王宇濱，張 超，馬 越，趙曉燕,*，岳喜慶

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究中心，北京 100097；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 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(xué)院蔬菜研究中心，北京 100097；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 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(duì)其微觀特性進(jìn)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?jǐn)?shù)15%、麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%、總固形物質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)一步驗(yàn)證當(dāng)噴霧干燥入口溫度為140℃時(shí)，微膠囊化紫玉米花色苷的表面無(wú)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(lái)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(kuò)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shù)膠粉 國(guó)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)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(jī) 瑞士Buchi公司；空氣壓縮機(jī)220 上?；蓠Y機(jī)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(jì) 日本Shimadzu公司；磁力攪拌器 德國(guó)IKA公司；S-4800掃描電鏡 日本Hitachi公司；3500s激光粒度儀 美國(guó)Microtrac公司。1.2 方法

1.2.1 花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

樣品花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定使用pH示差法進(jìn)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(shù)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(jìn)行噴霧干燥。

1.2.3 包埋率的計(jì)算

取0.1g樣品，加入5mL無(wú)水乙醇，超聲，過(guò)濾，將濾液移入25mL容量瓶中，蒸餾水定容，于波長(zhǎng)513nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算樣品表面花色苷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Cs)。取0.1g樣品，加入20mL蒸餾水，超聲，過(guò)濾，將濾液移入25mL容量瓶中，無(wú)水乙醇定容，于波長(zhǎng)513nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算出產(chǎn)品總花色苷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(Ct)。紫玉米花色苷的包埋率計(jì)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?jǐn)?shù)/(mg/mL)；Cs為樣品總花色苷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(mg/mL)。

1.2.4 單一因素對(duì)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?jǐn)?shù)25%、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%和麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%條件下，研究單因素變化對(duì)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?jǐn)?shù)5%、15%、25%、35%、45%，紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、10%、15%、20%、25%，麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、25%、35%、45%、55%、65%。

1.2.5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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?jǐn)?shù)X2、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)X3、麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)X4對(duì)紫玉米花色苷包埋率的影響。

1.2.6 噴霧干燥入口溫度對(duì)樣品形態(tài)及粒徑分布的影響

樣品的形態(tài)運(yùn)用掃描電鏡進(jìn)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(cè)定，采用真空固體粉末進(jìn)樣方式測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對(duì)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(shù)膠為紫玉米花色苷的壁材，主要因?yàn)槠湓诎窨寡趸瘎╊愇镔|(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?jǐn)?shù)、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紫玉米花色苷包埋率的影響(圖1)。當(dāng)噴霧干燥進(jìn)口溫度在100～140℃時(shí)，紫玉米花色苷包埋率隨溫度升高而升高(圖1A)，這是因?yàn)樘岣哌M(jìn)口溫度導(dǎo)致壁材的成膜速度加快，從而提高包埋率。當(dāng)溫度達(dá)到140℃以上時(shí)，包埋率下降，這可能是由于溫度過(guò)高、水分散失過(guò)快，導(dǎo)致囊壁形成微小縫隙，顆粒體系的黏度降低，從而導(dǎo)致包埋率下降[5,7]。

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

當(dāng)總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～25%時(shí)，紫玉米花色苷包埋率升高，但是當(dāng)總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)25%時(shí)，微膠囊化包埋率隨著總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而下降(圖1B)。這是因?yàn)樽畛豕绦挝镔|(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，壁材形成的致密性越好，但是當(dāng)固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，進(jìn)料霧化難度增大，干燥程度分布不均，從而包埋率下降[7]。

當(dāng)紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～15%時(shí)，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?jǐn)?shù)增加而增加，并在紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，其達(dá)到最大值90%(圖1C)。隨著紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其包埋率下降至85.1%。這是因?yàn)樾静奶砑恿砍^(guò)壁材包埋的能力，導(dǎo)致囊壁包埋不完全[14]。

當(dāng)麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～45%時(shí)，紫玉米花色苷包埋率隨麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加，而當(dāng)麥芽糊精的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于45%時(shí)，其包埋率下降(圖1D)。這可能是因?yàn)楫?dāng)麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高導(dǎo)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(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果，以紫玉米花色苷包埋率為指標(biāo)，應(yīng)用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)擬合，得到多元回歸方程：

