喀什小檗花色素微膠囊化工藝及產(chǎn)品特性

黃敬德，楊 玲*

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán) 塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300)

喀什小檗花色素微膠囊化工藝及產(chǎn)品特性

黃敬德，楊 玲*

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán) 塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300)

建立噴霧干燥法制備喀什小檗花色素的微膠囊工藝。采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)篩選合適的壁材及配方，通過噴霧干燥法制備喀什小檗花色素的微膠囊產(chǎn)品。結(jié)果表明：花色素∶壁材1∶5、麥芽糊精∶β-環(huán)糊精 1∶6、固形物含量30%、乳化劑阿拉伯樹膠1.0%、噴霧干燥進(jìn)口溫度160℃、出口溫度80℃時(shí)，喀什小檗花色素的包埋率最高。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明微膠囊化的喀什小檗花色素對(duì)光、溫度、碳水化合物、氧化劑、還原劑、金屬離子等的穩(wěn)定性都有一定程度的提高。

喀什小檗；花色素；微膠囊；穩(wěn)定性

喀什小檗(Berberis kaschgarica Rupr)隸屬小檗科落葉灌木，其果實(shí)含有豐富的水溶性天然色素——花色素[1-3]。研究表明花色素不僅是一種很好的天然著色劑，還具有很好的抗氧化性、促進(jìn)視力、抗衰老、預(yù)防心腦血管疾病等藥理作用[4-5]，在食品、保健品、化妝和醫(yī)藥等方面有很大的應(yīng)用潛力，但是，花色素多羥基的特性使其對(duì)光照、溫度、p H值、氧化劑等比較敏感，從而限制了它的利用。

微膠囊技術(shù)是將固體、液體等物質(zhì)用天然或合成高分子物質(zhì)將其包埋在一個(gè)致密的囊殼內(nèi)，使被包埋的物質(zhì)與外界環(huán)境隔離，以保持其原有的性能和生物活性，控制釋放速度，延長(zhǎng)存貯時(shí)間。

β-環(huán)糊精是一種中空環(huán)狀低聚糖化合物，具有環(huán)內(nèi)疏水、環(huán)外親水的特性，與化合物包合后，可改善多種物理化學(xué)性質(zhì)，如溶解度、穩(wěn)定性等[6-7]。阿拉伯樹膠是一種水溶性多糖，黏度低，抗氧化性、成膜性和乳化穩(wěn)定性良好。麥芽糊精是淀粉不完全水解的產(chǎn)物，黏度低，水溶性好，還具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，因此是微膠囊工藝中應(yīng)用廣泛的配伍壁材[8]。

本實(shí)驗(yàn)以麥芽糊精、β-環(huán)糊精為壁材，阿拉伯樹膠為乳化劑，花色素為芯材，采用噴霧干燥技術(shù)，對(duì)花色素進(jìn)行微膠囊化工藝和微膠囊產(chǎn)品穩(wěn)定性研究，希望能為喀什小檗的深度開發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

喀什小檗(Berberis kaschgarica Rupr)果實(shí)，2009年8月采集于新疆天山林場(chǎng)，冷凍保存?zhèn)溆谩?/p>

麥芽糊精(DE值20) 孟州市麥特靈有限責(zé)任公司；β-環(huán)糊精(生化試劑)、阿拉伯樹膠(生化試劑) 上海山浦化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DC-1500實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī) 上海達(dá)程實(shí)驗(yàn)有限公司；BME- 100 L高剪切混合乳化機(jī) 上海威廣機(jī)械制造有限公司；Cary-100型紫外-可見分光光度計(jì) 美國(guó)Varian公司；DK- 80數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市醫(yī)療儀器廠；SK 3200H超聲波清洗機(jī) 上海科導(dǎo)超聲儀器公司；imaging A1高級(jí)多功能顯微鏡 德國(guó)蔡司公司。

1.3 方法

1.3.1 微膠囊花色素工藝[9-12]

稱取100g喀什小檗果實(shí)，研碎，用80%(含0.1%鹽酸)無水乙醇溶液，超聲提取3次，每次超聲15min，每次用170mL提取液，合并提取液，40℃旋蒸濃縮，濃縮液真空干燥，得花色素，冷藏備用。

稱取定量阿拉伯樹膠溶解在蒸餾水中，使其在50℃水浴中恒溫30min，全部溶解，冷卻至室溫，加入到定量麥芽糊精和β-環(huán)糊精的溶液中，緩慢加入定量花色素產(chǎn)品，攪拌均勻，乳化均質(zhì)，進(jìn)行噴霧干燥，得到微膠囊花色素。

