天然紅花黃色素的微膠囊化研究

劉 可,段 旭

(江蘇科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

天然紅花黃色素的微膠囊化研究

劉 可,段 旭*

(江蘇科技大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

采用微膠囊化方法提高天然紅花色素的穩(wěn)定性,以推廣天然紅花黃色素在食品中的使用。本文首次采用多孔淀粉為吸附劑,使用明膠對天然紅花黃色素進行包埋,制備紅花黃色素微膠囊,并對其穩(wěn)定性進行了研究。研究結(jié)果表明:其微膠囊化最佳工藝條件為包埋溫度70℃,包埋時間2h,芯壁材比1∶40,此時紅花黃色素的包埋率高達89.5%。其水溶性有所提高,紅花黃色素微膠囊對溫度、酸堿、光照、金屬離子和氧化還原劑的穩(wěn)定性較強。

色素,紅花黃,穩(wěn)定性,微膠囊化

紅花黃色素(safflor yellow)是中藥紅花的主要功能因子,由酮類化合物組成,具有多種生理功能如抗氧化、抗凝血、抑血栓、降血脂、活血化瘀、止痛和增強心血管機能等。作為一種潛在的天然食品著色劑和功能保健劑,在未來可被廣泛地應(yīng)用于糕點、飲料、糖果、罐頭、果酒、果汁及菜肴烹飪[1-2]。然而紅花黃天然色素在使用過程當(dāng)中,易受到多種理化因素的影響,如光、熱可促使其氧化分解,失去顯色能力,此外,pH、金屬離子、氧化還原劑等對其均有不同程度的影響,在食品加工后功能性和著色性受到一定程度的破壞[3-4]。

微膠囊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于天然色素如紅曲、南瓜黃素、玉米黃、姜黃素、辣椒紅、葉黃素和胡蘿卜素等。天然黃瓜黃素經(jīng)辛烯基琥珀酸淀粉酯鈉和乳清分離蛋白包埋后,玉米黃色素經(jīng)變性淀粉和β-環(huán)糊精包埋后,對光照、溫度和pH的穩(wěn)定性均有較大提高,此外,其他色素經(jīng)過微膠囊化后受光照、溫度、濕度、酸堿、金屬離子和氧氣等因素的影響顯著降低,其穩(wěn)定性均明顯得到提高[5-10]。

本文擬首次采用價格低廉的多孔淀粉和明膠等作為吸附劑和壁材對紅花黃天然色素進行微膠囊化,為紅花黃天然色素穩(wěn)定性提高及推廣其在食品中的應(yīng)用提供實驗參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅花黃天然色素 廣州市中旺生物科技有限公司;多孔淀粉(純度98%) 重慶泰威生物工程公司;食用明膠(82%的蛋白質(zhì)含量) 山東梁山萬達生物科技有限公司;其他試劑均為分析純級,購于中國國藥集團。

722S型可見分光光度計 上海精密科學(xué)儀器有限公司;FS-2型可調(diào)高速分散器 金壇市榮華儀器制造有限公司;FreeZone 6L凍干機 美國Labconco;AY-120型分析電子天平 上海精密儀器儀表有限公司;HH-S2型數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市金南儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅花黃色素的微膠囊化 以去離子水為溶劑,配制50mg/mL紅花黃色素溶液,取500mL,向其中加入60g多孔淀粉,吸附至飽和;同時配制20%濃度的明膠溶液,恒溫靜置30min,溶液至均勻透明;在選定的包埋溫度下,以一定的芯壁材比向紅花黃色素溶液中加入明膠液,包埋若干時間,攪拌均勻,高壓均質(zhì),冷凍干燥24h,得微膠囊化紅花黃色素固態(tài)物。

1.2.2 紅花黃色素微膠囊化工藝條件的優(yōu)化 基于前期的單因素實驗結(jié)果,包埋時間、包埋溫度和芯壁材分別為3h、70℃和1∶40時,紅花黃色素具有較好的包埋率,因而在本正交實驗中,包埋溫度分別選取60、70、80℃,芯壁材比分別選取1∶30、1∶40、1∶50,包埋時間分別選取2、3、4h,考察不同操作條件對其包埋效果的影響,正交因素水平表如表1所示。

表1 紅花黃色素微膠囊化正交因素水平表Table 1 Orthogonal factor level table for preparing safflor yellow microencapsules

包埋率是指微膠囊化色素與總色素的百分比。在本實驗中,以包埋率作為考察指標,通過正交實驗(三因素三水平)確定微膠囊化最佳操作條件。

包埋率(%)=微膠囊固體物中紅花黃天色素量/紅花黃色素總量×100

1.2.3 微膠囊化中紅花黃色素含量的測定 取1mg紅花黃色素,去離子水溶解,100mL容量瓶定容得標準溶液。分別取標準溶液1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL加無水乙醇定容至10mL,于403nm處測定吸光度,得標準曲線。

