沙棘籽油微膠囊制備及其特性研究

向殷豐，劉睿杰，常 明，金青哲，王興國

(江南大學 食品學院，食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122)

沙棘(Hippophaerhamnoides)又名刺柳、酸刺柳、黑棘、酸刺，為胡頹子科沙棘屬灌禾或小喬木。沙棘具有耐寒、耐旱的特點，在我國北方和西部地區(qū)作為防止風沙、保持水土的植物被廣泛種植。研究表明，沙棘籽的含油量一般為8%左右，高的可達15%～16%[1]，且油中富含油酸、亞油酸和亞麻酸，總不飽和脂肪酸含量將近90%[2]。此外，沙棘籽油還含有多種生理活性成分[3]，具有殺菌、止痛，促進組織再生，抗衰老，抗疲勞，增強肌體活力和免疫力等功效[4]。

沙棘籽油作為功能性油脂，在食品及醫(yī)藥保健品領域有廣泛的應用前景，但目前針對其產品的進一步開發(fā)研究甚少，常見的產品有沙棘籽油口服液、沙棘籽油乳劑及沙棘籽油軟膠囊等[5]。由于沙棘籽油含有豐富的不飽和脂肪酸，其在生產及儲存過程中易氧化酸敗，且油劑或乳劑的直接食用或飲用風味不佳，難以進行廣泛推廣。利用微膠囊技術對沙棘籽油進行包埋，可有效延緩油脂氧化，便于產品儲存及運輸[6]。劉光憲等[7]對不同壁材制備的沙棘籽油微膠囊性質進行了研究，但并未對加工工藝與原料配方等進行深入的探究。目前，關于沙棘籽油微膠囊的研究較少，對其加工工藝、性能表征等研究尚淺。本研究在初步確定沙棘籽油微膠囊最佳壁材組合后，以酪蛋白酸鈉、麥芽糊精為壁材，采用噴霧干燥法制備沙棘籽油微膠囊，在單因素實驗的基礎上采用正文實驗對工藝條件進行優(yōu)化。同時，對沙棘籽油微膠囊的性質進行表征，對其穩(wěn)定性進行評價，以期為沙棘籽油的深加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料與試劑

沙棘籽油，北京寶得瑞食品有限公司；酪蛋白酸鈉(CAS)，食品級，麥克林生化科技有限公司；大豆分離蛋白(SPI)，食品級，山東必盛生物科技有限公司；乳清分離蛋白(WPI)，食品級，英國Myprotein公司；麥芽糊精(MD)，食品級，泰州聚豐源生物科技有限公司。

正己烷、甲醇為色譜純，其他試劑均為分析純。

1.1.2 儀器與設備

C-MAG加熱磁力攪拌器、Ultra-Turrax T25高速分散機，德國IKA儀器設備有限公司；GEA Niro高壓均質機，意大利GEA Niro Soavi公司；尼魯噴霧干燥機，北京霍爾斯生物科技有限公司；多角度粒度與高靈敏度Zeta電位分析儀，美國布魯克海文儀器公司；熱重分析儀，梅特勒-托利多儀器有限公司；超聲波清洗儀，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；Agilent 7820氣相色譜儀，安捷倫科技有限公司；Rancimat油脂氧化穩(wěn)定性分析儀，瑞士萬通中國有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 沙棘籽油微膠囊的制備

稱取一定質量比的復合壁材于50～60℃的水中，攪拌溶解30 min后，在750 r/min下磁力攪拌4 h至壁材完全溶解。緩慢加入一定量的沙棘籽油，于19 000 r/min下高速剪切5 min，得到沙棘籽油初乳液，在30 MPa下高壓均質2次。最后在進風溫度180℃、進樣量12 mL/min、出風溫度85℃條件下噴霧干燥，得到沙棘籽油微膠囊。

