乳液粒徑對橙皮精油微膠囊物理性質和氧化穩(wěn)定性的影響

彭 群,易 靈,王 超,段翰英

(暨南大學食品科學與工程系,廣東廣州 510630)

柑橘類精油是世界上應用最為廣泛的天然香精香料之一[1]。由于富含多種揮發(fā)性化合物,其極易損失和氧化,常用微膠囊化包埋解決這一問題[2]。微膠囊化是通過連續(xù)相包裹單個顆?；蛞旱涡纬梢粋€微米級材料的過程,從而保護活性材料,使其更穩(wěn)定[3]。噴霧干燥在食品工業(yè)中是常用的微膠囊化技術,具有低成本、高產(chǎn)量和速溶性等優(yōu)點[4],在油脂類和風味成分的微膠囊化中使用最廣泛[5]。精油經(jīng)微膠囊化后,易于溶解,分散在水中,可改善被包裹物質的物理性質,還可以提高被包埋對象抗氧化能力、熱穩(wěn)定性等[6]。因此,柑橘類精油噴霧干燥微膠囊已廣泛應用到食品、日化品、紡織品中[7]。

乳化方法、壁材是影響油脂、風味類成分、微膠囊化效率、粉末物化性質和穩(wěn)定性的重要因素[8]。常用的乳化方法有高速剪切、高壓均質等,而高壓微射流是近年來出現(xiàn)的新工藝,通過最短時間內(nèi)對乳液體系進行高速撞擊、剪切、氣蝕等[9],可形成均一、穩(wěn)定及超精細流體,粒徑可達納米級。有研究發(fā)現(xiàn),不同的乳化方法會影響乳液粒徑,從而影響微膠囊粉末的包埋效率和穩(wěn)定性[10-11]。國內(nèi)外雖有不少關于精油乳液的粒徑研究,但大多集中在對其制備優(yōu)化方面[12-14],而鮮少涉及到乳液粒徑對噴霧干燥微膠囊性質的影響。鑒于有關精油類微膠囊的壁材選擇已有大量研究[2,6,8],因此,本文選擇常用的碳水化合物類壁材并經(jīng)復配,更能滿足工藝和產(chǎn)品的要求[15]。

檸檬烯是柑橘類精油的主要成分,占90%以上[16],具有典型的檸檬香味。但其化學性質活潑,容易氧化且氧化產(chǎn)物通常會形成異味,影響精油的價值和貨架期[17]。因此,通過測定檸檬烯氧化產(chǎn)物的變化,對預測精油微膠囊的貨架期和提高安全穩(wěn)定性具有重要意義。

基于此,本文以橙皮精油(橙油)為芯材,變性淀粉和麥芽糊精為壁材,通過噴霧干燥制備橙油微膠囊,通過高壓均質、高壓微射流施加不同壓力制備出不同粒徑乳液,從而研究乳液粒徑對微膠囊粒徑、包埋率、微觀形貌、氧化穩(wěn)定性以及重組乳液粒徑的影響,并根據(jù)橙油微膠囊在37 ℃貯藏時檸檬烯氧化產(chǎn)物含量的變化,預測其貨架期,為優(yōu)化橙皮精油微膠囊工藝和探討其氧化穩(wěn)定性提供基礎,并為精油類噴霧干燥微膠囊制備和質量控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

變性淀粉(Capsul)、麥芽糊精(M-150) 美國宜瑞安有限公司;松香甘油酯、庚酮、丙酮、異丙醇(分析純) 美國Acros Organics公司;冷壓橙油 由廣州百花香精香料有限公司提供,并鑒定其主要成分為檸檬烯(95.37%)、月桂烯(1.86%)、檜烯(0.24%)、α-蒎烯(0.42%)、辛醛(0.2%)、醛(0.1%)、芳樟醇(0.25%),癸醛(0.28%)和含氧化合物(1%);分析測定用水 去離子水。

