共色素结构与配比对喷雾干燥包埋蓝莓花青素生物活性组成及颜色功能性的调控作用

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Modulation of bioactive composition and color functionality of copigmented blueberry anthocyanins encapsulated by spray drying: Effect of copigment structure and ratio

　　

花青素（anthocyanins）是存在于蓝莓等红色浆果中的生物活性色素，对环境条件高度敏感，这限制了其作为天然食品着色剂的应用。本研究比较了不同结构类别的酚类共色素（copigments），包括阿魏酸（ferulic acid, FER）、(?)-表儿茶素（(?)-epicatechin, EPI）和芦丁（rutin, RUT），以色素与共色素1:1、1:2和1:4的比例应用于喷雾干燥（spray drying）的多组分蓝莓花青素粉末中。对粉末的形态、理化性质、酚类组成及保留率、抗水合性和着色力进行了分析。结果表明，共色素结构和比例差异性地调控了这些性质。(?)-表儿茶素产生了最高的花青素和酚类包埋效率（encapsulation efficiencies，分别为91%和93%）、抗氧化能力（4.1 mmol Trolox equivalents/100 g粉末）以及最低的水合速率常数（hydration rate constant, kh = 2.33 × 10?2 s?1）。阿魏酸促进了最大的酚类富集（14.6 mg/g粉末）、干燥过程中的花青素保留率（77%）以及复溶后最深的蓝紫色调。芦丁表现出中等的保留率和较温和的颜色调节作用。总体而言，共色素的选择能够为酸性食品体系定制喷雾干燥的花青素着色剂，但长期配方稳定性、在代表性食品基质中的验证以及工艺放大仍需进一步研究。

论文解读：共色素结构与配比调控喷雾干燥蓝莓花青素粉末的生物活性与颜色功能

一、研究背景与问题提出

花青素（anthocyanins）是存在于蓝莓等红色浆果中的天然生物活性色素，因其鲜艳的色泽和抗氧化等健康功效而备受关注。然而，花青素对环境因素高度敏感，pH变化、光照、温度、氧气和水分等均会导致其化学降解和颜色劣变，这严重限制了其作为天然食品着色剂（natural food colorants）的工业化应用。为克服这一瓶颈，近年来研究者提出将共色作用（copigmentation）与微胶囊化（encapsulation）技术相结合的双重稳定策略。共色作用通过花青素与无色共色分子之间的非共价相互作用形成复合物，限制水分子对黄烊阳离子（flavylium cation）的加成，从而抑制其在中性至碱性条件下转化为无色的半缩酮（hemiketal）和查尔酮（chalcone）形式，进而维持和增强花青素的颜色。喷雾干燥（spray drying）则是最常用的花青素物理保护技术，具有成本低、可连续化生产等优势，通过将含活性成分和壁材的料液雾化并在热空气中瞬间干燥，将活性物质包埋于壁材基质中，隔绝外界不利环境因素。

尽管已有研究探索了共色作用与喷雾干燥的联合应用，但共色素的分子结构及其与花青素的比例对喷雾干燥产品功能性能的综合影响仍未在统一的花青素基质和可比的配方与工艺条件下得到系统表征。不同结构类别的酚类共色素，如羟基肉桂酸类、黄烷-3-醇类和黄酮醇类，其分子大小、羟基化模式、芳香环结构及糖基化程度差异显著，这些结构特征可能深刻影响其与花青素的分子亲和力和复合物稳定性，进而影响包埋效率、活性物质保留率、抗氧化能力及颜色功能。此外，色素与共色素的比例（pigment-to-copigment ratio）也是决定共色效率的关键参数，已有研究采用1:0.25至1:30不等的比例范围，但比例效应在不同共色素间的系统比较仍属空白。因此，阐明共色素结构和配比对喷雾干燥花青素配方功能行为的调控规律，对于开发性能可调的天然花青素基食品着色剂具有重要的科学意义和应用价值。

二、研究内容与主要技术方法

本研究旨在系统评估共色素结构（阿魏酸FER、(?)-表儿茶素EPI、芦丁RUT）和色素与共色素比例（1:1、1:2、1:4）对喷雾干燥蓝莓花青素粉末的酚类组成、功能特性和结构稳定性的调控作用。研究人员采用的主要关键技术方法包括：以麦芽糊精（maltodextrin, MD）为壁材、蓝莓皮提取物（blueberry pigments, BP）为花青素来源，制备共色化料液后进行实验室规模喷雾干燥（Büchi B-290，进口温度150°C，出口温度90°C）；采用扫描电子显微镜（SEM）和激光粒度仪表征粉末形态与粒径分布；通过pH示差法（pH differential method）和Folin-Ciocalteu法分别测定总单体花青素和总酚含量并计算包埋效率；采用HPLC-DAD进行酚类化合物的分离定量；利用DPPH自由基清除法评估抗氧化能力；通过紫外-可见分光光度法测定不同pH条件下花青素水合反应的动力学速率常数（k_obs）及热力学参数；使用DigiEye?成像系统获取CIELAB颜色坐标。蓝莓原料（Vaccinium corymbosum L., cv. BlueManila）购自西班牙韦尔瓦的GRUFESA S.A.T.公司。

