鵝油甘油二酯微膠囊化工藝的研究

韓海娜 王寶維, 葛文華 張名愛 岳 斌 陳 晨 徐曉波 解 超

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，青島 266109)(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)質(zhì)水禽研究所2，青島 266109)

鵝油是肥肝鵝的副產(chǎn)品，它的膽固醇含量低，不飽和脂肪酸含量較高，并且具有獨(dú)特的香味，是一種極好的動(dòng)物性油脂。王寶維等[1]研究表明:鵝油能夠調(diào)節(jié)小鼠的血脂代謝，并提高小鼠體內(nèi)的抗氧化及抗動(dòng)脈硬化功能。甘油二酯是由丙三醇與2個(gè)脂肪酸酯化后得到的產(chǎn)物。研究表明[2]，甘油二酯在降血脂、減少內(nèi)臟脂肪、抑制體重增加等方面有重要功能，它一方面保留了三酰甘油所具有的營(yíng)養(yǎng)功能；另一方面，由于甘油二酯具有獨(dú)特的物理和生化特性，也使其在食品、化妝品、醫(yī)藥等方面都有廣闊的開發(fā)利用前景[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外鵝油市場(chǎng)以液體形式消費(fèi)，多用于飼料加工等行業(yè)，鮮見鵝油甘油二酯產(chǎn)品。為拓展鵝油的消費(fèi)市場(chǎng)，提高其產(chǎn)品附加值，本實(shí)驗(yàn)室已制備出鵝油甘油二酯產(chǎn)品，但鵝油甘油二酯呈固液混合狀態(tài)，流動(dòng)性差，給運(yùn)輸、保存和食用都帶來(lái)很大不便，不利于鵝油甘油二酯的銷售。

微膠囊技術(shù)是指利用高分子成膜材料將指定的固體或液體包埋后形成直徑為1～1 000 μm粒子的一項(xiàng)包埋技術(shù)[5]。物質(zhì)經(jīng)包埋后形成的微膠囊，克服了物質(zhì)本身不易保存、不方便運(yùn)輸?shù)娜秉c(diǎn)；防止該物質(zhì)揮發(fā)、氧化和腐?。谎谏w了物質(zhì)的不良?xì)馕痘蛭兜赖萚6-8]。以鵝油為脂肪酸供體制備甘油二酯并進(jìn)行包埋，可以大大提高鵝油的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值，提高產(chǎn)品的附加值。張學(xué)鵬等[7]對(duì)紅花籽油進(jìn)行微膠囊化，結(jié)果表明：紅花籽油微膠囊包埋率為84.79%，具有良好的氧化穩(wěn)定性和貯藏穩(wěn)定性。俞健等[9]采用噴霧干燥法對(duì)栝樓子油微膠囊化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，微膠囊化最佳工藝條件為：麥芽糊精和阿拉伯膠比例為1∶1，芯壁材比例為2∶3，固形物為30%。王偉等[10]以β-環(huán)糊精為壁材進(jìn)行了噴霧干燥法制備薰衣草精油微膠囊的研究，結(jié)果表明在芯壁材比例為1∶5、固形物含量為25%的條件下其包埋率可達(dá)61.8%。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于鵝油制備甘油二酯的方法及其微膠囊化的研究鮮見報(bào)道。而且，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相比，我國(guó)的微膠囊技術(shù)還處于起步階段，微膠囊主要以進(jìn)口為主。微膠囊化技術(shù)許多理論和實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)一步探討，譬如噴霧干燥方法在清洗等過(guò)程中存在廢水回收或處理等環(huán)境問(wèn)題。本試驗(yàn)利用冷凍干燥法[11]制備油脂微膠囊可以有效解決這一問(wèn)題，在降低能耗的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。

本試驗(yàn)以不同比例的β-環(huán)糊精和酪蛋白酸鈉為壁材，羧甲基纖維素鈉為乳化劑；以微膠囊包埋率為指標(biāo)；響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到制備鵝油甘油二酯微膠囊的最佳工藝條件，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)及貯藏穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)定分析，旨在為全面開發(fā)鵝油系列產(chǎn)品，拓寬鵝油利用市場(chǎng)，提高水禽業(yè)副產(chǎn)品的附加值提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

