Opuntia ficus-indica粘液与麦芽糊精复合壁材用于喷雾干燥角黄素微胶囊化及其理化、形态、热学与抗氧化特性评价

《Journal of Food Measurement and Characterization》：Opuntia ficus-indica mucilage and maltodextrin systems as wall materials for canthaxanthin microencapsulation by spray drying

　　

Opuntia ficus-indica粘液是一种天然多糖，具有技术特性，使其成为食品应用中有前景的替代品。本研究旨在从Opuntia ficus-indica枝（cladodes）中提取粘液，并评估其与麦芽糊精（maltodextrin）组合作为壁材，通过喷雾干燥（spray drying）对角黄素（canthaxanthin）进行微胶囊化（microencapsulation）的用途。评估了工艺得率、包封效率（encapsulation efficiency, EE）、总类胡萝卜素含量、所制微胶囊的理化、形态、热学性质及抗氧化能力。平均干燥得率为32.25%，包封效率为62.99%至64.11%，总类胡萝卜素含量为12.54至12.68 μg g^?1。微胶囊具有高溶解度（≈93%）和低水活度（a_w < 0.13）。仪器颜色分析表明高色饱和度以及归因于角黄素的红色和黄色色调占优。通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）进行的微观结构表征显示球形、均一颗粒，表面光滑且粗糙度低。通过ABTS（2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)）法测定的抗氧化能力为94.61%，且在微胶囊化后部分保留。官能团分析证明粘液、麦芽糊精和角黄素之间存在氢键和范德华力等物理相互作用。热分析（thermogravimetric analysis, TGA；differential scanning calorimetry, DSC）表明基质稳定至300 °C，证实其保护作用。因此，Opuntia ficus-indica枝粘液与麦芽糊精组合作为壁材被证明可有效生产角黄素微胶囊，表明其在功能性食品和生物活性递送系统中的潜在应用。

一、研究背景与问题
角黄素（canthaxanthin）是一种脂溶性叶黄素类类胡萝卜素，具有从红到橙的着色潜力，并具有抗氧化等生物活性，主要归因于其多烯链共轭双键体系。其作为着色剂用于膳食补充剂、胶囊、化妆品和动物饲料等。美国FDA将其视为免认证着色添加剂，欧盟将其指定为食品着色剂E161g，EFSA规定可接受每日摄入量（ADI）为0.03 mg/kg体重。其多烯链含多个不饱和键，在光、氧和高温等不良加工条件下不稳定。食品工业需要稳定生物活性化合物的技术，微胶囊化是方法之一。喷雾干燥可工业规模应用。角黄素亲脂性和水溶性低限制直接应用，合适壁材关键。麦芽糊精广泛使用，但乳化能力有限。Opuntia ficus-indica（OFI）枝粘液是富含阿拉伯糖、半乳糖、鼠李糖和半乳糖醛酸的复杂多糖，具有乳化、增稠和稳定性质，作为天然可生物降解植物基生物聚合物可与麦芽糊精组合。研究旨在提取OFI粘液并研究其与麦芽糊精组合作为壁材，通过喷雾干燥微胶囊化角黄素，扩展类胡萝卜素在食品中应用。

二、研究设计与关键技术方法
研究人员采集Opuntia ficus-indica L.（Rossa品种）枝，来源为意大利Lecce的Salento University Botanical Garden（40°20’9.9’’ N – 18°7’22.8’’ E），生长约10个月。关键技术包括：OFI枝粘液提取与纯化；从商业产品Carophyll? Red 10%（法国进口，巴西Agro Shop Mix Comercial Ltda分销）提取角黄素并经HPLC表征；以1%（w/v）粘液和30%（w/v）麦芽糊精为复合壁材，制备M、MU、MC、MUC配方，用喷雾干燥制备微胶囊；评价工艺得率、包封效率、总类胡萝卜素、颜色、水分、吸湿性、溶解度、水活度、SEM、粒径与zeta电位、ABTS抗氧化、FTIR、TGA和DSC。

三、研究结果
1. 角黄素提取物（CE）的HPLC表征
通过HPLC鉴定，CE有三个主要峰：cryptoxanthin、canthaxanthin、α-carotene。角黄素约占总类胡萝卜素77%。还检测到少量cryptoxanthin、α-carotene、lutein和zeaxanthin，符合同一生合成途径。标准纯度94.45±0.18 g/100 g。这些色素拓宽颜色和抗氧化活性。

2. 干燥得率、类胡萝卜素包封效率和总类胡萝卜素
含CE微胶囊干燥得率31.95–32.73%，均值32.06±0.49%，与对照无显著差异。包封率29.46±0.80%（MC）和29.13±0.84%（MUC），无显著差异。总类胡萝卜素12.68±0.34 μg g^?1（MC）和12.54±0.36 μg g^?1（MUC），无显著差异。喷雾干燥入口100 °C、出口75 °C可能导致部分热降解。

