不同壁材對大豆生物解離乳狀液微膠囊品質的影響

朱建宇,齊寶坤,李 楊,江連洲

(東北農業(yè)大學食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

生物解離技術(EAEP)是在物理破碎的基礎上,采用生物酶降解油料中的大分子物質(脂卵白、脂多糖等),從而增加水和非油成分的親和力的一種新興油脂提取方式,與傳統(tǒng)制油工藝相比,生物解離技術具備反應溫和、能耗低、環(huán)保、油脂品質高、蛋白質變性率低等優(yōu)點[1-4]。但生物解離制備大豆油脂時產生的乳狀液,截留下了大量的油脂和蛋白質,造成油脂無法被充分破除釋放,因而限制了油脂提取率,這也成為了生物酶法制備油脂的主要瓶頸問題之一[5-6]。許多學者利用破壞蛋白乳化性能達到破乳目的[7-9],但這些研究有的增加了酶的使用,有的使用了有機溶劑,有的能耗較高,造成成本的提高和操作的復雜。因此將生物解離乳狀液直接利用是一種可行的方法。

微膠囊化使液態(tài)的油脂轉變?yōu)榫哂杏H水性和流動性的固體粉末,不僅保持了油脂原有的營養(yǎng)價值,也使其具有穩(wěn)定的性質和優(yōu)良的加工利用性[10]。壁材特性是影響微膠囊特性的重要因素,選擇壁材的合適與否直接影響微膠囊產品的功能性質和工藝條件,碳水化合物、親水膠體及蛋白類等是噴霧干燥制備微膠囊常用壁材[11-13],而由于一種壁材不易滿足工藝和產品要求,常常多種壁材混合使用[14-15]。馬超[16]利用阿拉伯膠與麥芽糊精復配作為壁材,對米糠油進行包埋,制備出抗氧化性較好的米糠油微膠囊。Kurozawa等[17]發(fā)現,麥芽糊精的引入能有效改善阿拉伯膠壁材表面性能,提高產品的玻璃化轉變溫度,從而延長產品的保質期。麥芽糊精可以快速形成包裹膜,在干燥過程中不易破裂,有效減少脂肪氧化等優(yōu)點[18],是一種良好的壁材填充劑。俞毅舒等[19]研究羧甲基纖維素鈉、卡拉膠具有良好的成膜性,但單一的羧甲基纖維素鈉或卡拉膠乳化穩(wěn)定性較差,需與蛋白類物質復配以達到效果。近年來,國內外學者對微膠囊化粉末油脂在高附加值油脂產品制備領域中的研究十分活躍[20-21],但對生物解離乳狀液的直接利用研究卻幾乎沒有,且在生物解離制備大豆油技術的基礎上使用微膠囊制備工藝的研究尚屬空白。

因此,本文采用噴霧干燥法制得生物解離乳狀液微膠囊產品,分別利用阿拉伯膠-麥芽糊精(AG-MD)、卡拉膠-麥芽糊精(CAR-MD)、羧甲基纖維素鈉-麥芽糊精(CMC-MD)、卡拉膠-麥芽糊精-大豆分離蛋白(CAR-MD-SPI)、羧甲基纖維素鈉-麥芽糊精-大豆分離蛋白(CMC-MD-SPI)復配形成5種復合壁材,對生物解離乳狀液進行包埋,通過對微膠囊混合乳液的乳化活性、乳化穩(wěn)定性、粒徑、流變性等性質測定,研究壁材對乳液性質的影響;并通過測定微膠囊包埋率、熱穩(wěn)定性、表面微觀結構等性質,探究5種復合壁材對大豆生物解離乳狀液微膠囊的性能影響,生產出大豆生物解離乳狀液微膠囊將有效解決破乳困難問題,使較難破乳的乳狀液得到直接應用,提高生物解離技術的經濟效益,對于生物解離乳狀液加工應用領域的拓展和產業(yè)化的發(fā)展具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆東農46號 東北農業(yè)大學大豆研究所;Protex 6L堿性蛋白酶(550 U/g) 美國杰能科生物工程公司;阿拉伯膠 哈爾濱盛達化學試劑有限公司;麥芽糊精 昊華化學試劑公司;卡拉膠 丹尼斯克有限公司;羧甲基纖維素鈉 博迪生物化工有限公司;大豆分離蛋白 食品級,哈爾濱黎明植物蛋白科技有限責任公司;氫氧化鈉、鹽酸等 均為分析純。

