响应面试验优化黑果枸杞花色苷微胶囊 制备工艺及其稳定性分析

韩爱芝，蒋 卉，贾清华，马 玲，白红进,*

（1.塔里木大学生命科学学院，新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护与利用重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学分析测试中心，新疆 阿拉尔 843300）

响应面试验优化黑果枸杞花色苷微胶囊 制备工艺及其稳定性分析

韩爱芝1,2，蒋 卉1，贾清华2，马 玲2，白红进1,*

（1.塔里木大学生命科学学院，新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护与利用重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学分析测试中心，新疆 阿拉尔 843300）

建立喷雾干燥法制备黑果枸杞花色苷微胶囊的方法，考察微囊化前后花色苷的稳定性。通过单因素试验，考察壁材中阿拉伯树胶质量分数、β-环糊精质量分数、芯壁比、进料流速、进风口温度、总固形物含量对黑果枸杞花色苷包埋效率的影响，采用Box-Behnken试验设计和响应面分析优化黑果枸杞花色苷微胶囊的包埋工艺。结果表明，黑果枸杞花色苷微胶囊的最佳制备工艺为：进料转速2 000 r/min、乳化时间10 min、出风口温度80 ℃、阿拉伯树胶质量分数1%、β-环糊精质量分数50%、进料流速330 mL/h的恒定条件下，选择芯壁比1∶2.5（g/g）、进风口温度160 ℃、总固形物含量22%。黑果枸杞微胶囊包埋效率平均值可达91.01%。黑果枸杞花色苷微胶囊为类似圆球状的、平均粒径（9.16±1.02）μm的玫红色粉末，受光照、空气及温度的影响，明显比微胶囊化前稳定。

黑果枸杞；花色苷；微胶囊；喷雾干燥；响应面法

黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr.）广布于山西北部、宁夏、甘肃、青海、新疆、西藏等省，特别在新疆吐鲁番、七角井盆地底部、阿克苏三角洲下部及塔里木河地区有丰富的资源分布[1]。果实富含天然水溶性花色苷，该花色苷安全、无毒、资源丰富[2]，是现代人们崇尚的天然色素。它具有美容养颜、抗氧化、抗辐射、抗衰老、抗疲劳等作用[3-4]，在食品、医药、日化等方面有很大应用潜力。与一般的天然源色素稳定性相同，黑果枸杞花色苷由于脱离植物体后易受温度、光照、氧和pH值等外界因素的影响而不稳定[5]，使其应用受到限制，而采用微胶囊技术后就能增加花色苷的稳定性，提高它在功能性产品中的可用性[6]。

微胶囊技术是一种用天然或合成高分子将固体、液体等物质包埋形成微小粒子的技术[7-8]。它使被包埋物质与外界环境隔离，有效保护了其原有活性，增加其贮存稳定性。适于微胶囊制备的壁材有壳聚糖、淀粉、阿拉伯树胶、麦芽糊精和蛋白质等[9-10]，其中阿拉伯树胶是一种水溶性多糖，成膜性和乳化稳定性较好[11]。β-环糊精是一种中空的环麦芽七糖，由于具有环外亲水、环内疏水的特性，该环能将化合物包合，减少化合物的氧化、钝化光敏性和热敏性，从而改善该化合物的稳定性和溶解性[12-13]。在微胶囊工艺中，阿拉伯树胶、β-环糊精是被广泛应用于微胶囊的壁材[14]。喷雾干燥法是一种适于热敏性材料微胶囊化的物理方法[15-16]，与其他方法相比，其优点是成本低、工艺简单、所得产品颗粒细微均匀，又是一种纯物理的微胶囊技术，因此该技术适于热敏性的花色苷的微胶囊化。

