復凝聚法制備芥末油微膠囊工藝優(yōu)化及其理化特性分析

曹瑩瑩,包小康,趙楠,劉飛,范文廣,趙萍

(蘭州理工大學 生命科學與工程學院,甘肅 蘭州 730050)

近年來,隨著人們生活水平的不斷提高,食品的營養(yǎng)和安全問題越來越受到關(guān)注,一些功能性食品被廣泛研究,在清熱解毒、溫中散寒方面,芥末油產(chǎn)品發(fā)揮了不可或缺的作用。芥末油是一種天然的植物揮發(fā)油,因具有獨特的辛辣風味及開胃、防癌、殺菌等用途,受到亞洲各國和世界其他地區(qū)人們的喜愛。其辛辣風味是由原料中的硫代葡萄糖苷在硫代葡萄糖酶(EC3.2.3.1)催化下因細胞破損,水解產(chǎn)生異硫氰酸酯類所致,其中異硫氰酸烯丙酯被公認為芥末的主要成分[1-3]。除此之外,芥末油還具有平喘化痰、消腫止痛的醫(yī)藥用途[4]；芥末精油熏蒸在果蔬病害的生物防治中具有明顯的效果[5]。

由于芥末油中含有較多不飽和脂肪酸,容易氧化變質(zhì),進而影響到食品的風味。另外,油脂類物質(zhì)的流動性、溶解性、穩(wěn)定性都較差,不易添加到食品、化妝品中,從而限制了其在這些領(lǐng)域的推廣、開發(fā)與利用。芥末油經(jīng)過微膠囊化形成粉末產(chǎn)品,不僅使其穩(wěn)定性增加,而且改善了芥末油的流動性,便于其在食品中的添加與使用,增加了食品的風味與營養(yǎng)。因芥末油具有強烈刺激性催淚辣味,對味覺、嗅覺均有很大刺激。經(jīng)微膠囊技術(shù)處理后能有效降低其辛辣氣味。

復凝聚法是制備微膠囊的重要方法之一,在國內(nèi)外已有廣泛的應用和研究,但主要用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、生物和日用化學工業(yè)等領(lǐng)域[6],但在食品工業(yè)尤其是食品調(diào)味香辛料方面的研究和應用較少[7]。目前,復凝聚法中最常見的壁材有明膠、阿拉伯膠、殼聚糖、海藻酸鈉等；芯材的種類也相對較少,已報道的有大蒜油、檸檬油、薄荷醇、酵母味素、八角茴香油、肉桂精油等[8-9]。

本研究以明膠和羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose sodium，CMC-Na)為壁材,以芥末油為芯材,采用復凝聚法制備微膠囊,并用戊二醛作為交聯(lián)劑來固化囊壁,經(jīng)冷凍干燥制成芥末油微膠囊粉末。此法得到芥末油微膠囊呈均勻的圓球形,表面光滑,具有較大的包埋率,且此法具有易操作、效率高等優(yōu)點。芥末油微膠囊的研制擴大了芥末油的應用領(lǐng)域,并為以后開發(fā)芥末油功能性食品及功能性油脂提供理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗,有一定的社會價值和經(jīng)濟價值[10]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及試劑

芥末油、明膠、CMC-Na食品級；NaOH、KI、Na2S2O3、K2Cr22O7、冰乙酸、石油醚等為分析純。

1.2 實驗儀器

PHB-5型便攜式酸度計,杭州雷磁分析儀器廠；AD200/300L實驗室分散均質(zhì)機,上海昂尼儀器儀表有限公司；101型電熱鼓風干燥箱,北京科偉永興儀器有限公司；SCIENTZ-12 N冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵,鄭州長城科工貿(mào)有限公司；FA2104電子天平,上海良平儀器儀表有限公司；JSM—5600LV掃描電子顯微鏡,日本電子光學公司；STA449C同步熱分析儀,德國NETZSCH公司；FT-Raman Module,美國Nicolet公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 芥末油微膠囊的制備

1.3.1.1 乳狀液的制備

稱取一定量明膠和CMC-Na放置在燒杯中,加入一定量蒸餾水,并攪拌該混合物在60 ℃水浴下進行充分溶解。然后加入相應量芥末油,在10 000 r/min條件下分散2～3 min,形成均勻的乳狀液。

1.3.1.2 復凝聚反應

將上述乳液倒入錐形瓶中,40 ℃水浴攪拌,加入10%乙酸溶液將pH值調(diào)節(jié)至4.6,使明膠和CMC-Na發(fā)生反應。5 min后,用冰水冷卻系統(tǒng)至15 ℃以下[11]。