鵝油甘油二酯：實(shí)驗(yàn)室自制，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.3%；β-環(huán)糊精、酪蛋白酸鈉、羧甲基纖維素鈉、明膠、黃原膠、淀粉、卡拉膠、麥芽糊精、大豆分離蛋白(食品級(jí))、阿拉伯膠：天津市巴斯夫化工有限公司。QUANTA200掃描電子顯微鏡:美國(guó)FEI公司；V-100激光粒徑儀：美國(guó)貝克曼公司；高速組織搗碎機(jī)、 JTM120型立式轉(zhuǎn)齒膠體磨超微粉碎機(jī)、-80 ℃超低溫冰箱：日本三洋公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 乳化液的制備

將壁材加到50 ℃的蒸餾水中，使其完全溶解后，加入一定量的羧甲基纖維素鈉(CMC)，邊攪拌邊將鵝油甘油二酯慢慢加入，使之充分均質(zhì)混合。

1.2.2 乳化液冷凍干燥處理

將乳化液倒入培養(yǎng)皿中，-40 ℃預(yù)冷后置于冷凍干燥機(jī)中，24 h后取出，超微粉碎后得到鵝油甘油二酯微膠囊。

1.2.3 微膠囊包埋率的測(cè)定

微膠囊表面油含量的測(cè)定方法:取2.0 g樣品，加入50 mL石油醚，強(qiáng)烈震動(dòng)2 min后，抽濾，收集濾液于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中蒸出溶劑，減重法測(cè)定表面油質(zhì)量。

微膠囊總油質(zhì)量的測(cè)定方法：索氏提取法。

微膠囊包埋率的測(cè)定：包埋率是指微膠囊產(chǎn)品中被包埋的油含量與包埋時(shí)加入的油的總量之比。包埋率越高則芯材被包埋的量越大，效果越好。

包埋率=(1-微膠囊表面油質(zhì)量/微膠囊總油質(zhì)量)×100%

1.2.4 微膠囊化鵝油甘油二酯穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)方法

1.2.4.1 熱穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取2.0 g微膠囊產(chǎn)品和鵝油甘油二酯，置于100 ℃烘箱中分別加熱1、2、3、4、5、6、7、8 h后，稱量各樣品質(zhì)量的減少量，并作對(duì)比。

1.2.4.2 貯藏穩(wěn)定性試驗(yàn)

稱取2.0 g的鵝油甘油二酯微膠囊，放于稱量瓶中，在溫度為65 ℃且通風(fēng)的烘箱中放置14 d，每2 d測(cè)定1次微膠囊質(zhì)量減少量，并測(cè)定剩余量占總質(zhì)量的百分比。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel建立數(shù)據(jù)庫(kù)，采用Design expert 8.06軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

1.2.6 粒度的測(cè)定及表面結(jié)構(gòu)的觀察

分別采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行微膠囊粒度的測(cè)定及表面結(jié)構(gòu)的觀察。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 壁材的選擇

選取不同的壁材對(duì)鵝油甘油二酯進(jìn)行包埋試驗(yàn)，取明膠、黃原膠、阿拉伯膠分別與淀粉、麥芽糊精、酪蛋白酸鈉、大豆分離蛋白、β-環(huán)糊精按1∶1比例復(fù)配，大豆分離蛋白、酪蛋白酸鈉分別與淀粉、麥芽糊精、β-環(huán)糊精按1∶1比例復(fù)配，一定溫度下進(jìn)行包埋試驗(yàn)，其中，芯材壁材比例均為1∶2，乳化劑用量均為2%，以包埋率為依據(jù)，選取最理想的壁材。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

1.3.2.1 芯材與壁材比例的篩選

在固形物含量為25%、酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精為1∶1.5，乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%條件下，設(shè)定芯材和壁材比例分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定微膠囊包埋率。

1.3.2.2 壁材復(fù)配比例的篩選

在固形物含量為25%、芯材壁材比例為1∶3、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%條件下，設(shè)定酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精為1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定微膠囊包埋率。

1.3.2.3 固形物含量的篩選

在芯壁材比例為1∶3，酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精為1∶1.5，乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%條件下，調(diào)節(jié)固形物(即壁材溶液中壁材的濃度)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、20%、25%、30%、35%分別進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定微膠囊包埋率。

1.3.2.4 乳化劑用量的篩選

在芯壁材比例為1∶3，酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精為1∶1.5，固形物含量為25%的條件下，調(diào)節(jié)乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.33%、0.67%、1%、1.33%，分別進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定微膠囊包埋率。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素試驗(yàn)所得結(jié)果，以芯材壁材比例、壁材復(fù)配比例、固形物含量、乳化劑用量為4個(gè)因素，每因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，并以鵝油甘油二酯微膠囊的包埋率為指標(biāo)設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，以確定鵝油甘油二酯微膠囊的最佳制備工藝，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平如表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼

