紫薯中花青素微胶囊的制备

王余梦 陈伟 蔡子维 孙钰杰 田琳

摘   要：花青素具有很高的营养价值，易受到温度、pH、金属离子、光照等影响变得不稳定。使用锐孔法制备花青素微胶囊，由单因素试验得出最佳海藻酸钠质量分数为3%，CaCl2质量分数为3%，芯壁体积比1∶3，针孔孔径为0.6 mm。在520 nm处测定吸光度，计算包埋率。使用响应面分析法进行3因素3水平试验，得到包埋率与海藻酸钠质量分数、氯化钙质量分数、芯壁体积比的回归方程。优化后的提取工艺参数为3.03%海藻酸钠、3.26%氯化钙、芯壁体积比1.00∶3.56，微胶囊包埋率可达71.81%。

关键词：紫薯;花青素;微胶囊;锐孔法;包埋率

紫薯又名“黑薯”，属旋花科番薯属，一年生草本植物。富含花青素，具有抗氧化和抗癌抗肿瘤等多种功效[1-2]。花青素作为一种天然的水溶性色素对温度、pH、金属离子、光照等十分敏感[3-4]。为保持花青素的营养价值，本实验采用锐孔法制备花青素微胶囊[5]，以包埋率为指标，在520 nm处测定花青素芯材溶液和CaCl2滤液的吸光度。单因素实验中确定最佳的海藻酸钠质量分数、CaCl2质量分数、针头孔径、芯壁比、混合液与CaCl2体积比，再使用响应面法优化实验方案，以达到最佳的包埋程度。

1    实验

1.1  实验材料

粗提的花青素样品。

1.2  实验试剂

无水氯化钙分析纯，海藻酸钠化学纯。

1.3  实验设备

紫外可见分光光度计UV-5500，恒温磁力搅拌器B11-1型。

1.4  实验方法

1.4.1  微胶囊的制备方法

以海藻酸钠为壁材，花青素样品为芯材，CaCl2为固化剂。将芯材溶液缓慢加入海藻酸钠溶液并磁力搅拌混合。吸取一定体积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]，过滤后在520 nm处测定吸光度。

1.4.2  紫薯花青素微胶囊包埋率的计算

包埋率计算公式如下：

式中：A1为芯材在520 nm处的吸光度;V1为芯材的体积，mL;A2为CaCl2滤液在520 nm处的吸光度;V2为CaCl2滤液的体积，mL。

1.4.3  微胶囊化单因素实验

配制1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的海藻酸钠溶液，50 ℃恒温磁力搅拌溶解，冷却至室温且溶液内气泡消失。将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缓慢加入海藻酸钠溶液中，磁力搅拌充分混合。静置至混合液中气泡消失，用一次性膠头滴管吸取混合液10 mL，至针头孔径为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，滤液。在520 nm处测得芯材溶液与CaCl2溶液的吸光度。以包埋率、挤压难易、凝胶珠形状等为衡量指标，依次考察不同因素不同质量分数对紫薯中花青素微胶囊制备的影响。

1.4.4  响应面法试验优化紫薯花青素中微胶囊的制备工艺

在1.4.3单因素实验基础上，选取对包埋率影响较大的海藻酸钠质量分数、氯化钙质量分数、芯壁体积比进行响应面试验，利用Design-Expert-8.0.6软件中的响应面设计（Box-Behnken Design，BBD）进行3因素3水平试验（见表1）。

1.5  数据处理

使用Design-Expert-8.0.6和Excel2010进行数据统计。

2    结果分析

2.1  单因素实验

2.1.1  海藻酸钠质量分数

将5 mL 0.1%芯材溶液按照芯壁比1∶4分别加入20 mL 1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的海藻酸钠溶液。在一定高度用0.6 mm 5 mL的注射器吸取10 mL混合液，按混合液与CaCl2溶液体积比1∶4滴入40 mL 1.5% CaCl2溶液中。

在1%～3%这个范围中，随着海藻酸钠质量分数的增大，凝胶珠的成型效果越好，形态越均一，弹性增大凝胶珠不易破裂（见图1）。在3%质量分数达到包埋率最大值之后，溶液质地浓稠度增加，凝胶珠质地硬度增加，注射成球困难。高质量分数的海藻酸钠遇到固化剂CaCl2溶液凝固更快[8]。确定制备紫薯花青素微胶囊的最佳海藻酸钠质量分数为3%。

2.1.2  CaCl2质量分数

将40 mL 0.1%芯材溶液与40 mL 3%海藻酸钠溶液按照芯壁比1∶4磁力搅拌混合，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搅拌的40 mL 1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0% CaCl2溶液中。

包埋率在1%～3%逐渐上升，3.0%～3.5%下降，呈先上升后下降的趋势（见图2）。当CaCl2质量分数较低时，凝胶珠外层的固化膜较薄，使得凝胶珠较松软容易破裂。CaCl2质量分数过高时，外层迅速固化，阻碍了凝胶珠内部固化，同样不利于微胶囊球的强度提高。故确定最佳CaCl2质量分数为3%。

