復(fù)合凝聚結(jié)合冷凍干燥制備紫蘇油微膠囊的工藝研究

常大偉, 張?zhí)鞂? 馬如甜, 鄭燦輝, 方晨璐

(陜西科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

紫蘇油是亞麻酸的主要膳食來(lái)源之一，其中的亞麻酸含量高達(dá)53.6%～64%.α-亞麻酸是人體必需的脂肪酸，在體內(nèi)代謝可以轉(zhuǎn)化成能夠幫助降低膽固醇和甘油三酯含量、促進(jìn)體內(nèi)飽和脂肪酸代謝的必需多不飽和脂肪酸EPA，和被稱為腦黃金、具有能促進(jìn)胎兒大腦發(fā)育、促進(jìn)視網(wǎng)膜光感細(xì)胞成熟等功能的DHA[1-3].長(zhǎng)期食用紫蘇籽油對(duì)調(diào)節(jié)人體新陳代謝、預(yù)防和治療心血管疾病及高血脂有很好的效果，因此紫蘇油被認(rèn)為是潛在的功能性脂質(zhì)[4,5]，被稱為陸地深海魚油，在人體營(yíng)養(yǎng)和健康方面有重要功效，可作為功能性食品配料、化妝品原料和藥用基礎(chǔ)材料進(jìn)行研究及應(yīng)用.

但從另一方面來(lái)看，由于富含多不飽和脂肪酸，紫蘇油極易氧化[6]，限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定化處理可防止紫蘇油中高含量不飽和脂肪酸的氧化，保存其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，延長(zhǎng)其保質(zhì)期，使用微膠囊技術(shù)使油脂粉末化，可獲得包埋率更高、穩(wěn)定性更好的紫蘇油微膠囊產(chǎn)品[7].

復(fù)合凝聚反應(yīng)制備微膠囊技術(shù)是指兩種聚合物電解質(zhì)在水溶液中具有相反電荷，發(fā)生相互作用形成凝結(jié)層沉積在乳液表面上，然后通過(guò)橋聯(lián)劑固化，最終形成穩(wěn)定的微膠囊[8-13].復(fù)合凝聚制備微膠囊一般選取蛋白質(zhì)-多糖發(fā)生靜電反應(yīng)，多糖在大范圍pH值范圍內(nèi)帶負(fù)電，而蛋白質(zhì)在其等電點(diǎn)周圍帶有不同的電荷，因此調(diào)控至某一特定pH值，可以使兩者發(fā)生復(fù)合凝聚，獲得微膠囊[14-16].

本文通過(guò)分析制備復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊的關(guān)鍵控制點(diǎn)，對(duì)形成的微膠囊的形態(tài)進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上采用冷凍干燥進(jìn)一步制備紫蘇油微膠囊粉末，為擴(kuò)大紫蘇油的應(yīng)用范圍提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料

明膠、阿拉伯膠、氫氧化鈉、冰醋酸、淀粉，均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；紫蘇油，購(gòu)于西安風(fēng)吹麥浪農(nóng)產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)有限公司；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，一鳴精細(xì)化工有限公司.

1.2 主要儀器和設(shè)備

光學(xué)顯微鏡，奧林巴斯(深圳)工業(yè)有限公司；高壓均質(zhì)機(jī)，尼魯索爾維公司；紫外可見分光光度計(jì)，上海達(dá)平儀器有限公司；高速剪切乳化機(jī)，弗魯克流體機(jī)械制造有限公司；懸臂式攪拌器，上海昂尼儀器儀表有限公司；冷凍干燥機(jī)，金西盟生物技術(shù)有限公司；掃描電子顯微鏡，復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 紫蘇油微膠囊的制備工藝流程

將一定量的明膠與阿拉伯膠加入盛有500 mL超純水的燒杯中，65 ℃下于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中溶解，待完全溶解后，冷卻至室溫，加入紫蘇油， 經(jīng)高速剪切機(jī)以10 000 rpm剪切30 s后，用均質(zhì)機(jī)于400 bar均質(zhì)壓力下均質(zhì)2次，形成均勻乳狀液.之后倒入三口燒瓶中，在45 ℃水浴下用300 rpm的懸臂式攪拌器攪拌，同時(shí)逐滴滴入10%的醋酸溶液降低pH至發(fā)生復(fù)合凝聚反應(yīng)，一段時(shí)間后將溫度降至15 ℃，加入10%的氫氧化鈉溶液調(diào)整pH至6.0，隨后加入質(zhì)量為明膠質(zhì)量1/4的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶固化2 h，于1 109×g離心力下離心5 min，除去上清液，隨即冷凍干燥得到固態(tài)微膠囊.

