韭菜籽油微胶囊的制备及工艺优化

尹国友， 于英楠， 孙 婕， 刘亦菲， 陈 涵， 王 召

(河南城建学院生命科学与工程学院1，平顶山 467036) (平顶山市平丰种业有限责任公司2，平顶山 467001)

韭(AlliumtuberosumRottl.ex Spreng.)为多年生宿根草本植物，适应性强，抗寒耐热，全国均有种植，常用做中药材，其根和籽亦可入药[1,2]。韭菜籽是韭菜干燥成熟的种子，其营养价值与药用价值都极高，富含生物碱、甾体皂苷、多不饱和脂肪酸、氨基酸、矿物质元素、蛋白质、膳食纤维和以及B 族维生素等生物活性物质[3-7]。近年来关于韭菜籽油的研究主要集中在提取和成分鉴定与分析等方面[8,9]。韭菜籽油富含亚油酸，被视为一种保健和营养的食用油新来源[9-11]。

食用油脂通常不易分散于食品体系，这就限制了其生理活性和加工性能[12]。韭菜籽油富含不饱和脂肪酸，储存稳定性较差。微胶囊技术可以利用天然的或者合成的高分子包囊材料，将固体、液体或气体物质包埋在微小、半透性或密封的胶囊内，使内容物在特定条件下以可控的速率进行释放[13]，可以将油脂转化为粉体，即粉末油脂。油脂粉末化后有利于其运输、储藏和食用，可扩大油脂的使用范围，而且油脂微胶囊化后可防止油脂的氧化酸败[14,15]。在保护核芯物质不被氧化的情况下也不会影响核芯物质本身的理化性质，能有效控制释放活性物质[16-18]，因此广泛被应用于食品[19]、医学[20]、化妆品[21]、纺织品[22]等领域。

本研究以韭菜籽油为原料，制备具有良好稳定性和结构表征的微胶囊韭菜籽油，为韭菜籽油的微胶囊工业化生产和综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

韭菜籽油(超临界CO2流体萃取制备)，明胶，阿拉伯胶，CMC，HI-CAP 100麦芽糊酪蛋白酸钠，TG酶，氢氧化钠，无水乙醇，碘化钾，三氯甲烷，石油醚，0.02 mol/L硫代硫酸钠标准液，可溶性淀粉。

1.2 仪器与设备

PHS-3E型pH计，T25型分散机，HH-S4型恒温水浴锅，010-1SA型电热恒温鼓风干燥箱，ME204E电子天平，SCIENTZ-12 Ⅰ/Ⅱ型冷冻干燥机，KQ5200DB 型数控超声波清洗器，PEI inspect F50扫描电镜。

1.3 方法

1.3.1 实验流程图

韭菜籽油微胶囊制备流程图见图1。

图1 韭菜籽油微胶囊制备流程图

1.3.2 壁材选择实验

根据文献[23-25]的实验方法稍作修改。

乳状液的制备：称取一定量壁材置于烧杯中，水浴搅拌使其进行充分溶解。而后加入韭菜籽油，并在12 000 r/min条件下分散3 min，制备成均匀的乳状液。

复凝聚反应：将乳状液在40 ℃水浴下搅拌，加入10%乙酸溶液，将pH调节至壁材等电点附近，继续反应15 min后，用冰水速冷却至15 ℃以下。

固化：用 10%的氢氧化钠溶液将反应体系的pH值调节至6.0，加入一定量的谷氨酰胺转氨酶(TG)，保持15 ℃左右的温度，固化3 h。

干燥：将制备好的微胶囊悬浊液静置分层，除去上清液，在-4 ℃冰箱中进行冷冻，冷冻后样品经过冷冻干燥得到微胶囊粉末，或在进样温度180 ℃，进样速度15 mL/min喷雾干燥器内进行喷雾干燥。

单因素实验：选取pH、壁材浓度、壁材比以及芯壁比作为因素在各因素梯度下制备微胶囊并检测其包埋率。

1.3.3 微胶囊表面油、总油及包埋率的测定

参考杨艳红等[26]的方法并稍作修改。

韭菜籽油微胶囊表面油测定：称取3 g样品置于烧瓶中，分多次将50 mL石油醚加入烧杯中，每次倒入后均振荡 3 min。过滤并合并滤液，转移至干燥且已称重的烧瓶中，记空烧瓶质量为m1，在60 ℃恒温水浴加热滤液，蒸出石油醚，直至表面油和烧杯的总质量不再变，称质量记为m2，表面油质量记为mx。

mx=m2-m1

(1)

