殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊的研制

張?zhí)炱?，陳彥廷，崔延如，汪陳?2

(1. 山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院, 山東 淄博 255049；2.山東省高校農(nóng)產(chǎn)品功能化技術(shù)重點實驗室, 山東 淄博 255049)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是世界四大糧食作物之一。中國是世界上最大的馬鈴薯生產(chǎn)國，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，馬鈴薯已逐漸成為我國部分地區(qū)的優(yōu)勢作物，是經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)民增收的重要途徑之一[1]。馬鈴薯蛋白(potato protein, PP)是馬鈴薯淀粉加工時的副產(chǎn)物，往往隨廢水丟棄，然而馬鈴薯蛋白具有合理的氨基酸組成結(jié)構(gòu)，營養(yǎng)價值高，具有很大的開發(fā)潛力[2]。

山茶籽油(camellia oil, CO)又名茶油、山茶油，是從山茶科山茶屬的普通油茶成熟種子中提取的純天然高級食用植物油，色澤金黃、清香怡人。山茶籽油與橄欖油、椰子油、棕櫚油并稱為世界四大木本植物油，是國際糧農(nóng)組織重點推廣的健康食用油之一。山茶籽油富含不飽和脂肪酸(UFAs)，是高油酸含量的植物油，因其脂肪酸組成、理化性質(zhì)與橄欖油相似，被譽為“東方橄欖油”。山茶籽油有營養(yǎng)保健作用以及藥用價值[3],但其卻具有較高的化學(xué)不穩(wěn)定性，容易變質(zhì)，主要是在加工、儲存和運輸過程中發(fā)生氧化或在氧、溫度、光、濕度的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所致。此外，山茶籽油水溶性差，氣味特殊，極大地限制了其在食品中的應(yīng)用[4]。因此，合理保護山茶籽油對保證其營養(yǎng)價值和食用安全具有重要意義。

微膠囊化(microencapsulation)能有效防止不飽和脂肪酸的氧化變質(zhì)，減少或掩蓋令人不快的風味，同時能改善油的口感，方便運輸和保存，克服傳統(tǒng)油的應(yīng)用局限性[5]。在微膠囊化過程中，油被包裹在合適的基質(zhì)中，這對微膠囊的微膠囊化效率和收率以及其他理化特性起著關(guān)鍵作用[6]。殼聚糖(chitosan)和蛋白質(zhì)是常用的微膠囊壁材，因為蛋白質(zhì)-多糖復(fù)合物在特定的物理化學(xué)條件下(如pH和離子強度)可導(dǎo)致液-液分離(凝聚)或沉淀樣產(chǎn)物，通過發(fā)生復(fù)合凝聚反應(yīng)形成穩(wěn)定的微膠囊壁材[7]。

本研究運用馬鈴薯蛋白作為包裹疏水性天然山茶籽油的載體，利用馬鈴薯蛋白與殼聚糖進行復(fù)合凝聚反應(yīng)制備殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊，通過性質(zhì)測定，獲得制備微膠囊的最佳條件，并對其結(jié)構(gòu)特性進行考察，以期為馬鈴薯蛋白及包含山茶籽油在內(nèi)的功能性油的高值化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

馬鈴薯采購于山東淄博奧朗特超市，所挑選的個體圓潤、成熟度一致，質(zhì)量良好，且不存在蟲害等損傷。試驗所需山茶籽油來自深圳恒生生物科技有限公司，無水乙醇(分析純)來自天津市致遠化學(xué)試劑有限公司，殼聚糖(脫乙酰度80%～95%)、氫氧化鈉、亞硫酸鈉、鹽酸、冰醋酸等均為分析純，購于國藥集團公司。

1.2 主要儀器

電冰箱(BCD-206TS)：青島海爾股份有限公司；紫外分光光度計：尤尼柯(上海)儀器有限公司；冷凍干燥機(FD-1)：北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；低速大容量離心機(DL-5-B)：上海安亭科學(xué)儀器廠；高速分散均質(zhì)機(AD500S-H)：上海君曦科學(xué)儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 馬鈴薯蛋白的提取

馬鈴薯蛋白(PP)的提取采用等電點沉淀法，具體步驟參考相關(guān)文獻[8-9]。

1.3.2 微膠囊的制備

殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油(CS/PP/CO)微膠囊的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 山茶籽油微膠囊制備流程圖

取一定量的馬鈴薯蛋白，充分溶解，加入山茶籽油，利用高速均質(zhì)機進行分散乳化，得到均一的水包油型(O/W)山茶籽油/馬鈴薯蛋白乳狀液。

利用2%的冰醋酸使殼聚糖充分溶解，配制成1.2%的殼聚糖溶液。向上述O/W乳液中加入不同體積的殼聚糖溶液，使馬鈴薯蛋白與殼聚糖的質(zhì)量比分別為 1∶1、2∶1、4∶1、6∶1和8∶1。混合均勻后，用NaOH 溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值，接著置于不同溫度的恒溫震蕩器中反應(yīng)3 h，過濾后得到濕的殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊。將濕膠囊置于-25 ℃條件下凍結(jié)24 h后，通過真空冷凍干燥機進行干燥獲得成品殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊。

