響應面法優化紫甘薯花青素微膠囊制備工藝

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(天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

響應面法優化紫甘薯花青素微膠囊制備工藝

王立爽,蔣裕琪,于鳳桐,李翔,葉江穩,張天爽,王建新,呂曉玲*

(天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

目的：以紫甘薯花青素為芯材,篩選能提高其水相穩定性的壁材并采用響應面法優化微膠囊制備工藝條件。方法：以包埋率為考察指標,利用Box-Behnken實驗和方差分析,從包埋溫度、包埋時間、壁材濃度、壁材芯材質量比四個方面優化微膠囊制備工藝條件。并對所制備的微膠囊進行電鏡掃描和穩定性研究。結果：篩選玉米朊作為壁材,獲得優化制備工藝條件為:包埋時間30 min、包埋溫度32 ℃、壁材濃度1%、壁材芯材質量比5∶2.2 (w/w),此時紫甘薯花青素微膠囊包埋率達到81.55%±0.89%,其密度為2.88 g/mL,含水率為4.42%,紫甘薯花青素微膠囊為類似圓球狀的紫色粉末,該工藝明顯提高了紫甘薯花青素水相熱穩定性，pH穩定性和室外光穩定性。結論：實驗結果表明,以玉米朊作為壁材進行紫甘薯花青素微膠囊化是提高其水相穩定性的一種較好方法。

紫甘薯花青素,微膠囊,響應面法,包埋率,水相穩定性

紫甘薯花青素是一種天然食用紅色素,與其他花色苷類色素相比具有較好的光熱穩定性[1],除了可以作為一種天然著色劑以外還具有一定的生理功能,適用于酸性飲料等食品。但由于紫甘薯花青素中具有多個酚羥基,其具有很強的親水性,用于固態或半固態食品時,會出現顏色擴散或在水中掉色等問題,限制了其使用范圍。國內文獻中紫甘薯花青素微膠囊化研究已有很多報道,但對于水不溶性紫甘薯花青素微膠囊的研究鮮有報道。通過微膠囊技術可以達到改變芯材的溶解性等目的。Wang對葉黃素進行微膠囊化,將脂溶性的葉黃素轉變為水溶性的葉黃素[2];郭立華對水溶性的5-氟尿嘧啶和葡萄糖進行微膠囊化,制備的微膠囊具有較好的緩釋效果[3]。

本實驗以紫甘薯花青素為芯材,篩選壁材,采用冷凍干燥法包埋紫甘薯花青素,以包埋率為主要考察指標,在單因素實驗基礎上,進一步采用響應面分析法優化制備工藝參數,考察包埋溫度、包埋時間、壁材濃度、壁材芯材質量比對紫甘薯花青素微膠囊化效果的影響規律,并對所得紫甘薯花青素微膠囊進行了電鏡掃描和穩定性實驗,旨在得到水不溶性紫甘薯花青素微膠囊,在提高穩定性的同時擴大了其使用范圍,如在拼色冰激淋、花青素面條等應用可減少邊界顏色擴散及水煮掉色問題,有較好的應用價值。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

紫甘薯固體粉末色素(色價為78) 葫蘆島茂華生物有限責任公司;無水乙醇、磷酸氫二鈉、玉米朊、可得然、乙基纖維素 天津北方天醫化學試劑廠;氫氧化鈉 天津市化學試劑一廠;檸檬酸 天津大學科威公司;明膠 國藥集團化學試劑有限公司;殼聚糖 天津市耀華化工廠。

1.2 儀器與設備

SY-1-2電熱恒溫水浴鍋 天津市歐諾儀器儀表有限公司;UV-2101 PCS紫外可見分光光度計 尤尼柯(上海)儀器有限公司;LGJ0.5冷凍干燥機 北京四環科學儀器廠;RE-2000旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠;SU1510掃描電子顯微鏡 株式會社日立高新技術那珂事業所。