本实验以塔里木盆地野生黑果枸杞果实的花色苷提取物为芯材，以阿拉伯树胶和β-环糊精为壁材，采用喷雾干燥法包埋黑果枸杞花色苷，考察芯壁比、进风口温度、总固形物含量对黑果枸杞花色苷微胶囊化效果的影响规律，用响应面法建立优化数学模型，研究外界条件对花色苷包埋前后稳定性的影响，旨在开发一种制备黑果枸杞花色苷微胶囊的新工艺，从而获得稳定的黑果枸杞花色苷天然产物，为黑果枸杞色素的功能性产品开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑果枸杞果实采自新疆农一师十二团，由植物科学学院李志军教授鉴定为茄科（Solanaceae）、枸杞属（Lycium L.）植物黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr.），样品置于室内阴干，粉碎，过60 目筛，置于4 ℃冰箱中，备用。

阿拉伯树胶、β-环糊精（均为食品级） 上海山浦化工有限公司；石油醚、无水乙醇、盐酸等均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

DC-1500实验型喷雾干燥机 上海达程实验有限公司；BME-100L高剪切混合乳化机 上海威广机械制造有限公司；T6新世纪紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司；DK-80数显恒温水浴锅 金坛市医疗仪器厂；Axio Imager A1多功能光学显微镜 蔡司光学仪器（上海）国际贸易有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黑果枸杞花色苷的制备工艺

黑果枸杞干粉经过石油醚浸泡（质量浓度1 g/10 mL）脱脂后，用80%酸性乙醇溶液（含质量分数0.1%的盐酸）浸提3 次，抽滤，合并滤液，40 ℃浓缩，然后用X-5大孔树脂纯化，以pH值为3的缓冲溶液（约4 倍柱体积）洗去蛋白、糖等杂质，95%酸性乙醇溶液（含质量分数0.1%盐酸，约5 倍柱体积）洗脱，在40 ℃浓缩洗脱液，最后在40 ℃真空干燥成紫黑色黑果枸杞花色苷（pH 3时，色价48.92±0.19，含量（161.31±0.23）mg/g）。

1.3.2 黑果枸杞花色苷微胶囊化工艺

在60 ℃条件下，将阿拉伯树胶用pH值为3.0缓冲液溶解，再加入β-环糊精，溶解过程加速搅拌，待壁材完全溶解后，冷却至室温，加入1.3.1节中的黑果枸杞花色苷充分混合，乳化均质后，进行喷雾干燥，获得黑果枸杞花色苷微胶囊。

1.3.3 花色苷含量的测定

参照曾绍校等[17]的方法绘制标准曲线，以吸光度为纵坐标，质量浓度为横坐标，得曲线方程A=2.413 8C-0.023 9，在0.048～0.304 mg/mL范围内线性关系良好。

1.3.4 微胶囊包埋效率的计算

包埋效率是评定微胶囊化效果的最直观指标，计算公式参照高薇薇等[18]略有改动，如式（1）所示：

1.3.5 黑果枸杞花色苷微胶囊工艺优化

1.3.5.1 单因素试验

在进料转速2 000 r/min、乳化时间10 min、出风口温度80 ℃的恒定条件下，分别考察壁材中阿拉伯树胶质量分数、β-环糊精质量分数、芯壁比、进料流速、进风口温度、总固形物含量对黑果枸杞花色苷微胶囊化的影响，以包埋效率为评价指标进行单因素试验。

1.3.5.2 响应面试验

在单因素试验基础上，采用Design-Expert V8.06软

件，根据Box-Behnken试验设计原理，选择对微胶囊化包埋效率影响显著的芯壁比（A）、进风口温度（B）、总固形物含量（C）为自变量，以包埋效率为响应值，在2 000 r/min转速乳化10 min、β-环糊精质量分数50%、进料流速330 mL/h、出风口温度80 ℃的条件下，设计响应面试验，因素和水平设计见表1。