AL104型電子分析天平(0.0001 g) 上海常儀儀器設備有限公司;SE402F型電子天平 天津常儀儀器設備有限公司;FW-100高速萬能粉碎機 紹興科宏儀器有限公司;TD5M-WS臺式大容量離心機 上海盧湘儀離心機儀器有限公司;PHSJ-4A型實驗室pH計 中國上海雷磁公司;DK-98-1型電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司;T18 basic高速乳化均質機 英國IKA公司;BUCHI-190型噴霧干燥器 瑞士BUCHI公司;Mastersize2000激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司;ZetaPALS-Zeta電位儀 美國布魯克海文儀器公司;AR1000型流變儀 美國TA儀器公司;PEAQ-DSC差示掃描量熱儀 英國馬爾文儀器有限公司;SU3500掃描電子顯微鏡 日立(中國)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆生物解離乳狀液的制備 大豆生物解離乳狀液的制備根據Li等[22]方法并稍作修改,大豆清理粉碎后過60目篩,向燒杯中加入料液比為1∶5 g/mL過篩大豆粉和去離子水,用0.5 mol/L NaOH和0.5 mol/L HCl調整溶液pH至9.0,加入2% Protex 6L堿性蛋白酶(550 U/g,最適溫度55 ℃)?；旌显?5 ℃水浴鍋中保持恒定pH9.0酶解3 h后,于90 ℃滅酶,酶解后的樣品離心20 min(轉速為10000×g)。離心后得到油脂、乳狀液、水解液和不溶性物質,其中乳狀液為O/W型,收集乳狀液置于4 ℃冰箱中備用。

1.2.2 微膠囊混合乳液及大豆生物解離乳狀液微膠囊的制備 大豆生物解離乳狀液微膠囊的制備參考俞毅舒等[19]的方法并稍作修改,將5種壁材(復配壁材各成分比例由預實驗所得,具體見表1)分別于60 ℃恒溫條件下溶解,得到壁材溶液,壁材溶液總固形物含量20 wt%。取一定質量大豆生物解離乳狀液加入壁材溶液中以14000 r/min均質5 min后,得到微膠囊混合乳液,芯壁比1∶5 (w/w)。隨后進行噴霧干燥,噴霧干燥進口溫度控制在180～190 ℃,出口溫度控制在80～90 ℃[23],得到成品大豆生物解離乳狀液微膠囊。

表1 不同壁材成分表Table 1 Different coatingcoating materials composition

1.2.3 微膠囊混合乳液乳化性(EAI)及乳化穩(wěn)定性(ESI)的測定 乳化性及乳化穩(wěn)定性的測定參考Molina等[24]的方法。取1.2.2中微膠囊混合乳液,添加0.1%(w/v)十二烷基硫酸鈉(SDS)稀釋到所需倍數,震蕩混合均勻后用分光光度計在500 nm處測其吸光值,以SDS做空白對照。靜置30 min后測定吸光度,乳化活性(EAI)和乳化穩(wěn)定性(ESI)分別表示如下。