1.3.2 微膠囊花色素配方優(yōu)化試驗(yàn)

在2000r/min乳化5min，噴霧干燥溫度，進(jìn)料速度為400r/h，恒定不變的條件下，以芯材與壁材比例、壁材組分比例(麥芽糊精∶β-環(huán)糊精)、固形物含量、乳化劑(阿拉伯樹膠)含量為單因素進(jìn)行試驗(yàn)。

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化微膠囊配方，4因素分別為芯材與壁材比例、壁材組分比例(麥芽糊精∶β-環(huán)糊精)、固形物含量、乳化劑含量，在2000r/min乳化5min、進(jìn)口溫度160℃、出口溫度80℃條件，以包埋率為指標(biāo)進(jìn)行考察。

1.3.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.3.1 花色素微膠囊化前后紫外-可見光譜性質(zhì)檢測(cè)

取微膠囊溶解于pH1的蒸餾水中，完全溶解，用紫外-可見光光度計(jì)在200～800nm光譜范圍內(nèi)掃描?；ㄉ氐膾呙璺椒ㄅc此相同。

1.3.3.2 包埋率的測(cè)定[13]

微膠囊產(chǎn)品中總花色素的含量：準(zhǔn)確稱取0.15g微膠囊溶解于pH1的蒸餾水中，完全溶解，定容至50mL容量瓶中，在517nm處測(cè)定吸光度，吸光度與花色素含量呈線性關(guān)系，據(jù)此來表征花色素含量。

1.3.3.3 微膠囊花色素理化性質(zhì)測(cè)定

用冷水和溫水測(cè)定溶解性[14]、質(zhì)量恒定法測(cè)水分含量、用量筒測(cè)密度、用蔡司高級(jí)多功能顯微鏡觀察和檢測(cè)微膠囊花色素的超微結(jié)構(gòu)[15]。

1.3.4 微膠囊花色素穩(wěn)定性研究[9,16-19]

分別取一定量的花色素和微膠囊化花色素置于不同的光照、溫度條件下，以及在含有K+、Na+、Cu2+、Fe3+、Al3+溶液中，在一定濃度的葡萄糖、蔗糖、亞硫酸氫鈉、過氧化氫溶液中，定時(shí)測(cè)定在517nm波長(zhǎng)處的吸光度。

1.3.5 微膠囊花色素在人工腸/胃液中緩釋效果研究[20]

人工腸液的配制：3.4g K H2PO4溶于125mL水中，加入95mL 0.2mol/L NaOH溶液和200mL水，調(diào)節(jié)pH7.2，并加水稀釋到500mL；人工胃液的配制：4.5mL鹽酸加入到500mL水中，調(diào)節(jié)pH1.2。

稱取0.2g微膠囊花色素放入裝有50mL人工腸/胃液的150mL錐形瓶中，放入(37±0.5)℃的恒溫水浴中，每隔15min振蕩1次，定時(shí)測(cè)定在波長(zhǎng)517nm處的吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 微膠囊花色素工藝研究

2.1.1 微膠囊花色素配方單因素試驗(yàn)

2.1.1.1 芯材與壁材比例對(duì)微膠囊花色素形成效果的影響

圖1 不同芯材與壁材比例對(duì)微膠囊花色素形成效果的影響Fig.1 Effect of core-to-wall material ratio on microencapsulation efficiency

從圖1可以看出，芯材與壁材比較大時(shí)，包埋率也較高，但是隨著芯材與壁材比例的減小，其包埋率也逐漸減小，當(dāng)芯材與壁材比例達(dá)到1∶6后，包埋率變化緩慢，趨于不變。這是由于芯材量大時(shí)，壁材量對(duì)其包埋的多，包埋率亦大，但是芯材過大時(shí)，壁材的包埋能力有限，不能對(duì)芯材進(jìn)行充分包埋，微膠囊大量粘壁，故選擇1∶5作為最佳芯材與壁材比例。

2.1.1.2 不同麥芽糊精與β-環(huán)糊精比例對(duì)微膠囊花色素形成效果的影響

圖2 麥芽糊精與β-環(huán)糊精的不同比例對(duì)微膠囊花色素包埋率的影響Fig.2 Effect of maltodextrin-to-β-cyclodextrin ratio on microencapsulation efficiency

