噴霧干燥與冷凍干燥對魚油微膠囊品質的影響

葉 繁，彭 茜，李思敏，陶美潔，曹亞倫，戴志遠,2

(1 浙江工商大學海洋食品研究院，浙江 杭州 310012；2 浙江省水產(chǎn)品加工技術研究聯(lián)合重點實驗室，浙江 杭州 310012)

金槍魚油作為加工副產(chǎn)物，富含以二十二碳六烯酸(DHA)和二十碳五烯酸(EPA)為代表的ω-3不飽和脂肪酸，具有預防心血管疾病、增強免疫力、健腦益智和保護視網(wǎng)膜等一系列功效[1-2]。魚油不溶于水，且對光、熱和氧極為敏感，這使得其不便于使用和保藏。殼聚糖是一種天然聚陽離子堿性多糖，來源廣泛，有良好的生物相容性、可降解性和成膜性，而不溶于水、易溶于酸的特性使其具有靶向和緩釋的優(yōu)點，是制備微膠囊的理想壁材[3-4]。油脂微膠囊化是利用一定技術把油脂封閉包裹在微米級的球狀微膠囊中，營養(yǎng)因子及特有氣味能得到很好的保存，并可降低不飽和脂肪酸被包埋后的氧化速率，便于運輸和計量使用，使之更適合工業(yè)化生產(chǎn)[4-7]。

噴霧干燥法[8]是乳化液被霧化成微細液滴分散在高溫熱氣流中實現(xiàn)成膜、脫水干燥的方法，具有方法簡單、工藝成熟，產(chǎn)品純度高、分散性好、成本低的特點[9]。冷凍干燥法是將待干燥樣品快速凍結后，在高真空條件下升華去除結成冰的水分的干燥方法[10]。整個凍干過程保持低溫凍結狀態(tài)，可有效抑制熱敏性物質發(fā)生生物、化學或物理變化[11]，降低外界環(huán)境對芯材的影響。目前大部分研究注重于微膠囊制備工藝的改進及完善，但對其理化指標及風味成分的研究并不多。選擇殼聚糖為壁材，分別通過噴霧干燥法和冷凍法制備金槍魚油微膠囊，比較兩種方法對制得魚油微膠囊品質的影響，為殼聚糖的應用和深海魚加工副產(chǎn)物的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

自制精制乙酯化金槍魚油(粗魚油購自舟山奧旭魚油制品有限公司)；脂肪酸乙酯混標(純品，上海安譜實驗科技股份有限公司)；自制低分子量殼聚糖(分子量約250 kDa，脫乙酰度為90%，殼聚糖購自國藥試劑公司)；冰乙酸、石油醚、乙醚、乙醇、吐溫80等試劑均為分析純(西隴化工股份有限公司)。

1.2 儀器與設備

ALPHA 1-4 LSC實驗室凍干機(德國CHRIST公司)；YC-015實驗型噴霧干燥機(上海雅程儀器設備有限公司)；7890A氣相色譜儀(美國Agilent 公司)；Trace GC Ultra氣相色譜與DSQ Ⅱ質譜聯(lián)用儀(美國Thermo Fisher Scientific 公司)；50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)涂層萃取頭(美國Supelco公司)；落地式高速冷凍離心機(美國Thermo公司)；超純水系統(tǒng)(法國Milli-Q公司)；LRH-150-S恒溫恒濕培養(yǎng)箱(廣東省醫(yī)療器械廠)。

1.3 試驗方法

1)魚油理化指標測定。參照國標方法分別測定自制魚油的酸價、過氧化值、碘值及不皂化物[12-15]。

2)魚油微膠囊制備。將適量殼聚糖溶于1%(V∶V)乙酸溶液配置成質量分數(shù)為1%的壁材溶液，壁材質量分數(shù)為2%，加入一定量魚油作為芯材，壁材與芯材比為2∶1(W∶W)，以添加量0.75%(質量分數(shù))向混合溶液中加入吐溫80，以13 000 r/min速度磁力攪拌10 min充分乳化，35 MPa均質10 min，得乳狀液。對乳狀液進行噴霧干燥，進風溫度180 ℃，調節(jié)通風量和進料速度，使出風溫度保持在80 ℃～85 ℃，干燥時間為2 s，噴干得魚油微膠囊。對乳狀液進行冷凍干燥，-40 ℃冰箱預凍后真空冷凍干燥，研磨成粉，凍干得魚油微膠囊。

