藻油的微膠囊化*

呂軍偉，楊賢慶，林婉玲，馬海霞，魏涯，李來好

1(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心，農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510300)

2(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海，201306)

DHA(docosahexaenoic acid)為二十二碳六烯酸，俗稱腦黃金，隸屬于ω-3系列多不飽和脂肪酸。當(dāng)前魚油及藻油為DHA提取的主要來源，從藻油中提取的DHA相比于魚油有著腥味小，膽固醇含量少，污染率低的優(yōu)點(diǎn)，且培養(yǎng)生長速率快、周期短、營養(yǎng)價(jià)值高、生物積累量高及占地面積少，當(dāng)前市場(chǎng)上多選擇藻油作為DHA的來源和載體應(yīng)用于食品行業(yè)［1-2］。DHA具有健腦明目、消炎并抑制過敏反應(yīng)、預(yù)防心血管疾病和帕森斯疾病、抗衰老及抗癌等功能特性，在生理學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到認(rèn)可和廣泛應(yīng)用［3-7］。但DHA是多不飽和脂肪酸，對(duì)光、氧、熱等因素較為敏感，易被氧化，使部分功能活性喪失甚至對(duì)人體造成危害，因此常用微膠囊技術(shù)對(duì)微藻油包埋以提高其穩(wěn)定性［8，9］。

微膠囊技術(shù)是采用合成或天然材料將固體、液體或氣體包埋并封存在一種膠囊內(nèi)成為固體微粒產(chǎn)品的技術(shù)［10］。用微膠囊技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于通過隔離包埋的作用把敏感成分隔離環(huán)境，屏蔽不良顏色和味道，改變物質(zhì)的性質(zhì)或表面性能，在食品業(yè)得到廣泛應(yīng)用。粉末化油脂以油脂作芯材，挑選合適的壁材，用微膠囊技術(shù)制成微膠囊化產(chǎn)品，其有液體油脂特性，又有較好的微膠囊產(chǎn)品特點(diǎn)，受到食品工業(yè)的熱捧。利用微膠囊技術(shù)將DHA藻油微膠囊化能有效地防止藻油氧化變質(zhì)，提高藻油氧化穩(wěn)定性，延長藻油貨架期并賦予藻油新的優(yōu)良特性。當(dāng)前制備微膠囊方法較多，其中噴霧干燥法是制備油脂微膠囊化產(chǎn)品的常用方法之一。噴霧干燥法要求微膠囊壁材具有低粘度和高載油率特點(diǎn)。大豆分離蛋白和麥芽糊精復(fù)合壁材具有成膜性好、乳化性強(qiáng)、粘度低的特點(diǎn)，是近年常用于制備油脂微膠囊化壁材，其經(jīng)篩選亦適用于噴霧干燥法制備微膠囊化產(chǎn)品。為了更好適應(yīng)工業(yè)化的生產(chǎn)需要，本實(shí)驗(yàn)以DHA藻油的包埋率作為考察指標(biāo)探究了噴霧干燥法制備藻油微膠囊的工藝，為藻油的綜合利用探尋一條有效途徑。

1 材料與試劑

SD-1000噴霧干燥器，東京理化器械株式會(huì)社;DHG-9145A電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技有限公司;紫外分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)。

藻油，廣東潤科生物工程有限公司;大豆分離蛋白，格雷西亞(成都)化學(xué)技術(shù)有限公司;麥芽糊精，格雷西亞(成都)化學(xué)技術(shù)有限公司;單硬脂酸甘油酯，廣州美晨科技實(shí)業(yè)有限公司;蔗糖脂肪酸酯，柳州愛格富食品科技股份有限公司;阿拉伯膠，格雷西亞(成都)化學(xué)技術(shù)有限公司;β-環(huán)糊精，格雷西亞(成都)化學(xué)技術(shù)有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 藻油微膠囊的制備工藝