1.3.2 明膠-阿拉伯膠復(fù)合凝聚制備紫蘇油微膠囊影響因素實(shí)驗(yàn)

(1)壁材濃度對(duì)微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

明膠與阿拉伯膠的混合比例為1∶1、芯壁比為1∶1、pH為3.9、攪拌速度為300 rpm，研究壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.5%、1%、2%和2.5%時(shí)微膠囊的結(jié)構(gòu).

(2)pH值對(duì)微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

固定明膠與阿拉伯膠的混合比例為1∶1、壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、芯壁比為1∶1、攪拌速度為300 rpm，研究pH分別為4.5、3.9、3.5、3.2和2.9時(shí)微膠囊的形態(tài).

(3)芯壁比對(duì)微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

將明膠與阿拉伯膠混合比例固定為1∶1、壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、攪拌速度為300 rpm、pH 3.9，研究芯壁比為2∶1、1∶1、1∶2時(shí)微膠囊的形態(tài).

(4)攪拌速度

將明膠與阿拉伯膠混合比例固定為1∶1、壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、芯壁比為1∶1、pH 3.9，研究攪拌速度為100 rpm、300 rpm、500 rpm時(shí)微膠囊的形態(tài).

1.3.3 復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)觀察

取一滴復(fù)合凝聚微膠囊懸浮液，將其置于載玻片上，放大倍數(shù)400倍，并在倒置顯微鏡下觀察并拍照.

1.3.4 掃描電鏡觀察

在電鏡的進(jìn)樣臺(tái)上貼上雙面膠，將少許凍干的微膠囊粉末撒于膠面上，用氮?dú)獯等ザ嘤嗟姆勰?噴金后用掃描電子顯微鏡觀察微膠囊產(chǎn)品的表面結(jié)構(gòu)，加速電壓為20 kV.

2 結(jié)果與討論

2.1 壁材濃度對(duì)復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊結(jié)構(gòu)的影響

不同壁材濃度下制備的微膠囊形態(tài)如圖1所示，圖1(a)～(e)分別對(duì)應(yīng)壁材濃度為0.3%、0.5%、1%、2%、2.5%.由圖1可知，在不同壁材濃度下，所得紫蘇油微膠囊的形態(tài)具有顯著區(qū)別，說(shuō)明壁材濃度對(duì)微膠囊產(chǎn)品有顯著影響.

由圖1(a)可見，壁材濃度為0.3%，形成的微膠囊粒徑不均，存在未包埋芯材的復(fù)合凝聚物液滴，說(shuō)明壁材濃度過(guò)低不利于形成良好形態(tài)的微膠囊.當(dāng)壁材濃度增加到0.5%時(shí)，微膠囊變得芯材均勻，球形度更好.這與董志儉等[17]曾在復(fù)合凝聚制備橘油微膠囊的文章中分析了壁材濃度對(duì)微膠囊形態(tài)的影響是一致的，其結(jié)果顯示壁材濃度過(guò)低，會(huì)存在空白復(fù)聚物，體系中殘余油滴數(shù)量增加；而壁材濃度合適時(shí)，形態(tài)較好，包埋率更高，粒徑更為均一.繼續(xù)提高壁材濃度至1%，所得微膠囊產(chǎn)品形態(tài)又開始變差，當(dāng)壁材濃度提高至2.5%時(shí)，已不能形成完整的包埋體.可能由于壁材濃度過(guò)高時(shí)，囊壁變厚，復(fù)凝聚物的量顯著增加，從而體系粘度增大，導(dǎo)致微膠囊相互聚集成粒徑更大、形態(tài)極不規(guī)則的團(tuán)狀.因此確定以明膠-阿拉伯膠為壁材復(fù)合凝聚制備紫蘇油微膠囊的最佳壁材濃度為0.5%.

