王嘉琪，涂李軍，朱勇生，孫漢巨，王軍輝，何述棟，張 強(qiáng)

（1.合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.安徽復(fù)合調(diào)味品重點(diǎn)試驗(yàn)室，安徽強(qiáng)旺調(diào)味食品有限公司，安徽界首 236500）

黑米是由禾本科植物稻谷經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的培育之后形成的一類極具特色的品種。在我國廣西、廣東、云南和陜西等地均廣泛種植[1]。黑米中不但含有錳、鋅、銅等無機(jī)鹽，而且還含有花青素、葉綠素、胡蘿卜素和維C等成分，具有豐富的營養(yǎng)和相當(dāng)高的食用和藥用價(jià)值[2]。除了可以用于平常生活中的煮粥之外，還可以應(yīng)用于制作各種富含營養(yǎng)的食品和釀制米酒，被稱為“黑珍珠”和“世界米中之王”[1，3]。

由于合成色素的危害性日漸浮現(xiàn)，天然色素越來越受到人們的關(guān)注和青睞?；ㄇ嗨?，又稱為花色素、花色苷，作為一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，屬于酚類化合物中的類黃酮類物質(zhì)，使花瓣和果實(shí)呈現(xiàn)出多種不同的色彩[4]。除此之外，花青素因?yàn)槭且环N羥基供體，是一種自由基清除劑，具有一定的自由基清除能力，且有較強(qiáng)的抗氧化活性，能與蛋白質(zhì)結(jié)合防止過氧化，幫助保護(hù)人體免受自由基的損傷。大量的研究表明，花青素還有改善貧血、降低血脂、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化、保護(hù)血管內(nèi)皮、抗疲勞、抗缺氧、抗癌及抗腫瘤等作用[5-6]。然而，大多數(shù)花青素對(duì)光都很敏感，光會(huì)造成花青素的降解加快[7]。其次，花青素對(duì)熱不太穩(wěn)定，在高溫狀態(tài)下或者經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的加熱，花青素會(huì)加快其變色反應(yīng)，而出現(xiàn)氧化導(dǎo)致的褪色現(xiàn)象。通常情況下，花青素極容易與一些金屬離子尤其是帶有金屬活性且分子量大、原子價(jià)態(tài)高的發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，導(dǎo)致其發(fā)生褪色現(xiàn)象或出現(xiàn)沉淀物現(xiàn)象[8]。

微膠囊化是指通過某種方法用天然或合成高分子材料包裹某種物質(zhì)制成有囊壁的微膠囊，以達(dá)到保護(hù)或者控制目的的方法，其所得到微小顆粒直徑一般在0.1～10 000 μm[9-10]。微膠囊具有改善和提高物質(zhì)表觀及其性質(zhì)的能力，能夠儲(chǔ)存微細(xì)物質(zhì)，延緩和控制釋放，并具有保護(hù)芯材料免受環(huán)境影響、降低毒性、屏蔽氣味等作用微膠囊能夠提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，防止各種組分之間的相互干擾，還能降低和掩蓋食品不良風(fēng)味和揮發(fā)性。此外，在控制釋放方面，其也具有很高的可控度[9，11]。因此，采用包埋技術(shù)處理花青素對(duì)提高產(chǎn)品穩(wěn)定性有一定的價(jià)值。

食鹽不僅是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚恼{(diào)味品，而且是維持人體正常新陳代謝的重要物質(zhì)之一。試驗(yàn)將具有天然著色能力、極強(qiáng)的自由基清除能力和抗氧化能力的花青素和人們?nèi)粘Ｐ枨蟮氖雏}結(jié)合在一起，目的是方便人們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)花青素的攝取和豐富調(diào)味鹽種類。該產(chǎn)品中所含花青素在提供一定功能性的同時(shí)，還可以提供一定的色澤和風(fēng)味。在此基礎(chǔ)上使用包埋法制備花青素鹽微膠囊并優(yōu)化生產(chǎn)工藝，解決了花青素鹽在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用時(shí)的穩(wěn)定性差、不易儲(chǔ)存等問題。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

黑米和食鹽，購于家樂福超市；檸檬酸、磷酸氫二鈉、環(huán)狀糊精、氫氧化鈉、無水乙醇、甲醇、鹽酸和阿拉伯膠，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)儀器

