冷冻干燥法制备玫瑰茄花色苷微胶囊

2022-06-16肖辉民陈天龙王丽霞

农产品加工 2022年10期

肖辉民，陈天龙，王丽霞

（莆田学院环境与生物工程学院，福建莆田 351100）

玫瑰茄是锦葵科木槿属一年生草本植物或多年生灌木，生长于热带和亚热带地区[1]。我国福建、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，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[2]。

玫瑰茄色素具有多种生理功能，如抗氧化、抗炎、降血脂、降血压、抗菌、抗癌、保肝、护肾、抗肿瘤等[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，导致其变色或降低生物活性[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。目前，国内外关于提高玫瑰茄色素稳定性的研究较少，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]。冷冻干燥法可有效防止热敏性物质在干燥过程中的变化，也是一种常用的微胶囊制备方法[8]。采用冷冻干燥法制备玫瑰茄花色苷微胶囊，研究总固形物含量、芯壁比、包埋时间对玫瑰茄花色苷包埋率和产率的影响，以获得热稳定的玫瑰茄花色苷微胶囊产品，使其更加广泛、有效地应用。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玫瑰茄干花萼，漳州金三角生物科技有限公司提供；卡拉胶（K 型），福建省绿麒食品胶体有限公司提供；乙醇、氯化钠、盐酸、醋酸、醋酸钠等，均为分析纯。

1.2 仪器设备

WK-150 型全新气流式超微粉碎机，欣镇企业有限公司产品；AR224CN 型电子天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司产品；KQ-200VDE 型双频数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司产品；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产品；SHZ-D（Ⅲ）型循环水式真空泵/RE-301 型旋转蒸发仪，巩义市予华仪器有限责任公司产品；自动收集器，上海青浦沪西仪器厂产品；DHG-9030A 型电热鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司产品；85-2 型恒温磁力搅拌器，金坛市江南仪器厂产品；ALPHA 1-2 LD plus 型真空冷冻干燥，德国Christ 公司产品；STARTER2100/3C 型精密数显酸度计、UV-1800 型紫外可见光光度计，上海美谱达仪器有限公司产品；Q600 型同步热分析仪，美国TA 仪器公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 玫瑰茄花色苷的提取纯化

取适量玫瑰茄干花萼超微粉，用蒸馏水按1∶130（W∶V）的比例混合均匀，于50 ℃下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]。40 ℃下减压浓缩并经HPD-100大孔树脂纯化[10]，再减压浓缩，真空冷冻干燥得到紫红色粉末（含量10.8 mg/g）。

1.3.2 花色苷微胶囊化工艺

称取一定量卡拉胶分散搅拌于去离子水中溶胀，并称取一定量玫瑰茄色素粉末溶于水中作为芯材，将两者充分混合均匀，真空冷冻干燥，获得玫瑰茄花色苷微胶囊。

1.3.3 花色苷含量的测定

采用pH 示差法测定提取花色苷的含量[11]。

1.3.4 微胶囊化效果评价

以包埋率和产率评价微胶囊化效果。包埋率定义为玫瑰茄花色苷实际被包埋量与理论被包埋量的比值，用来衡量玫瑰茄花色苷被包埋程度；产率定义为玫瑰茄微胶囊产品中含花色苷与初始加入的总花色苷含量之比[12]。分别采用公式（1）、（2）进行计算：

式中：

E——包埋率，%；

SAC——微胶囊表面花色苷含量，mg/mL；

PAC——微胶囊产品中花色苷含量，mg/mL。

式中：

Y——产率，%；

PAC——微胶囊产品中花色苷含量，mg/mL；

IAC——初始加入的花色苷含量，mg/mL。

（1）微胶囊产品表面花色苷含量的测定。称取微胶囊约0.2 g，加入10 mL 无水乙醇，摇匀并充分搅散，超声波振荡5 min，再冷冻离心5 min，倒出上清液备用，测定花色苷含量[12]。

（2）微胶囊产品中花色苷含量测定。称取微胶囊约0.2 g，加入10 mL 蒸馏水，待其充分溶解，超声波振荡5 min，加入5 mL 无水乙醇吸附花色苷5 min，再冷冻离心5 min，倒出上清液备用，测定花色苷含量[12]。

1.3.5 微胶囊产品的热稳定性

在氮气环境中，设定流速20 mL/min，加热速率10 ℃/min 的条件下，对花色苷微胶囊化产品进行同步热重/差示量热扫描测试，测试温度范围从室温到400 ℃。

1.4 试验设计

1.4.1 包埋时间对冷冻干燥微胶囊化效果的影响

包埋时间分别为0.5，2.0，4.0，6.0，8.0 h，其他参数相同的条件下，制备花色苷微胶囊产品，并分别计算其包埋率及产率，考查包埋时间对花色苷微胶囊化效果的影响。

1.4.2 芯壁比对冷冻干燥微胶囊化效果的影响

芯壁比分别为1∶15，2∶15，3∶15，4∶15，5∶15，其他参数相同的条件下，制备花色苷微胶囊产品，并分别计算其包埋率及产率，考查芯壁比对花色苷微胶囊化效果的影响。