(a)0.3% (b)0.5%

(c)1% (d)2%

(e)2.5%圖1 壁材濃度對(duì)復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊形態(tài)的影響

2.2 pH值對(duì)復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊的結(jié)構(gòu)的影響

復(fù)合凝聚反應(yīng)是由于壁材之間的靜電相互作用，所以pH是決定復(fù)合凝聚微膠囊性質(zhì)的主要因素.明膠是一種蛋白質(zhì)，其所帶電荷的正負(fù)是由其所處pH環(huán)境所決定的，當(dāng)調(diào)節(jié)體系的pH值高于其等電點(diǎn)時(shí)，明膠一直帶負(fù)電荷，而當(dāng)pH值低于其等電點(diǎn)時(shí)，明膠所帶電荷由負(fù)轉(zhuǎn)正，進(jìn)而可以與一直帶負(fù)電荷的阿拉伯膠發(fā)生靜電相互作用，絡(luò)合形成復(fù)合凝聚物而包埋在紫蘇油滴的表面.與此同時(shí)，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[17]蛋白質(zhì)多糖之間發(fā)生的靜電相互作用所產(chǎn)生的引力會(huì)對(duì)復(fù)合凝聚物粘度產(chǎn)生影響，而其粘度的高低主要取決于體系的pH值.圖2是不同pH下的復(fù)合凝聚微膠囊的形態(tài)，圖2(a)～(e)分別對(duì)應(yīng)顯微鏡下觀察pH為4.5、3.9、3.5、3.2、2.9時(shí)所得紫蘇油微膠囊的形態(tài).當(dāng)pH為4.5時(shí)，由于吸引力很弱，故壁材所形成的復(fù)合凝聚程度很低，顯微鏡下未觀察到微膠囊存在(如圖2(a)所示).當(dāng)pH降低至3.9時(shí)，觀察所得微膠囊的形態(tài)均一，呈現(xiàn)球狀結(jié)構(gòu)，且囊壁明顯，結(jié)構(gòu)緊致(如圖2(b)所示).當(dāng)pH繼續(xù)降低，微膠囊的形態(tài)逐步變差，當(dāng)降低至3.2時(shí)，微膠囊形態(tài)有不規(guī)則趨勢(shì)，進(jìn)一步降低至2.9，已無(wú)法形成規(guī)則的膠囊形態(tài).這是由于在改pH條件下，明膠帶有更多正電荷，因此與帶負(fù)電荷的阿拉伯膠產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電作用，導(dǎo)致復(fù)合凝聚反應(yīng)強(qiáng)度過(guò)大，因此形成的復(fù)合凝聚物粘度大，乳化性和流動(dòng)性都很差，不能很好的在油滴表面形成囊壁，從而碰撞粘結(jié)成大的不規(guī)則的微膠囊(如圖2(e)所示)，同時(shí)壁材間也出現(xiàn)了相互交聯(lián)的現(xiàn)象.陳琳等[18]分析其原因?yàn)閜H過(guò)高會(huì)導(dǎo)致無(wú)法發(fā)生復(fù)合凝聚反應(yīng)，過(guò)低會(huì)使壁材發(fā)生粘連，會(huì)使微膠囊粘結(jié)成團(tuán).

最終，初步確定明膠-阿拉伯膠復(fù)合凝聚制備紫蘇油微膠囊的最佳反應(yīng)pH為3.9.

(a)pH4.5 (b)pH3.9

(c)pH3.5 (d)pH3.2

(e)pH2.9圖2 pH值對(duì)復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊結(jié)構(gòu)的影響