KRT-NT-2-1型多功能膜設(shè)備，合肥科銳特環(huán)保工程有限公司產(chǎn)品；DHG-9000型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；JM-50型膠體磨，溫州市甌海梧田華慧乳化機(jī)械廠產(chǎn)品；SD-1500實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī)，上海沃迪自動(dòng)化裝備股份有限公司產(chǎn)品；BT-100型恒流泵，上海滬西分析儀器廠有限公司產(chǎn)品；SHZ-D型循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司產(chǎn)品；LGJ-12型真空冷凍干燥機(jī)，北京松原華興科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；DZF-6000型真空干燥箱，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；754PC型可見分光光度計(jì)，上海菁華科技儀器有限公司產(chǎn)品；FJ200-SH型數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)，上海標(biāo)本模型廠產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 黑米花青素的提取

黑米花青素的提取參考婁秋燕等人[12]的提取方法。

1.3.2 花青素濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

稱取5.00 mg花青素標(biāo)準(zhǔn)品定容于10 mL的純水中，得到0.50 mg/mL花青素標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別移取0.30，0.40，0.50，0.60，0.70，0.80，0.90，1.00 mL 標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容至5 mL。搖勻并靜置5 min后，使用可見分光光度計(jì)，于波長(zhǎng)520 nm處測(cè)定溶液的吸光度（OD值）。最后，繪制花青素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.3 花青素微膠囊化包埋率

未包埋花青素含量的測(cè)定：準(zhǔn)確稱取花青素鹽產(chǎn)品200 mg溶于5 mL超純水，于波長(zhǎng)520 nm處測(cè)定溶液的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出花青素的含量，記為A1。產(chǎn)品中總的花青素含量的測(cè)定：準(zhǔn)確稱取花青素鹽產(chǎn)品200 mg，用5 mL超純水充分洗滌后過濾，將濾液轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶并用超純水定容，于波長(zhǎng)520 nm處測(cè)定溶液的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出花青素的含量，記為A2?；ㄇ嗨匕衤视?jì)算如下：

1.3.4 花青素復(fù)合鹽的配比工藝研究

（1） 單因素優(yōu)化試驗(yàn)。取5個(gè)250 mL的燒杯，按照壁材比為1∶1（阿拉伯膠∶羥丙基-β-環(huán)糊精）的比例進(jìn)行調(diào)配，乳化劑含量為2.0%的比例與花青素鹽（花青素含量1%，m/m）進(jìn)行混合。然后，分別按照芯壁比為1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10的比例，加入芯材（花青素）和壁材（阿拉伯膠∶羥丙基-β-環(huán)糊精），再按照固形物含量（壁材、芯材和乳化劑總質(zhì)量占混合液比例）為15%的比例加入緩沖液進(jìn)行稀釋溶解。將所得的混合液均質(zhì)后，使用噴霧干燥機(jī)進(jìn)行噴霧干燥，得到微膠囊后以包埋率為指標(biāo)。對(duì)花青素復(fù)合鹽微膠囊濾液在520 nm處的吸光度（OD值）進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)花青素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出所含的花青素濃度大小，最后將所得的花青素濃度帶入公式進(jìn)行計(jì)算，由此得到了最終的微膠囊包埋率。固形物、均質(zhì)速度、壁材比和乳化劑含量單因素試驗(yàn)方法同上。

（2）正交優(yōu)化試驗(yàn)。

配比工藝正交試驗(yàn)因素水平見表1。

基于上述4個(gè)單因素試驗(yàn)，選取芯壁比、固形物含量、壁材比和乳化劑含量作為正交試驗(yàn)的因素，每個(gè)因素都選擇3個(gè)水平。然后，采用四因素三水平L9（34）正交試驗(yàn)，確定花青素微膠囊的最佳配比。

表1 配比工藝正交試驗(yàn)因素水平

1.3.5 微膠囊的噴霧干燥工藝研究

準(zhǔn)備5份已經(jīng)均質(zhì)（10 000 r/min） 的花青素鹽微膠囊溶液，分別按照170，180，190，200，210℃的進(jìn)風(fēng)溫度，90℃的出風(fēng)溫度和2 500 mL/h的進(jìn)料速度，進(jìn)行噴霧干燥制備微膠囊。于波長(zhǎng)520 nm處測(cè)定花青素復(fù)合鹽微膠囊濾液的吸光度（OD值）。依照已經(jīng)測(cè)出的花青素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出所含的花青素質(zhì)量濃度，最后將所得的花青素質(zhì)量濃度帶入公式進(jìn)行計(jì)算，由此得到了最終的微膠囊包埋率。出風(fēng)溫度、進(jìn)料速度單因素優(yōu)化試驗(yàn)同上。