1.3.3 顯微鏡觀察

采用德國Leica DM750光學(xué)顯微鏡觀察乳液的微觀形貌。在載玻片上滴一滴乳液，然后蓋上蓋玻片，確保沒有氣泡，進行顯微鏡觀察，放大400倍拍照，作進一步分析。

1.3.4 濁度分析

采用分光光度計(600 nm)測定馬鈴薯蛋白/殼聚糖反應(yīng)體系在不同pH值條件下的濁度值。

1.3.5 膨脹比測定

將精確量的0.1 g凍干微膠囊(md)在小紗布袋中密封，然后浸入20 mL蒸餾水中，在37 ℃條件下孵育不同時間(1、2、3、4、5、6 h)。隨著每個時間點的孵育完成，取出袋子并取出內(nèi)容物，用濾紙吸干，并稱重(ms)。根據(jù)方程(1)計算溶脹比，即

溶脹比=(ms-md)/md× 100%。

(1)

1.3.6 傅立葉紅外光譜分析(FTIR)

采用Thermo Nicolet 5700紅外光譜儀在400～4 000 cm-1頻率范圍內(nèi)對制備好的微膠囊進行紅外光譜分析。光譜采集分辨率為4 cm-1，每個樣品掃描64次。以分析級KBr為背景調(diào)整基線。

1.3.7 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS 19進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析(P<0.05)，使用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同乳化條件下乳液顯微鏡觀察結(jié)果

圖2為不同乳化轉(zhuǎn)速(a: 6 000 r/min; b: 8 000 r/min; c:10 000 r/min)與不同山茶籽油/馬鈴薯蛋白(CO/PP)比例(d:1/1; e:1/2; f:1/3)條件下乳液的光學(xué)顯微鏡圖片。由圖2可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，乳液滴的數(shù)量以及形態(tài)都發(fā)生了明顯的變化；視野中清晰可見乳液數(shù)量先增多后減少，在8 000 r/min條件下維持20 min時乳液形態(tài)和數(shù)量都最佳(圖2(b))。這可能是由于較低轉(zhuǎn)速不足以形成充分的乳液，而轉(zhuǎn)速過高又會導(dǎo)致許多已成型的乳液被打散[6]。

圖2 不同乳化轉(zhuǎn)速和不同山茶籽油/馬鈴薯蛋白比例乳液形態(tài)觀察

不同CO/PP比例亦顯示出相同的趨勢，比例為1∶1(圖2(d))和1∶3(圖2(f))均不能形成充分、穩(wěn)定、有效的乳液，當CO/PP比例為1∶2時，形成的乳液中的油滴能夠有效地被包裹起來，其形狀和尺寸分布趨于均勻(圖2(e))。微膠囊的大小、形狀和分散性是影響包封山茶籽油氧化性和貯存穩(wěn)定性的重要因素[5],因此形成有效的乳劑以獲得高質(zhì)量的微膠囊至關(guān)重要。

由不同乳化條件下乳液顯微鏡觀察結(jié)果可知，當CO/PP為1∶2，在8 000 r/min條件下維持20 min進行乳化時，形成的山茶籽油/馬鈴薯蛋白乳液對山茶籽油的包裹效果最好。

2.2 不同殼聚糖/馬鈴薯蛋白比例對復(fù)合凝聚效果的影響

馬鈴薯蛋白與殼聚糖發(fā)生復(fù)凝聚反應(yīng)的效果可以直觀地反映在濁度上，不同PP/CS比例對復(fù)合凝聚體系的影響如圖3所示。當pH值低于4時，殼聚糖與質(zhì)子化馬鈴薯蛋白之間的正電荷相互排斥，抑制了復(fù)合反應(yīng)，使?jié)岫葮O低[10]。馬鈴薯蛋白的等電點在pH 4.2左右，隨著pH值從4增加到8，帶負電荷的馬鈴薯蛋白與帶正電荷的殼聚糖之間產(chǎn)生了充分的復(fù)合反應(yīng)[6]；因此，隨著pH值的增加，濁度逐漸增大，直至電荷平衡。當pH值超過8時濁度下降，這可能是由于馬鈴薯蛋白質(zhì)變性和復(fù)合體系表面電子層的變化，使團聚體分散，不能形成良好的復(fù)合體系。當PP/CS比為2∶1時，濁度在整個pH范圍內(nèi)始終最高，且在pH為8時出現(xiàn)峰值濁度，這歸因于馬鈴薯蛋白與殼聚糖通過靜電相互作用進行的復(fù)合反應(yīng)最完全[6]。最佳復(fù)合反應(yīng)的蛋白質(zhì)與多糖復(fù)合物比例通常隨蛋白質(zhì)和多糖種類的不同而變化。在本研究中，當PP/CS比為2∶1時，獲得了最佳的復(fù)合凝聚體系。

