花色苷微膠囊的制備及其理化性質研究

馮志強，張阮冰，段鄧樂，張佳生，蔡哲妍，王琴，余元善，肖更生

花色苷微膠囊的制備及其理化性質研究

馮志強1，張阮冰1，段鄧樂1，張佳生1，蔡哲妍1，王琴1，余元善2，肖更生1

（1.仲愷農業工程學院 a.廣東省嶺南特色食品科學與技術重點實驗室 b.農業農村部嶺南特色食品綠色加工與智能制造重點實驗室，廣州 510225；2.廣東農業科學院 蠶業與農產品加工研究所/廣東省農產品加工重點實驗室，廣州 510610）

針對花色苷易降解不穩定等問題，采用復合壁材對花色苷進行微膠囊化處理以提高其加工穩定性。以藍莓花色苷為芯材，改性玉米淀粉/明膠作為復合壁材，利用真空冷凍干燥法制備花色苷微膠囊。以花色苷的包埋率為評價指標，考察壁芯比、改性玉米淀粉/明膠的質量比、包埋溫度和包埋時間對包埋率的影響。通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電鏡（SEM）、熱重分析（TGA）對其進行表征并測定其抗氧化性。當壁芯比為8∶1、改性玉米淀粉/明膠質量比為1∶2、包埋溫度為60 ℃、包埋時間為40 min時，制備的微膠囊具有更高的包埋率。FTIR結果表明花色苷被成功地包埋。制備的微膠囊呈不規則的片層結構，整體表現光滑，表面無團聚現象。微膠囊化后的花色苷熱穩定性、抗氧化能力均有所提高。所制備的花色苷微膠囊具有熱穩定性高、抗氧化性強、壁材間相容性好等特點，在食品工業化應用方面具有巨大潛力。

花色苷；微膠囊；冷凍干燥；性質分析

花青素是植物中最大的一類天然水溶性色素[1]，通常以糖苷形式存在，稱為花色苷。花色苷在自然界中含量豐富，具有多種有益健康的活性，如抗炎、抗糖尿病、抗癌、與生物系統高度相容等，并且無毒，因此花色苷被認為是非常適合在食品工業中應用的天然抗氧化劑[2]。然而，花色苷是一類不穩定的化合物，容易受到pH、光線、溫度、酶、氧氣和金屬離子等因素的影響[3]。因此需要采取一定的措施來保護花色苷免受外界不良條件的影響。

微膠囊化是一種令人滿意的封裝技術，其可以有效保護花色苷免受惡劣環境如高溫、光照、金屬離子、堿性和氧氣等的影響。在微膠囊化過程中，作為活性核心材料的芯材被捕獲到作為壁材或載體材料的聚合物中，形成一個多組分結構，因此壁材可以防止芯材活性喪失或降解。其次，微膠囊化可以促進目標吸附區域的受控釋放，微膠囊化還解決了花色苷在食品工業中應用的有關難題[4]。這種封裝技術通過在花色苷與外部不良條件之間建立起一道物理化學的屏障，以達到保護核心材料的目的。目前，這類尺寸從微米到納米的微膠囊日益受到人們的關注，在制藥、化妝品、食品和農業等行業都有廣泛的應用[5]。因此，本文以藍莓花色苷為芯材，以改性玉米淀粉與明膠作為復合壁材，利用冷凍干燥法制備微膠囊。通過單因素實驗來探究其最佳制備工藝，利用FTIR、SEM對其進行表征，并對其抗氧化活性、熱穩定性進行評價。為藍莓花色苷的開發利用提供研究基礎，為花色苷微膠囊在食品工業中的應用提供技術方法和理論參考。

1 實驗

1.1 材料與試劑

主要材料與試劑：藍莓花色苷提取物，實驗室自提；改性玉米淀粉，山東眾友生物科技有限公司；明膠，天津大茂化學試劑廠；氯化鉀、醋酸鈉、檸檬酸、檸檬酸鈉、鹽酸、無水乙醇、磷酸二氫鉀、2, 2-聯苯基-1-苦基肼基（DPPH），均為分析純；2, 2-聯氮-二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）試劑盒，南京建成生物工程研究所。

1.2 儀器與設備

主要儀器與設備：HH-J2磁力攪拌水浴鍋，常州金壇精達儀器制造公司；TU-1900紫外分光光度計，北京普析通用儀器有限公司；YP2002分析天平，上海佑科儀器儀表有限公司；SCIENTZ-50F真空冷凍干燥機，寧波新芝生物科技股份有限公司；L550離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；酶標儀INFINITE M PLEX，德國帝肯；Nicolet IS5傅里葉變換紅外光譜儀，美國賽默飛公司；EVO 18掃描電鏡，德國蔡司；同步熱分析儀，NETZSCH STA 449F3，德國耐馳。