20 HT/GT高剪切混合器 美國Greerco公司;M-110Y高壓微射流機 美國Microfluidics 公司;NS2006H高壓均質機 美國Gea公司;XE-3葉片型混合器 美國Greerco公司;AW-2A型智能水分活度儀 無錫市碧波電子設備廠;LA-300激光粒徑分布儀 日本Horiba公司;DZF-6050真空干燥箱 北京中科環(huán)試儀器有限公司;SD-101噴霧干燥機 美國 APV公司;7890A-5975C氣相色譜-質譜聯(lián)用儀 美國安捷倫科技;EVO-MA15掃描電子顯微鏡 德國ZEISS。

1.2 實驗方法

1.2.1 經(jīng)不同壓力均質的橙油乳液的制備 將1.8 kg的變性淀粉和9 kg的蒸餾水在室溫下混合2 h制備連續(xù)相。制備0.9 kg的冷壓橙油和松香甘油酯(3∶2,w/w)分散相。在室溫下將連續(xù)相和分散相用高剪切混合器在6000 r/min條件下混合2 min,混合均勻后得到粗乳液(H0-E),均勻分成5份,一份為對照。其余4份H0-E分別經(jīng)高壓1000、2500、3500、22000 psi均質2次后收集得到不同壓力條件下乳液,分別為H1000-E、H2500-E、H3500-E、H22000-E。

1.2.2 噴霧干燥法制備橙油乳液微膠囊 將上述乳液分別加入875 g麥芽糊精,用葉片型混合器混合均勻,收集乳液。最終乳液中含有11.2%變性淀粉、5.6%混合油相、26.4%麥芽糊精和56.8%蒸餾水。將上述乳液進行噴霧干燥,分別得到微膠囊H0、H1000、H2500、H3500和H22000。

噴霧干燥操作條件為:進氣溫度160 ℃,出氣溫度100 ℃,霧化器轉速為2600 r/min,進料速率為130 mL/min。將收集的微膠囊粉末密閉在干燥器中,0 ℃冷藏,有待進行總油量、包埋率和粒徑分布等分析。

1.2.3 橙油重組乳液的制備 將上述微膠囊H0、H1000、H2500、H3500和H22000各取1.0 g溶于9.0 g水中,制備成重組乳液(Reconstituted emulsion,RE),對應重組乳液分別為H0-RE、H1000-RE、H2500-RE、H3500-RE和H22000-RE。每個樣品重復三次。

1.2.4 粒徑分布測定

1.2.4.1 乳液粒徑分布 將激光粒徑分布儀調節(jié)到Wet模式,校正調零后,用膠頭滴管取制備好的乳液或重組乳液,滴加到激光粒度分布儀的加樣口,待紅色條示數(shù)達80%時,關閉加樣口蓋進行測定。

1.2.4.2 微膠囊粒徑分布 將激光粒徑分布儀調節(jié)到Dry模式,校正調零后,用取樣勺取少量噴霧干燥的微膠囊粉末,加到進樣口,待加樣完成后開始測定。

1.2.5 微膠囊總油量和包埋率的測定 參考Finney等的方法[18]。將200 mL去離子水加入500 mL的圓底燒瓶中,繼續(xù)加入20 g的微膠囊粉末。蓋上瓶塞并手動搖動約1 min。然后,向溶液中加入3滴消泡劑和幾個沸騰石,圓頂燒瓶連接Clevenger裝置,頂部連接冷凝管。燒瓶內(nèi)的溶液在加熱器的作用下沸騰,蒸餾持續(xù)3 h。從收集臂的刻度直接讀取橙油的量,體積通過乘以油密度(0.844 g/mL,25 ℃)得到收集的油量,即為總油量(g/20 g powder),其中,理論包油量為1.56 g/20 g powder。

根據(jù)下式計算包埋率[18]:

