微膠囊化木姜子粉末油脂加工工藝

何揚波 ，劉萬勇，羅興邦，李詠富，李國林，曹穎

1.貴州省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究所（貴陽 550006）；2.貴州金沙冠香坊調(diào)味食品有限公司（畢節(jié) 551800）；3.上海喬楓實業(yè)有限公司（上海 201400）

木姜子，別名山蒼子、山雞椒、山胡椒，在我國長江以南地區(qū)廣泛分布[1]。木姜子的葉、花、果皮中含有以檸檬醛、檸檬烯等為主要成分的黃色油狀液體，具有祛風(fēng)止寒、抑制癌癥、防霉抑菌等功效[2-5]。另外，木姜子油具有特殊芳香氣味，且在121 ℃條件下性質(zhì)穩(wěn)定，是中國南方餐桌上火鍋、蘸水的常用調(diào)味料[6]。木姜子油具有工藝簡單、香味濃郁、價格便宜等優(yōu)點，但也存在留香時間短、脂質(zhì)易氧化等不足。針對上述問題，利用一種或兩種及以上天然或合成的高分子成膜物質(zhì)將固體、液體或氣體（芯材）包裹形成微小顆粒的微膠囊化技術(shù)能夠提供良好的解決方案[7-8]。微膠囊化可以通過噴霧干燥、空氣懸浮、銳孔凝固、界面聚合、復(fù)合凝聚等物理、化學(xué)和物理化學(xué)方法實現(xiàn)[9]。對油脂微膠囊化而言，具有干燥過程短、物料分散好、使用成本低等優(yōu)勢的噴霧干燥技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[10]?；诖?，試驗采用微膠囊包埋技術(shù)對木姜子油微膠囊化工藝進行研究，為木姜子粉末油脂開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木姜子油（貴陽市三橋綜合批發(fā)市場）；大豆分離蛋白、麥芽糊精（北京索萊寶科技有限公司）；β-環(huán)糊精（上海麥克林生物化學(xué)有限公司）；明膠（蘇州益景食品添加劑有限公司）；阿拉伯膠（河南博洋生物科技有限公司）；石油醚（沸程30～60 ℃，天津富宇精細(xì)化工有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

QFN-LE型離心氣流雙用噴霧干燥機（上海喬楓實業(yè)有限公司）；S-3400 N電子掃描顯微鏡（日本東京日立公司）；ESR-500型實驗室高剪切乳化機（上海易勒機電設(shè)備有限公司）；JJ224BC型電子天平（常熟市雙杰測試儀器廠）；HHS型電熱恒溫水浴鍋（上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵（上海亞榮生化儀器廠）；BSD-TF270型臺式恒溫振蕩器（上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；QQMD200-2N型氮吹儀（上海啟前電子科技有限公司）；101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；BS100-1A蠕動泵（保定思諾流體科技有限公司）；索氏抽提及其他常用玻璃裝置（貴州賽蘭博科技有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 微膠囊化木姜子粉末油脂制備

以大豆分離蛋白和麥芽糊精質(zhì)量比1∶1配成懸浮液，用高速剪切乳化機在8 000 r/min條件下均質(zhì)10 min，加入木姜子油后再均質(zhì)5 min。待體系穩(wěn)定后以蠕動泵按照40 r/min速率往噴霧干燥機中傳輸樣品，噴霧干燥機的設(shè)備參數(shù)：進風(fēng)溫度180 ℃、出風(fēng)溫度90 ℃、離心頻率400 Hz、引風(fēng)機頻率50 Hz、氣掃時間30 s、除塵間隔20 s、振動間隔15 s。表面油脂、總油脂及油脂包埋率的測定按付紅軍等[11]研究方法執(zhí)行。

1.3.2 微膠囊壁材的乳化穩(wěn)定性

微膠囊壁材的乳化穩(wěn)定性參考楊曉慧等[12]的研究方法并作適當(dāng)改變。選取大豆分離蛋白、麥芽糊精、β-環(huán)糊精、明膠、阿拉伯膠作微膠囊壁材，按照兩兩組合、等質(zhì)量比例進行復(fù)合，經(jīng)均質(zhì)制得懸浮液后轉(zhuǎn)入量程50 mL的具塞量筒中，于30 ℃恒溫靜置過夜，取出量筒觀察分層情況，記錄液體總高度（H）與未分層高度（H1）。經(jīng)過乳化穩(wěn)定性試驗的試驗樣品采用電子掃描顯微鏡對其微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，以確定最佳微膠囊壁材組合。