圖3 CS/PP比例對復(fù)凝聚效果影響

2.3 溫度對微膠囊膨脹能力的影響

由于靜電反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致基于復(fù)合凝聚反應(yīng)制備的微膠囊易受環(huán)境條件變化的影響。不同溫度條件下制備的殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊的溶脹能力見圖4。如圖4所示，5組不同溫度條件下(5、25、45、65、85 ℃)制備的微膠囊在孵育的第一個小時內(nèi)迅速吸收水，并且溶脹比急劇增加。隨著孵育時間的延長，各組樣品的溶脹比略有變化，但1 h后溶脹比的總體趨勢變化不大。在45 ℃下制備的微膠囊具有最高的溶脹比，隨著孵育進行到2 h或更長，該值略微降低，表明發(fā)生山茶籽油泄漏或部分壁崩解。而其它組(5、25、65、85 ℃)微膠囊的溶脹比始終維持在較低的水平，說明發(fā)生泄漏或壁材崩解的情況更為嚴重。結(jié)果表明，45 ℃條件下制備的殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊的穩(wěn)定性最好，這可能與馬鈴薯和殼聚糖之間的美拉德反應(yīng)形成更緊湊和更厚的壁、增強了微膠囊的穩(wěn)定性有關(guān)[11]。

圖4 不同溫度下制備的山茶籽油微膠囊的溶脹比

2.4 傅里葉紅外光譜分析

通過FTIR分析進一步研究溫度對PP/CS復(fù)合體系的影響，主要是3種生物聚合物的結(jié)構(gòu)變化和相互作用(圖5)。在CS光譜中，可以看出殼聚糖的主要特征峰為1 078 cm-1(C-O伸縮振動)和1 156 cm-1(C-O-C非對稱伸縮振動和糖苷鍵)，PP/CS不同溫度條件下的樣品中都可以觀察到這些特征峰的存在。其它具有顯著吸收峰的地方包括：在2 874 cm-1處的C-H伸縮振動, 1 654 cm-1處的C=O伸縮振動以及1 421 cm-1處的-CH2OH中的C-O-H伸縮振動。同時，1 599 cm-1和1 379 cm-1的波段是由于-NH2的彎曲振動和C-N的伸縮振動造成的，而3 400 cm-1的寬頻帶歸因于O-H和N-H的伸縮振動吸收[9]。在1 654(酰胺I帶)、1 540 、1 402(酰胺II帶)、1 261 cm-1(酰胺III帶)處出現(xiàn)了特征吸收帶[6]。不同溫度條件下制備的殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊樣品的紅外光譜圖類似，均出現(xiàn)殼聚糖與馬鈴薯蛋白的特征峰，但在3 400 cm-1范圍內(nèi)的氫鍵振動增強，蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)區(qū)域有輕微的紅移或藍移(45 ℃樣品尤為明顯)，說明氫鍵在微膠囊形成過程中起到重要作用，同時蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了一定影響。此外，不同溫度組樣品中均能找到山茶籽油的特征吸收峰，例如：3 005 (=C-H)、2 925 、2 854(-CH2)、1 746 cm-1處的酯羰基[12]。說明山茶籽油與壁材之間只是發(fā)生了簡單的物理結(jié)合，主要是疏水相互作用，而不是化學(xué)反應(yīng)。

(a)CS、PP、CO

總之，F(xiàn)TIR光譜表明，本試驗所制備的殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊主要通過壁材(殼聚糖和馬鈴薯蛋白)之間的氫鍵作用，以及芯材與壁材之間的疏水相互作用形成，起到有效保護山茶籽油的作用。

3 結(jié)論

1)通過顯微鏡觀察，得出馬鈴薯蛋白/山茶籽油乳液的最佳制備條件為：勻漿轉(zhuǎn)速為 8 000 r/min，時間為20 min，山茶籽油/馬鈴薯蛋白比例為1∶2。

2)通過濁度和膨脹力分析，得出制備殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊在復(fù)凝聚階段的條件為:殼聚糖/馬鈴薯蛋白為2∶1，復(fù)凝聚溫度為45 ℃。

3)紅外光譜分析結(jié)果表明，殼聚糖/馬鈴薯蛋白/山茶籽油微膠囊主要通過殼聚糖和馬鈴薯蛋白之間的氫鍵作用以及山茶籽油與壁材之間的物理相互作用形成，是一種保護山茶籽油的有效方法，該方法在封裝富含UFAs和多種有益成分的功能性油方面具有廣闊的應(yīng)用前景。