胡婷婷，王 茵，吳成業(yè),

（1.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2.福建省水產研究所，福建 廈門 361013）

蝦青素是一種油溶性色素，有抑制腫瘤發(fā)生、增強免疫力、預防心血管疾病等多方面的生理功能[1-2]，在食品添加劑、水產養(yǎng)殖、化妝品、保健品和醫(yī)藥工業(yè)方面有廣闊的應用前景[3]。它是一種非常強的抗氧化劑，其結構中含有一個長的共軛不飽和雙鍵，很容易受光、熱、氧等的作用而破壞[4-5]。因此，天然蝦青素水溶性差且易被氧化，限制了其應用。采用微膠囊技術進行包埋處理，可將芯材與周圍環(huán)境隔開，有效地保護天然蝦青素的分子結構，提高其穩(wěn)定性[6]。

噴霧干燥法是微膠囊技術中最為廣泛應用的方法，其工藝簡單、成本低，且物料操作溫度較低，適合熱敏性物質的微膠囊化生產[7]。噴霧干燥微膠囊技術的主要影響因素有：壁材的選擇與芯壁比、乳化工藝、進風溫度和霧化器進料速率等[8]。作為包埋材料的壁材是影響微膠囊特性的重要因素，應具有高度溶解性、溶液黏度較低、優(yōu)良的乳化性、成膜性和易干燥等特性[9]。環(huán)糊精在食品中廣泛應用于：防揮發(fā)、抗氧化、防光照和熱分解、保護色素等[10]，其中，羥丙基-β-環(huán)糊精（hydroxypropyl-β-cyclodextrin，HP-β-CD）是β-環(huán)糊精的醚化衍生物，水溶性大大提高，并且具有更高的安全性，使其可以與很多親油性分子形成主客體復合物，近年來在食品、化工、制藥有廣泛地研究和應用[11]。路亞鵬等[12]采用研磨法制備蝦青素-HP-β-CD包合物，發(fā)現包合后蝦青素的穩(wěn)定性有顯著提高。袁超[13]采用溶液法制備蝦青素-HP-β-CD復合物，可將蝦青素的熱分解溫度至少提高40 ℃，且在常溫環(huán)境中保持穩(wěn)定。目前，涉及β-環(huán)糊精微膠囊的制備方法主要是水溶液沉淀析出法和冷凍干燥法等[14]，很少有采用噴霧干燥法制備β-環(huán)糊精/蝦青素微膠囊的研究技術報道。

本研究以分離提純后的蝦青素為芯材，HP-β-CD為主要壁材，麥芽糊精為填充劑，并加入一定比例的蔗糖酯作為乳化劑，探討了采用噴霧干燥法制備蝦青素微膠囊的生產工藝，并通過響應面法優(yōu)化蝦青素微膠囊化技術條件，制備出包埋率高、穩(wěn)定性好的蝦青素微膠囊化產品。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

蝦青素 從南美白對蝦的蝦殼中用乙醇提取得到，經大孔樹脂純化后冷凍干燥備用。

蝦青素標品 德國Dr.Ehrenstorfer公司；HP-β-CD山東智源生物科技有限公司；麥芽糊精（DE 16-20）山東西王生化科技有限公司；辛烯基琥珀酸淀粉酯（HICAP100） 廣州華匯生物實業(yè)有限公司；阿拉伯膠、明膠、HLB 9蔗糖酯 河南金潤食品添加劑有限公司；正己烷、石油醚、丙酮等試劑均為市售分析純。

1.2 儀器與設備

SY6000小型高速噴霧干燥儀 上海世遠生物設備工程有限公司；高速膠體磨 深圳市雷通實業(yè)有限公司；NDJ8S旋轉式黏度測定儀 上海平軒科學儀器有限公司；IKA磁力攪拌器 上海夏夷實業(yè)有限公司；BS124S電子分析天平、水分測定儀 賽多利斯科學儀器有限公司；DKB-501A超級恒溫水槽 上海精宏實驗設備有限公司；756P紫外-可見分光光度計 上海光譜儀器有限公司；5804R離心機 德國Eppendorf公司。

1.3 方法

1.3.1 蝦青素微膠囊的制備工藝

壁材、水和乳化劑、芯材→均質乳化→乳液噴霧干燥→微膠囊產品

避光，將蝦青素溶于食用酒精中，加入一定量的乳化劑（蔗糖酯）制成芯材溶液，加入事先溶解好的HP-β-CD等壁材溶液，磁力攪拌均勻，得到的混合液經膠體磨均質乳化，在一定條件下進行噴霧干燥，制成蝦青素微膠囊。

