以魔芋膠為復(fù)配壁材的玉米胚芽油微膠囊制備、表征和效果研究

楊 田，劉 瑩，柏婷梅，陳 洪

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，四川 雅安 625014）

玉米胚芽油（corn germ oil）是從玉米胚芽中提煉出的油脂，常用于烹炒和煎炸[1]。玉米胚芽油的營養(yǎng)價值較高，其維生素E和植物甾醇含量高于大多數(shù)植物油，油酸、亞油酸等多不飽和脂肪酸含量也高達(dá)80%以上[2-3]。多不飽和脂肪酸被認(rèn)為能降低血液中甘油三酯和膽固醇含量，降低血液黏度，提高記憶力和思維活力[4]。然而，這些多不飽和脂肪酸在加工儲藏過程中易氧化變質(zhì)導(dǎo)致玉米胚芽油保質(zhì)期縮短；同時玉米胚芽油的油溶性，也使其應(yīng)用受限。微膠囊是利用天然或合成的高分子材料包裹固體、液體或氣體形成的微小囊狀物，具有提高被包埋物質(zhì)穩(wěn)定性、延長貨架期和控制釋放的優(yōu)點[5]。近年來，油脂的微膠囊化研究較為廣泛，例如核桃油、魚油和某些揮發(fā)油等已形成了較為系統(tǒng)的研究，然而對玉米胚芽油的微膠囊化研究較少[6-9]。

微膠囊化油脂使用的壁材應(yīng)具有乳化性、穩(wěn)定性和成膜性等特點[10]。作為一種天然高分子多糖，魔芋膠（Konjac gum，KGM）具有較好的穩(wěn)定性和成膜性，關(guān)于應(yīng)用KGM作微膠囊壁材的研究已有報道[11-14]。KGM是由魔芋塊莖制成的精粉溶于水而成的膠體[15]，但其溶解后黏度太高，需與其他壁材復(fù)配才可使用。大豆分離蛋白（soy protein isolated，SPI）是一種常用的微膠囊壁材，然而其乳化性受到高分子量的限制，在酸、堿溶液中不穩(wěn)定，導(dǎo)致其單獨使用時包埋效果不理想[16]。丁金龍等[17]研究表明SPI與KGM作用后乳化性能提高，且SPI的黏度低于KGM，通過調(diào)節(jié)SPI與KGM的比例可以形成適宜黏度的乳化液。因此將這兩種物質(zhì)共同作為壁材，可能有助于提高微膠囊包埋率。在油脂微膠囊中已有關(guān)于改性KGM和SPI作微膠囊壁材的研究，對于天然KGM和SPI作壁材的研究還有待進(jìn)一步深入。

本研究以KGM和SPI為壁材采用微膠囊技術(shù)包裹玉米胚芽油，通過工藝優(yōu)化和穩(wěn)定性研究，達(dá)到延緩玉米胚芽油氧化劣變的目的。微膠囊化將液體油加工成固體粉末，有利于改善玉米胚芽油的儲存、運輸，拓寬其在食品中的應(yīng)用，例如在方便食品中作調(diào)味品、代替黃油等制作冷食等，為玉米胚芽油的使用前景提供有益參考。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

玉米胚芽油購于超市、大豆分離蛋白購自河北潤物科技有限公司（蛋白含量≥95%）、魔芋膠由金堂縣成都晗晨生物科技有限公司提供。

氫氧化鈉、正己烷、碘化鉀溶液（成都市科隆化學(xué)品有限公司）；所有試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FD-1C-50真空冷凍干燥機(jī)（北京博醫(yī)康試驗儀器有限公司）、NicoletIS10傅里葉變換紅外光譜儀（賽默飛世爾科技中國有限公司）、Q200MDSC差示量熱掃描儀（美國TA公司）。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

50℃溫水溶解大豆分離蛋白→加入玉米胚芽油→磁力攪拌20 min→加入魔芋精粉→均質(zhì)（3 000 r/min）→調(diào)節(jié)pH→冷凍→真空冷凍干燥→粉碎，得微膠囊。

1.3.2 單因素試驗

以壁材濃度、魔芋精粉濃度、芯壁比和均質(zhì)時間為探討對象，以微膠囊包埋率為指標(biāo)，分析最佳壁材濃度、芯壁比、魔芋精粉添加量以及均質(zhì)時間。

