響應(yīng)面優(yōu)化辛烯基琥珀酸淀粉酯穩(wěn)定藻油乳液的工藝研究

甄天元 慕鴻雁

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266109)

裂壺藻油(Schizochytriumsp.oil)是原中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部批準(zhǔn)的以生產(chǎn)DHA為主的新資源食品。該藻油來(lái)源天然、安全綠色，含有豐富的多不飽和脂肪酸，其中二十二碳六烯酸(DHA)的含量高達(dá)35%～55%，是一種不可多得的功能性油脂資源，被用作保健食品、嬰兒食品、乳制品和營(yíng)養(yǎng)調(diào)和油的基料[1-3]。但由于裂壺藻油的高度不飽和特性，其極容易被氧化降解，將其添加到食品中導(dǎo)致產(chǎn)品易酸敗、產(chǎn)生異味，且本身所具有的腥味也嚴(yán)重降低食品的感官品質(zhì)，因而嚴(yán)重制約了在食品中的應(yīng)用[4]。采用適當(dāng)?shù)陌穹绞綄?duì)藻油進(jìn)行包埋，可以有效地避免藻油的氧化損失，對(duì)于擴(kuò)大裂壺藻油在食品乃至保健品中的進(jìn)一步應(yīng)用、提高食品基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)水平，具有重要的意義。

通常的脂質(zhì)包埋體系包括乳液、微膠囊和脂質(zhì)體等。乳液體系是一種商業(yè)價(jià)值較高的脂質(zhì)輸送系統(tǒng)，由于具有顆粒小、比表面積大、操作簡(jiǎn)便、與物質(zhì)在生物體內(nèi)的吸收模式更相似等特性而被廣泛采用[5-7]。在制備乳液時(shí)選擇乳化性能好的乳化劑是形成穩(wěn)定的乳液體系、提高活性組分穩(wěn)定性和生物利用度的關(guān)鍵所在[8]。辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSA-淀粉)由淀粉與辛烯基琥珀酸酐酯化而成，分子上所含有的羥基和羧基具親水性，長(zhǎng)碳鏈又呈疏水性，因而帶有親水親油的雙重特性，具有較強(qiáng)的表面活性[9，10]；且OSA-淀粉能夠形成較厚的界面膜，使得乳液載油率和隔氧性均顯著提高[11]。

本實(shí)驗(yàn)以O(shè)SA-淀粉為乳化劑，研究不同條件對(duì)裂壺藻油乳液性質(zhì)的影響，并探討其在儲(chǔ)存過(guò)程中的氧化穩(wěn)定性，為提高藻油等功能性脂質(zhì)的穩(wěn)定性、拓展乳油基功能性脂質(zhì)的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

OSA淀粉(Hi-cap 100)、維生素E、DHA藻油；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，SB25-12DTS超聲波多頻清洗器，PHS-3C精密pH計(jì)，SHZ-D(Ⅲ)循環(huán)水式真空泵，ZEN-3690Malvern納米激光粒度分析儀，HH-4J恒溫磁力攪拌水浴鍋，TU-1810DASPC紫外可見(jiàn)光光度計(jì)，Neofuge18R高速冷凍離心機(jī)，T-25高速分散機(jī)。

1.3 方法

1.3.1 乳液的制備

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的OSA淀粉，按照一定比例加入去離子水中，在40 ℃充分?jǐn)嚢? h，使其成為均勻透明的溶液，靜置過(guò)夜以使其充分水化。按一定的比例稱取藻油，逐滴加入OSA-淀粉溶液中，使得最終溶液的總體積為100 mL。在相同溫度下繼續(xù)攪拌30 min。將混合液冷卻至室溫后，以10 000 r/min分散2 min，經(jīng)超聲處理一定時(shí)間得到藻油乳液，之后加入0.01%的疊氮化鈉以抑菌防腐。

1.3.2 藻油乳液性質(zhì)的測(cè)定1.3.2.1 離心法[12]