表1 响应面分析因素与水平Table 1 Factors and levels used in response surface methodology

1.3.6 花色苷微胶囊的理化性质及稳定性测定

花色苷微胶囊的平均粒径、含水率、比容、色价等理化性质的测定参照文献[19]。

取适量微胶囊化前后的黑果枸杞花色苷，室温分别置于具塞锥形瓶中，室内自然光条件下，隔1 h称取一定量溶于pH值为3的缓冲溶液中，测定其在530 nm波长处的吸光度，计算保存率，考察自然光照对微胶囊化前后花色苷稳定性的影响[20]。取适量微胶囊化前后的黑果枸杞花色苷，分别置于具塞锥形瓶中，于室温25、40、50、60、70、80、90 ℃条件下，2 h后称取一定量各样品溶于pH 3的缓冲溶液中，测定其在530 nm波长处的吸光度，计算保存率，考察温度对微胶囊化前后花色苷稳定性的影响。取适量微胶囊化前后的黑果枸杞花色苷，分别露置表面皿中，室温避光保存，每周称取一定量各样品溶于pH值为3的缓冲溶液中，测定其在530 nm波长处的吸光度，计算保存率，考察空气中氧对微胶囊化前后花色苷稳定性的影响。保存率的计算如式（2）所示：

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

图1 单因素试验结果Fig. 1 Results of single factor experiments

由图1可知，阿拉伯树胶质量分数应控制在1.0%左右；芯壁比应为1∶3左右；β-环糊精质量分数应在50%左右；进口温度为160 ℃左右；进料流量在330 mL/h左右；总固形物含量应选择25%左右为宜。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验设计与结果

基于单因素试验结果，选择对包埋效率影响显著的芯壁比（A）、进风口温度（B）、总固形物含量（C）为自变量，以包埋效率为响应值，设计了三因素三水平响应面分析试验，试验方案及结果见表2，采用Design-Expert V8.06软件对试验数据进行二次响应面回归分析，得到的黑果枸杞花色苷微胶囊包埋效率与各因变量的模拟方程为：

Y=90.04-1.24A+0.27B-2.96C+0.67AB+1.24AC+ 0.57BC-2.16A2-2.30B2-2.53C2

表2 响应面试验设计及结果Table 2 The experimental design and results for response surface methodology

2.2.2 响应面方差分析结果

表3 二次响应面回归模型方差分析Table 3 Analysis of variance of quadratic response surface regression mooddeell

从表3可知，该模型的P＜0.01，说明该二次方程模型为极显著。决定系数为R2=0.921 0，说明该回归模型的拟合情况较好，回归方程代表性较好，其响应值的变化有92.1%来自于所选的变量；模型调整系数为R2Adj= 0.819 3，说明该模型的预测性较好，实际值与预测值较为接近；模型精密度为8.490 6，大于4，说明该模型是可行的，其可靠性可通过方差分析及相关系数来考察[21]。从回归方程各项的方差分析结果还可以看出方程的失拟项P值为0.094 5，不显著，表明该方程对试验拟合程度好、误差小，可用该回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析和预测，因此将该模型适于黑果枸杞花色苷微胶囊喷雾干燥工艺参数优化。

由表3中F值的大小可以判断各因素对微胶囊包埋效率影响的强弱，F值越大，对包埋效率影响作用越强[22]。各个因素对黑果枸杞花色苷微胶囊包埋效率的影响程度大小的次序为总固形物含量（C）＞芯壁比（A）＞进风口温度（B）。其中C、C2对包埋效率的影响极显著（P＜0.01）；A、A2、B2对包埋效率的影响显著（P＜0.05）。

2.2.3 响应面分析

图2 各因素交互作用对微胶囊包埋效率影响的等高线和响应面图Fig. 2 Contour and response surface plots showing the interactions of various factors on microencapsulation effi ciency

