蓝莓花青素微胶囊的制备工艺优化

吴晓龄，王建飞，潘利华，成玉娟

（合肥工业大学 食品与生物工程学院，安徽 合肥 230009）

蓝莓是一种味甜多汁的深蓝色浆果，具有抗癌、缓解视疲劳、延缓衰老和护肤等功效[1]。蓝莓富含酚酸、木质素、单宁等酚类化合物和花青素、黄烷醇等黄酮类化合物，其中蓝莓中的花青素是所有水果蔬菜里含量最多的[2]。花青素因其抗氧化、抗癌、保护视网膜、降低血脂、抗衰老和改善肠道健康等益处而深受人们的关注[3]。然而花青素是水溶性的，极不稳定，它们很容易被各种因素降解，如pH 值、氧气、酶、抗坏血酸、二氧化硫或亚硫酸盐、金属离子等。因此，如何提高花青素稳定性的研究一直没有停止[4-5]。

微胶囊化是提高对温度、光和氧气等环境敏感的生物活性化合物稳定的有效方法，采用喷雾干燥法制备微胶囊，可以提高它们的稳定性[6-7]。通过微胶囊化法，在干燥过程中用蛋白质、多聚糖等多种高分子化合物包裹花青素，将花青素包埋在聚合物基质中，减少氧气的接触量，提高稳定性。Cai X 等人[8]以羟甲基淀粉复合黄原胶为壁材包埋花青素，发现可以提高蓝莓花青素的稳定性。Da Rosa J R 等人[9]以麦芽糖糊精和玉蜀黍为壁材，采用喷雾干燥法制备蓝莓花青素微胶囊，有助于提高花青素的稳定性。以蓝莓花青素的包埋率在模拟胃液及肠液中释放率为指标，通过单因素试验和正交试验方法，比较分析了大豆分离蛋白、乳清蛋白、果胶、壳聚糖为单一壁材，以及不同浓度的单一壁材进行复合后的复合壁材对蓝莓花青素包埋效果的影响，筛选出了最适的复合壁材及蓝莓花青素胶囊的制备工艺，为生产蓝莓花青素微胶囊提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蓝莓鲜果，安徽徽王食品有限公司提供；壳聚糖，国药集团化学试剂有限公司提供；果糖，合肥精料化学试剂有限公司提供；大豆分离蛋白，北京奥博星生物技术有限责任公司提供；乳清分离蛋白，河南众信化工产品有限公司提供；矢车菊素- 3- O-葡萄糖苷，上海抚生实业有限公司提供。

1.2 仪器与设备

BUCHI B-290 型喷雾干燥机，日本日立公司产品；RE-52AA 型旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂产品；ZQ-4000/2695 型液质联用色谱仪，Agilengt 公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 蓝莓花青素的提取

称取一定质量的冷冻蓝莓，室温解冻后使用组织捣碎机破碎，75%的酸性乙醇为提取剂，料液比1∶8，在提取温度60 ℃，提取时间150 min，pH 值3.0 的条件下进行提取、抽滤，然后在温度50 ℃的条件下进行减压旋转蒸发得到蓝莓提取液。接着以AB-8 型大孔吸附树脂为吸附剂，溶液质量分数60%的乙醇为洗脱剂，在温度50 ℃的条件下旋转蒸发，得到蓝莓花青素溶液[10]。

1.3.2 蓝莓花青素的成分分析

提取液中蓝莓花青素的成分分析采用HPLC 法。①色谱条件：色谱柱为Waters Xbridge C18（4.6 mm×250 mm，5 μm）。流动相的A 相为5%甲酸水溶液，B 相为乙腈。进样量20 μL，流速0.8 mL/min，柱温25 ℃。线性洗脱梯度：0～15 min，5%～10% B；15～30 min，10%～13% B；30～34 min，13%～20% B；34～40 min，20%～25% B；40～43 min，25%～100%B；DAD 检测器检测波长为530 nm。色谱柱分离后样品经三通阀分流进入质谱分析。②质谱条件：电喷雾离子源；数据采集使用软件Agilent Chemstation Rev.A.09.01 software（Agilent，Palo Alto，CA）；正 离 子扫描模式，扫描范围m/z 100～1 500，干燥气温度350 ℃，氮气流速12 L/min，毛细管电流34 nA，雾化器压力0.31 MPa[11]。

1.3.3 蓝莓花青素微胶囊的制备

分别配制4 种不同的复合壁材溶液，以及蓝莓花青素芯材溶液。然后将芯材溶液分别加入到壁材溶液中，均质并调节pH 值，得到芯壁混合液。最后将芯壁混合液在喷雾干燥机中喷雾干燥，得到粉末状的花青素微胶囊。

