沙棘果油微膠囊化制備工藝的優(yōu)化及其表征

石 佳,于明曉,徐 昊,趙偉學(xué),徐 磊,張國(guó)坤

(1.美泰科技(青島)股份有限公司,山東青島 266400;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所,北京 110032)

沙棘果油是由棕櫚酸、棕櫚烯酸、硬脂酸、油酸、亞油酸、亞麻酸等34種脂肪酸組成,比沙棘籽油中脂肪酸種類多10余種,其中不飽和脂肪酸含量高達(dá)60%以上,沙棘果油中含有豐富的維生素A、維生素E和微量元素(硒、鎂、鋅、鐵、錳等),具有很好的抗菌、抗氧化、抗腫瘤的功效[1-4]。但沙棘果油難溶于水,穩(wěn)定性差,較沙棘籽油更易氧化變質(zhì),不利于儲(chǔ)藏及運(yùn)輸,從而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)價(jià)值。

目前,對(duì)沙棘果油的研究主要集中于油脂提取、脂肪酸組成分析及功能特性研究等方面[5-8]。Gutiérrez L F等[9]以正丁烷為萃取溶劑,研究風(fēng)干的沙棘果與冷凍干燥的沙棘果油脂得率分別為35.9%和17.1%,表明風(fēng)干法更易破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),有利于細(xì)胞中油脂溶出。薄海波等[1]利用氣相色譜-質(zhì)譜法定性、定量鑒定了沙棘果油脂肪酸組成及各成分含量,但對(duì)提高沙棘果油微膠囊包埋效果及其穩(wěn)定性方面研究鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)以沙棘果油為芯材,檸檬酸鉀為緩沖鹽,單雙硬脂酸甘油酯為乳化劑,酪蛋白酸鈉和變性淀粉為混合壁材,麥芽糊精為填充劑,利用噴霧干燥技術(shù)制備50%載油量的沙棘果油微囊粉,采用響應(yīng)面研究酪蛋白酸鈉添加量、變性淀粉添加量、乳化劑添加量對(duì)沙棘果油微囊粉包埋效果的影響,制備出包埋效果好、穩(wěn)定性高的微囊粉,為沙棘果油的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供理論和應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙棘果油 青海康普生物科技有限公司提供;酪蛋白酸鈉 恒天然(中國(guó))有限公司;單雙脂肪酸甘油酯 河南正通食品科技有限公司;麥芽糊精 保齡寶生物股份有限公司;檸檬酸鉀 濰坊英軒實(shí)業(yè)有限公司;變性淀粉(辛烯基琥珀酸淀粉鈉) 國(guó)民淀粉化學(xué)(上海)有限公司。

BS223S 型電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;HHS-11-2電熱恒溫水浴鍋 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;PHS-3C PH計(jì) 上海雷磁儀器廠;高速剪切機(jī) 弗魯克流體機(jī)械制造有限公司;SRH60-70 高壓均質(zhì)機(jī) 上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司;OXITEST油脂氧化分析儀 北京盈盛恒泰科技有限責(zé)任公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 沙棘果油微膠囊的制備 將一定添加量的酪蛋白酸鈉、一定添加量的變性淀粉、1%檸檬酸鉀和填充劑加入到80 ℃蒸餾水中,用攪拌器攪拌至完全溶解,制得水相;再將溶有一定添加量的單雙脂肪酸甘油酯的沙棘果油緩慢加入水相中,高速剪切機(jī)轉(zhuǎn)速為2000 r/min的條件下混合15 min,得到預(yù)乳液;將預(yù)乳液經(jīng)高壓均質(zhì)機(jī)乳化后進(jìn)行噴霧干燥(高壓均質(zhì)機(jī)兩級(jí)壓力分別為8 MPa/40 MPa,噴霧干燥進(jìn)料速率27 r/min,進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃,出風(fēng)溫85 ℃[10]),得沙棘果油微膠囊。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 分別考察酪蛋白酸鈉添加量(3%、6%、9%、12%、15%)、變性淀粉添加量(10%、15%、20%、25%、30%)、單雙硬脂酸甘油酯添加量(0%、1%、2%、3%、4%)3個(gè)因素對(duì)沙棘果油包埋率的影響。研究某一單因素影響時(shí),其他條件取固定值,分別為酪蛋白酸鈉添加量9%、變性淀粉添加量15%,乳化劑添加量2%。

