辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋共軛亞油酸工藝的研究

周 正, 陳存社

(北京工商大學(xué)食品學(xué)院,北京 100048)

辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋共軛亞油酸工藝的研究

周 正, 陳存社*

(北京工商大學(xué)食品學(xué)院,北京 100048)

以辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材包埋共軛亞油酸,通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化包埋條件,得到共軛亞油酸微膠囊化的最佳條件為芯壁比1∶2.87,包埋時(shí)間1.56 h,包埋溫度42℃,包埋率為93.22%.通過(guò)噴霧干燥得到共軛亞油酸微囊粉,在電子掃描顯微鏡下觀察,粉末顆粒飽滿緊密,排列整齊,顆粒表面出現(xiàn)無(wú)規(guī)則凹陷.

辛烯基琥珀酸淀粉酯;共軛亞油酸;微膠囊;噴霧干燥

共軛亞油酸(conjugated linoleic acid,CLA)是具有18個(gè)碳且含有共軛雙鍵的脂肪酸,是亞油酸的幾何以及位置異構(gòu)體[1].最新?tīng)I(yíng)養(yǎng)學(xué)和藥理學(xué)研究表明,共軛亞油酸具有抗癌,抗動(dòng)脈粥樣硬化,提高機(jī)體免疫功能和改善脂肪代謝等重要作用[2-6],在醫(yī)藥、保健品等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景.但共軛亞油酸具有高度不飽和性,穩(wěn)定性較差,容易被空氣氧化.微膠囊技術(shù)是將液體芯材通過(guò)壁材包裹起來(lái)形成微小顆粒的粉末化技術(shù)[7].將共軛亞油酸微膠囊化,可以提高共軛亞油酸的抗氧化能力,增加水溶性,延長(zhǎng)貨架期,同時(shí)共軛亞油酸微膠囊便于添加到酸奶、奶粉等產(chǎn)品中,增加產(chǎn)品的功能性[8].

噴霧干燥技術(shù)最適于親油物料的微膠囊化,且生產(chǎn)成本低,易于工業(yè)化[9].辛烯基琥珀酸淀粉酯是微膠囊化的重要壁材,是一種親水、親油的變性淀粉,有良好的乳化性能和成膜性能,還具有低黏度、易干燥等特點(diǎn)[10-13].辛烯基琥珀酸淀粉酯作為壁材制備微膠囊粉具有安全性、合法性,在國(guó)內(nèi)已被廣泛應(yīng)用.如張燕萍等[14]分別以辛烯基琥珀酸淀粉酯和阿拉伯樹(shù)膠為壁材研究色拉油微膠囊體系,證明以辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材微膠囊的包埋效率以及貯藏穩(wěn)定性均優(yōu)于阿拉伯樹(shù)膠.

本研究以辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材,對(duì)功能性強(qiáng)而穩(wěn)定性差的共軛亞油酸進(jìn)行微膠囊處理,類(lèi)似研究至今未見(jiàn)報(bào)道.本研究的目的是研究CLA微膠囊化的最佳工藝條件,并探索噴霧干燥后微膠囊粉末的微觀結(jié)構(gòu),為今后的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù).

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

共軛亞油酸(CLA,三酰甘油形式),質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%,青島澳海生物有限公司;辛烯基琥珀酸淀粉酯、單甘酯、蔗糖酯、六偏磷酸鈉、三磷酸鈉均為食品級(jí),迪朗生物有限公司;正己烷、無(wú)水乙醇、無(wú)水乙醚、石油醚均為分析純,北京化工廠.

1.2 儀器與設(shè)備

WZJ100型磁力攪拌器,濟(jì)南倍力技術(shù)工程有限公司;HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋,金壇市杰瑞爾電器有限公司;JA5003型電子天平,上海精密科學(xué)儀器有限公司天平儀器廠;RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,德

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 共軛亞油酸微膠囊的制備

取一定量辛烯基琥珀酸淀粉酯,在蒸餾水中完全溶解后,加入乳化劑,同時(shí)緩慢持續(xù)加入共軛亞油酸,確保共軛亞油酸被充分包埋,電磁攪拌器高速攪拌一段時(shí)間后,進(jìn)行噴霧干燥(條件為進(jìn)風(fēng)溫度150 ℃,熱空氣流量32m3/h).