式中:C為乳化液形成前蛋白質溶液中蛋白質質量濃度,g/mL;φ為乳化液中油相體積分數,%;A0為0 min時的吸光度;A30為30 min時的吸光度。

1.2.4 微膠囊混合乳液流體動力學半徑及其分布的測定 參考Beckwith等[25]的測定方法。使用Mastersize 2000激光粒度儀檢測乳液的粒度分布范圍,檢測溫度為25 ℃。參數設置:顆粒折射率為1.520,顆粒吸收率為0.001,分散劑為去離子水,分散劑折射率為1.330。試驗采用液滴體積平均直徑表征液滴粒度大小,實驗經過均質預處理過程后檢測,所有檢測試驗做3次,求平均值。

1.2.5 微膠囊混合乳液流變學性質的測定 靜態(tài)流變性:使用AR1000型流變儀檢測,測量的不銹鋼平行板選擇直徑為60 mm,檢測板之間距離為1 mm,乳狀液黏度的剪切速率為0.1～100 s-1,黏彈性的設定頻率為0.1～10 Hz,檢測乳液的流變性質[26]。

1.2.6 大豆生物解離乳狀液微膠囊包埋率的測定

1.2.6.1 微膠囊總油含量的測定 精確稱取微膠囊粉末2.0000 g(精確到0.0001 g,m0)于100 mL 錐形瓶中,加入40 mL石油醚,超聲處理15 min,立即進行真空抽濾,用已恒重的圓底燒瓶(m1)收集濾液,用40 mL石油醚分四次洗滌濾渣,旋轉蒸發(fā)并回收溶劑,60 ℃旋轉蒸發(fā)并回收溶劑,置于105 ℃烘箱將溶劑蒸干烘至恒重(m2)[27]。

1.2.6.2 微膠囊表面油含量的測定 精確稱取微膠囊粉末2.0000 g(精確到0.0001 g,m0)于100 mL錐形瓶中,加入40 mL石油醚,輕微震蕩2 min,漏斗過濾,用已恒重的圓底燒瓶(m1)收集濾液,再用25 mL石油醚洗滌濾渣,過濾。60 ℃旋轉蒸發(fā)并回收溶劑,置于105 ℃烘箱將溶劑蒸干烘至恒重(m2)[27]。

1.2.6.3 乳狀液中油脂含量的測定 取乳化液10.0000 g(精確到0.0001 g,m0)于分液漏斗中,加入2 mL氨水,與樣品徹底混合;立即加入10 mL乙醇混合均勻,加入25 mL無水乙醚,蓋上塞子,劇烈震蕩1 min;加入25 mL石油醚,蓋上塞子,震蕩30 s,再用混合溶劑沖洗塞子;靜置,待上層澄清,出現明顯的分層時進行分液;將上層清液倒入到恒重(m1)的接收瓶內;再向漏斗中加入5 mL乙醇,混合均勻,依次加入乙醚和石油醚15 mL,重復以上操作兩次,將三次萃取的上層液合并進行蒸餾,回收溶劑。將接收瓶置于105 ℃烘箱內干燥至恒重(m2)[27]。

1.2.6.4 微膠囊包埋率的測定 包埋率參考陳龍[27]方法稍作修改。微膠囊的包埋率是樣品中被包埋油脂含量和總油脂含量的比值。包埋率的計算按如下公式:

包埋率(%)=(微膠囊總油含量-微膠囊表面油含量)/乳狀液中油脂含量×100

1.2.7 大豆生物解離乳狀液微膠囊差示掃描熱檢測 稱取5.0 mg的待測微膠囊,放入檢測容器中,進行檢測分析,掃描溫度范圍0～250 ℃,升溫速率為10 ℃/min,氮氣的流速為20 mL/min。

1.2.8 大豆生物解離乳狀液微膠囊掃描電鏡觀察 使用掃描電鏡(SEM)觀察粉末油脂的外表形態(tài)及結果特征,分析電鏡圖片能夠直接得到樣品的微觀狀態(tài)。粘貼專用膠帶于待測放置臺,沾附適量粉末樣品,輕微抖動,去除沾黏不好的樣品,噴金處理,在2.0 kV的掃描電壓下進行掃描并拍照[28]。