1.3實驗方法

1.3.1 紫甘薯花青素微膠囊的制備工藝流程 采用直接包合法,對紫甘薯花青素進行微膠囊化,制備工藝如下:

選擇合適的壁材用80%乙醇溶液充分溶解[3],在水浴加熱環境下進行磁力攪拌,然后緩慢加入紫甘薯花青素溶液,包埋一段時間后,靜置冷卻至室溫,置于-80 ℃環境中存放12 h,然后冷凍干燥處理24 h,所得粉末顆粒即為紫甘薯花青素微膠囊產品[4]。

凍干機運行參數:溫度-52 ℃;真空度22300 Pa。

1.3.2 壁材選擇 本實驗選用的壁材有:殼聚糖[5]、明膠[6]、可得然膠[7]、乙基纖維素[8-9]、玉米朊[10]。

先使用上述單一壁材進行包埋,通過測定包埋率來選擇包埋效果好的壁材與其他幾種壁材復配,依據實驗結果,選擇單一壁材或復合壁材作為本實驗的微膠囊壁材。

1.3.3 微膠囊化的效果評價 包埋率(微膠囊化效率):以紫甘薯花青素為芯材實際被包埋量與理論被包埋量的比值,是衡量色素被包埋程度的有效指標。[11]

包埋率(%)=(1-m/M)×100

式(1)

式(1)中：M:微膠囊全部色素含量；m:微膠囊表面色素含量。

本實驗中,主要采用包埋率作為評價微膠囊化效果的指標。

1.3.3.1 標準曲線的制備 分別以蒸餾水和pH3的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液作溶劑配制得紫甘薯花青素含量為1 mg/mL的標準溶液,用移液管分別移取0、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0 mL至25 mL容量瓶中,稀釋定容至25 mL,搖勻,再相應的以蒸餾水和pH3的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液為空白對照,在530 nm處測定吸光度值,以吸光度(A)對濃度(C)進行線性回歸,繪制標準曲線。

1.3.3.2 測定微膠囊表面花青素含量 精確稱取定量紫甘薯花青素微膠囊產品,然后用pH3.0的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液反復洗滌振蕩,并過濾,將濾液轉移到100 mL容量瓶中,用緩沖溶液定容,通過測定波長530 nm下稀釋液的吸光值來測定濾液中紫甘薯花青素的含量。

1.3.3.3 測定微膠囊全部花青素含量 準確稱取定量紫甘薯花青素微膠囊產品,溶于200 mL 60%的乙醇溶液中,當混合液體積蒸發至剩余80 mL時,過濾,取澄清濾液,用蒸餾水先稀釋定容到250 mL,通過測定波長530 nm下稀釋液的吸光值來測定濾液中紫甘薯花青素的含量[12]。

1.3.4 微膠囊工藝優化

1.3.4.1 單因素實驗 單因素實驗在包埋溫度30 ℃、包埋時間30 min、壁材濃度1%、壁材芯材質量比5∶3 (w/w)的基礎上,依次變換下列各因素的水平:包埋溫度選擇20、30、40、50、60 ℃;包埋時間選擇15、30、45、60、75 min;壁材濃度選擇0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%;壁材芯材質量比選擇5∶1、5∶2、5∶3、5∶4、1∶1、6∶1、8∶1 (w/w)。上一單因素實驗結束后,選擇其最優值進行下一單因素實驗,按1.3.1節的方法制備紫甘薯花青素微膠囊,考察各因素對微膠囊包埋率的影響。

1.3.4.2 響應面實驗設計 根據Box-Behnken的中心組合實驗設計原理,基于單因素實驗結果,選擇對包埋效率影響顯著的包埋溫度(A)、包埋時間(B)、壁材芯材質量比(C)為自變量,以包埋效率為響應值,設計了三因素三水平響應面分析實驗,其中壁材濃度恒定為1%,實驗方案及結果見表1,采用Design-Expert V8.0.6.1軟件對實驗數據進行二次響應面回歸分析,因素水平編碼表如表1所示:

