紫玉米花色苷微膠囊化工藝和性能研究

王宇濱，張 超，馬 越，趙曉燕,*，岳喜慶

(1.北京市農(nóng)林科學院蔬菜研究中心，北京 100097；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧 沈陽 110161)

紫玉米花色苷微膠囊化工藝和性能研究

王宇濱1,2，張 超1，馬 越1，趙曉燕1,*，岳喜慶2

(1.北京市農(nóng)林科學院蔬菜研究中心，北京 100097；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學食品學院，遼寧 沈陽 110161)

采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化紫玉米花色苷微膠囊化的配方及工藝，并對其微觀特性進行表征。結(jié)果顯示：噴霧干燥入口溫度是影響紫玉米花色苷包埋率最主要因素；紫玉米花色苷最佳工藝為紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)15%、麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)45%、總固形物質(zhì)量分數(shù)為25%和噴霧干燥入口溫度140℃，在最佳工藝條件下，紫玉米花色苷包埋率為95.2%；掃描電鏡和激光粒度儀分析進一步驗證當噴霧干燥入口溫度為140℃時，微膠囊化紫玉米花色苷的表面無明顯裂痕和孔洞，粒徑分布均比較集中(2～30μm)，峰值出現(xiàn)在7.13μm。

紫玉米；花青素；噴霧干燥；響應(yīng)面分析法；掃描電鏡

紫玉米花色苷來源于紫玉米的苞葉和穗軸，其不僅花色苷含量豐富，而且抗氧化性能優(yōu)于同類花色苷產(chǎn)品[1-2]。但是，紫玉米花色苷性質(zhì)活潑，易受外界條件(如pH值、溫度、光線等)影響而降解，提高紫玉米花色苷穩(wěn)定性才可以擴展其應(yīng)用領(lǐng)域。微膠囊化方法是一種將固體或液體包埋形成微小顆粒的方法，該技術(shù)可以使芯材與空氣隔絕，延緩其氧化和降解，提高其穩(wěn)定性[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)，微膠囊化的花色苷不僅提高其穩(wěn)定性，而且提高其分散能力[5-7]。

本實驗擬采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化紫玉米花色苷微膠囊化工藝，深入研究微膠囊化條件對紫玉米花色苷形態(tài)和粒徑分布的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

紫玉米花色苷 自制；阿拉伯樹膠粉 國藥集團上?；瘜W試劑公司；麥芽糊精 浙江德清三富食品有限公司；檸檬酸、磷酸氫二鈉 北京化工廠。

Mini Spray Dryer B-290噴霧干燥器、Mixer B-400均質(zhì)機 瑞士Buchi公司；空氣壓縮機220 上海惠馳機電有限公司；AL204電子天平 瑞士Mettler Toledo公司；UV-1800紫外分光光度計 日本Shimadzu公司；磁力攪拌器 德國IKA公司；S-4800掃描電鏡 日本Hitachi公司；3500s激光粒度儀 美國Microtrac公司。1.2 方法

1.2.1 花色苷質(zhì)量分數(shù)的測定

樣品花色苷質(zhì)量分數(shù)測定使用pH示差法進行[1]。

1.2.2 紫玉米花色苷微膠囊化處理

將麥芽糊精用pH3.0緩沖液在70℃條件下溶解，并加入阿拉伯樹膠粉，快速攪拌，待壁材完全溶解后，冷卻，與紫玉米花色苷充分溶解，均質(zhì)，進行噴霧干燥。

1.2.3 包埋率的計算

取0.1g樣品，加入5mL無水乙醇，超聲，過濾，將濾液移入25mL容量瓶中，蒸餾水定容，于波長513nm處測定吸光度，計算樣品表面花色苷的質(zhì)量分數(shù)(Cs)。取0.1g樣品，加入20mL蒸餾水，超聲，過濾，將濾液移入25mL容量瓶中，無水乙醇定容，于波長513nm處測定吸光度，計算出產(chǎn)品總花色苷的質(zhì)量分數(shù)(Ct)。紫玉米花色苷的包埋率計算公式[3]為：

式中：δ為包埋率；Cs為樣品表面花色苷的質(zhì)量分數(shù)/(mg/mL)；Cs為樣品總花色苷的質(zhì)量分數(shù)/(mg/mL)。

1.2.4 單一因素對紫玉米花色苷包埋率的影響

在噴霧干燥入口溫度140℃、總固形物質(zhì)量分數(shù)25%、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)15%和麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)45%條件下，研究單因素變化對紫玉米花色苷包埋率的影響，各因素水平為：入口溫度100、120、140、160、180℃，總固形物質(zhì)量分數(shù)5%、15%、25%、35%、45%，紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)5%、10%、15%、20%、25%，麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)15%、25%、35%、45%、55%、65%。

