乳脂微膠囊的制備*

陳欣，王志耕，梅林，薛秀恒

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶與食品科技學(xué)院，安徽省農(nóng)產(chǎn)品加工工程實(shí)驗(yàn)室，皖江合肥農(nóng)產(chǎn)品加工研究院，安徽合肥，230036)

乳脂是乳中最主要的營(yíng)養(yǎng)成分之一，質(zhì)地較為柔軟，香味濃郁，含有人體必需的多種脂肪酸、脂溶性維生素及磷脂類等［1］，容易被消化和吸收，是一種高質(zhì)量的天然脂肪，但其易受外界因素影響，在光、氧氣、溫度、金屬離子的作用下會(huì)氧化產(chǎn)生刺激性氣味［2］，這極大地限制了其在食品加工中的應(yīng)用。微膠囊技術(shù)可改變物質(zhì)形態(tài)、保護(hù)敏感成分、隔離活性物質(zhì)、降低揮發(fā)性等［3］。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)多種植物油脂實(shí)現(xiàn)了微膠囊化，如漢麻籽油［4］、獼猴桃籽油［5］的微膠囊化，經(jīng)微膠囊處理后可保護(hù)芯材延緩其氧化速率。利用微膠囊技術(shù)將乳脂制成微膠囊化產(chǎn)品，理論上亦可有效延緩乳脂氧化速率、降低風(fēng)味物質(zhì)的揮發(fā)損失，提高乳脂的加工、運(yùn)輸及儲(chǔ)存特性。本研究以乳清蛋白為主要壁材，采用噴霧干燥法［6］制備乳脂微膠囊，獲得具有乳清蛋白和乳脂雙重營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳脂，新西蘭安佳公司;濃縮乳清蛋白WPC80、麥芽糊精DE值15-20，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;蒸餾單硬脂酸甘油酯，廣州嘉德樂生化科技有限公司;無(wú)水乙醇(分析純)、乙醚(分析純)、石油醚(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

FLUKO高速分散器，上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司;BS224S電子天平，賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司;超高壓納米均質(zhì)機(jī)(APV 2000)，德國(guó);Malvern激光粒度儀(MASTERSIZER 2000)，英國(guó);GZX-9070MBE數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;HH-S恒溫水浴鍋，江蘇國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠;NDJ-4旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，上海精科;沃迪SD-1500噴霧干燥機(jī)，上海沃迪自動(dòng)化裝備股份有限公司;Beckman Allegra 64R冷凍離心機(jī)，貝克曼公司;Hitachi S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，日本日立公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 乳脂微膠囊的制備工藝

乳清蛋白+麥芽糊精→加熱溶解→加入單甘酯和無(wú)水乳脂兩相混合→高速分散→均質(zhì)→乳化液→噴霧干燥→乳脂微膠囊粉末

1.3.2 微膠囊制備工藝參數(shù)優(yōu)化

1.3.2.1 乳脂微膠囊制備單因素試驗(yàn)

以乳脂包埋率、微膠囊乳化液黏度及穩(wěn)定性為評(píng)定指標(biāo)，考察乳脂微膠囊化的最佳配方和噴霧干燥的最佳條件。微膠囊化的配方包括壁材配比(乳清蛋白與麥芽糊精的質(zhì)量比分別為 2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5)、芯壁比(乳脂與壁材的質(zhì)量比分別為 1∶5、2∶5、3∶5、4∶5、5∶5)、單甘酯添加量(1.5%、3%、4.5%、6%)、固形物濃度(15%、20%、25%、30%、35%)。噴霧干燥的條件有均質(zhì)壓力(20、30、40、50、60 MPa)、進(jìn)風(fēng)溫度(150、160、170、180、190 ℃)和出風(fēng)溫度(60、70、80、90、100 ℃)。

1.3.2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化乳脂微膠囊配方

為確定乳脂微膠囊的最佳配方，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)，選取壁材配比(A)、芯壁比(B)、乳化劑添加量(C)、固形物濃度(D)為因素，以包埋率為響應(yīng)值。因素水平編碼參見表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of response surface experiment

1.3.3 分析測(cè)定方法

1.3.3.1 包埋率的測(cè)定方法

微膠囊表面油的測(cè)定:以石油醚為溶劑，準(zhǔn)確稱取(m1)微膠囊粉末于干燥的三角瓶(m2)中，加入30 mL石油醚，提取5 min，輕微攪拌防止造成人為的微膠囊破損。用濾紙(m3)過濾樣品，并用10 mL石油醚洗滌兩次。將三角瓶和濾紙?jiān)?0℃烘箱中烘至恒重(m4)［7］。