1.3.2 蝦青素標準曲線的繪制

用丙酮-石油醚（體積比為1∶1）溶液溶解蝦青素，通過紫外-可見光分光光度計在400～600 nm波長范圍內掃描，吸收圖譜顯示在477 nm波長處有明顯的吸收峰。配制不同質量濃度蝦青素標品溶液，分別為0.5、1.0、2.0、3.5、5.0、7.5、10.0 μg/mL。得到回歸方程y=0.300 6x－0.052 1（y為吸光度，x為蝦青素質量濃度），R2=0.991 2。

1.3.3 微膠囊化的效果評定

微膠囊化效率和微膠囊化產率是評定微膠囊產品質量非常重要的兩個指標。微膠囊化效率，又稱包埋率，反映的是蝦青素的被包埋程度；微膠囊化產率，反映的是蝦青素微膠囊制備過程中蝦青素的保留率[15]。

微膠囊中蝦青素質量濃度的測定[16]：準確稱取0.5 g樣品加水20 mL形成均一體系，準確移取5 mL至100 mL離心管內，加入混合溶劑丙酮-石油醚溶液（體積比為1∶1）反復提取至下層無色，有機相合并放于錐形瓶內，將錐形瓶置水浴上蒸干，復溶于丙酮-石油醚（體積比為1∶1）溶液，定容至10 mL，于477 nm波長處比色測定，對照標準曲線計算蝦青素質量濃度。

微膠囊表面蝦青素質量濃度的測定[16]：準確稱取0.5 g樣品于100 mL離心管中，加入20 mL正己烷，劇烈振蕩1 min，7 000 r/min，25 ℃，離心10 min，取上清液放于錐形瓶內，將錐形瓶置水浴上蒸干，復溶于丙酮-石油醚溶液（體積比為1∶1），定容至10 mL，于477 nm波長處進行比色測定，對照標準曲線計算蝦青素質量濃度。

1.3.4 乳化液穩(wěn)定性的測定

量取100 mL已均質完全的乳狀液置于100 mL具塞試管中，40 ℃水浴中放置24 h，記錄游離水層體積V/mL[17]。

1.3.5 乳化液黏度的測定

在25 ℃的條件下使用旋轉式黏度計對乳狀液進行黏度測定，待數據穩(wěn)定后記錄黏度值[17]。

1.4 膠囊制備工藝優(yōu)化

1.4.1 壁材的選擇

確定壁材總量為80 g，選取HP-β-CD、辛烯基琥珀酸淀粉酯（HI-CAP100）、麥芽糊精、明膠、阿拉伯膠5 種壁材，HI-CAP100與HP-β-CD、HI-CAP100與麥芽糊精、HP-β-CD與麥芽糊精、HP-β-CD與明膠、HP-β-CD與阿拉伯膠均按質量比3∶1的比例進行復配，其中蝦青素添加質量分數2%、蔗糖酯質量分數2.5%（均以壁材總量計），加入蒸餾水使壁材質量濃度為0.20 g/mL，噴霧時調節(jié)進風溫度180 ℃、進樣量6 mL/min，以乳液穩(wěn)定性、黏度、微膠囊包埋率等為指標評價復配效果，綜合確定最佳微膠囊壁材。

1.4.2 單因素試驗

以1.3.1節(jié)中獲得的蝦青素微膠囊最佳壁材為原料，選取壁材比例（HP-β-CD與麥芽糊精質量比分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1），壁材質量濃度（0.15、0.20、0.25、0.30g/mL），蔗糖酯添加質量分數（1%、1.5%、2%、2.5%、3%），蝦青素添加質量分數（2%、3%、4%、5%、6%），噴霧進風溫度（150、160、170、180、190 ℃）作為試驗因素，綜合分析各個因素對乳液穩(wěn)定性、黏度和微膠囊產率、包埋率、產品含水量等的影響。

1.4.3 響應面法優(yōu)化蝦青素微膠囊工藝試驗

為確定蝦青素微膠囊的最佳工藝條件，在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken設計，選取壁材比例（HP-β-CD∶麥芽糊精）（A）、壁材質量濃度（B）、蔗糖酯添加質量分數（C）3 個對響應值（包埋率）有顯著性影響的因子作為試驗因素，以包埋率（Y）作為輸出指標。將單因素選出來的最佳值定位0水平，因素水平編碼表如表1所示。

1.4.4 數據分析

單因素試驗數據應用SPSS 17.0數據處理軟件進行分析。響應面試驗的數據通過Design-Expert 8.0.6分析軟件進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同壁材復配制備蝦青素微膠囊的包埋效果比較

