藍圓魚油微膠囊的制備工藝優(yōu)化及其穩(wěn)定性

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(華南農(nóng)業(yè)大學食品學院,廣東廣州 510642)

藍圓鲹(Decapterusmaruadsi)又稱巴浪魚,生命周期短,生長速度快,屬于暖水性中上層洄游類魚類。全世界藍圓鲹年漁獲量超過500萬噸,產(chǎn)量居世界所有單一漁撈種類第三位,而在中國的產(chǎn)量達到60多萬噸[1]。但其肉質(zhì)松軟、肉色暗,離水后極易發(fā)生腐敗及氧化變質(zhì)[2]。海洋低值魚加工成魚油并在食品中應(yīng)用是低值魚高值化的主要途徑之一[3]。藍圓鲹魚油主要成分為不飽和脂肪酸,相對含量59.57%,其中單不飽和脂肪酸含量27.14%,多不飽和脂肪酸含量32.43%,且主要為二十碳五烯酸7.86%,二十二碳六烯酸16.76%[4]。富含多不飽和脂肪酸的藍圓鲹魚油,因具有高度不飽和性,對外界環(huán)境如氧氣、光和熱極其敏感,易劣變,從而影響藍圓鲹魚油的貯藏穩(wěn)定性和功能特性[5]。微膠囊化技術(shù)可在魚油周圍形成由壁材組成的保護層,減弱環(huán)境因素對魚油的影響,有效的保持了魚油的固有特性,而且具有一定的控釋性能,是魚油穩(wěn)態(tài)化的有效措施[6]。采用微膠囊技術(shù)對含有豐富的多不飽和脂肪酸的魚油進行微膠囊化,使魚油周圍形成由壁材組成的保護層,不僅能有效保護魚油,減少外界環(huán)境(如O2、pH、水分、溫度等)的破壞,防止魚油見光分解、氧化、揮發(fā)[7]，而且能增加魚油的流動性和分散性,囊壁能有效地控制魚油的釋放,提高消化吸收率,延長產(chǎn)品貨架期[8]。此外,微膠囊化油脂更容易作為原料添加到食品中[9]。在微膠囊技術(shù)中,噴霧干燥法是一種應(yīng)用范圍最廣、實用性最強、加工成本較低的微膠囊產(chǎn)品制備方法[10]。李夢凡等[11]采用噴霧干燥法制備微膠囊化羅非魚油,包埋率可達95.9%,通過掃描電鏡可觀察到微膠囊具有較好包埋效果。噴霧干燥制備微膠囊技術(shù)在魚油加工貯藏方面的應(yīng)用,有利于魚油制品朝著營養(yǎng)化、功能化、便攜化方向發(fā)展。

基于此,本文以藍圓鰺魚油為原料,選擇阿拉伯膠、明膠、海藻糖作為復配壁材,制備穩(wěn)定的水包油型魚油乳液,進而采用噴霧干燥技術(shù)制備魚油微膠囊,通過單因素實驗及響應(yīng)面優(yōu)化實驗設(shè)計確定魚油微膠囊的最佳制備工藝條件,并測定微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性,為藍圓鰺魚油微膠囊的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

藍圓鲹魚油 實驗室自制;明膠 天津市福晨化學試劑廠;阿拉伯樹膠 天津市福晨化學試劑廠;海藻糖 上海凌峰化學試劑有限公司;石油醚 天津市富宇精細化工廠;氫氧化鈉 國藥集團化學試劑廠。

JOYN-8000噴霧干燥機 上海橋躍電子有限公司;FJ200-S型數(shù)顯高速分散儀 上海嫩谷機電設(shè)備有限公司;SK2105多功能電磁爐 廣東美的生活電器制有限公司;S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本日立Hitachi Limited;GJJ-0.03/40高壓均質(zhì)機 江西得利時機械有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚油微膠囊的制備工藝 通過相關(guān)文獻及前期實驗,從乳液乳化穩(wěn)定性、黏度和微膠囊產(chǎn)率三個方面綜合考慮,選取了明膠、阿拉伯膠及海藻糖作為理想的壁材,確定其復配比為3∶5∶2，稱取占純化水質(zhì)量比40%的壁材溶于60 ℃的純化水中，用磁力攪拌器(30 ℃，200 r/min，30 min)充分攪拌均勻，隨之加入占壁材25%的魚油。通過高速分散(10000 r/min，3 min)、高壓均質(zhì)(30 MPa，2次),形成均勻的乳液,隨后采用噴霧干燥法制備微膠囊化魚油。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 固形物含量對魚油微膠囊包埋率的影響 在固定魚油含量為20%、進(出)風溫度為180 ℃(80 ℃)、進料速度為300 mL/h、霧化器頻率為40 Hz的條件下,考察固形物含量(25%、30%、35%、40%、45%)對魚油微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.2 魚油含量對魚油微膠囊化包埋率的影響 在固定固形物含量為35%、進(出)風溫度為180 ℃(80 ℃)、進料速度為300 mL/h的條件下,考察魚油含量(20%、25%、30%、35%、40%)對魚油微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.3 進(出)風溫度對魚油微膠囊包埋率的影響 在固定魚油含量為30%、固形物含量為35%、進料速度為300 mL/h的條件下,考察進(出)風溫度(160(70)、170(75)、180(80)、190(85)、200 ℃(90 ℃))對魚油微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.4 進料速度對魚油微膠囊包埋率的影響 在固定魚油含量為30%、固形物含量為35%、進(出)風溫度180 ℃(80 ℃)的條件下,考察進料速度(300、400、500、600、700、800 mL/h)對魚油微膠囊包埋率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化實驗 在單因素實驗的基礎(chǔ)上,根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計原理,選擇魚油含量(A)、固形物含量(B)、進(出)風溫度(C)、進料速度(D)4個因素為自變量,以魚油得率為響應(yīng)值,采用Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計四因素三水平的響應(yīng)面分析實驗,共29個實驗點,其中24個為分析因子,5個為中心實驗用以估計誤差。各因素的編碼值與真實值見表1。