取適量的OSA-淀粉-藻油乳液于50 mL離心管，以4 000 r/min離心15min，量取上層液中油相的體積，計(jì)算乳液的穩(wěn)定性：

ESI=(V-V0)/V×100%

式中：V表示乳液的總體積，V0指離心后油相體積。

1.3.2.2 粒徑、電位

取適量OSA-淀粉-藻油乳液，用超純水稀釋100倍后在冰溫下超聲20 min使之充分分散，以動(dòng)態(tài)光散射儀測(cè)定其平均粒徑、多分散指數(shù)(PDI)和電位。藻油和水的折射率分別設(shè)為1.46和1.33。測(cè)粒徑時(shí)每個(gè)樣品測(cè)定11次，每次測(cè)量時(shí)間為20 s，平衡120 s；所有測(cè)試均在(25±1)℃進(jìn)行。

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)

以藻油乳液的粒徑及電位為考察指標(biāo)，分別探討OSA-淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%、6%、8%、10%、12%)、藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2%、4%、6%、8%、10%)、超聲功率(240、300、360、420、480 W)及超聲時(shí)間(10、15、20、25、30 min)對(duì)乳液及其穩(wěn)定性的影響。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取OSA-淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、超聲功率(C)及超聲時(shí)間(D)4個(gè)因素為自變量，ESI、平均粒徑為響應(yīng)值，進(jìn)行四因素三水平的Box-Behnken Design實(shí)驗(yàn)。因素及水平如表1所示。

1.3.5 氧化穩(wěn)定性

將乳液置于棕色瓶密封，避光室溫儲(chǔ)存1周，根據(jù)GB/T 5009.37—2003測(cè)其氧化穩(wěn)定性。過(guò)氧化值(POV)按公式計(jì)算：

POV=(V2-V1)×C×0.126 9×78.8/w

式中：POV表示試樣的過(guò)氧化值/meq/kg；V1，V2分別表示試樣和空白消耗的Na2S2O3的體積/mL；C表示Na2S2O3的摩爾濃度/mol/L；w表示樣品質(zhì)量/g。

1.3.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析(P<0.05表示顯著，P<0.01為極顯著)；采用Origin 9.0作圖；采用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面數(shù)據(jù)及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 OSA-淀粉-藻油乳液的制備

2.1.1 OSA-淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳液性質(zhì)的影響

保持裂壺藻油在乳液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，混合溫度40 ℃，pH 7.0，超聲功率420 W，超聲時(shí)間10 min，探討OSA淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳液性質(zhì)的影響。乳液的乳化穩(wěn)定性、粒徑和電位結(jié)果如圖1所示。

提高OSA-淀粉濃度有利于提高乳液的乳化穩(wěn)定性。當(dāng)OSA-淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，ESI為(91.33±0.53)%，乳液的穩(wěn)定性達(dá)到最佳。但當(dāng)OSA-淀粉添加量超過(guò)10%時(shí)，乳液穩(wěn)定性下降。這與梁井瑞等[13]的結(jié)果一致。在一定范圍內(nèi)，提高OSA-淀粉的濃度可顯著降低乳液的粒徑。這是因?yàn)樵黾拥矸蹪舛仁沟每臻g位阻增大，免于液滴團(tuán)聚。但當(dāng)OSA-淀粉含量進(jìn)一步提高時(shí)，OSA-淀粉在液滴表面的附著量增加，乳液粒子液膜厚度增加，反而使表觀粒徑增大。

由圖1可知，OSA-淀粉乳液中的電位呈電負(fù)性，隨著OSA-淀粉含量增加，其負(fù)電荷數(shù)增加。當(dāng)OSA-淀粉含量超過(guò)10%時(shí)，電位變化不顯著，表明OSA-淀粉在該乳液中達(dá)到了飽和狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，隨著OSA-淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，乳液顆粒粒徑分布指數(shù)PDI呈逐步減小趨勢(shì)，說(shuō)明提高OSA-淀粉濃度有助于形成均一的乳化體系。但當(dāng)OSA-淀粉含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10%時(shí)，PDI則呈上升趨勢(shì)。Sharif等[10]的研究認(rèn)為OSA-淀粉在水溶液中有自發(fā)形成膠束的特性，且其膠束粒徑隨著濃度增加而增加，這也是導(dǎo)致PDI增加的原因。綜合乳液穩(wěn)定性、粒徑和電位結(jié)果，選擇OSA-淀粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。

