微胶囊化元宝枫籽油粉末油脂的工艺优化及稳定性研究

吴隆坤， 李 佩， 德青玉珍， 胡盛安， 肇立春， 肖志刚

(沈阳师范大学粮食学院1，沈阳 110034) (东北农业大学食品学院2，哈尔滨 150030)

2015年1月，国务院办公厅发布的《关于加快木本油料产业发展的意见》重点倡导要加快推进元宝枫等木本油料树种的种植和产业发展。目前，元宝枫在中国的栽培面积超过766.7 km2，其种子产量高，种子的主要化学成分为脂类(47.88%)、蛋白质(27.15%)，以及少量的蔗糖(6.10%)和纤维素(3.68%)，且绿原酸、单宁和类黄酮等含量丰富，是具有开发潜力的油脂、蛋白质、医药和化工原料来源[1-3]。研究报道，元宝枫籽含油42.6%～46.6%，其中不饱和脂肪酸可达92%，包括油酸(23.8%～26.0%)、亚油酸(33.9%～37.3%)和神经酸(5.2%～6.2%)，神经酸通过保护老化的神经元，及增强早产儿的智力，有利于大脑发育[4-6]。元宝枫籽油还富含其他生物活性成分，植物甾醇(β-谷甾醇为主要植物甾醇)、β-胡萝卜素、生育酚(γ-生育酚为主要生育酚),而且每100 g维生素E含量(125.2 mg)较高，比一些常用植物油如大豆(93.1 mg)、芝麻(68.5 mg)、油菜籽(60.9 mg)和花生(42.1 mg)的含量高，此外，元宝枫籽油还具有抗菌、抗肿瘤和抗氧化活性，在营养学和制药学中日显重要[7]。元宝枫籽油多不饱和脂肪酸高，易被氧化酸败，降低其营养价值和感官属性，而且还会产生有毒物质，而微胶囊化技术是一种潜在的保护不稳定物质和生物活性化合物的重要方式。微胶囊可将液体粉末化，通过形态变化和活性物质释放调控，能够最大限度地保持芯材原有的色香味、性能和生物活性，降低或掩盖食品中的不良气味，保护对热、氧、水分等敏感的食品组分，减少芯材与外界环境发生反应，防止营养物质的破坏与损失，以及便于运输、保存等，因此元宝枫籽油微胶囊工艺研究，能够突破传统元宝枫籽油应用的局限性，提高元宝枫籽油的附加值，扩大元宝枫籽油粉末油脂的应用范围[8，9]。

近年来，越来越多的专家致力于特种油料粉末油脂的研究，如大豆胚芽油、核桃油、柚子籽油、牡丹籽油、石榴油、越橘籽油、大麻籽油等。用阿拉伯胶与大豆胚芽油最适比例,喷雾干燥制备的微胶囊粉末油脂可防止大豆胚芽油氧化,延长油脂保质期[10]。微胶囊包埋技术能够提高核桃油的氧化稳定性,并且包埋率越高,粉末油脂的氧化稳定性越好[11]。大豆分离蛋白/β-环糊精复合壁材包埋柚子籽油，包埋效果好，微胶囊包埋率达到(88.9±2.1)%[12]。使用乳清蛋白分离、玉米糖浆和大豆卵磷脂为壁材制作牡丹籽油胶囊，具有最高的稳定性包封率和氧化稳定性，生物活性化合物损失最小[13]。冷凝乳清蛋白水凝胶和花色苷对越橘籽油微胶囊动力学、贮存期间和离心洗涤后的微观结构的影响，发现pH为3(9.6～10.8%WPI)的微胶囊结构较弱,pH为4.5时离心和洗涤后微胶囊有完整的结构[14]。采用复合凝聚法成功地制备了富含红霉素酸的石榴油微胶囊，为开发石榴油作为一种潜在功能性食品成分奠定基础[15]。在复凝聚法制备的大麻籽油微胶囊也发现，在pH 2.5以下制备的微胶囊稳定性较差[16]。粉末油脂主要是将液体油脂包裹在壁材中，形成微米至毫米大小的胶囊，壁材和芯材的特性是决定包埋率、微胶囊稳定性和控制释放的重要因素[17]。

