以大豆分離蛋白為壁材制備α-亞麻酸乙酯微膠囊的工藝研究

陳偉偉，梁少華*，梅國(guó)棟，沈 密

（1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

0 引言

我國(guó)是世界亞麻主要生產(chǎn)國(guó)之一.亞麻籽的主要成分是油脂和蛋白質(zhì)，占亞麻籽質(zhì)量的一半以上.亞麻籽油含有較多的n-3 脂肪酸（如α-亞麻酸），具有預(yù)防冠心病、心腦血管病，降低膽固醇，抗血栓，降血壓，提高動(dòng)脈系統(tǒng)柔性的功能，極具開發(fā)價(jià)值[1-2].但長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的亞麻籽主要以在產(chǎn)地榨取食用油自我消化為主，亞麻籽的潛在價(jià)值遠(yuǎn)沒有被充分開發(fā)利用[3-4].

微膠囊技術(shù)起源于20 世紀(jì)30 年代，美國(guó)的Wurster 用物理方法制備了微膠囊.現(xiàn)已經(jīng)擴(kuò)展到了醫(yī)藥、食品、日用化學(xué)品、化工等諸多領(lǐng)域[5].其制備方法多達(dá)200 余種，主要包括靜電沉積法、界面聚合法、噴霧干燥法以及冷凍干燥法等[6].

將α-亞麻酸乙酯制備成微膠囊，即制成粉末狀α-亞麻酸乙酯制品，可以使α-亞麻酸乙酯與外界不良因素隔絕，既提高了其氧化穩(wěn)定性，又彌補(bǔ)了液態(tài)α-亞麻酸乙酯的不足之處，這種新型微膠囊制品不僅能適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)，而且貯存、運(yùn)輸和使用均相當(dāng)方便[7].

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白：山東嘉華保健品股份有限公司；α-亞麻酸乙酯：自制.

單硬脂酸甘油酯、吐溫-20、石油醚、氫氧化鉀、鹽酸、無(wú)水乙醇、95%乙醇溶液、三氯甲烷、冰乙酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉、酚酞指示劑、淀粉指示劑，均為分析純.

1.2 儀器與設(shè)備

HZT-A2000 電子天平：中國(guó)康州HZ 電子科技有限公司；Sartorius BSA224S 型分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；Kjeltec 2300 自動(dòng)定氮儀：福斯特卡托公司（瑞典）；WGL-125B 電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；SG-高剪切乳化機(jī)：流體設(shè)備有限公司；Mini Spray Dryer B-290：瑞士步琪有限公司；G2 飛納臺(tái)式掃描電子顯微鏡：復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 α-亞麻酸乙酯理化指標(biāo)分析

酸價(jià)的測(cè)定：按照GB/T 5530—2005 方法測(cè)定.

過氧化值的測(cè)定：按照GB/T 5538—2005 方法測(cè)定.

皂化值的測(cè)定：按照GB/T 5534—2008 方法測(cè)定.

1.3.2 大豆分離蛋白組成成分分析

揮發(fā)物的測(cè)定：按照GB/T 9696—2008 方法測(cè)定.

氮含量的測(cè)定：按照GB/T 5511—2008 方法測(cè)定.

氮溶解指數(shù)的測(cè)定：稱取5.00 g 研磨碎的大豆分離蛋白試樣于帶塞錐形瓶中，加水200 mL 并搖勻，然后在25～30 ℃條件下于恒溫振蕩箱中振蕩2 h，取出后轉(zhuǎn)移至250 mL 容量瓶中定容，靜置1～2 min 后取上層清液，以1 500 r/min 離心10 min，再將離心液用快速濾紙過濾，濾液即為樣品水溶性蛋白質(zhì)的測(cè)定液.用移液管移取5 mL 該液體用Kjeltec 2300 自動(dòng)定氮儀測(cè)定其水溶性蛋白含量[8].

1.3.3 噴霧干燥法制備微膠囊

選取3 個(gè)單因素：固形物含量（6%、8%、10%、12%、14%）、芯壁比（1∶1、2∶3、1∶2、2∶5、1∶3）和噴霧干燥進(jìn)口溫度（150、160、170、180、190 ℃），進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn).

將復(fù)配乳化劑吐溫-20 和單硬脂酸甘油酯（1∶1）與大豆分離蛋白混勻，并加入適量的70 ℃的水，攪拌使之溶解.加入α-亞麻酸乙酯，攪拌均勻.然后水浴加熱至70 ℃，再用高速（10 000 r/min）剪切乳化機(jī)乳化4 min，得到乳化液.

乳化液進(jìn)行霧干燥即得到微膠囊產(chǎn)品.