1.3 花色苷提取及微膠囊的制備

稱取30 g藍莓漿液，加入適量的體積分數為70%的酸化乙醇（如無特殊說明，均含體積分數為0.1%的HCl），然后放入超聲波微波組合反應系統中反應提取（超聲功率為180 W、微波功率為300 W）。提取后的樣品在4 000 r/min下離心15 min，取上清液置于旋轉蒸發儀內進行蒸發濃縮，濃縮后定容至250 mL，用于后續的分析測定。以改性玉米淀粉與明膠為復合壁材，藍莓花色苷為芯材，利用飽和溶液法制備花色苷微膠囊。改性玉米淀粉和明膠以一定比例放入磁力攪拌水浴鍋中進行均質處理，混合完全后，按比例加入藍莓花色苷，繼續攪拌一定時間即可獲得微膠囊溶液，預凍后轉移至凍干機中干燥48 h，取出研磨后即可得到花色苷微膠囊粉末。

1.4 包埋率計算

包埋率的計算參考宛美志的方法[6]并作一定修改。微膠囊總花色苷含量的測定：準確稱量200 mg樣品粉末，加入少量pH=3.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液進行研磨，用研錘和研缽粉碎樣品，然后用10 mL容量瓶定容；定容后以4 000 r/min的轉速離心10 min，取上清液，根據pH示差法測量過濾后樣品的總花色苷含量。

微膠囊表面花色苷含量的測定：準確稱取200 mg樣品粉末，用無水乙醇快速沖洗微膠囊表面，轉移至10 mL容量瓶中定容；以4 000 r/min的轉速離心10 min，取上清液計算表面花色苷的含量。

根據pH示差法計算花色苷含量（）：

(mg/g)={[(520–700)pH1.0–(520–700)pH4.5]×w×F×103×}/(××) (1)

微膠囊包埋率（）參照式（2）來計算。

式中：1為微膠囊總花色苷的含量，mg/mL；2為微膠囊表面花色苷的含量，mg/mL。

1.5 單因素實驗

1.5.1 壁芯比對微膠囊包埋率的影響

考察壁芯比（4∶1、8∶1、12∶1、14∶1、16∶1）對藍莓花色苷微膠囊包埋率的影響，質量分數為10%的復合壁材（玉米淀粉和明膠質量比3∶1）溶液與芯材溶液混合后50 ℃水浴加熱并攪拌30 min[7]，樣品冷卻后置于?80 ℃冰箱中預凍12 h，然后進行真空冷凍干燥，干燥至恒重后研磨得到微膠囊粉末。計算包埋率，以產物的包埋率為指標，確定較佳的壁芯比。

1.5.2 改性玉米淀粉和明膠質量比對微膠囊包埋率的影響

其他處理條件不變，以最佳壁芯比條件下包埋，確定最佳的改性玉米淀粉與明膠質量比（1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1）。

1.5.3 包埋溫度對微膠囊包埋率的影響

其他處理條件不變，以最佳壁芯比、改性玉米淀粉和明膠比例對花色苷進行包埋，分析確定包埋溫度（30、40、50、60、70 ℃）對藍莓花色苷微膠囊包埋率的影響。

1.6 包埋時間對微膠囊包埋率的影響

其他處理條件不變，以最佳壁芯比、改性玉米淀粉和明膠比、包埋溫度對花色苷進行包埋，分析確定包埋時間（20、30、40、50、60 min）對藍莓花色苷微膠囊包埋率的影響。

1.7 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）

采用溴化鉀壓片，厚度為0.1～1 mm，利用紅外光譜儀進行分析。光譜掃描范圍為500～4 000 cm?1，分辨率為4 cm?1，掃描次數為32次。

1.8 SEM分析

在樣品臺貼上一層導電雙面膠，將購買的明膠、改性玉米淀粉、凍干的花色苷與微膠囊粉末分別附于導電膠上，并用洗耳球吹去多余的粉末；樣品噴金后設置加速電壓15 kV，在適當的倍數下觀察微膠囊粉末的表面形態結構。

