余甘子核仁油微膠囊的制備及其穩(wěn)定性分析

葛雙雙，李 坤，涂行浩，杜麗清，徐 涓，張雯雯,*，張 弘

（1.中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所，國家林業(yè)局特色森林資源工程技術研究中心，云南 昆明 650224；2.臨沂山松藥業(yè)有限公司，山東 臨沂 273600；3.中國熱帶農業(yè)科學院南亞熱帶作物研究所，農業(yè)部熱帶果樹生物學重點實驗室，廣東 湛江 524091）

余甘子核仁油為大戟科葉下珠屬植物余甘子果籽中得到的油脂，關于余甘子核仁油的研究報道并不多，主要集中在核仁油提取及脂肪酸組成方面[1-3]，經前期研究發(fā)現，余甘子核仁油中多不飽和脂肪酸的含量在80%左右，其中僅α-亞麻酸質量分數就在50%左右[4-5]。脂肪酸中雙鍵數目越多、不飽和度越高的油脂其氧化穩(wěn)定性越差[6-7]，由此可以推斷，余甘子核仁油的穩(wěn)定性較差，在加工和貯藏過程中易氧化酸敗[8-9]，變質的油脂不僅會產生難聞的氣味，酸敗過程中產生的過氧化物和自由基更會對人體造成傷害[10-11]。因此，如何提高余甘子核仁油的氧化穩(wěn)定性，是維持余甘子核仁油生理活性和營養(yǎng)價值的關鍵。

常用的預防油脂氧化酸敗的措施是添加抗氧化劑，目前多種天然抗氧化劑和人工合成抗氧化劑的效果都已經得到驗證，該方法可延緩油脂的氧化酸敗[12-13]。但研究發(fā)現人工合成抗氧化劑對人體有毒，而天然抗氧化劑對不同種類油脂的抗氧化效果有顯著差異，需要篩選和摸索[14]。葛雙雙等[15]考察了人工合成抗氧化劑和天然抗氧化劑對余甘子核仁油穩(wěn)定性的研究，并找出了較優(yōu)的抗氧化劑和增效劑組合。微膠囊技術是利用天然的或合成的高分子化合物的成膜性，將各種形態(tài)的物質，也就是芯材包埋在一個封閉的微囊內，避免或減輕外部環(huán)境對芯材的影響[16]，該技術的出現給食品工業(yè)帶來了新進展。將油脂微膠囊化，使液態(tài)油脂轉變?yōu)楣虘B(tài)粉末，不僅延緩其氧化酸敗，延長油脂產品的貯藏期，還提高了產品的使用、貯藏和運輸方便性，所以微膠囊技術得到了更廣泛的應用。噴霧干燥法以成本低、工藝操作簡單的特點被廣泛應用在食品微膠囊制備工業(yè)上。關于余甘子核仁油微膠囊的制備目前鮮見文獻報道，本研究借鑒其他油脂微膠囊的研究方法，以余甘子核仁油為芯材，選取常用的微膠囊壁材，考察了余甘子核仁油微膠囊的制備工藝，并對制備微膠囊產品的穩(wěn)定性進行評價，期望為余甘子核仁油的深加工及行業(yè)的發(fā)展提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

余甘子核仁由中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所景東試驗站提供。

阿拉伯膠 鄭州康本生物科技有限公司；麥芽糊精山東西王糖業(yè)有限公司；SE系列蔗糖脂肪酸酯 柳州愛格富食品科技股份有限公司；單甘酯 美辰集團股份有限公司；以上試劑均為食品添加劑。石油醚（60～90 ℃，分析純） 天津致遠化學試劑有限公司；乙醚（分析純） 成都聯禾化工醫(yī)藥有限公司。

1.2 儀器與設備

892Rancimat專業(yè)型油脂氧化穩(wěn)定性分析儀 瑞士萬通中國有限公司；SW-CJ-ID型單人凈化工作臺 蘇州蘇杰凈化設備有限公司；超聲波清洗器 上?？茖С暱萍加邢薰荆籅-191型噴霧干燥儀 瑞士Büchi公司；C-MAGHS7恒溫加熱磁力攪拌器、T50基本型分散機德國IKA有限公司；TM3000掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM） 日本株式會社日立高新技術那珂事業(yè)所；TENSON2型傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）儀 德國布魯克光譜儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 余甘子核仁油微膠囊的制備

1.3.1.1 余甘子核仁油的提取

取適量粉碎后的余甘子核仁，參照GB/T 14488.1—2008《植物油料 含油量測定》，以正己烷為溶劑進行提取，提取液經旋轉蒸發(fā)儀濃縮后得到余甘子核仁油。

