復(fù)凝聚法青魚內(nèi)臟魚油微膠囊的制備及其性能研究

王正云,展躍平,鐘 川,蔣慧亮

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院,江蘇泰州 225300)

近年來,我國淡水魚養(yǎng)殖業(yè)得到了大力的發(fā)展,2018年中國水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量超過5000萬噸,占全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的比重達(dá)78%以上,但在淡水魚加工過程中魚鱗、魚皮、魚骨、魚內(nèi)臟等很多副產(chǎn)物得不到有效利用,不但造成大量浪費(fèi),還造成了環(huán)境污染[1]。青魚、草魚、鰱魚等淡水魚內(nèi)臟中含有較高的魚油,富含二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)等人體必需的多不飽和脂肪酸。魚油中多不飽和脂肪酸因含有較多的雙鍵,在加工、貯藏和運(yùn)輸過程中極易發(fā)生氧化酸敗而失去其功效;同時,魚油有令人不愉快的魚腥味,添加在一些食品中會影響食品本身的味感[2]。采用微膠囊技術(shù)能夠?qū)Ⅳ~油包埋起來,掩蓋其魚腥味,抑制魚油中不飽和脂肪酸的氧化,延長其貨架期[3-4]。

復(fù)凝聚法是指用兩種相反電荷的高分子電解質(zhì)作為壁材,包埋分散在其中的芯材,通過改變其pH、溫度或水溶解溫度,使兩壁材組分相互作用形成復(fù)合凝聚物,通過溶解度下降而凝聚析出,再經(jīng)過分離、固化后形成穩(wěn)定的微膠囊[5]。李飛雨等[6]采用復(fù)凝聚法制備魚油微膠囊,通過過氧化值變化分析,能顯著延緩魚油氧化?？涤罱艿萚7]研究了葡萄糖對大豆分離蛋白膜性能的影響,發(fā)現(xiàn)葡萄糖能有效改善大豆分離蛋白(SPI)成膜特性。已有以明膠為壁材利用魚副產(chǎn)品提取魚油制作微膠囊研究[8],但目前尚未有復(fù)凝聚法用于淡水魚副產(chǎn)品魚油制備微膠囊的報道。

本研究采用具有優(yōu)良的乳化及成膜性能的殼聚糖(CS)[9]和大豆分離蛋白(SPI)作為壁材,同時,用無毒安全的葡萄糖替代甲醛、戊二醛等有毒交聯(lián)劑對微膠囊結(jié)構(gòu)進(jìn)行固化,研究復(fù)凝聚法制備淡水魚內(nèi)臟魚油微膠囊的工藝條件,以期為魚油微膠囊新產(chǎn)品開發(fā)及在食品中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

青魚內(nèi)臟魚油 實驗室自制;殼聚糖(脫乙酰度≥90%) 食品級,國藥集團(tuán)藥業(yè)股份有限公司;大豆分離蛋白(SPI) 食品級,江蘇瑞多生物工程有限公司;單甘酯 江蘇瑞多生物工程有限公司;氫氧化鈉、鹽酸、冰醋酸、硫代硫酸鈉、葡萄糖 分析純,上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

DF-101SZ集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州科華儀器設(shè)備有限公司;AL204型電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;FA25高剪切力分散乳化機(jī) 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;KQ-250B超聲波清洗機(jī) 上海精密儀器儀表有限公司;EL20K型酸度計 梅特勒-托利多儀器有限公司;RE-52D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海青浦滬西儀器廠;BGZ-240電熱恒溫干燥箱 上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司;B-290小型噴霧干燥機(jī) 瑞士BUCHI實驗室儀器公司;labconco FreeZone冷凍干燥儀 美國LABCONCO公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚油微膠囊的制備 取一定量魚油與SPI溶液按比例混合,添加0.2%單甘酯,于65 ℃攪拌溶解,以一定轉(zhuǎn)速均質(zhì)3 min,得到均勻的乳狀液。將乳狀液加入到一定量的CS醋酸溶液中(醋酸濃度為1%),再以相同的速度均質(zhì)3 min,取出后立刻在30 ℃恒溫水浴攪拌,用10% NaOH溶液調(diào)至一定pH,反應(yīng)20 min。加入微膠囊溶液總量1%的葡萄糖,逐漸升溫至40 ℃,恒溫振蕩固化2 h,過濾洗滌沉淀,得到微膠囊濕囊[9-10]。