表面油=(m1+m2+m3-m4)/m1

微膠囊總油的測(cè)定:將無(wú)水乙醇、無(wú)水乙醚及石油醚以體積比2∶1∶1混合，以混合后的溶液為溶劑，準(zhǔn)確稱取(m1)微膠囊粉末于干燥的三角瓶中，加入一定的熱水溶解后，加入混合溶劑充分萃取10 min，將萃取液轉(zhuǎn)移至已稱重的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)瓶(m2)中，重復(fù)萃取2次，合并萃取液，將溶劑旋干，60℃烘箱中烘至恒重(m3)［8］。

總油含量=(m3-m2)/m1

1.3.3.2 乳化液的黏度

采用NDJ-4型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)進(jìn)行黏度測(cè)定。

1.3.3.3 乳化液的粒徑

取少許微膠囊乳化液，以純水為分散劑，采用Malvern激光粒度儀測(cè)定微膠囊的粒徑分布。

1.3.3.4 微膠囊形態(tài)觀察

在電鏡進(jìn)樣臺(tái)上貼上一層雙面膠，將少許微膠囊樣品撒于膠面上，稍壓實(shí)，吹去表面多余粉末，用掃描電子顯微鏡觀察乳脂微膠囊樣品微觀結(jié)構(gòu)，加速電壓為1.0 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 微膠囊化配方的單因素試驗(yàn)

2.1.1 壁材配比對(duì)微膠囊化的影響

乳清蛋白與麥芽糊精的不同配比對(duì)微膠囊化的影響見圖1、圖2。由圖1可以看出，隨著乳清蛋白對(duì)麥芽糊精質(zhì)量比的降低，乳化液的粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在質(zhì)量比為1∶3時(shí)粒徑最小。乳化液的平均粒徑越小則乳化液越穩(wěn)定，有利于后期噴霧干燥形成大小均一的微膠囊粉末［9］。同時(shí)，乳化液的黏度則先增加后降低，在質(zhì)量比為1∶2時(shí)達(dá)到最大。黏度過高，易出現(xiàn)黏壁現(xiàn)象，黏度過低，則不易形成囊壁從而影響包埋效率［10］。乳化液包埋率隨乳清蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比的降低而逐漸提高，1∶3時(shí)達(dá)到最大，其后開始降低。這是由于乳清蛋白雖然具有極佳的表面活性和乳化穩(wěn)定性，同時(shí)也具有良好的成膜特性，但過多容易造成囊壁結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。麥芽糊精成膜性較差，主要用以填充蛋白質(zhì)來增加囊壁的致密性和強(qiáng)度［11-12］。所以，壁材配比采用1∶3為宜。

圖1 壁材配比的影響Fig.1 Effects of the wall material ratio

圖2 壁材配比對(duì)包埋率的影響Fig.2 Effects of the wall material ratio on embedding rate

2.1.2 芯壁比對(duì)微膠囊化的影響

芯壁比對(duì)微膠囊化的影響也較明顯，由圖3可知，隨著芯材含量的增加，乳化液的粒徑先緩慢減小后緩慢增大，在2∶5時(shí)達(dá)到最低，乳化液最為穩(wěn)定。乳化液的黏度隨著芯材含量的增加呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。包埋率在芯壁比2∶5時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)乳化液的粒徑最小。芯壁比超過2∶5時(shí)，隨乳脂含量增加則因壁材不足，且溶液黏度過大，噴霧干燥處理時(shí)不易形成霧滴薄膜，致使包埋率下降(圖4)。溶液黏度過大，噴霧時(shí)也容易出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象。故芯壁比選取2∶5最為合適。

圖3 芯壁比的影響Fig.3 Effects of the core and wall material ratio

圖4 芯壁比對(duì)包埋率的影響Fig.4 Effects of the core and wall material ratio on embedding rate