從圖2可知，隨著麥芽糊精與β-環(huán)糊精比例的減小，包埋率逐漸增加，這可能是因?yàn)棣?環(huán)糊精的特殊空腔結(jié)構(gòu)，使花色素很好的包埋進(jìn)去。但是，當(dāng)比例小于1∶7后，可能是由于β-環(huán)糊精的包埋能力有限，包埋率反而降低。故選擇1∶7作為最佳麥芽糊精與β-環(huán)糊精比例。

2.1.1.3 不同固形物含量對(duì)微膠囊花色素形成效果的影響

圖3 不同固形物含量對(duì)微膠囊花色素包埋率的影響Fig.3 Effect of total solid content on microencapsulation efficiency

從圖3可知，包埋率隨固形物含量的增加先上升再下降，當(dāng)固形物含量達(dá)到25%時(shí)包埋率最大，可能是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)靥岣吖绦挝锖坑欣谠趪婌F干燥中囊壁的形成，由于體系黏度的增加，減低了芯材向壁材表面遷移的幾率，因而更快更好地包埋，但固形物含量過高時(shí)，噴霧干燥的霧化效果不好，易堵塞和粘壁，因此，控制固形物含量25%最佳。

2.1.1.4 不同乳化劑阿拉伯樹膠含量對(duì)微膠囊花色素形成效果的影響

從圖4可知，隨著乳化劑含量的增加，包埋率也逐漸增加，達(dá)到1.0%時(shí)，逐漸下降。可能原因是隨著乳化劑阿拉伯樹膠的加入，由于阿拉伯樹膠的乳化性和成膜性較好，包埋率也隨之上升，但是阿拉伯樹膠含量太大時(shí)，料液體系的黏性增加，易堵塞噴霧干燥機(jī)的噴頭和易粘壁，包埋率隨之減低。故選擇1.0%作為最佳的乳化劑含量。

圖4 不同乳化劑阿拉伯樹膠含量對(duì)微膠囊花色素包埋率的影響Fig.4 Effect of gum acacia content on microencapsulation efficiency

2.1.2 微膠囊花色素噴霧干燥單因素試驗(yàn)

2.1.2.1 進(jìn)口溫度對(duì)微膠囊花色素形成效果的影響

圖5 進(jìn)口溫度對(duì)微膠囊花色素包埋率的影響Fig.5 Effect of inlet air temperature on microencapsulation efficiency

從圖5可看出，進(jìn)口溫度在140～160℃時(shí)，微膠囊的包埋率隨溫度升高而提高，這是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)靥嵘M(jìn)風(fēng)溫度，壁材的成膜速度加快，利于保護(hù)芯材，易于形成微膠囊，但溫度高于160℃時(shí)，微膠囊的包埋率開始下降，且易粘壁，因?yàn)檫^高的溫度使水分蒸發(fā)過快而發(fā)生破壁，從而影響包埋率，所以最佳進(jìn)口溫度為150～160℃。

2.1.2.2 出口溫度對(duì)微膠囊花色素形成效果的影響

圖6 出口溫度對(duì)微膠囊花色素包埋率的影響Fig.6 Effect of outlet air temperature on microencapsulation efficiency

從圖6可看出，出口溫度在80℃時(shí)，包埋率最高。適當(dāng)升高出口溫度，可以減少干燥時(shí)間，快速形成微膠囊的致密結(jié)構(gòu)，溫度低于70℃時(shí)，微膠囊水分含量高且粘壁，溫度高于80℃時(shí)，過高的溫度會(huì)使微膠囊破壁而粘壁。因此，出口溫度最佳為8 0℃。

2.1.3 微膠囊花色素配方優(yōu)化正交試驗(yàn)

表1 微膠囊花色素配方正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 1 Orthogonal array design and corresponding experimental results

由表1可得出，影響微膠囊產(chǎn)品的主次因素依次為：芯材與壁材比例＞固形物含量＞芯材與壁材比＞乳化劑含量。試驗(yàn)得出的最佳組成因素水平為A3B2C3D2，芯材與壁材比例1∶5、麥芽糊精∶β-環(huán)糊精1∶6、固形物含量30%、乳化劑含量1.0%。

2.2 微膠囊花色素產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定

2.2.1 花色素微膠囊化前后紫外可見光譜性質(zhì)檢測(cè)

圖7 微膠囊化前后紫外-可見光譜Fig.7 UV-Vis scanning spectra of anthocyanins from the fruits of Berberis kaschgarica Rupr before and after microencapsulation