1.3.1.3 固化

用質(zhì)量分數(shù)10%的NaOH溶液將系統(tǒng)的pH值調(diào)節(jié)至中性,加入3 mL質(zhì)量分數(shù)25%的戊二醛溶液,并逐漸加熱到40 ℃,固化20 min[12]。

1.3.1.4 干燥

將制備好的微膠囊懸濁液靜置,分層,然后移去上清液,進行抽濾后得到濕囊。濕囊經(jīng)過冷凍干燥得到微膠囊粉末。

1.3.2 正交設(shè)計最佳配方的選擇

1.3.2.1 單因素試驗

(1)芥末油微膠囊壁材質(zhì)量分數(shù)對包埋率的影響

選擇壁材質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、1%、1.5%、2%,壁材比(明膠:CMC-Na)9∶1,芯壁比1∶1,pH 4.6,戊二醛添加量3 mL,固化溫度40 ℃,固化時間20 min,測定微膠囊的包埋率。每組設(shè)3個平行。

(2)芥末油微膠囊壁材比(明膠∶CMC-Na)對包埋率的影響

實驗選擇壁材比(明膠∶CMC-Na)分別為8∶1,9∶1,10∶1,11∶1(質(zhì)量比,下同),壁材質(zhì)量分數(shù)1%,芯壁比1∶1,pH 4.6,戊二醛添加量3 mL,固化溫度40 ℃,固化時間20 min,測定微膠囊的包埋率。每組設(shè)3個平行。

(3)芥末油微膠囊芯壁比對包埋率的影響

實驗選擇芯壁比分別為2∶1,1∶1,1∶2,1∶3(質(zhì)量比,下同),壁材質(zhì)量分數(shù)1%,壁材比(明膠∶CMC-Na)9∶1,pH 4.6,戊二醛添加量3 mL,固化溫度40 ℃,固化時間20 min,測定微膠囊的包埋率。每組設(shè)3個平行。

(4)芥末油pH對包埋率的影響

實驗選擇pH分別為4.3,4.4,4.5,4.6,壁材質(zhì)量分數(shù)1%,壁材比(明膠∶CMC-Na)9∶1,pH 4.6,戊二醛添加量3 mL,固化溫度40 ℃,固化時間20 min,測定微膠囊的包埋率。每組設(shè)3個平行。

1.3.2.2 正交試驗

由單因素實驗確定正交實驗的因素和水平如表1。

表1 正交試驗 L9(34)的因素和水平

1.3.3 芥末油微膠囊的表征

1.3.3.1 包埋率的計算

包埋率是評價微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標之一,包埋率高則微膠囊表面接觸的芯材就少,微膠囊產(chǎn)品本身更穩(wěn)定,貯存期就更長,因此,高包埋率是生產(chǎn)微膠囊的首要目標。準確稱量微膠囊粉末,質(zhì)量計為m,放入100 mL燒瓶中,加入30 mL石油醚進行分散、搖勻,用濾紙過濾,再用20 mL石油醚多次清洗三角瓶和濾紙,將濾液合并到質(zhì)量為m1的燒杯中,使石油醚在恒溫水浴中揮發(fā),用酒精擦拭燒杯的外表面[13]。在95 ℃下干燥至恒重m2。按公式(1)計算[14]：

(1)

式中：ω(油)，在壁材芯材質(zhì)量總和中芥末油所占質(zhì)量分數(shù)。

1.3.3.2 芥末油微膠囊水分含量的測定

采用GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中的第一法(直接干燥法)測定芥末油微膠囊的水分含量。

1.3.3.3 芥末油微膠囊流動性的測定

微膠囊產(chǎn)品的流動性通常采用休止角法測量。將漏斗放在支架上,將微膠囊產(chǎn)品倒入漏斗中,使樣品通過漏斗落在下面固定直徑的圓盤上,粉末逐漸累積,直到物料不能繼續(xù)堆積。用刻度尺測量物料堆高度[15],按公式(2)計算休止角:

(2)

式中：θ,休止角,°；h,物料堆高度,mm；r,圓盤半徑,mm。

1.3.3.4 微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)

在樣品臺上粘貼一層雙面導電膠,挑取少量微膠囊粉末,涂在導電膠上,用吸耳球吹掉多余的粉末,然后在樣品上噴金后進行電鏡觀察,加速電壓為20 kV。

1.3.3.5 芥末油微膠囊穩(wěn)定性試驗

(1)油脂過氧化值測定。根據(jù)GB/T 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中動植物油脂過氧化值的測定》對芥末油的過氧化值進行測定。