2.2 微膠囊包埋率測(cè)定方法

2.2.1 微膠囊表面油含量測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取2 g(準(zhǔn)確至0.000 1 g)微囊粉于大試管中,加入一定量石油醚,劇烈震蕩3min,轉(zhuǎn)移上層石油醚,反復(fù)數(shù)次.合并石油醚,濃縮,將濃縮液置于己稱(chēng)量的干燥表面皿中,揮干剩余石油醚,用減重法得出2 g產(chǎn)品表面油的重量.

2.2.2 微膠囊總油含量測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取2 g(準(zhǔn)確至0.000 1 g)微囊粉,加入水溶解,于超聲波清洗器超聲破碎10 min,加入一定量石油醚使油轉(zhuǎn)入有機(jī)相中.轉(zhuǎn)移上層石油醚,反復(fù)數(shù)次至無(wú)油相.合并石油醚,濃縮,將濃縮液置于己稱(chēng)質(zhì)量的干燥表面皿中,揮干剩余石油醚,減重法得出2 g微囊粉中總油質(zhì)量.

微囊粉包埋率(%)=(產(chǎn)品總油的質(zhì)量-產(chǎn)品表面油的質(zhì)量)/產(chǎn)品總油的質(zhì)量×100%.

2.3 辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋共軛亞油酸實(shí)驗(yàn)

芯壁比分別為1∶2,1∶3,1∶4,1∶5,1∶6,包埋溫度分別為20,30,40,50,60,70℃,包埋時(shí)間分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 h,加入總體積為50mL的乳化劑,固形物含量為20%～30%.干燥方式采用噴霧干燥,測(cè)定不同芯壁比、不同包埋溫度,不同包埋時(shí)間對(duì)包埋率的影響.

2.4 共軛亞油酸包埋條件優(yōu)化

利用Box-Benhnken的中心組合實(shí)驗(yàn),根據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選取芯材:壁材(A)、包埋時(shí)間(B)、包埋溫度(C)對(duì)共軛亞油酸包埋率影響顯著的3個(gè)因素,以共軛亞油酸包埋率為響應(yīng)值(Y),進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn).因素與水平見(jiàn)表1.

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)的因素與水平Tab.1 Factors and levels of response surfacemethod

2.5 電鏡掃描噴霧干燥的共軛亞油酸微膠囊粉末

將制好的共軛亞油酸微膠囊乳狀液通過(guò)蠕動(dòng)泵輸送到干燥塔頂,進(jìn)行噴霧干燥.稱(chēng)取一定量噴霧干燥微囊粉經(jīng)過(guò)固定、脫水處理后備用,將少許的微膠囊粉末均勻固定在貼膠的電鏡進(jìn)樣臺(tái)上,放入HVS-SGB噴金機(jī),真空條件下進(jìn)行樣品的噴金,然后固定在載物臺(tái)上,置于掃描電子顯微鏡下觀察不同干燥工藝后微囊粉顆粒微觀結(jié)構(gòu),加速電壓為20 kV.

3 結(jié)果與討論

3.1 芯材壁材比對(duì)包埋率的影響

由芯壁比對(duì)微囊粉包埋率影響實(shí)驗(yàn)得圖1,在溫度和包埋時(shí)間一定條件下,微囊粉包埋率在芯材∶壁材為1∶1,1∶2,1∶3時(shí)包埋率上升,主要因?yàn)楦咚贁嚢柘麓罅康男料┗晁岬矸埘ツ軌蚺c共軛亞油酸充分接觸,包埋更完全.在芯材∶壁材為1∶4,1∶5時(shí),包埋率基本不變,在1∶6時(shí)略有下降,主要是因?yàn)樾料┗晁岬矸埘ミ^(guò)量,油脂含量降低,誤差增大造成.芯材∶壁材為1∶3時(shí)達(dá)到最大,包埋率為93.24%±1.2%.