韭菜籽油微胶囊总油测定：准确称取3 g样品至烧瓶中，记空瓶质量m3，加入150 mL石油醚进行萃取，60 ℃恒温水浴加热直至总油和烧瓶的总质量不再变化，称质量记为m4，微胶囊总油质量记为my。

my=m4-m3

(2)

韭菜籽油微胶囊包埋率记为E。

(3)

根据各组壁材对韭菜籽油包埋率的测定结果，选定最优壁材组合，进行后续实验。

1.3.4 微胶囊光学显微镜观察

将制备的微胶囊制备成涂片，在光学显微镜下进行观察并记录照片。

1.3.5 微胶囊扫描电镜观察

取少量干燥后微囊粉末，粘于导电胶，吹去多余粉末并喷金，喷金厚度100 μm，在视野清晰且有代表性的条件下观察微胶囊形态。加速电压设定10 kV。

1.3.6 响应面优化实验

根据单因素实验结果，使用 Design Expert 11软件进行结果分析。选择反应pH、壁材比、芯壁比以及壁材质量浓度作为响应面的4个因素变量，以韭菜籽油微胶囊包埋率为响应值，设计Box-Behnken 实验方案，并对实验结果进行回归分析以及优化，各因素水平选取见表1。

表1 响应面分析因素及水平

2 结果与分析

2.1 壁材选择实验

2.1.1 明胶-阿拉伯胶微胶囊单因素实验结果

图2 明胶-阿拉伯胶微胶囊壁材选择结果

由图2可知，明胶-阿拉伯胶微胶囊包埋率最高为77.77%。pH、壁材质量浓度、壁材比以及芯壁比均对微胶囊包埋率有着较为明显的影响。明胶的表面带电性取决于所处的pH环境，当明胶所处环境pH低于等电点时，其呈正电性，而阿拉伯胶是一种负电荷聚合物，当明胶与阿拉伯胶所带正负电荷越接近，添加量越接近，净电荷越少，凝聚反应越充分，复合凝聚效果越好，包埋率越高[27]。如果壁材添加量过多，会出现壁材之间相互碰撞粘连的情况，降低包埋率。如果芯材添加量过多，可能会使包埋韭菜籽油量过大，从而导致微胶囊不稳定的现象[28]。

明胶-阿拉伯胶韭菜籽油微胶囊在光学显微镜下均为单核微胶囊，未见多核微胶囊产生，微胶囊粒径不均匀，微胶囊数量较少，粘连现象较多，见图3。

图3 明胶-阿拉伯胶微胶囊光学显微镜图(50×)

明胶-阿拉伯胶微胶囊冻干后扫描电镜如图4a所示，为不规则形态，外壁较为光滑。从外观看，其壁材粘连较为严重，可能是因为阿拉伯胶黏度较高，冻干过程中壁材迅速缩水从而造成壁材堆积在一起，故未呈现规则球状[29]。明胶-阿拉伯胶微胶囊喷干后扫描电镜如图4b所示，呈较为规则的微球状，大小较不均匀，细致观察微胶囊表面不光滑，可能是由于微胶囊在喷雾干燥过程中迅速干燥，造成的微胶囊表面脱水不均匀所造成的。

图4 明胶-阿拉伯胶韭菜籽油微胶囊扫描电镜图

2.1.2 明胶-羧甲基纤维素钠(CMC)微胶囊单因素实验结果

由图5可知，明胶-CMC微胶囊包埋率最高为87.4%。材浓度、壁材比以及芯壁比均对微胶囊包埋率有着较为明显的影响。在制备微胶囊过程中，CMC较为难以溶解，所以当壁材质量浓度超过0.9 g/100 mL时随着壁材质量浓度的增加，CMC在溶液体系中溶解不完全，导致明胶无法反应完全，造成包埋率下降，故壁材质量浓度选用0.9 g/100 mL作为微胶囊制备壁材质量浓度。对于壁材比对微胶囊包埋率的影响来说，当两种壁材所带相反电荷数越接近，微胶囊的包埋率越高，故当壁材比为9∶1时微胶囊包埋率相较其他壁材比较高。同时如果添加量过多，会出现壁材之间相互碰撞粘连的情况，降低包埋率。芯材添加量过多，可能会使包埋韭菜籽油量过大，从而导致微胶囊不稳定的现象[30]。