表1 Box-Benhnken設(shè)計實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface analysis

1.2.4 微膠囊包埋率的測定[11]微膠囊包埋率(%)=(產(chǎn)品中總的魚油含量-產(chǎn)品表面魚油含量)/產(chǎn)品中總的魚油含量×100

1.2.4.1 微膠囊魚油表面油含量測定 稱取魚油微膠囊產(chǎn)品(m1),用30 mL石油醚在輕微振蕩下準確浸提5 min,過濾。用5 mL石油醚洗滌濾渣,快速濾紙過濾,將濾液全部轉(zhuǎn)移至已干燥至恒重(105 ℃)的圓底燒瓶(m2)中,40 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸干石油醚,105 ℃烘干至恒重稱質(zhì)量(m3)。計算油的質(zhì)量即微膠囊表面油的質(zhì)量。

表面油含量(%)=(m3-m2)/m1×100

1.2.4.2 微膠囊魚油總油含量的測定 用石油醚作為溶劑,準確稱取魚油微膠囊產(chǎn)品(m1),加20 mL 40 ℃的超純水,使樣品充分溶解后,再加入40 mL石油醚-無水乙醇混合液(1∶1)充分萃取,重復萃取2次,合并萃取液,并全部轉(zhuǎn)移至已恒重的圓底燒瓶(m2)中,萃取液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)(40 ℃)大部分溶劑后再放入105 ℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定,稱質(zhì)量m3,得油的質(zhì)量即微膠囊總油的質(zhì)量。

總油含量(%)=(m3-m2)/m1×100

1.2.5 微膠囊的微觀結(jié)構(gòu) 利用掃描電鏡(SEM)分析魚油微膠囊產(chǎn)品在形貌上的特點,闡釋產(chǎn)品性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系[12]。在貼了雙面膠的樣品平臺上撒上少量的微膠囊產(chǎn)品,用毛細管稍稍壓實,使部分粉末陷入雙面膠中,用刀片刮去表面粉末后,把多余的微膠囊吹凈,隨之置于離子濺射儀中在10 mA電流條件下噴金,使材料表面上鍍上一層鉑膜,然后用掃描電子顯微鏡觀察微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.2.6 貯藏穩(wěn)定性實驗 將魚油及魚油微膠囊置于60 ℃烘箱中進行加速儲藏實驗,每隔24 h取一次樣品測定其過氧化值(POV)[13]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

實驗中所有數(shù)據(jù)均為至少兩次測定的平均值,并計算標準偏差,利用Origin 8.5作圖,響應(yīng)面優(yōu)化采用Design-Expert.V 8.0.6.1分析處理;利用SPSS 17.0新復極差檢驗評價樣品平均值之間的顯著差異(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 固形物含量對魚油微膠囊包埋率的影響 乳狀液中的固形物含量對微膠囊包埋率有較為顯著的影響。由圖1可知,隨著固形物含量的增大,微膠囊的包埋率顯著增加(p<0.05),當固形物含量達到35%時,包埋率達到最大,為83.48%。當固形物含量高于35%時,包埋率呈現(xiàn)下降趨勢。分析原因可能是隨著壁材濃度的增加,乳狀液中固形物含量增多,加快了噴霧干燥過程中液體成膜速度,降低魚油的損失,有利于微膠囊的形成,同時減少魚油向壁材表面的擴散遷移,提高微膠囊的包埋率;但是如果固形物含量過大,會導致乳狀液粘度增大,流動性變差,噴霧干燥過程中液滴成膜速度下降,不利于均質(zhì)分散以及噴霧干燥液滴的霧化,較難形成均勻的顆粒,而且也容易造成魚油損失增加,并出現(xiàn)粘壁現(xiàn)象,導致微膠囊包埋率和產(chǎn)率下降[7]。所以在兼顧較高固形物含量和低粘度的要求,確定固形物含量為35%。