1.9 TG分析

用同步熱分析儀進行熱分析。將所檢測的樣品以10 min/℃的恒定升溫速率加熱至600 ℃。

1.10 藍莓花色苷微膠囊體外抗氧化活性測定

1.10.1 DPPH清除活性測定

0.4 mmol DPPH溶液配制：稱取0.016 g的DPPH，用無水乙醇定容至100 mL。花色苷溶液分別用體積分數為70%的乙醇稀釋至質量濃度分別為0.1、0.05、0.02、0.01、0.005 mg/mL。然后分別將2 mL樣品溶液加入到2 mL的DPPH溶液和體積分數為70%的乙醇中，并在室溫避光條件下充分混合。30 min后測定517 nm處的吸光度，以2 mL 70%乙醇+2 mL DPPH作為空白對照。DPPH清除能力按式（3）計算。

式中：為DPPH清除率，%；r為2 mL體積分數為70%的乙醇和2 mL DPPH溶液在517 nm處的吸光值；t為2 mL樣品和2 mL DPPH溶液在517 nm處的吸光值；0為2 mL樣品+2 mL體積分數為70%的乙醇在517 nm處的吸光值。

1.10.2 ABTS抗氧化活性測定

ABTS法又稱TEAC（Trolox Equivalent Antioxidant Capacity）法，根據ABTS試劑盒說明書進行操作測定藍莓花色苷微膠囊的總抗氧化能力。ABTS對自由基的清除活性表示為每毫升樣品溶液相當于幾毫摩爾的Trolox，單位為mmol/mL。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

2.1.1 壁芯質量比對微膠囊包埋率的影響

在微膠囊的制備過程中，壁芯比是影響微膠囊制備的一個重要因素。合理的壁芯比可以保證微膠囊保持良好的穩定性與包埋率，且不影響微膠囊的特性。由圖1可知，壁芯比為8∶1時包埋率最高為62.07%，隨著壁芯比的提高，包埋率有所波動，但總體呈下降趨勢。這是因為改性玉米淀粉和明膠混合物適當的增加，使其可以與花色苷的共價結合鍵得到加強，使壁與芯之間的結合更加牢固，包埋率明顯提高。適量的多酚可以改善花青素-明膠凝膠的網絡結構和穩定性，這是提高包封率的關鍵因素。多酚的存在增加了明膠中β-轉角的含量，降低了明膠中β-折疊的含量，多酚的共價和非共價交聯可以提高明膠微觀結構的有序性和包封率。

圖1 壁芯比對包埋率的影響

2.1.2 改性玉米淀粉和明膠質量比對微膠囊包埋率的影響

由圖2可知，改性玉米淀粉的比例與花色苷微的膠囊包埋率呈負相關關系，改性玉米淀粉和明膠比例為1∶2時包埋率最高（74.5%）。原因可能是明膠與淀粉之間發生了交聯，酯化和鍵合作用使分子之間更加緊密[8]。黨旭崗等[9]提到利用改性淀粉的羰基與明膠分子上的賴氨酸和羥賴氨酸殘基上的ε-氨基發生交聯，可以形成結構穩定的席夫堿（Schiffs Base），改善了復合壁材中明膠的作用，使得花色微膠囊的包埋率不斷上升。

圖2 改性玉米淀粉和明膠質量比對包埋率的影響

2.1.3 包埋溫度對微膠囊包埋率的影響

包埋溫度對微膠囊包埋率的影響如圖3所示，隨溫度的升高，包埋率緩慢上升，在60 ℃達到最高值，然后呈下降趨勢。當包埋溫度為40～70 ℃時，其包埋率均在40%以上。這可能是因為溫度在30～60 ℃時，改性玉米淀粉進行的熱處理處于一個淀粉糊化的可逆吸水和不可逆吸水的階段，淀粉顆粒吸水后體積變大，但結晶區膠束還未完全消失；當溫度高于60 ℃時，淀粉顆粒發生解體，減少了淀粉顆粒中可用的水結合位點的數量，所以包埋率隨之下降[10]。Wang等[11]也提到，在高溫（70～90 ℃）下，玉米淀粉顆粒的晶體結構被破壞。特別是玉米淀粉顆粒中的氫鍵被破壞，水與游離羥基相結合。在此過程中，玉米淀粉顆粒中的支鏈淀粉雙螺旋完全打開，晶體結構完全消除。此外，溫度過高使花色苷降解也是包埋率下降的一個重要原因。花色苷微膠囊化后具有更高的耐熱性，隨著溫度的升高，可以推斷耐熱性的影響更加明顯[12]。