由图2a可知，随着芯壁比和进风口温度水平的增大，花色苷包埋效率先快速提高后缓慢降低，由此可见，适当的增大壁材用量和进风口温度，可以一定程度提高花色苷的包埋效率。从图2b可以看出，随着总固形物含量与芯壁比水平的提高，花色苷包埋效率也表现为先增大后降低。在图2c中，进风口温度及总固形物含量对花色苷包埋效率的影响与图2b相似，因此，在实际生产中，应慎重控制进风口温度、芯壁比及总固形物含量，以获得较高的包埋效率。喷雾干燥法制备黑果枸杞花色苷微胶囊的响应面趋势呈抛物线形，因此回归方程有极大值[23]。

2.2.4 验证实验结果

根据所得模型，利用Design-Expert V8.06软件对工艺条件进行优化，在模型取值范围内选择最低点为起始点，由模型使用快速上升法进行优化，可预测在稳定状态下的最优工艺条件为：芯壁比1∶2.49、进风口温度158.94℃、总固形物含量21.39%。在此条件下黑果枸杞花色苷微胶囊包埋效率理论上可达91.41%。为了验证试验结果是否与真实情况相一致，进行了近似验证实验，为了实际操作的便利，将最佳工艺条件修正为芯壁比1∶2.5、进风口温度160 ℃、总固形物含量22%。在此条件下做6 组验证实验，结果黑果枸杞花色苷微胶囊包埋效率平均值实际上可达（91.01±0.53）%（相对标准偏差0.58%，n=6），与预测值接近，与理论值误差为0.44%，且重复性也很好，因此进一步验证了实验结果，说明优化结果可靠。

2.3 微胶囊的理化参数

图3 花色苷微胶囊显微镜照片（×100）Fig. 3 Microphotograph of anthocyanins microcapsules (× 100)

按照优化工艺制备的色素胶囊，外观为红色粉末，无特殊气味，显微镜下其形状为圆球形或近似圆球形（图3），其粒径范围为3.08～30.57 μm，平均粒径为（9.16±1.02）μm；含水率为（31.73±0.59）%；比容平均值为（3.99±0.07）mL/g；色价为4.89±0.26（pH 3）；花色苷含量为（27.39±1.42）mg/g；黄酮含量为（8.18±0.51）mg/g；多酚含量为（10.16±0.22）mg/g。

2.4 花色苷微胶囊化前后的稳定性

图4 各因素对花色苷微胶囊化前后稳定性的影响Fig. 4 Impact of various factors on the stability of native and microencapsulated anthocyanins

由图4可知，自然光、温度和空气中氧对花色苷微胶囊化前后的保存率均有一定影响，随时间延长和温度的升高保存率逐渐下降，花色苷微胶囊化后保存率变化趋势线相对较平缓，微胶囊化前的花色苷保存率随时间和温度变化趋势较大，就说明未经包埋的花色苷易受自然光、温度和空气中氧的影响而不稳定，微胶囊化后花色苷稳定性明显较微胶囊化前要好，原因是微胶囊化后经壁材包裹，减缓了外界条件对花色苷的影响，提高了花色苷的稳定性，从而延长了黑果枸杞花色苷的保质期且提高了利用率。

3 讨论与结论

正交试验、均匀设计和线形回归分析作为传统的数理统计方法在科研方面和工农业生产中有极广泛的应用，但正交试验和均匀设计不能在给出的整个区域上的因素与响应值之间的明确函数表达式，因而无法在整个区域上找到因素的最佳组合及响应值的最优值；线形回归分析没有考虑几种因素的综合作用。而响应面分析方法则是通过分析研究几种试验因素间交互作用的一种回归分析方法，不但求得的回归方程精度高、试验次数少、周期短，而且能从图形方面直观地分析最优试验考察因素值[24]。

