《Foods》：Optimization of the Microencapsulation Process of A?aí Extract (Euterpe precatoria Mart.) by Spray Drying and Its Effect on Bioactive Content, Solubility Capacity, and Hygroscopic Stability
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摘要
Euterpe precatoria Mart.（阿萨伊）是一种具有高营养和功能价值的超级水果；然而，其高易腐性加速了其生物活性化合物的降解。因此，微胶囊化等技术能够实现对其的保存、提高其生物利用度并延长其货架期。本研究旨在利用响应面法（RSM）和中心复
摘要
Euterpe precatoria Mart.（阿萨伊）是一种具有高营养和功能价值的超级水果；然而，其高易腐性加速了其生物活性化合物的降解。因此，微胶囊化等技术能够实现对其的保存、提高其生物利用度并延长其货架期。本研究旨在利用响应面法（RSM）和中心复合设计（CCD）优化阿萨伊提取物的喷雾干燥微胶囊化工艺，以评价进口空气温度（IAT）和阿拉伯胶：麦芽糊精（GA:MD）比例对总酚含量（TPC）和总花青素含量（TAC）、抗氧化能力（ABTS、DPPH），以及所得粉末的水溶性指数（WSI）和吸湿性（HYG）的影响。期望函数（D）表明，IAT为135°C且GA:MD比例为25:75是喷雾干燥阿萨伊提取物的最优条件，在此条件下获得以下数值：93.49% WSI、7.42% HYG、3291.22 mg GAE/100 g TPC和115.89 mg C3G/100 g TAC。实验验证所得数值均落在模型预测所建立的95%置信区间内。扫描电子显微镜分析（SEM）显示，阿萨伊粉末主要呈球形，表面光滑或略有皱缩，微粒直径范围为2.10至24.22 μm。这表明，在评估条件下，粉末的理化性质以及TPC（高达92.15%）和TAC（高达84.60%）的保留均获得了 favorable 结果。因此，这些结果为开发源自亚马逊水果的增值产品提供了实验基础。
一、研究背景与意义
以植物为基础的食品在人类营养中的地位日益重要，亚马逊地区的水果因其丰富的生物活性化合物而备受关注。Euterpe precatoria Mart.（阿萨伊，又称huasaí或亚马逊阿萨伊）是原产于亚马逊的棕榈科植物，其果实具有突出的营养和功能价值，富含膳食纤维（27.31%）、脂质（5.75%）和蛋白质（12.73%）。更重要的是，其提取物含有高达3964.32 mg GAE/100 g的酚类化合物，总花青素含量（TAC）介于128.4至868.9 mg/100 g之间，其中矢车菊素-3-O-芸香糖苷和矢车菊素-3-O-葡萄糖苷是主要的花青素形式，赋予果实特征性的紫色。
花青素已被广泛证实具有降低心血管疾病、神经系统疾病、2型糖尿病及多种癌症风险的能力，这归功于其强效的心脏保护、抗氧化和抗炎特性。然而，尽管具有这种营养保健和功能潜力，Euterpe precatoria的农业工业化利用在加工、储存和分销过程中面临严峻挑战，原因在于其高易腐性以及花青素显著的稳定性不足。这些化合物对pH、氧气、温度、光照辐射和水分活度等外在及内在因素高度敏感，这构成了其作为食品工业着色剂及营养功能成分应用的主要障碍。
在此背景下，采用浓缩提取物的技术脱水工艺是恢复和保存这些生物活性化合物结构完整性的可行方案。喷雾干燥微胶囊化已被确立为保护热敏性生物活性化合物、改善其理化稳定性并促进其融入食品工业中多种食品基质的最有效且可扩展的技术。该过程涉及含有生物活性材料和包埋材料的溶液雾化，随后在干燥室内快速蒸发溶剂，最终形成粉末状微粒。