圖1 OSA-淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳液性質(zhì)的影響

2.1.2 藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳液性質(zhì)的影響

由圖2可知，提高藻油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可使單位體積的乳液載油量增加、體系的黏度增加，因而提高乳化穩(wěn)定性，但是當(dāng)增加至一定程度時(shí)，OSA-淀粉不足以充分乳化油脂，且油脂濃度的增加致使乳液的總界面面積增加，OSA-淀粉所形成的乳化界面膜厚度降低，因而造成乳化穩(wěn)定性下降。

圖2 藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳液性質(zhì)的影響

隨著藻油添加量的增加，粒徑顯著增加，且PDI指數(shù)也顯著升高。這是因?yàn)槿榛瘎┖坎蛔愣鵁o(wú)法在油滴表面形成致密的吸附層，反而乳化劑之間的氫鍵等相互作用形成架橋，促進(jìn)了油滴的聚集。當(dāng)藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，粒徑、PDI指數(shù)較低，說(shuō)明該濃度下能夠形成穩(wěn)定性較好的乳液。在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，乳液的電位變化不顯著，說(shuō)明添加藻油并未顯著影響乳液電位。綜合分析，選擇藻油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%(w/v)。

2.1.3 超聲功率對(duì)乳液性質(zhì)的影響

采取合理的乳化手段是促進(jìn)乳液各相均勻分配和保持乳液顆粒一致性的關(guān)鍵。超高壓均質(zhì)乳化雖然可充分實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，但是由于PUFA的熱敏性，在均質(zhì)過(guò)程中易發(fā)生熱解反應(yīng)，因此并不是制備富PUFA油乳液的最佳選擇[14]。超聲均質(zhì)利用高速剪切所產(chǎn)生的低頻空化效應(yīng)，可以在較低溫度下有效分散液滴并使之細(xì)化。為了減少熱效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)在超聲過(guò)程中加入冰溫水以保持低溫環(huán)境，探討超聲功率對(duì)乳液性質(zhì)及乳化穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 超聲功率對(duì)乳液性質(zhì)的影響

隨著超聲功率從240 W增加到420 W，乳液的粒徑顯著降低(P<0.05)，說(shuō)明超聲功率對(duì)于控制乳液的粒徑具有極其顯著的作用，這是因?yàn)樘岣叱暪β试黾恿顺暱栈臍馀輸?shù)量，增強(qiáng)了氣泡周圍的能量，更有利于液滴的分散[15，16]。當(dāng)超聲功率超過(guò)420 W時(shí)，粒徑略有增加，但對(duì)粒徑的影響不顯著(P>0.05)。有研究認(rèn)為超聲頻率過(guò)高，高強(qiáng)度剪切力產(chǎn)生的破壞作用促使乳液液滴聚集[17]。乳液的乳化穩(wěn)定性在實(shí)驗(yàn)功率范圍內(nèi)呈先上升后降低的趨勢(shì)，在360 W時(shí)乳化穩(wěn)定性最優(yōu)，增大功率穩(wěn)定性降低。這是由于進(jìn)一步提高超聲功率帶來(lái)了過(guò)處理效應(yīng)[18]，導(dǎo)致空化泡的振幅增大，耐受溫度和壓力均降低，因而乳化穩(wěn)定性也隨之降低。綜上，選擇超聲功率360～420 W為宜。

