王麗玲,候旭杰,高超
(塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300)
紅棗色素屬于羥基蒽醌類衍生物[1],水溶性好,溶液澄清透明,色澤鮮艷、自然、安全性高,在化妝品、食品、染料、飲料等方面有廣闊的應(yīng)用前景。但與合成色素相比,天然紅棗紅色素著色強(qiáng)度較弱,對光、熱、pH和抗氧化的敏感性較高,并且其生產(chǎn)受到紅棗種類、地理、區(qū)域及季節(jié)的影響,供應(yīng)量不穩(wěn)定。微膠囊技術(shù)應(yīng)用于天然色素可以很大程度地提高其穩(wěn)定性。例如王煜等進(jìn)行的姜黃色素微膠囊化研究[2];楊玉峰等進(jìn)行的微膠囊化姜黃色素化學(xué)穩(wěn)定性的研究[3]以及唐永富等進(jìn)行的微膠囊化辣椒紅色素工藝研究[4]等都證明微膠囊化的色素其穩(wěn)定性得到大大的提高。因此,本試驗(yàn)研究以天然紅棗色素為芯材,以海藻酸鈉為壁材,采用銳孔法制作紅棗色素微膠囊,并用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行工藝的優(yōu)化,發(fā)揮均勻設(shè)計(jì)的少量試驗(yàn)處理多因素多水平的研究方法,為提高紅棗色素的穩(wěn)定性和商品性提供參考。
1.1.1 材料
紅棗:購于新疆阿拉爾農(nóng)貿(mào)市場。
1.1.2 試劑
海藻酸鈉、氯化鈣、無水乙醇、95%乙醇、鹽酸、檸檬酸、磷酸氫二鈉:均為分析純。
1.1.3 主要試驗(yàn)儀器
RE52-201DA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:河南鞏義予華藝儀器有限公司;BS2202S、BS210S精密天平:賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;FA2004N電子分析天平:北京市永光明醫(yī)療儀器廠;756紫外可見分光光度計(jì):上海光譜儀器有限公司;BCD-223GB冰箱:容聲,中國科龍電器;BME100LX高剪切混合乳化機(jī):上海威廣機(jī)械制造有限公司。
1.2.1 紅棗色素溶液的制備
取干制的紅棗50g,加入1L含0.01%HCl的60%乙醇溶液于60℃恒溫水浴鍋中浸提3 h,抽濾、離心得到紅棗色素浸提液,然后減壓濃縮至30 mL,用pH=3.5的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液進(jìn)行稀釋,配制成吸光度為0.430的色素溶液。
1.2.2 紅棗色素微膠囊化工藝流程
1.2.3 操作要點(diǎn)
取適量海藻酸鈉,用pH=3.5的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液加熱溶解,冷卻至40℃~50℃,加入適量的色素液,充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝笪胱⑸淦髦?,用注射器以一定的速度將混合液注入用pH=3.5的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液配制的CaCl2溶液中制珠,在冰箱中(0℃~2℃條件下)靜置,使膠珠在CaCl2溶液中固化,過濾,用濾紙吸去凝珠表面的水分,在自然條件下干燥。
1.2.4 包埋率測定
紅棗色素微膠囊化效果用色素的包埋率來評定[5]。計(jì)算包埋率的公式如下:
式中:A為加入色素的吸光度;V為加入色素的體積;A1為上清液中色素的吸光度;V1為上清液的體積。
在微膠囊制作過程中,影響微膠囊包埋率的因素很多,本文主要研究的是海藻酸鈉濃度、壁芯材比例、氯化鈣濃度以及固化時(shí)間對微膠囊化包埋率的影響。
2.1.1 海藻酸鈉濃度對微膠囊化效果的影響
固定色素用量與海藻酸鈉用量之比為1∶3,CaCl2濃度為4%,造粒溫度為室溫(25℃),固化時(shí)在冰箱中靜置 1.0 h,測定 2%、3%、4%、5%、6%、7%6種濃度的海藻酸鈉壁材對色素微膠囊化效果的影響。其結(jié)果見圖1。
從圖1可看出,隨著海藻酸鈉濃度的增加,紅棗色素的包埋率明顯提高,但當(dāng)海藻酸鈉濃度為7%時(shí),造粒困難,綜合考慮,確定海藻酸鈉的濃度為6%。
圖1 海藻酸鈉濃度對包埋率的影響Fig.1 Sea alginic acid sodium density to embedding rate influence
2.1.2 CaCl2濃度對微膠囊化的影響
紅棗色素微膠囊的原理是用CaCl2等堿土金屬鹽作凝固劑,使海藻酸鈉轉(zhuǎn)變?yōu)楹T逅釅A土金屬鹽而凝固,從而包覆在芯材外面。因此,作為凝固液的CaCl2溶液濃度將會對微膠囊效果產(chǎn)生重要影響。在室溫下,選用固化時(shí)間為1.0 h,海藻酸鈉濃度為6%,色素與海藻酸鈉用量之比為1:5(體積比),將CaCl2濃度調(diào)整為1%、2%、3%、4%、5%、6%,分析CaCl2濃度對微膠囊效果的影響,結(jié)果見圖2。
圖2 CaCl2濃度對包埋率的影響Fig.2 Calcium chloride denstity to embedding rate influence
由圖2可以看出,CaCl2濃度從1%升高到2%時(shí),包埋率逐漸提高,之后趨于穩(wěn)定,但當(dāng)CaCl2溶液大于3%時(shí),包埋率又有所下降。所以制作紅棗色素微膠囊時(shí),CaCl2溶液濃度以3%為宜。