3)魚油微膠囊理化指標測定。魚油微膠囊的水分含量、表面油含量、油脂過氧化值的測量參照SC/T 3505—2006《魚油微膠囊》[16]；總油含量、包埋率、堆積密度及體積密度的測量參照王藝穎[17]的方法。

4)脂肪酸組成分析。取0.05 g魚油溶于2 mL正己烷，加入適量無水Na2SO4除去痕量水，過有機濾膜用氣相色譜儀進行脂肪酸相對含量測定。微膠囊化魚油脂肪酸相對含量參考GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的測定》[18]的乙酰氯—甲醇法測定。氣相色譜(GC)條件：色譜柱為HP-88氰丙基色譜柱(30 m×0.25 mm，0.2 μm)，載氣為高純H2，不分流進樣，進樣量1 μL，檢測溫度220 ℃。升溫程序：柱初溫70 ℃，以15 ℃/min 升至120 ℃，保持1 min，再以5 ℃/min升至175 ℃，保持10 min，最后以5 ℃/min升至220 ℃，保持5 min。

5)揮發(fā)性成分測定。固相微萃取條件：取適量樣品置于15 mL頂空進樣瓶中，60 ℃平衡10 min，用老化好的50/30 μm二乙烯基苯/碳分子篩/聚二甲基硅氧烷(DVB/CAR/PDMS)涂層萃取頭于進樣瓶頂空部分在60 ℃下吸附30 min，而后GC進樣，250 ℃條件下解吸3 min。氣相色譜-質譜(GC-MS)檢測條件，GC條件：色譜柱為TR-35 MS (30 m×0.25 mm,0.25 μm)，載氣為高純He，進樣口溫度250 ℃，不分流進樣；升溫程序：初始溫度40 ℃，保持3 min，以5 ℃/min 升至90 ℃，再以10 ℃/min 升至230 ℃，保持7 min。MS條件：電子(EI)離子源，離子源溫度200 ℃，電子能量70 eV，傳輸線溫度250 ℃，檢測器溫度280 ℃，質量掃描范圍質子數(shù)/電荷數(shù)(m/z)為30～500。

6)魚油及魚油微膠囊的貯藏穩(wěn)定性。將魚油和微膠囊樣品置于(60±0.5)℃恒溫箱中保存，每隔24 h取樣測定各項理化指標，連續(xù)測定7 d。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結果

2.1 魚油及兩種魚油微膠囊基本理化性質

自制乙酯化金槍魚油澄清透明，呈橘紅色，顏色清亮。自制魚油的水分含量0.19%，過氧化值4.08 mmol/kg，酸價2.01 mg/g，碘值148.32 g/100 g，皂化值278.05 mg KOH/g，不皂化物含量1.01%。根據(jù)魚油行業(yè)標準[19]，實驗室自制乙酯化魚油符合二級精制魚油的各項指標。噴干魚油微膠囊呈淡黃色粉末，顆粒均勻，略有魚腥味。凍干魚油微膠囊整體呈淺黃色，無明顯腥味，凍干成型時整體呈疏松塊狀，研磨成粉基本不影響微膠囊理化性質。魚油微膠囊的各項基本理化指標見表1。

表1 魚油微膠囊基本指標

注：同行上標字母不同表示差異顯著(P<0.05)，下同

根據(jù)水產(chǎn)行業(yè)標準[16]，制得兩種微膠囊，除了噴干魚油微膠囊的過氧化值略高于標準，因為較高的干燥溫度必然會造成易揮發(fā)性物質的損失和熱敏物質的破壞[20]，使魚油品質下降，其他指標均基本符合該標準。噴霧干燥的原理是魚油乳狀液經(jīng)霧化形成霧滴后分散在干燥熱氣流中進行熱交換和質交換，使壁材形成網(wǎng)狀膜包覆在芯材周圍[21]。而冷凍干燥是通過升華從凍結的魚油乳狀液中去除水分[22]，對芯材損傷小，干燥后粉末需粉碎過篩，制得微膠囊的分散性和均一性不及噴干法，因此，噴干微膠囊的包埋率較凍干更高。