(2)光照對芥末油微膠囊儲存穩(wěn)定性的影響。避光貯藏：稱取相同質(zhì)量制備的芥末油微膠囊和未包埋的芥末油于棕色廣口瓶中,室溫下避光保存,每2 d取樣1次,滴定法測定預處理后樣品的過氧化值(試驗時間10 d)。

光照貯藏：稱取相同質(zhì)量制備的芥末油微膠囊和未包埋的芥末油于透明廣口瓶中,在室溫自然光照下保存,每2 d取樣1次,滴定法測定預處理后樣品的過氧化值(試驗時間10 d)。

(3)溫度對芥末油微膠囊儲存穩(wěn)定性的影響。稱取相同質(zhì)量制備的芥末油微膠囊和未包埋的芥末油各若干份,分別于室溫(25 ℃)、60 ℃避光放置10 d,每2 d取樣1次,滴定法測定預處理后樣品的過氧化值(試驗時間10 d)。

1.3.3.6 紅外光譜分析

采用拉曼紅外光譜儀分別對芥末油、芥末油微膠囊、CMC-Na及明膠進行紅外光譜測試,樣品采用溴化鉀壓片法。測試光譜范圍為400～4 000 cm-1。

1.3.3.7 差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry, DSC)分析

采用同步熱分析儀分析,升溫范圍50～400 ℃,升溫速率為10 ℃/min,吹掃氣氛是氮氣,氮氣流速20 mL/min。稱取5 mg芥末油微膠囊粉末和芥末油加到差示掃描量熱鋁盒中,以空白鋁盒為對照。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用SPSS 19.0 進行單因素方差分析(ANOVA),并通過Duncan法進行多重比較,顯著性水平P<0.05。

2 結(jié)果與分析

影響微膠囊制備的因素有很多,為了達到最佳的包埋效果,對壁材質(zhì)量分數(shù),壁材比(明膠∶CMC-Na)、芯壁比、pH值進行單因素試驗考察,再進行正交試驗確定最優(yōu)配方。然后,對在最優(yōu)條件下所制備的芥末油微膠囊粉末進行了理化指標測定及表面形態(tài)觀察,對最優(yōu)條件下所得芥末油微膠囊濕囊進行為期10 d的穩(wěn)定性評價實驗。

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 芥末油微膠囊壁材質(zhì)量分數(shù)對包埋率的影響

如圖1-a所示,當壁材質(zhì)量分數(shù)為1%時,冷凍干燥后的微膠囊包埋率最高,說明復凝聚進行的最徹底。因此實驗選擇壁材質(zhì)量分數(shù)為1%。若壁材質(zhì)量分數(shù)過低,只能產(chǎn)生較少量微膠囊；隨著壁材質(zhì)量分數(shù)增加,則凝聚相的黏度也隨之增加,則更有利于產(chǎn)生穩(wěn)定的微膠囊,但如果凝聚相黏度過高,微膠囊包埋效果反而會減弱[16],這可能是因為體系濃度較低時,復凝聚反應形成的絮狀物在體系溶液中部分溶解；當高分子鏈帶有2種不同電荷時才能發(fā)生復凝聚,這種電荷間相互作用在一定程度上取決于這2種復凝聚高分子鏈的自由擴散。而當體系濃度較高時,高分子鏈的自由擴散受到阻遏,抑制了復凝聚的發(fā)生進而降低了壁材的利用率。因此,體系濃度過低或過高都會影響到復凝聚的進行[17]。

2.1.2 芥末油微膠囊壁材比對包埋率的影響

如圖1-b所示,芥末油微膠囊包埋率隨著明膠與CMC-Na比例的增大先升高后減小,當m(明膠)∶m(CMC-Na)=9∶1時芥末油微膠囊的包埋率最高,因此實驗選擇m(明膠)∶m(CMC-Na)=9∶1。這可能是因為當明膠與CMC-Na的比例較低或較高時,溶液中的正電荷數(shù)量與負電荷數(shù)量不相一致,交聯(lián)反應進行的不徹底,導致芥末油被包埋效果差,包埋率低。

2.1.3 芥末油微膠囊芯壁比對包埋率的影響

如圖1-c所示,當芯壁比為1∶1時,冷凍干燥后的芥末油微膠囊的包埋率最高。因此,實驗選擇芯壁比為1∶1較合適。微膠囊的包埋率隨著芯壁比的降低先升高而后降低。這可能是因為當添加芯材的量較多時,微膠囊的殼體相對較薄,造成微膠囊在干燥過程中易破裂,導致包埋率降低。但壁材料添加量過大,微膠囊囊壁較厚,芯材包埋率也下降[18]。