1.3.2.1 壁材濃度對包埋效果的影響

壁材濃度（m/v）分別為6%、8%、10%、12%和14%時，其他條件為魔芋精粉添加量為0.2%，芯壁比為1∶6，均質(zhì)時間5 min，考察其對包埋率的影響。

1.3.2.2 魔芋精粉添加量對包埋效果的影響

魔芋精粉（m/v）分別按0%、0.2%、0.4%和 0.6%添加，壁材濃度為10%，均質(zhì)時間為5 min，按芯壁比為1∶6加入玉米胚芽油，考察其對包埋率的影響。

1.3.2.3 芯壁比對包埋效果的影響

以 1∶2、1∶4、1∶6、1∶8 和 1∶10 為芯壁比。以壁材濃度為10%，按照比例加入玉米胚芽油，魔芋精粉添加量為0.2%，均質(zhì)時間為5 min，考察其對包埋率的影響。

1.3.2.4 均質(zhì)時間對包埋效果的影響

均質(zhì)時間分別為3、4、5、6和 7 min時，其他條件為壁材濃度為10%，魔芋精粉添加量為0.2%，芯壁比為1∶6，考察其對包埋率的影響。

1.3.3 正交實驗

根據(jù)1.3.2單因素實驗結(jié)果選取對包埋率影響較大的因素，設(shè)計正交實驗，以包埋率為評價指標(biāo)。

1.3.4 微膠囊包埋率測定

稱取0.5 g左右（精確至0.001 g）玉米胚芽油微膠囊產(chǎn)品于50 mL錐形瓶中，加入10 mL正己烷，輕微震動浸提30 s，過濾至已恒重的玻璃平板中，于50℃下水浴蒸干溶劑，放置干燥箱中烘干至恒重，計算玻璃平板前后質(zhì)量差即為微膠囊表面油含量[18]。

1.3.5 微膠囊性質(zhì)測定

通過單因素和正交試驗獲得最佳工藝，制得該條件下玉米胚芽油微膠囊，并測定下列指標(biāo)。

1.3.5.1 乳化粒徑測定

取玉米胚芽油微膠囊于粒度儀容器內(nèi)，以蒸餾水為分散劑，進(jìn)行超聲波分散，測定粒徑。

1.3.5.2 微膠囊水分含量測定

根據(jù)GB 5009.3食品中水分的測定[19]。

1.3.6 微膠囊表征

1.3.6.1 掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）

采用掃描電子顯微鏡觀察微膠囊的表面形貌時，具體操作如下：在樣品臺上貼上一層導(dǎo)電膠，將微膠囊粉末輕輕地撒在上面并用洗耳球吹去多余的粉末，噴金后在高真空模式下觀察樣品表面形貌，電子槍加速電壓為3 kV。選擇具有代表性的視野進(jìn)行拍照。

1.3.6.2 傅里葉紅外光譜分析

采用傅里葉紅外轉(zhuǎn)換光譜儀對大豆分離蛋白、魔芋膠、玉米胚芽油微膠囊及玉米胚芽油進(jìn)行紅外光譜測試，測試光譜范圍為 4 000～400 cm-1。

1.3.7 微膠囊穩(wěn)定性研究

1.3.7.1 加熱氧化試驗

試驗中將經(jīng)優(yōu)化配方和工藝的玉米胚芽油微膠囊和未經(jīng)加工的玉米胚芽油分別于60℃培養(yǎng)箱中放置一定時間，然后測定其過氧化值。稱取2 g左右微膠囊于50 mL小燒杯中，加入25 mL三氯甲烷超聲波振蕩粉碎4 min后過濾。在低于40℃的水浴中，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀減壓蒸干溶劑，殘留物即為待測試樣[20]。過氧化值的測定依據(jù)《GB 5009.227-2016食品中過氧化值的測定》進(jìn)行[21]。

1.3.7.2 差示掃描量熱分析（differential scanning calorimetry，DSC）

玉米胚芽油微膠囊粉末及壁材的熱分析利用差示熱掃描分析儀進(jìn)行。取6 mg玉米胚芽油微膠囊粉末加到DSC鋁盒中，以空白鋁盒為對照，以10℃/min的速率從20℃加熱至220℃，升溫速率為5℃/min，氮氣的流速為20 mL/min，在氮氣的保護(hù)下記錄加熱過程中的圖譜。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用Excel和Origin 8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖。采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗分析