1.2.3 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取酪蛋白酸鈉添加量、變性淀粉添加量、單雙硬脂酸甘油酯添加量三個(gè)因素進(jìn)一步優(yōu)化,按照Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平,以沙棘果油微膠囊包埋率為指標(biāo),通過(guò)響應(yīng)面分析確定最優(yōu)提取條件。

表1 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因素及水平Table 1 experimental factors and levels of Box-Behnken

1.2.4 包埋率的測(cè)定

1.2.4.1 微膠囊表面含油量的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取1.000 g(精確到0.001 g)樣品置于錐形瓶中,加入石油醚(30～60 ℃)浸泡提取5 min后,用濾紙過(guò)濾樣品,并用石油醚洗滌錐形瓶和濾紙,然后在80 ℃溫度條件下烘干,測(cè)定油脂的質(zhì)量,所得值即為1 g樣品的表面含油量[11]。

1.2.4.2 微膠囊總含油量測(cè)定 準(zhǔn)確稱取1 g(精確到0.001 g)樣品,置于錐形瓶中加20 mL熱水,使樣品充分溶解后加入石油醚(30～60 ℃)充分萃取2次,并用石油醚洗滌錐形瓶和濾紙,合并萃取液,然后在105 ℃條件下烘干,測(cè)定油脂的質(zhì)量,所得值為1 g樣品的總含油量[12-13]。

包埋率(%)=(樣品中總含油量-表面含油量)/樣品中總含油量×100

1.2.5 沙棘果油微囊粉的表面形態(tài)觀察 用掃描電子顯微鏡觀察微膠囊粉末油脂的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。加速電壓為2 kV,放大倍數(shù)為1200倍。

1.2.6 油脂氧化穩(wěn)定性的測(cè)定 用油脂氧化分析儀進(jìn)行測(cè)定,準(zhǔn)備樣品5 g,將樣品放入樣品蓋中,使用兩個(gè)空的樣品托盤(pán)放置在底層,將放有樣品的樣品蓋至于頂層,之后放入樣品槽中,密封。在實(shí)驗(yàn)溫度90 ℃、氧壓6 Bar條件下,測(cè)定氧化誘導(dǎo)期。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用Design-expert和Box-Behnken軟件進(jìn)行回歸模型建立和響應(yīng)面分析[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 酪蛋白酸鈉添加量對(duì)沙棘果油包埋率的影響 由圖1可知,逐漸增加酪蛋白酸鈉的添加量,沙棘果油包埋率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),在酪蛋白酸鈉添加量為9%時(shí),沙棘果油的包埋效果最好,包埋率可達(dá)91.7%;但隨著酪蛋白酸鈉添加量進(jìn)一步增加,在乳化的過(guò)程中,由于溫度較高,使過(guò)多的疏水氨基酸殘基被暴露,蛋白之間的相互作用增強(qiáng),從而發(fā)生聚集,使其界面的最佳包埋效應(yīng)遭到破壞,影響乳化液的穩(wěn)定性,致使沙棘果油的包埋率降低。

圖1 酪蛋白酸鈉添加量對(duì)沙棘果油包埋率的影響Fig.1 Effect of sodium caseinate on the embedding rate of seabuckthorn fruit oil

2.1.2 變性淀粉添加量對(duì)沙棘果油包埋率的影響 由圖2可知,變性淀粉添加量在10%～20%之間時(shí),沙棘果油的包埋率隨著變性淀粉的添加量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì);當(dāng)變性淀粉添加量大于20%時(shí),沙棘果油包埋率趨于穩(wěn)定,可能在此條件下,壁材的乳化性能及乳液的穩(wěn)定性趨于平穩(wěn),再增加變性淀粉的添加量只會(huì)降低噴霧干燥的效率以及成本的浪費(fèi),所以選擇變性淀粉添加量10%、15%、20%三個(gè)水平作為響應(yīng)面試驗(yàn)的考察因素。

圖2 變性淀粉添加量對(duì)沙棘果油包埋率的影響Fig.2 Effect of modified starch on the embedding rate of seabuckthorn fruit oil