1.2.6 微膠囊含水量的測定 稱取3～4 g 微膠囊,在真空干燥箱70 ℃烘干至恒重,再通過干燥前后的稱重數(shù)值計算出水分的含量[19]。

1.2.7 微膠囊微觀形貌 采用掃描電子顯微鏡對微膠囊的表面形態(tài)結構進行觀察。在電鏡樣品臺上貼雙面膠,取小量微膠囊產(chǎn)品均勻分散到膠面上,吹去表面多余的粉末,噴金觀察。

圖1 不同壓力均質的乳液及其重組乳液的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of different emulsion and reconstitute emulsion注:a:粗乳液及其重組乳液;b、c、d、e:分別經(jīng)1000、2500、3500和22000 psi 均質壓力制備的乳液及其重組乳液。

1.2.8 微膠囊水分活度 自動水分活度儀經(jīng)飽和氯化鈉溶液校準后,取適量微膠囊分別進行測定。

1.2.9 橙油微膠囊氧化穩(wěn)定性試驗

1.2.9.1 微膠囊加速氧化 參考Finney等方法[18],略作修改。分別取25 g微膠囊保存在無水氯化鎂干燥器中,保持水分活度0.33,恒溫37 ℃,5周。每周取樣進行檸檬烯(limonene)、氧化檸檬烯(limonene 1,2-epoxide,epoxide)的測定。每個樣品重復三次。

1.2.9.2 檸檬烯和氧化檸檬烯含量測定 取0.15 g微膠囊加入到0.85 g水中溶解,再緩慢加入4 mL 2-庚酮/丙酮內(nèi)標液(3.0 mg/g),靜置5 min后將上述混合溶液過濾到進樣瓶中,密封。進行下一步氣質分析[17]。以氧化檸檬烯/檸檬烯(epoxide/limonene,mg/g)的量表示氧化穩(wěn)定性。

色譜條件:HP-5 MS石英毛細管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),進樣溫度200 ℃,檢測器溫度250 ℃,柱前壓55 kPa,進氣流量20 mL/min,載氣為高純氦氣(He),內(nèi)標物:2-庚酮。進樣量為1 μL,不分流,流速設置為1 mL/min。柱溫條件:初始溫度為50 ℃,開始以10 ℃/min上升至140 ℃,保持2 min;之后以30 ℃/min上升至220 ℃,保持2 min。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)以均值±標準差(Means±SD)表示,利用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行ANOVA差異顯著性分析,P<0.05 為差異顯著。采用Origin Pro 8.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 均質壓力對橙油乳液及其重組乳液粒徑分布的影響

經(jīng)不同壓力均質的乳液及重組乳液粒徑分布結果見圖1。結果表明,未高壓處理的粗乳液(H0-E)具有最大的粒徑分布范圍(2.60～34.28 μm)(圖1a),經(jīng)高壓1000、2500、3500和22000 psi均質后乳液形成了更窄的粒徑分布,分別為0.30～5.12、0.12～2.27、0.10～1.32和0.05～0.39 μm(圖1b、c、d、e)。

表1 不同微膠囊的物理性質Table 1 Physical properties of different encapsules

該結果與Wang等一致,壓力越高,乳液粒徑越小[20]。乳液經(jīng)高壓作用后,使較大的液滴分解成較小的液滴。隨著均質壓力的增加,提供更高的破壞油滴和創(chuàng)造新界面的機械能[21]。液滴快速破裂并迅速形成表面膜導致表面張力降低,從而防止形成的小液滴聚結。高壓微射流機在高壓下利用其特有的Y形結構,使乳液中高速運動的物料自相碰撞,產(chǎn)生粒徑更小、粒徑分布更窄的乳液[22]。經(jīng)22000 psi 高壓微射流均質的橙油乳液其平均粒徑可達到126 nm左右,是典型的納米乳液[23],能對橙油這類易揮發(fā)、不穩(wěn)定的芯材具有更好的保護作用[24]。