2.1.4 芥末油pH對包埋率的影響

如圖1-d所示,復凝聚法制備微囊過程中,囊材、芯材通過靜電作用相互吸引,因此需要嚴格控制 pH 值[19]。將溶液 pH 值調(diào)至明膠等電點以下時,明膠分子帶正電荷,在此 pH下,CMC-Na帶負電荷,兩者具有相反的電荷,從而相互交聯(lián)形成復合物。如圖所示,pH 4.3～4.6時,包埋率隨pH增加而增加,pH 4.6時,包埋率最高。

a-壁材質(zhì)量分數(shù)；b-壁材比(明膠:CMC-Na)；c-芯壁比；d-pH

2.2 正交實驗結(jié)果

采用 L9(34)正交設(shè)計,選擇包埋率為評價指標。結(jié)果如表2 所示,RC>RB>RD>RA,表明各因素對包埋率的影響大小是芯壁比>壁材比>pH 值>壁材質(zhì)量分數(shù)。從K值可以得出,最佳配方為A3B3C2D2,即壁材質(zhì)量分數(shù) 1.5%,壁材比10∶1,芯壁比1∶1,pH 4.4,按該最佳配方制備微囊,測得包埋率為 86.8%。

表2 L9(34)正交實驗結(jié)果

2.3 芥末油微膠囊的理化指標

按該最佳配方制備微膠囊的水分含量為2.43%,水分含量較低,不易霉變,易于保存。通常對于粉末性產(chǎn)品來說,休止角在30°以下說明粉末流動性好,在30°～45°時粉末流動性較好,在45°～60°時表示流動性一般,高于60°則表明流動性差,實驗所得芥末油微膠囊粉末的休止角為38.6°,表明流動性較好。

2.4 芥末油微膠囊產(chǎn)品的表面形態(tài)

明膠/CMC-Na復合凝聚微膠囊冷凍干燥后的掃描電鏡圖如圖2所示。實驗所制微膠囊產(chǎn)品基本為較規(guī)則的圓球形或橢球形,表面較為光滑,極少數(shù)微膠囊呈不規(guī)則形態(tài)且有些黏連,有可能是微膠囊囊壁較薄,經(jīng)冷凍干燥后水分蒸發(fā)導致形態(tài)改變。將微膠囊放大2 000倍后可以觀察到微膠囊整體較飽滿,表面有小部分凹陷,有可能是冷凍干燥過程快速脫水造成的。

a-×2 000；b-×1 000

該芥末油微膠囊平均粒徑分布在5～35 μm,平均粒徑約15 μm。影響粒徑大小的因素主要有：(1)乳化時的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速越快,微膠囊的粒徑越小；(2)壁材的種類、質(zhì)量分數(shù)及配比；(3)芯壁比,芯材用量越大,形成的微膠囊也越大。

通過復凝聚形成微膠囊并不完全疏水,一般認為共滲相主要含有水溶性顯著降低的電解質(zhì)聚合物,且介質(zhì)聚合物的量非常小。由于微膠囊中仍然含有一定的水分,所以整個微膠囊是高濃度的聚合物溶液,在干燥脫水過程中容易黏附變形[20]。

2.5 紅外光譜分析

明膠、CMC-Na、芥末油微膠囊和芥末油的紅外光譜見圖3。芥末油微膠囊保留了芥末油的特征吸收峰,2 930、2 860、1 750、1 470、1 160和723 cm-1；微膠囊保留了CMC-Na的特征吸收峰2 860 cm-1,明膠的特征吸收峰3 440和2 930 cm-1。明膠特征峰1 630 cm-1,CMC-Na特征峰1 620 cm-1,芥末油微膠囊特征峰1 650 cm-1,3者峰相似是酰胺基伸縮振動區(qū)；CMC-Na在1 420、1 120 cm-1處和微膠囊在1 470、1 160 cm-1處有類似的吸收峰,說明微膠囊中含有明膠和CMC-Na這2種壁材。

圖3 樣品的紅外光譜圖

明膠的3 440 cm-1峰對應—NH2伸縮振動,來源于堿性氨基酸如精氨酸、賴氨酸和組氨酸。1 620與1 650 cm-1處的峰是與 C—C的拉伸有關(guān)。CMC-Na在 3 430 cm-1和芥末油在3 470 cm-1的吸收峰是O—H的伸縮振動。芥末油微膠囊紅外圖譜中芥末油吸收峰強度有所減弱,表明芥末油進入了微膠囊內(nèi)腔并包埋成功。