圖1 固形物含量對魚油微膠囊包埋率的影響Fig.1 Effect of solid content on encapsulation efficiency of fish oil microcapsules

2.1.2 魚油含量對魚油微膠囊包埋率的影響 由圖2可以看出,隨著魚油含量的增大,微膠囊的包埋率顯著增加(p<0.05),當魚油含量為30%時,乳液穩(wěn)定性較高,且包埋率達到最大,為86.29%。因為一定濃度范圍內(nèi),隨著魚油加入量的增加,可增加被乳化包裹的魚油量,從而使微膠囊能夠包裹更多的魚油,使得微膠囊制品的包埋率增加。但是,在魚油含量大于30%時,包埋率顯著下降(p<0.05),其原因可能是魚油含量過高,無法包埋的部分只能附著在乳滴外部,就可能破壞乳液分散狀態(tài),引發(fā)乳滴聚集,降低微囊包封率,升高表面魚油的含量,而對于熱不穩(wěn)定性的魚油,暴露越多功能性成分損失越嚴重[16],魚油過多地附著在表面可引起微囊間的粘連變形,破壞產(chǎn)品流動性和穩(wěn)定性,同時制備的微膠囊的囊壁變薄、通透性增加,不利于貯存。因此,確定魚油最適濃度為30%。

圖2 魚油含量對魚油微膠囊包埋率的影響Fig.2 Effect of fish oil content on encapsulation efficiency of fish oil microcapsules

2.1.3 進風溫度對魚油微膠囊包埋率的影響 從圖3中可以看出,進風溫度對魚油微膠囊包埋率的影響。隨著進風溫度的提高,微膠囊產(chǎn)品的包埋率逐漸增大,這是因為溫度比較低時,蒸發(fā)能力不夠,產(chǎn)品水分較大,流動性差且易結(jié)塊,不能形成致密性良好的囊壁。當進風溫度在160～180 ℃時,進風溫度提高,水分蒸發(fā)快,囊膜形成速率大,可抑制魚油的擴散流失,提高包埋率[14]。當進(出)風溫度達到190 ℃(85 ℃)左右時,此時產(chǎn)品的包埋率達到最大,為86.49%。當進風溫度繼續(xù)增大時,包埋率反而下降,這是由于溫度過高時,產(chǎn)品在干燥過程中水分散失比較快會引起微膠囊囊膜的破裂[15],導致魚油提前釋放、降解損失,使得微膠囊產(chǎn)品的包埋率下降,而且未包埋的魚油容易造成產(chǎn)品粘壁,影響微囊的形態(tài)、粒徑、流動性,同時魚油微膠囊的過氧化值也會增大[16]。因此,確定最佳的進(出)風為190 ℃(85 ℃)。

圖3 進(出)風溫度對魚油微膠囊包埋率的影響Fig.3 Effect of inlet(outlet)air temperature on encapsulation efficiency of fish oil microcapsules

2.1.4 進料速度對魚油微膠囊包埋率的影響 由圖4可以看出,當進料速度在500 mL/min以內(nèi)時,微膠囊的包埋率隨著進料速度增加而升高,500 mL/h包埋率達到最大,為87.73%。隨著進料速度進一步提升,微膠囊包埋率呈顯著下降趨勢(p<0.05)。原因可能是當進料速度進一步增加,噴霧干燥蒸發(fā)能力不夠,出風溫度降低,產(chǎn)品的干燥效果和流動性差,包埋率下降。當進料速度達到700 mL/min,粘壁現(xiàn)象嚴重,微膠囊產(chǎn)品水分含量達不到粉末化油脂的標準,而且噴霧干燥過程容易出現(xiàn)噴口堵塞現(xiàn)象。噴霧干燥進料速度的調(diào)節(jié),不僅直接影響生產(chǎn)效率,也是控制噴霧干燥生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的重要手段[17]。倘若噴霧干燥進料速度太小,雖然噴霧干燥生產(chǎn)過程很穩(wěn)定,但因效率太低,耗能過大,在實際的工業(yè)生產(chǎn)上不允許;如果進料速度太高,則會導致噴霧干燥的出風溫度較低或不穩(wěn)定的現(xiàn)象[18]。因此,選擇最佳的進料速度為500 mL/h。

圖4 進料速度對魚油微膠囊包埋率的影響Fig.4 Effect of feed speed on encapsulation efficiency of fish oil microcapsules