噴霧干燥:將微膠囊濕囊在進(jìn)風(fēng)溫度160 ℃,出風(fēng)溫度80 ℃,進(jìn)料流量60 mL/min條件下,經(jīng)噴霧干燥機(jī)干燥得魚油微膠囊[11-12]。

冷凍干燥:將微膠囊濕囊倒入培養(yǎng)皿中(厚度不超過1 cm),先放入冰箱中預(yù)冷12 h,然后再放置于冷凍干燥機(jī)(-50 ℃)中冷凍干燥24 h得魚油微膠囊[13-14]。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 均質(zhì)速度對魚油乳化液的影響 取0.5 g魚油與50 mL 1.5% SPI溶液混合,添加0.2%單甘酯,于65 ℃攪拌溶解,分別以800、1000、1500、2000、2500 r/min轉(zhuǎn)速均質(zhì)5 min,得到均勻的乳化液,取乳化液于顯微鏡100倍觀察。

1.2.2.2 pH對魚油微膠囊包埋率的影響 在固定均質(zhì)速度2000 r/min、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、SPI/CS比值為1∶4、芯壁比為1∶2的條件下,考察pH(5、5.5、6、6.5、7)對魚油微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.3 壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)對魚油微膠囊化包埋率的影響 在均質(zhì)速度2000 r/min、pH為6.5、SPI/CS比值為1∶4、芯壁比為1∶2 的條件下,考察壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%、1.5%、2%、2.5%、3%)對魚油微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.4 SPI/CS比值對魚油微膠囊包埋率的影響 在均質(zhì)速度2000 r/min、pH為6.5、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、芯壁比為1∶2的條件下,考察SPI/CS比值(1∶4、2∶3、1∶1、3∶2、4∶1)對魚油微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.5 芯壁比對魚油微膠囊包埋率的影響 在均質(zhì)速度2000 r/min、pH為6.5、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、SPI/CS比值為1∶4的條件下,考察芯壁比(3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3)對魚油微膠囊包埋率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計 根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理,綜合分析單因素,在固定均質(zhì)速度2000 r/min、均質(zhì)時間3 min的條件下,選取pH、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SPI/CS比值、芯壁比4個因素,以包埋率為響應(yīng)值,設(shè)計四因素三水平的響應(yīng)面試驗,采用統(tǒng)計軟件Design Expert 8.0.6.1進(jìn)行分析處理。實驗因素與水平設(shè)計見表1[15]。

表1 響應(yīng)面試驗因素及水平表

1.2.4 微膠囊魚油產(chǎn)品質(zhì)量評定

1.2.4.1 魚油微膠囊包埋率的測定 微膠囊表面魚油含量測定:準(zhǔn)確稱取2.000 g的魚油微膠囊產(chǎn)品,用30 mL石油醚輕微振蕩下浸提5 min后過濾。再用5 mL石油醚洗滌濾渣2次,快速濾紙過濾,合并濾液轉(zhuǎn)移至已恒重的圓底燒瓶中,40 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸干石油醚,于105 ℃烘干至恒重,可得微膠囊表面魚油質(zhì)量(M1)[16-17],微膠囊表面含油率為表面魚油質(zhì)量(M1)占魚油微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量的百分含量。

微膠囊魚油總含量測定:準(zhǔn)確稱取2.000 g的魚油微膠囊產(chǎn)品,反復(fù)研磨多次,用無水乙醚或石油醚作為溶劑,按照GB 5009.6-2016中索氏抽提法進(jìn)行測定,可得微膠囊魚油總質(zhì)量(M2)[18-19]。

式(1)

式中:X為包埋率(%);M1為微膠囊表面魚油質(zhì)量,g;M2為微膠囊魚油總質(zhì)量,g。

1.2.4.2 魚油微膠囊水分含量的測定 按照GB 5009.3-2016食品中水分的測定第一法-直接干燥法測定魚油微膠囊中的水分含量[20]。

1.2.4.3 模擬胃液實驗 準(zhǔn)確稱取10.0 g胃蛋白酶溶于500 mL蒸餾水中,用0.1 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)至pH為1.2,再加入2 g NaCl,加入去離子水將溶液定容至1000 mL制成人工胃液。稱取1.0 g魚油微膠囊加入盛有100 mL人工胃液的錐形瓶中,于37 ℃恒溫水浴輕微攪拌,攪拌速度不超過200 r/min,記錄微膠囊魚油完全溶解的時間[21-23]。