2.1.3 乳化劑添加量對(duì)沙棘果油包埋率的影響 由圖3可知,乳化劑添加量在2%時(shí),沙棘果油的包埋率最高。當(dāng)乳化劑<2%時(shí),隨著乳化劑的增加沙棘果油的包埋率不斷提高,這可能是添加乳化劑后,能夠使油滴在乳液中分布更為均勻,使乳液更為穩(wěn)定。當(dāng)乳化劑添加量>2%時(shí),隨著乳化劑的增加沙棘果油包埋率呈下降趨勢(shì),這可能是由于添加過(guò)多的乳化劑容易使乳液在噴霧干燥過(guò)程中延遲干燥,產(chǎn)生回潮現(xiàn)象,造成微粒之間相互粘連,容易造成油脂析出。

圖3 乳化劑添加量對(duì)沙棘果油包埋率的影響Fig.3 Effect of emulsifier on the embedding rate of seabuckthorn fruit oil

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 回歸模型的建立及顯著性檢驗(yàn) 采用Design-expert軟件通過(guò)回歸對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合[15-16],實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Experimental design results of Box-Behnken

沙棘果油微膠囊包埋率的響應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行了17組實(shí)驗(yàn),其中5組為中心點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)Design-expert軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,得到包埋率的回歸方程為:

對(duì)模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出,實(shí)驗(yàn)選用的模型具有高度的顯著性(P<0.01),表明該模型極顯著;而失擬項(xiàng)的P>0.05,說(shuō)明回歸方程對(duì)于實(shí)際情況來(lái)說(shuō)較吻合,實(shí)驗(yàn)誤差比較小,故可用回歸方程對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。模型的RAdj為0.9819,R2為 0.9921,說(shuō)明該模型能解釋98.19%的響應(yīng)值,僅有總變異的1.81%不能用此模型來(lái)解釋,說(shuō)明該模型擬合程度良好。用此模型對(duì)沙棘果油微膠囊的包埋率進(jìn)行優(yōu)化是合適的。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

2.2.2 響應(yīng)面圖和等高線圖分析 各因素對(duì)沙棘果油包埋率的響應(yīng)面圖和等高線圖如圖4～6所示。在單因素實(shí)驗(yàn)后所選的范圍內(nèi)存在極值,是響應(yīng)面的最高點(diǎn)。響應(yīng)面圖坡度的陡峭程度直觀反映了各因素對(duì)響應(yīng)面的影響,兩兩因素均有交互作用,等高線形狀反映了交互效果的強(qiáng)弱,橢圓形表示交互作用顯著,圓形則正好相反[17]。

圖4 酪蛋白酸鈉添加量和變性淀粉添加量對(duì)微膠囊包埋率影響響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface of the effect of the amount of sodium caseinate and modified starch on the embedding rate of microcapsules

由圖4可以看出酪蛋白酸鈉添加量和變性淀粉添加量對(duì)微膠囊包埋率影響的響應(yīng)面圖呈橢圓形,說(shuō)明兩者對(duì)沙棘果油包埋率的影響較為顯著。當(dāng)酪蛋白酸鈉添加量一定時(shí),變性淀粉增加可以提高沙棘果油微膠囊的包埋率。當(dāng)變性淀粉一定時(shí),隨著酪蛋白酸鈉添加量的增加包埋率也有所提高,當(dāng)酪蛋白酸鈉添加量超過(guò)9.5%時(shí),又呈下降趨勢(shì)。

由圖5可以看出酪蛋白酸鈉和乳化劑對(duì)微膠囊包埋率影響的響應(yīng)面圖呈橢圓形,說(shuō)明兩因素交互作用對(duì)微膠囊包埋率影響顯著。主要是由于酪蛋白酸鈉在較高溫度時(shí),蛋白發(fā)生變形導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子間的相互作用增強(qiáng),從而發(fā)生聚集,使其界面的最佳包埋效應(yīng)遭到破壞,影響乳化液的穩(wěn)定性,致使沙棘果油的包埋率降低。同時(shí)添乳化劑會(huì)影響噴霧干燥過(guò)程中微膠囊的干燥效果,導(dǎo)致微膠囊產(chǎn)生回潮現(xiàn)象,造成微粒之間相互粘連,容易造成油脂析出[15]。

圖5 酪蛋白酸鈉添加量和乳化劑添加量對(duì)微膠囊包埋率影響響應(yīng)面圖Fig.5 Response surface of the effect of the amount of sodium caseinate and emulsifier on the embedding rate of microcapsules