1.3.6 微膠囊保留率的測(cè)定

取相同量的空白花青素和花青素復(fù)合鹽微膠囊分別溶解在緩沖液中，分別移取50 mL溶液放置在25℃不避光的條件下，每隔1 h取樣檢測(cè)，并記錄保存率數(shù)據(jù)。

1.3.7 花青素微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)觀察

使用鎢燈絲掃描電子顯微鏡（SEM） 觀察花青素復(fù)合鹽微膠囊表面的形態(tài)，在進(jìn)行電子顯微鏡觀察前需提前制備樣品，在觀察樣品臺(tái)上先貼一層膠。然后，將樣品粉末少量輕輕撒在膠上，吹凈多余的粉末。之后，進(jìn)行噴金處理后就可以使用電子顯微鏡觀察，觀察微膠囊的形狀和表面光滑程度。

1.3.8 統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)重復(fù)3次，并采用SPSS 20.0軟件處理數(shù)據(jù)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線

以黑米花青素為標(biāo)品，按1.3.2所述的方法進(jìn)行試驗(yàn)，就能夠得到用于計(jì)算微膠囊包埋率的花青素標(biāo)準(zhǔn)曲線?；貧w方程為Y=3.816 7X-0.038 3，相關(guān)系數(shù)為R2=0.999。

花青素的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。

2.2 原料配比對(duì)微膠囊包埋率的影響

（1）芯壁比對(duì)微膠囊包埋率的影響。

芯壁比對(duì)微膠囊包埋率的影響見圖2。

取一定量的復(fù)合壁材和花青素，以1∶6，1∶7，1∶8，1∶9，1∶10（m/m） 的比例復(fù)配，得到的包埋率如圖2。很顯然，隨著芯壁比的減小，包埋率逐漸增大；在芯壁比為1∶8時(shí)達(dá)到最大；之后，包埋率隨著芯壁比的減小而減小。該變化過程可分析如下：隨著加入壁材比例的逐漸增加，溶液的乳化效果提升，提高了花青素鹽包埋率。然而，隨著壁材比例的進(jìn)一步增加，所產(chǎn)生花青素鹽微膠囊膜過厚，不利于花青素的釋放，致使其包埋率下降[13]。因此，花青素鹽的最佳芯壁比為1∶8。

（2）固形物含量對(duì)微膠囊包埋率的影響。

固形物含量對(duì)微膠囊包埋率的影響見圖3。

圖1 花青素的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 芯壁比對(duì)微膠囊包埋率的影響

圖3 固形物含量對(duì)微膠囊包埋率的影響

由圖3可知，當(dāng)固形物含量低于10%時(shí)，隨著固形物含量的增加，花青素鹽包埋率顯著提高；當(dāng)固形物含量高于10%時(shí)，包埋率逐漸減小，這可能是由于固形物含量影響了乳化液的穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致包埋率有差異[14]；當(dāng)固形物含量為10%時(shí)，包埋率達(dá)到最大值（46.90%）。因此，固形物含量確定為10%。

（3）壁材比對(duì)微膠囊包埋率的影響。

壁材比對(duì)微膠囊包埋率的影響見圖4。

由圖4可知，當(dāng)壁材比在3∶7～2∶3，隨著壁材中羥丙基-β-環(huán)糊精含量的增加，包埋率逐漸升高；當(dāng)壁材比在2∶3～7∶3，隨著壁材中羥丙基-β-環(huán)糊精含量的升高，包埋率逐漸降低。很明顯，壁材比（羥丙基-β-環(huán)糊精∶阿拉伯膠） 在2∶3時(shí)，包埋率最高（53.10%）；隨著丙基-β-環(huán)糊精含量降低，溶液的黏度降低，影響了溶液的乳化性，導(dǎo)致花青素鹽包埋率不高。因此，花青素鹽的最佳壁材比為2∶3。