從圖7可看出，微膠囊化前后紫外-可見光譜圖很類似，均在517nm和280nm附近有最大吸收波長(zhǎng)峰。所以，微膠囊化前后花色素結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。

2.2.2 微膠囊花色素溶解性的測(cè)定

溫水極易溶解，在40min幾乎全部自然溶解，溶液澄清，呈紫紅色，顏色隨著濃度增加而逐漸加深。冷水易溶解，自然溶解約一半，攪拌后馬上全部溶解，溶液澄清，呈紫紅色，顏色隨著濃度增加而逐漸加深。所以微膠囊化后的花色素易溶解于水。

2.2.3 微膠囊花色素水分含量的測(cè)定

平行測(cè)定3份，微膠囊的質(zhì)量均為0.09g，微膠囊的干物質(zhì)質(zhì)量分別為0.0739、0.0730、0.0764g，得到平均含水量為17%。

2.2.4 微膠囊花色素密度的測(cè)定

平行測(cè)定3份，微膠囊的密度分別為0.36、0.38、0.39g/cm3，得平均密度為0.38g/cm3。

2.2.5 微膠囊花色素超微結(jié)構(gòu)的觀察

圖8 微膠囊顯微照片(×100)Fig.8 Microphoto of microencapsulated anthocyanins (×100)

經(jīng)觀察和檢測(cè)：微膠囊產(chǎn)品外觀為紅色粉末，無特殊氣味，其形狀為圓球形(圖8)，其粒徑為1.97～45.57μm，平均粒徑為9.9μm。

2.3 微膠囊花色素穩(wěn)定性研究

2.3.1 光照對(duì)微膠囊花色素穩(wěn)定性的影響

圖9 花色素和微膠囊花色素在不同光照條件下的穩(wěn)定性Fig.9 Stability of free and microencapsulated anthocyanins towards different illumination conditions

從圖9可看出，在室溫陽光直射和室溫自然光下，微膠囊花色素的吸光度變化不大，但是花色素的吸光度變化較大，表明微膠囊花色素有一定程度的耐光性。

2.3.2 溫度對(duì)微膠囊花色素穩(wěn)定性的影響

從圖10可看出，溫度對(duì)微膠囊化的微膠囊和花色素的穩(wěn)定性有一定影響，當(dāng)溫度高于70℃時(shí)，花色素穩(wěn)定性急劇下降，而微膠囊花色素的穩(wěn)定性卻變化不大，表明微膠囊化后耐熱性有明顯的提高。

圖10 花色素和微膠囊花色素在不同溫度下的吸光度Fig.10 Stability of free and microencapsulated anthocyanins towards different temperatures

2.3.3 金屬離子對(duì)微膠囊花色素穩(wěn)定性的影響

圖11 花色素和微膠囊花色素在金屬離子中的穩(wěn)定性Fig.11 Stability of free and microencapsulated anthocyanins towards different metal ions

從圖11可以看出，花色素和微膠囊花色素在加入金屬離子后吸光度普遍降低，但兩者在Na+、K+、Al3+溶液中穩(wěn)定均較好，微膠囊花色素在Cu2+溶液中的穩(wěn)定性比花色素好。綜上說明：微膠囊花色素在金屬離子中的穩(wěn)定性比花色素有所提高。

2.3.4 碳水化合物對(duì)微膠囊花色素穩(wěn)定性的影響

圖12 花色素和微膠囊花色素在碳水化合物中的穩(wěn)定性Fig.12 Stability of free and microencapsulated anthocyanins towards different carbohydrates

從圖12可以看出，花色素和微膠囊花色素在加入碳水化合物后吸光度無明顯變化，說明花色素和微膠囊花色素在碳水化合物中的穩(wěn)定性均很好。

2.3.5 還原劑氧化劑對(duì)花色素和微膠囊花色素穩(wěn)定性的影響

2.3.5.1 NaHSO3對(duì)花色素和微膠囊花色素穩(wěn)定性的影響

圖13 花色素和微膠囊花色素在不同質(zhì)量濃度NaHSO3中的穩(wěn)定性Fig.13 Stability of free and microencapsulated anthocyanins towards NaHSO3

