基于天然皂皮皂苷界面自組裝包埋制備粉末魚油及其特性研究

陳小威，尹文俊，李金玉，楊曉泉，馬傳國

1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001 2.華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640

近年來，含ω-3長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸(PUFA)的功能性食品在世界食品市場(chǎng)上引起廣泛關(guān)注。魚油作為ω-3長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸(如DHA和EPA)的重要來源,魚油及其產(chǎn)品得到了快速發(fā)展。大量研究表明，ω-3魚油在促進(jìn)人體健康方面發(fā)揮著積極的作用，如提高大腦認(rèn)知能力、降低炎癥因子的生成、降低心血管疾病發(fā)病率、改善視力、防止癌癥惡化、維持骨密度以及預(yù)防肥胖病和糖尿病[1]。然而，魚油因高不飽和脂肪酸的存在易發(fā)生氧化。微膠囊粉末化不僅可以延緩魚油的氧化，而且有利于其保存、運(yùn)輸和使用[2]。油脂經(jīng)過乳化包埋后亞微米粒徑的形成可顯著提高生物利用率，更適合嬰幼兒、老人等消化能力較弱的人群進(jìn)行營養(yǎng)補(bǔ)充[3-5]。

目前，用于魚油的粉末化加工方法主要有凝膠化、冷凍干燥和噴霧干燥等[6-8]。噴霧干燥是用于油和油溶性活性物質(zhì)微膠囊化的最方便、最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、干燥時(shí)間短的特點(diǎn)，有利于熱敏物質(zhì)(如魚油)的保護(hù)[9]。Yesilsu等[10]發(fā)現(xiàn)并證實(shí)，噴霧干燥粉末化技術(shù)能有效減緩魚油氧化并減少不良味道和風(fēng)味的產(chǎn)生。而壁材的性質(zhì)和組成決定著對(duì)芯材的包埋效果，是微膠囊化過程中重要的影響因素。皂皮皂苷(QS)由疏水性的五環(huán)三萜皂苷配基和兩個(gè)親水性的糖體3部分構(gòu)成，常作為一種天然非離子型表面活性劑，具有很強(qiáng)的乳化能力。Hanan等[11]用QS對(duì)魚油進(jìn)行乳化封裝，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)乳化劑(如卵磷脂、Tween-80、辛烯基琥珀酸淀粉鈉等)，QS不僅能提供穩(wěn)定的乳化體系，還具有減緩油脂氧化方面的潛在優(yōu)勢(shì)。作者利用天然雙親性小分子QS對(duì)魚油進(jìn)行乳化制成乳液，并與傳統(tǒng)的乳化劑(酪蛋白酸鈉)作對(duì)比，將乳液經(jīng)噴霧干燥后制成粉末魚油。通過對(duì)粉末魚油的外觀形貌、微結(jié)構(gòu)、包埋率、氧化穩(wěn)定性、復(fù)溶性和不同環(huán)境(pH值、鹽濃度和溫度)脅迫下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，探究QS在魚油粉末化的應(yīng)用性能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魚油(OMAX 1812)：諾亞圣有限公司；皂皮皂苷(Q-NATURALE 200)：宜瑞安食品配料有限公司；酪蛋白酸鈉(SC，純度>90.0%)：新西蘭Fonterra有限公司；甲醇、氯仿、異辛烷和異丙醇(分析純)：天津科密歐試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Nano-ZS Zeta電位及納米粒度分析儀：英國馬爾文公司；B-290噴霧干燥器：瑞士BUCHI公司；7890 A-5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀：美國Agilent公司；T25數(shù)顯型分散機(jī)：艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司；M-110EH30高壓微射流均質(zhì)機(jī)：美國Microfluidics International Corporation公司；1530VP場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡：德國LEO公司。

1.3 方法

1.3.1 粉末魚油的制備

乳液的制備：將QS加入去離子水中配制成不同濃度的QS溶液，攪拌使其完全分散溶解，備用；將魚油加入備用的QS溶液中，6 000 r/min高速攪拌剪切3 min，然后在80 MPa下高壓微射流3次循環(huán)乳化處理，得到魚油乳液。

粉末魚油的制備：通過噴霧干燥技術(shù)制備粉末油脂，噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)溫度為140 ℃，通過進(jìn)樣流速控制出風(fēng)溫度為70 ℃。

1.3.2 乳液粒徑與電位的測(cè)定

將原乳液按照一定比例稀釋，采用Nano-ZS納米粒度電位儀測(cè)定粒徑分布及Zeta電位。水相和油相的折射率分別為1.763和1.330，測(cè)試溫度為25 ℃。