稱取微膠囊化紅花黃色素20mg,50%乙醇溶解,定容于10mL容量瓶,吸取0.05mL。加無水乙醇定容于100mL容量瓶,于403nm處測定吸光度,根據(jù)標準曲線方程求紅花黃色素的含量。

1.2.4 紅花黃微膠囊水溶性測定 取0.5g紅花黃色素和紅花黃微膠囊分別加入10mL水中,在常溫下觀察其溶解情況,比較其溶解時間、溶液顏色和混濁或透明性程度。

1.2.5 紅花黃微膠囊的穩(wěn)定性研究 配制一定濃度的紅花黃色素和紅花黃微膠囊,考察其微膠囊化前后的穩(wěn)定性。

1.2.5.1 加熱的影響 分別取10mL兩種溶液于50、60、70、80、90、100℃的水浴或油浴中加熱30min,于403nm處測其吸光值,考察不同加熱溫度對兩種物質(zhì)的影響。

分別取10mL兩種溶液于100℃的油浴中加熱10、20、30、40、50、60min,于403nm處測其吸光值,考察在高溫加熱時不同加熱時間對兩種物質(zhì)的影響。

1.2.5.2 pH的影響 分別取10mL兩種溶液,調(diào)整其不同pH(pH分別為1、3、5、7、9、11、13),觀察其顏色變化,并測定其吸光度值。

1.2.5.3 光照的影響 取10mL兩種溶液,將溶液置于陽光下,每隔3d測定其吸光值,經(jīng)1個月后,比較其吸光值變化。

1.2.5.4 金屬離子的影響 分別配制含不同濃度(0.000、0.004、0.020、0.100、0.200μg/mL)的Fe2+、Al3+、K+、Ca2+和Mg2+紅花黃色素和紅花黃微膠囊溶液,室溫放置1h后,考察其吸光值的變化。

1.2.5.5 氧化還原劑的影響 分別配制含1%的Na2SO3、VC、H2O2的紅花黃色素和紅花黃微膠囊溶液,室溫放置12h后,考察其吸光值的變化。

1.2.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法 每個實驗重復(fù)三次,結(jié)果取其平均值,采取SASS軟件,ANOVA和DMRT法評估數(shù)據(jù)的顯著差異性,顯著差異水平設(shè)定p<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅花黃色素微膠囊化工藝條件的優(yōu)化

以包埋率為考察指標,正交實驗制取紅花黃色素微膠囊的結(jié)果如表2所示。

表2 紅花黃色素微膠囊化的正交實驗結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment of preparing safflor yellow microencapsules

由表2可得,包埋溫度為影響紅花黃微膠囊化效果的主要因素。溫度升高時,溶液體系分子的擴散速度增加,粘度有所減少,紅花黃色素的滲透能力增加,易向多孔淀粉內(nèi)部擴散而被吸附于所形成的微膠囊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度達到70℃,其包埋效果較好,隨著溫度進一步升高,過高的溫度易使多孔淀粉糊化,破壞了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對包埋反而不利。

芯壁材比為影響紅花黃微膠囊效果的次要因素。如芯壁材比值大時,較少的壁材難以使紅花黃色素完全包埋于其形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。隨著芯壁材比的減少,紅花黃微膠囊的包埋率增加,當(dāng)比例為1∶40時達到較高值且趨于飽和;如繼續(xù)增加壁材量,多余的壁材聚集于微態(tài)環(huán)境,對壁材和壁芯的擴散運動和微膠囊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成不利。

包埋時間是影響紅花黃微膠囊效果最次要因素。在選定的時間范圍內(nèi),2～4h能夠確保紅花黃色素微膠囊化的形成,其包埋率隨著時間的增加而提高;當(dāng)達到4h后,紅花黃色素與多孔淀粉及明膠之間的吸附和包埋已達到飽和狀態(tài),此時動態(tài)平衡形成,過長的包埋時間對于微膠囊化無意義。

由表2可以看出,根據(jù)K值,最佳因素的組合為A2B2C1,即包埋溫度為70℃,芯壁材比為1∶40,包埋時間為2h。經(jīng)過驗證實驗,此條件下,紅花黃微膠囊的色素平均包埋率可達89.5%,與第5組A2B2C3的90.6%的包埋率結(jié)果差異不顯著,而與其他組合存在著差異顯著性(p<0.05)?？紤]到包埋2h即可達到包埋4h后的包埋效果,因而最終選取A2B2C1為最佳組合。