1.2.2 包埋率測定

1.2.2.1 表面油含量的測定

參考劉成祥等[8]的方法測定微膠囊表面油含量。

1.2.2.2 總含油量測定

采用氯仿-甲醇超聲波輔助法提取微膠囊中的沙棘籽油[9]。按下式計算微膠囊總含油量。

總含油量=(M2-M1)/M0×100%

式中：M0為微膠囊質量,g；M2為提油后干燥至恒重的樣品與圓底燒瓶總質量，g；M1為空圓底燒瓶質量，g。

1.2.2.3 包埋率計算

包埋率=(1-表面油含量/總含油量)×100%

1.2.3 粒徑分布測定

取0.5 g沙棘籽油微膠囊分散于200 mL蒸餾水中，完全溶解后，使用多角度粒度與高靈敏度Zeta電位分析儀測定粒徑，繪制粒徑分布圖。

1.2.4 熱失重分析

采用熱重分析儀進行熱失重分析，控制氮氣流量為20 mL/min，以10℃/min升溫速率從20℃升溫至600℃，測定熱失重曲線。

1.2.5 脂肪酸組成分析

微膠囊中沙棘籽油的提取方法同1.2.2.2。脂肪酸組成的測定采用氣相色譜法，具體參考文獻[10]。

1.2.6 氧化誘導時間的測定

參考文獻[11]中的方法：將沙棘籽油微膠囊及沙棘籽油樣品同時置于60℃的烘箱中儲存，每天取樣，按1.2.2.2方法提取微膠囊中的油脂。精確稱取3.000 0 g(精確到0.000 1 g)油樣于反應管中，在110℃、空氣流速20 L/h的條件下測定油樣的氧化誘導時間。

2 結果與分析

2.1 復合壁材的選擇

MD由于成本低、溶解度好、不易氧化以及在高濃度下保持低黏度等特性，在微膠囊中使用廣泛。但MD乳化性能不佳，因此需與其他具備良好乳化性能的壁材復合使用，其中MD與蛋白類作為復合壁材在功能性油脂的微膠囊化中應用廣泛[12]。

分別將MD與SPI、WPI和CAS按照質量比1∶1進行復配，在乳液固形物含量20%、壁材與芯材質量比2∶1條件下進行噴霧干燥，以微膠囊包埋率、微膠囊復水粒徑及氧化誘導時間為指標，綜合確定最佳蛋白類型。表1為3種不同蛋白與MD復配后沙棘籽油微膠囊的包埋效果。

表1 3種不同蛋白與MD復配后微膠囊的包埋效果

注：表中同列數(shù)據(jù)不同字母表示差異顯著性(P<0.05)。

由表1可知，不同壁材復配得到的沙棘籽油微膠囊包埋率有較大的差異，其中復合壁材為CAS與MD的微膠囊包埋率顯著高于其他2種復合壁材(P<0.05)，而復合壁材為WPI與MD的微膠囊包埋率最低，為67.63%，其原因是WPI的乳化性能較CAS與SPI差。此外，3種微膠囊中，WPI與MD為壁材的產品氧化誘導時間顯著短于其他2種(P<0.05)，氧化穩(wěn)定性差，主要是因其包埋率低，導致多余的沙棘籽油留存在微膠囊表面而易被氧化[13]。CAS與MD為復合壁材的微膠囊復水后粒徑最小，與其他2種相比具有顯著性差異(P<0.05)。研究表明[14]，乳液粒徑會影響噴霧干燥過程中微膠囊的形成，進而影響其包埋率。綜合分析，選擇CAS與MD作為復合壁材。

2.2 單因素實驗

2.2.1 CAS與MD質量比對微膠囊包埋率的影響

固定壁材與芯材質量比2∶1、乳液固形物含量20%，考察CAS與MD質量比分別為2∶1、3∶2、1∶1、1∶2、2∶3 時對沙棘籽油微膠囊包埋率的影響，結果見圖1。

圖1 CAS與MD質量比對微膠囊包埋率的影響

由圖1可知，沙棘籽油微膠囊包埋率隨著MD含量的增加呈先增加后降低趨勢。復合壁材中，CAS作為乳化劑，在形成良好乳狀液滴過程中起重要作用。當CAS比例過低時，乳化程度低，不能較好地包被芯材。MD在包埋過程中起到了填充的作用，因而當MD比例過低時，形成的微膠囊膜致密性較差，不利于包埋[15]。因此，本實驗選擇CAS與MD質量比為1∶1進行優(yōu)化實驗。