用大豆分離蛋白和麥芽糊精作為復(fù)合壁材，單甘脂和蔗糖酯為復(fù)合乳化劑，先將復(fù)合壁材和蔗糖酯溶解于70℃水中形成壁材溶液，單甘脂溶解于藻油形成芯材溶液;再將形成的混合壁材溶液緩慢的加到芯材溶液中形成 O/W 型乳液，高速(10 000 r/min)乳化5 min后，在40 MPa下均質(zhì)2次。對(duì)均質(zhì)后的乳化液進(jìn)行噴霧干燥，進(jìn)風(fēng)溫度為170℃，出風(fēng)溫度為80℃，進(jìn)料溫度為60℃，最后得到粉末物質(zhì)即為目標(biāo)產(chǎn)物藻油微膠囊。

2.2 指標(biāo)測(cè)定

2.2.1 乳化穩(wěn)定性測(cè)定［11］

量取50 mL已均質(zhì)完全的乳化液置于50 mL具塞試管中，40℃水浴中放置24 h，記錄游離水層體積V。

乳液穩(wěn)定性/%=(50-V)/50×100

式中:V，游離水層體積，mL。

2.2.2 包埋率測(cè)定［12］

準(zhǔn)確稱取2～3 g微膠囊產(chǎn)品，再用石油醚洗滌3次后合并濾液于燒杯中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去石油醚后，稱量得到的藻油質(zhì)量即為微膠囊表面油(m1)。微膠囊總油指用于制備微膠囊的藻油(m)。計(jì)算如下:

包埋率/%=(1-m1/m)×100

2.3 單因素及正交設(shè)計(jì)

分別考察壁材的種類，固形物濃度，芯壁比，壁材比，進(jìn)風(fēng)溫度，出風(fēng)溫度和均質(zhì)壓力等因素對(duì)藻油包埋率的影響，并在單因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交設(shè)計(jì)。單因素基礎(chǔ)上選取固形物濃度，芯壁比，壁材比為3個(gè)因素，另選取噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度和乳化均質(zhì)壓力3個(gè)因素，采用三因素三水平正交試驗(yàn)，以微膠囊制品的包埋率為指標(biāo)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到最優(yōu)的藻油微膠囊化工藝參數(shù)，正交因素水平表見表1，表2。

表1 微膠囊化工藝優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)表Table 1 Orthogonal experiment table of microencapsulation for process optimization

2.4 微膠囊產(chǎn)品的抗氧化性

微膠囊產(chǎn)品的抗氧化性是評(píng)價(jià)油脂噴霧干燥技術(shù)的重要指標(biāo)之一，本試驗(yàn)用 GB/T 5538-2005測(cè)定產(chǎn)品過氧化值(POV)［13］。

2.5 藻油微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)

測(cè)定微膠囊的密度［14］、水分［15］及溶解度［16］等，探究微膠囊產(chǎn)品的基本物理特性。

表2 微膠囊化工藝優(yōu)化正交實(shí)驗(yàn)表Table 1 Orthogonal experiment table of microencapsulation for process optimization

3 結(jié)果與討論

3.1 不同壁材復(fù)配制備微膠囊產(chǎn)品的效果比較

選擇合適壁材對(duì)微膠囊制備極為關(guān)鍵，其直接決定了微膠囊化產(chǎn)品的包埋效果及其釋放特性。由表1可知，大豆分離蛋白和麥芽糊精作為復(fù)合壁材時(shí)，微膠囊包埋率較高、乳化穩(wěn)定性好且噴霧狀態(tài)好，是因?yàn)榇蠖狗蛛x蛋白含90% 以上蛋白質(zhì)，兼具親水基和疏水基，有較強(qiáng)的乳化性和成膜性。而麥芽糊精溶解性良好，黏度低，有一定成膜性，可形成致密玻璃體。當(dāng)以蛋白質(zhì)和麥芽糊精作為復(fù)合壁材時(shí)，蛋白分子吸附于油滴表面，麥芽糊精分散在連續(xù)相中，在噴霧干燥過程中由于水分蒸發(fā)，麥芽糊精分子覆蓋在蛋白質(zhì)膜表面，以此提高蛋白質(zhì)膜的厚度、強(qiáng)度及致密性。表3中可得A組也有較好的包埋率，但考慮其高昂的價(jià)格限制擇優(yōu)選擇C組作為微膠囊壁材。