圖1 芯壁比對(duì)微囊粉包埋率的影響Fig.1 Effect of core wall ratio on embedding rate

3.2 包埋時(shí)間對(duì)包埋率的影響

在芯壁比和包埋溫度一定條件下,共軛亞油酸微囊粉包埋率隨時(shí)間的變化如圖2.攪拌包埋時(shí)間增長(zhǎng),微囊粉包埋率相應(yīng)提高,在1.5 h微囊粉包埋率為90.34%±1.5%,但攪拌包埋時(shí)間過(guò)長(zhǎng),液滴直徑越小,表面能變高,油滴有趨于聚合的趨勢(shì),導(dǎo)致包埋率下降.

圖2 包埋時(shí)間對(duì)微囊粉包埋率的影響Fig.2 Effect of time on embedding rate

3.3 包埋溫度對(duì)包埋率的影響

在芯壁比和包埋時(shí)間一定條件下,共軛亞油酸微囊粉包埋率隨溫度的變化如圖3,由圖3可看出,溫度升高包埋率上升,40℃時(shí)包埋率達(dá)到最大值為95.52%±0.7%;溫度繼續(xù)升高,包埋率下降明顯,可能因?yàn)楣曹梺営退岱肿舆\(yùn)動(dòng)加快,不利于包埋過(guò)程的進(jìn)行,同時(shí)辛烯基琥珀酸淀粉受溫度影響較大.

圖3 包埋溫度對(duì)微囊粉包埋率的影響Fig.3 Effect of different temperatures on embedding rate

3.4 微囊粉包埋方法的響應(yīng)面試驗(yàn)分析

由分析方案及試驗(yàn)結(jié)果得到表2.

利用響應(yīng)面統(tǒng)計(jì)方法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到芯壁比、包埋時(shí)間、包埋溫度的編碼方程,見(jiàn)式(1).

由方程一次項(xiàng)回歸系數(shù)絕對(duì)值得出各響應(yīng)因子對(duì)響應(yīng)值的影響程度大小依次為:芯壁比(A)＞溫度(C)＞時(shí)間(B).

通過(guò)Design-Expert軟件進(jìn)行二次回歸分析,得到回歸模型,建立的二次回歸實(shí)際模型方程見(jiàn)式(2).利用方差分析檢驗(yàn)方程的有效性,結(jié)果見(jiàn)表3.

表2 響應(yīng)面分析方案與試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental program and experimental results of response surface analysis

表3 回歸模型的方差分析Tab.3 Analysis of variance of regression model

由表3中的二次回歸模型的方差分析結(jié)果可見(jiàn),該模型能很好地解釋數(shù)據(jù)的差異性.芯壁比一次項(xiàng)和芯壁比及時(shí)間的平方項(xiàng)對(duì)CLA微囊粉化工藝中包埋率的影響是極其顯著(p＜0.01),時(shí)間的一次項(xiàng)和芯壁比與時(shí)間交互不顯著(p＞0.05).芯壁比和溫度、時(shí)間和溫度交互顯著(p＜0.05),AdjR -Squaredr2=0.911 3為模型的調(diào)整確定系數(shù),表明此模型可解釋91.13%數(shù)據(jù)的變異性.進(jìn)而可證明該模型擬合程度好,試驗(yàn)誤差小,可以對(duì)CLA微囊粉化工藝進(jìn)行分析和預(yù)測(cè).模型的失擬項(xiàng)P值為0.413 8,證明失擬項(xiàng)不顯著(P＞0.05),說(shuō)明模型有較好的穩(wěn)定性,無(wú)失擬因素存在,可用該回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,能很好地預(yù)測(cè)CLA微囊粉化工藝中包埋率的變化.

