本研究报道了使用新型壁材封装普通小球藻（Chlorella vulgaris）的喷雾干燥效应。本研究将此项工作拓展至冻干，这是另一种主要且广泛应用的封装技术，并采用该方法封装小球藻生物质。实验设计采用简单格子混料设计（Simplex-Lattice Mixture Design）方法制备。自变量为各种壁材的组合，包括麦芽糊精（18–20 DE）、菊粉（聚合度DP < 10）、豆水（aquafaba）以及以喷雾干燥酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）细胞形式存在的失活酵母（占干重百分比w/w，范围25.0%–75.0%），以及小球藻生物质（占干重百分比w/w，范围25.00%–100.0%）。测定了样品的色素含量、粗蛋白含量、理化性质与颜色特性、润湿性、吸湿性、干燥效率及封装效率。获得了关于水分含量（1.30–3.36 g/100 g）、总类胡萝卜素含量（0.36–1.62 mg/g）、总叶绿素含量（8.51–29.8 mg/g）及粗蛋白含量（6.40–43.8 g/100 g）的显著模型（p < 0.05）。此外，研究发现样品的粒径及聚结趋势受所用麦芽糊精比例的影响。基于本研究结果，创新材料如失活酵母和豆水在微藻封装和干燥方面具有显著的应用潜力。
**使用创新壁材冻干普通小球藻：豆水、失活酵母、菊粉与麦芽糊精的应用研究**
**研究背景与问题**
微藻因其作为可持续且营养丰富的食物来源而备受关注，与传统陆地农业相比，其具有占地少、不依赖土壤和灌溉以及生产力高等优势。因此，利用微藻替代或补充传统农产品，可以减轻土地和水资源的压力，同时支持环境友好的食品生产体系。在可食用微藻中，普通小球藻因其丰富的蛋白质、必需氨基酸、矿物质、叶绿素、类胡萝卜素和多糖而成为最具广泛栽培潜力的物种之一。除了营养价值，小球藻还含有具有抗癌、抗氧化、抗炎、抗菌和免疫调节功能的生物活性化合物。其高含量的叶绿素和叶黄素也使其成为潜在的天然绿色着色剂，尽管这些色素在加热、氧气、pH变化和光照下不稳定。因此，封装被认为是提高色素稳定性并在加工和储藏过程中保护敏感生物活性化合物的有效策略。尽管微藻通常以粉末、片剂或胶囊形式销售，但其在食品基质中的应用正随着功能性植物基产品需求的增长而迅速增加。为支持这一增长，通过封装技术改善微藻成分的稳定性、感官特性和功能行为至关重要。冻干是一种广泛用于封装热敏性化合物的技术，在保留微藻色素和生物活性物质方面显示出巨大潜力。与加工技术一样，选择合适的壁材在决定封装产率、效率、稳定性和物理化学品质方面起着关键作用。在此背景下，兼具技术和功能特性的创新封装剂正在被探索。豆水（aquafaba）是一种豆科植物提取物，因其具有发泡、乳化、粘合和增稠能力而受到重视。失活的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）细胞是一种可生物降解的、具有普遍安全（GRAS）地位的微胶囊，由于其坚固的细胞壁结构能够保护敏感化合物。菊粉（inulin）是一种天然膳食纤维，具有稳定、乳化和益生元特性，此前已作为色素封装的壁材使用。麦芽糊精仍是最常用的封装剂之一，因其溶解性好、粘度低且感官特性中性，尽管其乳化能力有限，常需与其他剂组合使用。因此，本研究的目的是利用简单格子混料设计（Simplex-Lattice Mixture Design），确定用于普通小球藻冻干的、包含失活面包酵母（喷雾干燥的酿酒酵母细胞）、豆水、菊粉和麦芽糊精的壁材最佳配方。研究中选择了兼具功能和技术特性的创新封装剂如豆水和失活酵母。封装效率、封装产率和最终产品水分含量被作为响应变量进行研究，以确定最佳的壁材组合。
**关键研究方法**
本研究采用普通小球藻菌株（CCAP 211/52）作为核心材料，使用麦芽糊精、菊粉、豆水粉和以喷雾干燥酿酒酵母细胞形式存在的失活酵母作为壁材。研究模型采用简单格子混料设计，通过Design-Expert统计软件进行实验设计和优化。实验设置了26个运行组，独立变量为干基饲料溶液中各壁材与藻生物质的比例，总比例固定为100%。封装效率（总叶绿素与总类胡萝卜素的封装效率）和封装产率被作为响应变量。优化过程基于初步试验确定了各组分的上下限。研究人员通过冻干机对预冻的饲料溶液进行干燥。关键的分析测定包括：使用UV-Vis分光光度计测定总叶绿素和总类胡萝卜素含量；采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量；在105°C下测定水分含量；使用水活度仪测定水活性（Aw）；使用色差仪测定颜色参数（L*, a*, b*, C*, h°）；依据标准方法评估吸湿性和润湿性时间。所有实验数据均进行三次重复，统计分析采用Design-Expert软件完成。