1.3.3 微膠囊微結(jié)構(gòu)的觀察及流動(dòng)性測(cè)定

采用GB/T 11986—1989測(cè)定粉末魚油的休止角，表征產(chǎn)品流動(dòng)性。利用掃描電子顯微鏡在15 kV加速電壓下觀察粉末魚油微膠囊結(jié)構(gòu)，在此之前對(duì)微膠囊粉末進(jìn)行表面噴金。

1.3.4 包埋率的測(cè)定

包埋率的測(cè)定參考文獻(xiàn)[12]?？傆偷奶崛。簻?zhǔn)確稱取粉末油脂樣品10 g，依次加入20 mL甲醇、50 mL 氯仿，在53 kHz、25 ℃條件下超聲5 min，過濾后取濾液在45 ℃抽真空旋蒸至恒質(zhì)量，得到總油質(zhì)量m0(g)。

總油含量=(m0/10)×100%。

表面油的提取：精確稱取質(zhì)量M(1 ～2 g)的微膠囊產(chǎn)品，用30 mL乙醚準(zhǔn)確浸提1 min后，立即抽濾，用20 mL乙醚洗滌濾渣，收集濾液，將濾液真空濃縮即得到表面油，其質(zhì)量記作m(g)。

表面油含量=(m/M)×100%，

包埋率=(1-表面油含量/總油含量)×100%。

1.3.5 儲(chǔ)藏氧化穩(wěn)定性

準(zhǔn)確稱取0.100 g粉末魚油于2 mL離心管中，加入1.5 mL異辛烷/異丙醇的混合液(體積比3∶1)后渦旋混合振蕩20 s(5 次)；3 400 r/min 離心2 min，取上清液200 μL加入2.8 mL 甲醇/正丁醇混合液(體積比2∶1)中渦旋混合；向溶液中加入15 μL 3.94 mol/L的硫氰酸銨和15 μL的亞鐵溶液(由0.132 mol/L的BaCl2和0.144 mol/L的Fe2SO4混合后以3 400 r/min離心2 min，取上清液)；渦旋混合后避光平衡20 min，利用紫外分光光度計(jì)在510 nm測(cè)定吸光度。以過氧化氫標(biāo)準(zhǔn)品的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算油脂氧化產(chǎn)生的氫過氧化物量。

1.3.6 環(huán)境脅迫物理穩(wěn)定性

溫度脅迫：將25 mg粉末魚油溶于裝有10 mL去離子水的玻璃瓶中并密封，分別在25、60、80、100 ℃的水浴中處理30 min，靜置24 h 后采用Zeta激光粒度分析儀測(cè)定粒徑和電位。酸堿脅迫：將25 mg粉末魚油溶于10 mL pH值為3、5、7、9、11的去離子水溶液中，靜置24 h 后測(cè)定粒徑和電位。離子強(qiáng)度脅迫：將25 mg粉末魚油溶于10 mL濃度為100、200、300、400、500 mmol/L的NaCl水溶液中，靜置24 h后測(cè)定粒徑和電位。

2 結(jié)果與分析

2.1 皂皮皂苷在油-水界面的吸附與組裝特性

在乳液構(gòu)建和穩(wěn)定方面，表面活性劑在油-水界面的吸附與組裝特性起到?jīng)Q定性作用[13]。皂皮皂苷(QS)作為天然雙親性表面活性劑被證實(shí)擁有獨(dú)特的油-水界面活性[14]。利用懸滴界面流變儀研究了QS在油-水界面的吸附動(dòng)力學(xué)，如圖1a所示。在初始階段，界面張力隨時(shí)間延長(zhǎng)迅速下降，表明QS能快速擴(kuò)散到界面上，這歸功于QS的雙親分子特性(QS分子由一個(gè)疏水苷元和兩個(gè)親水性多糖側(cè)鏈組成)。當(dāng)吸附量達(dá)到飽和時(shí)，界面張力進(jìn)一步降低并趨于穩(wěn)定，這是由于QS在界面的吸附與重排降低了界面自由能和界面張力[14]。在懸滴法測(cè)量油-水界面張力時(shí)發(fā)現(xiàn)在液滴表面形成了起皺膜(如圖1b箭頭所示)，表明QS在油-水界面發(fā)生了某種特殊的重排，這與Golemanov等[15]的研究結(jié)果一致。這種界面褶皺現(xiàn)象也被稱為表面凝膠化，而此凝膠化也被證實(shí)具有改善乳液穩(wěn)定性的特性。此外，這種QS界面膜在偏光顯微鏡(PLM)下表現(xiàn)出雙折射的網(wǎng)狀纖維現(xiàn)象,如圖1c所示，表明QS在油-水界面發(fā)生了分子間相互作用的有序組裝重排而形成了纖維化網(wǎng)狀界面膜。