2.1.1 壁材濃度對微膠囊包埋效果的影響

由圖1分析可知，微膠囊的包埋率隨著壁材量的增加呈先增加后減少趨勢。當(dāng)壁材濃度為12%時，包埋率達(dá)到最大。低濃度時包埋率與SPI濃度成正比，這可能是由于單位體積內(nèi)對玉米胚芽油的包裹面積增大而造成的。更多的壁材分子能均勻地分布在芯材的周圍，在調(diào)節(jié)pH形成SPI沉淀時，包埋量也增加。然而當(dāng)SPI濃度增加到一定量時，由于其溶液黏度過大導(dǎo)致乳化液均質(zhì)不完全，形成的乳液存在聚集團(tuán)，同時也造成了芯材的分布不均，因此降低了微膠囊的包埋率。李曉娣[22]使用SPI凝聚法包裹德氏乳桿菌時，包埋率同樣是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

圖1 壁材濃度對包埋率的影響Figure 1 Effect of wall material concentration on embedding rate

2.1.2 魔芋精粉添加量對微膠囊包埋效果的影響

由圖2分析得出，包埋率隨著KGM添加量的增加而升高。添加了KGM的微膠囊包埋率較不添加KGM時的包埋率顯著增高。當(dāng)KGM為0%時，乳狀液分層明顯，這可能是由于SPI單獨做壁材時，部分SPI沉入底部不參與微膠囊形成而導(dǎo)致乳狀液分層[23]。KGM具有良好的成膜性和乳化性，隨著其含量的增加，乳狀液幾乎不分層，表明KGM具有改善SPI乳化和提高乳液穩(wěn)定性的作用[24]。但當(dāng)KGM含量增加到一定量時，乳液中結(jié)塊增多?？赡苁怯捎贙GM的黏度隨著濃度的增大呈幾何倍數(shù)增長，致使魔芋精粉溶解時迅速凝結(jié)[25]。當(dāng)KGM添加量為0.8%時，由于黏度實在過大導(dǎo)致此條件下試驗不能進(jìn)行。推測當(dāng)魔芋精粉添加量持續(xù)升高時，由于其影響微膠囊的形成，可能會導(dǎo)致包埋率的下降。但低濃度范圍內(nèi)的魔芋精粉添加量都說明了微膠囊包埋率與魔芋精粉的添加量成正比。林好等[26]的研究也表明KGM在壁材復(fù)配比例中少量的增加，包埋率也隨之增加。

圖2 魔芋精粉添加量對包埋效果的影響Figure 2 Effect of konjac powder on embedding effect

2.1.3 芯壁比對對微膠囊包埋效果的影響

由圖3分析可知，當(dāng)壁材含量一定時，隨著芯材比例的減小，包埋率逐漸升高。當(dāng)芯壁比為1∶10時，顯示較高的包埋率。當(dāng)其為1∶4和1∶6時，包埋率無顯著差異。在張正周等[27]的研究中，芯壁比對微膠囊的影響也出現(xiàn)了隨著芯材含量增加包埋率逐漸減小的變化趨勢。壁材的包覆能力是有限的，當(dāng)油含量過高時會殘留在壁材表面，使乳液分散狀態(tài)被破壞并有聚集的趨勢，進(jìn)而使得包埋率下降[28]。有研究表明，芯壁比固定時，適當(dāng)提高壁材濃度，可以減少表面油含量，提高包埋率[29]。如果再增加壁材的含量，包埋率可能會增加，但此時芯材含量已較少，壁材含量的增多可能會造成其浪費。

圖3 芯壁比對包埋效果的影響Figure 3 Effect of core wall ratio on embedding effect

2.1.4 均質(zhì)時間對微膠囊包埋效果的影響

均質(zhì)是影響乳化液直徑和分散性的重要原因之一。均質(zhì)時間的延長促進(jìn)玉米胚芽油的分散和乳液直徑的減小，提高穩(wěn)定性和包埋率[30]。均質(zhì)時間對微膠囊包埋率的影響如下圖所示。由圖4可知，隨著均質(zhì)時間的增加，包埋率有上升的趨勢但并不明顯，其對微膠囊包埋的影響不是顯著的（P＞0.05）?？赡苁怯捎诳紤]到儀器的工作時間，設(shè)置的間隔較小，導(dǎo)致差異不明顯。其次，SPI和KGM溶解后混合液的黏度增加，對均質(zhì)造成一定的阻礙，較短的均質(zhì)時間不足以使混合物完全分散。在潘艷、王賽賽等[30-31]的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，均質(zhì)時間的增加引起包埋率的變化并不顯著。在本研究中，當(dāng)均質(zhì)時間為6或7 min時，包埋率都較高。綜合考慮，以6 min均質(zhì)時間為最佳。