1.3 數據處理

各項指標重復測定3次,取其平均值,SPSS軟件進行顯著性分析(P<0.05)。采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 微膠囊混合乳液性質

乳狀液的穩(wěn)定性是影響微膠囊產品品質的重要因素之一,由圖1可知,CAR-MD-SPI、CMC-MD-SPI樣品的乳化性較好,這可能是由于大豆分離蛋白良好的乳化活性及乳化穩(wěn)定性,因此大豆分離蛋白的添加能夠增加樣品的乳化性。而CMC-MD的乳化性與添加大豆分離蛋白后的壁材樣品無顯著性差異(P>0.05),這可能是由于壁材CMC-MD提高了微膠囊混合乳液的乳化性。圖2為不同壁材對微膠囊混合乳液粒徑分布的影響,粒徑分布呈現出明顯的雙峰分布現象,主要處于1～3 μm和10～13 μm,其中以CMC-MD為壁材的微膠囊混合乳液的粒徑分布向較小粒徑方向移動至0.6～2 μm,這可能是受乳狀液黏度的影響,Chen等[29]指出黏度會降低乳狀液聚集速率,樣品小粒徑體積含量增加,大粒徑體積含量降低,整體平均粒徑最低。圖3為不同樣品微膠囊混合乳液黏度值的改變情況,其中不同壁材黏度值變化相差不大,CMC-MD樣品黏度值最大,為39.18 mPa/s,表現出較好的乳化穩(wěn)定性,黏度的增加能夠促進微膠囊的形成,提高微膠囊包埋效率[30],CAR-MD-SPI、CMC-MD-SPI樣品黏度較小可能是乳液中添加蛋白(5%～8%),使蛋白含量過多出現絮凝作用,此結果與粒徑分布結果一致。

圖1 不同壁材對微膠囊混合乳液乳化活性和乳化穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effects of different coating materials for emulsifyingactivity and emulsion stability of the emulsion注:1～5號分別表示以AG-MD、CAR-MD、CMC-MD、CAR-MD-SPI、CMC-MD-SPI為壁材的5種混合乳液,圖2～圖4同;圖中不同大寫字母表示乳液乳化穩(wěn)定性存在顯著性差異(P<0.05);不同小寫字母表示乳液乳化活性存在顯著性差異(P<0.05)。

圖2 不同壁材對微膠囊混合乳液粒徑分布的影響Fig.2 Effects of different coating materialson the emulsion particle size

圖3 不同壁材對微膠囊混合乳液黏度的影響Fig.3 Effects of different coating materialson the emulsion viscosity

2.2 大豆生物解離乳狀液微膠囊包埋率

圖4為不同壁材對大豆生物解離乳狀液微膠囊包埋率的影響。由圖4可知,以CMC-MD為壁材的微膠囊包埋率顯著高于其他4種微膠囊樣品,包埋率達到90.3%。微膠囊混合乳液的黏度對微膠囊包埋率具有較大的影響,微膠囊混合液黏度的增加,微膠囊的包埋率也會隨之增加;黏度的增加能夠促進微膠囊包埋率,可能是由于黏度增加降低了霧化油滴的擴散,使其難以移動至微膠囊顆粒表面,增加顆粒內部包埋油脂含量,降低微膠囊顆粒表面油脂含量,即微膠囊混合乳液黏度的增加能夠促進干燥前期表面半透性外殼的形成,進而增加微膠囊的包埋率[30-31]。圖3黏度分析可知,CMC-MD為壁材的微膠囊混合乳液黏度最高,以CMC-MD為壁材的大豆生物解離乳狀液微膠囊包埋率也相應最高,與該結論相符。

圖4 不同壁材對包埋率的影響Fig.4 Effect of different coatingmaterials on encapsulation efficiency

