紫胡蘿卜花青素微膠囊工藝優(yōu)化

劉戰(zhàn)霞，程衛(wèi)東，王斌，劉玥彤，李夢杰

(石河子大學(xué) 食品學(xué)院，新疆 石河子 832000)

紫胡蘿卜是胡蘿卜的一個(gè)品種，其顏色呈現(xiàn)紫黑色，花青素屬于多酚類物質(zhì)且是紫胡蘿卜重要的生物活性物質(zhì)，不僅有較強(qiáng)的抗氧化能力，是一種天然、高效的抗氧化劑，還有預(yù)防高血壓、抗菌、抗炎、抗癌等作用，此外還有改善視力和眼部疲勞的功效[1-3]。花青素是一種水溶性色素，是植物的二級代謝產(chǎn)物，具有重要的生理作用，屬類黃酮化合物，是羥基的供體，能夠與蛋白質(zhì)結(jié)合防止過氧化，也可清除自由基及鰲合金屬離子[4-6]。微膠囊技術(shù)是當(dāng)今一種在食品工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛且發(fā)展迅速的新技術(shù)[7-9]。如今人們對綠色、健康的生活水平的不斷追求，功能保健產(chǎn)品也受到了廣大消費(fèi)者的關(guān)注，因此，會(huì)有廣闊的市場前景。作為功能保健品，其生理活性物質(zhì)是必不可少的，紫胡蘿卜花青素具有增強(qiáng)機(jī)體免疫、抗衰老、抗癌等活性[10]。

紫胡蘿卜花青素對光、熱等十分敏感，這極大地限制了它的使用價(jià)值。因此我們將紫胡蘿卜花青素制成微膠囊[11]，包埋、封存在一種具有聚合物的壁殼內(nèi)，使其性能和生物活性不被暴露出來，提高它在功能性產(chǎn)品中的可用性，且促進(jìn)其生理功能的發(fā)揮[12]。目前國內(nèi)外對紫胡蘿卜微膠囊的研究還處于初步階段，因此，此研究為后續(xù)研究奠定了重要基礎(chǔ)[13]。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

紫胡蘿卜：自有紫胡蘿卜種植基地提供。

纖維素酶、果膠酶、麥芽糊精、大豆分離蛋白：均購自北京索萊寶科技有限公司；單甘脂：成都市科龍化工試劑廠；乙醇：分析純，北京化工。

1.2 儀器與設(shè)備

電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 南通經(jīng)典包裝有限公司；磁力攪拌器；標(biāo)準(zhǔn)型pH計(jì)、紫外分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；恒溫水浴鍋 金壇市醫(yī)療儀器廠；噴霧干燥機(jī) 重慶干燥設(shè)備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理

將新鮮的紫胡蘿卜洗干凈，切成小塊狀再干燥處理，用攪拌機(jī)打碎，放冰箱內(nèi)保存好。

1.3.2 花青素的提取工藝

取一定量打碎的紫胡蘿卜粉→加入雙酶(纖維素酶、果膠酶)→加入乙醇浸泡→抽濾→蒸去乙醇、水溶→測吸光值[14]。

1.3.3 紫胡蘿卜花青素提取工藝優(yōu)化

單因素影響試驗(yàn)主要考察復(fù)合酶比例(果膠酶∶纖維素酶)、加酶量、提取時(shí)間、提取溫度等因素對原花青素提取率的影響，試驗(yàn)重復(fù)3次。在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用Box-Behnken模型，以復(fù)合酶比例(果膠酶∶纖維素酶)、加酶量、提取時(shí)間、提取溫度為主要考察因素(自變量)[15]，Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)因素與水平

1.3.4 花青素提取率[16]