2.2 魚油及微膠囊化魚油樣品中脂肪酸化學成分分析

利用GC-MS技術從魚油以及兩種魚油微膠囊中分別鑒定出多種脂肪酸成分，與標準品氣相色譜圖比對后，用面積歸一化法分別定量其各類脂肪酸相對含量。魚油中共檢出13種脂肪酸，不飽和脂肪酸(UFA)占92.460%，其中單不飽和脂肪酸(MUFA)含量為28.010%，多不飽和脂肪酸(PUFA)占64.450%。噴干魚油微膠囊樣品中共檢出14種脂肪酸，飽和脂肪酸(SFA)相對含量與魚油的(7.540%)近似，為7.527%，MUFA含量39.765%，占總脂肪酸比例較魚油的高，導致PUFA相對含量降低，為52.707%。凍干魚油微膠囊檢出16種脂肪酸，SFA含量較低，僅4.682%，MUFA和PUFA含量與魚油的類似，分別為33.238%和62.079%。相較于噴霧干燥，冷凍干燥過程對DHA和EPA的破壞較少，因此，凍干微膠囊中DHA和EPA的含量更高，更接近于魚油中的含量。魚油中的多不飽和脂肪酸因含有較多的雙鍵，對氧、光、熱等極為敏感。有研究[23]表明，180℃加熱溫度下，PUFA的含量會隨時間延長呈遞減趨勢，考慮到噴霧干燥過程中溫度高且進料緩慢，高溫對魚油確實存在影響，導致品質下降。

表2 魚油及魚油微膠囊的脂肪酸組成和相對含量

注：ND表示未檢出，下同

2.3 魚油及兩種魚油微膠囊中揮發(fā)性成分分析

利用頂空固相微萃取以及氣質聯(lián)用技術對魚油和魚油微膠囊中揮發(fā)性物質進行分析，結果見表3。3種樣品總共鑒定出90種揮發(fā)性物質，其中，魚油的52種，噴干魚油微膠囊的43種，凍干魚油微膠囊的24種。魚油揮發(fā)性成分包括醇類3種、酮類5種、醛類3種、烷烴類4種、烯烴類3種、酯類27種及其他類7種，其中酯類種類數(shù)最多，占比最高(79.72%)，該結果與張紅燕等[24]所得結果相似。噴干魚油微膠囊揮發(fā)性成分包括醇類3種、酮類7種、醛類13種、烷烴類2種、烯烴類1種、酯類8種及其他類9種。酮類物質相對含量最高，酯類和其他類次之，分別占33.01%、25.74%和22.82%。有研究認為，脂肪酸分子在高溫作用下斷鏈，發(fā)生氧化、聚合等化學反應[25]，大部分PUFA主要轉化成SFA 和MUFA，少量的可能轉化成烴類、醛類等小分子物質[23]，這可能是噴干魚油微膠囊中烴類和醛類等小分子物質更多的原因之一。而凍干魚油微膠囊中的揮發(fā)性成分種類很少，僅有24種，其中，酯類有13種，占52.29%，其他類和烷烴類物質其次，分別為5種和4種，與魚油氧化產(chǎn)生的腥味密切相關的酮類和醛類沒有檢出。凍干魚油微膠囊中揮發(fā)性成分種類較少的原因可能是冷凍干燥是在負壓下進行，干燥溫度較低，可防止微膠囊氧化分解。

揮發(fā)性組分對風味貢獻是由其在風味體系中的濃度和嗅覺閾值共同決定的[26]，貯藏過程中n-3、n-5和n-9族不飽和脂肪酸的氧化分解與水產(chǎn)品腥味形成密切相關[27]。酯類化合物是一類具有水果香、花香等香味的物質，其嗅覺閾值與碳鏈數(shù)目有關，而相同碳數(shù)的支鏈酯比直鏈酯有更小的嗅覺閾值[26]。魚油中檢出了多種具有典型香味的酯類，如丁酸乙酯(蘋果香，菠蘿香)、戊酸乙酯(水蜜桃香)、庚酸乙酯(花香)、辛酸乙酯(梨子香、荔枝香)、壬酸乙酯(酯香)、癸酸乙酯(菠蘿香)，其中，丁酸乙酯、戊酸乙酯和辛酸乙酯是酯類中嗅覺閾值相對較小的幾種，可以推斷為魚油的主要風味物質。研究表明，較長碳鏈的酯會因碳鏈增加和沸點上升而有較高嗅覺閾值[28]，凍干魚油微膠囊中酯類含量高，但都是高碳數(shù)酯，對風味貢獻有限。而噴干魚油微膠囊中酯類的種類和含量都很少，所以芳香味道較少。

