最大值（92.85%）；随后，随着进风温度的增大而减小。进风温度影响喷雾干燥的干燥能力及速率，并且会对花青素产品的稳定性有一定的影响。当进风温度较低时，花青素盐干燥不充分并且含水量较高，发生黏壁现象；而过高的进风温度会使花青素盐壁材开裂，降低包埋率[17]。因此，花青素盐喷雾干燥工艺的最佳进风温度为180℃。李飞等人[18]研究了进风温度对紫薯花青素包埋率的影响，其研究结果与试验结果相类似。

（2）出风温度对花青素微胶囊包埋率的影响。

出风温度对微胶囊包埋率的影响见图8。

图8 出风温度对微胶囊包埋率的影响

出风温度也对产品干燥品质有着一定的影响。如图8所示，出风温度低于100℃，包埋率随着温度的升高而迅速增加，当风温度为100℃时，包埋率达到最大值（92.81%）；随后，温度继续升高，包埋率逐渐下降。适宜的出风温度不仅可以减少产品的干燥时间，还能提高产品品质[19]。因此，花青素盐喷雾干燥的最佳出风温度为100℃。

（3）进料速度对花青素微胶囊包埋率的影响。

进料速度对微胶囊包埋率的影响见图9。

图9 进料速度对微胶囊包埋率的影响

进料速度对花青素盐包埋率的影响如图9所示。当进料速度为1 500～2 500 mL/h时，包埋率随着进料速度的增加而上升；在2 500 mL/h时，包埋率最大（91.31%）；当进料速度高于2 500 mL/h，包埋率反而快速降低。这可能是由于进料速度过快时，物料未被干燥，导致其黏附在干燥室的内壁上，造成物料得率及质量均过低；而过低的进料速度又会使物料被过分干燥，微胶囊颗粒压力升高，导致壁材破裂，从而使包埋率降低。因此，花青素盐喷雾干燥工艺的最佳进料速度确定为2 500 mL/h。

2.4 微胶囊花青素盐产品花青素含量

经优化后工艺生产的花青素盐微胶囊产品花青素含量为2.5‰。

2.5 花青素微胶囊的保留率

25℃下花青素和花青素微胶囊保留率见图10。

图10 25℃下花青素和花青素微胶囊保留率

如图10所示，将花青素和微胶囊花青素盐分别放置在25℃条件下，每隔1 h测1次花青素和微胶囊花青素盐中花青素的保留率。在25℃下花青素盐的保留率明显高于花青素的保留率，花青素的保留率相对保持在80%以上，而花青素的保留率相对保持在90%以上。由此可见，微胶囊花青素盐的结构能够对花青素的稳定性提高起到一定的作用，同时也保护了花青素的降解。而且，花青素保留率和花青素盐的保留率的曲线都先表现为下降趋势，之后又表现为相对平稳的趋势。因此，微胶囊可以有效保护花青素，控制花青素释放。

2.6 微胶囊花青素复合盐的微观结构

微胶囊花青素复合盐的电镜扫描图见图11。

图11 微胶囊花青素复合盐的电镜扫描图

由微观电镜扫描图（图11） 可以看出，微胶囊花青素主要呈现出外观光滑的球形，但也会有呈现出外观皱缩的不规则的外形。结果表明，微胶囊花青素复合盐包埋工艺效果良好。

3 结论

通过单因素试验和正交试验，微胶囊花青素复合盐的配方最优水平组合为芯壁比1∶7，固形物含量15%，壁材比2∶3（羟丙基-β-环糊精∶阿拉伯胶），乳化剂含量2%，同时也确定了最优均质工艺速度为11 000r/min。进一步通过单因素试验，确定了复合盐的最佳喷雾干燥工艺为进风温度180℃，出风温度100℃，进料速度2 500 mL/h。成品的微胶囊花青素复合盐中花青素包埋率为91.31%，该工艺对花青素盐包埋效果良好，对花青素的稳定性有大幅度的提高。经过微胶囊包埋处理后，微胶囊花青素复合盐成分如下：食盐90%，花青素0.91%，吐温-80 1.82%，阿拉伯胶3.81%，羟丙基-β-环糊精2.55%。