表3 不同壁材對(duì)藻油微膠囊化影響Table 3 Effect of ratio of core material to wall material on microencapsulation of of algae oil

3.2 乳化劑選擇

選擇蔗糖脂肪酸酯(HLB=13)和單硬脂酸甘油酯(HLB=3.8)作為復(fù)合乳化劑，單甘脂和蔗糖酯的比例選擇為 1∶9，2∶8，3∶7，4∶6，5∶5(g∶g)，測(cè)定不同比例下藻油的乳化穩(wěn)定性;乳化劑含量選擇1%、2%、3%、4%、5%，以不同添加含量對(duì)藻油乳化穩(wěn)定性影響為考察指標(biāo)，找到最佳的乳化劑添加量。

由圖1可以看出，當(dāng)乳化劑單甘酯與蔗糖酯配比為3∶7時(shí)，乳化液穩(wěn)定性最強(qiáng);在該配比下，隨著該混合乳化劑添加量的增加，乳化劑穩(wěn)定性逐漸上升，添加量達(dá)到3%時(shí)乳化穩(wěn)定性趨于平衡，考慮到乳化液濃度及乳化劑成本因素，乳化劑添加量選擇3%。

圖1 乳化劑比例(a)和添加量(b)對(duì)藻油乳化液穩(wěn)定性影響Fig.1 Effect of emulgator ratio and concentration on the stability of algae oil

3.3 藻油微膠囊化工藝的單因素試驗(yàn)

3.3.1 壁材比例對(duì)微膠囊產(chǎn)品包埋率影響

壁材比例大小直接影響著微膠囊物料整體的乳化性和致密性，本研究選擇大豆分離蛋白與麥芽糊精比例分別為 1∶1、2∶3、1∶2、2∶5 和 1∶3(g∶g)，探究其對(duì)藻油包埋率影響。由圖2可知，壁材比例對(duì)包埋率有較為顯著影響，當(dāng)大豆分離蛋白與麥芽糊精的比例低于1∶2時(shí)，包埋率隨著大豆分離蛋白的增加而提高，這是因?yàn)榇蠖狗蛛x蛋白有較強(qiáng)的乳化能力，促進(jìn)油滴表面的成膜性，提高了乳狀液的穩(wěn)定性;但當(dāng)大豆分離蛋白比例過大時(shí)，包埋率也降低，是由于隨著麥芽糊精比例的減少，油滴表面微膠囊膜致密性和強(qiáng)度降低，通透性增強(qiáng)，導(dǎo)致微膠囊包埋率降低。因此，當(dāng)壁材配比為1∶2時(shí)，包埋率最高。

3.3.2 固形物含量對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

固形物含量影響乳狀液穩(wěn)定性和微膠囊包埋率，影響噴霧干燥的速度及微膠囊壁形成的快慢，本研究選擇的固形物濃度為 5%、10%、15%、20%、25%，探究其對(duì)藻油微膠囊包埋率的影響。由圖3可知，隨著固形物含量上升微膠囊包埋率先上升后下降，15%固形物含量微膠囊包埋率最高，這是因?yàn)殡S著固形物含量提高，囊壁形成加快，其利于增加微膠囊壁的致密性，提高微膠囊包埋率;20%固形物含量以上微膠囊包埋率下降與乳化液的黏度較高有關(guān)，黏度較高會(huì)影響均質(zhì)和噴霧干燥的順利進(jìn)行，液滴霧化難度加大，較難形成均勻的顆粒，影響微膠囊的包埋率。綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選擇15%為最佳固形物含量。

圖2 壁材配比對(duì)藻油包埋率的影響Fig.2 Effect of the ration between wall material on the embedding vatio of algae oil

圖3 固形物含量對(duì)藻油包埋率的影響Fig.3 Effect of the ration between soilds concentration on the ewbed ding mtio of algae oil