1.3.4 蓝莓花青素微胶囊的制备工艺优化

（1） 单因素试验。在预试验的基础上，以花青素微胶囊的包埋率、胃释放率和肠释放率为评价指标，选择乳清分离蛋白（WPI）、大豆分分离蛋白（SPI）、壳聚糖（CS）、果胶（PC） 为4 种原料，制备WPI+CS，WPI+PC，SPI+CS，SPI+PC 4 种复合壁材溶液，设定芯、壁材体积比1∶4，芯壁混合液pH 值2.0，进风温度165 ℃，出风温度70 ℃为基础制备工艺参数，固定其中3 项参数，改变另一参数，分析芯、壁材体积比（1∶1.5，1∶2.0，1∶3.0，1∶4.0，1∶5.0，1∶6.0，1∶7.0），芯壁混合液pH 值（1.0，1.5，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0），进风温度（155，160，165，170，180，190 ℃），出风温度（60，70，80，90，100，110 ℃） 对花青素微胶囊的包埋率、胃释放率和肠释放率的影响。

（2） 正交试验。在单因素试验结果的基础上，选择芯、壁材体积比、芯壁混合液pH 值、进风温度、出风温度4 个因素，采用四因素三水平进行正交试验，以微胶囊的包埋率、停留2 h 后的胃释放率和肠释放率为指标，确定最适的工艺。

1.3.5 花青素微胶囊包埋率的测定[12]

表面花青素含量：取0.1 g 微胶囊成品溶于无水乙醇后离心取上清液，测定吸光度，得表面花青素的含量。

总花青素的含量：取0.1 g 微胶囊成品溶于20%的乙醇水溶液，测定吸光度，得总花青素的含量。

1.3.6 花青素微胶囊释放率的测定[13]

取100 mg 的微胶囊成品用乙醇溶液冲洗去除表面花青素，离心后取沉淀物和15 mL 模拟胃液置于锥形瓶中，放置水浴摇床上振荡2.0 h，测定吸光度，得花青素微胶囊在模拟胃液中的释放率。

取100 mg 的微胶囊成品用乙醇溶液冲洗去除表面花青素，离心后取沉淀物和15 mL 模拟肠液置于锥形瓶中，放置水浴摇床上振荡2.0 h，测定吸光度，得花青素微胶囊在模拟肠液中的释放率。

2 结果与分析

2.1 蓝莓花青素的成分分析

蓝莓花青素各组分的质谱信息及其结构推测见表1。

由表1 可以看出，蓝莓花青素成分主要由飞燕草- 3 - 半乳糖苷、飞燕草- 3 - 葡萄糖苷、矢车菊-3 - 半乳糖苷、矢车菊- 3 - 葡萄糖苷、牵牛花- 3 -半乳糖苷、矢车菊- 3 - 阿拉伯糖苷、牵牛花- 3 -葡萄糖苷、芍药素- 3 - 葡萄糖苷、锦葵素- 3 - 半乳糖苷、锦葵素- 3 - 葡萄糖苷和锦葵素- 3 - 阿拉伯糖苷组成。其中，锦葵素- 3 - 半乳糖苷含量最多占21.44%，飞燕草- 3- 葡萄糖苷含量最少占2.56%。Cesa S等人[14]对经过不同均质化和热处理后的蓝莓样品进行HPLC-DAD 分析，发现蓝莓花青素成分主要有飞燕草半乳糖衍生物、飞燕草阿拉伯糖衍生物、锦葵素半乳糖衍生物和锦葵素阿拉伯糖苷衍生物组成。

表1 蓝莓花青素各组分的质谱信息及其结构推测

2.2 蓝莓花青素微胶囊化的复合壁材的筛选

复合壁材质量分数对花青素微胶囊包埋率的影响见图1。

图1 复合壁材质量分数对花青素微胶囊包埋率的影响

从图1 可知，WPI，SPI，CS，PC 质量分数对蓝莓花青素的包埋率都有影响，当果胶质量分数或壳聚糖质量分数相同时，高质量分数和中质量分数的WPI，SPI 样品的包埋率明显高于低浓度相应样品的包埋率（p<0.05），但高质量分数与中质量分数的WPI 样品及高质量分数与中质量分数的SPI 样品的包埋率没有显著差异（p>0.05）。当WPI 质量分数为5%和15%，SPI 质量分数为2%和6%时，样品的包埋率随着CS 质量分数或PC 质量分数的增加而提高。这可能是由于WPI 溶液和SPI 中的疏水区域增加了非极性相互作用，从而提高了花青素微胶囊的包埋率[15]；也可能由于喷雾干燥过程中有少量蛋白质共价连接至果胶中，能更好地包埋花青素分子，保护花青素中的离子不易受到水分子的亲核攻击，从而增加了花青素的稳定性[16]。图1 结果还表明，以4%SPI+2% PC 为复合壁材时，蓝莓花青素微胶囊的包埋率最高，为91.49%。

2.3 蓝莓花青素微胶囊制备的单因素影响

2.3.1 芯、壁材体积比的影响

不同芯壁材体积比对蓝莓花青素微胶囊化的影响见图2。

图2 不同芯壁材体积比对蓝莓花青素微胶囊化的影响

从图2 可知，蓝莓花青素的包埋率随着芯壁材体积比的变大先升高后趋于平缓，芯、壁材体积比1∶4时包埋率最大，为91.17%。这可能由于随着芯壁比的增加，包裹的花青素含量逐渐增大[17]。花青素微胶囊的胃释放率随着芯壁材体积比的变小而逐渐降低。在芯壁材体积比大于1∶3 时，下降趋势明显且均低于80%。花青素的肠释放率和胃释放率的趋势一致。这可能由于芯壁体积比的增加，体系的浓度变大，液滴发生聚集[18]，影响了花青素微胶囊中内容物的释放。