目前关于元宝枫籽油的研究主要集中在提取方法、食用能力、保健和药用性质等方面，以元宝枫籽油为原料开发的功能性粉末油脂研究较少，本研究能拓展传统元宝枫籽油应用的范围，提高元宝枫籽油的附加值。本研究选取元宝枫籽油为研究对象，微胶囊壁材选用玉米变性淀粉与麦芽糊精、大豆分离蛋白与阿拉伯糖进行复配，在不同壁材复配情况下优化微胶囊制备工艺，对微胶囊油脂的微观结构和稳定性进行研究，探讨结构与功能性的相关性。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

元宝枫籽、麦芽糊精(食品级)、玉米变性淀粉(食品级)、大豆分离蛋白、阿拉伯糖、无水乙醇(AR)、石油醚(AR)、正己烷(AR)。

1.2 仪器与设备

SD-1500喷雾干燥机，DHG-9146A型电热鼓风干燥，Q2000差式扫描热量仪，TNZ1-5700傅里叶红外光谱仪，S-3400N电子扫描显微镜，SB-25-12DT超声波清洗机，Scientz150高压均质机，T18高压剪切分散机。

1.3 方法

1.3.1 微胶囊化元宝枫籽油粉末油脂的制备工艺

元宝枫籽油冷榨法提取及指标测定参见参考文献[5]，元宝枫籽油为淡黄色至黄色液体具有元宝枫籽固有的气味及滋味，油理化性质指标及成分见表1。

表1 元宝枫籽油的理化性质及部分脂肪酸组成

根据参考文献[18]稍作修改制备元宝枫籽油粉末油脂：准确称取一定量的复配壁材于烧杯中，加入蒸馏水后在65 ℃的恒温水浴锅内加热搅拌，待充分溶解后，滴入元宝枫籽油，加热搅拌10 min后，用高压剪切分散机进行分散，然后立即用高压均质机进行均质，均质后的乳状液进行喷雾干燥，获得微胶囊化元宝枫籽油粉末油脂。

1.3.2 微胶囊化单因素实验设计

1.3.2.1 玉米变性淀粉与麦芽糊精复配壁材

在高压35 MPa下10 min均质3次，喷雾干燥条件为进口温度175 ℃，出口温度为80 ℃的条件下，分别考察玉米变形淀粉与麦芽糊精质量比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5，壁材质量分数20%、23%、26%、29%、32%，壁芯质量比1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1对元宝枫籽油微胶囊包埋率的影响，并通过实验筛选出对微胶囊包埋率影响极显著的3个因素。

1.3.2.2 阿拉伯糖与大豆分离蛋白复配壁材

与前者相同的实验条件下，分别考察阿拉伯糖与大豆分离蛋白质量比1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5，壁材质量分数3%、4.5%、6%、7.5%、9%，壁芯质量比1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1对元宝枫籽油微胶囊包埋率的影响。

1.3.3 响应面工艺优化实验

根据Box-Behnken实验设计原理[19]，选取玉米变性淀粉与麦芽糊精质量比(A)或大豆分离蛋白与阿拉伯糖质量比(A)、壁材浓度(B)、壁芯比(C) 3因素3水平分别进行微胶囊制备的响应面实验设计,见表2、表3。

表2 壁材1因素水平表

表3 壁材2因素水平表

1.3.4 包埋率测定

按式(1)计算微胶囊的包埋率[20]。

(1)

表面油的测定：精确称取微胶囊粉2 g于锥形瓶中，加入正己烷，轻微振荡2 min，过滤后用称重锥形瓶收集滤液，再用正己烷洗涤滤渣，合并回收溶剂50 ℃旋转蒸发，置于105 ℃烘箱将溶剂蒸干烘至恒重后称重，计算表面油含量。