常规包埋材料包括麦芽糊精（MD）和阿拉伯胶（GA），它们以成膜特性、生成抵抗降解因素的保护性基质的能力以及与酚类等生物活性化合物的相容性而著称。关于Euterpe属物种喷雾干燥的研究已报道，使用生物聚合物时包埋效率介于80.27%至99.50%，花青素保留率因工艺条件不同介于55%至95%。GA:MD组合在多种植物基质中展现出优异的粉末稳定性和生物活性保留效果。所得粉末的理化性质主要受两个工艺变量影响：进口空气温度（IAT）和包埋材料的浓度比例。IAT决定水分蒸发速率、保护膜的形成以及热敏性生物活性化合物的保留。包埋材料的浓度则改变进料溶液的粘度，并影响最终产品的粉末粒径、吸湿性（HYG）和水溶性指数（WSI）。与这些粉末稳定性密切相关的关键参数是玻璃化转变温度（Tg），它代表无定形基质从玻璃态固体转变为橡胶态或液态的转变。
尽管在Euterpe物种微胶囊化方面已取得进展，但对于喷雾干燥Euterpe precatoria提取物的多响应优化仍缺乏深入了解。先前的研究多聚焦于Euterpe oleracea和edulis，使用MD作为包埋材料。近期，Tello等人优化了Euterpe precatoria提取物的喷雾干燥，使用GA:MD并确定了产量（PY）、HYG和TPC的最优条件；然而，由于模型拟合不显著，WSI和TAC未能得到优化。鉴于物种间营养和功能特征的差异，以及开发适应亚马逊资源并具有创造区域价值潜力的技术的必要性，同时考虑最终产品的理化及生物活性特性，研究该物种提取物的最佳干燥条件至关重要。
因此，本研究旨在利用喷雾干燥优化阿萨伊提取物（Euterpe precatoria Mart.）的微胶囊化工艺，并评估IAT和GA:MD比例（总固形物含量为10%）对所得粉末的TPC和TAC、抗氧化能力（ABTS、DPPH）、WSI和HYG的影响。
二、主要技术方法概述
研究人员采用了响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD）来优化喷雾干燥工艺。研究使用来自秘鲁洛雷托地区伊基托斯市Huambé农村定居点的新鲜阿萨伊果实，经水浸泡、打浆后，用乙醇-水（70:30, v/v）水醇溶液浸提，再经旋转蒸发浓缩至总固形物含量30%。将浓缩提取物（占总固形物30%）与包埋材料（占总固形物70%）混合制备总固形物含量10%的进料溶液，使用实验室规模喷雾干燥机（LabPlant SD-05）进行干燥，考察IAT（120-150°C）和GA:MD比例（10:90至90:10）的影响。研究测定了粉末的工艺产量（PY）、水分含量（MC）、水溶性指数（WSI）、吸湿性（HYG）、总酚含量（TPC，采用Folin-Ciocalteu法）、总花青素含量（TAC，采用pH示差法）、抗氧化能力（ABTS和DPPH法），并使用扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）分析了粉末的形态和胶体特性。通过期望函数（D）进行多响应同步优化，并进行了实验验证。
三、研究结果
3.1. 粉末生产优化
中心复合设计（CCD）结合响应面法（RSM）用于考察工艺变量的影响。方差分析（ANOVA）结果显示，PY、MC、ABTS和DPPH的模型因缺乏拟合显著（p < 0.05）而被排除分析。IAT和GA:MD比例对WSI、HYG、TPC和TAC表现出显著的线性效应，两者对WSI、TPC和TAC也表现出显著的二次效应。对于HYG，仅GA:MD比例的二次效应显著。两因素间未检测到显著交互作用。拟合的二阶多项式模型能有效描述和优化响应变量。
3.1.1. 粉末产量
PY是工业中的关键参数，与工艺效率和生产成本密切相关。本研究中，PY范围为47.96%至53.82%，在IAT为150°C且GA:MD比例为50:50时达到最大值，在IAT为124.4°C且GA比例较高（90:10）时观察到最小值。结果表明，IAT和生物聚合物比例均显著影响粉末回收率。结果与先前使用MD生产的阿萨伊粉末研究（PY 34.39-55.94%）一致。低IAT可能限制了水分蒸发动力学并延长了微粒处于橡胶态的时间，导致粘壁。高IAT则促进表面快速蒸发形成固体外壳，减少粘壁并提高PY。然而，过高的IAT可能导致表面软化或微滴部分塌陷，降低PY。