壁材的組成決定了微膠囊產品的一些重要性能，如溶解性、流動性、緩釋性等[18]。合適的壁材是微膠囊化處理的關鍵，常用的壁材主要有碳水化合物類（變性淀粉、環(huán)糊精、麥芽糊精等）、親水膠體類（阿拉伯膠、黃原膠等）、蛋白質類（明膠、大豆分離蛋白等）[19]。在實際應用中，單一的壁材無法達到理想的包埋效果，因此，一般選擇2 種及以上的壁材復配[20]。本實驗選擇這3 類中具有代表性的物質進行復配，包埋效果如表2所示。數據顯示，不同壁材的復配對微膠囊包埋率造成直接影響，選用HP-β-CD與麥芽糊精壁材復配制備得到的微膠囊包埋率最高，HI-CAP100與HP-β-CD壁材復配制備的微膠囊包埋率次之，HP-β-CD與明膠、HP-β-CD與阿拉伯膠復配的效果差。這是因為HP-β-CD與麥芽糊精復配的乳液穩(wěn)定性最高（100%）且黏度最低（6.3 mPa·s），微膠囊品質優(yōu)劣的關鍵就是噴霧前能否形成穩(wěn)定的乳化體系[21]，穩(wěn)定性好保證了芯材均勻的分散在壁材中，使得微膠囊包埋率高；黏度低說明其具有良好的流動性，這樣才有利于噴霧干燥的順利進行。HP-β-CD與明膠協調性不好，乳狀液的穩(wěn)定性僅為33%，且黏度過高，導致微膠囊包埋率低。HP-β-CD易溶于水且在高濃度時具有較低的黏度，符合微膠囊壁材“高濃低黏”的性質。綜上所述，選擇HP-β-CD和麥芽糊精復配作為制備蝦青素微膠囊的壁材。

表2 幾種壁材復配的包埋效果比較Table 2 Comparison of microencapsulation efficiency with different proportions of HP-β-CD to maltodextrin

2.2 蝦青素微膠囊化工藝的單因素試驗

2.2.1 壁材成分配比對微膠囊包埋效果的影響

表3 壁材成分配比對蝦青素微膠囊包埋效果的影響Table 3 Effect of proportion of HP-β-CD to maltodextrin on microencapsulation efficiency

從表3可以看出，HP-β-CD與麥芽糊精以一定的比例混合，其乳液穩(wěn)定性都達到100%。乳液黏度隨HP-β-CD比例的增加先減小，在3∶1時達到最小值6.3 mPa·s后略有增加。不同HP-β-CD與麥芽糊精的配比，對微膠囊包埋率影響顯著，包埋率隨著HP-β-CD比例的增大呈先上升后下降的趨勢，當HP-β-CD與麥芽糊精比例在3∶1時，包埋率達到最大值94.12%，這是由于環(huán)糊精具有包合作用，當增大到4∶1時，包埋率降低了9.07%，這可能跟乳液黏度增加有一定的關系。綜上所述，HP-β-CD與麥芽糊精壁材比例在3∶1時乳液黏度最低且包埋率最高，因此選擇壁材比例3∶1左右為宜。

2.2.2 壁材質量濃度對微膠囊包埋效果的影響

表4數據顯示，不同壁材質量濃度下獲得的乳液穩(wěn)定性均達到100%，乳液黏度隨壁材質量濃度的增加呈上升趨勢，不同的壁材質量濃度，對微膠囊包埋率影響顯著，在一定范圍內包埋率隨壁材質量濃度的增加先上升后下降，當壁材質量濃度為0.20 g/mL時，包埋率最高，達94.76%。由于壁材質量濃度適當增加，乳狀液黏度相應增加，一方面減少液滴在干燥過程中內部的漩渦流動，表面固化速度加快[15]；另一方面，有利于蝦青素與壁材的接觸，在噴霧過程時液滴中壁材更容易成膜，且相對減少芯材向囊壁表面的擴散遷移，有利于包埋率的提高。但當壁材質量濃度過大時，乳液黏度大，噴霧過程中水分蒸發(fā)速度受到影響，液滴表面脫水太慢，粒子易于黏附聚結，噴霧時易于出現黏壁現象，影響微膠囊化產率。綜上所述，當壁材質量濃度在0.20 g/mL 時，包埋率高且乳液黏度較低，適合噴霧，因此選擇壁材質量濃度在0.20 g/mL左右。

表4 壁材質量濃度對蝦青素微膠囊包埋效果的影響Table 4 Effect of wall material concentration on microencapsulation efficiency

