噴霧干燥玫瑰茄花色苷微膠囊化效果及其性質(zhì)

王麗霞，肖輝民，吳湞湞，陳天龍，林素英

莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建省新型污染物生態(tài)毒理效應(yīng)與控制重點實驗室（莆田 351100）

玫瑰茄，又稱洛神花、洛神葵、洛神果、山茄、紅角葵，洛濟(jì)葵，是錦葵科木槿屬1年生草本植物或多年生灌木，生長于熱帶和亞熱帶地區(qū)[1]。中國福建、臺灣、廣東、海南、廣西、云南等地均有栽培。其花萼中含有一種安全、無毒的天然食用色素，即玫瑰茄紅色素，又稱玫瑰茄紅、班瑰茄、玫瑰茄色素，主要成分為矢車菊素-3-葡萄糖苷、飛燕草素-3-葡萄糖苷、矢車菊素-3-接骨木二糖苷和飛燕草素-3-接骨木二糖苷4種花色苷[2]。

玫瑰茄花色苷為水溶性色素，具有多種生理功能，如抗氧化、清除自由基、抗炎、減肥、抗高血脂、抗高血壓、抑制血小板聚集、利尿、抗泌尿系結(jié)石、抗菌、抗癌、保肝、護(hù)腎、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)、解除鎘中毒等功能[1]。然而，其性質(zhì)不穩(wěn)定，易受各種理化因素的影響而發(fā)生變化，如對光、熱、堿敏感，易氧化，金屬離子如Fe3+、Cu2+等鰲合致其變色或降低生物活性等[3-4]。通過物理或化學(xué)作用實現(xiàn)花色苷的穩(wěn)態(tài)化成為研究的熱點。國內(nèi)外關(guān)于提高玫瑰茄花色苷穩(wěn)定性的研究較少，主要有銳孔法、噴霧干燥法制備微膠囊[5-6]、攪拌混合包埋制備膠囊法[7]。噴霧干燥法制備微膠囊是食品工業(yè)中用于功能性化合物保護(hù)的最常用的制備膠囊的技術(shù)之一[6]。這種方法的主要優(yōu)點是產(chǎn)物性能穩(wěn)定[6]、多種壁材可供選擇[6]、產(chǎn)品形態(tài)較好[8]、成本低、操作方便、適合工業(yè)化生產(chǎn)。

試驗采用噴霧干燥法制備玫瑰茄花色苷微膠囊，研究壁材組成、芯壁比、固形物含量、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料流速對微膠囊化效率及產(chǎn)率的影響，表征產(chǎn)物性能，獲得理化性質(zhì)穩(wěn)定的玫瑰茄花色苷微膠囊產(chǎn)品，使玫瑰茄花色苷更加廣泛、有效地開發(fā)應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋精粉（KGM含量91.4%，云南昭通市三艾公司）；玫瑰茄干花萼（漳州金三角生物科技有限公司）；卡拉膠（κ型，福建省綠麒食品膠體有限公司）；乙醇、氯化鈉、鹽酸、醋酸、醋酸鈉等（分析純）。

1.2 儀器與設(shè)備

WK-150全新氣流式超微粉碎機（欣鎮(zhèn)企業(yè)有限公司）；AR224CN電子天平[奧豪斯儀器（上海）有限公司]；KQ-200VDE型雙頻數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；TGL-20M型臺式高速冷凍離心機（上海盧湘離心機儀器有限公司）；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵/RE-301旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；自動收集器（上海青浦滬西儀器廠）；DHG-9030A電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）；85-2恒溫磁力攪拌器（金壇市江南儀器廠）；LABPLANTSD-06AG全自動噴霧干燥器；STARTER2100/3C精密數(shù)顯酸度計；UV-1800紫外可見光光度計（上海美譜達(dá)儀器有限公司）；VERTEX 70傅里葉變換紅外光譜儀（德國BRUKER）；S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；Q600同步熱分析儀（美國TA儀器公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 玫瑰茄花色苷的制備

玫瑰茄干花萼于超微粉碎機中粉碎，置于棕色瓶內(nèi)4 ℃密封保存。取適量微粉，用蒸餾水以1∶130（g/mL）比例混合均勻，在50 ℃超聲波清洗器中超聲處理30 min，超聲功率60%，提取液冷凍離心得上清液[9]。于40 ℃減壓濃縮得紅色黏稠的粗提液，經(jīng)HPD-100大孔樹脂純化[10]，于40 ℃減壓濃縮得到純化的玫瑰茄花色苷濃縮液，經(jīng)噴霧干燥得到紫紅色粉末（花色苷含量10.8 mg/g）。