3.1.2. 水溶性指数
WSI是决定粉末复水能力和其在食品配方中适用性的关键质量参数。阿萨伊提取物粉末的溶解度范围为91.36%至94.31%，在IAT为150°C且GA:MD比例为50:50时达到最大值，在IAT为124.4°C且GA比例较高（90:10）时观察到最小值。结果表明，适度高的IAT和较高比例的MD有利于粉末的WSI。GA:MD比例对WSI的影响显著（p < 0.05），使用纯MD或较高比例MD时观察到高WSI，这归因于MD的高DE和含有羟基（-OH）基团，能与水相互作用。相比之下，较高比例GA的配方显示出较低的WSI，可能由于其由阿拉伯半乳聚糖和蛋白质组分组成的孔隙较少的结构，减缓了其在水中的溶解。IAT对WSI的影响显著（p < 0.05），较高的IAT因降低粉末水分含量，形成更玻璃态、粗糙和多孔的结构，有利于水渗透并防止复水过程中的结块。
3.1.3. 水分含量与吸湿性
MC是喷雾粉末的关键参数，决定其理化稳定性和流动性。本研究中，MC范围为2.01%至4.06%。IAT的增加导致MC逐渐降低，这与热质传递速率增加、雾化液滴表面水分蒸发极快有关。含GA的粉末具有更高的MC，可能由于其支链结构和极性基团。HYG是干粉的关键理化性质，决定其从环境吸收水蒸气的能力。本研究中，HYG范围为5.62%至10.05%，在IAT为124.4°C且MD比例较高（10:90）时观察到最低值，在IAT为150°C且GA:MD比例为50:50时观察到最高值。较高比例的MD和低DE与较低的HYG相关，这归因于长葡萄糖链形成的致密结构，减少了水分亲和力。含GA的粉末表现出更高的HYG，因其开放、高度支化的三维结构具有高密度的极性基团（-OH, -COOH, -NH2），可作为氢键吸附水分的作用位点。包埋剂混合物（50:50）在中等IAT下的协同作用似乎稳定了粉末的HYG。HYG结果表明，阿萨伊粉末在评估的特定7天条件下表现出低吸水性，这可能促进其在储存期间的理化稳定性。
3.1.4. 总酚含量
喷雾干燥过程中TPC的保留是微胶囊化生物活性化合物的技术挑战之一。本研究中，TPC值范围为2733.32至3618.66 mg GAE/100 g，在IAT为120°C时记录到最高值，在IAT为150°C时观察到最低值，两者均使用GA:MD比例为50:50。IAT是显著影响TPC的主要变量（p < 0.05）。喷雾干燥后，以等效干提取物表示的保留率范围为69.61%至92.15%。干燥过程中，热敏性酚类物质因高温、氧气和水分活度降低而发生键断裂、降解、异构化和氧化。随着微粒外壳形成，靠近表面的酚类物质暴露于更大的热梯度和增加的氧气扩散，促进其降解或聚合。IAT高于140°C会加速TPC降解。GA:MD比例也显著影响TPC（p < 0.05），单独使用GA比MD表现出更强的TPC保存能力。GA:MD混合物（50:50）对TPC有更大影响，这可能归因于MD形成无定形玻璃态基质的能力，而GA因其羟基和蛋白质区域，能与酚类分子通过氢键和静电力建立分子间相互作用，形成连续且抗性强的薄膜。
3.1.5. 总花青素含量
TAC呈现与TPC相同的趋势，IAT的影响高度显著（p < 0.05）。TAC值范围为101.36至118.57 mg C3G/100 g，在IAT为120°C时记录到最大值，在IAT为150°C时获得最小值，两者均使用GA:MD比例为50:50。TAC保留率（以等效干提取物表示）范围为72.32%至84.60%。花青素因黄烊阳离子固有的不稳定性，易受温度、氧气和光降解。在喷雾干燥中，高IAT通常导致粉末塌陷和开裂，反而允许更多氧气进入和内部更大热暴露。当IAT超过145.6°C时，观察到TAC逐渐减少。GA:MD比例的影响也显著（p < 0.05），仅含MD的配方保留了更高浓度的TAC。然而，本研究中，GA:MD等摩尔比例的配方呈现最高TAC值。MD的优势可归因于其较低的溶液粘度，允许更高浓度的可溶性固形物，使系统形成连续、玻璃态的外壳以及表面光滑的球形微粒，减少了热空气和氧气到达TAC的途径。GA虽具有优异的成膜能力，但其组成导致形成皱缩、易塌陷且HYG较高的微粒，产生分子迁移区域，使TAC更易暴露于氧化。
