喷雾干燥玫瑰茄花色苷微胶囊化效果及其性质

王丽霞，肖辉民，吴浈浈，陈天龙，林素英

莆田学院环境与生物工程学院，福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室（莆田 351100）

玫瑰茄，又称洛神花、洛神葵、洛神果、山茄、红角葵，洛济葵，是锦葵科木槿属1年生草本植物或多年生灌木，生长于热带和亚热带地区[1]。中国福建、台湾、广东、海南、广西、云南等地均有栽培。其花萼中含有一种安全、无毒的天然食用色素，即玫瑰茄红色素，又称玫瑰茄红、班瑰茄、玫瑰茄色素，主要成分为矢车菊素-3-葡萄糖苷、飞燕草素-3-葡萄糖苷、矢车菊素-3-接骨木二糖苷和飞燕草素-3-接骨木二糖苷4种花色苷[2]。

玫瑰茄花色苷为水溶性色素，具有多种生理功能，如抗氧化、清除自由基、抗炎、减肥、抗高血脂、抗高血压、抑制血小板聚集、利尿、抗泌尿系结石、抗菌、抗癌、保肝、护肾、抗肿瘤、免疫调节、解除镉中毒等功能[1]。然而，其性质不稳定，易受各种理化因素的影响而发生变化，如对光、热、碱敏感，易氧化，金属离子如Fe3+、Cu2+等鳌合致其变色或降低生物活性等[3-4]。通过物理或化学作用实现花色苷的稳态化成为研究的热点。国内外关于提高玫瑰茄花色苷稳定性的研究较少，主要有锐孔法、喷雾干燥法制备微胶囊[5-6]、搅拌混合包埋制备胶囊法[7]。喷雾干燥法制备微胶囊是食品工业中用于功能性化合物保护的最常用的制备胶囊的技术之一[6]。这种方法的主要优点是产物性能稳定[6]、多种壁材可供选择[6]、产品形态较好[8]、成本低、操作方便、适合工业化生产。

试验采用喷雾干燥法制备玫瑰茄花色苷微胶囊，研究壁材组成、芯壁比、固形物含量、进风温度、进料流速对微胶囊化效率及产率的影响，表征产物性能，获得理化性质稳定的玫瑰茄花色苷微胶囊产品，使玫瑰茄花色苷更加广泛、有效地开发应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

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）；卡拉胶（κ型，福建省绿麒食品胶体有限公司）；乙醇、氯化钠、盐酸、醋酸、醋酸钠等（分析纯）。

1.2 仪器与设备

WK-150全新气流式超微粉碎机（欣镇企业有限公司）；AR224CN电子天平[奥豪斯仪器（上海）有限公司]；KQ-200VDE型双频数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；TGL-20M型台式高速冷冻离心机（上海卢湘离心机仪器有限公司）；SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵/RE-301旋转蒸发仪（巩义市予华仪器有限责任公司）；自动收集器（上海青浦沪西仪器厂）；DHG-9030A电热鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；85-2恒温磁力搅拌器（金坛市江南仪器厂）；LABPLANTSD-06AG全自动喷雾干燥器；STARTER2100/3C精密数显酸度计；UV-1800紫外可见光光度计（上海美谱达仪器有限公司）；VERTEX 70傅里叶变换红外光谱仪（德国BRUKER）；S-4800场发射扫描电子显微镜（日本日立公司）；Q600同步热分析仪（美国TA仪器公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 玫瑰茄花色苷的制备

玫瑰茄干花萼于超微粉碎机中粉碎，置于棕色瓶内4 ℃密封保存。取适量微粉，用蒸馏水以1∶130（g/mL）比例混合均匀，在50 ℃超声波清洗器中超声处理30 min，超声功率60%，提取液冷冻离心得上清液[9]。于40 ℃减压浓缩得红色黏稠的粗提液，经HPD-100大孔树脂纯化[10]，于40 ℃减压浓缩得到纯化的玫瑰茄花色苷浓缩液，经喷雾干燥得到紫红色粉末（花色苷含量10.8 mg/g）。

1.3.2 微胶囊化工艺

称取一定量壁材用磁力搅拌器分散搅拌于去离子水中溶胀，并称取一定量1.3.1小节获得的玫瑰茄花色苷粉末溶于水中作为芯材，将两者充分混合均匀，喷雾干燥，获得玫瑰茄花色苷微胶囊。