1.3.4 微膠囊制品包埋率的測(cè)定[9]

微膠囊化α-亞麻酸乙酯產(chǎn)品的表面油的測(cè)定：稱取2 g 左右微膠囊制品（W1）置于干燥的帶磨口三角瓶中，加入20 mL 石油醚，提取3 min，其間不斷振蕩.用濾紙過濾樣品，濾液置于已知恒重（W2）的圓底燒瓶中，然后再分別用10 mL 石油醚重復(fù)上述操作兩次.用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)圓底燒瓶進(jìn)行蒸餾，將圓底燒瓶中的石油醚蒸干，然后將圓底燒瓶放入烘箱中烘至恒重（W3），重復(fù)此操作3 次，取平均值.則所稱取微膠囊制品表面油含量=W3-W2.

微膠囊化α-亞麻酸乙酯產(chǎn)品的總油的測(cè)定：根據(jù)所稱取微膠囊制品的質(zhì)量以及芯材與壁材的比例即可計(jì)算出來(lái)所稱取微膠囊制品總油含量.

1.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)固形物含量、芯壁比、進(jìn)口溫度3 個(gè)單因素試驗(yàn)所確定的水平范圍，使用Design-Expert 7.1軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，以微膠囊制品的包埋率為響應(yīng)值，試驗(yàn)因素與水平見表1.

表1 因素與水平

2 結(jié)果與分析

2.1 α-亞麻酸乙酯主要理化指標(biāo)（表2）

表2 α-亞麻酸乙酯主要理化指標(biāo)

2.2 大豆分離蛋白主要組成成分（表3）

表3 大豆分離蛋白主要組成成分

2.3 單因素試驗(yàn)

2.3.1 固形物含量對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

采用在芯壁比為1∶2，噴霧干燥進(jìn)口溫度為170 ℃和噴霧干燥進(jìn)料量為30%的條件下，分別控制固形物含量為6%、8%、10%、12%和14%，測(cè)得微膠囊制品的包埋率變化如圖1 所示.

圖1 固形物含量對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

由圖1 可以看出，隨著固形物含量的增大，微膠囊制品的包埋率逐步增加，當(dāng)固形物含量達(dá)到12%時(shí)，包埋率達(dá)到最大.當(dāng)固形物含量高于12%時(shí)，包埋率呈現(xiàn)下降趨勢(shì).因此，在固形物含量為12%時(shí)，微膠囊制品的包埋率最高.

乳狀液中的固形物含量是影響包埋率的重要因素.因?yàn)楣绦挝锖繒?huì)影響到乳狀液的黏度；固形物含量越高，乳狀液的黏度就會(huì)越大，從而影響產(chǎn)品的包埋率、流動(dòng)性、粒度等[10]；微膠囊乳化液中固形物含量直接關(guān)系到對(duì)芯材的持留能力，固形物含量越高，在干燥時(shí)越易形成壁膜，從而對(duì)芯材物質(zhì)持留能力越好.另一方面，由于體系黏度的增加，減少了芯材向壁材表面的擴(kuò)散遷移，從而使微膠囊制品的包埋率增加.但是如果固形物含量過大，體系的黏度超過一定限度，會(huì)給噴霧干燥帶來(lái)困難，所以在確定固形物含量時(shí)應(yīng)兼顧高固形物含量和低黏度的要求[11].

2.3.2 芯壁比對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

采用在固形物含量為12%，噴霧干燥進(jìn)口溫度為170 ℃和噴霧干燥進(jìn)料量為30%的條件下，分別控制芯壁比為1∶1、2∶3、1∶2、2∶5 和1∶3，測(cè)得微膠囊制品的包埋率變化如圖2 所示.

圖2 芯壁比對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

由圖2 可以看出，隨著芯壁比的減小，微膠囊制品的包埋率不斷增加，當(dāng)芯壁比為1∶2 時(shí)，包埋率達(dá)到最大.當(dāng)芯壁比低于1∶2 時(shí)，包埋率呈現(xiàn)下降趨勢(shì).因此，在芯壁比為1∶2 時(shí)，微膠囊制品的包埋率最高.

在適當(dāng)范圍內(nèi)隨著芯壁比的增加，包埋率增加，因?yàn)殡S著芯壁比的增加，芯材的加入量增加，所形成的乳狀液滴的濃度就越大，液滴越易相互聚集，形成的微膠囊粒徑就越大，從而使微膠囊能夠包裹更多的芯材，使得微膠囊制品的包埋率增加.但是，如果芯壁比過大，則芯材過多，壁材不足以更好地包埋芯材，而且芯材自身也會(huì)降低乳狀液的穩(wěn)定性，不利于形成均一穩(wěn)定的微膠囊產(chǎn)品[12].