圖4 均質(zhì)時間對包埋效果的影響Figure 4 Effect of homogenization time on embedding effect

2.2 正交實驗結(jié)果分析

根據(jù)單因素實驗結(jié)果得出均質(zhì)時間對包埋率的影響并不顯著，故選擇壁材濃度（A）、芯壁比（B）、魔芋精粉添加量（C）設(shè)計如下三因素三水平的正交實驗L9（33）。結(jié)果如下表所示。

由表1和表2可知，影響微膠囊包埋率的因素主次順序為：KGM添加量＞芯壁比＞壁材濃度，即對包埋率影響最大的是KGM添加量，其次是芯壁比，最后是壁材濃度。最佳水平組合為A1B3C3，即壁材濃度為10%、芯壁比1∶10、KGM添加量為0.6%，此時包埋率達(dá)到最大。

表1 正交實驗結(jié)果Table 1 Results of orthogonal experiment

表2 正交試驗結(jié)果方差分析Table 2 Analysis of variance of orthogonal array design

2.3 微膠囊性質(zhì)

2.3.1 微膠囊粒徑分布

微膠囊粒度分布如圖5所示。從圖中可觀察出，微膠囊粒徑分布圖為正態(tài)分布，平均粒徑為164.74～180.88 μm。

圖5 微膠囊粒徑分布圖Figure 5 Particle size distribution of microcapsules

2.3.2 微膠囊含水量

按照國標(biāo)方法測得微膠囊含水量為5%。參照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《魚油微膠囊》標(biāo)準(zhǔn)[32]，本試驗制得的玉米胚芽油微膠囊含水量符合標(biāo)準(zhǔn)，能有效地長時間保存。

2.4 微膠囊表征

2.4.1 掃描電鏡

凍干微膠囊樣品掃描電鏡圖如下所示。從圖6（A）中可觀察到微膠囊表面不光滑，存在凸起，但孔隙較少，說明微膠囊的包埋較好，能有效地防止光和氧等物質(zhì)進(jìn)入微膠囊內(nèi)部，減少與芯材的反應(yīng)。圖6（B）和（C）展示的是一個較為完整呈不規(guī)則球形的微膠囊，明顯改善了單獨使用SPI凝聚法制作的微膠囊表面出現(xiàn)氣孔和裂紋的情況[33]。這可能是由于加入了KGM的原因。KGM具有良好的成膜性，改善了SPI單獨作為壁材包埋時不穩(wěn)定、表面孔隙的問題。但從圖6（D）來看，在膠囊周圍存在較多的薄片聯(lián)結(jié)在一起，這可能是由于KGM溶于水形成的凝膠與SPI混合后形成疊層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷凍干燥之后粉碎過度導(dǎo)致薄片出現(xiàn)。C.N.Copado等[34]在凍干微膠囊之后同樣出現(xiàn)了許多碎片。

圖6 玉米胚芽油微膠囊SEM圖Figure 6 SEM diagram of corn germ oil microcapsules

2.4.2 紅外光譜分析

紅外光譜是根據(jù)分子內(nèi)化學(xué)鍵和基團(tuán)的不同振動形式而出現(xiàn)的各種吸收譜帶，KGM、SPI和微膠囊等的紅外光譜圖如圖7所示。KGM紅外譜圖中，在3 343 cm-1出現(xiàn)OH的復(fù)雜振動拉伸，這與分子內(nèi)、分子間氫鍵有關(guān)。SPI紅外光譜圖中，OH振動吸收峰出現(xiàn)在3 600～3 200 cm-1，呈現(xiàn)一條較寬的吸收譜帶。1 650 cm-1是C=O伸縮振動引起的蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ帶吸收峰；1 535 cm-1是N-H的彎曲振動峰，為蛋白質(zhì)的酰胺Ⅱ帶吸收峰；1 240～1 245 cm-1為蛋白質(zhì)酰胺Ⅲ帶吸收峰，由C-N的伸縮振動和N-H的彎曲振動引起。玉米胚芽油紅外光譜中，3 008 cm-1是不飽和碳鏈的C-H伸縮振動峰；飽和碳鏈C-H的伸縮振動引起2 925 cm-1和2 854 cm-1的吸收峰；1 740 cm-1附近為C-O的伸縮振動峰，1 160 cm-1附近為甘油三酯中C-O的伸縮振動峰，722 cm-1為碳鏈骨架的振動峰。