醛類化合物閾值極低，對整體風味貢獻極大，是魚腥味的重要來源之一[29]。飽和直鏈醛，如己醛、庚醛、辛醛、壬醛、癸醛等通常會有一些令人不愉快的草味和辛辣的刺激性氣味，主要來源于不飽和脂肪酸(油酸、亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸等)氧化分解，且閾值很低[28]。在魚油和噴干魚油微膠囊中均檢出(E,E)-2,4-庚二烯醛和正己醛這兩種典型的腥味物質，后者的含量更高，且醛類物質種類更多，證明噴霧干燥過程產(chǎn)生較大腥味。相反，冷凍干燥的魚油微膠囊未檢出醛類物質，所以膠囊的腥味少。

酮類物質嗅覺閾值較醛類高，一般由多不飽和脂肪酸的氧化或熱降解、氨基酸降解或微生物氧化產(chǎn)生，酮類物質主要產(chǎn)生桉葉味、脂肪味和焦燃味，閾值遠遠高于其同分異構體的醛[30]。酮類對腥味物質主要起增強作用，它們的存在可使腥味物質增強或改變[30]。比較而言，噴干魚油微膠囊中酮類物質含量更多。

烴類物質閾值較高，多認為烷烴對風味貢獻可以忽略，烯烴可能是影響腥味產(chǎn)生的潛在因素[31]。各種烷烴(C6～C19)存在于甲殼類和魚類的揮發(fā)物中，但由于閾值較高對整體風味貢獻不大[30]。

醇類的風味閾值較醛、酮類的更高，直鏈飽和醇對風味少有貢獻，但部分長碳鏈醇類可產(chǎn)生清香、木香和脂肪香等風味。研究表明，在魚類揮發(fā)性物質中檢測到的1-辛烯-3-醇[32]是亞油酸氫過氧化物降解產(chǎn)物，與魚肉新鮮程度和魚肉土腥氣有關[33]，在魚油和噴干魚油微膠囊中也檢測到該產(chǎn)物。

檢測出的其他類化合物中，呋喃類可能會產(chǎn)生非典型的魚腥味[30]，2-烷基呋喃類物質是亞油酸氧化產(chǎn)物，其中2-乙基呋喃、2-戊基呋喃等閾值較低，會呈現(xiàn)泥土、青香及蔬菜香韻[26]。在魚油和噴干魚油微膠囊中均檢測出甲苯，苯類氣味會使魚肉產(chǎn)生不愉快的風味[29]，可能是從環(huán)境污染物中轉移到魚體中形成的[26]。

綜上所述，凍干魚油微膠囊的揮發(fā)性成分最少，沒有檢測到典型的腥味物質，基本沒有不愉快氣味。魚油中酯類的芳香味更濃，噴干魚油微膠囊則腥味更重，可能是經(jīng)過噴霧干燥后，乳液中游離的多不飽和脂肪酸在高溫作用下氧化降解生成各種腥味物質，這與上文中過氧化值和脂肪酸成分的檢測結果相符，證明噴霧干燥過程導致魚油品質有所下降。

表3 魚油和魚油微膠囊的揮發(fā)性成分相對含量

(續(xù)表3)