2.1.3 乳化劑添加量對(duì)微膠囊化的影響

由圖5、圖6可知，單甘酯的添加量對(duì)乳脂微膠囊化有一定影響。隨著單甘酯添加量的增加，乳化液的粒徑呈先減小后增大的趨勢(shì)，在添加量為3%時(shí)粒徑最小。溶液的黏度則呈緩慢增加的趨勢(shì)，在添加量為4.5%后黏度變化趨于平緩。乳脂微膠囊包埋率變化和乳化液的粒徑基本一致，呈先增加后降低的規(guī)律。與乳化劑添加量為1.5%的乳化液相比，添加量為3%的乳化液黏度僅增加了0.35 mPa·s，且此時(shí)乳化液的粒徑最小，故3%為單甘酯乳化劑最適宜添加量，此時(shí)乳化液體系穩(wěn)定性好，黏度也較小，包埋率最高。

圖5 乳化劑添加量的影響Fig.5 Effects of the emulsifier dosage

圖6 乳化劑添加量的影響Fig.6 Effects of the emulsifier dosage on embedding rate

2.1.4 固形物濃度對(duì)微膠囊化的影響

由圖7可知，隨著固形物濃度的增加，乳化液的粒徑逐漸減小，25%固形物含量后達(dá)到最小粒徑值。乳化液的黏度值在20%至25%固形物濃度間陡峭增大，而包埋率在20%固形物濃度時(shí)最高，與粒徑最優(yōu)值間存在一定偏移。隨固形物濃度增高，乳化液體系中微膠囊形成物質(zhì)豐富，有利于微膠囊的形成。但當(dāng)固形物濃度過高時(shí)，致使乳化液體系的黏度增大，不利于液滴的霧化，又導(dǎo)致包埋率降低(圖8)。在本乳化液體系條件下，固形物濃度20%最佳。

圖7 固形物濃度的影響Fig.7 Effects of the solid concentration

圖8 固形物濃度的影響Fig.8 Effects of the solid concentration on embedding rate

2.2 噴霧干燥條件的單因素試驗(yàn)

以包埋率為指標(biāo)考察均質(zhì)壓力、進(jìn)風(fēng)溫度與出風(fēng)溫度對(duì)乳脂微膠囊化的影響，結(jié)果參見圖9～圖11。

由圖9～圖11可知，均質(zhì)壓力為40 MPa，進(jìn)風(fēng)溫度為170℃，出風(fēng)溫度為80℃時(shí)，乳脂微膠囊的包埋率最好。

圖9 均質(zhì)壓力對(duì)包埋率的影響Fig.9 Effects of the homogenization pressure on embedding rate

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

2.3.1 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken design(BBD)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果見表2。采用Design-Expert8.0.5軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到以包埋率為目標(biāo)函數(shù)的二次多項(xiàng)回歸方程:

圖10 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)包埋率的影響Fig.10 Effects of the inlet temperature on embedding rate

圖11 出風(fēng)溫度對(duì)包埋率的影響Fig.11 Effects of the outlet temperature on embedding rate

Y=94.15-0.11A-0.9B-0.4C+0.42D-0.23AB-0.46AC+0.22AD+0.23BC-0.61BD-0.31CD-2.11A2-2B2-1.18C2-0.68D2

由表3可知，所建立的二次回歸方程具有高度顯著性(P＜0.000 1)，失擬項(xiàng)0.227 9＞P0.05，不顯著。此模型的相關(guān)系數(shù)R2為93.24%，調(diào)整后R2為86.78%，說明該模型擬合程度較好，試驗(yàn)誤差較小。可以用此模型對(duì)乳脂微膠囊化配方進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

從該模型看，A(壁材配比)對(duì)包埋率的影響不顯著(P＞0.05)，B(芯壁比)、C(乳化劑的添加量)和D(固形物的濃度)對(duì)包埋率的影響極顯著(P＜0.01);交互項(xiàng)中壁材配比和乳化劑的添加量、芯壁比和固形物的濃度交互作用極顯著(P＜0.01)，乳化劑的添加量和固形物濃度交互作用顯著(P＜0.05)，其余各因素之間的交互作用均不顯著(P＞0.05);二次項(xiàng)則均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。由F值還可得出各因素對(duì)包埋率影響大小排列分別為芯壁比＞固形物濃度＞乳化劑添加量＞壁材配比。

表2 乳脂微膠囊配方Box-Benhnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Benhnken text of milk fat microcapsules formula