通過(guò)回歸方程繪制芯壁比、包埋溫度、包埋時(shí)間3個(gè)因素對(duì)包埋率的影響響應(yīng)面圖,通過(guò)響應(yīng)面分析圖和等高線圖,考察響應(yīng)曲面圖形的擬合程度.

繪制包埋時(shí)間和芯壁比對(duì)包埋率影響的響應(yīng)面立體分析圖和等高分析圖,得到圖4.由圖4可知,當(dāng)包合時(shí)間在1.5 h不變時(shí),芯壁比為1∶2至1∶4, CLA微囊粉的包埋率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),芯壁比和時(shí)間交互不顯著(p＞0.05).

繪制芯壁比和包埋溫度對(duì)包埋率影響的響應(yīng)面立體分析圖和等高分析圖,得到圖5.由圖5得知,當(dāng)芯壁比在1∶3不變時(shí),包合溫度為40～60℃,CLA微囊粉包埋率先升高后下降.溫度和芯壁比兩者交互顯著(p＜0.05).

繪制包埋溫度和包埋時(shí)間對(duì)包埋率影響的響應(yīng)面立體分析圖和等高分析圖,得到圖6.由圖6得知,當(dāng)溫度在30℃不變時(shí),時(shí)間為0.5～2 h,CLA微囊粉包埋率先升高后降低,曲線較平緩,溫度和包合時(shí)間兩者交互顯著(p＜0.05).

應(yīng)用Design-Expert軟件運(yùn)算得出最佳工藝條件:芯壁比為1∶2.87,包埋時(shí)間為1.56 h,包埋溫度為42.01℃,預(yù)測(cè)最大包埋率為93.096%.

圖4 芯壁比與溫度的響應(yīng)面分析與等高線圖Fig.4 Response surface plot and contour chart on core wall ratio and temperature

圖5 芯壁比與時(shí)間的響應(yīng)面分析與等高線圖Fig.5 Response surface plot and contour chartof corewall ratio and time

3.5 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

取一定量CLA放入100 mL燒杯中,在最佳芯壁比為1∶2.87,包埋時(shí)間為1.56 h,包埋溫度為42℃,重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次取平均值,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.辛烯基琥珀酸淀粉酯在最佳工藝條件下對(duì)共軛亞油酸進(jìn)行包埋,包埋率重復(fù)性較好,平均值為93.22%.

圖6 溫度與時(shí)間的響應(yīng)面分析與等高線圖Fig.6 Response surface plot and contour chart of temperature and time

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Verification test %

3.6 共軛亞油酸微膠囊噴霧干燥

噴霧干燥粉末粒子為顆粒狀,分散均勻,是在噴霧過(guò)程中微囊粉粒子迅速干燥形成的獨(dú)立顆粒.噴霧干燥便于產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn),極短的干燥時(shí)間能保護(hù)芯材性狀,能源消耗相對(duì)較少,噴霧過(guò)程能較好保護(hù)芯材與壁材.但產(chǎn)品含水量稍高,不利于產(chǎn)品保藏;空氣流速、溫度、壓力對(duì)產(chǎn)品影響很大,干燥條件影響產(chǎn)品性質(zhì).

3.7 電鏡掃描結(jié)果

圖7 噴霧干燥的微囊粉放大1 000倍微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microstructure of spray drying powder(×1 000)

圖8 噴霧干燥的微囊粉放大5 000倍微觀結(jié)構(gòu)Fig.8 Microstructure of spray drying powder(×5 000)

圖9 噴霧干燥的微囊粉放大10 000倍微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 Microstructure of spray drying powder(×10 000)