3.3.3 芯壁比對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

不同芯材含量包埋率不同，芯材含量太少，則浪費(fèi)壁材且提高成本;若芯材含量過多，包埋率下降，因此本研究選芯壁比分別為 1∶1、2∶3、1∶2、2∶5 和 1∶3(g∶g)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究芯壁比對(duì)藻油微膠囊包埋率影響。由圖4可知，一定比例范圍內(nèi)隨芯壁比增大，即隨著壁材含量的增加，微膠囊的包埋率不斷提高。這是由于隨著壁材含量增加，干燥成膜的速度加快，芯材損失率減少，則包埋率提高;但當(dāng)芯壁比達(dá)到1∶2時(shí)，包埋率隨著芯壁比的增加而下降，是因?yàn)殡S著壁材量的增加，噴霧干燥時(shí)微膠囊霧化速度下降，樣品在霧化階段所需時(shí)間增長而造成芯材析出。因此，在芯壁比為1∶2最合適，且能達(dá)到含油量30% 以上的要求。

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

圖4 芯壁比對(duì)藻油包埋率的影響Fig.4 Effect of the core-to-wall material ration on the embedding vatio of algae oil

噴霧干燥制備微膠囊過程中，進(jìn)風(fēng)溫度的大小關(guān)系到微膠囊顆粒結(jié)構(gòu)、含水量及其穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)選擇 150、160、170、180、190 ℃進(jìn)行試驗(yàn)，選擇最佳進(jìn)風(fēng)溫度。從圖5可知，包埋率隨進(jìn)風(fēng)溫度的升高先增加后降低。這是因?yàn)椋S著進(jìn)風(fēng)溫度升高，乳化液液滴表面的成膜速度提高，其減少了芯材的釋放和滲漏，包埋率得到提高;但當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度超過170℃以后，由于干燥速率過快導(dǎo)致微膠囊顆粒表面的穩(wěn)定玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成微膠囊顆粒結(jié)構(gòu)破裂，包埋率下降。因此，本研究中170℃為最佳進(jìn)風(fēng)溫度。

圖5 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)藻油包埋率的影響Fig.5 Effect of the inlet temperature on the embedding vatio of algae oil

3.3.5 噴霧干燥時(shí)出口溫度對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

出風(fēng)溫度代表著干燥塔內(nèi)的整體溫度，為微膠囊顆粒停留在塔內(nèi)的實(shí)際溫度，決定了微膠囊成品的含水量及顆粒結(jié)構(gòu)的成型性，本實(shí)驗(yàn)選擇50、60、70、80、90℃進(jìn)行研究，選擇最佳的出風(fēng)溫度。由圖6可知，當(dāng)溫度小于70℃時(shí)，隨著出風(fēng)溫度的升高，藻油包埋率不斷提高，這是因?yàn)殡S著出風(fēng)溫度的升高，整個(gè)噴霧器內(nèi)的熱量循環(huán)效果得到提升，減少了產(chǎn)品顆粒降速干燥時(shí)間，迅速形成完整致密的微膠囊結(jié)構(gòu)，也減少了產(chǎn)品的含水量;當(dāng)出風(fēng)溫度高于70℃時(shí)，微膠囊產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)過熱情況，產(chǎn)品容易被烤焦，甚至分解并出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致芯材外漏，這嚴(yán)重影響到微膠囊產(chǎn)品的包埋率和質(zhì)量。綜合考慮，我們將出風(fēng)溫度設(shè)定為70℃為最佳出風(fēng)溫度。

圖6 出口溫度對(duì)藻油包埋率的影響Fig.6 Effect of the outlet temperature on the embedding vatio of algae oil

3.3.6 均質(zhì)壓力對(duì)微膠囊制品包埋率的影響

高壓均質(zhì)處理使芯材與壁材進(jìn)一步混勻并高度分散，更便于微膠囊產(chǎn)品的制備，本研究選取均質(zhì)壓力30、35、40、45、50 MPa 進(jìn)行均質(zhì)，選取最佳的均質(zhì)壓力。由圖7可知，40 MPa之前，隨著壓力的提高，包埋率提高，這是因?yàn)榫|(zhì)壓力的升高有利于形成較小且均勻的液滴，乳狀液更加均勻，則體系中更不易發(fā)生液滴的凝聚，提高乳狀液的穩(wěn)定性，有利于微膠囊的進(jìn)行;當(dāng)壓力大于40 MPa后，包埋率降低，是由于較高的壓力導(dǎo)致乳化液液滴過小，液滴表面積增大，表面能提高，一定程度上降低了乳狀液的穩(wěn)定性進(jìn)而影響包埋率。因此，本研究選擇40 MPa作為最佳的均質(zhì)壓力。