2.2.3 蔗糖酯添加質量分數對微膠囊包埋效果的影響

表5 蔗糖酯添加質量分數對蝦青素微膠囊包埋效果的影響Table 5 Effect of sucrose ester concentration on microencapsulation efficiency

由表5可以看出，不同蔗糖酯添加質量分數制得的乳液穩(wěn)定性好均達到100%，乳液黏度隨著蔗糖酯添加質量分數的增加呈上升趨勢。蔗糖酯添加質量分數對微膠囊包埋率影響顯著，包埋率隨蔗糖酯添加質量分數的增加先上升后下降，當蔗糖酯添加質量分數為2.0%時，包埋率最大，達98.61%。這可能是因為作為乳化劑的蔗糖酯含量小于2.0%時，在油-水界面吸附較少，界面膜強度較差，在噴霧過程中，高溫致使水分快速蒸發(fā)，易引起乳狀液性質的改變，而隨著蔗糖酯添加質量分數的增加，提高了乳狀液在噴霧過程中的穩(wěn)定性，包埋率隨之相應的增加。但當蔗糖酯添加質量分數達3%時，體系黏度較高，不利于噴霧干燥過程中的閃蒸脫水，囊壁不能快速形成，從而導致包埋率有所下降。綜上所述，當蔗糖酯添加質量分數在2.0%時，包埋率高、乳液黏度低且乳液穩(wěn)定性好，適合噴霧，故選擇蔗糖酯添加質量分數為2.0%左右為宜。

2.2.4 蝦青素添加質量分數對微膠囊包埋效果的影響

由表6可看出，蝦青素添加質量分數對乳液穩(wěn)定性無顯著影響，都達到100%，而微膠囊產率和包埋率隨著蝦青素添加質量分數的增加均呈先上升后下降的趨勢，均在添加質量分數為4%時達到最大值，分別為98.64%、62.32%。微膠囊產品在保證較高包埋率的情況下都期望得到較高的含油量，當蝦青素添加質量分數為2%、3%、4%時，對微膠囊包埋率影響無顯著性差異，而繼續(xù)增加蝦青素添加質量分數包埋率則有顯著的下降，這會造成蝦青素的浪費，故選擇蝦青素的添加質量分數為4%為最佳工藝參數。

表6 蝦青素添加質量分數對蝦青素微膠囊包埋效果的影響Table 6 Effect of astaxanthin concentration on microencapsulation efficiency

2.2.5 噴霧進風溫度對微膠囊包埋效果的影響

表7 噴霧進風溫度對蝦青素微膠囊包埋效果的影響Table 7 Effect of spray air inlet temperature on microencapsulation efficiency

由表7可以看出，隨著噴霧進風溫度的升高，微膠囊產品的水分含量隨之降低，包埋率和產率均呈先上升后下降的趨勢。當進風溫度為170 ℃時，微膠囊的包埋率和產率均達到最大值97.28%、71.13%。這是因為進風溫度較低時，微膠囊中水分蒸發(fā)不完全，水分含量高，隨著噴霧進風溫度的增加，蝦青素的穩(wěn)定性隨之減弱，且水分蒸發(fā)過度，囊壁容易出現裂紋[22]，使芯材與外界接觸的機會增加，導致微膠囊產率降低，穩(wěn)定性不佳。綜合考慮微膠囊的含水率、產率及包埋率，選擇噴霧溫度在170 ℃適合。

2.3 響應面設計試驗結果與分析

2.3.1 試驗結果與方差分析

采用Box-Behnken設計響應面法優(yōu)化噴霧干燥制備蝦青素微膠囊的工藝條件，在噴霧進風溫度170 ℃、進樣量6 mL/min的條件下，以蝦青素包埋率為響應值，對壁材比例、壁材質量濃度及蔗糖酯添加質量分數這3 個影響因子進行優(yōu)化，試驗設計及結果如表8所示。

通過回歸分析，得到各個因素與蝦青素微膠囊包埋率之間的多元二次回歸編碼模型方程：Y=95.63－1.31A＋0.97B＋1.10C－0.07AB－1.41AC－1.67BC－5.26A2－3.06B2－3.63C2。從編碼方程一次項回歸系數絕對值的大小可以得到各影響因子對響應值的影響程度依次為：壁材比例（A）＞蔗糖酯添加質量分數（C）＞壁材質量濃度（B）。

表8 響應面設計方案與試驗結果Table 8 The response surface designs with experimental results

根據試驗結果建立得到蝦青素微膠囊的包埋率Y與A、B、C的二次回歸實際模型方程為：Y=－73.57＋24.85A＋6.46B＋65.16C－0.013AB＋2.83AC－0.67BC－5.26A2－0.122B2－14.53C2。為檢驗方程的有效性，進一步對其進行方差分析及模型分析，結果見表9。

