復(fù)凝聚法制備魚(yú)油微膠囊工藝研究

李飛雨，袁興鈴，鄒 涵，李莫婷，李美良

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，四川 雅安 625014)

魚(yú)油中不飽和脂肪酸十分豐富，含量可達(dá)68%[1]。魚(yú)油中豐富的DHA、EPA具有軟化心腦血管、抗腫瘤等重要功能[2]。但由于魚(yú)油具有強(qiáng)疏水性、低分散性以及過(guò)度的氧化敏感性，同時(shí)魚(yú)油的腥味難以被接受，難以滿足多種食品加工工藝的需要，限制了其在食品中的應(yīng)用[3-5]。采用微膠囊化技術(shù)將魚(yú)油進(jìn)行深加工，可以改變魚(yú)油固有的物理形態(tài)，形成物理屏障與外界隔離，減少光、氧等環(huán)境因素的影響，進(jìn)而保護(hù)芯材，使其更廣泛地應(yīng)用于食品中[6]。

目前，關(guān)于魚(yú)油微膠囊，不同復(fù)配的壁材組合和新型壁材不斷被研究，如明膠/阿拉伯膠、β-環(huán)糊精、明膠/桃膠[7-10]等。復(fù)凝聚法技術(shù)是能獲得比較耐高溫的微膠囊技術(shù)之一[11]。復(fù)凝聚法技術(shù)通常選用蛋白質(zhì)作為聚陽(yáng)離子材料，將pH調(diào)控在4左右，整個(gè)體系處于酸性狀態(tài)下，再加上后續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間的復(fù)凝聚反應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致芯材部分生物活性物質(zhì)受到影響[8,10-11]。而當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)作為聚陰離子材料，pH調(diào)控在接近中性條件下，芯材受到的影響可能較小。同時(shí)，酶代替戊二醛等有毒交聯(lián)劑對(duì)微膠囊結(jié)構(gòu)進(jìn)行固化，更加綠色安全。

本實(shí)驗(yàn)選取具有良好乳化性的大豆分離蛋白(SPI)和具有良好成膜性的殼聚糖作為壁材對(duì)魚(yú)油進(jìn)行包埋。大豆分離蛋白作為聚陰離子材料，調(diào)節(jié)pH至中性[12]，發(fā)生復(fù)凝聚反應(yīng)，經(jīng)過(guò)酶固化，使微膠囊囊壁形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[11]，采用冷凍干燥法制備，加工條件溫和，進(jìn)而較好地保護(hù)芯材。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

魚(yú)油：廣州聯(lián)存醫(yī)藥科技股份有限公司；殼聚糖(脫乙酰度為90%，BR)、大豆分離蛋白(BR)：上海源葉生物科技有限公司；谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(120 U/g)：泰興市東圣生物科技有限公司。

FA1204B電子天平；FJ200-SHS數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)；HZQ-X500大型恒溫振蕩器；生化培養(yǎng)箱；LGJ-18S冷凍干燥機(jī)；GEMINI氣味分析儀：美國(guó)Alpha M.O.S公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 魚(yú)油微膠囊制備工藝

(1)乳狀液的制備：根據(jù)文獻(xiàn)[13]制備大豆分離蛋白溶液。將一定量的魚(yú)油與一定量的大豆分離蛋白溶液在一定轉(zhuǎn)速下均質(zhì)5 min，得到均勻的乳狀液。

(2)復(fù)凝聚反應(yīng)：將制得的乳狀液加入與SPI溶液等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的殼聚糖溶液，再以相同的速度均質(zhì)5 min，后立刻將混合體系30℃水浴攪拌,用5% NaOH溶液調(diào)至一定pH，反應(yīng)20 min。

(3)固化：于反應(yīng)后的體系中按照推薦量加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶作為固化劑，30℃恒溫振蕩固化一定時(shí)間。

(4)干燥：將得到的體系進(jìn)行離心，冷凍干燥，得魚(yú)油微膠囊。

1.2.2 包埋率和包埋效率的測(cè)定

表面油含量和總油量的測(cè)定分別參考SC/T 3505—2006和文獻(xiàn)[6,14]操作。

按下式計(jì)算包埋率及包埋效率。

包埋率=(M0-m0)/M0×100%

包埋效率=M0/M×100%

式中：M0為負(fù)載總油量，g；m0為表面油含量，g；M為最初加入總油量，g。

1.2.3 過(guò)氧化值的測(cè)定

取微膠囊3.0 g根據(jù)文獻(xiàn)[15]進(jìn)行前處理，后按照GB 5009.227—2016測(cè)定過(guò)氧化值。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚(yú)油微膠囊制備的單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 均質(zhì)速度的影響

將0.5 g魚(yú)油加入50 mL 2% SPI溶液中。魚(yú)油在SPI溶液中分別經(jīng)過(guò)速度為6 000、7 000、8 000、9 000、10 000 r/min的均質(zhì)乳化后，取乳狀液于顯微鏡100倍觀察，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同均質(zhì)速度下乳狀液粒徑