2.2.2 壁材與芯材質量比對微膠囊包埋率的影響

固定CAS與MD質量比1∶1、固形物含量20%，考察壁材與芯材質量比分別為2∶1、3∶2、1∶1、1∶2、2∶3 時對沙棘籽油微膠囊包埋率的影響，結果見圖2。

圖2 壁材與芯材質量比對微膠囊包埋率的影響

由圖2可知，當壁材與芯材質量比為2∶1時，包埋率最高。隨著芯材含量的增加，包埋率呈降低趨勢。主要原因為隨著芯材含量增加，壁材的相對含量減少，在乳化過程中形成的乳狀液穩(wěn)定性下降，從而導致噴霧干燥形成的微膠囊成膜性差，表面油含量過高而包埋率下降。本實驗選擇壁材與芯材質量比為2∶1進行優(yōu)化實驗。

芯材與壁材的比例大小也決定了載油量的大小。高載油量即高比例的芯材可提高產量并減少壁材的使用，但過高的芯材含量會導致包埋率的降低與表面油含量的升高，從而導致微膠囊產品的溶解度、氧化穩(wěn)定性降低等，對產品的質量產生不良影響。Hogan等[16]以CAS為壁材包埋大豆油，當壁芯比從4∶1降低至1∶3時，包埋率從89.2%下降至18.8%，可見壁芯比對微膠囊包埋率有顯著影響。

2.2.3 固形物含量對微膠囊包埋率的影響

當固形物含量高于25%時，乳液黏度過高，在噴霧干燥過程中流動性太差而無法形成較好的微膠囊[17]，因此選擇不超過25%的固形物含量進行單因素實驗。固定CAS與MD質量比1∶1、壁材與芯材質量比2∶1，考察乳液固形物含量分別為10%、15%、20%、25%時對沙棘籽油微膠囊包埋率的影響，結果見圖3。

由圖3可知，隨著乳液固形物含量的增加，微膠囊包埋率先上升后下降，固形物含量為20%時包埋率最高。當固形物含量為10%時，微膠囊包埋率最低，主要原因是此時乳液含水量大，噴霧干燥時水分干燥不完全而導致產品包埋不佳。當固形物含量進一步增大時，乳液黏度增加，不利于噴霧干燥的霧化過程而導致包埋率下降。因此，確定乳液最佳固形物含量為20%。

圖3 固形物含量對微膠囊包埋率的影響

乳液固形物含量對微膠囊包埋率的影響十分重要，含量過高會導致乳液的黏度增大，不利于噴霧干燥的進行。此外，固形物含量增大的同時也會導致壁材含量增大，此時過多的壁材無法溶解完全，從而無法與芯材形成均一乳狀液而影響微膠囊產品質量。

2.3 正交實驗

基于單因素實驗結果，采用L9(34)正交表，以CAS與MD質量比(A)、壁材與芯材質量比(B)、固形物含量(C)作為考察因素，以包埋率為考察指標，進行正交實驗。正交實驗因素水平見表2，正交實驗設計與結果見表3，正交實驗方差分析見表4。

表2 正交實驗因素水平

表3 正交實驗設計與結果

表4 正交實驗方差分析

注：F0.05(2,2)=19，F(xiàn)0.01(2,2)=99，*表示影響顯著，**表示影響極顯著。

由表3可知，各因素對包埋率影響的主次順序為B>C>A，即壁材與芯材質量比>固形物含量>CAS與MD質量比。由表4可知，壁材與芯材質量比對微膠囊包埋率影響極顯著(P<0.01)，固形物含量對微膠囊包埋率影響顯著(P<0.05)。實驗范圍內最佳的因素水平組合為A1B3C2，即CAS與MD質量比為1∶1，壁材與芯材質量比為2∶1，固形物含量為20%。在最佳條件下進行驗證實驗，得到沙棘籽油微膠囊包埋率為96.15%。

2.4 沙棘籽油微膠囊的粒徑分布(見圖4)