圖1 皂皮皂苷在油-水界面的動(dòng)態(tài)吸附、組裝行為及組裝體的偏光形貌[16]Fig.1 Dynamic interfacial tension, droplet surface gelling behavior of a water droplet in oil phase and polarized light image of the interface assembly[16]

為了進(jìn)一步證明纖維膜在乳液中的存在，用熒光標(biāo)記(THT)結(jié)合激光共聚焦(CLSM)技術(shù)觀察QS穩(wěn)定的粗乳液。THT具有與纖維結(jié)構(gòu)體特異性結(jié)合的作用，被廣泛地應(yīng)用于纖維體的表征[17]。從圖2a可觀察到強(qiáng)烈的熒光包圍在油脂周圍，表明QS自組裝后形成纖維體結(jié)構(gòu)包裹油滴。此外，還可知油滴周圍形成的纖維狀結(jié)構(gòu)體層層排列，在油滴表面組裝成多層界面殼(如箭頭所示)，可能抑制乳液液滴間的聚集從而提高乳液的穩(wěn)定性。這種現(xiàn)象在傳統(tǒng)的乳化劑，如蛋白質(zhì)、多糖、纖維素、卵磷脂、Tween-80和SDS等中沒有表現(xiàn)。用PLM對(duì)乳液中油滴的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，如圖2b所示，也進(jìn)一步證實(shí)了所有油滴顯示出多孔網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)，在偏振光下油滴周圍顯示出強(qiáng)烈的各向特異性偏光，這是典型的自組裝特征[17]。這與圖1c的結(jié)果一致，進(jìn)一步證明了QS在油-水界面發(fā)生了有序纖維化自組裝。這種界面自組裝行為形成堅(jiān)固的“外殼”，可能會(huì)增強(qiáng)乳液的穩(wěn)定性以及抗外界干擾的能力，如噴霧干燥[16,18]。

圖2 皂皮皂苷穩(wěn)定粗乳液在激光共聚焦熒光和偏振光下的微觀結(jié)構(gòu)形貌[16]Fig.2 CLSM and PLM images of the crude emulsion stabilized by Quillaja saponin[16]

2.2 粉末魚油的形成與微結(jié)構(gòu)形貌

基于QS油-水界面組裝在不同皂苷添加量下穩(wěn)定制備了魚油乳液，并利用噴霧干燥技術(shù)得到粉末魚油，如圖3a—圖3c所示。粉末魚油呈白色，存放在聚丙乙烯瓶中，于4 ℃冰箱中放置3個(gè)月,無黏稠或漏油跡象。相對(duì)于傳統(tǒng)酪蛋白(SC)制備的粉末魚油(圖3d)，QS包埋的粉末魚油具有較好的流動(dòng)性，這從粉末魚油的休止角也可以證實(shí)。表1為不同濃度QS和1.5%SC制備粉末魚油的總油含量、表面油含量、包埋率和休止角，隨著QS用量的增加，粉末魚油的休止角從55.55°逐漸降低至45.10°，明顯小于1.5% SC制備的粉末魚油(61.80°)。為了進(jìn)一步分析粉末魚油的微結(jié)構(gòu)，利用掃描電鏡技術(shù)(SEM)對(duì)其形貌進(jìn)行了表征。如圖3e—圖3h所示，所制備的粉末魚油呈球形，沒有明顯的裂縫或裂紋，這有利于減少油泄露到顆粒表面并防止空氣滲透到膠囊中，從而防止密封的魚油氧化[8]。然而，在顆粒的表面出現(xiàn)明顯的凹痕，這可能是噴霧干燥技術(shù)制備微膠囊所特有的，即在干燥過程的早期，傳質(zhì)不均勻?qū)е骂w粒迅速收縮造成，這在其他研究中也有報(bào)道[19-20]。但從SEM圖像上可看出，SC制備的粉末魚油部分已經(jīng)聚集成團(tuán)，這可能是因?yàn)槠漭^高的表面油含量(23.83%±0.39%)和較低的包埋率(71.52%±0.53%)，從而促使SC粉末魚油顆粒間相互黏附，這也解釋了SC制備的粉末魚油休止角較大的原因。