1.3.4 微膠囊化最佳工藝條件回歸試驗(yàn)

在響應(yīng)面試驗(yàn)得出的最佳工藝條件下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定所得微膠囊的包埋率，與響應(yīng)面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果相比較，以證明該試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 壁材的選擇

由圖1可以看出，在壁材比例都為1∶1的情況下，酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精組合制成的微膠囊包埋率最高。

圖1 不同壁材對(duì)微膠囊包埋率的影響

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 壁材比例(酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精)的篩選

如圖2所示，酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精=1∶1.5時(shí)，包埋率最高，因此分別選取1∶1、1.5∶1、2∶1作為壁材復(fù)配比例進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

圖2 壁材復(fù)配比例對(duì)包埋率的影響

2.2.2 芯材與壁材比例的篩選

如圖3所示，隨著芯材與壁材比例的增大，包埋率的變化呈先上升后不變的趨勢(shì)，芯材∶壁材=1∶3時(shí)，包埋率達(dá)到最大值，因此分別選取芯材壁材比例為1∶2、1∶3、1∶4進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

圖3 芯材壁材比例對(duì)包埋率的影響

2.2.3 乳化劑用量的篩選

如圖4所示，乳化劑用量為0.67%時(shí)，包埋率最高。因此，乳化劑用量分別選取0.33%、0.67%、1%進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 乳化劑用量對(duì)包埋率的影響

2.2.4 固形物含量(壁材用量)的篩選

如圖5所示，固形物含量為25%時(shí)，包埋率最高。因此，分別選取固形物含量為20%、25%、30%進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

圖5 固形物含量對(duì)包埋率的影響

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果分析

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，綜合單因素試驗(yàn)所得結(jié)果，以芯材/壁材、β-環(huán)糊精/酪蛋白酸鈉、固形物含量、乳化劑用量4個(gè)因素為自變量，微膠囊的包埋率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。

2.3.2 響應(yīng)面回歸模型的建立與分析

通過(guò)響應(yīng)面軟件Design expert 8.06對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后，得出其線性回歸方程如下:

Y=93.0-1.93A-1.33B+0.73C+2.12D+3.35AB+0.49AC+2.05AD+3.64BC-0.63BD+0.97CD-4.09A2-4.34B2-1.97C2-2.16D2

對(duì)上述響應(yīng)面試驗(yàn)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面方差分析

由表3可以看出，回歸模型極顯著(模型F<0.000 1)，失擬項(xiàng)P=0.101 0>0.05，無(wú)顯著性影響，說(shuō)明殘差是由隨機(jī)誤差引起的，模型規(guī)定適當(dāng)，可以用回歸方程代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，其校正決定系數(shù)為0.957 4，表明此模型擬合程度很好，有95.74%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變異性可用此回歸模型來(lái)解釋。因此，回歸方程能較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系，各具體試驗(yàn)因子對(duì)響應(yīng)面值的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。各因素中A、D、AB、BC、A2、B2對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有極顯著的影響(P<0.01)，B、AD、C2、D2對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響(P<0.05)。

使用Design expert 8.06軟件處理數(shù)據(jù)和分析，鵝油甘油二酯微膠囊化最佳條件為壁材∶芯材=2.4∶1，酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精=1∶1.2，固形物含量為23%，乳化劑用量為0.7%。采取本方法鵝油甘油二酯包埋率達(dá)到93.7%。

所制備的微膠囊具有良好的理化性質(zhì)，產(chǎn)品為白色粉末，無(wú)異味，略帶有乳香味。在掃描電鏡下觀察，其形狀比較規(guī)則，質(zhì)地較為緊密，說(shuō)明該微膠囊對(duì)鵝油甘油二酯有較好的包埋作用，電鏡照片見圖6～圖8。

圖6 明膠與麥芽糊精為壁材制備的鵝油 甘油二酯微膠囊掃描電鏡照片(10 μm)

圖7 非最佳條件下制備的鵝油甘油 二酯微膠囊掃描電鏡照片(10 μm)

圖8 最佳條件下制備的鵝油甘油二酯 微膠囊掃描電鏡照片(10 μm)

2.4 微膠囊化最佳工藝條件回歸試驗(yàn)

最佳工藝條件下進(jìn)行5次平行試驗(yàn)，微膠囊包埋率分別達(dá)到93.3%、93.5%、93.4%、93.3%、93.1%，平均包埋率為93.3%，與響應(yīng)面設(shè)計(jì)的結(jié)果基本一致，表明本工藝具有很好穩(wěn)定性。

2.5 微膠囊化鵝油甘油二酯穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)