3. 包封效率
MC和MUC包封效率分别为64.11±0.46%和62.99±1.39%，无显著差异。结果表明麦芽糊精与仙人掌粘液组合及较高总可溶性固形物（total soluble solids, TSS）未显著影响包封效率。可能与角黄素低水溶性、分子结构及配方低粘度有关。

4. 仪器颜色分析
CIELAB显示颜色参数差异显著。M和MU亮度L较高；MC和MUC a*更偏红；MUC b*更偏黄。M和MU HUE低（1.10°和2.34°），近红；MC和MUC HUE较高，呈橙黄。MC和MUC Chroma较高，颜色更饱和。ΔE：MC 7.82±0.52，MUC 7.55±0.45，与对照色差明显，但保持类胡萝卜素红黄色谱和商业可接受颜色强度。

5. 水分、吸湿性、溶解度与水活度
M微胶囊水分最低；MC与MUC无显著差异，MUC与MU有显著差异。水分较高与角黄素形成致密基质阻碍水蒸发及粘液高水亲和性有关。吸湿性无显著差异，平均约15%。所有处理溶解度>90%，约93%，无显著差异，表明组合不影响溶解度并利于角黄素分散。MUC水活度增加，但均远低于0.600安全阈值。M水活度较低与干燥效率较高、水分较低一致。

6. SEM形态
SEM显示对照M和MU表面空腔和凹陷多于MC和MUC，提示角黄素可作为稳定剂增强生物聚合物相互作用，减少脱水时壁收缩。所有制剂主要为球形，轻微不规则，有表面空腔和轻度粗糙，无可见孔，表面完整性良好。

7. 粒径分布、多分散指数与zeta电位
粒径1.79–2.34 μm，span 1.77–2.33，各处理无显著差异，属微胶囊并适合食品基质。角黄素未显著改变平均直径或均一性。zeta电位?11.99至?2.88 mV，负表面，中等胶体稳定。MU因粘液增加负电荷密度；MC和MUC负电荷降低，但聚集倾向低，物理稳定性较好。

8. ABTS法抗氧化活性
CE对ABTS^•+自由基清除抑制率94.61±0.15%，与角黄素共轭多烯结构有关。对照M和MU最低，分别为5.02±0.08%和6.98±0.35%。含角黄素微胶囊显著提高，MUC最高34.16±0.16%，MC为32.07±0.14%。表明聚合物基质部分保留角黄素抗氧化活性，尽管喷雾干燥高温导致损失。

9. FTIR分析
所有微胶囊在3304–3294 cm^?1显示多糖和水O-H伸缩。3294 cm^?1介于M和MU/MC/MUC之间，提示中弱氢键。2981–2982 cm^?1为C-H伸缩；含CE样品移动，支持色素与多糖链相互作用。1625–1639 cm^?1为羰基和COO^?；M/MC 1639 cm^?1，MU/MUC移至1625–1628 cm^?1，提示氢键和羧基环境改变。1377–1388 cm^?1为CH₃变形；1015–1017 cm^?1为O-C-C振动。结果表明壁材结构保留，角黄素通过氢键和范德华力物理包埋，无新共价键。

10. 热学性质
TGA显示三个热降解事件：约100 °C失水2.8–3.5%；约250–380 °C主降解，DTG峰约320 °C，涉及聚合物基质和角黄素降解；>400–600 °C残碳。DTG峰强度MC > M > MUC > MU；总质量损失62–67%。最终残渣M约17%，MU/MUC约15–16%，MC约16%。DSC显示70–90 °C吸热，100–175 °C玻璃化转变（T_g），230–290 °C降解开始，310–360 °C主分解。MC和MUC峰向高温移动，角黄素起热稳定作用；含粘液体系热稳定性低于仅麦芽糊精，但MUC结构更均一、热稳定性增强。

四、讨论与结论
讨论部分将结果与文献比较：干燥得率与Utpott et al.一致，Otálora et al.报道较低；包封率与Arab et al.类似；颜色、水分、吸湿性、溶解度、水活度、形态、粒径、zeta、抗氧化、FTIR和热性质均与相关研究对照。总体上，麦芽糊精与OFI粘液组合可形成物理相互作用，增强结构完整性、提高玻璃化转变温度和热阻，保持颜色和溶解度，尽管粘液降低热稳定性但MUC表现较好。

翻译研究结论部分：喷雾干燥微胶囊化被证明可有效保护角黄素，能够开发低水分含量和高溶解度的系统，适合在水性介质中适当分散。麦芽糊精和仙人掌粘液的组合尤其有前景，因为其促进聚合物相互作用，增强类胡萝卜素的结构完整性，提高玻璃化转变温度，并改善制剂的热阻。这些结果表明，复合基质不仅作为有效包封剂，还有助于保持色素的颜色和溶解度，这些是工业应用的基本特征。因此，所开发的系统显示出并入食品产品的潜力，为稳定热敏和化学敏感色素提供自然策略，并为基于包封生物活性成分的技术进步提供有前景的前景。