2.3.3 噴霧干燥時(shí)進(jìn)口溫度對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

在固形物含量為12%，芯壁比為1∶2 和噴霧干燥進(jìn)料量為30%的條件下，分別控制噴霧干燥進(jìn)口溫度為150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃和190 ℃，測(cè)得微膠囊制品的包埋率變化如圖3 所示.

由圖3 可以看出，隨著進(jìn)口溫度的增大，微膠囊制品的包埋率不斷增加，當(dāng)進(jìn)口溫度達(dá)到170 ℃時(shí)，包埋率達(dá)到最大.當(dāng)進(jìn)口溫度繼續(xù)升高時(shí)，包埋率呈現(xiàn)下降趨勢(shì).因此，在進(jìn)口溫度為170 ℃時(shí)，微膠囊制品的包埋率最高.

圖3 進(jìn)口溫度對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

進(jìn)風(fēng)溫度涉及到干燥速度和干燥能力，同時(shí)又影響到產(chǎn)品的顆粒結(jié)構(gòu)、吸濕性和熱敏性成分的穩(wěn)定性[13].試驗(yàn)表明，當(dāng)噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度低于160 ℃時(shí)，微膠囊含水量大，流動(dòng)性不好，干燥速度慢，易粘壁；但進(jìn)風(fēng)溫度高于180 ℃時(shí)，水分散失速度過快，囊壁表面凹陷，會(huì)使膠囊過熱出現(xiàn)裂縫，同時(shí)還會(huì)使壁材變性，降低其溶解性，降低產(chǎn)品質(zhì)量.因此，微膠囊化宜采用的進(jìn)風(fēng)溫度為170℃，此溫度有利于微膠囊顆粒的干燥，可迅速地形成完整致密的微膠囊結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品的含水率[14].

2.4 微膠囊調(diào)制條件優(yōu)化中心組合試驗(yàn)

2.4.1 模型的建立

對(duì)α-亞麻酸乙酯微膠囊工藝條件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化研究，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以固形物含量（A）、芯壁比（B）、噴霧干燥進(jìn)口溫度（C）3 因素為自變量，微膠囊制品的包埋率為響應(yīng)值，分析方案及結(jié)果見表4.

2.4.2 方差分析

由Design-Expert 軟件對(duì)17 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的包埋率進(jìn)行回歸分析得出二次模型方差分析，見表5.

由表5 可知，固形物含量（p=0.013 9＜0.05）和芯壁比（p=0.024 2＜0.05）對(duì)微膠囊制品的包埋率影響較為顯著.失擬項(xiàng)不顯著（p=0.101 5＞0.05），而模型的p 值為0.007 2，小于0.01，表明模型高度顯著.從表5 還可以看出，交互項(xiàng)（AB、AC、BC）對(duì)結(jié)果影響不顯著（p＞0.05）.

以包埋率為響應(yīng)值，根據(jù)表4 的試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert 7.1 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多元回歸分析后得到模型的二次多項(xiàng)回歸方程為：

2.4.3 響應(yīng)面分析

分別固定固形物含量12%，芯壁比1∶2 和噴霧干燥進(jìn)口溫度170 ℃，形成了6 組響應(yīng)面圖，見圖4—圖6.

由圖4 可知，在噴霧干燥進(jìn)口溫度170 ℃下，當(dāng)芯壁比固定不變時(shí)，隨著固形物含量的降低，微膠囊制品的包埋率下降.當(dāng)固形物含量固定不變時(shí)，隨著芯壁比的變化，包埋率先升高再下降，在芯壁比為1∶2 時(shí)達(dá)到最大值.

表4 響應(yīng)面分析試驗(yàn)結(jié)果

表5 包埋率響應(yīng)面二次模型方差分析

由圖5 可知，在芯壁比為1∶2，當(dāng)進(jìn)口溫度固定不變時(shí)，隨著固形物含量的降低，微膠囊制品的包埋率下降.當(dāng)固形物含量固定不變時(shí)，隨著進(jìn)口溫度的升高，包埋率先升高再下降，在進(jìn)口溫度為170 ℃時(shí)達(dá)到最大值.

由圖6 可知，在固形物含量為12%時(shí)，當(dāng)進(jìn)口溫度固定不變時(shí)，隨著芯壁比的變化，包埋率先升高再下降，在芯壁比為1∶2 時(shí)達(dá)到最大值.當(dāng)芯壁比固定不變時(shí)，隨著進(jìn)口溫度的升高，包埋率先升高再下降，在進(jìn)口溫度為170 ℃時(shí)達(dá)到最大值.