采用响应面试验设计获得喷雾干燥法制备黑果枸杞花色苷微胶囊的最优条件为：在2 000 r/min乳化10 min、出风口温度80 ℃、阿拉伯树胶质量分数1%、β-环糊精质量分数50%、进料流速330 mL/h的恒定条件下，选取芯壁比1∶2.5、进风口温度160 ℃、总固形物含量22%。黑果枸杞花色苷微胶囊包埋效率平均值为91.01%，粒径范围3.08～30.57 μm。光照、空气及温度的影响下，明显比微胶囊化前稳定。这与张元德[25]采用的复凝聚凝胶法制备的黑果枸杞色素微胶囊的平均包埋效率为70%、粒径范围在150～500 μm之间相比，该制备方法的包埋效率大大提高，且微胶囊粒径明显减小，因此采用喷雾干燥法比复凝聚凝胶法制备的黑果枸杞色素微胶囊效果更佳。本工艺经过响应面法优化后制备黑果枸杞花色苷微胶囊切实可行。黑果枸杞花色苷进行微胶囊化，有效地提高了黑果枸杞花色苷对光、热、空气中氧等外界条件影响的稳定性，有利于黑果枸杞花色苷的贮藏，提高了黑果枸杞花色苷的利用率，为其开发为功能性产品提供理论依据。

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Optimization of Microencapsulation of Anthocyanins from Lycium ruthenicum Murr. by Response Surface Methodology and Stability of the Microcapsules

HAN Aizhi1,2, JIANG Hui1, JIA Qinghua2, MA Ling2, BAI Hongjin1,*
(1. Key Laboratory of Protection & Utilization of Biological Resources in Tarim Basin of Xinjiang Production and Construction Corps, College of Life Sciences, Tarim University, Alar 843300, China; 2. Analytic Center of Tarim University, Alar 843300, China)

The preparation of microencapsulated anthocyanins from Lycium ruthenicum Murr. using spray drying was investigated and the stability of the native and microencapsulated anthocyanins was evaluated. Single factor experiments were used to examine the influence of proportions of arabic gum and β-cyclodextrin to coating wall, core-to-wall ratio, feed flow rate, inlet air temperature, and total solids content on microencapsulation efficiency. The selected key parameters were optimized using response surface methodology with Box-Behnken experimental design. The results showed that the optimal process parameters were as follows: rotary speed of 2 000 r/min, emulsifi cation time of 10 min, outlet air temperature of 80 ℃, 1% arabic gum and 50% β-cyclodextrin in the coating wall, feed fl ow rate of 330 mL/h, core-to-wall ratio of 1:2.5 (g/g), inlet air temperature of 160 ℃, and total solids content of 22%. Under these conditions, the microencapsulation effi ciency was 91.01%. The anthocyanins microcapsules were rose-red powder with a cylinder-like shape, having average particle size of (9.16 ± 1.02) μm. The microcapsules were more stable than the native anthocyanins when exposed to light, air and temperature.

Lycium ruthenicum Murr.; anthocyanins; microencapsulation; spray drying; response surface methodology

10.7506/spkx1002-6630-201610014

TS201.1

A

1002-6630（2016）10-0082-06

韩爱芝, 蒋卉, 贾清华, 等. 响应面试验优化黑果枸杞花色苷微胶囊制备工艺及其稳定性分析[J]. 食品科学, 2016, 37(10): 82-87. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201610014. http://www.spkx.net.cn

HAN Aizhi, JIANG Hui, JIA Qinghua, et al. Optimization of microencapsulation of anthocyanins from Lycium ruthenicum Murr. by response surface methodology and stability of the microcapsules[J]. Food Science, 2016, 37(10): 82-87. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201610014. http://www.spkx.net.cn

2015-09-12

浙江大学馥莉食品研究院基金项目（KY201404）；新疆生产建设兵团高新技术研究发展计划项目（2007GX20）；塔里木大学校长基金重点项目（TDZKZD05002）

韩爱芝（1973—），女，实验师，硕士研究生，研究方向为天然产物分子结构及功能。E-mail：haz2099@163.com

*通信作者：白红进（1967—），男，教授，硕士，研究方向为天然产物分子结构及功能。E-mail：bhj67@163.com