2.4 魚油及兩種魚油微膠囊貯藏過程中理化性質的變化

2.4.1 過氧化值

由圖1可知，貯藏初期樣品的過氧化值依次是噴干魚油微膠囊>凍干魚油微膠囊>魚油，如上文所述，高溫使游離在乳液中的未被殼聚糖包覆的部分魚油發(fā)生了氧化[17]，還有可能是附著在比表面積極大的微膠囊表面的游離魚油在貯藏初期發(fā)生劇烈氧化變質[34]。隨著時間延長，魚油過氧化值顯著升高(P<0.05)，且與微膠囊的差距逐漸拉大。貯藏后期兩種微膠囊的過氧化值差距不大(P>0.05)，說明微膠囊對魚油有一定保護作用，壁材包覆能有效減少外界條件如氧氣、微生物等對魚油的影響，減緩魚油的氧化過程。

圖1 貯藏期間魚油及魚油微膠囊過氧化值的變化

2.4.2 脂肪酸

DHA和EPA作為不飽和脂肪酸的典型代表，可有效反映貯藏期間脂肪酸的變化。貯藏期間各樣品DHA+EPA的保留率變化如圖2所示。

氧化過程中UFA中的雙鍵會受到自由基連鎖攻擊變?yōu)轱柡玩I[35]，PUFA會轉化成SFA 和MUFA以及少量烴類、醛類等物質[23]，故魚油中PUFA總量會隨貯藏時間的延長而下降，這一點在結果中得到證實。魚油的變化趨勢最明顯，微膠囊的趨勢稍緩，凍干魚油微膠囊在貯藏前期變化最劇烈，但在中后期趨緩，且7 d后DHA+EPA的保留率最高。兩種魚油微膠囊保留率均較預期低。冷凍干燥過程中水分升華會導致微膠囊表面形成多孔結構[36]，這種疏松結構使得凍干魚油微膠囊受溫度影響后容易發(fā)生泄漏和破裂。有研究證實噴干殼聚糖微膠囊隨溫度升高而釋放加快，50 ℃下儲存120 min芯材釋放百分率約為16%[37]，對魚油的保護作用會有所降低。

圖2 貯藏期間魚油及魚油微膠囊DHA+EPA保留率的變化

2.4.3 揮發(fā)性成分

魚油和兩種魚油微膠囊中相同揮發(fā)性物質僅有6種，都是長鏈脂肪酸酯，表現(xiàn)出油脂味，分別是月桂酸乙酯、十四酸乙酯、十五酸乙酯、十六酸乙酯、9-十六碳烯酸乙酯和油酸乙酯。魚油氧化過程中，不飽和脂肪酸氧化生成一級產(chǎn)物氫過氧化物，再快速分解為醛類、酮類、醇類、烴類等二級產(chǎn)物，使油脂產(chǎn)生哈喇味。貯藏期間，在凍干魚油微膠囊中未檢測到2-壬酮、(E,E)-2,4-庚二烯醛、1-戊烯-3-醇等典型腥味物質，且檢測到的揮發(fā)性物質與另外兩者區(qū)別較大。魚油和噴干魚油微膠囊中相同揮發(fā)性物質共有18種，與腥味或油脂味有關的關鍵揮發(fā)性物質有9種，其香氣特征[38-41]及閾值[39-40]見表4。

貯藏期間魚油和噴干魚油微膠囊的關鍵揮發(fā)性物質的變化如圖3、4所示?？梢杂^察到魚油中的2-壬酮、(E,E)-2,4-庚二烯醛、1-戊烯-3-醇、正己醛的含量隨時間延長而增加，1-戊烯-3-醇更是從無到有，證明魚油在貯藏過程中產(chǎn)生大量氧化產(chǎn)物，散發(fā)出魚腥味等令人不愉快的風味，品質降低。油酸乙酯、3,5-辛二烯-2-酮、1-辛烯-3-醇、2-正戊基呋喃和甲苯這五種揮發(fā)性物質的含量則在貯藏后期趨向一個穩(wěn)定的值，成為魚油風味的穩(wěn)定來源。魚油微膠囊中1-辛烯-3-醇和油酸乙酯的變化規(guī)律與魚油相似，在貯藏后期趨于穩(wěn)定，其余關鍵揮發(fā)性物質的相對含量均呈下降趨勢，其中呈魚腥味的(E,E)-2,4-庚二烯醛、正己醛和1-戊烯-3-醇都下降到了較低水平，顯著低于同時期魚油(P<0.05)，其原因可能是附著在微膠囊表面的關鍵揮發(fā)性成分逐漸揮發(fā)殆盡。證明微膠囊阻止魚油進一步氧化，對不良風味存在掩蔽作用。