明胶-CMC韭菜籽油微胶囊在光学显微镜下观察发现所制备的微胶囊中绝大部分为单核微胶囊，少量为多核微胶囊。微胶囊粒径大小不均匀，但微胶囊数量较多，有少量粘连现象发生，见图6。

如图7a所示，明胶-CMC微胶囊冻干后样品呈不规则形状且外壁有少量较小的微胶囊出现，由于复凝聚法形成的微胶囊并非完全疏水，故其还含有一定量的水分，所以在未进行分散的干燥过程中微胶囊极易相互粘连变形[31]。如图7b所示，明胶-CMC微胶囊喷干后，所观察到的微胶囊多数呈规则球状，少量呈不规则形状，且有可见的破碎的微胶囊。其中较为规则的球状微胶囊表面光滑，有较少数凹陷。微胶囊之间粘连性较大，聚堆现象严重。

图5 明胶-羧甲基纤维素钠微胶囊壁材选择结果

图6 明胶-羧甲基纤维素钠微胶囊光学显微镜图

图7 明胶-羧甲基纤维素钠韭菜籽油微胶囊扫描电镜图

2.1.3 HI-CAP 100-明胶单因素实验结果

由图8可知，HI-CAP 100-明胶微胶囊包埋率最高为47.13%。壁材质量浓度、壁材比以及芯壁比均对微胶囊包埋率的影响较不显著，只有pH对微胶囊的影响略微显著，复凝聚法制备微囊过程中，囊材、芯材通过静电作用相互吸引，因此需要严格控制pH[32]，将溶液pH调至明胶等电点以下时，明胶分子带正电荷，在此pH下，HI-CAP 100-Na带负电荷，两者具有相反的电荷，从而相互交联形成复合物[30]。但是总的来看，HI-CAP 100-明胶微胶囊包埋率整体水平都不高。

HI-CAP 100-明胶韭菜籽油微胶囊在光学显微镜下观察发现所制备的微胶囊中近似明胶-CMC微胶囊，大部分为单核微胶囊，少量为多核微胶囊。微胶囊粒径大小不均匀，有少量粘连现象发生，见图9。

HI-CAP 100-明胶微胶囊冻干后扫描电镜如图10a所示，外壁较为光滑，为不规则形态。从外观看，其壁材粘连较为严重，可能是因为胶体致使微胶囊黏度较高，冻干过程中壁材迅速缩水从而造成壁材堆积在一起，故未呈现规则球状[29]。HI-CAP 100-明胶微胶囊喷干后扫描电镜如图10b所示，有较多的球体，呈现规则的形状，但大小较不均匀，细致观察微胶囊表面较不光滑，可能是由于微胶囊在喷雾干燥过程中迅速干燥，表面脱水不均匀所造成的。

图8 HI-CAP 100-明胶微胶囊壁材选择结果

图9 HI-CAP 100-明胶微胶囊光学显微镜图

图10 HI-CAP 100-明胶韭菜籽油微胶囊扫描电镜图

2.1.4 HI-CAP 100-麦芽糊精单因素实验结果

由图11可知，HI-CAP 100-麦芽糊精微胶囊包埋率最高为90.77%。芯材浓度、壁材比以及芯壁比均对微胶囊包埋率有着较为明显的影响。在制备微胶囊过程中，HI-CAP 100与麦芽糊精溶解较好，在壁材达到最高时，包埋率下降较为缓慢，故壁材质量浓度在一定范围内均会使微胶囊保持较高的包埋率。壁材比超过1∶1后，下降趋势不符合预期，可能因为实验操作等缘故造成数据不稳定。HI-CAP 100可使乳液具有较低的黏度同时可以使液滴表面适当饱和，从而产生尺寸较小的液滴，絮凝速率通常较慢，具有更高的稳定性[33]。 HI-CAP 100-麦芽糊精韭菜籽油微胶囊在光学显微镜下均为单核微胶囊，未见多核微胶囊产生，微胶囊粒径较为均匀，微胶囊数量较多，且粘连现象较少，见图12。