上述不同粒徑大小的乳液經(jīng)噴霧干燥制備得到橙油微膠囊。在實際應用時,橙油微膠囊常添加到各種飲料中,因此,通過研究橙油重組乳液粒徑大小,可以了解微膠囊的溶解性及對其制備工藝進行調整[25]。如圖1所示,相對于橙油乳液,其重組乳液具有更窄的粒徑分布(圖1a、b、c、d)。未高壓處理的重組乳液(H0-RE)粒徑分布范圍為0.06～1.98 μm,經(jīng)高壓1000、2500和3500 psi均質后得到重組乳液的粒徑分布分別為0.06～3.41、0.06～0.67和0.06～0.58 μm。說明噴霧干燥是有效的包埋方法,能夠形成更小的粒徑從而提供更好的保護。結果同時表明,H22000-RE具有與H22000-E相似的粒徑分布(0.05～0.39 μm)(圖1e),說明當乳液粒徑達到納米級后,經(jīng)噴霧干燥得到的微膠囊具有良好的溶解性、分散性,從而使其重組乳液具有相似的粒徑分布,這對優(yōu)化噴霧干燥工藝和提高微膠囊品質具有指導意義。

2.2 乳液粒徑對橙油微膠囊物理性質的影響

橙油微膠囊產(chǎn)品呈疏松粉末狀,色澤乳白,無雜質顆?；蛩釘〉犬愇?。其總油量、包埋率和含水量見表1。結果表明,乳液粒徑大小對微膠囊總油量和包埋率都沒有明顯影響。微膠囊的總油量約為 1.5 g/20 g,包埋率都在95%以上,說明大部分的橙油在包埋過程中都被完好地保留了下來,部分橙油則可能是由于在整個乳化及加熱過程中不可避免地因機械攪拌作用或加熱而揮發(fā),從而造成精油的損失。微膠囊的水分含量很大程度上取決于噴霧干燥室中的濕度[18],因此5種微膠囊的水分含量都沒有顯著差別(P>0.05)。

采用干法測定的微膠囊平均粒徑結果表明(表1),微膠囊的平均粒徑范圍為0.33～0.51μm,最大的是H0,最小的H22000。說明乳液粒徑的大小也會明顯影響微膠囊的粒徑,其原因可能是乳液粒徑越小,在噴霧干燥室內(nèi)越易分散和干燥,從而形成更小尺寸的微膠囊[26]。

2.3 乳液粒徑對橙油微膠囊微觀形貌的影響

掃描電鏡結果(圖2)表明,所有噴霧干燥后的微膠囊都呈球形,具有良好分散性,直徑大約在10～40 μm之間。微膠囊的表面形態(tài)有較明顯的差別。H0、H1000和H2500的微膠囊(圖2a、b、c)表面粗糙,有較多的皺褶和凹陷甚至裂紋,這可能是因為液滴在干燥過程中水分快速蒸發(fā),造成顆粒表面出現(xiàn)收縮塌陷的現(xiàn)象[27-28];而H3500和H22000微膠囊(圖2d、e)顆粒間逐漸趨于分散狀態(tài),顆粒粒徑分布較均勻,表面更光滑,將H22000顆粒放大(圖2f),可以看到呈規(guī)則的圓球形,囊壁比較完整,有少量凹陷和裂紋但沒有裂痕出現(xiàn),說明橙油已經(jīng)被壁材包裹在里面。因此,乳液粒徑會影響到微膠囊的微觀形貌,粒徑越小,微膠囊更易分散,表面越光滑,粒徑分布會更加均勻。

圖2 橙油微膠囊的掃描電鏡圖 Fig.2 Photomicrograph of spray-driedsample from different size emulsion注:a:H0;b:H1000;c:H2500;d:H3500;e、f:H22000不同放大倍數(shù)。

2.4 乳液粒徑對橙油微膠囊氧化穩(wěn)定性的影響

將橙油微膠囊經(jīng)37 ℃貯藏五周后測定其檸檬烯及其氧化檸檬烯比例變化(圖3)。

表2 橙油微膠囊檸檬烯氧化模型和預測貨架期Table 2 Oxidation and predicted shelf life of orange oil microcapsule