总油的测定：精确称取微胶囊粉末2 g于干燥锥形瓶中，加入正己烷，超声处理15 min，立即进行真空抽滤，用已称重的圆底烧瓶收集滤液，用正己烷洗涤滤渣，旋转蒸发并置于烘箱将溶剂蒸干烘至恒重，称重计算总油含量。

将表面油和总油代入式1计算包埋率。

1.3.5 水分含量的测定

参照GB 5009.3—2016，对微胶囊进行水分含量的测定。

1.3.6 休止角φ的测定

参照GB /T 11986—1989，室温25 ℃、相对湿度50%标准环境下取指定体积微胶囊样品于量筒中，经漏斗使微胶囊落在下方10 cm 的水平圆板上，停止流动后测量微胶囊粉末自然堆积锥形高度h与覆盖半径r[20]。

1.3.7 堆积密度的测定[21]

将样品装入10 mL量筒中，水平匀速晃动量筒使样品自然下沉，直至填充至量筒刻度线处，记录填充的样品质量m以及体积V，计算单位体积微胶囊的质量即为微胶囊的堆积密度(d0)。

1.3.8 持油率测定[10]

根据喷雾干燥前后油脂含量计算,m1为喷雾干燥前乳状液油脂添加质量/g,m2为喷雾干燥后微胶囊颗粒中油脂含量/g。

1.3.9差示扫描量热仪(DSC)分析

参考文献[22]稍作修改：采用DSC测量微胶囊元宝枫籽油粉末油脂的热力学特性。准确称量5 mg元宝枫籽油微胶囊样品置于铝盒中，未加样品铝盒为空白对照，温度从10 ℃加热到200 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.3.10 傅里叶红外光谱(FTIR)分析

对元宝枫籽油和元宝枫籽油微胶囊进行红外光谱测试。扫描范围为4 000～1 000 cm-1，元宝枫籽油微胶囊经溴化钾压片后进行测试，元宝枫籽油直接滴在溴化钾片上进行测试。

1.3.11 扫描电子显微镜观察

将元宝枫籽油微胶囊分散在导电双面胶上，吹去多余的粉末，喷金处理，置于仪器样品室中，加速电压设为10 kV，观察微胶囊样品的微观结构。

1.3.12 微胶囊稳定性的评价

紫外线稳定性:室温将元宝枫籽油微胶囊置距离光源 50 cm、功率 30 W紫外灯下照射 24 h，测定包埋率；稳定性: 将一定量的2种元宝枫籽油微胶囊产品放入 80 ℃烘箱中，2 h后取出测定包埋率[12];加速氧化实验测定储藏稳定性，将元宝枫籽油和微胶囊样品同时放入65 ℃烘箱中，测试不同时间二者的过氧化值[19]。

1.4 数据处理

所有实验均重复3次，结果表示为平均值±标准差。用Design Expert 12进行响应面实验设计，SPSS 18.5 软件对数据进行ANOVA 差异显著性分析，以P<0.05 为差异显著。采用Origin 8.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 元宝枫籽油微胶囊的理化指标

