銳孔法制備原花青素微膠囊工藝研究

丁保淼 袁武華

（長(zhǎng)江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434025）

（College of Life Science，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434025，China）

原花青素是自然界一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，屬多酚化合物［1，2］。它是一種資源豐富、天然安全、無(wú)毒食用色素，而且還有很高的營(yíng)養(yǎng)和藥理作用［3］。近年的研究［4，5］表明，原花青素具有抗氧化、清除自由基、抑制腫瘤、抗輻射以及美容等多種生理功能。因而，在食品、化妝品、醫(yī)藥等領(lǐng)域原花青素均有著巨大的應(yīng)用潛力。然而原花青素對(duì)pH 值、溫度、光照、氧化劑和金屬離子等十分敏感［6］，易于被氧化和破壞，這大大限制了它的使用。為保持原花青素的諸多優(yōu)點(diǎn)，有必要采取措施，將原花青素保護(hù)起來(lái)［7］，增加它的穩(wěn)定性，以保持和提高它的生理功能。

微膠囊是一種以聚合物為壁殼，將固體、液體或氣體物質(zhì)包埋、封存在內(nèi)的囊泡［8］。微膠囊的壁材形成的膜可以將內(nèi)外環(huán)境隔開(kāi)，能夠大大地增加芯材對(duì)外界環(huán)境如光、熱、氧氣、pH 等的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)芯材的釋放時(shí)間，增加芯材的有效性［9］。近年來(lái)，已被廣泛地應(yīng)用于藥品、食品、印染等領(lǐng)域［10－13］。

微膠囊制備方法有多種；其中，銳孔法微膠囊制備技術(shù)因其設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、低溫條件下操作，且能制得粒徑均一的微膠囊而受到重視。其原理是壁材液通過(guò)銳孔滴入凝固液，凝固形成微膠囊。本試驗(yàn)擬采用銳孔法，以海藻酸鈉為壁材，CaCl2為凝固劑制備原花青素微膠囊，優(yōu)化原花青素微膠囊的制備工藝，得到最佳制備工藝條件，為其工業(yè)化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

葡萄籽原花青素：天津尖峰天然產(chǎn)物有限公司；

海藻酸鈉（≥98.0%）、檸檬酸（≥99.0%）、磷酸氫二鈉（≥99.0%）、CaCl2（≥96.0%）、無(wú)水乙醇（≥99.7%）、正丁醇（≥99.5%）、鹽酸（36.0%～38.0%）等：均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)儀器

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：UV－1100，上海美譜達(dá)儀器有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH－2，常州諾基儀器有限公司；

恒溫磁力攪拌器：85－2，江蘇省金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠；

真空干燥箱：SDZF－6020，南通金石實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；

水循環(huán)真空泵：SHB－3，武漢常儀實(shí)業(yè)有限公司；

視頻變焦顯微鏡：DZ3型，日本Union公司；

抽濾設(shè)備：本實(shí)驗(yàn)室自制；

注射器：1，10mL，武漢基因美生物科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 原花青素微膠囊的制備 采用銳孔法［14］。

1.3.2 原花青素的含量測(cè)定 采用正丁醇－鹽酸法［15］。取1.0mL適當(dāng)濃度樣品溶液，置于25 mL 比色管中，再加入正丁醇－濃鹽酸（V／V ＝95／5）試劑10.0mL，搖勻成均一體系。打開(kāi)塞子放入97 ℃恒溫水浴中，3 min后塞緊塞子，加熱40 min 后，打開(kāi)塞子于自來(lái)水中冷卻5 min，在550nm處測(cè)吸光度，計(jì)算原花青素含量。

1.3.3 原花青素微膠囊包埋率的測(cè)定 測(cè)定原花青素微膠囊制備時(shí)抽濾出的濾液中原花青素含量Aout。按式（1）計(jì)算原花青素微膠囊的包埋率（entrapment efficiency）。

式中：

EE—— 原花青素微膠囊的包埋率，%；

Aout—— 濾液中原花青素的含量，g；

Atotal—— 微膠囊化時(shí)所用的原花青素的總含量，g。

1.3.4 原花青素微膠囊制備單因素試驗(yàn) 分別設(shè)不同水平，分析海藻酸鈉質(zhì)量濃度、CaCl2質(zhì)量濃度、芯壁比、針頭孔徑、針頭高度5個(gè)單因素對(duì)微膠囊化效果的影響。按1.3.1中的方法，制備原花青素微膠囊，以包埋率、成型效果、成球難易等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在固定其它4個(gè)因素的條件下，依次考察各因素不同水平對(duì)原花青素微膠囊制備效果的影響。

1.3.5 原花青素微膠囊制備正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L16（45）正交試驗(yàn)，設(shè)計(jì)3因素4水平試驗(yàn)，通過(guò)正交試驗(yàn)及極差分析來(lái)確定番茄紅素微膠囊的最佳工藝條件。