表1 響應面實驗因素水平編碼表Table 1 Factors and levels tablein response surface methodology

根據響應面軟件Design Expert 8.0.6.1設計結果,對紫甘薯花青素微膠囊工藝進行優化,得出最優工藝后,進行重復性實驗驗證。

1.3.5 紫甘薯花青素微膠囊產品的理化性質

1.3.5.1 微膠囊產品的外觀觀察 取少量的紫甘薯色素微膠囊產品,均勻分散在樣品臺上,噴金后置于掃描電鏡下,觀察微膠囊顆粒的外部形態和結構[12]。

1.3.5.2 微膠囊產品密度的測定 選取干燥清潔的10 mL量筒,將微膠囊產品倒入其中,通過測定單位體積的微膠囊顆粒的質量計算微膠囊產品的密度[12]。

1.3.5.3 微膠囊產品含水率的測定 根據GB5009.3-2016,采用直接干燥法測定紫甘薯花青素微膠囊產品的含水率。

1.3.6 紫甘薯花青素微膠囊產品的穩定性評價 取一定量的紫甘薯花青素和微膠囊樣品,分別置于以下不同條件下,定期取樣測定紫甘薯花青素的保存率,考察微膠囊產品的光穩定性、熱穩定性、pH穩定性和水相穩定性。以保存率反映穩定性大小,保存率越高,穩定性越好。保存率計算見式(2):

保存率(%)=(A1/A0)×100

式(2)

式中：A0:對照吸光度值；A1:不同條件作用后吸光度值。

1.3.6.1 光照對微膠囊產品穩定性影響的實驗 取等量的微膠囊產品,分別置于室外自然光、室內自然光、暗處三種不同的外界環境中,每隔1 d測定色素的保存率,連續測定5 d,記錄花青素的保存率的變化[1]。吸光度測定方法同1.3.3.3所示方法。

圖1 單因素實驗結果Fig.1 Results of single factor experiments

1.3.6.2 干燥狀態加熱對微膠囊產品穩定性影響的實驗 取等量紫甘薯花青素和微膠囊產品,分別置于密閉容器中,在烘箱70 ℃條件下避光保存,每隔5 h從兩個密閉容器中取樣品,測定吸光度[1]。

1.3.6.3 pH對微膠囊產品穩定性影響的實驗 取等量紫甘薯花青素和微膠囊產品,分別用10 mL pH3,pH4,pH5,pH6,pH7的緩沖液處理2 h,過濾,然后加pH3的緩沖液稀釋定容至100 mL,測定吸光度[1]。

1.3.6.4 水相加熱對微膠囊產品穩定性影響的實驗 取等量紫甘薯花青素加60 mL pH3的緩沖液溶解,90 ℃分別加熱15、30、45、60、75 min,用蒸餾水將溶液稀釋定容到100 mL,測定吸光度。

取等量微膠囊產品加10 mL pH3的緩沖液,90 ℃分別加熱15、30、45、60、75 min,過濾,取澄清濾液,用緩沖溶液稀釋定容到50 mL,測定吸光度。

1.4數據統計分析

數據分析采用Design-Expert 8.0.6.1,利用Microsoft Excel 2007和Design-Expert8.0.6.1作圖。

2 結果與分析

2.1微膠囊壁材的選擇

實驗選擇可得然膠、玉米朊、乙基纖維素、明膠、殼聚糖+可得然膠五種壁材組合進行紫甘薯花青素微膠囊化。根據實驗結果,玉米朊制備的微膠囊樣品顆粒較小且性質上方便測量效率,微膠囊化效果理想。最終選擇玉米朊作為壁材進行下一步研究。