以壁材1(玉米变性淀粉与麦芽糊精)、壁材2(阿拉伯糖与大豆分离蛋白)在喷雾干燥法制备元宝枫籽油微胶囊的最佳工艺条件下，元宝枫籽油微胶囊的理化指标结果见表4。

表4 元宝枫籽籽油微胶囊理化指标的测定

由表4可知，以壁材1(玉米变性淀粉与麦芽糊精)、壁材2(阿拉伯糖与大豆分离蛋白)在喷雾干燥法制备元宝枫籽油微胶囊的最佳工艺条件下，所制备得到的微胶囊产品的含水量分别为 (2.15±0.28)%和(2.98±0.24)%。这说明产品在喷雾干燥过程中水分充分蒸发，达到了所需的干燥状态，有利于产品的储藏。休止角是衡量粉末产品流动性的重要指标，一般来说，当休止角≤ 30°时粉末的流动性很好；休止角为 30°～45°产品流动性良好；休止角 45°～60°产品流动性流动性一般；而休止角≥60°则流动性差[23]。本实验所得的壁材1的元宝枫籽油微胶囊休止角为(37.16 ± 0.85)°。表明产品的黏度较小，流动性较好，壁材2的休止角为(48.59±0.51)°流动性一般。

2.2 单因素实验结果

玉米变性淀粉与麦芽糊精，阿拉伯糖与大豆分离蛋白2种复配壁材，在不同质量比、壁材浓度和壁芯比条件下，对微胶囊包埋率的影响结果见图1。

注：壁材1玉米变性淀粉与麦芽糊精，壁材2为阿拉伯糖与大豆分离蛋白。图1 不同因素对微胶囊制备的影响

由图1a可知，2种复配壁材对元宝枫籽油的包埋率都是随着壁材质量比值的减小呈现出先上升后下降的趋势。壁材1中玉米变性淀粉与麦芽糊精质量比为1∶3时包埋率达到最高(76.92%)；壁材2中阿拉伯糖与大豆分离蛋白质量比为1∶4时包埋率达到最高(75.00%)。由此可见，壁材1中玉米变性淀粉的量过多或过少都不利于油脂的包埋。图1b为不同壁材浓度对粉末油脂包埋率的影响。壁材1对油进行包埋，当壁材质量分数为26%时，包埋率达到最大值(83.70%)，之后下降。壁材2质量分数为6%时，包埋率达到最大值(82.10%)，之后也下降，壁材质量分数超过7.5%时，样液黏度较大，不能成微胶囊结构。图1c为不同壁芯比对微胶囊包埋率的影响。随着壁芯比值的增大，2种复配壁材下的微胶囊化粉末油脂的包埋率都是随着壁芯比值的增大呈现出先上升后下降的趋势。随着壁材含量的增多使乳化液分层较为严重，不能满足包埋芯材的需要，从而导致包埋率的下降。2种粉末油脂的壁芯比都是2∶1时，包埋率最大，包埋率分别为83.70%和82.1%。

2.3 响应面实验结果

2.3.1 复配壁材1的响应面实验结果分析与优化

在单因素实验的基础上，确定复合壁材质量比、壁材浓度和壁芯比，以包埋率(Y)为响应值，采用Box-Behnken实验对微胶囊油脂工艺优化。表5是壁材1和壁材2的实验结果，利用Design-Expert12软件进行方差分析，得到了回归模型方差分析表6，并得到多元回归方程。

表5 响应面实验设计及其结果

包埋率=83.70+1.44A+3.23B+3.21C+1.61AB+1.29AC+2.18BC-2.98A2-3.01B2-5.30C2

由表6可知，模型显著性检验(P<0.01) ,说明实验所建立的二次回归模型差异极显著;失拟不显著(P=0.071 4>0.05);模型相关系数R2=0.971 8,说明包埋率的变化有97.18%的概率可用此模型解释。由各因素的显著性水平差异可知，对粉末油脂包埋率的影响次序：壁芯比(C)>壁材浓度(B)>麦芽糊精与变性淀粉质量比(A)。并且AB、BC均达到显著水平(P<0.05)；壁芯比、壁材浓度和麦芽糊精与变性淀粉质量比各因素的二次项对粉末油脂包埋率影响极显著(P<0.01)，表明该模型拟合度好。因此，3个因素间的交互作用对微胶囊粉末油脂包埋率的影响顺序为：BC>AB>AC。