1.3.1.2 余甘子核仁油微膠囊的制備

取一定質量比的阿拉伯膠與麥芽糊精溶于60 ℃的熱水中，并在60 ℃、500 r/min條件下磁力攪拌加熱30 min，然后將加熱溫度升至65 ℃，并加入一定量的乳化劑蔗糖脂肪酸酯與單甘酯（1∶1），緩慢加入一定量的余甘子核仁油，加水至300 g，保持轉速在500 r/min攪拌30 min后，乳液于10 000 r/min高速剪切1 min，并重復高速剪切步驟5 次，得到余甘子核仁油微膠囊乳液。最后在進風溫度180 ℃、進料量7.5 mL/min、熱風流量12 m3/h條件下噴霧干燥，得到余甘子核仁油微膠囊。

1.3.2 余甘子核仁油微膠囊制備工藝優(yōu)化

1.3.2.1 單因素試驗

在阿拉伯膠與麥芽糊精質量比1∶3、芯材-壁材質量比（以下簡稱芯壁比）2∶3、固形物添加量15%條件下，考察乳化劑添加量為0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%時對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響。

在乳化劑添加量1.5%、芯壁比2∶3、固形物添加量15%的條件下，考察阿拉伯膠與麥芽糊精質量比為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5時對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響。

在阿拉伯膠與麥芽糊精質量比1∶3、乳化劑添加量1.5%、固形物添加量15%條件下，考察芯壁比為2∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶2時對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響。

在阿拉伯膠與麥芽糊精質量比1∶3、乳化劑添加量1.5%、芯壁比2∶3條件下，考察固形物添加量為5%、10%、15%、20%、25%時對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響。

1.3.2.2 響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，以余甘子核仁油微膠囊包埋率為響應值，以阿拉伯膠與麥芽糊精質量比、芯壁比、固形物添加量為考察因素，進行3因素3水平響應面試驗，具體因素與水平見表1。

表1 響應面分析試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface analysis

1.3.3 余甘子核仁油微膠囊產品指標的測定

1.3.3.1 余甘子核仁油微膠囊包埋率的測定

微膠囊表面油的測定：精確稱取1.5 g（精確到0.000 1 g，記為m1）余甘子核仁油微膠囊于錐形瓶中，緩慢向錐形瓶中加入25 mL石油醚，浸提15 min后，用漏斗過濾，并用15 mL石油醚洗滌濾渣，將浸提物進行溶劑濃縮，并于60 ℃干燥至恒質量，得到表面油脂質量（m2）。

微膠囊總油的測定：精確稱取3.0 g（精確到0.000 1 g，記為m3）余甘子核仁油微膠囊，將其研磨5 min，采用索氏提取的方法提取余甘子核仁油微膠囊中總油（m4）。包埋率的計算見下式[17]：

式中：m0為總油比，即總油質量（m4）與微膠囊質量（m3）比；m為表面油之比，即表面油質量（m2）與微膠囊質量（m1）比；Y為余甘子核仁油微膠囊的包埋率/%。

1.3.3.2 SEM形態(tài)觀察

將雙面導電膠貼在樣品臺上，然后把少量余甘子核仁油微膠囊粉末分散在導電膠上，用吸耳球吹去多余的粉末，樣品進行噴金處理后用SEM觀察微膠囊產品形態(tài)，加速電壓為5 kV。

1.3.3.3 FTIR分析

采用FTIR分別對余甘子核仁油、壁材與乳化劑混合物、余甘子核仁油微膠囊進行測試。掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，固體試樣經KBr壓片后進行測試，液體樣品直接滴加在KBr片上進行測試。

1.3.3.4 余甘子核仁油微膠囊的貨架期推測

分別精確稱取（3.00±0.01）g余甘子核仁油和余甘子核仁油微膠囊樣品于樣品反應池試管中，加入50 mL超純水（電導率＜0.5 μS/cm）于接收槽中，加熱溫度為100、110、120、130 ℃，空氣流量為10 L/h，通過油脂氧化穩(wěn)定性分析儀測定油脂樣品在不同溫度下的氧化誘導時間，利用油脂氧化穩(wěn)定性分析儀軟件推測其在25 ℃條件下的貨架期。

1.4 數據處理

實驗數據均平行處理3 次，結果以 ±s表示。各單因素對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響采用Origin 8.6數據分析軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 余甘子核仁油微膠囊制備工藝優(yōu)化結果