1.3.3 微膠囊化單因素試驗

木姜子油噴霧干燥的基本試驗條件：微膠囊壁材組成比例1∶1，固形物占微膠囊體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，噴霧干燥溫度160 ℃。在其他因素不變的情況下，控制微膠囊壁材（大豆分離蛋白∶麥芽糊精）組成比例（2∶1，1.5∶1，1∶1，1∶1.5和1∶2）、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（15.0%，17.5%，20.0%，22.5%和25.0%）、芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10%，20%，30%，40%和50%）、噴霧干燥溫度（120，140，160，180和200 ℃），以木姜子粉末油脂的包埋率為指標(biāo)，在各因素最佳條件下進行比較。

1.3.4 微膠囊化響應(yīng)面試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選擇固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、噴霧干燥溫度3個因素為自變量，包埋率為響應(yīng)值進行響應(yīng)面試驗設(shè)計。具體試驗設(shè)計方案見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平編碼表

1.3.5 統(tǒng)計分析

單因素試驗結(jié)果由Origin 8.5軟件繪制，響應(yīng)面試驗的設(shè)計及數(shù)據(jù)處理由Design-Expert 12.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合壁材的穩(wěn)定性及微觀結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合壁材是指幾種不同類型的壁材按照一定比例配成的新壁材，幾種壁材的功能可以互補和增強，較單一壁材更具有優(yōu)勢[13]。以β-環(huán)糊精、麥芽糊精、阿拉伯膠、大豆分離蛋白和明膠5種常見微膠囊壁材按照兩兩復(fù)配方式與適量的木姜子油混合形成混懸液，通過其表觀形態(tài)和乳化穩(wěn)定性對微膠囊壁材進行選擇，具體指標(biāo)見表2。結(jié)果表明，大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精及麥芽糊精組合均具有良好乳化穩(wěn)定性，含有阿拉伯膠的微膠囊壁材組合在壁材溶解階段就表現(xiàn)出極強的膠凝性狀，難以開展下一步乳化、噴粉工作。另外，含有明膠的微膠囊壁材組合在30 ℃條件下靜置過程中有沉淀存在，且在環(huán)境溫度低于10 ℃條件下體系呈現(xiàn)膠凝現(xiàn)象，這主要是因為明膠的溶解度和膠凝性受溫度影響較大的緣故[14]。因此，大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精、麥芽糊精的組合可作為木姜子油包埋的壁材選擇。為進一步比較大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精和麥芽糊精的包埋效果差異，采用掃描電鏡對木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)進行分析，具體見圖1和圖2。結(jié)果顯示，以大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精為微膠囊壁材的木姜子油粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)表面存在明顯的凹陷、皺縮現(xiàn)象，粉末易結(jié)塊，流動性差；大豆分離蛋白/麥芽糊精組則較為光滑，流動性較好。試驗現(xiàn)象與吳克剛等[15]對微膠囊產(chǎn)品的研究結(jié)論一致。為達(dá)到更好的包埋效果，后續(xù)試驗以大豆分離蛋白/麥芽糊精作為微膠囊壁材考察對象，類似的微膠囊壁材組合也在獼猴桃籽油、冷榨菜籽油、小麥胚芽油、核桃油的包埋工藝中被廣泛采用[16-19]。

表2 微膠囊壁材乳化穩(wěn)定性測試結(jié)果

圖1 大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精包埋木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)圖