1.2.5 響應(yīng)面試驗設(shè)計

以包埋率Y為響應(yīng)值，使用響應(yīng)面法[8-9]優(yōu)化入口溫度X1、總固形物質(zhì)量分數(shù)X2、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)X3、麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)X4對紫玉米花色苷包埋率的影響。

1.2.6 噴霧干燥入口溫度對樣品形態(tài)及粒徑分布的影響

樣品的形態(tài)運用掃描電鏡進行觀察，掃描電壓20kV、掃描倍數(shù)為1000倍。粒徑分布采用激光粒度儀測定，采用真空固體粉末進樣方式測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對紫玉米花色苷包埋率的影響

研究采用麥芽糊精和阿拉伯樹膠為紫玉米花色苷的壁材，主要因為其在包埋抗氧化劑類物質(zhì)中已顯示良好包埋效果，目前已經(jīng)應(yīng)用于VE[10]、原花青素[11]、茶多酚[12]和葉黃素[13]等抗氧化劑的微膠囊化研究中。

首先研究噴霧干燥入口溫度、總固形物質(zhì)量分數(shù)、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)和麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)對紫玉米花色苷包埋率的影響(圖1)。當噴霧干燥進口溫度在100～140℃時，紫玉米花色苷包埋率隨溫度升高而升高(圖1A)，這是因為提高進口溫度導致壁材的成膜速度加快，從而提高包埋率。當溫度達到140℃以上時，包埋率下降，這可能是由于溫度過高、水分散失過快，導致囊壁形成微小縫隙，顆粒體系的黏度降低，從而導致包埋率下降[5,7]。

圖1 單一因素對紫玉米花色苷包埋率的影響Fig.1 Results of single factor investigations

當總固形物質(zhì)量分數(shù)為5%～25%時，紫玉米花色苷包埋率升高，但是當總固形物質(zhì)量分數(shù)超過25%時，微膠囊化包埋率隨著總固形物質(zhì)量分數(shù)的升高而下降(圖1B)。這是因為最初固形物質(zhì)量分數(shù)越高，壁材形成的致密性越好，但是當固形物質(zhì)量分數(shù)過高，進料霧化難度增大，干燥程度分布不均，從而包埋率下降[7]。

當紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)5%～15%時，紫玉米花色苷包埋率隨紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)增加而增加，并在紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)為15%時，其達到最大值90%(圖1C)。隨著紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)的增加，其包埋率下降至85.1%。這是因為芯材添加量超過壁材包埋的能力，導致囊壁包埋不完全[14]。

當麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)在15%～45%時，紫玉米花色苷包埋率隨麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)增加而增加，而當麥芽糊精的質(zhì)量分數(shù)大于45%時，其包埋率下降(圖1D)。這可能是因為當麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)過高導致溶液黏度增加，影響樣品霧化效果，從而影響包埋率[5]。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化紫玉米花色苷微膠囊化工藝

表1 紫玉米花色苷微膠囊化工藝響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 1 Design and experimental results of response surface analysis of effects of four process conditions on the percentage of embedded purple corn anthocyanins

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，以紫玉米花色苷包埋率為指標，應(yīng)用Box-Behnken中心組合設(shè)計四因素三水平響應(yīng)面試驗，通過對表1數(shù)據(jù)擬合，得到多元回歸方程：

通過回歸方程中一次項系數(shù)絕對值比較，判斷各因素的影響主次為：入口溫度＞紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)＞總固形物質(zhì)量分數(shù)＞麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)。而方程模型系數(shù)(R2)為0.6551，說明該模型擬合度良好，其精密度為5.729(＞4)，證明該模型是可行的。模型失擬項P=0.0922(＞0.05)，通過回歸方程擬合公式可以證明試驗擬合效果好，誤差小，擬合結(jié)果真實可信。根據(jù)上述方程計算獲得紫玉米花色苷微膠囊化最佳工藝為：入口溫度140℃、總固形物質(zhì)量分數(shù)25%、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)15%、麥芽糊精質(zhì)量分數(shù)45%，此時產(chǎn)品包埋率為95.2%。

圖2 兩因素交互作用對紫玉米花色苷包埋率的影響Fig.2 Response surface plots for the pairwise effects of four process conditions on the percentage of embedded purple corn anthocyanins

圖2 顯示噴霧干燥入口溫度與紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)、麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)、總固形物質(zhì)量分數(shù)交互作用對紫玉米花色苷包埋率的影響?？梢钥闯鋈肟跍囟扰c麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分數(shù)的交互作用顯著，而與紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)和總固形物質(zhì)量分數(shù)的交互作用不顯著，說明該實驗中四個因素對包埋效果的影響不是簡單線性關(guān)系，而受線性回歸影響。