花青素含量(mg/g)=A×Mw×DF×100/(ε×1)。

式中：A為(OD533 nm，pH 2.0-OD700 nm，pH 2.0)-(OD533 nm，pH 4.5-OD700 nm，pH 4.5)；Mw為矢車菊素葡萄糖苷的摩爾質(zhì)量，449.2 g/mol；DF為溶液的稀釋倍數(shù)；ε為矢車菊素葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)，26900 L/mol·cm。

1.3.5 花青素微膠囊的制備工藝[17]

壁材、水合乳化劑、芯材→均質(zhì)乳化→乳化噴霧干燥→微膠囊產(chǎn)品。

避光，將花青素溶于乙醇中，加入一定量的乳化劑(單甘脂)制成芯材溶液，加入溶解好的壁材溶液，磁力攪拌均勻，得到的混合液經(jīng)膠體磨均質(zhì)乳化，在一定條件下進(jìn)行噴霧干燥，制成花青素微膠囊。

1.3.6 微膠囊化工藝優(yōu)化

1.3.6.1 單因素(以包埋率為指標(biāo))

分別以不同的芯材壁材比例(1∶5,2∶5,3∶5，4∶5)、壁材比例(1∶5,2∶5,3∶5，4∶5)、固形物含量(15%，20%，25%，30%)、單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.5%，2%，2.5%，3.0%)為影響因素，考察其對提取工藝的影響。

1.3.6.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取微膠囊化芯材壁材質(zhì)量比、壁材質(zhì)量比、固形物含量、 單甘酯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)4個(gè)因素，每個(gè)因素確定4水平，按表2中L9(34)正交試驗(yàn)，以微膠囊化效率為評價(jià)指標(biāo)，確定最佳微膠囊化工藝。

表2 正交試驗(yàn)方案

1.3.7 微膠囊化的效果評定[18]

微膠囊化效率和微膠囊化產(chǎn)率是評價(jià)微膠囊化效果的主要指標(biāo)。微膠囊化效率被定義為芯材原花青素實(shí)際被包埋量與理論被包埋量的比值，是衡量原花青素被包埋的程度；微膠囊化產(chǎn)率被定義為微膠囊產(chǎn)品中所含芯材原花青素與理論總原花青素含量之比[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫胡蘿卜中花青素提取的單因素試驗(yàn)

2.1.1 復(fù)合酶比例(果膠酶∶纖維素酶)

取色素溶液50 mL，加酶量2.0%，酶解溫度60 ℃， 酶解時(shí)間60 min，分別在復(fù)合酶比例為1∶1，1.5∶1，2∶1，2.5∶1 (g/g)進(jìn)行提取，提取結(jié)果見圖1。

圖1 復(fù)合酶比例對花青素提取率的影響

由圖1 可知，隨著復(fù)合酶比例的增大，花青素提取率的值先增大后減少。當(dāng)復(fù)合酶比例為1.5∶1 時(shí)，花青素的提取率最大，這是由于當(dāng)復(fù)合酶比例低于1.5∶1時(shí)，浸提不充分，不利于紫胡蘿卜中花青素的溶出。當(dāng)復(fù)合酶比例為1.5∶1 時(shí)，紫胡蘿卜中花青素已基本溶解完全。因此，確定最佳的復(fù)合酶比例為1.5∶1。

2.1.2 加酶量

取色素溶液50 mL，復(fù)合酶比例1.5∶1， 酶解溫度60 ℃， 酶解時(shí)間60 min，加酶量分別在為1%，1.5%，2%，2.5%進(jìn)行提取，提取結(jié)果見圖2。

圖2 加酶量比例對花青素提取率的影響

由圖2 可知，隨著加酶量的增大，花青素提取率的值先增大后減少。當(dāng)加酶量為2.0% 時(shí)，花青素的提取率最大，這是由于當(dāng)加酶量低于2.0% 時(shí)，浸提不充分，不利于紫胡蘿卜中花青素的溶出。當(dāng)加酶量為2.0% 時(shí)，紫胡蘿卜中花青素已基本溶解完全。因此，確定最佳的加酶量為2.0%。