圖3 包埋溫度對包埋率的影響

2.1.4 包埋時間對微膠囊包埋率的影響

如圖4所示，當包埋時間為40 min時，花色苷的包埋率最高，達到75%，然后隨著包埋時間的延長而呈現減小趨勢。研究結果表明，短時間磁攪拌處理可以提高花色苷核心材料的包埋率，這可能是因為磁攪拌處理可以將聚合物分子向外延伸，復合壁材與花色苷緊密結合，從而提高花色苷包埋率。隨著時間延長，熱處理后改性玉米淀粉受損。攪拌也會降低淀粉顆粒的絕對尺寸，從而影響淀粉的熱特性和糊化特性[13]。因此當包埋時間過長時，花色苷微膠囊的包埋率會呈現下降趨勢。

圖4 包埋時間對包埋率的影響

2.2 FTIR分析

如圖5所示，明膠在3 080 cm?1處的酰胺A帶出現在微膠囊中，表明復合壁材成功制備。改性玉米淀粉在2 930、1 640 cm?1處附近的尖峰，分別屬于淀粉所含的葡萄糖中飽和烴C?H產生的伸縮振動吸收峰和分子內水分子的吸收峰；3 290 cm?1附近的條帶與O?H鍵相關；花色苷在1 730 cm?1處的峰與酮羰基C=O基團的伸展有關，但在微膠囊中消失，表明花色苷提取物的吸收峰被壁材多糖的碳骨架掩蓋，證明花色苷被成功地包埋在改性淀粉/明膠復合壁材中。鮑杰[14]在其研究中也有相似的結果。

圖5 微膠囊、明膠、花色苷及玉米變性淀粉FTIR譜圖

2.3 微觀結構分析

花色苷、明膠、改性玉米淀粉及微膠囊在掃描電子顯微鏡觀察的結果如圖6所示。凍干的花色苷粉末呈現不規則的顆粒狀，明膠與改性玉米淀粉分別呈現出塊狀與球形。制備的微膠囊呈現不規則的片層結構，整體表現光滑，表面無團聚現象。這表明玉米變性淀粉與明膠具有較好的相容性，但少數微膠囊樣品表面有刮痕與皺褶，這可能是研磨過程中導致的。

圖6 微膠囊、明膠、花色苷及改性玉米淀粉SEM圖

2.4 熱穩定性分析

微膠囊、明膠、花色苷及改性玉米淀粉的TG、DTG分析如圖7所示，質量損失主要有3個階段。第1階段的質量損失出現在100 ℃以下，這是由于表面水分蒸發所導致的。可以從DTG圖中發現花色苷的初始降解溫度較低，這一階段花色苷最大質量損失率出現在58 ℃。可以認為花色苷被包埋前吸濕性較高，因此在第1階段的質量損失較多，微膠囊較小的吸濕性將有利于保持其顏色和生物活性。第2階段是100～200 ℃，在此期間，樣品由于結合水和揮發成分的損失，導致質量緩慢損失。在此階段微膠囊的結合水和揮發性成分都被有效地阻擋在內部，不會很快受到高溫的影響。第3階段發生在200～370 ℃，這一階段花色苷的質量由于糖苷的熱降解而不斷損失，微膠囊質量損失主要是由于壁材的熱降解，產生了二氧化碳和水等中間體，最后樣品碳化變成灰分。可以發現，微膠囊始終保持較高的熱穩定性。

圖7 花色苷微膠囊及花色苷TG、DTG圖

2.5 藍莓花色苷微膠囊體外抗氧化活性測定結果與分析

2.5.1 DPPH自由基清除能力

由圖8可知，藍莓花色苷及微膠囊的DPPH清除率均隨著質量濃度的增加而升高。DPPH自由基是一種以氮為中心的穩定自由基。DPPH自由基清除實驗是基于DPPH被抗氧化劑猝滅的能力。據報道，DPPH清除率與酚類化合物如花色苷密切相關，樣品的濃度與抗氧化活性呈正相關關系[15]。從圖8中可以明顯看出，花色苷微膠囊的DPPH清除率比未包埋的花色苷的高，證明改性玉米淀粉和明膠做的壁材對花色苷起了一定的保護作用，提高了抗氧化活性，且壁材里明膠中的連接區是由氫鍵穩定的，類似于天然膠原蛋白中的氫鍵，連接區通過柔性多肽鏈（彈性段）相互連接，也具有一定抗氧化的能力。