2.1.1 單因素試驗結果

2.1.1.1 乳化劑添加量對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響

乳化劑種類的選擇以及乳化劑的用量是影響油脂微膠囊化的關鍵因素之一[18]，因為乳化劑不僅能維持乳液的穩(wěn)定性，而且乳化劑能促使油脂均勻的分散在乳液中，形成穩(wěn)定的O/W型小顆粒[17]。

圖1 乳化劑添加量對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響Fig. 1 Effect of emulsifier concentration on microencapsulation efficiency

如圖1所示，隨著乳化劑添加量的增大，余甘子核仁油微膠囊的包埋率先升高后降低，當乳化劑添加量為1.0%時，余甘子核仁油微膠囊包埋率達到最高。究其原因，當乳化劑添加量較低時，乳化液的穩(wěn)定性較差，使得油脂樣品在乳液中分散不均勻[19]，不能形成穩(wěn)定的O/W型小顆粒，從而造成微膠囊的包埋率較低；當乳化劑添加量過多時，會造成乳液黏度增大，不利于后續(xù)的噴霧干燥，因此，微膠囊包埋率下降。

2.1.1.2 阿拉伯膠與麥芽糊精質量比對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響

圖2 阿拉伯膠與麥芽糊精質量比對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響Fig. 2 Effect of gum acacia/maltodextrin ratio on microencapsulation efficiency

阿拉伯膠屬于“高濃低黏”型膠體，并且具有良好的成膜性[20]，因此選擇阿拉伯膠作為余甘子核仁油微膠囊的壁材。但是，阿拉伯膠的氧化穩(wěn)定性不好，因此，研究者常選用阿拉伯膠與麥芽糊精復配，不僅能提高乳液穩(wěn)定性，而且提高了微膠囊壁材的致密性[21]，使其具有較好的氧化穩(wěn)定性。

由圖2可知，隨著阿拉伯膠的用量減少，余甘子核仁油微膠囊的包埋率呈現先升高后降低的趨勢，當阿拉伯膠與麥芽糊精質量比為1∶3時，微膠囊的包埋率達到最大。當阿拉伯膠與麥芽糊精質量比超過1∶3時，即阿拉伯膠的用量增多時，乳液的黏度增大，在后續(xù)噴霧干燥過程中，容易堵塞噴頭，致使整個噴霧干燥工藝耗時較長，使得部分微膠囊發(fā)生氧化，同時噴霧干燥出粉率也大大降低。當阿拉伯膠與麥芽糊精質量比小于1∶3時，即阿拉伯膠的用量減少時，在噴霧干燥過程中，液滴表面的成膜性較差[22]，不利于微膠囊顆粒的產生，從而降低了微膠囊的包埋率。

2.1.1.3 芯壁比對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響

芯壁比不僅影響微膠囊外壁的形成厚度，而且影響整個噴霧干燥工藝，通過以上兩種因素，進而影響微膠囊的包埋率[23]。

圖3 芯壁比對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響Fig. 3 Effect of core/wall ratio on microencapsulation efficiency

由圖3可知，隨著芯壁比的增大，余甘子核仁油微膠囊的包埋率先升高后降低，并在芯壁比為2∶3時，微膠囊的包埋率達到最大值。當芯壁比較小時，即壁材用量遠大于芯材，乳液黏度增大，在噴霧干燥時難以形成微小顆粒，且整個噴霧干燥工藝用時過長，不僅降低了微膠囊的包埋率，而且一部分微膠囊在長時間的高溫下發(fā)生氧化。當芯壁比較大時，即壁材的用量遠小于芯材，有限的壁材無法將芯材完全包裹，致使形成的微膠囊外壁較薄，甚至部分油脂直接裸露在壁材外側，使其包埋率大大降低。

2.1.1.4 固形物添加量對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響

固形物添加量不僅能夠影響微膠囊的包埋率，而且對干燥器的能耗以及產品最終的含水率均有較大的影響[24]。

由圖4可知，隨著固形物添加量的增大，余甘子核仁油微膠囊包埋率逐漸升高，當固形物添加量為15%時，微膠囊的包埋率達到最大值。隨后，隨著固形物添加量的進一步增大，余甘子核仁油微膠囊的包埋率降低。究其原因，當固形物添加量較低時，液滴的水分不能及時蒸發(fā)，不能形成致密的微膠囊；當固形物添加量過高時，乳液的黏度隨之上升，不利于后續(xù)的噴霧干燥，使乳液在霧化階段停留時間過長，致使微膠囊包埋率下降。

