均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化紅棗色素微膠囊化工藝研究

王麗玲，候旭杰，高超

（塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

紅棗色素屬于羥基蒽醌類衍生物[1]，水溶性好，溶液澄清透明，色澤鮮艷、自然、安全性高，在化妝品、食品、染料、飲料等方面有廣闊的應(yīng)用前景。但與合成色素相比，天然紅棗紅色素著色強(qiáng)度較弱，對光、熱、pH和抗氧化的敏感性較高，并且其生產(chǎn)受到紅棗種類、地理、區(qū)域及季節(jié)的影響，供應(yīng)量不穩(wěn)定。微膠囊技術(shù)應(yīng)用于天然色素可以很大程度地提高其穩(wěn)定性。例如王煜等進(jìn)行的姜黃色素微膠囊化研究[2]；楊玉峰等進(jìn)行的微膠囊化姜黃色素化學(xué)穩(wěn)定性的研究[3]以及唐永富等進(jìn)行的微膠囊化辣椒紅色素工藝研究[4]等都證明微膠囊化的色素其穩(wěn)定性得到大大的提高。因此，本試驗(yàn)研究以天然紅棗色素為芯材，以海藻酸鈉為壁材，采用銳孔法制作紅棗色素微膠囊，并用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行工藝的優(yōu)化，發(fā)揮均勻設(shè)計(jì)的少量試驗(yàn)處理多因素多水平的研究方法，為提高紅棗色素的穩(wěn)定性和商品性提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要試驗(yàn)材料

1.1.1 材料

紅棗：購于新疆阿拉爾農(nóng)貿(mào)市場。

1.1.2 試劑

海藻酸鈉、氯化鈣、無水乙醇、95%乙醇、鹽酸、檸檬酸、磷酸氫二鈉：均為分析純。

1.1.3 主要試驗(yàn)儀器

RE52-201DA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：河南鞏義予華藝儀器有限公司；BS2202S、BS210S精密天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；FA2004N電子分析天平：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；756紫外可見分光光度計(jì)：上海光譜儀器有限公司；BCD-223GB冰箱：容聲，中國科龍電器；BME100LX高剪切混合乳化機(jī)：上海威廣機(jī)械制造有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 紅棗色素溶液的制備

取干制的紅棗50g，加入1L含0.01%HCl的60%乙醇溶液于60℃恒溫水浴鍋中浸提3 h，抽濾、離心得到紅棗色素浸提液，然后減壓濃縮至30 mL，用pH=3.5的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液進(jìn)行稀釋，配制成吸光度為0.430的色素溶液。

1.2.2 紅棗色素微膠囊化工藝流程

1.2.3 操作要點(diǎn)

取適量海藻酸鈉，用pH=3.5的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液加熱溶解，冷卻至40℃～50℃，加入適量的色素液，充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝笪胱⑸淦髦?，用注射器以一定的速度將混合液注入用pH=3.5的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液配制的CaCl2溶液中制珠，在冰箱中（0℃～2℃條件下）靜置，使膠珠在CaCl2溶液中固化，過濾，用濾紙吸去凝珠表面的水分，在自然條件下干燥。

1.2.4 包埋率測定

紅棗色素微膠囊化效果用色素的包埋率來評定[5]。計(jì)算包埋率的公式如下：

式中：A為加入色素的吸光度；V為加入色素的體積；A1為上清液中色素的吸光度；V1為上清液的體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

在微膠囊制作過程中，影響微膠囊包埋率的因素很多，本文主要研究的是海藻酸鈉濃度、壁芯材比例、氯化鈣濃度以及固化時(shí)間對微膠囊化包埋率的影響。

2.1.1 海藻酸鈉濃度對微膠囊化效果的影響

固定色素用量與海藻酸鈉用量之比為1∶3，CaCl2濃度為4%，造粒溫度為室溫（25℃），固化時(shí)在冰箱中靜置 1.0 h，測定 2%、3%、4%、5%、6%、7%6種濃度的海藻酸鈉壁材對色素微膠囊化效果的影響。其結(jié)果見圖1。

從圖1可看出，隨著海藻酸鈉濃度的增加，紅棗色素的包埋率明顯提高，但當(dāng)海藻酸鈉濃度為7%時(shí)，造粒困難，綜合考慮，確定海藻酸鈉的濃度為6%。

圖1 海藻酸鈉濃度對包埋率的影響Fig.1 Sea alginic acid sodium density to embedding rate influence

2.1.2 CaCl2濃度對微膠囊化的影響

紅棗色素微膠囊的原理是用CaCl2等堿土金屬鹽作凝固劑，使海藻酸鈉轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｔ逅釅A土金屬鹽而凝固，從而包覆在芯材外面。因此，作為凝固液的CaCl2溶液濃度將會對微膠囊效果產(chǎn)生重要影響。在室溫下，選用固化時(shí)間為1.0 h，海藻酸鈉濃度為6%，色素與海藻酸鈉用量之比為1:5（體積比），將CaCl2濃度調(diào)整為1%、2%、3%、4%、5%、6%，分析CaCl2濃度對微膠囊效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 CaCl2濃度對包埋率的影響Fig.2 Calcium chloride denstity to embedding rate influence

由圖2可以看出，CaCl2濃度從1%升高到2%時(shí)，包埋率逐漸提高，之后趨于穩(wěn)定，但當(dāng)CaCl2溶液大于3%時(shí)，包埋率又有所下降。所以制作紅棗色素微膠囊時(shí)，CaCl2溶液濃度以3%為宜。