1.4 原花青素微膠囊的形態(tài)表征

選擇高倍物鏡（放大倍數(shù)為200～1 000倍），使用透射光源，將適量的原花青素微膠囊懸浮液滴于載玻片上，蓋上蓋玻片，放在視頻變焦顯微鏡（VZM）的載物臺(tái)上進(jìn)行觀察，并打開(kāi)計(jì)算機(jī)中的Pinnacle Studio 8.0圖像采集軟件。調(diào)整視頻變焦顯微鏡的放大倍數(shù)和焦距，至樣品圖像清晰，保存圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素結(jié)果

2.1.1 海藻酸鹽濃度對(duì)原花青素微膠囊化的影響 海藻酸鈉作為壁材不僅影響微膠囊的包埋率，還影響微膠囊的機(jī)械強(qiáng)度、成球難易及微膠囊的形狀。在CaCl2質(zhì)量濃度為1%、芯材濃度為2%、針頭孔徑為0.7mm、針頭高度為5cm 條件下，海藻酸鈉濃度對(duì)原花青素微膠囊的影響見(jiàn)表1。

由表1可知，隨著海藻酸鈉濃度的升高，微囊成型越來(lái)越難；濃度升高到一定程度時(shí)，微膠囊成型效果變差；微膠囊的包埋率也呈先升后降趨勢(shì)。當(dāng)海藻酸銨濃度為3%時(shí)，微膠囊的包埋率最高，成型也很好。這可能是因?yàn)楹Ｔ逅徕c溶液具有很大粘性，且在低濃度時(shí)，其黏度隨濃度的增加而增大［16］，因而也越不容易通過(guò)注射器成型，影響了包埋率。高濃度的海藻酸鈉遇到凝固液CaCl2會(huì)更快地凝固，于是微膠囊顯得硬質(zhì)［14］。

表1 海藻酸鈉濃度對(duì)原花青素微膠囊化效果的影響Table 1 Effect of sodium alginate concentration on proanthocyanidins microcapsules

2.1.2 CaCl2濃度對(duì)原花青素微膠囊化的影響 在微膠囊制備過(guò)程中，CaCl2溶液作為凝固浴，其濃度直接影響著微膠囊壁的形成速度和質(zhì)量。在海藻酸鈉質(zhì)量濃度為3%、芯材濃度為2%、針頭孔徑為0.7mm、針頭高度為5cm 條件下，CaCl2濃度對(duì)原花青素微膠囊的影響見(jiàn)表2。

表2 CaCl2濃度對(duì)原花青素微膠囊化效果的影響Table 2 Effect of cacium chloride concentration on proanthocyanidins microcapsules

由表2 可知，微膠囊成型的效果很大程度上取決于CaCl2溶液的濃度。CaCl2濃度過(guò)低，微膠囊成型效果不好，微膠囊干燥后變形現(xiàn)象嚴(yán)重；隨著CaCl2溶液濃度的提高，微膠囊迅速固化、成型；當(dāng)CaCl2溶液濃度過(guò)高時(shí)，制得的原花青素微膠囊表面形成了致密的海藻酸鈣層，不利于微膠囊的干燥［17］。CaCl2濃度在1.0%和2.5%時(shí)包埋率變化很小，之后隨著CaCl2濃度的增加，包埋率又逐漸下降。故確定CaCl2的最佳濃度為2.5%。

2.1.3 芯壁比對(duì)原花青素微膠囊化的影響 微膠囊化過(guò)程中，若芯壁比過(guò)小，則壁材含量過(guò)多，微膠囊化產(chǎn)率偏低；若芯壁比過(guò)大，則壁材含量過(guò)少，無(wú)法將芯材完全包埋，致使原花青素的微膠囊化產(chǎn)率和效率都降低。在海藻酸鈉質(zhì)量濃度為3%、CaCl2濃度為2.5%、針頭孔徑為0.7 mm、針頭高度為5cm 條件下，芯壁比對(duì)原花青素微膠囊包埋效果的影響見(jiàn)表3。

表3 芯壁比對(duì)微膠囊化效果的影響Table 3 Effect of core－to－wall ratio on proanthocyanidins microcapsules

由表3可知，當(dāng)芯壁比為1∶1 時(shí)，微膠囊成型效果不好，且質(zhì)地松軟；當(dāng)芯壁比大于1∶2.5時(shí)，包埋率趨于下降，這可能是由于壁材含量過(guò)高，濃度過(guò)大，不利于壁材的固化，導(dǎo)致芯材不能有效地被包埋在微膠囊內(nèi)。故確定芯壁比的最佳比例為1∶2.5。

2.1.4 針頭孔徑對(duì)原花青素微膠囊化的影響 針頭孔徑直接影響著擠出液滴的體積。在海藻酸鈉質(zhì)量濃度為3%、CaCl2質(zhì)量濃度為2.5%、芯壁比為1∶2.5、針頭高度為5cm條件下，針頭孔徑對(duì)原花青素微膠囊化影響見(jiàn)表4。