2.3 芯壁比對(duì)復(fù)合凝聚反應(yīng)制備紫蘇油微膠囊結(jié)構(gòu)的影響

圖3(a)～(c)分別對(duì)應(yīng)芯壁比為1∶2、1∶1、2∶1時(shí)所得紫蘇油微膠囊的顯微圖片.由圖3可見，隨著芯壁比的增加，所得微膠囊的形態(tài)發(fā)生了較大的改變.當(dāng)芯材過(guò)高時(shí)，會(huì)由于油量太高而壁材無(wú)法完全包裹，所得微膠囊表面油含量明顯增加，如圖3(c)所示，一方面導(dǎo)致浪費(fèi)，另一方面也起不到對(duì)于芯材的保護(hù)效果.當(dāng)壁材過(guò)高時(shí)，帶相反電荷的壁材雖然能夠圍繞芯材凝聚，但壁材之間相互碰撞的幾率也大大增加，壁材之間交聯(lián)現(xiàn)象嚴(yán)重，所形成的聚合物形態(tài)不規(guī)則，如圖3(a)所示.另外壁材也可能不圍繞芯材液滴直接發(fā)生凝聚，導(dǎo)致出現(xiàn)很多空的未包埋油滴的復(fù)合凝聚物[19].由圖3(b)所示，當(dāng)芯壁比為1∶1時(shí)，壁材所帶正負(fù)電荷恰好中和，復(fù)合聚物內(nèi)部芯材的含量較芯壁比1∶2時(shí)明顯增多，同時(shí)所得產(chǎn)品仍然能保持良好的球形結(jié)構(gòu)，且較結(jié)構(gòu)芯壁比為2∶1時(shí)的更為規(guī)則.因此，確定明膠-阿拉伯膠復(fù)合凝聚制備紫蘇油微膠囊的最佳芯壁比為1∶1.

(a)1∶2 (b)1∶1

(c)2∶1圖3 芯壁比對(duì)復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊結(jié)構(gòu)的影響

2.4 攪拌速率對(duì)復(fù)合凝聚反應(yīng)制備紫蘇油微膠囊的影響

圖4為攪拌速率對(duì)復(fù)合凝聚反應(yīng)制備紫蘇油微膠囊的影響，圖4(a)～(c)分別對(duì)應(yīng)攪拌速率為100 rpm、300 rpm、500 rpm時(shí)所得復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊的顯微結(jié)構(gòu).由圖4(a)～(c)中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)增加攪拌速度時(shí)，微膠囊的粒徑逐漸變小.當(dāng)攪拌速度為100 rpm時(shí)，所得產(chǎn)品的粒徑最大，此時(shí)的微膠囊為含油量很高的球狀，但會(huì)存在一些粒徑很小的空白復(fù)聚物液滴；當(dāng)攪拌速度增加至300 rpm時(shí)，此時(shí)微膠囊呈現(xiàn)規(guī)則的球狀，且含油量與粒徑分布較為均勻；當(dāng)繼續(xù)增加攪拌速度至500 rpm，乳狀液很難聚集，因此形成粒徑很小，包埋芯材很少的微膠囊.

最終，確定復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊的最佳攪拌速度為300 rpm.

(a)100 rpm (b)300 rpm

(c)500 rpm圖4 攪拌速率對(duì)復(fù)合凝聚反應(yīng)制備紫蘇油微膠囊的影響

2.5 冷凍干燥微膠囊的掃描電鏡觀察

圖5為不同pH條件下制備的經(jīng)冷凍干燥的紫蘇油復(fù)合凝聚微膠囊粉末的掃描電鏡圖，圖5(a)～(d)分別對(duì)應(yīng)pH為4.5、3.9、3.6、3.2時(shí)所得微膠囊粉末的掃描電子顯微鏡圖.圖5清晰的顯示了不同pH條件下采用復(fù)合凝聚法制備的紫蘇油微膠囊粉末的立體結(jié)構(gòu)，由圖5(b)可知，在pH 3.9時(shí)微膠囊粉末顆粒分明，球形結(jié)構(gòu)最好.

(a)pH4.5微膠囊粉末(590×,標(biāo)尺100 μm)

(b)pH3.9微膠囊粉末(1 200×,標(biāo)尺50 μm)

(c)pH3.6微膠囊粉末(1 550×,標(biāo)尺50 μm)

(d)pH3.2微膠囊粉末(1 550×,標(biāo)尺50 μm)圖5 掃描電子顯微鏡觀察

最終，確定以明膠-阿拉伯膠為壁材復(fù)合凝聚制備紫蘇油微膠囊的決定性因素pH為3.9.這個(gè)結(jié)果和制備復(fù)合凝聚過(guò)程中的結(jié)果一致.

3 結(jié)論

本文通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，包括壁材混合比例、壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)、芯壁比、pH值和攪拌速度五個(gè)因素，通過(guò)觀察光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡所得出復(fù)合凝聚紫蘇油微膠囊的形態(tài)，確定了復(fù)合凝聚發(fā)制備紫蘇油微膠囊的最佳工藝條件：明膠∶阿拉伯膠=1∶1、芯壁比為1∶1、壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、pH3.9、攪拌速度300 rpm.