（4）乳化劑含量對(duì)微膠囊包埋率的影響。

乳化劑含量對(duì)微膠囊包埋率的影響見圖5。

圖4 壁材比對(duì)微膠囊包埋率的影響

圖5 乳化劑含量對(duì)微膠囊包埋率的影響

由圖5可知，在乳化劑含量低于1.5%時(shí)，包埋率隨著乳化劑含量的增加而逐步提高；在含量為1.5%時(shí)，包埋率達(dá)到最大值（46.32%）；隨后，包埋率隨著乳化劑含量的升高而降低。這是由于乳化劑會(huì)影響溶液的乳化性和黏度，利于乳化液成膜且不易破裂。然而，過多乳化劑會(huì)導(dǎo)致溶液產(chǎn)生聚集現(xiàn)象，產(chǎn)生少量沉淀，從而影響包埋率。因此，最佳乳化劑含量確定為1.5%。

（5）均質(zhì)速度對(duì)花青素微膠囊包埋率的影響。

均質(zhì)速度對(duì)微膠囊包埋率的影響見圖6。

圖6 均質(zhì)速度對(duì)微膠囊包埋率的影響

圖6反映噴霧干燥前對(duì)微膠囊溶液進(jìn)行均質(zhì)時(shí)，均質(zhì)速度對(duì)花青素鹽包埋率的影響。在均質(zhì)速度低于11 000 r/min時(shí)，包埋率隨著速度的增加而逐漸上升；當(dāng)均質(zhì)速度為11 000 r/min時(shí)，包埋率達(dá)到最大值；之后，繼續(xù)增加均質(zhì)速度，包埋率顯著下降。這是由于均質(zhì)速度會(huì)影響乳化液的穩(wěn)定性，過高的均質(zhì)速度會(huì)使微膠囊形成更大的表面積，分散更加完全的小液滴可能會(huì)聚集，從而導(dǎo)致乳化液穩(wěn)定性降低甚至產(chǎn)生沉淀[15]。劉萬龍[16]研究了不同乳化方式對(duì)微膠囊的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明均質(zhì)的方式比超聲波更有利于微膠囊的形成。因此，花青素鹽的最佳均質(zhì)速度確定為11 000 r/min。

（6）微膠囊花青素鹽配方的正交試驗(yàn)。

配方正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 配方正交試驗(yàn)結(jié)果

花青素鹽制備工藝的正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。4種因素R值大小順序?yàn)锳＞D＞B＞C，即影響花青素鹽包埋率的因素主次為壁材比＞乳化劑含量＞芯壁比＞固形物含量。通過直觀分析可知，4號(hào)試驗(yàn)組的花青素鹽包埋率最高（68.49%）。而極差分析結(jié)果為A2B1C2D3，與直觀分析結(jié)果相吻合。因此，花青素鹽的最佳工藝條件為A2B1C2D3，即壁材比2∶3，芯壁比1∶7，固形物含量10%，乳化劑含量2.0%。

2.3 噴霧干燥工藝對(duì)花青素微膠囊包埋率的影響

（1）進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)花青素微膠囊包埋率的影響。

進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)微膠囊包埋率的影響見圖7。

圖7 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)微膠囊包埋率的影響

進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)花青素鹽包埋率有著較大影響。如圖7所示，在進(jìn)風(fēng)溫度低于180℃時(shí)，包埋率隨著溫度的增加而逐漸升高；在180℃時(shí)，包埋率達(dá)到最大值（92.85%）；隨后，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增大而減小。進(jìn)風(fēng)溫度影響噴霧干燥的干燥能力及速率，并且會(huì)對(duì)花青素產(chǎn)品的穩(wěn)定性有一定的影響。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度較低時(shí)，花青素鹽干燥不充分并且含水量較高，發(fā)生黏壁現(xiàn)象；而過高的進(jìn)風(fēng)溫度會(huì)使花青素鹽壁材開裂，降低包埋率[17]。因此，花青素鹽噴霧干燥工藝的最佳進(jìn)風(fēng)溫度為180℃。李飛等人[18]研究了進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)紫薯花青素包埋率的影響，其研究結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相類似。

（2）出風(fēng)溫度對(duì)花青素微膠囊包埋率的影響。

出風(fēng)溫度對(duì)微膠囊包埋率的影響見圖8。

圖8 出風(fēng)溫度對(duì)微膠囊包埋率的影響

出風(fēng)溫度也對(duì)產(chǎn)品干燥品質(zhì)有著一定的影響。如圖8所示，出風(fēng)溫度低于100℃，包埋率隨著溫度的升高而迅速增加，當(dāng)風(fēng)溫度為100℃時(shí)，包埋率達(dá)到最大值（92.81%）；隨后，溫度繼續(xù)升高，包埋率逐漸下降。適宜的出風(fēng)溫度不僅可以減少產(chǎn)品的干燥時(shí)間，還能提高產(chǎn)品品質(zhì)[19]。因此，花青素鹽噴霧干燥的最佳出風(fēng)溫度為100℃。