2.3.2 芯壁混合液pH 值的影响

pH 值对蓝莓花青素微胶囊化的影响见图3。

图3 pH 值对蓝莓花青素微胶囊化的影响

从图3 可知，蓝莓花青素微胶囊的包埋率随着芯壁混合液pH 值的增大先保持平缓趋势后下降，芯壁混合液pH 值为2 时包埋率最大，为89.55%。这可能由于在pH 值< 2 时，SPI 与PC 发生聚合能够较好地包裹花青素；当pH 值> 2 时，由于壁材的成膜率下降，导致了花青素微胶囊包埋率的降低[19]。花青素微胶囊的胃释放率随着芯壁混合液pH 值的增大基本无显著性的变化，表明芯壁混合液pH 值对花青素微胶囊的包埋率几乎没有影响。花青素的肠释放率随着芯壁混合液pH 值的增大而降低。这可能由于在肠道消化环境中，较高的pH 值（中性或碱性） 对花青素的稳定性有不利的影响[20]。

2.3.3 进风温度的影响

进风温度对蓝莓花青素微胶囊化的影响见图4。

图4 进风温度对蓝莓花青素微胶囊化的影响

从图4 可知，蓝莓花青素微胶囊的包埋率随着进风温度的升高先升高后趋于平缓。这可能由于较高的温度增加了液滴的干燥速度，加快了硬壳的快速形成[21]， 因此可以更好地包裹花青素。此外，还可能由于高温增加分子的热运动，促进花青素和壁材之间的相互作用，因此提高了花青素微胶囊的包埋率[22]。花青素微胶囊的胃释放率随着进风温度的增加先升高后降低，当进风温度160 ℃时胃释放率最高，为75.05%。花青素微胶囊的肠释放率和胃释放率的趋势一致。当进风温度165 ℃时肠释放率最高，为92.12%。

2.3.4 出风温度的影响

出风温度对蓝莓花青素微胶囊化的影响见图5。

图5 出风温度对蓝莓花青素微胶囊化的影响

从图5 可知，蓝莓花青素微胶囊的包埋率随着出风温度的增加先升高后降低，在出风温度70℃时包埋率最高，为90.76%。这可能由于出风温度高导致微胶囊产生裂缝，分裂并释放花青素。还可能由于出风温度过高会影响水蒸发与成膜率速率之间的平衡[23]，破坏壁材基质，从而降低花青素微胶囊的包埋率。花青素微胶囊的胃释放率随着出风温度的升高基本没有变化，胃释放率值均在75%以下，表明出风温度对花青素微胶囊的胃释放率基本没有影响。花青素微胶囊的肠释放率随着进风温度的升高先升高后降低。当出风温度为70～100 ℃时，花青素微胶囊的肠释放率降低不显著，表明此温度范围内对花青素微胶囊的肠释放率没有影响。

2.4 蓝莓花青素微胶囊制备的正交试验优化

花青素微胶囊化正交试验结果见表2，正交试验结果的方差分析见表3。

表2 花青素微胶囊化正交试验结果

表3 正交试验结果的方差分析

由正交试验结果表明，影响蓝莓花青素微胶囊包埋率的先后因素为A>C>D>B，即芯壁材比>进风温度>出风温度> pH 值。影响蓝莓花青素微胶囊的肠释放率的主次因素为A>B>C>D，既芯壁材比>pH 值>进风温度>出风温度。根据正交试验优化结果，可以得到制备蓝莓花青素微胶囊的最佳工艺A2B2C2D1，方差分析结果表明芯壁材比、pH 值、进风温度和出风温度对包埋率影响不显著，芯壁材比对蓝莓花青素微胶囊的肠释放率具有显著性影响，其他因素对其影响均不显著。蓝莓花青素微胶囊的制备最佳工艺为芯壁材比1∶4，pH 值2.0，进风温度165 ℃，出风温度70 ℃。在最佳工艺条件下进行3 次重复试验，所得蓝莓花青素微胶囊的包埋率为93.52%±0.88%，在肠液中的释放率为92.65%±0.63%。

3 结论

酸提法从蓝莓浆果中提取的花青素主要有飞燕草糖苷、矢车菊糖苷、牵牛花糖苷、芍药素糖苷、锦葵素糖苷等11 种糖苷组成。其中，锦葵素- 3 -半乳糖苷含量最高，为21.44%；飞燕草- 3 - 葡萄糖苷含量最少，为2.56%。喷雾干燥法制备蓝莓花青素胶囊的最适工艺为4%蓝莓花青素溶液为芯材，4% SPI+2% PC 混合物为壁材溶液，芯、壁体积比1∶4，芯壁混合液pH 值2.0，进风温度165 ℃，出口温度70 ℃，在此条件下制备的蓝莓花青素微胶囊的包埋率为93.52%，肠释放率为92.65%。