同樣,由圖6可以看出變性淀粉和乳化劑相互作用對(duì)微膠囊包埋率影響的響應(yīng)面圖呈橢圓形,說(shuō)明兩因素交互作用對(duì)微膠囊包埋率影響顯著。當(dāng)變性淀粉添加量一定時(shí),增加乳化劑可以提高沙棘果油微膠囊的包埋率。當(dāng)乳化劑一定時(shí),隨著變性淀粉添加量的增加包埋率也有所提高,當(dāng)乳化劑添加量超過(guò)15%時(shí),又呈下降趨勢(shì)。

圖6 變性淀粉添加量和乳化劑添加量對(duì)微膠囊包埋率影響響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface of the effect of the amount of modified starch and emulsifier on the embedding rate of microcapsules

根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果,利用Design Expert軟件得到最佳工藝條件:酪蛋白酸鈉添加量為8.25%,變性淀粉添加量為16.27%,乳化劑添加量為1.98%,此條件下,微膠囊包埋率最大,可以達(dá)到 92.27%±0.09%。為驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,同時(shí)考慮便于操作,將微膠囊工藝條件修正為:酪蛋白酸鈉添加量為8%,變性淀粉添加量為16%,乳化劑添加量為2%。用修正后的工藝條件進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得到沙棘果油微囊粉平均包埋率在91.6%±0.05%,與方程得到的預(yù)測(cè)值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.97%,表明該模型預(yù)測(cè)性好,具有很好的適用效果。

2.3 沙棘果油微囊粉包埋效果及穩(wěn)定性分析

2.3.1 包埋效果 采用掃描電鏡對(duì)微膠囊的形態(tài)進(jìn)行觀察,由圖7可以看出其顆粒呈圓形,無(wú)裂縫;用馬爾文激光粒度儀測(cè)定微膠囊粉復(fù)原乳粒徑分布(圖8),復(fù)原乳平均粒徑為795 nm,說(shuō)明微膠囊粒徑較小,復(fù)原乳均一,沙棘果油微囊粉的包埋效果非常理想。

圖7 沙棘果油微囊粉掃描電鏡圖及粒徑分布圖Fig.7 Scanning electron micrograph of seabuckthorn fruit oil microcapsule powder

圖8 沙棘果油微膠囊粉復(fù)原乳液粒徑分布圖Fig.8 Particle size distribution of reconstituted emulsion of seabuckthorn fruit oil microcapsule powder

采用油脂氧化分析儀測(cè)定油脂氧化穩(wěn)定性,由圖9可以發(fā)現(xiàn),對(duì)照組沙棘果油的氧化誘導(dǎo)期時(shí)間較短,大約在7 h左右,且油脂氧化的速率較快;而試驗(yàn)組沙棘果油微囊粉的氧化誘導(dǎo)期時(shí)間較長(zhǎng),能夠達(dá)到36 h以上,油脂氧化速率較為緩慢,說(shuō)明與沙棘果油相比,沙棘果油微囊粉的抗氧化性能強(qiáng),穩(wěn)定性較好,不易氧化變質(zhì)[18-19],通過(guò)微膠囊包埋技術(shù)可以大大延長(zhǎng)沙棘果油的貨架期和儲(chǔ)藏期。

圖9 油脂氧化穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test results of oil oxidation stability

3 結(jié)論

本研究以沙棘果油微膠囊包埋率為主要目標(biāo),通過(guò)響應(yīng)面法分析優(yōu)化表明,酪蛋白酸鈉添加量、變性淀粉添加量、乳化劑添加量對(duì)沙棘果油微膠囊包埋率的影響顯著,修正后工藝條件為酪蛋白酸鈉添加量8%、變性淀粉添加量16%、乳化劑添加量2%,此條件下制備的沙棘果油微囊粉包埋率可達(dá)91.6%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<1%,模型設(shè)計(jì)合理。同時(shí),此工藝獲得的沙棘果油微囊粉表面光滑無(wú)裂痕,氧化誘導(dǎo)期時(shí)間長(zhǎng)達(dá)36 h,說(shuō)明制備的沙棘果油微囊粉具有很好的包埋效果和穩(wěn)定性,便于儲(chǔ)藏及運(yùn)輸,為沙棘果油進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供理論和應(yīng)用依據(jù)。