1.3.2 微膠囊化工藝

稱取一定量壁材用磁力攪拌器分散攪拌于去離子水中溶脹，并稱取一定量1.3.1小節(jié)獲得的玫瑰茄花色苷粉末溶于水中作為芯材，將兩者充分混合均勻，噴霧干燥，獲得玫瑰茄花色苷微膠囊。

1.3.3 花色苷質(zhì)量濃度的測定

采用pH示差法測定提取花色苷質(zhì)量濃度[11]。按式（1）計算。

式中：ρ為花色苷質(zhì)量濃度，mg/mL；A520nm為波長520 nm處的吸光度；A700nm為波長700 nm處的吸光度；M為矢車菊素-3-葡萄糖苷相對分子質(zhì)量，449.2（g/mol）；n為待測液稀釋倍數(shù)；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)，26 900 L/（mol·cm）；V為取樣液體積，mL；m為樣品質(zhì)量，g。

1.3.4 微膠囊化效果評價

評價微膠囊化效果的重要指標(biāo)有微膠囊化效率和微膠囊化產(chǎn)率。微膠囊化效率定義為花色苷實際被包埋量與理論被包埋量的比值，是用來衡量花色苷被包埋程度的指標(biāo)；微膠囊化產(chǎn)率定義為微膠囊產(chǎn)品中含花色苷與初始加入的總花色苷質(zhì)量濃度之比[12]。分別采用式（2）和（3）計算。

式中：ωME為微膠囊化效率，%；CSAC為微膠囊表面花色苷質(zhì)量濃度，mg/mL；CPAC為微膠囊產(chǎn)品中花色苷質(zhì)量濃度，mg/mL。

式中：ωMY為微膠囊化產(chǎn)率，%；CPAC為微膠囊產(chǎn)品中花色苷質(zhì)量濃度，mg/mL；CIAC為初始加入的花色苷質(zhì)量濃度，mg/mL。

1.3.4.1 微膠囊產(chǎn)品表面花色苷質(zhì)量濃度測定[12]

稱取約0.2 g微膠囊，加入10 mL無水乙醇，搖勻并充分?jǐn)嚿?，超聲波振? min，冷凍離心5 min，倒出上清液備用，測定花色苷質(zhì)量濃度。

1.3.4.2 微膠囊產(chǎn)品中花色苷質(zhì)量濃度測定[12]

稱取約0.2 g微膠囊，加入10 mL蒸餾水，待其充分溶解，超聲波振蕩5 min，加入5 mL無水乙醇進(jìn)行吸附花色苷5 min，冷凍離心5 min，倒出上清液備用，測定花色苷質(zhì)量濃度。

1.3.5 微膠囊產(chǎn)品評價

1.3.5.1 紅外光譜

采用KBr壓片，分別測試花色苷、卡拉膠、微膠囊的紅外光譜。波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，儀器分辨率0.5 cm-1，掃描次數(shù)32/64。

1.3.5.2 掃描電鏡

將適量微膠囊產(chǎn)品均勻分散貼附于樣品臺上，噴金后，使用電鏡掃描（SEM）觀察顆粒形貌。

1.3.5.3 微膠囊產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性

在氮氣環(huán)境、流速20 mL/min、加熱速率10 ℃/min條件下，對花色苷粉末及微膠囊產(chǎn)品進(jìn)行同步熱重/差示量熱掃描測試，比較其穩(wěn)定性，測試溫度范圍從室溫至500 ℃。

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1 壁材組成對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察壁材組成對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，配制不同配比的復(fù)合壁材膠體，魔芋膠∶卡拉膠分別為4∶11，3∶12，2∶13，1∶14和0∶15（g/g），總膠體質(zhì)量濃度1.5（g/L），分別加入0.2 g玫瑰茄花色苷于磁力攪拌器攪拌并充分包埋后，經(jīng)噴霧干燥制得微膠囊，測定其花色苷質(zhì)量濃度，并計算微膠囊化效率及產(chǎn)率。