2.2單因素實驗

選取包埋溫度、包埋時間、壁材濃度和壁材芯材質量比為優化因素進行單因素實驗,結果如圖1所示。

隨著包埋溫度升高、包埋時間的延長和壁材濃度的增加包埋率均先升高后降低,隨著壁材芯材質量比的增加,包埋率呈先逐漸增大后趨于平穩的趨勢,如圖1a所示,探究包埋溫度的影響時,發現包埋溫度30 ℃,微膠囊包埋率最高;如圖1b所示,探究包埋時間的影響時,發現包埋時間30 min,微膠囊包埋率最高;如圖1c所示,探究壁材濃度的影響時,發現壁材濃度1%,微膠囊包埋率最高;如圖1d所示,探究壁材芯材質量比的影響時,發現壁材芯材質量比為5∶2 (w/w),微膠囊包埋率較高。

2.3響應面實驗

2.3.1 響應面實驗設計與結果 在上述單因素實驗的基礎上,以微膠囊包埋率為響應值,以對微膠囊包埋率影響較顯著的3個因素(包埋時間、包埋溫度、壁材芯材質量比)

表3 回歸模型的方差分析表Table 3 ANOVA for the regression model

注:*為差異顯著,p<0.05;**為差異極顯著,p<0.01。為自變量進行了Box-Behnken響應面優化實驗。Box-Behnken實驗設計與結果見表2。

表2 響應面設計方案與實驗結果Table 2 The design and results of response surface experiment

利用Design-Expert 8.0.6.1軟件對表2數據進行分析,得到響應值包埋率(Y)對包埋溫度(A)、包埋時間(B)、壁材芯材質量比(C)的二次回歸實際模型方程:Y(%)=82.83+1.04A+0.22B+0.65C-1.40AB+1.14AC+0.45BC-3.48A2-1.75B2-2.03C2

2.3.3 響應面分析 通過Design-Expert軟件分析,做出如圖2～圖4所示的響應曲面圖和等高線圖,可以直觀的看到各因素之間的交互情況。

圖2 Y=f(A,B)的響應面圖與等高線圖Fig.2 Response surface and contour plots of Y=f(A,B)

圖3 Y=f(A,C)的響應面圖與等高線圖Fig.3 Response surface and contour plots of Y=f(A,C)

圖4 Y=f(B,C)的響應面圖與等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots of Y=f(B,C)

如圖2所示,隨著包埋溫度和包埋時間的增大,包埋率先升高后降低,響應曲面非常陡峭,等高線為橢圓形,說明包埋溫度與包埋時間交互作用顯著;如圖3所示,隨著包埋溫度和壁材芯材質量比的提高,包埋率先升高后降低,等高線為橢圓形,說明包埋溫度與壁材芯材質量比交互作用顯著;如圖4所示,隨著包埋時間和壁材芯材質量比的增大,包埋率先升高后降低,等高線接近圓形,說明包埋時間與壁材芯材質量比交互作用不顯著。

2.4驗證實驗

通過Design-Expert軟件分析,模擬得出包埋率最高的優化組合為A=31.80 ℃、B=30.18 min、C=5∶2.21,即包埋溫度31.80 ℃、包埋時間30.18 min、壁材芯材質量比5∶2.21 (w/w)時,紫甘薯花青素微膠囊的包埋率最高,為83.00%。為了實際操作的便利,將最佳工藝條件修正為包埋溫度32 ℃、包埋時間30 min、壁材芯材質量比5∶2.2 (w/w)。按照此條件制備紫甘薯花青素微膠囊,進行三次重復性實驗,將三次測定的微膠囊效率取平均值,結果為81.55%±0.89%,預測值與實際值接近,響應面優化結果可靠。利用響應面優化紫甘薯花青素微膠囊工藝是可行的。