表4 針頭孔徑對(duì)微膠囊化效果的影響Table 4 Effect of needle size on proanthocyanidins microcapsules

由表4可知，微囊粒度隨著注射器針頭孔徑變小而越來(lái)越小，因此微囊總的表面積變大，從而使得微囊能夠包覆更多的原花青素，所以微膠囊的包埋率隨之增大。當(dāng)針頭孔徑小于0.45mm 時(shí)，由于海藻酸鈉溶液具有一定的黏度，因此溶液推出困難，不利于造粒的進(jìn)行，且此時(shí)對(duì)制備的微膠囊形態(tài)影響不大。因此，選擇0.45mm 為最優(yōu)針頭孔徑。

2.1.5 針頭下滴高度對(duì)原花青素微膠囊化的影響 針頭下滴高度影響著擠出液滴與凝固浴的接觸形式，最終會(huì)影響微膠囊的成型效果。在海藻酸鈉質(zhì)量濃度為3%、CaCl2質(zhì)量濃度為2.5%、芯壁比為1∶2.5、針頭孔徑為0.45mm 條件下，針頭下滴高度對(duì)原花青素微膠囊化效果的影響見(jiàn)表5。

表5 下滴高度對(duì)微膠囊化效果的影響Table 5 Effect of drop height on proanthocyanidins microcapsules

由表5可知，下滴高度過(guò)低時(shí)，液滴與凝固浴CaCl2溶液太接近，微球不易分散，影響包封率；下滴高度過(guò)高時(shí)，液滴下降過(guò)程形態(tài)發(fā)生變化，微球會(huì)變得扁平，包封率會(huì)下降。綜合包埋率和微囊形態(tài)兩方面，選擇8cm 為最優(yōu)下滴高度。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定針頭孔徑為0.45 mm，針頭高度為8cm，采用正交試驗(yàn)對(duì)原花青素微膠囊工藝進(jìn)一步優(yōu)化，考察海藻酸鈉濃度、氯化鈣濃度，以及芯壁比對(duì)微膠囊制備的影響。正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表6和結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 正交試驗(yàn)因素水平表Table 6 Orthogonal experiment factors and levels

由表7可知，當(dāng)以微膠囊包埋率為指標(biāo)時(shí)，綜合評(píng)價(jià)極差大小結(jié)果顯示各因素作用大小順序?yàn)楹Ｔ逅徕c濃度＞芯壁比＞CaCl2濃度；銳孔法制備原花青素微膠囊的最佳工藝條件為A3B3C3，即：海藻酸鈉濃度3%，CaCl2濃度3%，芯壁比1∶4（芯材濃度為1.5%）。在此條件下進(jìn)行3次平行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，所得原花青素微膠囊的平均包埋率為77.83%。正交試驗(yàn)結(jié)果與單因素試驗(yàn)結(jié)果存在差別，這可能是由于各因素之間具有交互作用引起的。

2.3 原花青素微膠囊視頻變焦顯微鏡圖

視頻變焦顯微鏡具有超高連續(xù)可調(diào)的放大倍率并可連續(xù)變焦。采用同軸照明的方式，用它觀察樣品，得到原花青素微膠囊的形態(tài)圖見(jiàn)圖1。

由圖1可知，原花青素微膠囊具有良好的形態(tài)分布。

3 結(jié)論

采用銳孔法制備出了原花青素微膠囊，優(yōu)化了制備工藝，單因素試驗(yàn)表明針頭孔徑和下滴高度對(duì)微膠囊制備影響較小，最優(yōu)選擇分別為0.45mm 和8cm；正交試驗(yàn)極差分析表明海藻酸鈉濃度、CaCl2濃度、芯壁比對(duì)微膠囊制備效果的影響為海藻酸鈉濃度＞芯壁比＞CaCl2濃度，最優(yōu)選擇分別為3%、1∶4和3%；此時(shí)原花青素的包埋率為77.83%，與文獻(xiàn)［18］中采用噴霧干燥方法所得最優(yōu)結(jié)果相似。視頻變焦顯微鏡圖顯示，該法制備的原花青素微膠囊具有良好的形態(tài)分布。但微膠囊對(duì)芯材原花青素的保護(hù)效果還有待于進(jìn)一步研究，下一階段的研究方向?qū)⑹翘接懝狻?、氧氣、pH 等環(huán)境因素對(duì)微膠囊化的原花青素穩(wěn)定性的影響。

表7 原花青素微膠囊化工藝優(yōu)化正交設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 7 Orthogonal experiment results of proanthocyanidins microencapsulation

圖1 原花青素微膠囊視頻變焦顯微鏡圖（×200）Figure 1 Video zoom microscope photo of proanthocyanidin microcapsules

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