1.3.3 花色苷质量浓度的测定

采用pH示差法测定提取花色苷质量浓度[11]。按式（1）计算。

式中：ρ为花色苷质量浓度，mg/mL；A520nm为波长520 nm处的吸光度；A700nm为波长700 nm处的吸光度；M为矢车菊素-3-葡萄糖苷相对分子质量，449.2（g/mol）；n为待测液稀释倍数；ε为矢车菊素-3-葡萄糖苷的摩尔消光系数，26 900 L/（mol·cm）；V为取样液体积，mL；m为样品质量，g。

1.3.4 微胶囊化效果评价

评价微胶囊化效果的重要指标有微胶囊化效率和微胶囊化产率。微胶囊化效率定义为花色苷实际被包埋量与理论被包埋量的比值，是用来衡量花色苷被包埋程度的指标；微胶囊化产率定义为微胶囊产品中含花色苷与初始加入的总花色苷质量浓度之比[12]。分别采用式（2）和（3）计算。

式中：ωME为微胶囊化效率，%；CSAC为微胶囊表面花色苷质量浓度，mg/mL；CPAC为微胶囊产品中花色苷质量浓度，mg/mL。

式中：ωMY为微胶囊化产率，%；CPAC为微胶囊产品中花色苷质量浓度，mg/mL；CIAC为初始加入的花色苷质量浓度，mg/mL。

1.3.4.1 微胶囊产品表面花色苷质量浓度测定[12]

称取约0.2 g微胶囊，加入10 mL无水乙醇，摇匀并充分搅散，超声波振荡5 min，冷冻离心5 min，倒出上清液备用，测定花色苷质量浓度。

1.3.4.2 微胶囊产品中花色苷质量浓度测定[12]

称取约0.2 g微胶囊，加入10 mL蒸馏水，待其充分溶解，超声波振荡5 min，加入5 mL无水乙醇进行吸附花色苷5 min，冷冻离心5 min，倒出上清液备用，测定花色苷质量浓度。

1.3.5 微胶囊产品评价

1.3.5.1 红外光谱

采用KBr压片，分别测试花色苷、卡拉胶、微胶囊的红外光谱。波数范围4 000～400 cm-1，仪器分辨率0.5 cm-1，扫描次数32/64。

1.3.5.2 扫描电镜

将适量微胶囊产品均匀分散贴附于样品台上，喷金后，使用电镜扫描（SEM）观察颗粒形貌。

1.3.5.3 微胶囊产品的热稳定性

在氮气环境、流速20 mL/min、加热速率10 ℃/min条件下，对花色苷粉末及微胶囊产品进行同步热重/差示量热扫描测试，比较其稳定性，测试温度范围从室温至500 ℃。

1.4 试验设计

1.4.1 壁材组成对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

为考察壁材组成对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响，配制不同配比的复合壁材胶体，魔芋胶∶卡拉胶分别为4∶11，3∶12，2∶13，1∶14和0∶15（g/g），总胶体质量浓度1.5（g/L），分别加入0.2 g玫瑰茄花色苷于磁力搅拌器搅拌并充分包埋后，经喷雾干燥制得微胶囊，测定其花色苷质量浓度，并计算微胶囊化效率及产率。

1.4.2 芯壁比对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

为考察芯壁比对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响，配制不同芯壁比的胶体溶液进行喷雾干燥，芯壁比分别为1∶15，2∶15，3∶15，4∶15和5∶15（g/g），其中卡拉胶质量浓度1.5（g/L），花色苷分别为0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 g，配成胶体后于磁力搅拌器搅拌并充分包埋后，经喷雾干燥制得微胶囊，测定其花色苷质量浓度，并计算微胶囊化效率及产率。

1.4.3 固形物质量浓度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

为考察固形物质量浓度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响，配制不同固形物质量浓度的胶体溶液进行喷雾干燥，固形物质量浓度分别为1.02，1.36，1.70，2.04和2.38（g/L），其中卡拉胶质量分别为0.9，1.2，1.5，1.8和2.1 g，花色苷质量分别为0.12，0.16，0.20，0.24和0.28 g，制成胶体后经喷雾干燥制得微胶囊，测定其花色苷质量浓度，并计算微胶囊化效率及产率。

1.4.4 进风温度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

为考察喷雾进口温度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响，对喷雾干燥进风温度进行设置，分别设计干燥温度140，160，180，200和220 ℃，制得微胶囊后，测定其花色苷质量浓度，并计算微胶囊化效率及产率。

1.4.5 料液流速对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

为考察料液流速对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响，将料液流速分别设置为11，14，17，20和23（mL/min）进行喷雾干燥，制得微胶囊后，测定其花色苷质量浓度，并计算微胶囊化效率及产率。