2.1.3 芯壁材比對微膠囊化的影響
采用濃度為6%的海藻酸鈉,芯壁材之比分別調(diào)整為 1∶5、2∶5、3∶5、4∶5、5∶5、6∶5(體積比),于 3%的 CaCl2溶液中固化,在室溫條件下造粒,固化時(shí)在冰箱中靜置1.0 h的條件下,對其包埋率進(jìn)行分析,結(jié)果見圖3。
圖3 色素量與海藻酸鈉用量之比對包埋率的影響Fig.3 Pigment/sea alginic acid sodium to embedding rate influence
在其它條件不變時(shí),隨著色素量與海藻酸鈉溶液用量之比的增加,包埋率逐漸下降,當(dāng)色素量與海藻酸鈉溶液用量之比于1∶5至3∶5之間時(shí),包埋率趨于穩(wěn)定。當(dāng)色素量與海藻酸鈉溶液用量之比從4∶5增加到6∶5時(shí),包埋率迅速下降,在色素量與海藻酸鈉溶液用量之比為3∶5時(shí)最高,之后又趨于下降,所以,制作紅棗色素微膠囊時(shí),色素量與海藻酸鈉溶液用量之比以3∶5 為宜。
2.1.4 固化時(shí)間對微膠囊化的影響
固化時(shí)間是海藻酸鈉與色素的混合液滴落到CaCl2溶液后的反應(yīng)時(shí)間,在海藻酸鈉濃度為6%,色素量與海藻酸鈉量之比為1∶5,0℃~2℃的條件下靜置時(shí),分別測定固化時(shí)間為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h 時(shí)的包埋率,結(jié)果見圖4。
圖4 固化時(shí)間對包埋率的影響Fig.4 Embedding time to embedding rate influence
由圖4可知,當(dāng)固化時(shí)間小于1.5 h時(shí),包埋率隨固化時(shí)間的延長逐漸上升,固化時(shí)間從1.5 h增加到3.0 h時(shí),包埋率又迅速下降。但當(dāng)固化時(shí)間超過1.5 h時(shí),包埋率較穩(wěn)定,這可能是由于CaCl2形成凝膠時(shí),Ca2+通過海藻酸鈉膠囊由外向內(nèi)置換Na+而形成海藻酸鈣,置換過程需要時(shí)間,同時(shí),隨著固化時(shí)間的延長,色素在海藻酸鈉膠囊中會由內(nèi)向外擴(kuò)散,造成色素的泄露,導(dǎo)致包埋率的降低。故微膠囊固化時(shí)間選擇1.5 h為易。
在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用均勻設(shè)計(jì)表U*6(64)對影響包埋率的海藻酸鈉濃度、色素量、固定化時(shí)間和CaCl2濃度等因素進(jìn)行了優(yōu)化,試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。
利用DPS9.50軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得回歸方程Y=59.3234330-37.59651440X3-15979.257319X2X2+11583.022472X1X2+108.55414407X2X4,方程決定系數(shù)(R2)=0.999990,P=0.001,高度顯著,說明回歸模型高度有效。根據(jù)回歸方程,各因素對紅棗色素微膠囊包埋率的影響依次為:海藻酸鈉濃度>氯化鈣濃度>固化時(shí)間>芯材與壁材的用量比,根據(jù)回歸方程并結(jié)合實(shí)際條件,預(yù)測紅棗色素微膠囊化工藝條件為:海藻酸鈉濃度為6.0%、CaCl2濃度為3%、紅棗色素與海藻酸鈉體積之比為1∶5、固化時(shí)間為1.0 h,此時(shí)包埋率為74.5%。海藻酸鈉濃度為5.0%、6.0%、7.0%,CaCl2濃度為3%、紅棗色素與海藻酸鈉體積之比為1∶5、固化時(shí)間為1.0 h,此時(shí)包埋率為70.2%、75.1%、73.4%。因此,確定紅棗色素微膠囊化最佳工藝條件為:海藻酸鈉濃度為6.0%、CaCl2濃度為3%、紅棗色素與海藻酸鈉體積之比為1∶5、固化時(shí)間為1.0 h。
表1 U*6(64)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Test arrangement and results of Uniform design
色素微膠囊化的方法有多種[6],銳孔法操作簡單,所得微膠囊包埋率高,本文通過單因素試驗(yàn)和均勻設(shè)計(jì)方法,以紅棗色素為芯材,采用銳孔法對影響色素微膠囊化的海藻酸鈉濃度、CaCl2濃度、芯壁材比、固化時(shí)間等4個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,通過建模得到最優(yōu)理論值。經(jīng)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測相吻合,得出紅棗色素微膠囊化的最佳工藝為:海藻酸鈉濃度為6.0%、CaCl2濃度為3%、芯壁材之比為1∶5、固化時(shí)間為1.0 h,在此工藝條件下制得的微膠囊顆粒圓形、均勻飽滿、色澤橙紅。以此方案對天然色素進(jìn)行微膠囊化,將很可能在食品工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用,尤其是在食品添加劑方面應(yīng)用有更廣闊的前景。
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