表6 回归模型方差分析

通过分析得出该种壁材微胶囊元宝枫籽油粉末油脂的最优制备工艺条件为壁芯比为2.51∶1、壁材质量分数为28.1%、麦芽糊精与变性淀粉质量比为3.54∶1，此时包埋率为85.70%，持油率为79.53%，测定微胶囊中元宝枫籽油质量分数为(0.24±0.20)g/g。

2.3.2 复配壁材2的响应面实验结果分析

表7是17个实验组合点以及对应的实验结果，利用Design-Expert 12软件进行方差分析，得到了回归模型方差分析表8，并得到多元回归方程。

表7 响应面实验设计及其结果

包埋率=82.10-2.07A+2.15B-1.31C+1.36AB-6.21AC-1.78BC-1.90A2-0.029 0B2-1.83C2。

由表8可知，模型显著性检验(P<0.01) ,说明实验所建立的二次回归模型极显著;失拟项中F=0.348 7,P=0.793 4,表示失拟不显著;模型相关系数R2=0.944 5,说明包埋率的变化有94.45%的概率源自所选变量。由各个因素的显著性水平差异可知，对粉末油脂包埋率的影响次序：壁材浓度(B)>大豆分离蛋白与阿拉伯糖质量比(A)>壁芯比(C)。并且AC达到极显著水平，大豆分离蛋白与阿拉伯糖质量比和壁芯比各因素的二次项对粉末油脂包埋率影响均达到显著水平(P<0.05)，表明该模型拟合度较好。3个因素间的交互作用对微胶囊粉末油脂包埋率的影响顺序为：AC>BC>AB。通过分析得出该种壁材微胶囊粉末油脂的最优制备工艺条件为壁芯比为1∶1、壁材质量分数为7.5%、大豆分离蛋白与阿拉伯糖质量比为5∶1，此时元宝枫籽油微胶囊包埋率为89.09%，持油率为82.84%，微胶囊中元宝枫籽油质量分数为(0.28±0.40)g/g。

表8 回归方程的方差分析

2.4 差示扫描量热(DSC)分析

采用 DSC 分析仪可以精确地测出微胶囊的熔点、熔化焓、结晶温度、结晶熔热等，从而反映微胶囊产品的热稳定性能[24]。采用2种不同壁材最佳制备条件制备的微胶囊粉末油脂进行DSC分析，结果见图2。复合壁材1元宝枫油微胶囊粉末油脂，当温度达到109.9 ℃时,开始出现一个较宽的吸热热峰，峰值为154.45 ℃，该阶段的焓值为38.35 J/g，吸热峰的产生原因可能是玉米变性淀粉热稳定性差，在高温下容易受热膨胀，发生吸热现象。对于壁材2制备的微胶囊元宝枫籽油粉末油脂，当温度达到131.54 ℃时,开始出现一个较宽的吸热峰，峰值为146.09 ℃，该阶段的焓值为7.795 J/g。吸热峰产生的原因可能是作为壁材成分之一的大豆分离蛋白由于高温受热溶胀发生变形，发生吸热现象，致使原来有序的晶体结构向无序的晶体结构转变[25]。因此，用大豆分离蛋白和阿拉伯糖作为壁材制备的微胶囊粉末油脂的热稳定性相对较好一些。

图2 元宝枫籽油微胶囊DSC图谱

2.5 红外光谱(FTIR)分析

采用红外光谱 FTIR对元宝枫籽油微胶囊进行表征，根据芯材分子在微胶囊化前后特征峰的形状、位移和强度的变化来判定微胶囊形成的[23]。最佳条件制备的2种微胶囊粉末油脂，以元宝枫籽油为对照得到的红外光谱图如图3所示。

图3 油与不同壁材下微胶囊粉末油脂红外光谱分析

对比元宝枫籽油和元宝枫籽油微胶囊红外光谱可知，元宝枫籽油红外光谱在3 009.33 cm-1处存在较强的吸收峰，而其他两种复配壁材下的微胶囊粉末油脂的红外光谱该波数吸收峰消失，且在1 742.84 cm-1处羰基吸收峰明显减弱，由此说明元宝枫籽油已被包埋，且表明用大豆分离蛋白和阿拉伯糖制备的微胶囊包埋效果更好一些。

