紫薯中花青素微膠囊的制備

王余夢(mèng) 陳偉 蔡子維 孫鈺杰 田琳

摘? ?要：花青素具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，易受到溫度、pH、金屬離子、光照等影響變得不穩(wěn)定。使用銳孔法制備花青素微膠囊，由單因素試驗(yàn)得出最佳海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，芯壁體積比1∶3，針孔孔徑為0.6 mm。在520 nm處測(cè)定吸光度，計(jì)算包埋率。使用響應(yīng)面分析法進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)，得到包埋率與海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、芯壁體積比的回歸方程。優(yōu)化后的提取工藝參數(shù)為3.03%海藻酸鈉、3.26%氯化鈣、芯壁體積比1.00∶3.56，微膠囊包埋率可達(dá)71.81%。

關(guān)鍵詞：紫薯;花青素;微膠囊;銳孔法;包埋率

紫薯又名“黑薯”，屬旋花科番薯屬，一年生草本植物。富含花青素，具有抗氧化和抗癌抗腫瘤等多種功效[1-2]。花青素作為一種天然的水溶性色素對(duì)溫度、pH、金屬離子、光照等十分敏感[3-4]。為保持花青素的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，本實(shí)驗(yàn)采用銳孔法制備花青素微膠囊[5]，以包埋率為指標(biāo)，在520 nm處測(cè)定花青素芯材溶液和CaCl2濾液的吸光度。單因素實(shí)驗(yàn)中確定最佳的海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、針頭孔徑、芯壁比、混合液與CaCl2體積比，再使用響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，以達(dá)到最佳的包埋程度。

1? ? 實(shí)驗(yàn)

1.1? 實(shí)驗(yàn)材料

粗提的花青素樣品。

1.2? 實(shí)驗(yàn)試劑

無水氯化鈣分析純，海藻酸鈉化學(xué)純。

1.3? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

紫外可見分光光度計(jì)UV-5500，恒溫磁力攪拌器B11-1型。

1.4? 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1? 微膠囊的制備方法

以海藻酸鈉為壁材，花青素樣品為芯材，CaCl2為固化劑。將芯材溶液緩慢加入海藻酸鈉溶液并磁力攪拌混合。吸取一定體積的混合液至注射器中，在一定高度以一定速度滴入CaCl2溶液中。固化30 min[6]，過濾后在520 nm處測(cè)定吸光度。

1.4.2? 紫薯花青素微膠囊包埋率的計(jì)算

包埋率計(jì)算公式如下：

式中：A1為芯材在520 nm處的吸光度;V1為芯材的體積，mL;A2為CaCl2濾液在520 nm處的吸光度;V2為CaCl2濾液的體積，mL。

1.4.3? 微膠囊化單因素實(shí)驗(yàn)

配制1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的海藻酸鈉溶液，50 ℃恒溫磁力攪拌溶解，冷卻至室溫且溶液內(nèi)氣泡消失。將0.1%花青素芯材溶液以芯壁比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6緩慢加入海藻酸鈉溶液中，磁力攪拌充分混合。靜置至混合液中氣泡消失，用一次性膠頭滴管吸取混合液10 mL，至針頭孔徑為0.45 mm、0.50 mm、0.60 mm、0.70 mm的5 mL注射器中。以2 mL/min的下滴速度，滴入1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0% CaCl2溶液中，固化30 min，濾液。在520 nm處測(cè)得芯材溶液與CaCl2溶液的吸光度。以包埋率、擠壓難易、凝膠珠形狀等為衡量指標(biāo)，依次考察不同因素不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)紫薯中花青素微膠囊制備的影響。

1.4.4? 響應(yīng)面法試驗(yàn)優(yōu)化紫薯花青素中微膠囊的制備工藝

在1.4.3單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取對(duì)包埋率影響較大的海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、芯壁體積比進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，利用Design-Expert-8.0.6軟件中的響應(yīng)面設(shè)計(jì)（Box-Behnken Design，BBD）進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)（見表1）。

1.5? 數(shù)據(jù)處理

使用Design-Expert-8.0.6和Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2? ? 結(jié)果分析

2.1? 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1? 海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)

將5 mL 0.1%芯材溶液按照芯壁比1∶4分別加入20 mL 1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%的海藻酸鈉溶液。在一定高度用0.6 mm 5 mL的注射器吸取10 mL混合液，按混合液與CaCl2溶液體積比1∶4滴入40 mL 1.5% CaCl2溶液中。

在1%～3%這個(gè)范圍中，隨著海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，凝膠珠的成型效果越好，形態(tài)越均一，彈性增大凝膠珠不易破裂（見圖1）。在3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到包埋率最大值之后，溶液質(zhì)地濃稠度增加，凝膠珠質(zhì)地硬度增加，注射成球困難。高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海藻酸鈉遇到固化劑CaCl2溶液凝固更快[8]。確定制備紫薯花青素微膠囊的最佳海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。

2.1.2? CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

將40 mL 0.1%芯材溶液與40 mL 3%海藻酸鈉溶液按照芯壁比1∶4磁力攪拌混合，吸取10 mL混合液滴入0.6 mm 5 mL注射器中，在一定高度下滴入磁力攪拌的40 mL 1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0% CaCl2溶液中。