圖7 KGM、SPI、微膠囊和玉米胚芽油紅外光譜Figure 7 The FTIR spectra of KGM，SPI，microcapsules and corn germ oil

在微膠囊的紅外圖譜中，OH振動吸收峰和酰胺（C=O）些微向右偏移，酰胺Ⅱ（N-H）和酰胺Ⅲ（CN）處的吸收峰幾乎無差異。玉米胚芽油中的特征峰3 008、2 925和2 854 cm-1在微膠囊紅外光譜中減弱，表明形成微膠囊后油被壁材包裹，使得吸收峰變?nèi)?。在該紅外圖譜中，沒有出現(xiàn)其他的特征吸收峰，即表明KGM與SPI之間沒有形成化學(xué)鍵，是通過物理作用而結(jié)合。

2.5 微膠囊穩(wěn)定性研究

2.5.1 加速熱氧化試驗

經(jīng)過加速氧化試驗，測得過氧化值變化如圖8所示。從圖中可以觀察到的是，未包埋的玉米胚芽油和玉米胚芽油微膠囊的過氧化值隨著加熱時間的延長變化趨勢相似。加熱時間為0 h時，未包埋的玉米胚芽油和玉米胚芽油微膠囊的過氧化值（0.867 9 mmol/kg）數(shù)值幾乎一致，并且都較低，符合玉米油一級油脂標(biāo)準(zhǔn)（≤5.0 mmol/kg），這能說明在微膠囊形成的過程中，乳化、包埋等操作幾乎沒有增加玉米胚芽油的過氧化值[35]。未包埋的玉米胚芽油過氧化值隨時間變化明顯，而微膠囊的過氧化值則隨時間的延長變化較平穩(wěn)，增幅不大。這可能是由于良好的密封性，減少了氧氣的入侵，能有效地減少在儲存過程中產(chǎn)生氫過氧化物，提高玉米胚芽油的氧化穩(wěn)定性。

圖8 微膠囊熱氧化穩(wěn)定性Figure 8 Thermal oxidation stability of microcapsules

2.5.2 差示掃描量熱分析

差示掃描量熱分析（DSC）是指測量輸入樣品與參比物的功率與溫度關(guān)系的一種熱分析方法。物質(zhì)從低溫到高溫的過程中可能會經(jīng)歷玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)3種狀態(tài)。玻璃態(tài)是物質(zhì)從無序的非晶態(tài)轉(zhuǎn)變成有序的晶態(tài)，而玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度（Tg）是指處于臨界狀態(tài)的溫度，當(dāng)溫度超過Tg時，物質(zhì)狀態(tài)由玻璃態(tài)向高彈態(tài)和粘流態(tài)轉(zhuǎn)變。因此當(dāng)溫度低于Tg時，物質(zhì)處于有序的玻璃態(tài)，分子運動較少，因此高分子比較穩(wěn)定[36]。通過DSC可以測得物質(zhì)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。微膠囊樣品、大豆分離蛋白和魔芋精粉的DSC曲線如圖9所示。

圖9 SPI、KGM和微膠囊DSC曲線Figure 9 SPI，KGM and Microcapsule DSC curves

從圖中可以看出，大豆分離蛋白的Tg為131.37℃，魔芋精粉的Tg為158.38℃，微膠囊的Tg為152.41℃。Tg溫度高于一般儲藏的溫度（25℃），所以玉米胚芽油微膠囊在常溫時處于玻璃態(tài)階段，貯藏穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)論

本試驗使用大豆分離蛋白、魔芋膠和玉米胚芽油進(jìn)行包裹，形成微膠囊，并根據(jù)單因素實驗和正交實驗對工藝進(jìn)行優(yōu)化。得出最佳工藝為：壁材濃度為10%、芯壁比1∶10、KGM添加量為0.6%、均質(zhì)時間為6 min，達(dá)到最高包埋率，為76.40%。此時，微膠囊含水量為5%，粒徑介于164.74～180.88 μm之間。SEM圖像顯示經(jīng)凍干形成的微膠囊表面較粗糙，孔隙少突起多，為不規(guī)則球形，能較好地包裹芯材。通過紅外光譜分析，KGM與SPI之間通過物理作用結(jié)合，沒有形成化學(xué)鍵。微膠囊穩(wěn)定性研究表明相，微膠囊化玉米胚芽油相比于未處理的玉米胚芽油具有更高的穩(wěn)定性和更長的儲藏期，為其在食品中的廣泛使用提供了理論參考。