2.5紫甘薯花青素微膠囊的電鏡掃描圖

按照優化后的工藝參數制備了紫甘薯花青素微膠囊產品,并用電鏡掃描觀察微膠囊顆粒的外觀結果,如圖5所示。

圖5 紫甘薯花青素微膠囊SEM電鏡掃描圖Fig.5 SEM of purple sweet potato anthocyanins microcapsule

由圖5電鏡掃描圖可以清晰的看出微膠囊化產品形狀結構較光滑完整,壁材結構的致密性較好,少有破壁情況,且產品顆粒明顯變小,微膠囊化效果良好。

2.6微膠囊的理化參數

在優化工藝條件下制備的紫甘薯花青素微膠囊的理化性質如表4所示。

表4 微膠囊的理化性質Table 4 The physical and chemical properties of microcapsules

2.7紫甘薯花青素微膠囊的穩定性評價

微膠囊處理對紫甘薯花青素水、熱、光和pH穩定性的影響,結果如圖6所示。

圖6 各因素對花青素微膠囊化前后穩定性的影響Fig.6 Effect of various factors on the stability of native and microencapsulated anthocyanins

由圖6可以看出,紫甘薯花青素對干燥加熱(圖6b)和光照比較穩定(圖6c～圖6e),而受水中加熱和pH影響較大,隨著90 ℃水相加熱時間的延長(圖6a)和溶液pH的增大(圖6f),花青素的保存率明顯降低;而紫甘薯花青素微膠囊化之后,減緩了環境的影響,保存率降低趨勢相對較小。對比實驗結果可以看出,微膠囊處理提高了其水相熱穩定性、pH穩定性和室外光穩定性。

3 結論

本實驗篩選得到玉米朊作為壁材,通過單因素實驗和Box-Behnken實驗確定了紫甘薯花青素微膠囊化的優化工藝條件:包埋溫度32 ℃、包埋時間30 min、壁材芯材質量比5∶2.2 (w/w),壁材濃度1%,該條件下通過冷凍干燥的方法制備的紫甘薯花青素微膠囊包埋率驗證值為81.55%±0.89%,響應面結果可靠。

掃描電鏡結果顯示紫甘薯花青素微膠囊為類似圓球狀的紫色粉末,穩定性實驗結果顯示該工藝明顯提高紫甘薯花青素水相熱穩定性,同時也提高了其室外光和pH穩定性,可為紫甘薯花青素微膠囊的實際生產提供參考,具有重要的應用價值。

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Optimizationofpurplesweetpotatoanthocyaninsmicrocapsulesbyresponsesurfacemethodology

WANGLi-shuang,JIANGYu-qi,YUFeng-tong,LIXiang,YEJiang-wen,ZHANGTian-shuang,WANGJian-xin,LVXiao-ling*

(College of Food Engineering and Biotechnology,Tianjin University of Science & Technology,Tianjin 300457,China)

Objective:The wall materials for the microcapsulation of purple sweet potato anthocyanins were selected to improve their stabilization in aqueous phase and the response surface was used to optimize the process conditions.Methods:The selected parameters including microcapsulation tempreture,time,wall material concentration,wall/core material ratio were optimized using Box-Behnken experimental design with variance analysis based on the microcapulation efficiency. The prepared microcapsules were subjected to electron microscopic observation and stability test.Results:The zein was selected as the wall material. The results showed that the optimal microcapsulation results were obtained under the conditions:microcapsulation time 30 min,tempreture 31 ℃,wall material concentration 1%,wall/core material ratio 5∶2.2 (w/w). Under these optimal conditions,the microcapulation efficiency was up to 81.55%±0.89%,their density was 2.88 g/mL,moisture content was 4.42%.The anthocyanins microcapsules were purple with a cylinder-like shape. The microcapsules were more s
Table than the native anthocyanins when exposed to aqueous phase,pH and outdoor light.Conclusion:Therefore,microcapsulation is a good way to improve the stabilization of purple sweet potato anthocyanins in aqueous phase.

purple sweet potato anthocyanins;microcapsule;response surface methodology;microcapulation efficiency;aqueous phase stability

TS202.3

B

1002-0306(2017)19-0191-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.19.035

2017-04-11

王立爽(1996-),女,本科,研究方向:食品科學與工程,E-mail:wlswls2@126.com。

*通訊作者:呂曉玲(1960-),女,碩士，教授,研究方向:天然產物的研究與開發,E-mail:lxling@tust.edu.cn。

天津科技大學大學生創新創業訓練計劃資助項目(201610057089)。