2.1.4 超聲時(shí)間對(duì)乳液性質(zhì)的影響

延長(zhǎng)超聲時(shí)間，有利于液滴充分分散、提高乳液的乳化穩(wěn)定性。由圖4可知，當(dāng)超聲時(shí)間由10 min延長(zhǎng)到15 min時(shí)，乳化穩(wěn)定性由(90.79±0.82)%提高至(93.78±0.56)%，繼續(xù)延長(zhǎng)超聲時(shí)間，乳液的乳化穩(wěn)定性呈降低趨勢(shì)。超聲15 min后乳液的粒徑顯著降低(P<0.01)，為(271.3±3.1)nm，此時(shí)PDI為0.249±0.023，Zeta-電位為(-32.5±0.12)mV，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間對(duì)粒徑、PDI影響不大，且進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)間還可能導(dǎo)致OSA-淀粉解聚的可能性增加，使得油滴釋放，促進(jìn)乳液中油脂的氧化作用，因此選擇超聲時(shí)間15～20 min為宜。

圖4 超聲時(shí)間對(duì)乳液性質(zhì)的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 回歸與方差分析表

表4 回歸與方差分析表

對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化分析后，得到最佳的響應(yīng)結(jié)果：OSA淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.53%，藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.40%，超聲功率375.75 W，超聲時(shí)間20.06 min。在此條件下ESI理論值為96.26%，粒徑為234.06 nm。在OSA-淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.50%、藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.50%、超聲功率375 W、超聲時(shí)間20 min條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)值分別為96.10%和238.12 nm。故確定的最佳制備工藝條件為OSA-淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.50%、藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.50%、超聲功率375 W、超聲時(shí)間20 min。

2.3 氧化穩(wěn)定性

氫過(guò)氧化物是脂質(zhì)氧化初期的代表性產(chǎn)物，因此以過(guò)氧化值的變化來(lái)表征乳液初期的氧化程度是一種行之有效的方法。乳液在4 ℃和25 ℃下存放14 d后過(guò)氧化值的變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 在4 ℃和25 ℃下儲(chǔ)存乳液的過(guò)氧化值變化

由圖5可知，樣品在實(shí)驗(yàn)初期POV無(wú)顯著差異，不添加生育酚的乳液POV值略有增加，說(shuō)明乳化過(guò)程促進(jìn)了脂質(zhì)的氧化。有研究指出，乳液所具有的較大的比表面積使得其與原料油相比，氧化速度更快[19]。儲(chǔ)存溫度對(duì)乳液中脂質(zhì)的氧化具有顯著影響。在4 ℃和25 ℃各儲(chǔ)存2周，藻油的氧化程度最高；而添加OSA-淀粉形成的乳液氧化程度最低，儲(chǔ)存2周后2個(gè)溫度下的POV分別為(1.51±0.03)mmol/kg和(4.16±0.03)mmol/kg。LS/T 3243-2015中規(guī)定藻油最高允許限量為3.75 mmol/kg，說(shuō)明低溫有利于延緩乳液中脂質(zhì)的氧化，添加OSA-淀粉形成的乳液的穩(wěn)定性顯著優(yōu)于藻油。這是因?yàn)镺SA-淀粉的大分子結(jié)構(gòu)及其雙親特性使其在油水界面形成厚度較大的界面膜，其可以有效阻止促氧化成分通過(guò)膜而進(jìn)入脂質(zhì)中，因而有效降低氧化程度。

3 結(jié)論

考察不同因素對(duì)乳液乳化穩(wěn)定性、粒徑和電位的影響，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)確定了乳液的最佳制備工藝條件：OSA淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.53%，藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.40%，超聲功率375.75 W，超聲時(shí)間20.06 min。在此條件下ESI理論值為96.26%，粒徑為234.06 nm；實(shí)測(cè)值為96.10%和238.12 nm，理論值與實(shí)測(cè)值無(wú)明顯差異。與藻油以及未添加OSA-淀粉的乳液相比，OSA-淀粉能夠有效提高藻油的氧化穩(wěn)定性。該研究可為功能性脂質(zhì)的穩(wěn)態(tài)化提供參考。