通过流化床处理技术，对螺旋藻粉（Arthrospira maxima）的涂层/聚集/微囊化机制及其对抗氧化性能的保持作用进行了热分析和微观结构研究

　　螺旋藻粉通过流化床微胶囊化技术保护其抗氧化活性，研究比较了麦芽糊精（MDE10）和乳清蛋白 isolate（WPI）与阿拉伯胶（GA）的1:1混合物（WPI-GA）两种壁材。结果显示，WPI-GA在20-150°C范围内热稳定性更优，且微胶囊结构更复杂，能有效减少氧化和物理降解，提升抗氧化能力（ABTS、FRAP值显著提高）。流化床技术结合表面喷雾包覆与颗粒团聚机制，形成多层保护结构，且低喷流速率（5 g/min）下微胶囊效率更高。实验验证了WPI-GA作为新型壁材的潜力，为功能性食品开发提供新方法。

　　
该研究聚焦于利用流化床工艺对螺旋藻粉进行微胶囊化处理，旨在通过物理屏障保护其生物活性成分，特别是抗氧化特性。研究系统评估了两种壁材（Maltodextrin DE10与Whey Protein Isolate-Gum Arabic共混体系）在不同喷涂速率下的微胶囊性能，并结合热分析、显微观察及抗氧化检测，揭示了微胶囊化机制与材料特性间的关联性。

### 一、研究背景与意义
螺旋藻作为微藻中的功能食品代表，其高蛋白（60%-70%）、富含多不饱和脂肪酸及酚酸类抗氧化物质的特点备受关注。然而，加工过程中温度、湿度及氧化等因素易导致活性成分降解，影响产品稳定性与货架期。微胶囊化技术通过形成物理屏障，已被证实可有效延长生物活性物质的保存期限，但传统工艺（如喷雾干燥）存在热敏感成分失活风险。本研究创新性地采用流化床顶喷工艺，在较低温度（45℃）下实现微胶囊化，为开发低温加工功能性食品提供了新思路。

### 二、材料与方法体系
实验采用双因素设计（壁材类型×喷涂速率），通过 factorial 22-3次重复验证工艺参数的影响。关键步骤包括：
1. **预处理**：螺旋藻粉经40℃干燥2小时改善流动性，粒度筛分至177μm确保流化床均匀分散。
2. **流化床微胶囊化**：采用顶喷式流体化设备，以15.07m/s气流速度（0.1MPa压力）维持床层稳定，壁材溶液浓度均为20%w/w。
3. **表征体系**：
- **物理特性**：通过堆积密度、休止角、数字图像分析（DIA）等评估颗粒形态与分布；
- **热力学分析**：TGA-DSC联用技术监测热降解行为；
- **抗氧化检测**：ABTS、DPPH、FRAP三重验证体系量化自由基清除能力。

### 三、核心发现
#### （一）壁材性能对比
1. **Maltodextrin DE10**：溶液密度1086kg/m3，黏度6.24×10?3Pa·s，在低喷涂速率（5g/min）时获得40.4%包封效率，但热稳定性较差，100-400℃区间质量损失达15%-25%。
2. **WPI-GA共混体系**：密度1050kg/m3，黏度6.56×10?3Pa·s，包封效率最高达52.4%（5g/min条件），且在150-250℃区间质量保持率优于单一Maltodextrin体系，表明蛋白质-多糖复合结构具有更好的热保护效应。

#### （二）微胶囊化机制解析
显微观察（ESEM/CLSM）显示螺旋藻颗粒经流化床处理形成多层级包覆结构：
1. **初始包覆阶段**：壁材溶液以液滴形式吸附于颗粒表面，WPI-GA体系因静电相互作用（WPI带正电，GA带负电）形成致密包膜。
2. ** agglomeration（颗粒凝聚）**：高速流化（10g/min）促使颗粒碰撞聚集，WPI-GA体系通过氢键与疏水作用形成三维网状结构，密度增加23%。
3. **二次包覆优化**：顶喷工艺使未完全包覆的颗粒暴露于壁材溶液，实现二次包覆，最终形成粒径分布较窄（0.04-0.05mm）的微胶囊。

#### （三）抗氧化性能提升
1. **ABTS检测**：WPI-GA体系在5g/min时自由基清除能力达353±35.7 TE/mg（干重），较纯Maltodextrin体系提升42.6%，显示共混体系对酚酸类抗氧化剂的保留效果更优。
2. **FRAP分析**：包封后样品铁还原能力增强（562±23.7 vs 466.78±5.79 TE/mg），表明SOD活性成分被有效保护。
3. **热稳定性关联**：DSC显示Maltodextrin体系在105℃出现显著熔融峰（吸热焓值增加17%），而WPI-GA体系通过多价键网络抑制相变，热稳定性提升约30%。

### 四、技术经济性评估
流化床工艺相比传统喷雾干燥具有显著优势：
1. **能效优化**：单次设备处理实现包覆与干燥同步完成，能耗降低28%（对比文献值）；
2. **颗粒性能**：包封后微胶囊圆度系数0.81-0.82，休止角19.3°，流动性改善45%，易于后续加工；
3. **成本控制**：WPI-GA体系原料成本较单一Maltodextrin降低19%，且包封效率更高。

### 五、产业化应用建议
1. **工艺参数优化**：推荐采用5g/min喷涂速率搭配WPI-GA体系，在保证包封效率（>50%）的同时，颗粒粒径分布（D50=42.8±0.7μm）更符合食品级微胶囊标准。
2. **质量监控体系**：建立包封效率（>40%）与圆度系数（0.8-0.82）的联合控制指标，结合ESEM实时监测包膜完整性。
3. **功能食品开发**：基于抗氧化活性数据（FRAP值提升21%），可开发针对慢性炎症、心血管保护的功能性产品，建议添加量5%-10%。

### 六、理论创新点
1. **多尺度包覆机制**：首次揭示流化床工艺中“包覆-凝聚-再包覆”的三阶段微胶囊形成过程，阐明WPI-GA体系通过离子-氢键协同作用（结合能达28.6kJ/mol）实现多层包膜。
2. **热稳定性新模型**：基于TGA数据建立包膜材料热降解动力学方程，预测WPI-GA体系在200℃以下可保持活性成分≥90%的生物效价。

### 七、研究局限性
1. 未考察高湿环境下包膜降解动力学；
2. 长期储存（>6个月）的抗氧化性能变化数据缺失；
3. 未开展体外消化模拟实验，需进一步验证包膜在 gastrointestinal tract中的稳定性。

该研究为螺旋藻等热敏性生物活性物质的工业化微胶囊化提供了理论依据与工艺参数包，其提出的WPI-GA多相包覆体系在食品工业中具有广阔应用前景，特别适用于需要低温加工的功能型食品开发。后续研究可结合分子动力学模拟优化壁材配比，并开发在线监测系统实现工艺参数实时调控。