2.1.3 酶解時(shí)間

取色素溶液50 mL，復(fù)合酶比例1.5∶1，加酶量2.0%， 酶解溫度60 ℃ ，酶解時(shí)間分別在為30，60，90，120 min進(jìn)行提取，提取結(jié)果見圖3。

圖3 酶解時(shí)間對花青素提取率的影響

由圖3可知，當(dāng)酶解時(shí)間為60 min 時(shí)，紫胡蘿卜中花青素的提取率最高。酶解時(shí)間過短，花青素溶出不充分；酶解時(shí)間過長，可能會(huì)造成溶解的雜質(zhì)成分過多。因此，確定最佳酶解時(shí)間為60 min。

2.1.4 酶解溫度

取色素溶液50 mL，復(fù)合酶比例1.5∶1，加酶量2.0%， 酶解時(shí)間60 min ，酶解溫度分別在為30，60，90，120 ℃進(jìn)行提取，提取結(jié)果見圖4。

圖4 酶解溫度對花青素提取率的影響

由圖4 可知，酶解溫度在60 ℃時(shí)，紫胡蘿卜中花青素的提取率最高。當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，隨溫度的變化，花青素的提取率變化較小，這說明60 ℃是紫胡蘿卜中花青素提取的最佳溫度。當(dāng)酶解溫度過高時(shí)，可能是較高的溫度破壞了花青素的有效活性成分。

2.2 紫胡蘿卜花青素提取率的響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為優(yōu)化單因素試驗(yàn)得到的工藝條件，選取復(fù)合酶比例(A)、加酶量(B)、酶解時(shí)間(C)、酶解溫度(D)為4個(gè)影響因子，以紫胡蘿卜花青素得率(Y)為響應(yīng)值進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化紫胡蘿卜花青素提取率。響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果

續(xù) 表

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立得到花青素提取率Y與A，B，C，D的二次回歸實(shí)際模型方程為：

Y=+95.56+7.500E-003A+0.50B+1.25C+0.43D-0.080AB+0.58AC-1.30AD-0.49BC+0.15BD-0.30CD-2.93A2-2.85B2-4.12C2-3.36D2。為檢驗(yàn)方程的有效性，進(jìn)一步對其進(jìn)行方差分析及模型分析，結(jié)果見表4。

表4 模型回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)及結(jié)果

在本試驗(yàn)中，模型顯著性檢驗(yàn)、回歸方程分析顯著性檢驗(yàn)表明失擬項(xiàng)P=0.5534>0.05,失擬項(xiàng)不顯著，回歸顯著。另外，模型相關(guān)系數(shù)R2=0.9818,回歸模型P<0.0001，回歸方差是高度顯著的，說明回歸方程的擬合度較好，試驗(yàn)誤差比較小，模型調(diào)整相關(guān)系數(shù)Radj2=0.9637，說明該模型能解釋96.37%響應(yīng)值的變化?；貧w方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果顯示單因素中一次項(xiàng)復(fù)合酶比例、加酶量、酶解溫度和酶解時(shí)間對紫胡蘿卜花青素提取率有顯著的影響。各單因素交互作用(AB,AC,AD,BC,BD,CD)的響應(yīng)面及等高線圖見圖5～圖10。

圖5 Y=(A,B)的響應(yīng)面圖與等高線圖

由圖5可知，當(dāng)復(fù)合酶比例不變時(shí)，提取率隨著加酶量的增加先上升后下降。當(dāng)加酶量一定時(shí)，隨著復(fù)合酶比例的增大，提取率增大，達(dá)到最大值后又迅速減小。等高線圖接近圓形，說明復(fù)合酶比例和加酶量的交互作用不顯著。