由圖1可知，均質(zhì)速度在8 000 r/min以下得到的乳狀液粒徑隨均質(zhì)轉(zhuǎn)速的提高而變小，變均勻。均質(zhì)速度越高，均質(zhì)所產(chǎn)生的剪切力越大，所生成的乳狀液液滴越小。均質(zhì)速度大于8 000 r/min時(shí)，乳狀液粒徑大小受剪切力的影響較小。因此，選用均質(zhì)速度為8 000 r/min進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.1.2 pH的影響

兩種壁材只有在正、負(fù)電荷達(dá)到電荷平衡，才能形成緊密的微膠囊，所以pH強(qiáng)烈影響生物聚合物的電荷密度，進(jìn)而影響凝聚的強(qiáng)度。由于SPI只在pH大于其pI(4.5)時(shí)才帶負(fù)電，而殼聚糖只能在酸性溶液中溶解，因此SPI與殼聚糖之間的凝聚較好時(shí)，pH在5.5～7.0較窄的范圍內(nèi)。分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的兩種壁材，兩種壁材溶液體積比為5∶5，按1.2.1方法調(diào)節(jié)復(fù)凝聚反應(yīng)過(guò)程pH至5.5、6.0、6.5、7.0，反應(yīng)20 min，觀察復(fù)凝聚物的形態(tài)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同pH下復(fù)凝聚物的形態(tài)

由表1可知，隨著pH的提高，由于SPI所帶負(fù)電荷逐漸增加，殼聚糖溶解度逐漸減少，到pH為6.0時(shí)，開(kāi)始大量生成復(fù)凝聚物，在pH 7.0時(shí)，可以獲得均勻的細(xì)小固體顆粒，且容易分離。

2.1.3 壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在pH 7，SPI溶液與殼聚糖(Ch)溶液體積比5∶5，芯壁比1∶1，固化時(shí)間1 h，壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%實(shí)驗(yàn)條件下，微膠囊的包埋率測(cè)定結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)包埋率的影響

由圖2可知，壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)包埋效果有明顯影響，壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，單位體積中復(fù)凝聚物和乳狀液滴量都大量增加,使乳狀液滴和復(fù)凝聚物更易且均勻碰撞。同時(shí)壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，凝聚相具有更高的黏度，可降低芯材的損失，同時(shí)使包埋更充分；但壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大，SPI溶解不充分，乳狀液黏度增大，不利于均質(zhì)過(guò)程中壁材和芯材的均勻分散，較難形成均勻的顆粒，壁材自身容易形成大塊凝膠，導(dǎo)致包埋效果下降，因此選擇壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%～2.5%進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.4 SPI溶液與Ch溶液體積比的影響

在pH 7，壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，芯壁比為1∶1，固化時(shí)間1 h，SPI溶液與Ch溶液體積比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1實(shí)驗(yàn)條件下，微膠囊的包埋率測(cè)定結(jié)果如圖3所示。

圖3 SPI溶液與Ch溶液體積比對(duì)包埋率的影響

兩種天然高分子化合物中，殼聚糖具有較大的黏度，其比例變大時(shí)，溶液黏度增加。由圖3可知，SPI溶液與Ch溶液體積比在1∶9時(shí)，蛋白質(zhì)所帶負(fù)電荷與殼聚糖所帶陽(yáng)離子電荷發(fā)生嚴(yán)重失衡，即使通過(guò)調(diào)pH也不能得到良好的分相，且由于黏度過(guò)大，包埋效果很差。而SPI溶液與Ch溶液體積比在9∶1時(shí)，殼聚糖量太少，即體系中的聚陽(yáng)離子太少，兩者形成復(fù)凝聚物的包埋率同樣較低。所以SPI溶液與Ch溶液體積比過(guò)低或過(guò)高都會(huì)影響電荷平衡而影響復(fù)凝聚物的形成。

2.1.5 芯壁比的影響

在pH 7，SPI溶液與Ch溶液體積比5∶5，壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，固化時(shí)間1 h，芯壁比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3實(shí)驗(yàn)條件下，微膠囊的包埋率測(cè)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 芯壁比對(duì)包埋率的影響

由圖4可知，芯壁比對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形成和效果影響顯著。芯材相對(duì)比例過(guò)大,微膠囊囊壁變薄而不穩(wěn)，甚至乳狀液滴增加，更易相互碰撞匯聚成較大的乳液，微膠囊表面吸附的芯材也升高，導(dǎo)致包埋效果下降和嚴(yán)重的粘連現(xiàn)象，產(chǎn)生更多的表面油。芯材比例過(guò)小，可使包埋很充分，但會(huì)造成壁材的浪費(fèi)。綜合考慮，采用芯壁比1∶1～1∶3 進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.6 固化時(shí)間的影響

復(fù)合凝聚通過(guò)相分離從膠體水溶液體系生成凝聚相的過(guò)程是溶膠與凝膠之間可逆變化的過(guò)程,如果平衡被破壞,凝聚相就會(huì)消失。為了穩(wěn)定微膠囊的形態(tài)，常常需要進(jìn)行進(jìn)一步的固化處理。選用谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶作為固化劑，無(wú)毒且交聯(lián)作用強(qiáng)，在pH 5.0～8.0范圍內(nèi)該酶都具有較高的活性[16]。在pH 7、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、芯壁比1∶1，SPI溶液與Ch溶液體積比5∶5條件下，按1.2.1中固化方法對(duì)復(fù)凝聚體系分別固化1、2、3、4、5 h，微膠囊的包埋率測(cè)定結(jié)果如圖5所示。