1.2.5 魚油微膠囊貯藏穩(wěn)定性實驗 分別將噴霧干燥、冷凍干燥制備的青魚內(nèi)臟魚油微膠囊產(chǎn)品及魚油原油置于60 ℃恒溫干燥箱中儲存8 d,進(jìn)行加速氧化實驗,每隔24 h按照GB 5009.227-2016中第一法-滴定法測一次過氧化值[24-25]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,所有試驗均重復(fù)測定3次,其測定結(jié)果取其平均值±相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,P<0.05時認(rèn)為樣品平均值之間差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 均質(zhì)速度對魚油乳化液的影響 不同均質(zhì)速度下魚油乳化液的100倍顯微鏡觀察見圖1。均質(zhì)速度對魚油乳化液具有重要的影響。由圖1可知,魚油乳化液液滴隨均質(zhì)速度的增加呈下降趨勢,并且變得更加均勻。這是因為均質(zhì)速度越大,均質(zhì)所產(chǎn)生的剪切力會越大,得到的乳化液液滴就越小,乳化液體系越穩(wěn)定。而均質(zhì)速度為2500 r/min時與均質(zhì)轉(zhuǎn)速為2000 r/min相比魚油乳化液液滴和均勻度相差較小,說明均質(zhì)速度大于2000 r/min時,乳化液液滴大小受剪切力的影響不大,同時均質(zhì)速度過高易破乳。故選擇均質(zhì)速度2000 r/min進(jìn)行后續(xù)實驗。

圖1 不同均質(zhì)速度下乳化液顯微鏡觀察圖(×100)

2.1.2 pH對魚油微膠囊包埋率的影響 不同pH對噴霧干燥魚油微膠囊包埋率的影響見圖2。CS是天然聚陽離子化合物,而SPI的等電點pI為4.5左右,只有pH大于其等電點時才帶負(fù)電,當(dāng)CS和SPI兩種壁材在正、負(fù)電荷達(dá)到電荷平衡時,會形成聚電解質(zhì)復(fù)合物,從溶液中凝聚出來,將芯材包覆形成緊密的微膠囊[7]。因此調(diào)節(jié)pH是復(fù)凝聚法制備微膠囊的關(guān)鍵步驟。由圖2可以看出,隨著pH的升高,包埋率呈先上升后下降的趨勢,當(dāng)pH為6.5時,包埋率達(dá)到最大值約為68.5%。這是因為隨著pH的增加,SPI所帶負(fù)電荷也逐漸增加,當(dāng)pH在6.5左右時,CS溶液中的正電荷與SPI所帶負(fù)電荷趨于電荷平衡,凈電荷數(shù)量最少,形成的復(fù)合物最多,包埋率最高,因此選擇pH6.0～7.0進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 pH對包埋率的影響

2.1.3 壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)對魚油微膠囊化包埋率的影響 不同壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)對噴霧干燥魚油微膠囊包埋率的影響見圖3。由圖3可知,壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)對包埋效果影響明顯,當(dāng)壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%時,包埋率隨著壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而明顯增大,壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時,包埋率達(dá)到最大值67.3%,繼續(xù)增加壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù),包埋率呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,溶液黏度會加大,不僅能降低魚油損失,而且能使包埋更充分,有利于微膠囊的形成。但壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高,溶液黏度太大,不利于均質(zhì)分散,較難形成均勻顆粒,導(dǎo)致包埋率降低,因此選擇壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%～2.5%進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)對包埋率的影響

2.1.4 SPI/CS比值對魚油微膠囊包埋率的影響 不同SPI/CS比值對噴霧干燥魚油微膠囊包埋率的影響見圖4。不同壁材比值對于大豆分離蛋白SPI和殼聚糖CS之間電荷平衡至關(guān)重要,SPI/CS比值過小或過大均會影響電荷平衡,而影響魚油微膠囊的包埋率。由圖4可知,包埋率隨著SPI/CS比值的增加先增大后降低,當(dāng)SPI/CS比值為1∶1左右時,溶液中正電荷和負(fù)電荷數(shù)量接近,凈電荷最少,包埋率最大,達(dá)到68.2%,進(jìn)一步增加SPI/CS比值,凈電荷含量增加,包埋率降低,因此最佳SPI/CS比值為1∶1。