2.2 紅花黃色素微膠囊的溶解性

室溫下紅花黃微膠囊在6min內(nèi)能完全溶解,其色澤鮮艷,透明,無沉淀。而游離的紅花黃色素溶解需要11min,且出現(xiàn)少量沉淀物,色澤混濁、不透明,紅花黃色素經(jīng)微囊化后,其水中溶解性能明顯得到提高。

2.3 加熱對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響

兩種色素在50～100℃的溫度中加熱30min后,游離紅花黃色素和紅花黃色素微膠囊后的穩(wěn)定性存在著顯著差異性(結(jié)果如圖1所示)。

圖1 溫度對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of temperature on the stability of safflor yellow microencapsules

當(dāng)加熱溫度為60℃以下時,溫度的變化不影響游離紅花黃色素的穩(wěn)定性,但當(dāng)溫度進一步提高直至100℃時,游離紅花黃色素的穩(wěn)定性呈梯度陡峭下降,加熱對游離紅花黃色素具有較強的破壞作用。而對于紅花黃色素微膠囊,在50～100℃的加熱過程中,紅花黃色素微膠囊的吸光度始終趨于穩(wěn)定,加熱對該微膠囊的分子結(jié)構(gòu)無影響。在50～100℃的加熱過程中,游離紅花黃色素的吸光值減少率高達45.3%,而紅花黃微膠囊吸光值減少率僅為6.5%。紅花黃色素經(jīng)微膠囊化后,紅花黃色素作為壁芯被多孔淀粉吸附,被壁材所包埋,與明膠共同形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),微膠囊結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較好的剛性,色素的耐熱性顯著得到提高。紅花黃微膠囊色素在100℃下保持著較高耐熱性,適用于食品加工中的加熱過程。

保持100℃的加熱溫度經(jīng)不同時間后,游離紅花黃色素和紅花黃色素微膠囊的穩(wěn)定性也存在著顯著差異性(結(jié)果如圖2所示)。兩種色素在100℃保持20min時,兩者吸光度值變化不大,分子結(jié)構(gòu)保持較好的完整性。隨著加熱時間的進一步延長,游離紅花黃色素的吸光度值顯著降低,加熱60min后,其吸光度值降低率達56.7%,其分子結(jié)構(gòu)經(jīng)過長時間加熱后遭到破壞。而紅花黃色素微膠囊經(jīng)過長時間的高溫加熱后,其吸光度值始終保持在0.252±0.008～0.248±0.003間,游離紅花黃色素經(jīng)過微膠囊化后,被多孔淀粉和明膠吸附和包埋,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有助于保護色素的完整性,其耐熱耐性有了明顯的改善。

圖2 100℃時加熱時間對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響Fig.2 The effect of heat time on the stability of safflor yellow microencapsules

2.4 pH對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響

pH對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響如圖3所示。在pH1～pH13時,游離紅花黃色素經(jīng)微膠囊化后,其穩(wěn)定性發(fā)生了較大的變化。

通過顏色變化的比較,pH1～pH7時,游離紅花黃色素和其微膠囊均為黃色,兩種紅花黃色素在酸性介質(zhì)中性質(zhì)均很穩(wěn)定;當(dāng)pH>7后,游離紅花黃色素在堿性環(huán)境下的溶液顏色開始向棕色轉(zhuǎn)變,而其微膠囊的顏色始終保持黃色不變,紅花黃色素微膠囊在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定性依然較強,沒有被堿性介質(zhì)破壞,其對酸堿介質(zhì)均具有良好的穩(wěn)定性。

圖3 pH對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響Fig.3 The effect of pH on the stability of safflor yellow microencapsules

這種顏色變化與其吸光度值的變化相一致。pH1～pH7時,兩種紅花黃色素的吸光度值分別保持在0.484和0.316,變化不顯著;當(dāng)溶液轉(zhuǎn)化為堿性后,游離紅花黃色素的吸光值陡然下降,其下降率高達22.1%,而紅花黃微膠囊吸光度值變化不顯著,始終保持在0.316±0.006～0.319±0.008范圍內(nèi)。

2.5 光照對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響

天然紅花黃色素在微膠囊化前后,光照1個月期間的吸光度值變化情況如圖4所示。實驗結(jié)果表明:游離紅花黃色素經(jīng)光照后,其吸光度值逐日陡降,從0.484±0.012降低到0.146±0.008,下降率高達69.8%,其顏色也從黃色轉(zhuǎn)變成棕色;而紅花黃色素經(jīng)微膠囊化后,其顏色一直呈現(xiàn)黃色,吸光度值始終保持在0.319±0.008～0.28±0.008范圍內(nèi),變化不顯著,微膠囊紅花黃色素對光照顯示出良好的穩(wěn)定性。紅花黃色素經(jīng)過包埋和吸附后,內(nèi)嵌于微膠囊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),明膠壁材和多孔淀粉吸附劑對其起保護隔離作用,色素不易直接受到光照的影響,穩(wěn)定性有所增強。