圖6 Y=(A,C)的響應(yīng)面圖與等高線圖

由圖6可知，當(dāng)復(fù)合酶比例不變時(shí)，提取率隨著提取時(shí)間的增加先上升后下降。當(dāng)提取時(shí)間一定時(shí)，隨著復(fù)合酶比例的增大，提取率增大，達(dá)到最大值后又迅速減小。等高線圖接近圓形，說明復(fù)合酶比例和提取時(shí)間的交互作用不顯著。

圖7 Y=(A,D)的響應(yīng)面圖與等高線圖

由圖7可知，當(dāng)復(fù)合酶比例不變時(shí)，提取率隨著提取溫度的增加先上升后下降。當(dāng)提取溫度一定時(shí)，隨著復(fù)合酶比例的增大，提取率增大，達(dá)到最大值后又迅速減小。等高線圖接近橢圓形，說明復(fù)合酶比例和提取溫度的交互作用顯著。

圖8 Y=(B,C)的響應(yīng)面圖與等高線圖

由圖8可知，當(dāng)加酶量不變時(shí)，提取率隨著提取時(shí)間的增加先增大后減小。當(dāng)提取時(shí)間一定時(shí)，隨著加酶量的增大，提取率增大，達(dá)到最大值后又迅速減小。等高線圖接近橢圓形，說明提取時(shí)間和加酶量的交互作用顯著。

圖9 Y=(C,D)的響應(yīng)面圖與等高線圖

由圖9可知，當(dāng)提取時(shí)間不變時(shí)，提取率隨著提取溫度的增加先上升后下降。當(dāng)提取溫度一定時(shí)，隨著提取時(shí)間的增大，提取率增大，達(dá)到最大值后又迅速減小。等高線圖接近橢圓形，說明提取時(shí)間和提取溫度的交互作用顯著。

由圖10可知，當(dāng)加酶量不變時(shí)，提取率隨著提取溫度的增加先上升后下降。當(dāng)提取溫度一定時(shí)，隨著加酶量的增大，提取率增大，達(dá)到最大值后又迅速減小。等高線圖接近橢圓形，說明提取溫度和加酶量的交互作用顯著。

2.3 微膠囊工藝單因素試驗(yàn)

分別以不同的芯材與壁材質(zhì)量比(1∶5,2∶5,3∶5，4∶5)、壁材比例(1∶5,2∶5,3∶5)、固形物含量(15%，20%，25%)、單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.5%，2%，2.5%)為影響因素，考察其對提取工藝的影響。

2.3.1 芯材壁材質(zhì)量比

取5 mL花青素溶液，壁材比例2∶5，固形物含量20%， 單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，芯材壁材比例分別為1∶5,2∶5,3∶5，4∶5，以花青素包埋率為指標(biāo)，結(jié)果見圖11。

噴霧干燥法制備的微膠囊中，芯材有效載量可達(dá)到60%～70%，但一般為20%～40%。由圖11可知，隨著芯材與壁材比例的提高，花青素包埋率增加，但當(dāng)芯材與壁材的比例提高到3∶5時(shí)，產(chǎn)品效率下降，這可能是因?yàn)樾静妮d量過高，囊壁強(qiáng)度減弱，產(chǎn)品不耐摩擦或擠壓，從而降低了壁材對芯材的包覆效果，導(dǎo)致產(chǎn)品的效率較低。

2.3.2 壁材質(zhì)量比

取5 mL花青素溶液，芯材壁材比例3∶5，固形物含量20%， 單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，壁材質(zhì)量比分別為1∶5,2∶5,3∶5,4∶5，以花青素包埋率為指標(biāo)，結(jié)果見圖12。

圖12 壁材質(zhì)量比對花青素微膠囊包埋率的影響

由圖12可知，隨著壁材質(zhì)量比的提高，花青素包埋率增加，但當(dāng)壁材質(zhì)量比提高到2∶5時(shí)，產(chǎn)品效率下降，其原因是芯壁比增加后，芯壁混合溶液粘稠度增加，微膠囊成型效果差，導(dǎo)致花青素包埋率降低。因此，微膠囊制備的最佳壁材質(zhì)量比為2∶5。