1.4.2 芯壁比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察芯壁比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，配制不同芯壁比的膠體溶液進(jìn)行噴霧干燥，芯壁比分別為1∶15，2∶15，3∶15，4∶15和5∶15（g/g），其中卡拉膠質(zhì)量濃度1.5（g/L），花色苷分別為0.1，0.2，0.3，0.4和0.5 g，配成膠體后于磁力攪拌器攪拌并充分包埋后，經(jīng)噴霧干燥制得微膠囊，測定其花色苷質(zhì)量濃度，并計算微膠囊化效率及產(chǎn)率。

1.4.3 固形物質(zhì)量濃度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察固形物質(zhì)量濃度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，配制不同固形物質(zhì)量濃度的膠體溶液進(jìn)行噴霧干燥，固形物質(zhì)量濃度分別為1.02，1.36，1.70，2.04和2.38（g/L），其中卡拉膠質(zhì)量分別為0.9，1.2，1.5，1.8和2.1 g，花色苷質(zhì)量分別為0.12，0.16，0.20，0.24和0.28 g，制成膠體后經(jīng)噴霧干燥制得微膠囊，測定其花色苷質(zhì)量濃度，并計算微膠囊化效率及產(chǎn)率。

1.4.4 進(jìn)風(fēng)溫度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察噴霧進(jìn)口溫度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，對噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)行設(shè)置，分別設(shè)計干燥溫度140，160，180，200和220 ℃，制得微膠囊后，測定其花色苷質(zhì)量濃度，并計算微膠囊化效率及產(chǎn)率。

1.4.5 料液流速對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

為考察料液流速對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響，將料液流速分別設(shè)置為11，14，17，20和23（mL/min）進(jìn)行噴霧干燥，制得微膠囊后，測定其花色苷質(zhì)量濃度，并計算微膠囊化效率及產(chǎn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧干燥法各因素對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

2.1.1 壁材組成對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

壁材種類及其配比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（a）。由圖1（a）可知，微膠囊化效率及產(chǎn)率均隨魔芋膠比例增加而減小，這是由于魔芋膠與卡拉膠易形成凝膠或成膜，壁材溶液體系黏度增大，花色苷粉末不易被混合體系有效包埋，造成噴霧效果差，產(chǎn)品形態(tài)差，如顆粒不規(guī)則、不光滑、部分呈片狀，易堵塞霧化器口等影響。因此選用壁材組成0∶15（g/g），即0.15%卡拉膠作為壁材，此時微膠囊化效率及產(chǎn)率均為最高值。

圖1 各因素對噴霧干燥玫瑰茄花色苷微膠囊化效率及產(chǎn)率的影響

2.1.2 芯壁比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

芯壁比對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（b）。由圖1（b）可以看出，隨著芯壁比增加，微膠囊產(chǎn)品的微膠囊化效率先增大后減小，這是由于當(dāng)芯材在一定濃度范圍內(nèi)時，壁材具有包埋芯材的能力，增加芯材比例，包埋率增加；繼續(xù)增加芯材比例，壁材包覆的負(fù)荷增大，壁材膠囊壁強度減弱，料液在霧化造粒及干燥過程中不耐摩擦或擠壓，降低壁材對芯材的包埋效果，從而微膠囊化效率降低[13]。此外，隨著芯壁比增加，微膠囊產(chǎn)品產(chǎn)率先逐步增加后趨于平衡最后逐漸降低，這是由于隨著初始花色苷質(zhì)量濃度增大，微膠囊產(chǎn)品中花色苷質(zhì)量濃度也增大，總體比值增大；隨著初始花色苷質(zhì)量濃度繼續(xù)增大，未被包埋的花色苷即吸附于微膠囊表面的花色苷質(zhì)量濃度增多，表面吸附的花色苷受噴霧干燥高溫?fù)p壞，因此微膠囊化產(chǎn)品中花色苷質(zhì)量濃度相比初始加入的質(zhì)量濃度降低，體現(xiàn)在比值上從較平穩(wěn)到逐漸降低。因此，芯壁比選取2∶15（g/g）。