通過(guò)回歸方程中一次項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)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?jǐn)?shù)＞總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。而方程模型系數(shù)(R2)為0.6551，說(shuō)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(xiàng)P=0.0922(＞0.05)，通過(guò)回歸方程擬合公式可以證明試驗(yàn)擬合效果好，誤差小，擬合結(jié)果真實(shí)可信。根據(jù)上述方程計(jì)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?jǐn)?shù)25%、紫玉米花色苷占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、麥芽糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%，此時(shí)產(chǎn)品包埋率為95.2%。

圖2 兩因素交互作用對(duì)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?jǐn)?shù)、麥芽糊精占總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互作用對(duì)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)和總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用不顯著，說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)中四個(gè)因素對(duì)包埋效果的影響不是簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(dǎo)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(méi)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(xiàn)[15-16]的結(jié)果一致。

2.4 噴霧干燥入口溫度對(duì)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(duì)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(duì)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(jìn)一步加工。同時(shí)，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(dāng)噴霧干燥出口溫度為140℃時(shí)，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(jìn)一步驗(yàn)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(dāng)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?jǐn)?shù)占總固形物15%、麥芽糊精的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總固形物45%和總固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%時(shí)，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(dāng)噴霧干燥入口溫度為140℃時(shí)，微膠囊化紫玉米花色苷表面無(wú)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(jìn)一步驗(yàn)證響應(yīng)面優(yōu)化的結(jié)果。

[1] ZHAO Xiaoyan, CORRALES M, ZHANG Chao, et al. Composition and thermal stability of anthocyanins from Chinese purple corn (Zea mays L.)[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56(22):10761-10766.

[2] ZHAO Xiaoyan, ZHANG Chao, GUIGAS C, et al. Composition, antimicrobial activity, and antiproliferative capacity of anthocyanin extracts of purple corn (Zea mays L.) from China[J]. European Food Research and Technology, 2009, 228(5): 759-765.

[3] 張連富, 牟德華, 杜彥山. 原花青素提取及微膠囊化研究[J]. 天然產(chǎn)物研究與開(kāi)發(fā), 2007, 19(4): 657-661.

[4] 王煜, 張玉鳳, 章慧, 等. 微膠囊化提高姜黃色素穩(wěn)定性的研究[J].食品工業(yè)科技, 2007, 28(11): 193-195.

[5] 劉云海, 曹小紅, 劉瑛. 天然色素花青素的微膠囊化研究[J]. 食品科技, 2004(11): 4-8.

[6] 金鋒, 李新華, 張森. 玉米色素微膠囊制備工藝研究[J]. 中國(guó)食品添加劑, 2006(4): 48-52.

[7] ERSUS S, YURDAGEL U. Microencapsulation of anthocyanin pigments of black carrot (Daucus carota L.) by spray drier[J]. Journal of Food Engineering, 2007, 80(3): 805-812.

[8] 孫陽(yáng)昭, 孫志健, 廖小軍, 等. 紅莓果中花青素的提取工藝研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè), 2006, 32(1): 129-133.

[9] 呂麗爽. 葡萄籽中低聚原花青素提取工藝初探[J]. 食品工業(yè)科技,2002, 23(1): 17-19.

[10] 馬云標(biāo), 周惠明, 朱科學(xué). VE微膠囊的制備及性質(zhì)研究[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(2): 1-5.

[11] 高薇薇, 張澤生, 錢俊, 等. 山楂果原花青素的微膠囊化研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè), 2010, 36(1): 68-72.

[12] 翟愛(ài)華, 張敬堯, 張東杰. 復(fù)合天然抗氧化劑微膠囊制備[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā), 2009, 30(8): 185-189.

[13] 齊金峰, 熊華, 陳振林, 等. 不同微膠囊化方法對(duì)葉黃素微膠囊性能的影響[J]. 食品工業(yè)科技, 2009, 30(1): 65-69.

[14] 吳朝霞, 孟憲軍, 林琳, 等. 幾種微膠囊包裹方法對(duì)葡萄籽原花青素包裹效果的對(duì)比研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2005, 26(9): 67-68.

[15] 姚翾, 陶寧萍, 王錫昌. 寶石魚油的微膠囊化研究[J]. 食品科學(xué), 2008,29(9): 254-259.

[16] 趙巍, 王軍, 段長(zhǎng)青, 等. 噴霧干燥法制備微膠囊化山葡萄籽油粉末油脂[J]. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào), 2009, 24(12): 77-83.

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(xué)技術(shù)委員會(huì)項(xiàng)目(Z080005032508021)

王宇濱(1984—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。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?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：zhaoxiaoyan@nercv.org