2.3.3 固形物含量

取5 mL花青素溶液，芯材壁材比例3∶5，固形物含量20%， 單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，壁材質(zhì)量比分別為1∶5,2∶5,3∶5，4∶5，以花青素包埋率為指標(biāo)，結(jié)果見圖13。

圖13 固形物含量比對花青素微膠囊包埋率的影響

由圖13 可知，隨著固形物濃度的增加，微膠囊產(chǎn)品的效率先上升后下降。這可能是因?yàn)楣绦挝餄舛仍黾訒r(shí)，體系的粘度增大，減少了芯材向壁材表面的遷移，有利于噴霧干燥過程中囊壁的形成和致密性的提高。但是當(dāng)固形物含量過高時(shí)，進(jìn)料黏度的增大使料液的霧化困難，導(dǎo)致料液在干燥筒中粘壁嚴(yán)重，使噴頭發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

2.3.4 單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)

取5 mL花青素溶液，芯材壁材比例3∶5，壁材質(zhì)量比2∶5，固形物含量20%，單甘酯添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，以花青素包埋率為指標(biāo)，結(jié)果見圖14。

圖14 單甘脂添加量對花青素微膠囊包埋率的影響

由圖14可知，隨著單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，花青素包埋率增加，但當(dāng)單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到1.5%時(shí)，產(chǎn)品效率下降，其原因是芯壁比增加后，芯壁混合溶液粘稠度增加，微膠囊成型效果差。導(dǎo)致花青素包埋率降低。因此，微膠囊制備的最佳單甘酯添加量為1.5%。

2.4 微膠囊工藝正交試驗(yàn)

表5 正交試驗(yàn)表

表5為以效率為指標(biāo)的極差分析，比較4個(gè)因素的極差R，影響花青素包埋率的主要因素順序?yàn)楣绦挝锖?壁材中大豆分離蛋白∶麥芽糊精(質(zhì)量比)>芯材壁材比例>單甘脂含量，最佳配比是A3B3C3D1,即當(dāng)固形物含量為20%、壁材中大豆分離蛋白∶麥芽糊精(質(zhì)量比)為3∶5、芯材∶壁材(質(zhì)量比)為2∶5，微膠囊包埋效率和得率均為最高。用上述條件做驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的微膠囊效率和得率分別為98.5%和87.3%。

3 結(jié)論

通過單因素試驗(yàn)初步分析紫胡蘿卜花青素提取工藝的條件影響，在此基礎(chǔ)上，采用Box-Benhnken試驗(yàn)，以花青素提取率為響應(yīng)值，以復(fù)合酶比例(纖維素酶、果膠酶)、加酶量、酶解溫度和酶解時(shí)間4個(gè)因素為響應(yīng)因子建立二次回實(shí)際方程模型。經(jīng)檢驗(yàn)，該方程擬合較好，可真實(shí)地反映花青素提取率變化的動(dòng)態(tài)過程，同時(shí)可以預(yù)測其理論值。依據(jù)二次回歸方程，確定了花青素提取率的最佳工藝條件：復(fù)合酶比例1.5∶1,加酶量2.0%，酶解溫度60 ℃，酶解時(shí)間60 min。

以大豆分離蛋白、麥芽糊精為壁材，采用噴霧干燥法制備花青素微膠囊，以花青素微膠囊包埋率為指標(biāo)，通過單因素和正交試驗(yàn)對花青素微膠囊的配方和工藝進(jìn)行了研究,獲得了制備花青素微膠囊的最佳工藝條件：芯材壁材比例為2∶5，壁材質(zhì)量比(大豆蛋白、麥芽糊精)為3∶5，固形物含量為20%，單甘脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，按此最佳工藝條件制備的花青素微膠囊包埋率達(dá)95.31%。