均匀设计优化红枣色素微胶囊化工艺研究

王丽玲，候旭杰，高超

（塔里木大学生命科学学院，新疆 阿拉尔 843300）

红枣色素属于羟基蒽醌类衍生物[1]，水溶性好，溶液澄清透明，色泽鲜艳、自然、安全性高，在化妆品、食品、染料、饮料等方面有广阔的应用前景。但与合成色素相比，天然红枣红色素着色强度较弱，对光、热、pH和抗氧化的敏感性较高，并且其生产受到红枣种类、地理、区域及季节的影响，供应量不稳定。微胶囊技术应用于天然色素可以很大程度地提高其稳定性。例如王煜等进行的姜黄色素微胶囊化研究[2]；杨玉峰等进行的微胶囊化姜黄色素化学稳定性的研究[3]以及唐永富等进行的微胶囊化辣椒红色素工艺研究[4]等都证明微胶囊化的色素其稳定性得到大大的提高。因此，本试验研究以天然红枣色素为芯材，以海藻酸钠为壁材，采用锐孔法制作红枣色素微胶囊，并用均匀设计法进行工艺的优化，发挥均匀设计的少量试验处理多因素多水平的研究方法，为提高红枣色素的稳定性和商品性提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要试验材料

1.1.1 材料

红枣：购于新疆阿拉尔农贸市场。

1.1.2 试剂

海藻酸钠、氯化钙、无水乙醇、95%乙醇、盐酸、柠檬酸、磷酸氢二钠：均为分析纯。

1.1.3 主要试验仪器

RE52-201DA旋转蒸发仪：河南巩义予华艺仪器有限公司；BS2202S、BS210S精密天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；FA2004N电子分析天平：北京市永光明医疗仪器厂；756紫外可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司；BCD-223GB冰箱：容声，中国科龙电器；BME100LX高剪切混合乳化机：上海威广机械制造有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 红枣色素溶液的制备

取干制的红枣50g，加入1L含0.01%HCl的60%乙醇溶液于60℃恒温水浴锅中浸提3 h，抽滤、离心得到红枣色素浸提液，然后减压浓缩至30 mL，用pH=3.5的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液进行稀释，配制成吸光度为0.430的色素溶液。

1.2.2 红枣色素微胶囊化工艺流程

1.2.3 操作要点

取适量海藻酸钠，用pH=3.5的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液加热溶解，冷却至40℃～50℃，加入适量的色素液，充分搅拌混合均匀后吸入注射器中，用注射器以一定的速度将混合液注入用pH=3.5的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液配制的CaCl2溶液中制珠，在冰箱中（0℃～2℃条件下）静置，使胶珠在CaCl2溶液中固化，过滤，用滤纸吸去凝珠表面的水分，在自然条件下干燥。

1.2.4 包埋率测定

红枣色素微胶囊化效果用色素的包埋率来评定[5]。计算包埋率的公式如下：

式中：A为加入色素的吸光度；V为加入色素的体积；A1为上清液中色素的吸光度；V1为上清液的体积。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

在微胶囊制作过程中，影响微胶囊包埋率的因素很多，本文主要研究的是海藻酸钠浓度、壁芯材比例、氯化钙浓度以及固化时间对微胶囊化包埋率的影响。

2.1.1 海藻酸钠浓度对微胶囊化效果的影响

固定色素用量与海藻酸钠用量之比为1∶3，CaCl2浓度为4%，造粒温度为室温（25℃），固化时在冰箱中静置 1.0 h，测定 2%、3%、4%、5%、6%、7%6种浓度的海藻酸钠壁材对色素微胶囊化效果的影响。其结果见图1。

从图1可看出，随着海藻酸钠浓度的增加，红枣色素的包埋率明显提高，但当海藻酸钠浓度为7%时，造粒困难，综合考虑，确定海藻酸钠的浓度为6%。

图1 海藻酸钠浓度对包埋率的影响Fig.1 Sea alginic acid sodium density to embedding rate influence

2.1.2 CaCl2浓度对微胶囊化的影响

红枣色素微胶囊的原理是用CaCl2等碱土金属盐作凝固剂，使海藻酸钠转变为海藻酸碱土金属盐而凝固，从而包覆在芯材外面。因此，作为凝固液的CaCl2溶液浓度将会对微胶囊效果产生重要影响。在室温下，选用固化时间为1.0 h，海藻酸钠浓度为6%，色素与海藻酸钠用量之比为1:5（体积比），将CaCl2浓度调整为1%、2%、3%、4%、5%、6%，分析CaCl2浓度对微胶囊效果的影响，结果见图2。

图2 CaCl2浓度对包埋率的影响Fig.2 Calcium chloride denstity to embedding rate influence

由图2可以看出，CaCl2浓度从1%升高到2%时，包埋率逐渐提高，之后趋于稳定，但当CaCl2溶液大于3%时，包埋率又有所下降。所以制作红枣色素微胶囊时，CaCl2溶液浓度以3%为宜。

2.1.3 芯壁材比对微胶囊化的影响

采用浓度为6%的海藻酸钠，芯壁材之比分别调整为 1∶5、2∶5、3∶5、4∶5、5∶5、6∶5（体积比），于 3%的 CaCl2溶液中固化，在室温条件下造粒，固化时在冰箱中静置1.0 h的条件下，对其包埋率进行分析，结果见图3。