圖7 均質(zhì)壓力對(duì)藻油包埋率的影響Fig.7 Effect of the homogenizing pressure on the embedding vatio of algae oil

3.4 正交法優(yōu)化藻油微膠囊化工藝

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行 L9(33)正交試驗(yàn)結(jié)果見表4，方差分析見表5。由表5可知，各因素對(duì)藻油微膠囊包埋率影響順序?yàn)楣绦挝锖浚拘颈诒龋颈诓谋?，出風(fēng)溫度＞均質(zhì)壓力＞進(jìn)風(fēng)溫度;從表4、表6中可得，固形物含量、芯壁比、出風(fēng)溫度和均質(zhì)壓力均對(duì)微膠囊包埋率影響顯著，分析原因是由于固形物含量能影響噴霧干燥的速度及玻璃體的形成速度，芯壁比則影響微膠囊的成膜性和乳化性，出風(fēng)溫度影響微膠囊成品的含水量及顆粒結(jié)構(gòu)的成型性，均質(zhì)壓力影響乳狀液的分散性及乳狀液滴的大小;由表6可知，以微膠囊包埋率為指標(biāo)，藻油微膠囊噴霧干燥的最佳工藝條件為壁材比1∶2，芯壁為1∶2，固形物含量為15%，進(jìn)風(fēng)溫度170℃，出風(fēng)溫度70℃，均質(zhì)壓力45 MPa，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明該最優(yōu)組合的微膠囊包埋率達(dá)到92.8%。

表4 微膠囊化工藝正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 The results of orthogonal experiment of microencapsulation for process

表5 正交試驗(yàn)方差分析Table 5 Analysis variance of orthogonal test

3.5 微膠囊產(chǎn)品的氧化穩(wěn)定性分析

以優(yōu)化工藝后的產(chǎn)品為樣品，取適宜微膠囊產(chǎn)品進(jìn)行60℃烘箱加速加速試驗(yàn)，并與未微膠囊化的藻油進(jìn)行對(duì)比。由圖8可知，藻油微膠囊化能明顯降低藻油的氧化速度，在加速氧化12 d后，未微膠囊化藻油的POV值從初始的0.92 meq/kg上升至29.462 meq/kg，而微膠囊藻油的POV值則僅為9.236 meq/kg，抗氧化效果顯著。

圖8 藻油微膠囊產(chǎn)品的氧化穩(wěn)定性分析Fig.8 Analysis of oxidative stability of microencapsulated algae oil

表6 微膠囊化工藝正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 The results of orthogonal experiment of microencapsulation for process

表7 正交試驗(yàn)方差分析Table 7 Analysis variance of orthogonal test

3.6 微膠囊產(chǎn)品的物理特性

外觀:無結(jié)塊，奶粉狀乳白色粉末;風(fēng)味:無異味;經(jīng)測(cè)定密度為0.8 034 g/cm3;溶解性:熱水溶解較快，無沉淀析出，流動(dòng)性良好，溶解度達(dá)92.6%;水分含量僅為2.81%。

4 結(jié)論

本研究以DHA藻油為原料，以包埋率為指標(biāo)，用噴霧干燥法制備微膠囊，通過單因素與正交試驗(yàn)得到了最佳工藝條件，結(jié)果顯示，最優(yōu)的制備工藝條件為壁材比1∶2，芯壁為1∶2，單硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯(3∶7)用量為3%，固形物含量為15%，進(jìn)風(fēng)溫度170℃，出風(fēng)溫度70℃，均質(zhì)壓力為45 MPa。經(jīng)驗(yàn)證，用大豆分離蛋白和麥芽糊精為壁材微膠囊化后的藻油包埋率達(dá)到92.8%且氧化穩(wěn)定性得到了顯著提高。

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