圖4 固形物添加量對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響Fig. 4 Effect of solid concentration on microencapsulation efficiency

2.1.2 響應面優(yōu)化試驗結果

2.1.2.1 工藝模型的建立及其顯著性檢驗結果

乳化劑添加量在0.5%～1.5%之間對余甘子核仁油微膠囊的包埋率的影響不大，因此，固定乳化劑添加量為1.0%，在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken進行3因素3水平試驗設計，選用阿拉伯膠與麥芽糊精質量比、芯壁比、固形物添加量為考察因素，以余甘子核仁油微膠囊的包埋率Y為響應值，進行優(yōu)化試驗設計，具體設計方案以及試驗結果見表2。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Box-Behnken design and corresponding experimental results

對表2數據進行多元回歸擬合分析，得到以余甘子核仁油微膠囊包埋率（Y）為目標函數的一個二次多元回歸方程：Y=88.55+3.34A+0.16B-2.37C-1.86AB+1.00AC-0.37BC-4.75A2-3.51B2-6.53C2。由該數學模型的決定系數（R2=0.999 7）及預測決定系數（R2Adj=0.999 2）可知，該數學模型的擬合程度較好，因而模型可靠性高。

由表3可知，該回歸模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P=0.146 8＞0.05），表明該模型實測值與預測值擬合度較好，因而該模型能較好地分析和預測余甘子核仁油微膠囊包埋率的效果。

對于余甘子核仁油微膠囊包埋率（Y），一次項A（阿拉伯膠與麥芽糊精質量比）、C（固形物添加量）均極顯著，B（芯壁比）影響顯著；交互項AB、AC、BC均極顯著；二次項A2、B2、C2均極顯著。結合表3中F值大小，可知各因素對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響效應依次為A（阿拉伯膠與麥芽糊精質量比）＞C（固形物添加量）＞B（芯壁比）。

表3 余甘子核仁油微膠囊包埋率的方差分析結果Table 3 Analysis of variance for microencapsulation efficiency

2.1.2.2 交互作用分析

圖5 兩因素交互作用對余甘子核仁油微膠囊包埋率影響的響應面圖Fig. 5 Response surface plots showing the interactive effects of various factors on microencapsulation efficiency

由圖5可知，各因素中阿拉伯膠與麥芽糊精質量比對余甘子核仁油微膠囊包埋率的影響最大，其次是固形物添加量，影響相對較小的是芯壁比。

2.1.2.3 驗證實驗結果

采用Design-Expert 8.0.6進行分析，得到最佳組合條件為阿拉伯膠與麥芽糊精質量比73∶240、芯壁比197∶300、固形物添加量14.2%，在此條件下響應面模型預測得到的余甘子核仁油微膠囊包埋率為89.31%。考慮到實際工藝操作，將優(yōu)化條件調整為阿拉伯膠與麥芽糊精質量比1∶3.4、芯壁比2∶3、固形物添加量14.2%，進行3 次驗證實驗，實際測得余甘子核仁油微膠囊包埋率為（90.74±0.51）%。實驗結果與預測值結果相差不大，說明該模型方程與實際情況擬合度較好，響應面法得到的模型方程用于預測余甘子核仁油微膠囊制備過程中包埋率是可行的。

2.2 余甘子核仁油微膠囊產品指標測定結果

2.2.1 SEM

圖6 余甘子核仁油微膠囊SEM圖Fig. 6 SEM images of Phyllanthus emblica L. seed oil microcapsules

由圖6可以看出，余甘子核仁油微膠囊基本呈表面光滑的圓球形，少量表面有凹陷，顆粒直徑在10 μm左右，少量顆粒直徑達30 μm左右。有極少數微膠囊顆粒出現破裂，可能是由于個別微膠囊顆粒大，壁厚不均勻，在干燥過程中破碎導致，破裂的微膠囊可見其內部中空結構，這從另一個方面也說明以阿拉伯膠和麥芽糊精為壁材可實現對余甘子核仁油的包埋。