表3 回歸方程方差分析表Table 3 Analysis results of regression and variance

2.3.2 響應(yīng)面及等高線分析

由圖12可知，壁材配比與固形物中乳化劑的添加量交互作用顯著。壁材配比一定，隨著乳化劑添加量的增加，包埋率提高，隨后逐漸降低。這是由于乳化劑的添加量增加即乳化液體系中能與乳清蛋白結(jié)合的單甘酯越多，微膠囊的囊壁越穩(wěn)定，包埋率增加。乳化劑添加量過多則會(huì)影響乳化液黏度，導(dǎo)致噴霧干燥處理時(shí)不易形成霧滴薄膜，進(jìn)而包埋率降低。乳化劑添加量一定，壁材配比對(duì)包埋率的影響也呈先上升后下降的變化規(guī)律。這是由于隨著壁材配比的增大，在乳化液體系中用以填補(bǔ)乳清蛋白囊壁骨架的麥芽糊精含量增加，囊壁的致密性和穩(wěn)定性得到提高，包埋率增加。壁材配比過大，用以形成主要囊壁骨架的乳清蛋白含量過少，包埋率降低。等高線呈橢圓形，說明壁材配比在約1∶3.1～1∶2.6、乳化劑添加量約在2.4% ～3.3%時(shí)，存在最大交互區(qū)間。

圖12 壁材配比與固形物中乳化劑添加量對(duì)包埋率影響的響應(yīng)面及等高線圖Fig.12 The response surface and contour plots of the embedding rate in wall material ratio and emulsifier dosage

由圖13可知，響應(yīng)面的坡度較陡，芯壁比與固形物濃度交互作用顯著。芯壁比一定，提高固形物濃度，包埋率提高，隨后緩慢降低。這是因?yàn)楣绦挝餄舛忍岣?，乳化液體系中芯材和壁材總量增加，水分含量減少，后期噴霧干燥過程中有利于形成致密性囊壁，提高包埋率。固形物濃度過大則乳化液黏度過大，不利于液滴霧化，包埋率降低。固形物濃度一定，包埋率隨芯壁比的增大呈先上升后下降的規(guī)律。這是因?yàn)殡S著乳化液體系中芯材含量越豐富，包埋越充分，包埋率增加。芯壁比過大則芯材過量壁材含量不足，且黏度較大，包埋率降低。等高線圖呈橢圓形，說明交互作用顯著。等高線沿芯壁比方向變化比沿固形物濃度方向密集，說明芯壁比對(duì)乳脂微膠囊包埋率的影響比固形物濃度大，這與表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致。

圖13 芯壁比與固形物濃度對(duì)包埋率影響的響應(yīng)面及等高線圖Fig.13 The response surface and contour plots of the embedding rate in ratio of core and wall material and solid concentration

2.3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)該模型得到的乳脂微膠囊化最佳配方為:壁材質(zhì)量比為1∶2.56、芯壁質(zhì)量比為1∶2.94、乳化劑添加量為2.87%，固形物濃度為23.44%，其包埋率可達(dá)94.40%?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)操作情況，將最優(yōu)配方修正為:壁材質(zhì)量比為1∶2.6、芯壁質(zhì)量比為1∶3、乳化劑添加量為3%，固形物濃度為23.5%，在此條件下，對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到平均包埋率93.78%，與預(yù)測(cè)值接近。因此，利用響應(yīng)面法優(yōu)化乳脂微膠囊化最佳配方準(zhǔn)確可靠。

2.4 乳脂微膠囊表面形態(tài)觀察

由掃描電鏡圖可以看出，微膠囊表面結(jié)構(gòu)完整，有典型的皺褶及凹陷，這是在噴霧干燥的過程中，霧滴在高溫下迅速干燥導(dǎo)致表面收縮產(chǎn)生，但未見破裂、孔洞現(xiàn)象，說明對(duì)芯材有較好的保護(hù)作用。

圖14 乳脂微膠囊表面結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖Fig.14 SEM image of surface structure of milk fat microcapsule

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)乳脂微膠囊化的配方進(jìn)行優(yōu)化，得到乳脂微膠囊化最佳配方為:壁材質(zhì)量比為1∶2.6、芯壁質(zhì)量比為1∶3、乳化劑添加量為3%，固形物濃度為23.5%。噴霧干燥工藝參數(shù)為:進(jìn)風(fēng)溫度170℃，出風(fēng)溫度80℃，均質(zhì)壓力40 MPa。微膠囊包埋率93%以上，所得微膠囊粉末色澤較白，外形致密，可作為食品工業(yè)配料應(yīng)用。

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