3.1.6. 抗氧化能力
抗氧化能力是反映TPC通过电子或氢转移中和活性物种潜力的指标。本研究中，阿萨伊粉末的抗氧化能力值，ABTS法为3766.35至9975.55 μmol TE/g，DPPH法为3190.99至5754.02 μmol TE/g。抗氧化活性与TPC呈伴随趋势，表明非色素酚类化合物的显著贡献。ABTS法获得的值与先前报道的阿萨伊粉末一致，DPPH法结果与先前研究相当。抗氧化活性（ABTS和DPPH）在120°C时达到峰值，在150°C时显著下降。观察到的行为表明存在一个临界温度范围，在此范围内，中等IAT促进保护性外壳的形成，而过度的热量在生物聚合物屏障形成前加速了TPC的热氧化降解。尽管存在热应力，但显著的残余抗氧化能力归因于TPC的高初始浓度以及GA和MD基质的保护效力。
3.2. 工艺最优点的实验验证
基于期望函数（D）进行模型验证。优化结果表明，喷雾干燥阿萨伊提取物最有利的条件为IAT 135°C和GA:MD比例25:75，该参数组合实现了0.8147的“D”值，表明对既定响应优化目标具有高度同步满足。期望值介于0.80至1.00被认为是优秀优化质量的指标。在此条件下，模型预测值为93.62% WSI、7.49% HYG、3338.50 mg GAE/100 g TPC和116.09 mg C3G/100 g TAC。实验观测值落在预测值95%置信区间内，证实了所开发模型的统计稳健性和预测能力。GA:MD比例25:75与文献中关于MD占主导的配方在喷雾干燥中保留生物活性化合物的优越性报道一致。
3.3. 粉末的形态与胶体特性
在最优喷雾干燥条件下获得的阿萨伊粉末SEM显微照片显示，粉末主要呈球形，表面光滑或略有皱缩，部分粉末表面有凹陷，归因于干燥过程中包埋基质收缩。球形形态占主导地位与先前报道一致。表面轻微皱缩可解释为干燥室内水分逐渐流失过程中外壁的差异收缩。未观察到明显的结构不连续性（如裂纹或断裂），表明微粒壁具有足够的形态完整性。形态计量分析显示粉末粒径范围为2.10至24.22 μm，处于该属物种的典型范围内。重构的阿萨伊粉末的Zeta电位（ZP）范围为-3.82至-4.26 mV，多分散指数（PDI）范围为0.368至0.398。DLS测定的流体动力学直径为379.7 ± 30.1 nm。PDI值表明粒径分布相对均匀，与喷雾干燥系统产生的体系一致。低绝对ZP值表明在评估条件下重构水分散体的静电稳定性有限。生物聚合物作为壁材对电动力学性质的影响可能降低了ZP的幅度，因为粉末表面包覆减少了带电官能团对外部环境的暴露。
四、讨论与结论总结
讨论部分指出，IAT和GA:MD比例对评估的响应均有显著影响（p < 0.05）。对于纳入期望函数“D”的响应，回归分析证实了所得二次模型的可靠性，解释了评估实验范围内超过92%的变异性。喷雾干燥阿萨伊提取物（Euterpe precatoria Mart.）的最优条件为IAT 135°C和GA:MD比例25:75。模型预测最优条件的实验验证证实了其预测能力，实现了0.8147的“D”值；在此条件下，观测响应为93.49% WSI、7.42% HYG、3291.22 mg GAE/100 g TPC和115.89 mg C3G/100 g TAC。这些值落在报告的置信区间内；观测值与预测值之间的相对误差小于1.5%。因此，粉末在实验条件下表现出相对较低的HYG，具有高溶解度和高TPC（高达92.15%）和TAC（高达84.60%）保留率，此外，粉末主要呈球形，表面光滑或略有皱缩，微粒尺寸范围为2.10至24.22 μm。这表明，在评估条件下，根据优化过程中建立的标准，粉末的理化性质以及TPC和TAC的保留均获得了 favorable 结果，改善了最终产品的特性。然而，仍需测定Tg和水分活度，并评估粉末在储存期间的稳定性以确保其功能性。因此，这些结果为开发源自亚马逊水果的增值产品提供了实验基础。