圖4 沙棘籽油微膠囊粒徑分布

由圖4可知，沙棘籽油微膠囊的粒徑呈正態(tài)分布，范圍為160～760 nm，平均粒徑為372 nm，所制備的沙棘籽油微膠囊粒徑分布均勻且集中。

2.5 沙棘籽油微膠囊的熱失重曲線(見圖5)

圖5 沙棘籽油微膠囊熱失重曲線

熱失重過程可反映產品的分解過程，同時也可體現(xiàn)沙棘籽油微膠囊的熱穩(wěn)定性。由圖5可知，在50～100℃內曲線出現(xiàn)了小幅度下降，約有2.3%的質量損失，此階段損失的質量主要為微膠囊樣品中的自由水。在100～200℃范圍內，曲線趨于平緩，可知樣品幾乎沒有發(fā)生失重，處于熱穩(wěn)定區(qū)。在200～450℃范圍內，曲線迅速下降，此過程中的質量損失超過70%，說明該過程中沙棘籽油微膠囊發(fā)生了分解。這個過程包括3個失重階段：第一階段主要是樣品中的結合水以及部分熔點低的壁材組分損失，導致質量下降10.1%；第二階段主要為微膠囊結構被破壞，沙棘籽油暴露而氧化分解，導致質量損失28.8%；第三個階段的質量變化主要來自于壁材的進一步熱分解。根據(jù)微膠囊中沙棘籽油的分解溫度范圍可知，沙棘籽油微膠囊表現(xiàn)出了較好的熱穩(wěn)定性。

2.6 沙棘籽油微膠囊化前后脂肪酸組成(見表5)

表5 沙棘籽油微膠囊化前后脂肪酸組成及相對含量 %

注：表中同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由表5可知，沙棘籽油中不飽和脂肪酸含量極為豐富，其中α-亞麻酸含量高達28.21%，可作為ω-3脂肪酸的良好來源。對比微膠囊化前后沙棘籽油脂肪酸組成的變化可知，多不飽和脂肪酸含量降低了1.9%，而單不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸含量略有升高。在微膠囊化過程中，噴霧干燥的瞬時高溫可能導致部分多不飽和脂肪酸被氧化生成單不飽和脂肪酸或飽和脂肪酸?？傮w來說，微膠囊化對沙棘籽油脂肪酸組成及相對含量并未產生較大影響。

2.7 沙棘籽油微膠囊的氧化誘導時間(見圖6)

由圖6可見，最初沙棘籽油的氧化穩(wěn)定性略高于微膠囊中的沙棘籽油，其原因可能是噴霧干燥過程中瞬時的高溫造成微膠囊表面的油脂發(fā)生了輕微氧化。但隨著高溫儲存時間的延長，經(jīng)微膠囊包埋的沙棘籽油氧化穩(wěn)定性變化明顯小于未包埋的沙棘籽油。60℃儲存6 d，未包埋的沙棘籽油氧化誘導時間為0.67 h，而微膠囊化后其氧化誘導時間為2.22 h，可見沙棘籽油的氧化穩(wěn)定性經(jīng)過微膠囊包埋后提高至3倍以上，顯著提高了沙棘籽油的抗氧化性。

注：圖中*表示相同儲存時間下兩樣品差異顯著(P<0.01)。

圖6 加速儲存過程中沙棘籽油氧化誘導時間的變化

3 結 論

本實驗通過復合壁材對沙棘籽油進行包埋，在單因素實驗的基礎上利用正交實驗優(yōu)化沙棘籽油微膠囊的制備工藝條件，得到最佳的包埋條件為：壁材(CAS與MD)質量比1∶1，壁材與芯材質量比2∶1，固形物含量20%。最佳條件下制得的沙棘籽油微膠囊包埋率為96.15%，平均粒徑為372 nm，且分布均勻。沙棘籽油微膠囊具有較好的熱穩(wěn)定性，在正常加工范圍內不會發(fā)生熱分解。微膠囊化對沙棘籽油中的不飽和脂肪酸沒有明顯影響，經(jīng)過包埋的沙棘籽油氧化穩(wěn)定性明顯優(yōu)于未包埋的沙棘籽油。沙棘籽油進行微膠囊化后，不僅可以有效保留其營養(yǎng)成分，且能在很大程度上延緩氧化。