相對(duì)于SC包封得到的粉末魚油，QS穩(wěn)定制備的粉末魚油具有較高的包埋率，如表1所示。理論上，作為生物大分子的蛋白質(zhì)在界面的雙親穩(wěn)定性和分子纏繞更有利于內(nèi)部油脂的包封，如大豆蛋白、酪蛋白、乳清蛋白和辛烯基琥珀酸淀粉常用于微膠囊的壁材[21]。QS粉末魚油表現(xiàn)出更好的包埋率，可能歸因于QS在油-水界面自組裝形成了多層纖維化的網(wǎng)絡(luò)膜(圖1)。此外，隨著QS使用量的增加，魚油的包埋率逐漸從88.80%升高到90.24%，這高于傳統(tǒng)乳化劑制備魚油的包埋率[22]。同時(shí)，相對(duì)于SC包封劑得到的粉末魚油，QS穩(wěn)定制備的粉末魚油具有更低的表面油含量，且隨著QS使用量的增加，魚油的表面油含量逐漸降低，這也可解釋粉末魚油在外觀和流動(dòng)性上的差異。QS在魚油包埋上的良好特性可為芯材提供更好的保護(hù)作用，減緩魚油的氧化。

注:a、e為1.0% QS; b、 f為1.5% QS; c、 g為2.0% QS；d、h為 1.5%SC。圖3 不同濃度QS和1.5% SC制備粉末魚油的外觀及微觀樣貌Fig.3 Appearance and SEM of fish oil powders prepared with varying QS concentration and 1.5% SC

2.3 粉末魚油的氧化穩(wěn)定性

為了考察粉末魚油的氧化穩(wěn)定性，通過進(jìn)行加速誘導(dǎo)儲(chǔ)藏條件(60 ℃)評(píng)價(jià)粉末魚油的過氧化值。由圖4可知，過氧化值隨著誘導(dǎo)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，說明魚油發(fā)生快速氧化。相對(duì)于未包封的魚油，粉末化魚油的氧化速率明顯較低。相對(duì)于SC穩(wěn)定的粉末魚油，QS制備的粉末魚油氧化更慢，且隨著QS濃度的增加這種效果更為明顯，這可能是由于QS穩(wěn)定的粉末魚油表面油含量低(表1)，降低了魚油與空氣的接觸氧化。此外，也有文獻(xiàn)報(bào)道皂皮皂苷提取物中微量多酚的存在也可抑制油脂的氧化[23]。

2.4 粉末魚油的復(fù)溶重構(gòu)特性

粉末油脂的復(fù)溶重構(gòu)特性對(duì)其應(yīng)用具有重要的影響。通過對(duì)比粉末魚油的乳液前體和復(fù)溶液的粒徑、多分散系數(shù)(PDI)和電位，考察了粉末魚油的復(fù)溶重構(gòu)特性。從表2可知，QS制備的粉末魚油在復(fù)溶后粒徑與相應(yīng)新制乳液的粒徑接近，電位有所增加，說明以QS乳液噴霧干燥制成的粉末魚油在一定程度具有很好的穩(wěn)定性。然而，SC粉末魚油復(fù)溶液的粒徑相較于新制備乳液顯著增加，表明其復(fù)溶性較差，這可能歸因于表面含油量高和大分子乳化劑弱復(fù)溶引起的乳滴聚集而表現(xiàn)出差的重構(gòu)特性，這從復(fù)溶后的粒徑分布也可得到證實(shí)。如圖5所示，SC粉末魚油液中存在大的聚集體。QS穩(wěn)定粉末魚油的復(fù)溶液中粒徑呈單分散分布，具有較好的分散性，且隨著QS濃度的增加粒徑更小，單分散性也更好，表明QS穩(wěn)定制備的粉末魚油具有良好的復(fù)溶重構(gòu)性。

圖4 不同濃度QS和1.5%SC制備粉末魚油的過氧化值隨誘導(dǎo)時(shí)間的變化Fig.4 The POV of fish oil and fish oil powder prepared with varying QS concentration and 1.5% SC

表2 粉末魚油乳液前體(新制備乳液)和復(fù)溶液的粒徑、分散性及電位特性Table 2 Particle size, dispersion and potential of powdered fish oil reconstituted emulsion and their precursors (fresh emulsion)

圖5 不同濃度QS和1.5% SC制備粉末魚油復(fù)溶液的粒度分布Fig.5 Particle size distribution of reconstituted emulsions of fish oil powder prepared with varying QS concentration and 1.5% SC