2.3 大豆生物解離乳狀液微膠囊差示掃描量熱檢測分析

差示掃描量熱檢測分析能夠反應物質熱力學性質,利用DSC對微膠囊進行檢測,通過圖譜可以直觀的得到樣品結構的變化溫度[32-33],進而反應微膠囊的熱穩(wěn)定性。對五種壁材包埋條件下制備的大豆生物解離乳狀液微膠囊進行測定,測定結果如圖5、表2所示。在37 ℃之前,五種大豆生物解離微膠囊樣品的DSC圖譜皆無吸熱峰值的出現,樣品處于穩(wěn)定的狀態(tài),沒有發(fā)生結構的變化。AG-MD、CAR-MD、CMC-MD、CAR-MD-SPI、CMC-MD-SPI的結構變化起始溫度分別為44.3、62.6、98.3、51.3、75.8 ℃,利用CMC-MD為壁材的微膠囊樣品結構變化起始溫度最高,說明CMC-MD為壁材的微膠囊樣品穩(wěn)定性較好。測樣在吸熱過程中,微膠囊的性質發(fā)生了改變,可能是壁材麥芽糊精與乳狀液中大豆分離蛋白在高溫條件下發(fā)生化學反應,麥芽糊精的糊化現象和大豆分離蛋白的變性反應所共同導致[34]。

圖5 微膠囊差示掃描量熱分析圖Fig.5 Differential scanning calorimetry analysis of microcapsules

樣品峰的綜合分析面積(J/g)峰值(℃)起始溫度(℃)AG-MD102.385.344.3CAR-MD131.5113.362.6CMC-MD113.0125.098.3CAR-MD-SPI101.093.751.3CMC-MD-SPI125.6122.675.8

2.4 大豆生物解離乳狀液微膠囊微觀結構

通過掃描電鏡能夠觀測大豆生物解離乳狀液的表面微觀結構,反應其均一性及包埋效果。由圖6可以看出,不同壁材包埋的微膠囊呈現較為規(guī)則的球形或橢球形顆粒,顆粒直徑有一定的差異,部分顆粒的聚集情況,大顆粒之間通過擠壓作用粘連在一起,較小的粉末附著在大顆粒粉末表面,部分粉末油脂表面有褶皺或者凹陷。由圖6c可以看出,以CMC-MD為壁材的微膠囊大小均一,結構致密,具有良好的包埋結構,可以清晰看到粉末油脂顆粒呈現球形外表。由于油脂的黏度較大,在有樣品顆粒包埋不完全的情況下,可能會造成顆粒之間粘連,形成產品的聚集[35]。部分顆粒表面出現凹陷或褶皺的情況,可能是在噴霧干燥過程中瞬間高溫,乳液水分蒸發(fā)不均勻,使顆?？臻g結構發(fā)生變化。樣品所呈現疏松的內部結構和較為規(guī)則的球形物料分布,是對粉末油脂性質的直觀體現,表明樣品具有較好的品質。

圖6 微膠囊掃描電鏡圖Fig.6 SEM analysis of microcapsules

3 結論

研究發(fā)現CMC-MD作為大豆生物解離乳狀液微膠囊的壁材,具有比AG-MD、CAR-MD、CAR-MD-SPI、CMC-MD-SPI四種復合壁材更優(yōu)良的品質。CMC-MD為壁材的混合乳液黏度最高,達到39.18 mPa/s,且乳化性較好,粒徑分布向較小粒徑方向移動至0.6～2 μm。CMC-MD復合壁材制備的微膠囊包埋率最高,達到90.3%,結構變化起始溫度最高,為98.3 ℃。掃描電鏡圖顯示以CMC-MD為壁材的微膠囊大小均一,結構致密,具有良好的包埋結構。該研究將有效解決破乳困難問題,使較難破乳的大豆生物解離乳狀液直接應用,提高生物解離技術經濟效益,對于生物解離乳狀液加工應用領域的拓展和產業(yè)化的發(fā)展具有重大意義。