通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)噴霧干燥的樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察,結(jié)果見(jiàn)圖7至圖9.掃描照片圖像放大倍數(shù)分別為1 000倍,5 000倍,10 000倍.由圖7可見(jiàn),通過(guò)噴霧干燥工藝制備的粉末顆粒排列整齊、緊密、飽滿.顆粒表面有凹陷,有極少部分的小顆粒,粉末顆粒囊壁完整,沒(méi)有出現(xiàn)裂痕及孔洞等.粉末成分單一,沒(méi)有出現(xiàn)其他固體顆粒.由8可見(jiàn),噴霧干燥粉末顆粒均出現(xiàn)凹陷,且成無(wú)規(guī)則現(xiàn)象.當(dāng)圖像倍數(shù)放大至10 000倍時(shí)(圖9),發(fā)現(xiàn)顆粒大小區(qū)別較大,原因是均質(zhì)時(shí)間短,導(dǎo)致CLA沒(méi)有完全分散開(kāi)就被辛烯基琥珀酸變性淀粉包埋,顆粒表面光滑圓潤(rùn)飽滿,部分出現(xiàn)凹陷.通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀察和噴霧干燥分子運(yùn)動(dòng)過(guò)程,分析出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是微乳液在進(jìn)行噴霧干燥時(shí),入口溫度過(guò)高,乳液在高速噴出時(shí)具有較高的溫度,水蒸發(fā)的同時(shí)帶走大量熱量,導(dǎo)致囊壁內(nèi)部壓力下降,囊壁收縮.微觀結(jié)構(gòu)顯示噴霧干燥后微膠囊顆粒為直徑6μm且飽滿光滑的乳白色圓形顆粒.

4 結(jié) 論

利用辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材包埋共軛亞油酸,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面分析方法,得出包埋的最優(yōu)條件為芯壁比1∶2.87,包埋時(shí)間1.56 h,包埋溫度42℃,預(yù)測(cè)最大包埋率93.096%.驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明,在此條件下,辛烯基琥珀酸淀粉酯實(shí)際包埋率為93.22%.

對(duì)微膠囊溶液進(jìn)行噴霧干燥,利用電子顯微鏡觀察粉末的微觀結(jié)構(gòu),放大倍數(shù)為1 000倍,5 000倍和10 000倍.發(fā)現(xiàn)通過(guò)噴霧干燥工藝制備的粉末顆粒排列整齊,形態(tài)飽滿,囊壁完整,粉末成分單一,顆粒表面出現(xiàn)無(wú)規(guī)則凹陷,原因是噴霧干燥時(shí),入口溫度過(guò)高,導(dǎo)致囊壁內(nèi)部壓力下降,囊壁收縮.

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M icrocapsules of Conjugated Linoleic Acid by Sodium Octenylsuccinate Starch

ZHOU Zheng, CHEN Cunshe*
(School of Food and Chemical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

In this study,conjugated linoleic acid was embedded by sodium octenylsuccinate starch. Through the response surfacemethodology experiment,the optimum parameters of conjugated linoleic acid microcapsulation were as follows:corematerial/wallmaterial 1∶2.87,embedding time 1.56 h,and embedding temperature42℃.Under this optimum condition,encapsulation percentage of conjugated linoleic acidmicrocapsulation was 93.22%.Microencapsulated powder particles after spray drying was plump, inseparable,orderliness,and smooth through the scanning electron microscopy.

sodium octenylsuccinate starch;conjugated linoleic acid;microcapsule;spray drying

TS224.8

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.04.007

2095-6002(2014)04-0035-06

2013-12-12

北京市教委科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(KZ20110011013).

周 正,女,碩士研究生,研究方向?yàn)楣δ苄杂椭?*陳存社,男,教授,博士,主要從事微生物發(fā)酵方面的研究.通訊作者.國(guó)IKA公司;Himac CR 22G型高速均質(zhì)機(jī),日本Hitachi公司;VEGAⅡ-LMH型掃描電子顯微鏡,捷克TESCAN公司;SRJX型顯微鏡,上海和呈儀器制造有限公司;Mobile Minor實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī),北京霍爾斯生物科技有限公司.

(責(zé)任編輯:葉紅波)

周正,陳存社.辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋共軛亞油酸工藝的研究.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào),2014,32(4):35-40. ZHOU Zheng,CHEN Cunshe.Microcapsules of conjugated linoleic acid by sodium octenylsuccinate starch.Journal of Food Science and Technology,2014,32(4):35-40.