圖4 光照對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of light on the stability of safflor yellow microencapsules

2.6 金屬離子對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響

不同金屬離子在不同濃度下對紅花黃色素微膠囊化前后的穩(wěn)定性影響有所不同(如圖5和圖6所示)。對于游離紅花黃色素而言,低濃度Fe2+(<0.020μg/mL)對色素?zé)o影響,而濃度進一步增加時對色素具有減色作用,其吸光度值顯著減少,溶液轉(zhuǎn)化為淺黃色;而Al3+、K+、Ca2+和Mg2+(0.004～0.020μg/mL范圍內(nèi))這類金屬離子能使游離紅花黃色素的吸光度值有一定程度的提高,增加了色素的穩(wěn)定性。

圖5 金屬離子對游離紅花黃色素穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of metal ion on the stability of free safflor yellow

圖6 金屬離子對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of metal ion on the stability of safflor yellow microencapsules

而對于紅花黃色素微膠囊而言,Fe2+、Al3+、K+、Ca2+和Mg2+對紅花黃色素微膠囊溶液的吸光度值無顯著影響,其吸光度平均值始終保持在0.319周圍,經(jīng)微膠囊化后,明膠壁材和多孔淀粉包埋吸附著紅花黃色素,形成微膠囊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)同時具有緩釋性,紅花黃色素不易受環(huán)境介質(zhì)中金屬離子的影響,其對金屬離子的穩(wěn)定性較好。

2.7 氧化還原劑對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響

不同氧化還原劑對紅花黃色素微膠囊化前后的穩(wěn)定性影響有所不同(如圖7和圖8所示)。

圖7 氧化還原劑對游離紅花黃色素穩(wěn)定性的影響Fig.7 Effect of oxidizer and reducer on the stability of free safflor yellow

圖8 氧化還原劑對紅花黃色素微膠囊穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of oxidizer and reducer on the stability of safflor yellow microencapsules

對于游離紅花黃色素而言,還原劑Na2SO3對色素存在一定的影響,經(jīng)過12h后,其吸光度值下降20.2%,而還原劑VC對色素影響較弱,其12h后的吸光度值下降0.82%。氧化劑H2O2對游離紅花黃色素具有顯著影響,隨著時間的延長,其吸光度值呈陡降,經(jīng)過12h吸光度值下降達48.6%,氧化劑H2O2對游離紅花黃色素結(jié)構(gòu)的破壞性較以上兩種還原劑的強。

而對于紅花黃色素微膠囊而言,Na2SO3、VC和H2O2對紅花黃色素微膠囊溶液的吸光度值無顯著影響,其吸光度平均值始終保持在0.320左右,經(jīng)微膠囊化后,紅花黃色素的穩(wěn)定性明顯增強,不受氧化還原劑的影響,可應(yīng)用于食品加工中。

3 結(jié)論

首次采用多孔淀粉為吸附劑,明膠為包埋劑對天然紅花黃色素進行微膠囊化,其較優(yōu)操作條件為:包埋溫度70℃、芯壁材比例1∶40、包埋時間2h,此時包埋率可達89.5%。包埋溫度為影響紅花黃微膠囊化效果的主要因素,其次為芯壁材比和包埋時間。

經(jīng)過微膠囊化后,游離紅花黃色素的水溶性和穩(wěn)定性有了明顯改善,其耐高溫性、耐強酸堿性、耐光性、耐氧化還原劑等性質(zhì)均顯著得到提高。紅花黃微膠囊可用于高溫加熱過程和食品加工中,為天然紅花黃色素在食品中的廣泛應(yīng)用提供實驗參考。

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Study on microencapsulation of safflor yellow

LIU Ke,DUAN Xu*

(School of Computer Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China)

The method of microencapsulation is adopted to improve the stability of safflor yellow,which could experimental evidence for its applications in food. Gelatin and Porous starch as adsorbent were used to microencapsulate natural safflor yellow for the first time,and the stability was tested. The optimum operating conditions were as follows:embedding temperature of 70℃,embedding time of 2h,the ratio(core-material to wall-material)of 1∶40,and safflor yellow microcapsules with an embedding ratio of 89.5% were obtained. Their solubility was increased,and their stability against temperature,alkaline or acidic agents,light,metal ion,oxidizer and reducer was also improved.

pigments;safflor yellow;stability;microencapsulation

2014-04-21

劉可(1992-)，男，本科，從事食品功能因子的仿真和識別模式的研究。

*通訊作者:段旭(1978-)，女，碩士，副教授，從事計算機仿真模式識別方向。

TS202.3

B

1002-0306(2015)01-0226-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.038