圖2 大豆分離蛋白/麥芽糊精包埋木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)圖

2.2 木姜子油微膠囊化的單因素試驗結(jié)果

以乳化穩(wěn)定性試驗和掃描電鏡結(jié)果為基礎(chǔ)，確定大豆分離蛋白/麥芽糊精的微膠囊壁材組合。對微膠囊化木姜子油而言，微膠囊壁材組成配比、芯材占固形物百分比、固形物占乳化體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)及微膠囊噴霧干燥溫度等因素對木姜子粉末油脂的加工至關(guān)重要。設(shè)計單因素試驗對上述條件進行優(yōu)化，為木姜子油的微膠囊化工藝提供數(shù)據(jù)支撐，如圖3～圖6所示。大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶1時，微膠囊化木姜子油的包埋率達(dá)到96.5%，在5種配比中包埋率最高。隨著壁材中麥芽糊精比例增高，微膠囊化產(chǎn)品的包埋率逐漸降低，當(dāng)大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶2時，產(chǎn)品的油脂包埋率僅43.4%。對芯材占固形物比例而言，木姜子油占固形物比例10%時，由于體系中固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定，故而壁材量則相應(yīng)提高，體系中加入水后難以形成乳化體系。隨著木姜子油占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，微膠囊壁材比例下降，木姜子油占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%時乳化體系滿足噴粉條件，質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時獲得包埋率為96.5%的微膠囊化產(chǎn)品。另外，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微膠囊化產(chǎn)品的包埋率也表現(xiàn)出類似先增高后降低的趨勢，其包埋率在固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時達(dá)到峰值。對噴霧干燥溫度而言，木姜子油粉末油脂的包埋率隨著噴霧干燥溫度升高而增加，溫度200 ℃時包埋率為95.29%。

圖3 復(fù)合微膠囊壁材組成比例對木姜子粉末油脂包埋率的影響

圖4 芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對木姜子粉末油脂包埋率的影響

圖5 固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對木姜子油粉末油脂包埋率的影響

圖6 噴霧干燥溫度對木姜子粉末油脂包埋率的影響

2.3 微膠囊化木姜子油的優(yōu)化試驗結(jié)果

經(jīng)單因素試驗論證，大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶1時包埋效果最佳，且在固定其他因素不變情況下，恰當(dāng)?shù)男静馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及噴霧干燥條件均能獲得較優(yōu)的包埋結(jié)果。但是，產(chǎn)品加工是各因素統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的整體過程?；诖?，通過Box-Behnken試驗設(shè)計對上述條件進行系統(tǒng)優(yōu)化，通過方差分析的p值可知，各因素及其交互作用對木姜子油微膠囊化的包埋率影響均不顯著。相較而言，各因素對微膠囊包埋率的影響順序為固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞噴霧干燥溫度，具體結(jié)果見表3～表4和圖7～圖9。以微膠囊化木姜子油的包埋率為響應(yīng)值，利用Design-Expert 12.0軟件對表3的試驗結(jié)果進行二次多元回歸擬合，其二次多項回歸模型為：R=92+3.47A+0.85B+0.48C-1.61AB-0.53AC+0.6125BC-8.27A2-1.84B2-1.90C2。最終確定制備微膠囊化木姜子粉末油脂最優(yōu)工藝：芯材占固形物比例37%，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.34%，噴霧干燥溫度175.36 ℃。在此條件下，微膠囊木姜子油的包埋率達(dá)92.11%，遠(yuǎn)高于付紅軍等[11]和楊艷紅等[20]分別采用羥丙基-β-環(huán)糊精/阿拉伯膠和β-環(huán)糊精對山蒼子油的包埋率（88.30%和79.15%）。

表3 響應(yīng)面試驗方案及結(jié)果

表4 回歸模型的方差分析

圖7 固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）、芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響

圖8 固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（A）、噴霧干燥溫度（C）對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響

圖9 芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)（B）、噴霧干燥溫度（C）對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響

3 結(jié)論

噴霧干燥技術(shù)制備的微膠囊化粉末油脂可以提高木姜子調(diào)味油的穩(wěn)定性，賦予其更高的市場附加值。試驗以大豆分離蛋白、麥芽糊精為微膠囊壁材，通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗優(yōu)化了微膠囊化木姜子油加工過程中的固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、木姜子油占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和噴霧干燥溫度等條件，確定微膠囊化木姜子粉加工最優(yōu)工藝參數(shù)：芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.34%、噴霧干燥溫度175 ℃。在此條件下，微膠囊木姜子油包埋率達(dá)92.11%，暫時高于目前文獻中報道的木姜子（山蒼子）粉末油脂的包埋率，為食品工業(yè)中生產(chǎn)更穩(wěn)定的微膠囊化木姜子油脂提供技術(shù)參考。