表4 關鍵揮發(fā)性風味成分的香氣特征和閾值

圖3 貯藏期間魚油關鍵揮發(fā)性物質的變化

在貯藏期間，凍干魚油微膠囊的揮發(fā)性成分依舊是以酯類為主，與魚油的表現(xiàn)明顯不同，考慮可能是殼聚糖包覆導致風味的區(qū)別，與空白對照比較結果見表5。

圖4 貯藏期間噴干魚油微膠囊關鍵揮發(fā)性物質的變化

揮發(fā)性成分凍干魚油微膠囊/%凍干空白微膠囊/%氨基脲1.777.18氟乙炔ND0.61正十六烷0.21ND正十七烷0.65ND正十八烷1.22ND四十四烷0.660.332,6,10-三甲基十四烷0.28ND2-十八烷基乙醇0.35ND順-17-三十五烯1.220.519-十六碳烯酸乙酯25.319.23硼酸十六烷基酯0.39ND十四酸乙酯5.581.83十五酸乙酯0.990.36十七酸乙酯0.2ND月桂?；宜嵋阴?.471.481,3,3-三甲基-1-苯基茚滿ND0.52油酸1.13ND油酸乙酯2.916.71反油酸乙酯14.26ND反-7-甲基-6-十六烯酸甲酯5.121.794,6-二甲基-2-十五烷基-1,3-二氧己環(huán)ND0.399,12-十六碳二烯酸甲酯0.71ND環(huán)丙烷羧酸1.51ND15-甲基十七烷酸乙酯0.29ND2-十八烯酸單甘油酯1.33ND

凍干魚油微膠囊在貯藏7 d后共檢測到22種揮發(fā)性物質，其中兩者共有的揮發(fā)性物質有9種。除去共有的揮發(fā)性物質，凍干魚油微膠囊還檢測到長鏈烷烴(正十六烷、正十七烷、正十八烷、2,6,10-三甲基十四烷)、飽和醇(2-十八烷基乙醇)、長鏈酯(硼酸十六烷基酯、十七酸乙酯、9,12-十六碳二烯酸甲酯、15-甲基十七烷酸乙酯、2-十八烯酸單甘油酯)等風味閾值較高的物質，且與腥味等不愉快風味關系不大。其中油酸、油酸乙酯、反油酸乙酯等與脂肪酸氧化有關，說明微膠囊不可避免地發(fā)生了部分油脂的氧化，與同期魚油和噴干魚油微膠囊相比，這些成分含量較低，說明凍干處理對芯材魚油保護作用良好。

3 結論

以殼聚糖為壁材，分別以噴霧干燥法和冷凍干燥法對金槍魚油進行包埋，制備魚油微膠囊。從基本理化指標來看，噴霧干燥制備的微膠囊包埋率更高，但過氧化值略高于行業(yè)標準。冷凍干燥制備的微膠囊對魚油脂肪酸保護更好，DHA和EPA的百分含量更高；在掩蓋魚油不良風味方面，凍干明顯優(yōu)于噴干，凍干膠囊中沒有檢測到典型腥味成分，噴干膠囊則表現(xiàn)出明顯腥味。加速儲藏試驗發(fā)現(xiàn)，兩種魚油微膠囊的過氧化值增長速率均顯著低于魚油(P<0.05)，對DHA和EPA的保留水平與魚油的大體一致。魚油經(jīng)噴干膠囊化后，會因表面游離魚油經(jīng)歷高溫噴霧干燥而產(chǎn)生較濃的魚腥味，但與魚油中令人不愉快的揮發(fā)性成分變化趨勢相反，這些成分會隨著時間延長而降至一個較低的含量范圍，而凍干魚油微膠囊的風味很大程度上來源于原有魚油，凍干能最大限度保持微膠囊化魚油的風味，對魚油保護較好。兩種魚油微膠囊制備方法對延緩魚油氧化、掩蔽不良風味確實有一定作用，各有優(yōu)劣，采用冷凍干燥的方法雖然包埋率不夠高，但對脂肪酸保護以及不良風味的抑制效果更好。

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