2.1.3  针孔孔径

将12.5 mL 0.1%芯材溶液与50 mL 3%海藻酸钠溶液按照芯壁比1∶4磁力搅拌混合，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。

如图3所示，随着针孔孔径的增大，凝胶珠的表面积增大，包埋的花青素就越多，但凝胶珠表面固化的时间延长，使得芯材容易溢出，包埋效果差。针孔孔径为0.45 mm和0.50 mm时，混合液浓稠使得挤出成球困难，不易形成形态均一的凝胶珠。综合考虑，选用针孔孔径为0.60 mm最为合适。

2.1.4  芯壁比

将10 mL 0.1%芯材溶液分别与10 mL、20 mL、30 mL、40 mL、50 mL、60 mL 3%海藻酸钠溶液按照芯壁比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6磁力搅拌混合，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。

包埋率随着芯壁比的减小先增大后减小，在1∶3处达到最大值（见图4）。混合液中壁材较多，凝胶珠固化时间延长，使花青素不能高效地被包埋。壁材较少时，不能完全包埋住芯材，凝胶珠表面的固化膜较薄，芯材容易外溢。因此，选择芯壁比为1∶3。

2.1.5  混合液与CaCl2溶液的体积比

将15 mL 0.1%芯材与60 mL 3%海藻酸钠溶液按照芯壁比1∶3磁力搅拌混合，吸取10 mL混合液至0.6 mm的注射器中。按照混合液与CaCl2溶液的体积比1∶1 、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6分别滴入10 mL、20 mL、30 mL、40 mL、50 mL、60 mL CaCl2溶液中。

如圖5所示，包埋率随混合液与CaCl2溶液体积比的变化无明显的趋势，因为在成球的过程中，用磁力搅拌着CaCl2溶液，使凝胶珠不会沉积黏联。考虑经济成本，使用混合液与CaCl2溶液的体积比1∶2为宜。

2.2  响应面法试验结果

2.2.1  响应面法设计与结果分析

根据2.1单因素实验的结果，确定针孔孔径为0.6 mm、混合液与CaCl2溶液体积比为1∶2，固化30 min进行试验。选取对包埋率影响显著的3个因素进行响应面法试验，海藻酸钠质量分数（A）、氯化钙质量分数（B）、壁芯体积比（C）作为自变量，花青素微胶囊包埋率（Y）作为响应值。共有17个析因点，其中5个为中心点，其目的是估计实验的纯误差。试验结果如表2所示。

2.2.2  回归方程的建立与显著性分析

通过BBD设计Analysis中的ANOVA分析，可得包埋率（Y）与海藻酸钠质量分数（A）、氯化钙质量分数（B）、芯壁体积比（C）的二次多元回归方程为：Y=70.28+1.04A+2.62B+2.95C-0.48AB-0.44AC+0.61BC-4.07A2-2.86B2-2.89C2。

结果表明，该模型显示为显著。R2=0.970 9，进一步说明模型实际值与方程预测值之间有较好的相关性。从表3可以看出，A、B、C为显著因素（P<0.05），AB、AC、BC为不显著因素（P>0.05），不予考虑。回归方程可以简化为：Y=70.28+1.04A+2.62B+2.95C-4.07A2-2.86B2-2.89C2。

2.2.3  响应面模型预测最优方案

根据BBD设计Optimization中的Numerical得出最优试验方案为，3.03%海藻酸钠、3.26%氯化钙、芯壁体积比1.00∶3.56，微胶囊包埋率可达71.81%。

3    结语

优化后的条件为：以3%海藻酸钠50 ℃恒温磁力搅拌溶解，与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%氯化钙中，固化30 min，包埋率可达71.81%。

[参考文献]

[1]古荣鑫，胡花丽，刘雨辰，等.紫甘薯花青素提取工艺及抑菌活性的研究[J].山东农业科学，2012，44（4）：107-113.

[2]刘思远，李志鹏，彭召云，等.花青素对肺癌细胞相关炎性因子信号转导通路作用的研究进展[J].中国实验方剂学杂志，2017（14）：219-225.

[3]陈   杰.紫甘薯色素提取、纯化及稳定性研究[D].无锡：江南大学，2011.

[4]刘军波，刍礼根，赵  芸.蓝莓花青素加工环境稳定性研究[J].食品与生物技术学报，2018（10）：1 073-1 079.

[5]钱明雪，潘利华，樊基胜，等.蓝莓花青素微胶囊的包埋工艺[J].食品研究与开发，2013（24）：166-168，169.

[6]唐丽娟，王   建，曹志凌，等.响应面法优化锐孔法制备甜菜红素微胶囊工艺研究[J].中国食品添加剂，2017（7）：20-21.