2 结果与分析

2.1 喷雾干燥法各因素对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

2.1.1 壁材组成对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

壁材种类及其配比对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响见图1（a）。由图1（a）可知，微胶囊化效率及产率均随魔芋胶比例增加而减小，这是由于魔芋胶与卡拉胶易形成凝胶或成膜，壁材溶液体系黏度增大，花色苷粉末不易被混合体系有效包埋，造成喷雾效果差，产品形态差，如颗粒不规则、不光滑、部分呈片状，易堵塞雾化器口等影响。因此选用壁材组成0∶15（g/g），即0.15%卡拉胶作为壁材，此时微胶囊化效率及产率均为最高值。

图1 各因素对喷雾干燥玫瑰茄花色苷微胶囊化效率及产率的影响

2.1.2 芯壁比对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

芯壁比对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响见图1（b）。由图1（b）可以看出，随着芯壁比增加，微胶囊产品的微胶囊化效率先增大后减小，这是由于当芯材在一定浓度范围内时，壁材具有包埋芯材的能力，增加芯材比例，包埋率增加；继续增加芯材比例，壁材包覆的负荷增大，壁材胶囊壁强度减弱，料液在雾化造粒及干燥过程中不耐摩擦或挤压，降低壁材对芯材的包埋效果，从而微胶囊化效率降低[13]。此外，随着芯壁比增加，微胶囊产品产率先逐步增加后趋于平衡最后逐渐降低，这是由于随着初始花色苷质量浓度增大，微胶囊产品中花色苷质量浓度也增大，总体比值增大；随着初始花色苷质量浓度继续增大，未被包埋的花色苷即吸附于微胶囊表面的花色苷质量浓度增多，表面吸附的花色苷受喷雾干燥高温损坏，因此微胶囊化产品中花色苷质量浓度相比初始加入的质量浓度降低，体现在比值上从较平稳到逐渐降低。因此，芯壁比选取2∶15（g/g）。

2.1.3 总固形物质量浓度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

总固形物对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响见图1（c）。由图1（c）可知，随着总固形物质量浓度增加，微胶囊化效率先上升后下降，这是由于体系质量浓度太稀薄时，壁材不能形成连续的均匀的网络结构，不能很好地包覆芯材，体系不耐喷雾干燥的高温，此时，微胶囊化效率比较低。总固形物质量浓度增加，有助于喷雾干燥过程中胶囊壁的形成及增强囊壁的致密性，包埋效果增加。但是总固形物质量浓度过高时，由于卡拉胶及花色苷粉末均具有黏性，体系黏度过高使得料液的雾化难度增大，干燥筒壁粘连现象严重，产品易形成薄膜状，影响喷雾效果，因此微胶囊化效率降低。微胶囊化的产率先期提高较快，后期趋于平稳，同样可以解释为前期体系质量浓度较低，不耐高温，在喷雾干燥过程中囊壁的成膜情况较差，从而影响微胶囊化效率，加入的花色苷受喷雾干燥高温的影响损失，因此产率较低；随着总固形物质量浓度增加，较多的固形物能够耐受喷雾干燥的高温，微胶囊产品中的玫瑰茄花色苷质量浓度增加，因此产率提高。因此，选取总固形物质量浓度1.7 g/L为优化条件。

2.1.4 进风温度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

进风温度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响见图1（d）。由图1（d）可知，随着进风温度提高，微胶囊化效率和产率均先上升后下降。这是由于进风温度较低时，微胶囊化产品水分较高，产品黏稠，不松散，部分呈团块状，壁材不能很好包裹住花色苷；进风温度过高时，花色苷受高温降解，产品颜色较浅，微胶囊化效率和产率均下降；进风温度合适时，产品干燥、松散，呈均匀颗粒状，为紫红色，此时微胶囊化效率和产率均最高。因此，进风温度选择160 ℃。

2.1.5 进料速度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响

进料速度对玫瑰茄花色苷微胶囊化效果的影响见图1（e）。由图1（e）可知，随着进料速度提高，玫瑰茄花色苷微胶囊化效率和产率均为先增加后下降，这可能是由于进料速度较慢时，料液与热风温度作用时间较长，花色苷质量浓度有所损失，因此包埋效果不佳；进料速度达到20 mL/min后，包埋效果亦降低，这可能是由于进料速度过大，物料雾化效果降低，液滴的大小不均匀，从而影响产品的颗粒度及致密性。溶剂蒸发不充分，出口温度降低，产品含水量较高。微胶囊化产品在较高出口温度及较多水分的条件下，内部花色苷易氧化变质。因此，进料速度选择20（mL/min）。