2.4.4 最優(yōu)條件的求解及驗(yàn)證

為進(jìn)一步求得各因素的最優(yōu)條件，對(duì)回歸方程進(jìn)行求偏導(dǎo)，求得優(yōu)化的包埋工藝條件為：固形物含量10%、芯壁比1∶2、噴霧干燥進(jìn)口溫度168℃.在此條件下進(jìn)行兩次驗(yàn)證性平行試驗(yàn)，測(cè)得的微膠囊的包埋率為52.62%.

2.5 微膠囊制品的掃描電鏡觀察

圖7 為經(jīng)優(yōu)化工藝后制成的α-亞麻酸乙酯微膠囊在掃描電鏡下放大3 000 倍所觀察到的微膠囊顆粒表面結(jié)構(gòu)圖.由圖7 可以看出，由噴霧干燥法所得到的α-亞麻酸乙酯微膠囊顆粒致密，大部分為球型，平均粒徑分布在2～6 μm 之間，但是部分微膠囊制品表面有凹陷.凹陷產(chǎn)生的原因可能是由于顆粒在干燥過程中，微膠囊表面水分蒸發(fā)迅速，產(chǎn)生不均勻收縮.凹陷是噴霧干燥微膠囊化產(chǎn)品普遍具有的特征[15].

3 結(jié)論

圖4 響應(yīng)面法（固形物含量、芯壁比對(duì)包埋率的影響）立體分析圖和相應(yīng)等高線圖

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面法優(yōu)化大豆分離蛋白包埋α-亞麻酸乙酯制備微膠囊的最佳工藝條件，建立了α-亞麻酸乙酯微膠囊制備的回歸模型.響應(yīng)面試驗(yàn)分析優(yōu)化得到微膠囊包埋的最佳工藝條件為：固形物含量10%，芯壁比1∶2，噴霧干燥進(jìn)口溫度168 ℃.在此工藝條件下，α-亞麻酸乙酯微膠囊的包埋率為52.62%.

圖5 響應(yīng)面法（固形物含量、進(jìn)口溫度對(duì)包埋率的影響）立體分析圖和相應(yīng)等高線圖

圖6 響應(yīng)面法（芯壁比、進(jìn)口溫度對(duì)包埋率的影響）立體分析圖和相應(yīng)等高線圖

圖7 α-亞麻酸乙酯微膠囊制品的電鏡照片

［1］W ee S C，John B，Jean P D.Physicochemical and quality characteristics of cold-pressed flaxseed oils［J］.Journal of Food Composition and Analysis，2007（20）:202-211.

［2］郭忠賢，趙毅，蘇占明，等.亞麻籽油的開發(fā)利用［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊，2005（4）:74-75.

［3］周亞東，李明.世界油用亞麻生產(chǎn)發(fā)展回顧與展望［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（9）:151-155.

［4］胡曉軍，郭忠賢，趙毅.亞麻籽綜合利用及開發(fā)前景淺析［J］.中國(guó)麻業(yè)，2002，24（5）:40.

［5］孫蘭萍，許暉，張斌，等.食品成分微膠囊制備技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)展望［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工·學(xué)刊，2008（5）:12-17.

［6］韓路路，畢良武，趙振東，等.微膠囊的制備方法研究進(jìn)展［J］.生物質(zhì)化學(xué)工程，2011，45（3）:41-46.

［7］康吟，陶寧萍，王錫昌.噴霧干燥法制取寶石魚油微膠囊技術(shù)的研究（I）［J］.現(xiàn)代食品科技，2007，23（7）:59-62.

［8］李桂華，錢向明，畢艷蘭.油料油脂檢驗(yàn)與分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006：43.

［9］胡楠，熊興耀，劉東波.刺葡萄籽油微膠囊化研究［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，35（4）:387-390.

［10］徐井水，熊華，彭地緯，等.微膠囊化大豆卵磷脂的制備［J］.中國(guó)油脂，2010，35（1）:51-54.

［11］黃卉，李來(lái)好，楊賢慶，等.噴霧干燥微膠囊化羅非魚油的研究［J］.南方水產(chǎn)，2009，5（5）:19-23.

［12］李素云，李星科，張華，等.噴霧干燥法制備芥末油微膠囊化的研究［J］.中國(guó)調(diào)味品，2013，38（1）:66-68.

［13］姚茂君，劉飛.獼猴桃籽油的微膠囊化研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2006，32（11）:59-62.

［14］孫蘭萍，馬龍，張斌，等.杏仁油微膠囊制備工藝的優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（9）:253-257.

［15］趙巍，王軍，段長(zhǎng)青，等.噴霧干燥法制備微膠囊化山葡萄籽油粉末油脂［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2009，24（12）:77-83.