圖8 花色苷及其微膠囊的DPPH自由基清除能力

2.5.2 總抗氧化活性（ABTS法）測定

在氧化劑存在的條件下，ABTS會被氧化成ABTS+。由圖9可知，隨著樣品質量濃度的增加，ABTS自由基清除率上升。ABTS測定抗氧化活性的原理與DPPH很相似，都是涉及電子轉移[16]。花色苷微膠囊化后ABTS+清除能力略有提高，這可能是因為花色苷微膠囊通過改性玉米淀粉和明膠的復合壁材將花色苷包埋在壁材內部，對花色苷具有一定的保護作用。花色苷微膠囊的抗氧化活性也相對較高，且藍莓的提取物本身含有酚類化合物，具有一定的抗氧化活性，因此抗氧化能力比其他物質要強。喬世豪等[17]提到花色苷的多酚羥基可與明膠的氨基/羥基相互作用（如氫鍵），可改變其顏色和抗氧化性能等。

圖9 藍莓花色苷及其微膠囊的總抗氧化活性

3 結語

以改性玉米淀粉和明膠作為復合壁芯，利用真空冷凍干燥法制備藍莓花色苷微膠囊。結果得出最佳制備條件：壁芯比為8∶1、改性玉米淀粉/明膠質量比為1∶2、包埋溫度為60 ℃、包埋時間為40 min，得到的花色苷微膠囊包埋率為75%。包埋后熱穩定性有所提高，DPPH、ABTS實驗表明花色苷和微膠囊的抗氧化性與濃度呈正相關關系，且經過微膠囊化的花色苷抗氧化活性比未處理的花色苷抗氧化活性要強，表明微膠囊化有利于保護花色苷。

花色苷普遍存在于自然界中，是一種對人體有益的物質。本實驗運用微膠囊化技術對其進行包埋，對花色苷的保存和傳遞具有一定的意義。隨著我國食品行業的不斷發展、人們生活水平的提高，大多數人的飲食習慣和健康營養意識也在不斷改善和提高，均衡的營養膳食結構逐漸成為人們的追求。現如今新型的食品加工和營養學通過對食品及其成分的干預來實現食品功能營養最大化，服務于有此追求的人們。微膠囊化是一種新興技術，有很大的發展前景。除了在食品行業，微膠囊化在藥物輸送、紡織工業、生物技術、農業等方面都有一定的應用，具有很廣闊的市場前景。

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Preparation and Physicochemical Properties of Anthocyanin Microcapsules

FENG Zhi-qiang1,ZHANG Ruan-bing1, DUAN Deng-le1,ZHANG Jia-sheng1, CAI Zhe-yan1, WANG Qin1,YU Yuan-shan2, XIAO Geng-sheng1

(a. Guangdong Provincial Key Laboratory of Lingnan Specialty Food Science and Technology b. Key Laboratory of Green Processing and Intelligent Manufacturing of Lingnan Specialty Food, Ministry of Agriculture, Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China; 2. Sericulture and Agri-Food Research Institute/Guangdong Key Laboratory of Agricultural Products Processing, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510610, China)

In view of the easily degradable anthocyanin, the work aims to conduct microcapsule treatment on anthocyanin with compound wall material. In this thesis, anthocyanin microcapsules were prepared by vacuum freeze-drying with blueberry anthocyanin as the core material and modified corn starch and gelatin as the compound wall material. The effects of wall-core ratio, mass ratio of modified corn starch/gelatin, embedding temperature and embedding time on the embedding rate were investigated with anthocyanin embedding rate as evaluation index. It was characterized and its oxidation resistance was determined by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM) and thermogravimetric analysis (TGA). The microcapsules prepared at wall-core ratio of 8∶1, modified corn starch/gelatin ratio of 1∶2, embedding temperature of 60 ℃ and embedding time of 40 min had high embedding rate. The FTIR results showed that the anthocyanin was successfully embedded. The microcapsules prepared had irregular lamellar structure, smooth overall performance and no agglomeration on the surface. The thermostability and the antioxidant capacity of the microencapsulated anthocyanin were improved. It can be concluded that anthocyanin microcapsules prepared are featured with high thermal stability, strong antioxidant capacity and good compatibility between wall materials, and have great potential in industrial application of food.

anthocyanin; microcapsule; freeze-drying; property analysis

TS201.1

A

1001-3563(2023)15-0009-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.002

2022?12?19

廣東省嶺南特色食品科學與技術重點實驗室項目（2021B1212040013）；2022大學生創新創業訓練計劃（X202211347171，X202111347156）；東源縣藍莓產業園科技支撐服務項目（D122207C1）；廣東省普通高校青年創新人才項目（2021KQNCX029）

馮志強（1998—），男，碩士生，主攻食物資源高效開發利用。

段鄧樂（1992—），女，博士，副教授，主要研究方向為食物資源高效開發利用。

責任編輯：曾鈺嬋