包埋率在1%～3%逐漸上升，3.0%～3.5%下降，呈先上升后下降的趨勢(shì)（見圖2）。當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，凝膠珠外層的固化膜較薄，使得凝膠珠較松軟容易破裂。CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，外層迅速固化，阻礙了凝膠珠內(nèi)部固化，同樣不利于微膠囊球的強(qiáng)度提高。故確定最佳CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。

2.1.3? 針孔孔徑

將12.5 mL 0.1%芯材溶液與50 mL 3%海藻酸鈉溶液按照芯壁比1∶4磁力攪拌混合，吸取10 mL混合液至0.45 mm、0.50 mm、0.60 mm、0.70 mm的注射器中，在一定高度滴入40 mL 3% CaCl2溶液中，即混合液∶CaCl2溶液=1∶4。

如圖3所示，隨著針孔孔徑的增大，凝膠珠的表面積增大，包埋的花青素就越多，但凝膠珠表面固化的時(shí)間延長(zhǎng)，使得芯材容易溢出，包埋效果差。針孔孔徑為0.45 mm和0.50 mm時(shí)，混合液濃稠使得擠出成球困難，不易形成形態(tài)均一的凝膠珠。綜合考慮，選用針孔孔徑為0.60 mm最為合適。

2.1.4? 芯壁比

將10 mL 0.1%芯材溶液分別與10 mL、20 mL、30 mL、40 mL、50 mL、60 mL 3%海藻酸鈉溶液按照芯壁比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6磁力攪拌混合，取10 mL混合液至0.6 mm 5 mL的注射器中，滴入40 mL 3% CaCl2溶液中，即混合液∶CaCl2溶液=1∶4。

包埋率隨著芯壁比的減小先增大后減小，在1∶3處達(dá)到最大值（見圖4）。混合液中壁材較多，凝膠珠固化時(shí)間延長(zhǎng)，使花青素不能高效地被包埋。壁材較少時(shí)，不能完全包埋住芯材，凝膠珠表面的固化膜較薄，芯材容易外溢。因此，選擇芯壁比為1∶3。

2.1.5? 混合液與CaCl2溶液的體積比

將15 mL 0.1%芯材與60 mL 3%海藻酸鈉溶液按照芯壁比1∶3磁力攪拌混合，吸取10 mL混合液至0.6 mm的注射器中。按照混合液與CaCl2溶液的體積比1∶1 、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6分別滴入10 mL、20 mL、30 mL、40 mL、50 mL、60 mL CaCl2溶液中。

如圖5所示，包埋率隨混合液與CaCl2溶液體積比的變化無明顯的趨勢(shì)，因?yàn)樵诔汕虻倪^程中，用磁力攪拌著CaCl2溶液，使凝膠珠不會(huì)沉積黏聯(lián)。考慮經(jīng)濟(jì)成本，使用混合液與CaCl2溶液的體積比1∶2為宜。

2.2? 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1? 響應(yīng)面法設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

根據(jù)2.1單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定針孔孔徑為0.6 mm、混合液與CaCl2溶液體積比為1∶2，固化30 min進(jìn)行試驗(yàn)。選取對(duì)包埋率影響顯著的3個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面法試驗(yàn)，海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）、氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）、壁芯體積比（C）作為自變量，花青素微膠囊包埋率（Y）作為響應(yīng)值。共有17個(gè)析因點(diǎn)，其中5個(gè)為中心點(diǎn)，其目的是估計(jì)實(shí)驗(yàn)的純誤差。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.2.2? 回歸方程的建立與顯著性分析

通過BBD設(shè)計(jì)Analysis中的ANOVA分析，可得包埋率（Y）與海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）、氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）、芯壁體積比（C）的二次多元回歸方程為：Y=70.28+1.04A+2.62B+2.95C-0.48AB-0.44AC+0.61BC-4.07A2-2.86B2-2.89C2。

結(jié)果表明，該模型顯示為顯著。R2=0.970 9，進(jìn)一步說明模型實(shí)際值與方程預(yù)測(cè)值之間有較好的相關(guān)性。從表3可以看出，A、B、C為顯著因素（P<0.05），AB、AC、BC為不顯著因素（P>0.05），不予考慮?；貧w方程可以簡(jiǎn)化為：Y=70.28+1.04A+2.62B+2.95C-4.07A2-2.86B2-2.89C2。

2.2.3? 響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)最優(yōu)方案

根據(jù)BBD設(shè)計(jì)Optimization中的Numerical得出最優(yōu)試驗(yàn)方案為，3.03%海藻酸鈉、3.26%氯化鈣、芯壁體積比1.00∶3.56，微膠囊包埋率可達(dá)71.81%。

3? ? 結(jié)語

優(yōu)化后的條件為：以3%海藻酸鈉50 ℃恒溫磁力攪拌溶解，與0.1%芯材按照芯壁比1.00∶3.56充分混合，加入混合液至0.6 mm的注射器中，在一定高度下以2 mL/min的下滴速度滴入3.26%氯化鈣中，固化30 min，包埋率可達(dá)71.81%。

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