2.6 微膠囊的DSC分析

芥末油及微膠囊的DSC和熱重圖見圖4。未包埋芥末油和包埋的芥末油DSC曲線有顯著區(qū)別。未包埋的芥末油在80 ℃開始放熱,而芥末油微膠囊在255 ℃開始放熱,放熱溫度顯著提高,其中微膠囊放熱焓值為36.24 J/g,說明包埋后微膠囊的熱穩(wěn)定性顯著提高,在常規(guī)的食品加工過程中不易受熱而分解。熱重圖顯示未包埋芥末油起始分解溫度為353.4 ℃,包埋后芥末油起始分解溫度為349.0 ℃。從開始升溫到400 ℃,失重率分別為35%和70%,失重率增加是因為壁材質(zhì)量損失引起的。

a-芥末油;b-芥末油微膠囊

2.7 芥末油微膠囊穩(wěn)定性評價

芥末油微膠囊制備的重要目的之一是降低芥末油本身的氧化。該油脂的氧化產(chǎn)物為H2O2,活性高,容易釋放自由基,進一步分解為醛或酮,從而降低了產(chǎn)品的感官品質(zhì)和脂肪含量。微膠囊化能有效降低油脂的自動氧化,延長其貨架期[21]。

2.7.1 光照對芥末油微膠囊穩(wěn)定性的影響

對未包埋的芥末油和實驗所制芥末油微膠囊濕囊進行為期10 d的室溫光照及室溫避光處理。實驗結(jié)果如圖5所示,實驗進行到第4天時,室溫光照組未包埋芥末油樣品的過氧化值急劇上升,遠遠高于同樣實驗條件下的芥末油微膠囊產(chǎn)品；而處于室溫避光條件下放置的未包埋的芥末油的過氧化值也明顯高于同樣實驗條件下的芥末油微膠囊[22]。

儲存至第10天,室溫光照條件下未包埋芥末油過氧化值增高約14倍,而芥末油微膠囊過氧化值僅增高約4倍,明顯低于未包埋芥末油的氧化速度。由圖5也可觀察到室溫避光條件下芥末油微膠囊的過氧化值變化最緩慢,儲存穩(wěn)定性最高。微膠囊化明顯減弱了光照對油脂的分解作用,從而有效提高了芥末油的儲存時間。

圖5 光照對芥末油微膠囊穩(wěn)定性的影響

2.7.2 溫度對微膠囊穩(wěn)定性的影響

對未包埋的芥末油及實驗所制芥末油微膠囊濕囊進行為期10 d的室溫避光和60 ℃避光處理,實驗結(jié)果如圖6所示,當實驗進行到第4天時,60 ℃避光條件下未包埋芥末油樣品的過氧化值急劇上升,遠遠高于同樣實驗條件下的芥末油微膠囊產(chǎn)品；而處于室溫避光條件下放置的未包埋的芥末油的過氧化值也明顯高于同樣實驗條件下的芥末油微膠囊[20]。

儲存至第10天,在60 ℃避光條件下未包埋芥末油過氧化值增高約11倍,而芥末油微膠囊過氧化值僅增高約4倍,明顯低于未包埋芥末油的氧化速度。由圖6也可觀察到低溫條件下芥末油微膠囊的過氧化值變化緩慢,儲存穩(wěn)定性較高。原因是當溫度過高時,壁材和芯材內(nèi)部分子運動均加快,溫度越高則分子運動越劇烈,導致芯材從壁材中逃逸,從而使油脂氧化穩(wěn)定性降低。另外,壁材形成的保護膜在高溫條件下可能被破壞,從而失去對芯材的保護,芯材與外界環(huán)境的直接接觸導致氧化穩(wěn)定性降低[23-25]。

圖6 溫度對芥末油微膠囊穩(wěn)定性的影響

3 結(jié)論

在本實驗中,以明膠和CMC-Na為壁材,芥末油為芯材,通過復凝聚法成功制備了芥末油微囊,對芥末油微膠囊在不同光照和溫度條件下進行穩(wěn)定性研究,結(jié)果表明,與未包埋的芥末油相比,經(jīng)微膠囊化的芥末油性質(zhì)在低溫、避光環(huán)境下貯存的更穩(wěn)定。通過紅外光譜、掃描電鏡和DSC證明芥末油微膠囊制備成功,具有較好的熱穩(wěn)定性。微膠囊粒徑主要集中在 5～35 μm；芥末油微膠囊休止角為 38.6°,表明其具有較好的流動性和分散性。