圖5 固化時(shí)間對(duì)包埋率的影響

由圖5可知，隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，包埋率增加，在固化時(shí)間為4 h時(shí)，包埋率達(dá)68.74%，繼續(xù)延長(zhǎng)固化時(shí)間，微膠囊會(huì)發(fā)生粘連現(xiàn)象，同時(shí)可能因?yàn)楫a(chǎn)生的剪切力而導(dǎo)致包埋率下降。

2.2 魚(yú)油微膠囊制備的正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，固定均質(zhì)速度8 000 r/min、pH 7的條件下，以包埋率為指標(biāo)，以SPI溶液與Ch溶液體積比(A)、芯壁比(B)、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)、固化時(shí)間(D)為實(shí)驗(yàn)因素，進(jìn)行L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表2所示，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表3所示。

由表3可知，影響包埋率因素的主次順序?yàn)樾颈诒?壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)>SPI溶液與Ch溶液體積比>固化時(shí)間。芯壁比對(duì)包埋率影響最大，可能與其很大程度影響了壁材與芯材的接觸、乳狀液的黏度有關(guān)。魚(yú)油微膠囊制備最佳工藝條件為：均質(zhì)速度8 000 r/min，pH 7，芯壁比1∶3，壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%，SPI溶液與Ch溶液體積比7∶3，固化時(shí)間4 h。在最佳工藝條件下，包埋率為90.21%，包埋效率可達(dá)99.04%，經(jīng)測(cè)定表面油含量為4.87%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表3 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.3 魚(yú)油及魚(yú)油微膠囊不同溫度下儲(chǔ)存過(guò)氧化值的變化

將魚(yú)油及魚(yú)油微膠囊制品放置在60、37、4℃下進(jìn)行周期實(shí)驗(yàn)。60℃處理，每2 d檢測(cè)過(guò)氧化值，37、4℃處理則每周檢測(cè)過(guò)氧化值的變化。不同溫度下過(guò)氧化值變化如圖6所示。

由圖6可知，魚(yú)油和魚(yú)油微膠囊在低溫下都有較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。在3個(gè)不同溫度下，總體而言，魚(yú)油微膠囊的過(guò)氧化值發(fā)生顯著變化的時(shí)間相對(duì)魚(yú)油延后，且魚(yú)油的過(guò)氧化值顯著性變化大于魚(yú)油微膠囊。這與微膠囊中的魚(yú)油被壁材包裹，與空氣和一些外界環(huán)境中可能導(dǎo)致與氧氣氧化的微生物隔絕，從而延緩氧化有關(guān)。

2.4 魚(yú)油和魚(yú)油微膠囊的氣味分析

根據(jù)文獻(xiàn)[17]使用電子鼻對(duì)魚(yú)油、魚(yú)油微膠囊進(jìn)行氣味分析，考察微膠囊化作用對(duì)魚(yú)油味道的弱化作用。魚(yú)油及魚(yú)油微膠囊主成分分析如圖7所示。由圖7可知，主成分1與主成分2貢獻(xiàn)率分別為97.824%、1.756%，總共貢獻(xiàn)率為99.580%，說(shuō)明主成分可以反映整體信息。魚(yú)油主成分1與魚(yú)油微膠囊主成分1之間差異顯著，同時(shí)從雷達(dá)圖(見(jiàn)圖8)可見(jiàn)，魚(yú)油和魚(yú)油微膠囊均對(duì)T30/1、PA/2、P30/1、P40/2傳感器有不同程度的響應(yīng)，但魚(yú)油的響應(yīng)值整體顯著大于魚(yú)油微膠囊，說(shuō)明微膠囊化可一定程度上弱化魚(yú)油的氣味。

注：左圖為魚(yú)油，右圖為魚(yú)油微膠囊。

圖8 魚(yú)油及魚(yú)油微膠囊雷達(dá)圖

3 結(jié) 論

通過(guò)SPI/Ch復(fù)合壁材對(duì)魚(yú)油微膠囊的制備工藝進(jìn)行了研究，確定了魚(yú)油微膠囊的最佳制備工藝條件為大豆分離蛋白溶液與魚(yú)油混合8 000 r/min均質(zhì)乳化5 min、復(fù)凝聚反應(yīng)pH 7、SPI溶液與Ch溶液體積比7∶3、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%、芯壁比1∶3、固化時(shí)間4 h，在此條件下魚(yú)油微膠囊包埋率為90.21%，包埋效率為99.04%，表面油含量為4.87%。所得的魚(yú)油微膠囊在4、37℃和60℃下的過(guò)氧化值的變化結(jié)果顯示，相較之下，微膠囊制品能延緩魚(yú)油氧化。通過(guò)對(duì)魚(yú)油和魚(yú)油微膠囊的氣味進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，微膠囊能顯著弱化魚(yú)油氣味。