2.6 微胶囊粉末油脂的显微结构观察

微胶囊对包埋物质的保留能力和保护作用取决于壁材的完整性，微胶囊粉末的流动性也与颗粒的形态有关[23]。最优制备条件制备的微胶囊粉末油脂样品进行扫描电镜分析，如图4所示。

图4 2种复配壁材元宝枫籽油微胶囊表面结构扫描电镜图(3 000×)

从图4a中可以看出，玉米变性淀粉和麦芽糊精作为壁材制备的粉末油脂的囊壁表面存在褶皱及凹陷现象，但没有出现裂缝、孔洞或破裂现象，表明元宝枫籽油能够较好地被包埋在壁材物质中。从图4b中可以看出，大豆分离蛋白和阿拉伯糖壁材微胶囊元宝枫籽油粉末油脂，形状不规则且塌瘪明显，分析其原因是在壁材交联效果不佳，而喷雾干燥温度较高，湿囊表面和内部脱水很快，产生不均匀的收缩，在随后的冷却过程中造成胶囊的塌瘪，水分迁移速率不同，导致微胶囊体形状不规则[29]，这是影响微胶囊粉末油脂的流动性和稳定性，应该在加工中加入乳化剂等进行优化，这会进一步提高元宝枫籽油微胶囊的包埋率。

2.7 元宝枫籽油微胶囊的稳定性

2.7.1 热稳定性和紫外稳定性

经测定，元宝枫籽油微胶囊壁1和壁2，经过 24 h紫外线照射处理，包埋率分别由85.7%和89.09%变成68.72%和79.5%；在80 ℃环境下经过2 h，包埋率分别变成62.82% 和77.50%，表明微胶囊产品具有较好的耐紫外线和耐高温，并且壁材2的稳定性高于壁材1[19]。

2.7.2 储藏稳定性

由图 5可以看出，在 65 ℃加速氧化实验开始和8 h前，元宝枫籽油和两种壁材微胶囊的过氧化值区别不明显，随着时间延长，油和微胶囊的过氧化值变化区别差异明显，油的过氧化值增加速率明显高于油微胶囊，油、壁材1和壁材2微胶囊48 h 后的过氧化值分别到29.57、21.20、12.06 mmol/kg，而2种壁材微胶囊的过氧化值远低于元宝枫籽油过氧化值，表明微胶囊可以有效减缓元宝枫籽油的氧化速率，对元宝枫籽油起到很好的保护作用，并且本实验中壁材2微胶囊延缓油脂氧化速度表现更佳。

图5 油与不同壁材微胶囊油脂过氧化值变化(65 ℃)

3 结论

在单因素实验基础上，以包埋率为响应值，选择玉米变性淀粉与麦芽糊精质量比或大豆分离蛋白与阿拉伯糖质量比、壁材浓度和壁芯比各3个因素为响应因子进行响应面设计，通过对响应结果的分析与优化，获得最佳工艺参数：麦芽糊精与变性淀粉质量比为3.54∶1、壁材质量分数为28.1%、壁芯比为2.51∶1时元宝枫籽油微胶囊包埋率为85.7%；大豆分离蛋白与阿拉伯糖质量比为5∶1、壁材质量分数为7.5%、壁芯比为1∶1时元宝枫籽油微胶囊包埋率为89.09%。通过差式扫描量热仪(DSC)、傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)对微胶囊的微观结构和热特性进行分析，结合油脂氧化稳定性的结果，表明用大豆分离蛋白和阿拉伯糖对元宝枫籽油的包埋效果更优，更利于微胶囊粉末油脂的储藏和使用，微胶囊的制备工艺还需进一步优化，改善其外观结构和提高包埋率。