2.1.3 總固形物質(zhì)量濃度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

總固形物對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（c）。由圖1（c）可知，隨著總固形物質(zhì)量濃度增加，微膠囊化效率先上升后下降，這是由于體系質(zhì)量濃度太稀薄時，壁材不能形成連續(xù)的均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不能很好地包覆芯材，體系不耐噴霧干燥的高溫，此時，微膠囊化效率比較低。總固形物質(zhì)量濃度增加，有助于噴霧干燥過程中膠囊壁的形成及增強囊壁的致密性，包埋效果增加。但是總固形物質(zhì)量濃度過高時，由于卡拉膠及花色苷粉末均具有黏性，體系黏度過高使得料液的霧化難度增大，干燥筒壁粘連現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)品易形成薄膜狀，影響噴霧效果，因此微膠囊化效率降低。微膠囊化的產(chǎn)率先期提高較快，后期趨于平穩(wěn)，同樣可以解釋為前期體系質(zhì)量濃度較低，不耐高溫，在噴霧干燥過程中囊壁的成膜情況較差，從而影響微膠囊化效率，加入的花色苷受噴霧干燥高溫的影響損失，因此產(chǎn)率較低；隨著總固形物質(zhì)量濃度增加，較多的固形物能夠耐受噴霧干燥的高溫，微膠囊產(chǎn)品中的玫瑰茄花色苷質(zhì)量濃度增加，因此產(chǎn)率提高。因此，選取總固形物質(zhì)量濃度1.7 g/L為優(yōu)化條件。

2.1.4 進(jìn)風(fēng)溫度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

進(jìn)風(fēng)溫度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（d）。由圖1（d）可知，隨著進(jìn)風(fēng)溫度提高，微膠囊化效率和產(chǎn)率均先上升后下降。這是由于進(jìn)風(fēng)溫度較低時，微膠囊化產(chǎn)品水分較高，產(chǎn)品黏稠，不松散，部分呈團(tuán)塊狀，壁材不能很好包裹住花色苷；進(jìn)風(fēng)溫度過高時，花色苷受高溫降解，產(chǎn)品顏色較淺，微膠囊化效率和產(chǎn)率均下降；進(jìn)風(fēng)溫度合適時，產(chǎn)品干燥、松散，呈均勻顆粒狀，為紫紅色，此時微膠囊化效率和產(chǎn)率均最高。因此，進(jìn)風(fēng)溫度選擇160 ℃。

2.1.5 進(jìn)料速度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響

進(jìn)料速度對玫瑰茄花色苷微膠囊化效果的影響見圖1（e）。由圖1（e）可知，隨著進(jìn)料速度提高，玫瑰茄花色苷微膠囊化效率和產(chǎn)率均為先增加后下降，這可能是由于進(jìn)料速度較慢時，料液與熱風(fēng)溫度作用時間較長，花色苷質(zhì)量濃度有所損失，因此包埋效果不佳；進(jìn)料速度達(dá)到20 mL/min后，包埋效果亦降低，這可能是由于進(jìn)料速度過大，物料霧化效果降低，液滴的大小不均勻，從而影響產(chǎn)品的顆粒度及致密性。溶劑蒸發(fā)不充分，出口溫度降低，產(chǎn)品含水量較高。微膠囊化產(chǎn)品在較高出口溫度及較多水分的條件下，內(nèi)部花色苷易氧化變質(zhì)。因此，進(jìn)料速度選擇20（mL/min）。

2.2 玫瑰茄花色苷微膠囊產(chǎn)品評價

在單因素優(yōu)化條件下，所得玫瑰茄花色苷微膠囊呈紫紅色粉末狀，產(chǎn)品的微膠囊化效率為95.75%，產(chǎn)率為94.18%。

2.2.1 紅外光譜分析

玫瑰茄花色苷、卡拉膠及微膠囊的紅外光譜如圖2所示。由花色苷的紅外光譜可看出，3 420 cm-1處顯示酚類O—H伸縮振動的吸收帶，2 930 cm-1和2 640 cm-1處顯示苯環(huán)的C—H伸縮振動峰，1 720 cm-1處C＝O可能來自花色苷糖殘基上的乙?；Y(jié)構(gòu)，1 630 cm-1處可能是芳烴骨架C＝C鍵伸縮振動吸收峰，說明該花色苷中含有大量苯環(huán)結(jié)構(gòu)，波數(shù)1 380 cm-1可能是甲氧基C—H面內(nèi)彎曲振動吸收峰，波數(shù)1 280 cm-1可能為酚羥基的C—O伸縮振動，1 040 cm-1可能為醇羥基的C—O伸縮振動吸收峰[14-15]。