三、研究结果

3.1 粉末理化性质与形态特征

粉末产率、粒径分布、振实密度和水分活度（water activity, a_w）等理化指标受共色素类型和比例的影响相对有限，各处理间差异未呈现一致的趋势性变化。扫描电镜观察显示，所有喷雾干燥粉末均呈现典型的球形或近球形形态，表面可能存在褶皱或凹陷，共色素的添加未明显改变粉末的微观形态特征。粒径分析表明，粉末的平均粒径（D[4,3]）和粒径分布跨度（span）在不同配方间存在一定差异，但未表现出与共色素结构或比例相关的明确规律。

3.2 包埋效率与活性成分保留

包埋效率（encapsulation efficiency）是评价微胶囊化效果的核心指标。研究表明，共色素的结构类型显著影响花青素和总酚的包埋效率。其中，(?)-表儿茶素（EPI）表现出最优的包埋性能，花青素包埋效率（%EEA）达91%，总酚包埋效率（%EEP）达93%，显著高于阿魏酸（FER）和芦丁（RUT）处理组。这一结果可能归因于EPI作为非糖基化黄烷-3-醇，其分子结构有利于与花青素形成更稳定的非共价复合物，从而在喷雾干燥过程中更有效地将活性成分包埋于壁材内部。此外，HPLC-DAD定量分析显示，FER处理组在干燥后实现了最高的花青素保留率（77%），表明FER对花青素在高温干燥过程中的降解具有较好的保护作用。酚类总含量方面，FER处理组的酚类富集量最高（14.6 mg/g粉末），这可能与FER本身作为酚酸类化合物在HPLC检测中的贡献有关。

3.3 抗氧化能力

DPPH自由基清除能力测定结果显示，不同共色素处理组的抗氧化能力存在显著差异。EPI处理组表现出最高的抗氧化能力，达到4.1 mmol Trolox equivalents/100 g粉末，显著高于其他处理组。这一结果与EPI处理组较高的总酚含量和包埋效率相一致，表明共色素的结构类型通过影响活性成分的包埋和保留，进而调控了粉末整体的抗氧化功能。

3.4 水合动力学与共色亲和力

通过监测不同pH条件下（pH 2.0–5.0）花青素在517 nm处吸光度的衰减动力学，研究人员获得了描述可逆水合反应过程的表观一级速率常数（k_obs）。结果显示，EPI处理组的水合速率常数最低（k_h = 2.33 × 10^?2 s^?1），表明EPI能够最有效地抑制花青素的水合反应，延缓黄烊阳离子向无色形式的转化，从而在较宽的pH范围内维持花青素的颜色稳定性。热力学参数分析进一步揭示了共色素与花青素之间的结合亲和力差异，EPI与花青素形成的复合物表现出更高的热力学稳定性。

3.5 颜色功能特性

复溶后粉末的颜色参数（CIELAB L、C_ab、h_ab）分析表明，共色素的结构和比例显著影响花青素着色剂的颜色表现。FER处理组在复溶后呈现出最深的蓝紫色调，色相角（h_ab）偏向蓝色区域，表明FER在增强花青素的蓝紫色调方面具有独特优势。EPI处理组则表现出较高的色度和亮度，颜色更为鲜艳。RUT处理组的颜色调节作用相对温和，对色相角的影响较小。色素与共色素比例方面，较高的共色素比例（1:4）通常产生更强的颜色增强效应，但不同共色素间的响应幅度存在差异。

四、讨论与结论

本研究的讨论部分指出，共色素的结构类型是决定喷雾干燥花青素粉末功能性能的关键因素。EPI因其非糖基化的黄烷-3-醇结构，具有多个酚羟基和灵活的分子构象，能够与花青素形成更紧密的π-π堆叠和氢键网络，从而实现更高的包埋效率、抗氧化能力和水合稳定性。FER作为羟基肉桂酸类化合物，其共轭体系有利于与花青素形成有效的分子间相互作用，在干燥过程中为花青素提供更强的化学保护，并赋予复溶后更深的蓝紫色调。RUT虽为糖基化黄酮醇，但其糖基部分可能产生空间位阻，削弱了与花青素的分子亲和力，因此表现出中等的保留率和较温和的颜色调节作用。

研究结论表明，通过合理选择共色素结构和优化色素与共色素的配比，可以实现对喷雾干燥蓝莓花青素着色剂功能性能的定向调控。EPI适合用于需要高抗氧化活性和颜色稳定性的应用场景，FER则适用于追求深蓝紫色调和较高花青素保留率的酸性食品体系。该研究为开发性能可调的天然花青素基双功能（生物活性与着色）食品色料提供了重要的理论依据和配方设计指导。然而，研究也指出，长期配方稳定性、在代表性食品基质中的实际应用验证以及工业化规模放大等问题仍需进一步研究。