**研究结果**
**3.1 壁材效应分析**：通过简单格子混料设计进行了26组实验。建立了封装产率（范围95.22%-99.89%）、总叶绿素封装效率（EE1）和总类胡萝卜素封装效率（EE2）的预测模型。结果表明，除微藻-失活酵母-菊粉组合外，其他壁材组合（如微藻-失活酵母-豆水、微藻-豆水-麦芽糊精等）均能有效提高封装产率。当使用单一壁材时，总叶绿素和类胡萝卜素的封装效率范围分别为71.5%-98.9%和41.1%-81.2%。当使用壁材组合时，总叶绿素封装效率范围为60.5%-98.9%，总类胡萝卜素封装效率范围为41.1%-95.6%。总体而言，多种壁材的组合使用倾向于增加总类胡萝卜素的封装效率，表明存在协同作用，但该趋势在总叶绿素中未观察到。此外，随着碳水化合物基壁材含量的增加，总叶绿素的封装效率有所下降。
**3.2 模型验证**：通过软件生成了最佳壁材配方，以最大化封装效率。优化配方的饲料组成为干基中61.989%的微藻、36.989%的失活酵母和1.022%的豆水。该配方的预测值与实验值吻合良好，验证了模型的有效性，最终产品具有良好的理化特性。
**4.1 封装产率与效率**：讨论部分指出，在封装和干燥过程中，微藻的蛋白质、脂质、色素等营养成分可能下降，因此确定最佳壁材至关重要。本研究优化了用于小球藻冻干封装的壁材类型和组成。结果表明，包含低聚糖和多糖以及蛋白质的壁材组合可能导致更高的封装产率。对于色素封装效率，研究发现蛋白质含量高的壁材（如失活酵母和豆水）单独或与藻粉混合使用时，总类胡萝卜素封装效率较高。失活酵母因其可持续供应性和细胞壁结构，在微藻封装中具有巨大潜力。化学预处理酵母细胞可改善其封装能力。相反，随着碳水化合物壁材（如麦芽糊精、菊粉）含量增加，总叶绿素封装效率下降，这可能与蛋白质提供了更多与叶绿素结合的位点有关。
**4.2 理化性质**：冻干粉末的pH值范围为5.13至6.80。水分含量范围为1.30至3.36 g/100 g，表明冻干能有效生产低水分粉末。水活性值极低（0.104至0.281），低于0.3，有利于长期储存，能限制微生物生长和化学反应。粗蛋白含量差异很大（6.40至43.8 g/100 g），这取决于所用壁材的比例：富含蛋白质的酵母和豆水会提高最终粉末的蛋白质含量，而碳水化合物基的菊粉和麦芽糊精则会稀释蛋白质浓度。润湿性时间范围为2.50至13.5秒，含有豆水和菊粉的配方润湿速度最快。吸湿性范围为5.06至21.2 g/100 g，豆水和菊粉因富含亲水基团而表现出更高的吸湿性，而麦芽糊精和藻生物质主导的配方吸湿性较低。
**4.3 色素含量**：模型分析显示壁材对色素含量有显著影响。含25%小球藻生物质与失活酵母、豆水或菊粉组合的饲料溶液，其总叶绿素和类胡萝卜素含量高于仅用麦芽糊精制备的样品。总类胡萝卜素含量在含有两种不同壁材的样品中观察到显著增加，这可能归因于其协同效应。氯叶绿素-a（chlorophyll-a）含量范围为9.21至29.8 mg/g，在低藻含量但高酵母或豆水比例的配方中最高。总类胡萝卜素含量范围为0.36至1.62 mg/g，同样在含酵母或豆水的配方中最高。这表明某些壁材可能保护或增强了封装和冻干过程中的色素保留。富含蛋白质的壁材（如酵母和豆水）似乎能增强色素稳定性，而碳水化合物基的基质（如菊粉和麦芽糊精）提供的保护较少，导致色素保留率较低。
**4.4 颜色属性**：所有配方的a*值均为负值（-12.4至-1.27），表明粉末呈现绿色色调。b*值（1.89至23.5）显示了不同程度的黄色调。亮度值L*变化显著（37.0至57.1），增加非藻类壁材，特别是麦芽糊精和菊粉，导致粉末更亮。色度C*值（2.27至26.2）在豆水和菊粉含量较高的粉末中更高。色调角h°（112.2°至125.5°）确认了所有配方的绿黄色调。这些颜色特性与色素含量及其稳定性有关，并反映了最终产品的视觉外观。
**4.5 封装材料选择与比较**：豆水作为一种具有发泡、乳化和凝胶特性的植物性功能成分，已被证实是有效的微藻封装壁材。酵母细胞因其天然的复杂结构（多层细胞壁和各种细胞内成分）而成为首选封装策略之一，能有效保护亲水和疏水分子。本研究证明，失活酵母和豆水这两种创新壁材在增强小球藻色素的封装和冻干效率方面具有潜力。然而，研究也存在局限性，如未包含实际食品应用试验和感官评价，且仅限于单一微藻物种，限制了结果的普适性。
**结论讨论**
本研究成功证明了创新壁材——失活酵母和豆水——在增强普通小球藻色素封装和冻干效率方面的潜力。总叶绿素、类胡萝卜素的封装效率模型以及产率模型在统计学上显著（p < 0.05）且可靠性高（R
2 = 0.93–0.97）。验证过程证实最佳配方实现了卓越的封装性能。所得的微藻粉末具有理想的理化特性，支持其增强的储存稳定性。其颜色属性与天然小球藻外观保持一致，表明适用于天然色素应用。此外，该粉末的溶解行为有利于其融入各种功能性食品配方。总体而言，本研究提出了一种使用功能性可持续壁材封装普通小球藻的新颖有效方法，为开发多功能、稳定且受消费者青睐的食品成分提供了有前景的应用方向。