2.1.3 芯壁材比對微膠囊化的影響

采用濃度為6%的海藻酸鈉，芯壁材之比分別調(diào)整為 1∶5、2∶5、3∶5、4∶5、5∶5、6∶5（體積比），于 3%的 CaCl2溶液中固化，在室溫條件下造粒，固化時(shí)在冰箱中靜置1.0 h的條件下，對其包埋率進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。

圖3 色素量與海藻酸鈉用量之比對包埋率的影響Fig.3 Pigment/sea alginic acid sodium to embedding rate influence

在其它條件不變時(shí)，隨著色素量與海藻酸鈉溶液用量之比的增加，包埋率逐漸下降，當(dāng)色素量與海藻酸鈉溶液用量之比于1∶5至3∶5之間時(shí)，包埋率趨于穩(wěn)定。當(dāng)色素量與海藻酸鈉溶液用量之比從4∶5增加到6∶5時(shí)，包埋率迅速下降，在色素量與海藻酸鈉溶液用量之比為3∶5時(shí)最高，之后又趨于下降，所以，制作紅棗色素微膠囊時(shí)，色素量與海藻酸鈉溶液用量之比以3∶5 為宜。

2.1.4 固化時(shí)間對微膠囊化的影響

固化時(shí)間是海藻酸鈉與色素的混合液滴落到CaCl2溶液后的反應(yīng)時(shí)間，在海藻酸鈉濃度為6%，色素量與海藻酸鈉量之比為1∶5，0℃～2℃的條件下靜置時(shí)，分別測定固化時(shí)間為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h 時(shí)的包埋率，結(jié)果見圖4。

圖4 固化時(shí)間對包埋率的影響Fig.4 Embedding time to embedding rate influence

由圖4可知，當(dāng)固化時(shí)間小于1.5 h時(shí)，包埋率隨固化時(shí)間的延長逐漸上升，固化時(shí)間從1.5 h增加到3.0 h時(shí)，包埋率又迅速下降。但當(dāng)固化時(shí)間超過1.5 h時(shí)，包埋率較穩(wěn)定，這可能是由于CaCl2形成凝膠時(shí)，Ca2+通過海藻酸鈉膠囊由外向內(nèi)置換Na+而形成海藻酸鈣，置換過程需要時(shí)間，同時(shí)，隨著固化時(shí)間的延長，色素在海藻酸鈉膠囊中會由內(nèi)向外擴(kuò)散，造成色素的泄露，導(dǎo)致包埋率的降低。故微膠囊固化時(shí)間選擇1.5 h為易。

2.2 均勻設(shè)計(jì)優(yōu)化紅棗色素微膠囊化工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用均勻設(shè)計(jì)表U*6（64）對影響包埋率的海藻酸鈉濃度、色素量、固定化時(shí)間和CaCl2濃度等因素進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

利用DPS9.50軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得回歸方程Y=59.3234330-37.59651440X3-15979.257319X2X2+11583.022472X1X2+108.55414407X2X4，方程決定系數(shù)（R2）=0.999990，P=0.001，高度顯著，說明回歸模型高度有效。根據(jù)回歸方程，各因素對紅棗色素微膠囊包埋率的影響依次為：海藻酸鈉濃度>氯化鈣濃度>固化時(shí)間>芯材與壁材的用量比，根據(jù)回歸方程并結(jié)合實(shí)際條件，預(yù)測紅棗色素微膠囊化工藝條件為：海藻酸鈉濃度為6.0%、CaCl2濃度為3%、紅棗色素與海藻酸鈉體積之比為1∶5、固化時(shí)間為1.0 h，此時(shí)包埋率為74.5%。海藻酸鈉濃度為5.0%、6.0%、7.0%，CaCl2濃度為3%、紅棗色素與海藻酸鈉體積之比為1∶5、固化時(shí)間為1.0 h，此時(shí)包埋率為70.2%、75.1%、73.4%。因此，確定紅棗色素微膠囊化最佳工藝條件為：海藻酸鈉濃度為6.0%、CaCl2濃度為3%、紅棗色素與海藻酸鈉體積之比為1∶5、固化時(shí)間為1.0 h。

表1 U*6（64）均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Test arrangement and results of Uniform design

3 結(jié)論

色素微膠囊化的方法有多種[6]，銳孔法操作簡單，所得微膠囊包埋率高，本文通過單因素試驗(yàn)和均勻設(shè)計(jì)方法，以紅棗色素為芯材，采用銳孔法對影響色素微膠囊化的海藻酸鈉濃度、CaCl2濃度、芯壁材比、固化時(shí)間等4個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過建模得到最優(yōu)理論值。經(jīng)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測相吻合，得出紅棗色素微膠囊化的最佳工藝為：海藻酸鈉濃度為6.0%、CaCl2濃度為3%、芯壁材之比為1∶5、固化時(shí)間為1.0 h，在此工藝條件下制得的微膠囊顆粒圓形、均勻飽滿、色澤橙紅。以此方案對天然色素進(jìn)行微膠囊化，將很可能在食品工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在食品添加劑方面應(yīng)用有更廣闊的前景。

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[3]楊玉峰,韓春亮,胡小軍.微膠囊化姜黃色素化學(xué)穩(wěn)定性的研究[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,26(2):48-50

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[5]吳彩娥.氣流式銳孔法制作丁香油微膠囊的研究[J].食品工業(yè)科技,2002,26(6):96-99

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