1.4.3 固形物含量对冷冻干燥微胶囊化效果的影响

固形物含量分别为0.226 6，0.453 3，0.680 0，0.906 6，1.133 3 g/100 mL，（其中卡拉胶分别为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 g；花色苷含量分别为0.026 6，0.053 3，0.080 0，0.106 6，0.133 3 g；水体积为100 mL），制备花色苷微胶囊产品，并分别计算包埋率和产率，考查固形物含量对微胶囊化效果的影响。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 包埋时间对玫瑰茄花色苷包埋率和产率的影响

包埋时间对包埋率和产率的影响见图1。

图1 包埋时间对包埋率和产率的影响

由图1 可知，花色苷微胶囊的产率和包埋率均随时间的延长先升高后降低。当包埋时间为4 h 时，微胶囊的包埋率和产率达到最大值。由于随着包埋时间延长，花色苷能够有效吸附在卡拉胶分子上或者进入卡拉胶双螺旋结构内部，被卡拉胶有效包埋[13]；而当包埋时间超过4 h 后，卡拉胶沉降或胶囊收缩，花色苷从卡拉胶溶胶中析出[14]，氧化降解，包埋率和产率均下降。所以适宜包埋时间为4 h。

2.1.2 芯壁比对玫瑰茄花色苷包埋率和产率的影响

芯壁比对包埋率和产率的影响见图2。

图2 芯壁比对包埋率和产率的影响

由图2 可知，微胶囊的包埋率和产率随着芯壁比的增大先增大后减小，在芯壁比为2∶15 时达最大值。由于在一定范围内随着芯材花色苷含量的增加，卡拉胶依旧能够充分包埋花色苷，产率和包埋率都上升。但是当花色苷含量继续增大时，由于壁材比例降低，壁材不能完全包裹住花色苷，花色苷分散在微胶囊的表面，极易损失，包埋率和产率降低。所以最佳芯壁比选择2∶15。

2.1.3 总固形物含量对玫瑰茄花色苷包埋率和产率的影响

总固形物含量对包埋率和产率的影响见图3。

图3 总固形物含量对包埋率和产率的影响

由图3 可知，随着固形物含量的增加，微胶囊化产率和包埋率先上升后下降，当总固形物含量为0.453 3 g/100 mL 时达最大值。由于当固形物含量较低时，卡拉胶含量也降低，不能很好地包埋花色苷，且冻干时随着水分子的升华小分子花色苷可能随之带到卡拉胶膜表面易损失，冻干后微胶囊呈粉末状；当固形物含量上升时，卡拉胶和花色苷含量增大，增加了体系黏度，卡拉胶分子的溶胀度降低，导致微胶囊包埋率下降，由于卡拉胶的成膜性，冻干后的微胶囊呈片状，因此总固形物含量以0.453 3 g/100 mL为宜。

2.2 正交试验

2.2.1 直观分析

在单因素试验结果的基础上，以包埋率为评价指标，进行L9（34）正交试验，确定制备微胶囊的最优工艺参数。

正交试验结果与分析见表1。

表1 正交试验结果与分析

由表1 可知，3 个因素对玫瑰茄花色苷微胶囊包埋率影响的主次顺序为A＞C＞B，即固形物含量＞包埋时间＞芯壁比，最优组合为A2B1C2，即固形物含量为0.453 3 g/100 mL，芯壁比为1∶15，包埋时间为4 h。

2.2.2 验证试验

根据正交试验结果，按照最优组合A2B1C2进行3 次重复试验，在固形物含量0.453 3 g/100 mL，固定冻干时间，芯壁比1∶15，包埋时间4 h 条件下制备微胶囊，测得玫瑰茄花色苷微胶囊包埋率的平均值为93.15%±0.33%，产率为97.5%±0.5%。

2.3 微胶囊产品热稳定性分析

微胶囊DSC/TGA 曲线见图4。

图4 微胶囊DSC/TGA 曲线

从TGA 曲线可以看出，在室温至约225 ℃的热处理过程中，微胶囊的热重曲线比较平缓，质量略有下降，由于微胶囊中残余的少量水分缓慢蒸发所致，总体上质量保留率仍然在95%以上，说明此阶段微胶囊没有遭到热破坏，具有良好的热稳定性。当温度超过225 ℃后，曲线急剧下降，由于微胶囊快速分解所致。从DSC 曲线可以看出，微胶囊为100～200 ℃有一个较大的吸热峰，由于花色苷与卡拉胶的结晶结构在加热过程中熔融吸热。此结论与张纯刚等人[15]的研究结果一致，即在白藜芦醇（RES）与羟丙基- β -环糊精（HP-β-CD）、壳聚糖物理共混物中，白藜芦醇（RES）仍以晶体形式存在，而在喷雾干燥微胶囊中，白藜芦醇（RES）则以分子状态或无定形状态存在。