2.3 噴霧干燥入口溫度對微膠囊化紫玉米花色苷形態(tài)的影響

圖3 噴霧干燥入口溫度對微膠囊化紫玉米花色苷形態(tài)的影響(×1000)Fig.3 SEM observations of the effect of air inlet temperature on morphological structure of microencapsulated purple corn anthocyanin(× 1000)

圖3 顯示噴霧干燥入口溫度對紫玉米花色苷形態(tài)的影響。由圖3A可以看出，顆粒自身的空洞較多，表面布滿裂痕和縫隙，導致其易于氧化，穩(wěn)定性低，這也許就是造成花色苷產(chǎn)品不穩(wěn)定的主要原因。其余分別是在100、120、140、160、180℃為入口溫度的條件下噴霧干燥得到的樣品，可以直觀地觀察到成粒大小不均一，但沒有顆粒裂痕和有孔洞的情況，因此，微膠囊化的紫玉米花色苷穩(wěn)定性獲得提高，與文獻[15-16]的結(jié)果一致。

2.4 噴霧干燥入口溫度對微膠囊化紫玉米花色苷粒徑分布的影響

圖4 噴霧干燥入口溫度對微膠囊化紫玉米花色苷粒徑分布的影響Fig.4 Effect of air inlet temperature on particle size distribution of microencapsulated purple corn anthocyanin

圖4 顯示噴霧干燥入口溫度對微膠囊化紫玉米花色苷粒徑分布的影響。微膠囊化處理不僅有效降低紫玉米花色苷的平均粒徑，而且使粒徑分布范圍更加集中，因此，微膠囊化處理使紫玉米花色苷更加適宜進一步加工。同時，微膠囊化處理后的紫玉米花色苷粒徑分布均比較集中，主要在2～30μm范圍內(nèi)，而紫玉米花色苷粒徑主要分布在3～100μm范圍內(nèi)。當噴霧干燥出口溫度為140℃時，微膠囊化的紫玉米花色苷粒徑分布最集中，峰值出現(xiàn)在7.13μm。因此，使用該溫度為噴霧干燥出口溫度可以有效控制微膠囊化紫玉米花色苷的粒徑，進一步驗證響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果。

3 結(jié) 論

采用響應(yīng)面分析法研究發(fā)現(xiàn)當噴霧干燥的入口溫度140℃、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分數(shù)占總固形物15%、麥芽糊精的質(zhì)量分數(shù)占總固形物45%和總固形物質(zhì)量分數(shù)25%時，紫玉米花色苷包埋率最高為95.2%。其中，噴霧干燥入口溫度是影響紫玉米花色苷包埋率的主要因素。掃描電鏡和激光粒度儀分析顯示當噴霧干燥入口溫度為140℃時，微膠囊化紫玉米花色苷表面無明顯裂痕和孔洞，粒徑分布均比較集中(2～30μm)，峰值出現(xiàn)在7.13μm，進一步驗證響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果。

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Microencapsulation and Properties of Purple Corn (Zea may L.)Anthocyanins

WANG Yu-bin1,2，ZHANG Chao1，MA Yue1，ZHAO Xiao-yan1,*，YUE Xi-qing2
(1. Vegetable Research Center, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China；2. College of Food Science, Shenyang Agricultural University, Shenyang 100161, China)

The microencapsulation of purple corn anthocyanins by spray drying was optimized by response surface methodology. Air inlet temperature in spray drying was determined as the most important affecting factor of the percentage of embedded purple corn anthocyanins. The optimum microencapsulation conditions for purple corn anthocyanins were found to be: the content of total solids of 25%, consisting of 15% purple corn anthocyanins and 45% maltodextrin and air inlet temperature of 140 ℃. Under such conditions, 95.2% of purple corn anthocyanins could be embedded. Scanning electron microscopic (SEM) observations and measurement in a laser particle size analyzer showed that the surface of microencapsulated purple corn anthocyanins at 140 ℃ air inlet temperature was smooth and uniform, and the particle size distribution was concentrated, with a peak being observed at 7.13μm.

purple corn；anthocyanins；spray drier；response surface analysis；scanning electron microscope

TS202.3

A

1002-6630(2011)08-0061-04

2010-05-05

北京市科學技術(shù)委員會項目(Z080005032508021)

王宇濱(1984—)，女，碩士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：wyb-yc.20@163.com

*通信作者：趙曉燕(1969—)，女，研究員，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：zhaoxiaoyan@nercv.org