图11 HI-CAP 100-麦芽糊精微胶囊壁材选择结果

图12 HI-CAP 100-麦芽糊精微胶囊光学显微镜图

如图13a所示，HI-CAP 100-麦芽糊精微胶囊冻干后呈较为规则的网络孔隙结构，其原因可能是因为HI-CAP 100是以淀粉为原料在一定条件下，在淀粉多糖长链上同时引入亲水羧酸基团和疏水烯基长链，所以其制备的乳液有较强的稳定性[34]。所以当经过冻干时，可以形成较为规则的网络结构。如图13b所示，HI-CAP 100-麦芽糊精微胶囊喷干后呈规则球形，单个微胶囊经喷干后并未见凹陷。部分微胶囊表面出现褶皱，可能是因为微胶囊壁材较厚，喷干过程中产生不均匀收缩所造成的[35]。

图13 HI-CAP 100-麦芽糊精韭菜籽油微胶囊扫描电镜图

2.1.5 微胶囊壁材选择实验结果分析

根据壁材包埋率、微胶囊形态观察、扫描电镜结果分析以及微胶囊的干燥方式的研究结果，选择HI-CAP 100-麦芽糊精作为微胶囊壁材，喷雾干燥法作为微胶囊干燥方式进行后续实验。

2.2 响应面实验设计及结果

2.2.1 响应面实验设计

根据单因素实验结果，以反应pH、壁材比、芯壁比以及壁材质量浓度作为响应面的4个因素变量，以韭菜籽油微胶囊包埋率为响应值，设计Box-Behnken 实验方案，并对实验结果进行回归分析以及优化，Box-Behnken设计响应面实验结果见表2。

2.2.2 回归模型分析

利用Design-Expert 11统计分析软件对29组不同因素组合条件下所得韭菜籽油的包埋率进行回归分析拟合，得到回归方程模型方差分析及回归方程系数估计值(表3)。

表2 响应面实验结果

表3 多元二次模型的方差分析表

包埋率(%)=89.80+2.19A+0.785 8B+2.24C+1.88D+1.36AC+0.942 5AD-1.03BD-3.05A2-1.77B2-3.05C2-2.83D2

(4)

由表3可知，pH、芯壁比、壁材质量浓度对反应包埋率的影响达到了极显著得程度，而壁材比对包埋率的影响达到了显著的程度，pH与芯壁比，pH与壁材质量浓度，壁材比与壁材质量浓度之间的相互作用也达到了显著程度。

2.2.3 微胶囊最佳工艺条件确定

通过响应面分析可知，响应面曲面坡度陡峭，等高线呈椭圆形，当芯壁比、壁材质量浓度处于低值与高值时，随着pH的增加，包埋率都先增加后减小，说明pH与芯壁比、pH与壁材质量浓度交互作用显著[36]。当壁材比处于低值与高值时，随着壁材质量浓度的增加，包埋率都先增加后减小，说明壁材比和壁材质量浓度交互作用显著。二次多项回归模型中二次项A2、B2、C2、D2的系数均为负值，说明响应面开口向下方程有极大值。对回归方程求导，并令其等于零，可以得到曲面的最高点，即获得韭菜籽油微胶囊的最佳工艺条件：反应pH为4.56，壁材比为1.07∶1，芯壁比为1.28∶1，壁材质量浓度为1.04 g/100 mL，在此条件下，韭菜籽油微胶囊预测包埋率可达91.58%。

2.2.4 验证型实验

根据响应面优化的最佳工艺参数，喷雾干燥制备韭菜籽油微胶囊，做3组验证实验，重复性较好，平均包埋率为90. 80%，与预测理论值差0.78%，相对误差小于1%，说明采用响应面法优化得到的最佳工艺参数可靠。

3 结论

分别采用明胶-阿拉伯胶、明胶-CMC、HI-CAP 100-明胶以及HI-CAP 100-麦芽糊精4种组合作为壁材，利用复凝聚法制备韭菜籽油微胶囊。以韭菜籽油微胶囊的包埋率、光学显微镜观察和扫描电镜结构表征为反应指标，在反应pH、壁材质量浓度、壁材比及芯壁比4个不同因素下，确定了最佳组合壁材为HI-CAP 100-麦芽糊精，进而通过响应面实验设计，最终确定了韭菜籽油微胶囊最佳优化工艺条件为反应pH为4.56，壁材比为1.07∶1，芯壁比为1.28∶1，壁材质量浓度为1.04 g/100 mL，在此条件下韭菜籽油微胶囊包埋率达到了90.80%。