2.2.2 FTIR

圖7 不同樣品的FTIR圖Fig. 7 FTIR spectra of different materials

由圖7可以看出，余甘子核仁油微膠囊和壁材+乳化劑在波數3 000～3 600 cm-1處出現了強烈的吸收峰，這個特征吸收峰主要來源于壁材阿拉伯膠和麥芽糊精的—OH伸縮振動峰[25-26]，1 645 cm-1處有乳化劑蔗糖脂肪酸酯和麥芽糊精等糖類分子的—OH振動吸收峰[27]，而余甘子核仁油中這個振動吸收峰不明顯，二者足以說明微膠囊中含有壁材。余甘子核仁油中含有大量長碳鏈不飽和脂肪酸亞麻酸和亞油酸，這兩種分子中含有大量不飽和雙鍵，從余甘子核仁油的FTIR圖看出在波數3 010.93 cm-1處有吸收，這是＝C—H伸縮振動形成的[28]，720.72 cm-1處為4 個以上的CH2變形振動，也就是油脂的碳鏈骨架振動峰[29]，而在微膠囊產品中這兩個振動吸收明顯減弱，這也說明余甘子核仁油被壁材包埋在內部，伸縮振動變得不明顯。

2.2.3 余甘子核仁油微膠囊的貨架期

油脂的貨架期推測方法一般采用Rancimat或烘箱法，Rancimat法通過測定油脂在不同溫度下過氧化值達到10 mmol/kg的時間，并利用外推法計算油脂在室溫下過氧化值達到10 mmol/kg時所用的時間[30-31]。Rancimat法具有周期短、檢測靈敏等優(yōu)點，因此，本實驗利用Rancimat法測定油脂樣品在不同溫度下的氧化誘導時間，結果見表4。

表4 溫度對余甘子核仁油及其微膠囊氧化誘導時間的影響Table 4 Effects of temperature on the oxidation induction time of free and microencapsulated oil

由表4可知，隨著溫度的升高，油脂的氧化誘導時間顯著降低，說明升溫不利于油脂樣品的保存，因此，油脂應當儲存在低溫環(huán)境中。通過外推法中Q10經驗模型得到貨架期與溫度的關系方程，t=A×exp（B×T）（t為貨架期，A為溫度系數，B為Q10系數，T為貨架期對應的溫度），推測油脂在溫度T為25 ℃條件下的貨架期，其結果如表5所示。

表5 余甘子核仁油及其微膠囊的貨架期推測（25 ℃）Table 5 Shelf-life prediction of free and microencapsulated oil (25 ℃)

按照觀察經驗來說，加熱溫度每降低10 ℃，誘導時間約增大1 倍，即Q10接近2，本實驗中兩個樣品的Q10為2.540 2和2.370 4，說明符合Q10模型。由表5可知，余甘子核仁油的貨架期為3 070 h，即128 d，通過微膠囊化法制備出的余甘子核仁油微膠囊貨架期達到17 180 h，即716 d。上述結果說明，致密的微膠囊壁材結構能夠減緩氧氣對微膠囊的滲透，所以通過微膠囊化處理可顯著延長余甘子核仁油的貨架期，對維持余甘子核仁油的氧化穩(wěn)定性有明顯效果，此工藝也為后續(xù)的余甘子核仁油的進一步的加工、利用等過程提供理論參考。

3 結論與討論

利用噴霧干燥法成功制備了余甘子核仁油微膠囊，通過響應面優(yōu)化，確定了最佳制備微膠囊的工藝參數為乳化劑添加量1%、阿拉伯膠與麥芽糊精質量比1∶3.4、芯壁比2∶3、固形物添加量14.2%，在此工藝條件下余甘子核仁油微膠囊包埋率達到（90.74±0.51）%。通過SEM和FTIR分析再次驗證了該微膠囊的形成。對制備出的微膠囊和余甘子核仁油在相同條件下進行了氧化誘導時間的測定，并在該誘導時間的基礎上對微膠囊在25 ℃條件下的貨架期進行預測，微膠囊的貨架期為716 d，相比較余甘子核仁油的128 d貨架期明顯延長。

目前關于余甘子核仁油的研究報道還較少，對于該油脂的相關應用更是鮮見文獻報道，但從多項研究結果可以證實，余甘子核仁油富含多不飽和脂肪酸，尤其是以α-亞麻酸為代表的ω-3系列多不飽和脂肪酸，因此，余甘子核仁油有較大的開發(fā)和利用潛力。而油脂穩(wěn)定性是不容忽略的一個問題，通過本研究結果可見，微膠囊化能有效地維持余甘子核仁油的穩(wěn)定性。并且，微膠囊在貯存、運輸和應用方面更為方便，此工藝對今后余甘子核仁油的產品開發(fā)具有較強的指導意義。然而，本研究僅以包埋率為指標，對噴霧干燥制備微膠囊的工藝參數進行了優(yōu)化，并未對包埋及干燥過程中余甘子核仁油脂肪酸組成的變化進行研究，后續(xù)可在余甘子核仁油全加工過程的穩(wěn)定性及其他微膠囊化方法等方面開展更加深入的研究工作。