圖4 SPI/CS比值對包埋率的影響

2.1.5 芯壁比對魚油微膠囊包埋率的影響 芯壁比對噴霧干燥魚油微膠囊包埋率的影響見圖5。芯壁比是指芯材與壁材之間的比值,由圖5可知,隨著芯壁比增加,包埋率先升高后下降,在芯壁比為1∶1時,包埋率最高,為67.8%。芯壁比過小,壁材之間易發(fā)生交聯(lián),易直接發(fā)生凝聚現(xiàn)象,而導(dǎo)致部分芯材未被包埋,包埋率不高。芯壁比過大,會增加芯材乳狀液滴,液滴間易相互碰撞聚集形成較大乳液,微膠囊囊壁變薄,包埋不完全,表面油產(chǎn)生較多[21],因此最佳芯壁比為1∶1。

圖5 芯壁比對包埋率的影響

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗

2.2.1 響應(yīng)面模型試驗結(jié)果及方差分析 依據(jù)單因素實驗,選擇pH、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SPI/CS比值、芯壁比4個因素,利用Design Expert 8.0.6.1軟件中的Box-Behnken程序進(jìn)行試驗設(shè)計,測定噴霧干燥魚油微膠囊包埋率,結(jié)果見表2。

表2 Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計與結(jié)果

利用統(tǒng)計軟件Design-Expert.8.0.6.1對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,將數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合,得出包埋率(R)與pH、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)、SPI/CS比值、芯壁比的二次響應(yīng)面回歸方程為:

R=69.82+2.20A+0.82B+2.29C+2.02D+0.55AB+1.37AC+0.82AD-0.28BC-1.10BD+0.82CD-3.01A2-2.05B2-3.15C2-2.73D2。

利用統(tǒng)計軟件Design-Expert.8.0.6.1對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3。

表3 方差分析結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面圖交互作用分析 由圖6可知,4個變量在兩兩交互時,固定其中2個變量,包埋率隨著另外2個變量的增加而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中AC、AD、BD、CD交互作用極顯著,AB顯著,響應(yīng)面的坡度較陡,BC不顯著,響應(yīng)面的坡度較緩。響應(yīng)面分析結(jié)果與前面回歸模型方差分析顯著性檢驗結(jié)果一致。

圖6 各因素交互作用對魚油包埋率影響的響應(yīng)面圖

2.2.3 驗證試驗 根據(jù)回歸模型,采用Design-Expert 8.0.6.1軟件對各因素進(jìn)行優(yōu)化,得出復(fù)凝聚法制備魚油微膠囊的最佳工藝參數(shù)為pH6.79、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.05%、SPI/CS比值1.28∶1、芯壁比1.26∶1,在此工藝條件下,得到魚油微膠囊包埋率的預(yù)測值為71.65%。根據(jù)實際實驗的可操作性將工藝參數(shù)進(jìn)行修正,得出修正后的實際工藝條件為pH7、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、SPI/CS比值1.3∶1、芯壁比1.3∶1,在此條件下進(jìn)行3次平行驗證試驗,魚油包埋率為71.98%±0.16%,實測值與預(yù)測值相近,相對誤差較小,僅為0.46%,從而證實模型對魚油微膠囊制備工藝條件參數(shù)優(yōu)化是有效的。

2.3 微膠囊內(nèi)臟魚油產(chǎn)品質(zhì)量評定

依據(jù)青魚內(nèi)臟魚油微膠囊的最佳工藝條件,分別用噴霧干燥和冷凍干燥兩種干燥方法對微膠囊濕囊進(jìn)行干燥,并對微膠囊內(nèi)臟魚油產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評價[26],結(jié)果見表4。

表4 不同干燥方法對微膠囊魚油產(chǎn)品質(zhì)量的影響(n=3)