（3）進(jìn)料速度對(duì)花青素微膠囊包埋率的影響。

進(jìn)料速度對(duì)微膠囊包埋率的影響見圖9。

圖9 進(jìn)料速度對(duì)微膠囊包埋率的影響

進(jìn)料速度對(duì)花青素鹽包埋率的影響如圖9所示。當(dāng)進(jìn)料速度為1 500～2 500 mL/h時(shí)，包埋率隨著進(jìn)料速度的增加而上升；在2 500 mL/h時(shí)，包埋率最大（91.31%）；當(dāng)進(jìn)料速度高于2 500 mL/h，包埋率反而快速降低。這可能是由于進(jìn)料速度過快時(shí)，物料未被干燥，導(dǎo)致其黏附在干燥室的內(nèi)壁上，造成物料得率及質(zhì)量均過低；而過低的進(jìn)料速度又會(huì)使物料被過分干燥，微膠囊顆粒壓力升高，導(dǎo)致壁材破裂，從而使包埋率降低。因此，花青素鹽噴霧干燥工藝的最佳進(jìn)料速度確定為2 500 mL/h。

2.4 微膠囊花青素鹽產(chǎn)品花青素含量

經(jīng)優(yōu)化后工藝生產(chǎn)的花青素鹽微膠囊產(chǎn)品花青素含量為2.5‰。

2.5 花青素微膠囊的保留率

25℃下花青素和花青素微膠囊保留率見圖10。

圖10 25℃下花青素和花青素微膠囊保留率

如圖10所示，將花青素和微膠囊花青素鹽分別放置在25℃條件下，每隔1 h測(cè)1次花青素和微膠囊花青素鹽中花青素的保留率。在25℃下花青素鹽的保留率明顯高于花青素的保留率，花青素的保留率相對(duì)保持在80%以上，而花青素的保留率相對(duì)保持在90%以上。由此可見，微膠囊花青素鹽的結(jié)構(gòu)能夠?qū)ㄇ嗨氐姆€(wěn)定性提高起到一定的作用，同時(shí)也保護(hù)了花青素的降解。而且，花青素保留率和花青素鹽的保留率的曲線都先表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，之后又表現(xiàn)為相對(duì)平穩(wěn)的趨勢(shì)。因此，微膠囊可以有效保護(hù)花青素，控制花青素釋放。

2.6 微膠囊花青素復(fù)合鹽的微觀結(jié)構(gòu)

微膠囊花青素復(fù)合鹽的電鏡掃描圖見圖11。

圖11 微膠囊花青素復(fù)合鹽的電鏡掃描圖

由微觀電鏡掃描圖（圖11） 可以看出，微膠囊花青素主要呈現(xiàn)出外觀光滑的球形，但也會(huì)有呈現(xiàn)出外觀皺縮的不規(guī)則的外形。結(jié)果表明，微膠囊花青素復(fù)合鹽包埋工藝效果良好。

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，微膠囊花青素復(fù)合鹽的配方最優(yōu)水平組合為芯壁比1∶7，固形物含量15%，壁材比2∶3（羥丙基-β-環(huán)糊精∶阿拉伯膠），乳化劑含量2%，同時(shí)也確定了最優(yōu)均質(zhì)工藝速度為11 000r/min。進(jìn)一步通過單因素試驗(yàn)，確定了復(fù)合鹽的最佳噴霧干燥工藝為進(jìn)風(fēng)溫度180℃，出風(fēng)溫度100℃，進(jìn)料速度2 500 mL/h。成品的微膠囊花青素復(fù)合鹽中花青素包埋率為91.31%，該工藝對(duì)花青素鹽包埋效果良好，對(duì)花青素的穩(wěn)定性有大幅度的提高。經(jīng)過微膠囊包埋處理后，微膠囊花青素復(fù)合鹽成分如下：食鹽90%，花青素0.91%，吐溫-80 1.82%，阿拉伯膠3.81%，羥丙基-β-環(huán)糊精2.55%。