图3 色素量与海藻酸钠用量之比对包埋率的影响Fig.3 Pigment/sea alginic acid sodium to embedding rate influence

在其它条件不变时，随着色素量与海藻酸钠溶液用量之比的增加，包埋率逐渐下降，当色素量与海藻酸钠溶液用量之比于1∶5至3∶5之间时，包埋率趋于稳定。当色素量与海藻酸钠溶液用量之比从4∶5增加到6∶5时，包埋率迅速下降，在色素量与海藻酸钠溶液用量之比为3∶5时最高，之后又趋于下降，所以，制作红枣色素微胶囊时，色素量与海藻酸钠溶液用量之比以3∶5 为宜。

2.1.4 固化时间对微胶囊化的影响

固化时间是海藻酸钠与色素的混合液滴落到CaCl2溶液后的反应时间，在海藻酸钠浓度为6%，色素量与海藻酸钠量之比为1∶5，0℃～2℃的条件下静置时，分别测定固化时间为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h 时的包埋率，结果见图4。

图4 固化时间对包埋率的影响Fig.4 Embedding time to embedding rate influence

由图4可知，当固化时间小于1.5 h时，包埋率随固化时间的延长逐渐上升，固化时间从1.5 h增加到3.0 h时，包埋率又迅速下降。但当固化时间超过1.5 h时，包埋率较稳定，这可能是由于CaCl2形成凝胶时，Ca2+通过海藻酸钠胶囊由外向内置换Na+而形成海藻酸钙，置换过程需要时间，同时，随着固化时间的延长，色素在海藻酸钠胶囊中会由内向外扩散，造成色素的泄露，导致包埋率的降低。故微胶囊固化时间选择1.5 h为易。

2.2 均匀设计优化红枣色素微胶囊化工艺

在单因素试验的基础上，采用均匀设计表U*6（64）对影响包埋率的海藻酸钠浓度、色素量、固定化时间和CaCl2浓度等因素进行了优化，试验设计及结果见表1。

利用DPS9.50软件对数据进行回归分析，得回归方程Y=59.3234330-37.59651440X3-15979.257319X2X2+11583.022472X1X2+108.55414407X2X4，方程决定系数（R2）=0.999990，P=0.001，高度显著，说明回归模型高度有效。根据回归方程，各因素对红枣色素微胶囊包埋率的影响依次为：海藻酸钠浓度>氯化钙浓度>固化时间>芯材与壁材的用量比，根据回归方程并结合实际条件，预测红枣色素微胶囊化工艺条件为：海藻酸钠浓度为6.0%、CaCl2浓度为3%、红枣色素与海藻酸钠体积之比为1∶5、固化时间为1.0 h，此时包埋率为74.5%。海藻酸钠浓度为5.0%、6.0%、7.0%，CaCl2浓度为3%、红枣色素与海藻酸钠体积之比为1∶5、固化时间为1.0 h，此时包埋率为70.2%、75.1%、73.4%。因此，确定红枣色素微胶囊化最佳工艺条件为：海藻酸钠浓度为6.0%、CaCl2浓度为3%、红枣色素与海藻酸钠体积之比为1∶5、固化时间为1.0 h。

表1 U*6（64）均匀设计试验方案及结果Table 1 Test arrangement and results of Uniform design

3 结论

色素微胶囊化的方法有多种[6]，锐孔法操作简单，所得微胶囊包埋率高，本文通过单因素试验和均匀设计方法，以红枣色素为芯材，采用锐孔法对影响色素微胶囊化的海藻酸钠浓度、CaCl2浓度、芯壁材比、固化时间等4个重要参数进行优化，通过建模得到最优理论值。经验证，试验结果与理论预测相吻合，得出红枣色素微胶囊化的最佳工艺为：海藻酸钠浓度为6.0%、CaCl2浓度为3%、芯壁材之比为1∶5、固化时间为1.0 h，在此工艺条件下制得的微胶囊颗粒圆形、均匀饱满、色泽橙红。以此方案对天然色素进行微胶囊化，将很可能在食品工业中得到广泛的应用，尤其是在食品添加剂方面应用有更广阔的前景。

[1]陈小全,刘静静,邵辉莹.红枣色素提取方法的改进及稳定性试验[J].中国酿造,2009(1):128-130

[2]王煜,张玉凤,章慧,等.微胶囊化提高姜黄色素稳定性的研究[J].食品工业科技,2007,28(11):193-195

[3]杨玉峰,韩春亮,胡小军.微胶囊化姜黄色素化学稳定性的研究[J].河南工业大学学报:自然科学版,2005,26(2):48-50

[4]唐永富,査勇,李积华,等.微胶囊化辣椒红色素工艺研究[J].食品科学,2009,30(20):207-210

[5]吴彩娥.气流式锐孔法制作丁香油微胶囊的研究[J].食品工业科技,2002,26(6):96-99

[6]钱列生,芮汉明.食品微胶囊技术[J].中山大学学报论丛,2007,27(9):201-205