SC/T 3505-2006《魚油微膠囊》理化指標(biāo)為魚油微膠囊表面含油率≤1%、水分含量≤5%[27]。由表4可知,魚油微膠囊濕囊通過噴霧干燥法進(jìn)行干燥所得魚油微膠囊包埋率明顯高于冷凍干燥法,且表面含油率較冷凍干燥法低,為0.73%,符合指標(biāo)要求。這是因為噴霧干燥過程中,乳液霧化成小液滴,內(nèi)層芯材被外面表面壁材包裹在內(nèi),外層壁材液經(jīng)高溫迅速揮發(fā)并形成一層保護(hù)膜,致使表面含油率下降,包埋率升高,而冷凍干燥過程由于預(yù)冷會使乳化液內(nèi)部水分形成冰晶,破壞芯材外層的液態(tài)保護(hù)膜,致使局部芯材暴露,降低了產(chǎn)品包埋率[12]。兩種干燥方法所得魚油微膠囊產(chǎn)品水分含量相差不大,均符合魚油微膠囊指標(biāo)要求,在人工胃液中完全溶解時間也相差不大,均為4 h左右,說明利用SPI和CS作為壁材的復(fù)合凝聚法制備的青魚內(nèi)臟魚油微膠囊產(chǎn)品可以在胃中被消化溶解。說明噴霧干燥法制得的青魚內(nèi)臟魚油微膠囊品質(zhì)總體優(yōu)于冷凍干燥法,與江連洲等[28]研究結(jié)果一致。

2.4 魚油微膠囊貯藏穩(wěn)定性實驗

噴霧干燥、冷凍干燥制備的魚油微膠囊產(chǎn)品及魚油原油在60 ℃加速氧化貯藏過程中過氧化值變化如圖7所示。

圖7 魚油及微膠囊在貯藏過程中過氧化值的變化

過氧化值是衡量油脂儲藏過程中氧化穩(wěn)定性的重要指標(biāo),魚油中由于含有豐富的不飽和脂肪酸,很容易被空氣中氧氣所氧化而發(fā)生酸敗[29-30]。SC/T 3502-2016《魚油》規(guī)定,精制魚油的過氧化值≤10 meq/kg[31]。SC/T 3505-2006《魚油微膠囊》規(guī)定,魚油微膠囊的過氧化值≤6 mmol/kg,即≤12 meql/kg。從圖7可知,隨著貯存時間的延長,未經(jīng)過包埋的青魚內(nèi)臟魚油原油過氧化值增加較快,經(jīng)60 ℃加速氧化2 d后達(dá)到13.55 meq/kg,超過了魚油的過氧化值指標(biāo)10 meq/kg,而經(jīng)過噴霧干燥或冷凍干燥制得的魚油微膠囊的氧化值增速均較緩慢,經(jīng)60 ℃加速氧化6 d后仍未達(dá)到魚油微膠囊的過氧化值允許最高值12 meq/kg。7 d后經(jīng)過冷凍干燥法的魚油微膠囊過氧化值為15.56 meq/kg,超過指標(biāo);8 d后經(jīng)過噴霧干燥法的魚油微膠囊過氧化值為15.62 meq/kg,超過指標(biāo)。說明復(fù)凝聚法包埋的青魚內(nèi)臟魚油微膠囊受外界條件影響較小,不易被空氣中氧氣所氧化,經(jīng)冷凍干燥法和噴霧干燥法兩種方法制得魚油微膠囊產(chǎn)品的貯藏期分別較未包埋的內(nèi)臟魚油延長5和6 d以上。與冷凍干燥法相比,復(fù)凝聚法制備得到的魚油微膠囊濕囊經(jīng)噴霧干燥法干燥后穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3 結(jié)論

本研究以青魚內(nèi)臟魚油為芯材,大豆分離蛋白(SPI)和殼聚糖(CS)為壁材,葡萄糖為固化劑,利用響應(yīng)面試驗設(shè)計優(yōu)化制備青魚內(nèi)臟魚油微膠囊的工藝,得出最佳魚油微膠囊制備工藝條件為:pH7、壁材總質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、SPI/CS比值1.3∶1、芯壁比1.3∶1,在此條件下魚油包埋率為71.98%±0.16%。通過對經(jīng)冷凍干燥或噴霧干燥兩種不同干燥方法制得魚油微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評定和貯藏穩(wěn)定性影響試驗,結(jié)果表明兩種干燥方法制得的魚油微膠囊產(chǎn)品品質(zhì)較好,貯藏期可較未包埋的魚油分別延長5和6 d以上,其中噴霧干燥效果更好。