結果表明,在5周的貯藏期間,一周內(nèi)的氧化檸檬烯/檸檬烯(mg/g)比例有所下降,有可能是因為精油經(jīng)噴霧干燥的高溫導致一定程度的氧化,使得微膠囊初始(0周)氧化檸檬烯含量較高。一周后,除H22000外,其余微膠囊的氧化檸檬烯/檸檬烯(mg/g)值顯著上升(P<0.05),說明檸檬烯的氧化程度加劇,易造成橙油風味的損失。當氧化檸檬烯/檸檬烯(mg/g)>2時,可認為精油敗壞[29],因此,除H22000外,其余微膠囊在3周后已出現(xiàn)品質劣變。將H0、H1000、H2500、H3500微膠囊在1～3周和3～5周的氧化數(shù)據(jù)分別擬合,而H22000利用1～5周氧化數(shù)據(jù)進行擬合,得到氧化動力學模型(表2)。結果表明,檸檬烯氧化符合零級模型,且R2均大于0.97,表明總體線性相關和擬合精度好,這與Finney等的研究結果一致[18]。

圖3 儲存時間對檸檬烯氧化的影響Fig.3 Effect of storage time on the oxidation of limonene

2.5 橙油微膠囊貨架期預測

根據(jù)檸檬烯氧化動力學方程(表2),以氧化檸檬烯/檸檬烯(mg/g)>2時為貨架期終點預測貨架期[29]。除H22000利用1～5周的擬合模型外,由于其余微膠囊在3周左右就達到此臨界值,因此只用擬合模型1預測。

貨架期預測結果表明(表2),37 ℃時H22000微膠囊的貨架期是其余微膠囊樣品的2.97～4.63倍,可達11周左右,而其余只有2.36～3.68周,說明納米粒徑的乳液制備的微膠囊具有更穩(wěn)定的性質。這也與掃描電鏡結果一致,H22000微膠囊具有更平滑的表面和更少的裂痕,從而能夠形成更好的保護。另外粒徑越小,結構越致密[29],使檸檬烯的氧化降到一個更低的程度。有文獻報道橙油微膠囊在37 ℃的預測貨架期只有8.2～10.6 d[18],這與所用壁材、乳液制備方法和噴霧干燥工藝等不同有關系。該文利用變性淀粉做壁材,乳液未經(jīng)高壓均質,且噴霧干燥進出口溫度不同,這也說明微膠囊貨架期與壁材種類和微膠囊化工藝密切相關[30]。

3 結論

本文研究了乳液粒徑對噴霧干燥橙油微膠囊物理和氧化穩(wěn)定性的影響。結果表明,均質壓力越高,乳液粒徑越小,未高壓處理的粗乳液(H0-E)具有最大的粒徑分布范圍(2.60～34.28 μm),而H22000-E為0.05～0.39 μm。乳液粒徑對微膠囊的總油量、包埋率和含水量沒有顯著影響(P>0.05),所有微膠囊總油量約為1.5 g/20 g,包埋率均大于95%,含水量低于4%。但乳液粒徑會影響微膠囊的平均粒徑、微觀形貌以及重組乳液的粒徑分布。乳液粒徑越小,微膠囊平均粒徑越小,表面越光滑。重組乳液相對于橙油乳液,具有更窄的粒徑分布,說明噴霧干燥形成了有效的包埋。當乳液粒徑達到納米級后,重組乳液具有與其相似的粒徑分布,說明納米乳液經(jīng)噴霧干燥得到的微膠囊具有良好的溶解性、分散性。同時,乳液粒徑還會影響到橙油微膠囊的氧化穩(wěn)定性。通過貯藏期間的加速實驗,發(fā)現(xiàn)檸檬烯的氧化符合零級動力學方程,根據(jù)擬合模型的貨架期預測結果,粒徑最小的微膠囊H22000在37 ℃的貨架期可長達11周左右,是其余微膠囊貨架期的2.97～4.63倍。說明粒徑越小,能形成更致密的保護,從而延長貨架期。