2.5 粉末魚油在環(huán)境脅迫下的物理穩(wěn)定性

不同食品體系具有不同的酸堿度，液態(tài)食品體系還會(huì)存在著一定的電解質(zhì)，并且在大多數(shù)食品加工過程中，溫度處理是不可缺少的工序。因此，pH值、鹽濃度和溫度是粉末魚油在應(yīng)用和加工中的重要因素，也是粉末魚油在食品體系中能維持穩(wěn)定狀態(tài)的基本保障。從圖6a和圖6b可知，在不同pH值條件下，SC粉末魚油的粒徑和電位變化較大，說明SC制備的粉末魚油在酸堿條件下較為敏感。當(dāng)pH值為4時(shí)，SC粉末魚油在水中粒徑很大且?guī)倭空姾?，這可能是因?yàn)镾C是蛋白質(zhì)類的乳化劑，在等電點(diǎn)時(shí)乳滴在溶液中的靜電斥力降低，發(fā)生乳滴間的碰撞、凝聚而產(chǎn)生沉淀，這限制了粉末魚油的應(yīng)用[24]。對(duì)于非離子表面活性劑QS穩(wěn)定的粉末魚油復(fù)溶液在極端pH值(如pH 3、pH 11)下粒徑保持基本不變，說明其具有高的酸堿穩(wěn)定性。

注：a、b為pH值； c、d為鹽離子濃度； e、f為溫度。圖6 不同濃度QS和1.5%SC穩(wěn)定的粉末魚油復(fù)溶液在不同pH值、鹽離子濃度和溫度下的粒徑和電位變化Fig.6 Particle size and Zeta potential of reconstituted emulsions of fish oil powder at different pH, ionic concentration, and temperature

通過考察不同NaCl濃度對(duì)粉末魚油復(fù)溶液的粒徑和電位變化探究了不同鹽離子濃度下的粉末魚油復(fù)溶液的穩(wěn)定性。由圖6c和圖6d可知，隨著離子強(qiáng)度的增加，Zeta電位絕對(duì)值均迅速降低，而后趨于平緩，這可能是因?yàn)楫?dāng)離子強(qiáng)度增大后，鹽離子會(huì)迅速爭(zhēng)奪溶液中大部分的自由水，使靜電屏蔽逐漸減弱[25]。盡管鹽離子削弱了靜電排斥，使得Zeta電位升高，但是QS粉末魚油復(fù)溶液的粒徑保持不變，表明即使在500 mmol/L(約3.025%)NaCl環(huán)境下仍具有較高的穩(wěn)定性。然而，在蛋白穩(wěn)定的體系中，離子強(qiáng)度影響蛋白質(zhì)的電離狀態(tài)以及蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)。隨著離子強(qiáng)度增加，破壞蛋白質(zhì)的水化作用，引起蛋白質(zhì)溶解度降低，靜電屏蔽效果慢慢接近極限，最終會(huì)導(dǎo)致“鹽析”現(xiàn)象出現(xiàn)，使得SC粉末魚油復(fù)溶液的粒度逐漸增大[26-27]。

溫度處理是食品加工(如滅菌)過程中最為常見的工序。將粉末魚油復(fù)溶液放置不同溫度下進(jìn)行30 min的熱處理，考察不同溫度下的物理穩(wěn)定性。從圖6e和圖6f可知，SC穩(wěn)定的粉末魚油復(fù)溶液對(duì)溫度極為敏感(出現(xiàn)聚集)，而 QS 穩(wěn)定的粉末魚油在25～100 ℃熱處理下無顯著的粒徑變化。這是因?yàn)榇蠓肿覵C在高溫處理下會(huì)發(fā)生分子變性，蛋白分子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生解析，導(dǎo)致乳液體系不穩(wěn)定[26,28]。而QS作為天然小分子對(duì)溫度不敏感，使得 QS 為乳化劑制備粉末魚油的復(fù)溶液帶有高程度負(fù)電荷，互相排斥不會(huì)產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象，并且由于納米乳粒徑較小，受到重力作用較弱，布朗運(yùn)動(dòng)下可以使其平衡，具有較好的穩(wěn)定性[29]。

3 結(jié)論

本研究基于天然皂皮皂苷(QS)在油-水界面獨(dú)特的纖維化自組裝特性，在乳液油滴表面形成多層纖維膜，促進(jìn)魚油的粉末結(jié)構(gòu)化。研究表明，相較于傳統(tǒng)酪蛋白噴霧干燥制備的粉末魚油，QS穩(wěn)定的粉末魚油具有較高的包埋效率(高達(dá)90.24%)，能顯著抑制魚油在儲(chǔ)存過程中的氧化。同時(shí)，小分子皂皮皂苷制備的粉末魚油還表現(xiàn)出更好的復(fù)溶重構(gòu)特性以及極端環(huán)境(極端pH值、高離子強(qiáng)度、高溫)下的穩(wěn)定性。這一研究將為新資源食品添加劑皂皮皂苷和粉末魚油擴(kuò)寬應(yīng)用范圍，并為油脂粉末結(jié)構(gòu)化提供了可行性解決方案。