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

2.2.1 實驗設(shè)計及結(jié)果 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果如表2所示。

表2 Box-Benhnken實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Box-Benhnken experimental design arrangment and experimental results

實驗結(jié)果采用Design-Expert.V 8.0.6.1軟件對表2中29個實驗點的響應(yīng)值進行多元回歸擬合得到魚油得率與各因素的二次多項回歸方程模型:

Y=-2974.63458-5.61467A+8.73017B+29.99558C+0.47131D-0.022900AB+0.056650AC+1.06000×10-3AD-0.014250BC+3.00500×10-3BD-5.52500×10-4CD-0.075350A2-0.087300B2-0.080925C2-5.18375×10-4D2。

表3 回歸方程方差分析Table 3 The analysis of regression equation variance

注：表中p<0.05，表明模型或考察的因素影響顯著;p<0.01，表明模型或考察的因素影響極其顯著。表4同。

對模型進行顯著性檢驗,由回歸模型的方差分析表3可以看出,模型p<0.01,模型因子是具有極顯著性差異的。該模型的失擬項的p>0.05,無顯著性差異,說明這種實驗方法是可靠的,模型能夠很好的推測實驗結(jié)果。說明模型是合適的,有意義的,因此,可以用該回歸方程模型來解釋設(shè)計方案。

表4 各因素間顯著性分析Table 4 Significant analysis among the factors

由表4分析結(jié)果可知,表中F值越大表明該因素對魚油微膠囊包埋率影響越顯著,各因素對微膠囊包埋率的影響大小依次為:B-固形物含量、A-魚油含量、C-進風溫度、D-進料速度。在此回歸方程模型中B、C2和D2是極顯著性因子項(p<0.01);A、C和交互項AC、B2為顯著性因子項(p<0.05);而交互項AB、AD、BC、BD、CD、A2均無顯著性差異(p>0.05)。

2.2.2 最佳工藝條件的確定及驗證實驗 根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果對所建立的數(shù)學模型進行分析,系統(tǒng)預測得出噴霧干燥制備微膠囊化魚油的最佳工藝條件為:魚油含量為31%,固形物含量為37%,進風溫度為191 ℃,進料速度為483 mL/h。在此條件下,微膠囊化魚油的包埋率為92.99%。考慮實際操作性,調(diào)整工藝參數(shù)為魚油含量為30%,固形物含量為37%,進(出)風溫度為190 ℃(85 ℃),進料速度為480 mL/h,在此條件下微膠囊包埋率為91.56%,與模型預測值相差較小,表明模型合理有效。

2.3 微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)

微膠囊顆粒的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與微膠囊保護魚油的能力密切相關(guān)。采用掃描電子顯微鏡觀察到的微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖5中可以看出,所得的噴霧干燥制備的魚油微膠囊顆粒表面除有少量凹痕以外,外形顆粒較圓整,基本接近球形,大部分顆粒表面光滑、致密、無裂痕,整個表面是連續(xù)的。因此,能很好的保護魚油的穩(wěn)定性。

圖5 采用SEM觀察魚油微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.5 SEM observation of fish oil microcapsule morphology and structure

2.4 微膠囊化處理對魚油貯藏過程POV的影響

從圖6可見,魚油微膠囊化產(chǎn)品與未微膠囊化的魚油置于60 ℃環(huán)境中,未微膠囊化的魚油其POV隨著貯藏時間的延長而增大(p<0.05)。微膠囊化的魚油在初始階段的過氧化值的變化較為緩慢,經(jīng)60 ℃加速氧化6 d后藍圓鲹魚油微膠囊的POV顯著低于(p<0.05)未微膠囊化魚油。因此,微膠囊化使藍圓鲹魚油被壁材很好地包埋起來,減少了魚油與空氣的接觸,避免其氧化,從而顯著提高藍圓鲹魚油的貯藏穩(wěn)定性。

圖6 魚油及微膠囊在貯藏過程中POV的變化Fig.6 Changes of POV in fish oil and microcapsules during storage

3 結(jié)論

利用Design Expert. V 8.0.6通過二次回歸設(shè)計確定了噴霧干燥法制備藍圓鲹魚油微膠囊的最佳工藝條件為:魚油含量為30%,固形物含量為37%,進(出)風溫度為190 ℃(85 ℃),進料速度為480 mL/h,在此條件下微膠囊包埋率為91.56%。通過響應(yīng)面構(gòu)建的方程模型能較好地反映真實的實驗值,因此,可以用該回歸方程模型來解釋設(shè)計方案。噴霧干燥法制備的魚油微膠囊外形為圓球形顆粒,表面光滑、致密、無裂痕,整個表面性狀良好,而且魚油微膠囊包埋率高,儲藏穩(wěn)定性好,可以較好的保護魚油功能性質(zhì)成分。

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