2.5.1 熱穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)

如圖9可知，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中微膠囊產(chǎn)品和鵝油甘油二酯減少量均在上升，但是鵝油甘油二酯的減少量始終高于微膠囊產(chǎn)品，微膠囊產(chǎn)品在4 h后的減少量已經(jīng)相當(dāng)微小。這說(shuō)明微膠囊產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性高于鵝油甘油二酯，產(chǎn)品具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖9 鵝油甘油二酯與微膠囊熱穩(wěn)定性比較

2.5.2 貯藏穩(wěn)定性試驗(yàn)

如圖10所示，由溫度與油脂貨架壽命系數(shù)可推算出，14個(gè)月后微膠囊的保存率能夠達(dá)到89.28%，這說(shuō)明本方法可以有效地對(duì)鵝油甘油二酯進(jìn)行微膠囊包被，減少了貯藏過(guò)程中鵝油甘油二酯的損失。

圖10 鵝油甘油二酯微膠囊的貯藏穩(wěn)定性

3 討論

3.1 不同壁材對(duì)微膠囊化的影響

劉楠楠[12]研究了噴霧干燥法對(duì)芝麻油進(jìn)行微膠囊化時(shí)的工藝條件，選用阿拉伯膠、大豆分離的蛋白為壁材，其質(zhì)量比為1∶1。董志儉等[14]對(duì)橘油進(jìn)行了微膠囊化，選用阿拉伯膠、明膠為壁材。與上述研究相比較，本試驗(yàn)選用了食品安全性與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高的酪蛋白酸鈉作為壁材[15-17]，豐富了鵝油甘油二酯微膠囊的營(yíng)養(yǎng)。β-環(huán)糊精具有高濃度、低黏度的特點(diǎn)，因此選用β-環(huán)糊精作為復(fù)合壁材，可提高體系固形物的濃度，降低能耗，減少生產(chǎn)成本。本試驗(yàn)采用的壁材復(fù)合比例為酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精=1∶1.2，這可能與芯壁材比例、壁材自身結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。

3.2 不同乳化劑添加量對(duì)微膠囊化的影響

羧甲基纖維素鈉作為一種良好的乳化穩(wěn)定劑、增稠劑，同時(shí)具有優(yōu)異的凍結(jié)、熔化穩(wěn)定性，能提高微膠囊產(chǎn)品的風(fēng)味，延長(zhǎng)貯藏時(shí)間[18-19]。楊海燕等[20]對(duì)甜杏仁油進(jìn)行了微膠囊化，乳化劑添加量為2%，制得的微膠囊包埋率為85.83%。張莉等[13]對(duì)扁杏仁油進(jìn)行微膠囊化過(guò)程中，加入乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%。本試驗(yàn)乳化劑添加量為0.7%，這可能與壁材本身結(jié)構(gòu)和芯材的添加量有關(guān)。

3.3 不同固形物含量對(duì)微膠囊化的影響

乳化液中固形物含量的多少直接影響到冷凍干燥的時(shí)間，以及鵝油甘油二酯的包埋率。固形物含量越高，乳化液中水分含量越少，冷凍干燥時(shí)間越短。本試驗(yàn)中固形物含量為23%，這比李昌寶等[21]對(duì)羅漢果籽油微膠囊化過(guò)程中固形物濃度16.69%高，與劉楠楠[12]的研究相一致，這可能與芯材本身的性狀以及壁材的溶解性有關(guān)。

3.4 芯材與壁材比例對(duì)微膠囊包埋率的影響

大量研究顯示[22-24]，微膠囊制備過(guò)程中，芯材與壁材比例對(duì)微膠囊的包埋率有很大影響。隨著鵝油甘油二酯含量的增加，復(fù)合壁材含量相對(duì)降低，乳液體系穩(wěn)定性相應(yīng)減弱，而且芯材加入量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致其不能完全被壁材包被，微膠囊表面油含量過(guò)高，致使包埋率下降。本試驗(yàn)中最佳芯材壁材比例為1∶2.4，包埋率達(dá)到93.4%，說(shuō)明此時(shí)芯材較完全的被包被，微膠囊化效果較好。

4 結(jié)論

4.1 油甘油二酯微膠囊化最佳條件為壁材∶芯材=2.4∶1，酪蛋白酸鈉∶β-環(huán)糊精=1∶1.2，固形物含量為23%，乳化劑用量為0.7%。采取本方法鵝油甘油二酯包埋率達(dá)到93.71%。

4.2 制備的微膠囊產(chǎn)品具有良好的穩(wěn)定性。

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