從圖13可看出，當(dāng)NaHSO3質(zhì)量濃度小于0.1g/mL時(shí)，對(duì)微膠囊花色素和花色素穩(wěn)定性影響不明顯，但隨著NaHSO3質(zhì)量濃度的增加，花色素的吸光度降低很快，微膠囊花色素吸光度降低得較慢，且花色素和微膠囊花色素褪色均愈加明顯，該結(jié)果表明微膠囊花色素具有一定抗還原能力和保護(hù)作用。

2.3.5.2 H2O2對(duì)花色素和微膠囊花色素穩(wěn)定性的影響

圖14 花色素和微膠囊花色素在不同含量H2O2中的穩(wěn)定性Fig.14 Stability of free and microencapsulated anthocyanins towards H2O2

從圖14可看出，當(dāng)H2O2含量＜0.5mL/100mL時(shí)，對(duì)微膠囊花色素和花色素穩(wěn)定性無明顯影響，隨著H2O2含量的增加，花色素的吸光度降低很快，而微膠囊花色素吸光度降低的很慢，且花色素和微膠囊花色素褪色均愈加明顯。說明微膠囊花色素具有一定的抗氧化能力和保護(hù)作用。

2.4 微膠囊花色素緩釋效果研究

2.4.1 微膠囊花色素在人工胃液中的緩釋效果研究

從圖1 5可看出，微膠囊花色素在人工胃液中，50min前釋放得較快，50min時(shí)基本全部釋放出來，說明微膠囊花色素適宜在人工胃液的酸性環(huán)境中存在，且其有一定的緩釋作用。

圖15 微膠囊花色素在人工胃液中的釋放Fig.15 Release of microencapsulated anthocyanins in artificial gastric juice

2.4.2 微膠囊花色素在人工腸液中的緩釋效果研究

圖16 微膠囊花色素在人工腸液中的釋放Fig.16 Release of microencapsulated anthocyanins in artificial intestinal juice

從圖16可看出，吸光度下降得很快，可能原因是在腸液的堿性環(huán)境中，花色素的化學(xué)結(jié)構(gòu)遭到破壞，說明微膠囊花色素不適合存在于人工腸液環(huán)境中。

3 結(jié) 論

3.1 制備微膠囊花色素的工藝條件為花色素∶壁材1∶5、麥芽糊精∶β-環(huán)糊精1∶6、固形物含量30%、乳化劑阿拉伯樹膠1.0%、噴霧干燥進(jìn)口溫度160℃、出口溫度80℃。

3.2 研究溫度、光照、蔗糖、葡萄糖、H2O2、NaHSO3、幾種常見金屬離子對(duì)花色素微膠囊前后的穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明：微膠囊花色素的穩(wěn)定性均有不同程度的提高，微膠囊花色素對(duì)光照、H2O2、NaHSO3、蔗糖、葡萄糖、金屬離子的穩(wěn)定性作用良好，但對(duì)過高的溫度穩(wěn)定性作用較差。

3.3 微膠囊花色素顆粒呈圓球形，水溶性較好，在人工胃液中有比較好的緩釋作用，表明微膠囊花色素具有一定的緩釋效果。

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Microencapsulation of Anthocyanins from Fruits of Berberis kaschgarica Rupr

HUANG Jing-de，YANG Ling*
(Key Laboratory of Protection and Utilization of Biological Resources in Tarim Basin, Xinjiang Production and Construction corps, Alar 843300, China)

One-factor-at-a-time combined with orthogonal array design method was employed to optimize the microencapslation condition of athocyanins extracted from the fruits of Berberis kaschgarica Rupr with 80% acidified aqueous ethanol solution three times for 15 min each time under the assistance of ultrasonic. The optimal microencapslation conditions for maximizing the microencapsulation efficiency of athocyanins from the fruits of Berberis kaschgarica Rupr were core-to-wall material ratio 1∶5, maltodextrin-to-β-cyclodextrin ratio 1∶6, solid content 30%, gum acacia amount 1.0%, inlet air temperature 160 ℃, and outlet air temperature 80 ℃. Athocyanins from the fruits of Berberis kaschgarica Rupr showed an increase in the stability towards light, temperature, carbohydrates, reducing agents, oxidants and metal ions after microencapsulation.

Berberis kaschgarica Rupr；anthocyanin；microencapsulation；stability

TS201.2

A

1002-6630(2011)16-0016-06

2010-09-18

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(BR0905)

黃敬德(1981—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)。E-mail：huangjingde81021@126.com

*通信作者：楊玲(1965—)，女，教授，碩士，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)。E-mail：yangling29@yahoo.com.cn