基于超临界CO2干燥技术的紫甘薯花青素气凝胶载体开发及其功能特性研究

《Food and Bioproducts Processing》：Developing anthocyanin-loaded aerogels from purple sweet potatoes using supercritical carbon dioxide drying

本刊推荐：为解决合成色素潜在健康风险及天然色素稳定性差的问题，研究人员开展利用超临界CO2干燥技术构建紫甘薯粉-玉米淀粉复合气凝胶载体的研究。结果表明，50%紫甘薯粉配比的气凝胶（PSPP50-CS50-ANT）花青素负载量达1403 mg/100 g，比表面积达129.4 m2/g，且通过DPPH/ABTS/FRAP/ORAC等多方法验证其显著抗氧化活性。该研究为天然色素稳定化及功能性食品开发提供新策略。

　　

随着消费者对健康与环境可持续性需求的提升，食品工业亟需替代合成添加剂的新型天然成分。合成色素因可能引发过敏反应及慢性疾病风险备受关注，而天然色素如花青素（anthocyanins）虽具有抗氧化、抗炎等健康益处，却存在对pH、温度、光照等因素敏感易降解的瓶颈。紫甘薯（purple sweet potato, PSP）作为富含花青素的天然原料，其淀粉基质可通过氢键作用稳定色素，但如何构建高效保护性递送系统仍是挑战。

为此，研究团队在《Food and Bioproducts Processing》发表论文，首次报道了以紫甘薯粉（PSPP）和玉米淀粉（CS）为原料，通过超临界二氧化碳（SC-CO₂）干燥技术制备花青素负载气凝胶的创新工作。该研究通过调控PSPP与CS比例（0%-100%），并利用提取花青素后的紫甘薯残渣（PSPR）构建气凝胶，系统评估了其理化特性、抗氧化活性及花青素保留能力。结果表明，PSPP50-CS50-ANT气凝胶表现出最优的花青素负载量（1403±10 mg C3G/100 g）和总酚含量（2314±12 mg GAE/100 g），且其多孔结构（比表面积129.4 m2/g）为色素稳定性提供了物理屏障。

研究采用超临界CO₂萃取花青素、淀粉凝胶化与溶剂交换、SC-CO₂干燥气凝胶成型、及光谱法（HPLC-UV/ESI-MS）鉴定色素组成等关键技术，结合DPPH/ABTS/FRAP/ORAC四种抗氧化评价体系，全面解析了气凝胶的功能性能。

3.1 紫甘薯的理化性质

PSP的色度参数（L=39.65, a=20.47）证实其高花青素含量，pH=5.7的微酸环境有利于色素稳定，可溶性固形物18.26°Brix及低脂特性（1.46%）适宜凝胶形成。

3.2 流变学特性

表观粘度随PSPP比例增加而降低，PSPP75-CS25粘度最低，表明多酚类物质可能抑制淀粉链凝胶化。PSPP50-CS50则呈现平衡的流变性能，利于后续加工。

3.3 水凝胶形成

纯CS凝胶（PSPP0-CS100）结构致密均匀，而高PSPP比例（如PSPP75-CS25）因淀粉网络被破坏导致凝胶强度下降。PSPR在10%浓度时可形成稳定凝胶，但15%时因过度粘稠无法成胶，首次证实了残渣的凝胶化潜力。

3.4 气凝胶结构与负载效果

SC-CO₂干燥后的气凝胶中，PSPP25-CS75与PSPP50-CS50均呈现均匀多孔结构。花青素负载后，PSPP50-CS50-ANT截面颜色均匀，表明色素成功嵌入孔隙；而PSPR50-CS0-ANT虽色泽略浅，仍表现出良好负载能力。

3.5 气凝胶表征

SEM显示PSPP0-CS100气凝胶表面致密，随PSPP添加，孔隙率增大但结构规整性下降。PSPP25-CS75比表面积最高（109.7 m2/g），PSPR50-CS0孔隙直径达32.3 nm，为色素扩散提供空间。水溶性实验表明PSPP50-CS50-ANT溶解度达80%，高于纯CS凝胶（55%），证实其亲水性增强。

3.6-3.7 酚类与花青素含量

负载前，PSPP75-CS25的TPC与ANT最高；负载后，PSPP50-CS50-ANT的TPC提升至2314 mg GAE/100 g，ANT达1403 mg C3G/100 g，显著高于对照组（PSPP0-CS100-ANT）。PSPR50-CS0-ANT的ANT为1173 mg/100 g，证明残渣再利用价值。

3.8-3.9 抗氧化活性

DPPH与ABTS测定显示，PSPP75-CS25-ANT自由基清除能力最强（40.14 mg TEV/g），PSPP50-CS50-ANT的FRAP值最高（3685 mg GAE/100 g），而PSPR50-CS0-ANT的ORAC活性达221 μM TE/g，凸显其针对过氧自由基的抑制优势。

3.10 花青素组成

HPLC鉴定出18种花青素，以芍药素-3-槐糖苷-5-葡萄糖苷（peonidin 3-sophoroside-5-glucoside）为主，加工过程中部分不稳定色素降解，但核心成分得以保留。

本研究成功开发出基于紫甘薯的淀粉气凝胶载体，通过SC-CO₂干燥技术实现了花青素的高效负载与稳定保护。PSPP50-CS50-气凝胶在结构与功能上表现均衡，其高比表面积与可控孔隙率为色素提供了物理屏障，而多方法抗氧化评价证实其生物活性保留。尤为重要的是，研究首次利用提取残渣（PSPR）构建气凝胶，实现了农业副产物的高值化利用，契合循环经济理念。该技术为天然色素在功能性食品、营养递送系统等领域的应用提供了新思路，但未来仍需关注规模化生产中的色素稳定性与成本控制问题。