表9 回歸模型的方差分析表Table 9 ANOVA for the regression model

表10 模型數據分析Table 10 Statistical parameters of the regression model

在本實驗中，模型顯著性檢驗P＜0.01，表明該模型具有統計學意義。其中一次項A、B、C與二次項A2、B2、C2及交互項AC、BC對蝦青素微膠囊包埋率的影響極其顯著（P＜0.01）；經失擬項檢驗，P值為0.200 4＞0.05，表明失擬項不顯著，回歸方程與實驗擬合程度好；校正系數為0.981 9＞0.80，變異系數（CV）為0.59%，說明該模型只有1.81%的變異不能由該模型解釋?？梢娔Ｐ蛿M合程度好，可用來對蝦青素微膠囊工藝過程進行初步分析和預測。

2.3.2 各因素間對蝦青素微膠囊包埋率交互作用的響應面分析

根據回歸方程，對壁材比例、壁材質量濃度、進風溫度3 個因子的交互作用進行分析，分別得到各因素交互作用關系的響應面圖和等高線圖。

圖1 Y=f（A，B）的響應面圖與等高線圖Fig.1 Response surface and contour plots of Y =f (A, B)

由圖1可以看出，當壁材比例一定時，隨著壁材質量濃度的增大，包埋率增大，隨后逐漸減小。當壁材質量濃度一定時，隨著壁材比例的增大，包埋率迅速增大，達到最大值后又迅速減小。等高線圖接近圓形，說明壁材比例和壁材質量濃度的交互作用不顯著。

由圖2可以看出，當壁材比例一定時，隨著蔗糖酯添加質量分數的增大，包埋率迅速增大，隨后逐漸減小。當蔗糖酯添加質量分數一定時，隨著壁材比例的增大，包埋率迅速增大，達到最大值后又迅速減小。等高線圖呈橢圓形，說明壁材比例和乳液質量分數的交互作用顯著。

圖2 Y=f（A，C）的響應面圖與等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots of Y =f (A, C)

圖3 Y=f（B，C）的響應面圖與等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots of Y =f (B, C)

由圖3可以看出，當壁材比例一定時，壁材質量濃度和蔗糖酯添加質量分數對包埋率的影響有著相同的變化趨勢，包埋率均呈現先上升后下降的趨勢。當兩者的編碼值均處于中間水平時，包埋率可以取得最大值。等高線圖呈橢圓形，說明壁材質量濃度和蔗糖酯添加質量分數的交互作用顯著。

2.3.3 驗證實驗

通過數學模型對蝦青素微膠囊的響應面分析，得到最優(yōu)工藝參數，即m（HP-β-CD）∶m（麥芽糊精）=2.89∶1，壁材質量濃度為0.206 6 g/mL，蔗糖酯添加質量分數為2.05%時，微膠囊包埋率為95.82%。考慮到實際操作的問題，將最佳工藝參數修改為m（HP-β-CD）∶m（麥芽糊精）=2.9∶1，壁材質量濃度為0.21 g/mL，蔗糖酯添加質量分數為2%時，按照此條件，對預測值進行3次重復性驗證實驗，得到平均包埋率為95.31%，預測值與實際值接近，響應面得到的最佳工藝參數可靠。且在最佳工藝條件下，制備的蝦青素微膠囊溶解度94.82%；在25 ℃有氧避光條件下，晶體蝦青素的降解明顯快于微膠囊蝦青素，28 d后其保留率分別為25%和82%。這說明蝦青素微膠囊化可有效防止蝦青素的降解作用，從而擴大其應用范圍。

3 結 論

通過單因素試驗初步分析蝦青素噴霧干燥微膠囊工藝技術的條件影響，在此基礎上，采用Box-Behnken試驗，以蝦青素微膠囊包埋率為響應值，以壁材比例、壁材質量濃度、蔗糖酯添加質量分數3 個因素為響應因子建立二次回歸實際方程模型。經檢驗該方程擬合較好，可真實地反應蝦青素微膠囊包埋率變化的動態(tài)過程，同時可預測其理論值。

依據二次回歸模型，確定了蝦青素微膠囊化的最佳工藝條件：m（HP-β-CD）∶m（麥芽糊精）=2.9∶1，壁材質量濃度0.21 g/mL，蔗糖酯添加質量分數2%，蝦青素添加質量分數4%，噴霧進風溫度170 ℃，在該條件下蝦青素微膠囊包埋率為95.31%。

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