圖2 玫瑰茄花色苷、卡拉膠及微膠囊的紅外光譜

由κ-卡拉膠的紅外光譜可知，3 450 cm-1處為羥基的特征吸收峰，2 900 cm-1為C—H的伸縮振動，1 640 cm-1為糖的水化物的吸收峰，1 250 cm-1處較強的吸收峰為S＝O伸縮振動，表明多糖含有硫酸根，1 160 cm-1處則為醚類的C—O—C特征峰，1 060 cm-1處是連接羥基的C—O—的伸縮振動吸收峰，926 cm-1處為α-D-3，6內(nèi)醚半乳糖上C—O—C的特征吸收峰，而849 cm-1處的吸收峰為C4硫酸化的特征吸收即半乳糖C4—O—S的伸縮振動吸收峰[16-17]。

比較玫瑰茄花色苷微膠囊、κ-卡拉膠及花色苷的紅外光譜可知，玫瑰茄花色苷中1 720 cm-1及1 630 cm-1處的特征峰消失，說明玫瑰茄花色苷被卡拉膠成功包埋。

2.2.2 掃描電鏡分析

由圖3的電鏡掃描圖可以看到，噴霧干燥玫瑰茄花色苷微膠囊基本成球形，表面光滑，未發(fā)現(xiàn)囊壁有破裂情況，說明芯材被壁材全部包裹。偶有微膠囊顆粒表面有凹陷、突起現(xiàn)象或呈不規(guī)則形態(tài)，凹陷可能是由于在噴霧干燥過程中，霧化液滴在干燥中，表面液滴迅速蒸發(fā)產(chǎn)生收縮而導(dǎo)致的或者可能由于在噴金過程中抽真空所導(dǎo)致的[18]，而凸起可能是少量未被包埋的花色苷吸附在膠囊壁表面。

圖3 微膠囊電鏡掃描圖

2.2.3 微膠囊熱穩(wěn)定性分析

玫瑰茄花色苷及其微膠囊的DSC/TGA曲線如圖4所示。從花色苷的TGA曲線可以看出，花色苷在熱處理過程中，質(zhì)量迅速下降，這是由于花色苷在高溫下被加熱分解的緣故。從花色苷的DSC曲線可以看出，花色苷出現(xiàn)2個吸熱峰，分別為45～50 ℃及125～225℃，這是由于花色苷的降解是一個吸熱過程[19]。

圖4 花色苷及微膠囊的DSC/TGA曲線

從微膠囊的TGA曲線可以看出，微膠囊在熱處理過程中，質(zhì)量下降變得緩慢，溫度從室溫到75 ℃時的質(zhì)量下降是由于花色苷中所含水分的蒸發(fā)。隨后曲線比較平緩，這是由于花色苷由大分子卡拉膠包埋的緣故，相對分子質(zhì)量較大，質(zhì)量下降較慢，說明卡拉膠對花色苷的降解起到保護(hù)作用。溫度升高至225 ℃時，質(zhì)量下降迅速，出現(xiàn)第2段降解過程，這是由于花色苷及卡拉膠在高溫下迅速裂解的緣故。從微膠囊的DSC曲線可以看出，花色苷的2個吸熱峰消失，這是由于噴霧干燥過程的剪切力破壞卡拉膠與花色苷的結(jié)晶結(jié)構(gòu)[20]，從而導(dǎo)致其熱降解過程變?yōu)榉俏鼰徇^程。

3 結(jié)論

采用噴霧干燥制備玫瑰茄花色苷微膠囊，通過單因素試驗確定的最佳制備條件參數(shù)為：壁材采用卡拉膠，芯壁比2∶15（g/g），總固形物質(zhì)量濃度1.7（g/L），噴霧進(jìn)風(fēng)溫度160 ℃，進(jìn)料流速20（mL/min）。在此條件下，產(chǎn)品的微膠囊化效率為95.75%，產(chǎn)率為94.18%?；ㄉ漳軌虮豢ɡz有效包埋或與卡拉膠通過靜電作用形成穩(wěn)定的復(fù)合物；噴霧干燥微膠囊產(chǎn)品顆粒干燥、松散，結(jié)構(gòu)完整，表面光滑，呈均勻的圓形或橢圓形，顏色為紫紅色。玫瑰茄花色苷微膠囊化具有較高的熱穩(wěn)定性，有利于玫瑰茄花色苷在食品工業(yè)中的開發(fā)應(yīng)用。