2.2 玫瑰茄花色苷微胶囊产品评价

在单因素优化条件下，所得玫瑰茄花色苷微胶囊呈紫红色粉末状，产品的微胶囊化效率为95.75%，产率为94.18%。

2.2.1 红外光谱分析

玫瑰茄花色苷、卡拉胶及微胶囊的红外光谱如图2所示。由花色苷的红外光谱可看出，3 420 cm-1处显示酚类O—H伸缩振动的吸收带，2 930 cm-1和2 640 cm-1处显示苯环的C—H伸缩振动峰，1 720 cm-1处C＝O可能来自花色苷糖残基上的乙酰化结构，1 630 cm-1处可能是芳烃骨架C＝C键伸缩振动吸收峰，说明该花色苷中含有大量苯环结构，波数1 380 cm-1可能是甲氧基C—H面内弯曲振动吸收峰，波数1 280 cm-1可能为酚羟基的C—O伸缩振动，1 040 cm-1可能为醇羟基的C—O伸缩振动吸收峰[14-15]。

图2 玫瑰茄花色苷、卡拉胶及微胶囊的红外光谱

由κ-卡拉胶的红外光谱可知，3 450 cm-1处为羟基的特征吸收峰，2 900 cm-1为C—H的伸缩振动，1 640 cm-1为糖的水化物的吸收峰，1 250 cm-1处较强的吸收峰为S＝O伸缩振动，表明多糖含有硫酸根，1 160 cm-1处则为醚类的C—O—C特征峰，1 060 cm-1处是连接羟基的C—O—的伸缩振动吸收峰，926 cm-1处为α-D-3，6内醚半乳糖上C—O—C的特征吸收峰，而849 cm-1处的吸收峰为C4硫酸化的特征吸收即半乳糖C4—O—S的伸缩振动吸收峰[16-17]。

比较玫瑰茄花色苷微胶囊、κ-卡拉胶及花色苷的红外光谱可知，玫瑰茄花色苷中1 720 cm-1及1 630 cm-1处的特征峰消失，说明玫瑰茄花色苷被卡拉胶成功包埋。

2.2.2 扫描电镜分析

由图3的电镜扫描图可以看到，喷雾干燥玫瑰茄花色苷微胶囊基本成球形，表面光滑，未发现囊壁有破裂情况，说明芯材被壁材全部包裹。偶有微胶囊颗粒表面有凹陷、突起现象或呈不规则形态，凹陷可能是由于在喷雾干燥过程中，雾化液滴在干燥中，表面液滴迅速蒸发产生收缩而导致的或者可能由于在喷金过程中抽真空所导致的[18]，而凸起可能是少量未被包埋的花色苷吸附在胶囊壁表面。

图3 微胶囊电镜扫描图

2.2.3 微胶囊热稳定性分析

玫瑰茄花色苷及其微胶囊的DSC/TGA曲线如图4所示。从花色苷的TGA曲线可以看出，花色苷在热处理过程中，质量迅速下降，这是由于花色苷在高温下被加热分解的缘故。从花色苷的DSC曲线可以看出，花色苷出现2个吸热峰，分别为45～50 ℃及125～225℃，这是由于花色苷的降解是一个吸热过程[19]。

图4 花色苷及微胶囊的DSC/TGA曲线

从微胶囊的TGA曲线可以看出，微胶囊在热处理过程中，质量下降变得缓慢，温度从室温到75 ℃时的质量下降是由于花色苷中所含水分的蒸发。随后曲线比较平缓，这是由于花色苷由大分子卡拉胶包埋的缘故，相对分子质量较大，质量下降较慢，说明卡拉胶对花色苷的降解起到保护作用。温度升高至225 ℃时，质量下降迅速，出现第2段降解过程，这是由于花色苷及卡拉胶在高温下迅速裂解的缘故。从微胶囊的DSC曲线可以看出，花色苷的2个吸热峰消失，这是由于喷雾干燥过程的剪切力破坏卡拉胶与花色苷的结晶结构[20]，从而导致其热降解过程变为非吸热过程。

3 结论

采用喷雾干燥制备玫瑰茄花色苷微胶囊，通过单因素试验确定的最佳制备条件参数为：壁材采用卡拉胶，芯壁比2∶15（g/g），总固形物质量浓度1.7（g/L），喷雾进风温度160 ℃，进料流速20（mL/min）。在此条件下，产品的微胶囊化效率为95.75%，产率为94.18%。花色苷能够被卡拉胶有效包埋或与卡拉胶通过静电作用形成稳定的复合物；喷雾干燥微胶囊产品颗粒干燥、松散，结构完整，表面光滑，呈均匀的圆形或椭圆形，颜色为紫红色。玫瑰茄花色苷微胶囊化具有较高的热稳定性，有利于玫瑰茄花色苷在食品工业中的开发应用。