榛子油的微膠囊化工藝優(yōu)化

楊春瑜,車 丹,盧彥岑,梁佳鈺,王 瑩,柳雙雙,王雨晴

(1.哈爾濱商業(yè)大學食品工程學院,食品科學與工程省重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076;2.墨爾本大學環(huán)境工程學院,澳大利亞墨爾本 3000)

榛子營養(yǎng)豐富,被譽為堅果之王,在世界范圍內(nèi)被廣泛食用[1]。其果仁含油率達60%,具有明目強體,滋氣養(yǎng)血的功效[2]。從榛仁中提取的榛子油色清味香,不飽和脂肪酸含量高達90%以上,長期食用能夠軟化血管,預防心腦血管疾病,延年益壽,是一種高級食用油[3]。榛子油的儲存穩(wěn)定性較差,極易發(fā)生氧化,導致酸敗和變質(zhì),影響榛子油的貯藏和應(yīng)用[4]。微膠囊化可以使榛子油從液態(tài)變?yōu)楣腆w粉末,能夠長時間的保護榛子油的質(zhì)量,從而使其性能穩(wěn)定,貯藏方便[5]。

國內(nèi)的李延輝[6]采用噴霧干燥法制備榛仁油微膠囊,通過此法制得的榛仁油微膠囊為乳白色粉末,具有一定的流動性;加拿大的Fatih Kalkan等[7]同樣采用噴霧干燥法制備了榛子油微膠囊,研究進風溫度對微膠囊包埋率的影響,結(jié)果表明,包埋率隨著進風溫度的升高明顯增加。目前國內(nèi)外對榛子油微膠囊化的研究報道還很少,且都是采用噴霧干燥的方式,比較單一,本研究采用乳液聚合法結(jié)合冷凍干燥方式將榛子油微膠囊化,旨在為榛子油的進一步研究開發(fā)提供參考及支持。

微膠囊化的方法多種多樣,其中乳液聚合法的原理是將芯材溶解到含有乳化劑的壁材溶液中,再通過攪拌使溶液分散形成穩(wěn)定的乳化液,經(jīng)過加熱從而形成微膠囊[8]。此種方法的優(yōu)點是操作簡單,條件溫和,避免出現(xiàn)局部溫度過高,能夠使芯壁材混合均勻,通常用來制備液態(tài)芯材微膠囊[9]。本文采用乳液聚合法以殼聚糖和β-環(huán)糊精作為復合壁材包埋榛子油,其中殼聚糖作為壁材具有成膜性好,可生物降解等優(yōu)點[10];β-環(huán)糊精耐熱、耐酸、耐堿、不易受酶分解,可包埋油性物質(zhì),提高穩(wěn)定性[11],再經(jīng)單因素和響應(yīng)曲面法對工藝進行優(yōu)化,從而確定最佳工藝條件,以期增加榛子油的抗氧化效果,使其達到較好的包埋效果。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

榛子油 采用超臨界CO2萃取技術(shù)通過實驗室制得;殼聚糖 純度99%,食品級,河南祥瑞食品添加有限公司;β-環(huán)糊精 純度99%,食品級,河南金潤食品添加劑有限公司;亞麻籽膠 食品級,河南方大食品添加劑有限公司;石油醚 沸程30～60 ℃,分析純,天津市富宇精細化工有限公司。

FA224型電子天平 上海舜宇恒平儀器有限公司;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 河南予華儀器有限公司;IKAT18Digital數(shù)顯型分散機 艾卡儀器設(shè)備有限公司;FD-18型冷凍干燥機 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司;HH-S4數(shù)顯恒溫水浴鍋 鞏義市予華儀器有限責任公司;KQ100DB型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;Cyro-Sem pp3010T冷凍制樣系統(tǒng) 北京生物科技有限公司;SU8010掃描電鏡 青島澳信儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 榛子油微膠囊化工藝 采用乳液聚合法制備榛子油微膠囊,以一定質(zhì)量比的殼聚糖和β-環(huán)糊精為復合壁材,加50 mL水配置成一定固形物含量的壁材溶液,稱取一定質(zhì)量的榛子油,緩慢滴加至已經(jīng)溶解的壁材溶液中,加入一定質(zhì)量的乳化劑亞麻籽膠,在一定的乳化溫度下用磁力攪拌器勻速攪拌30 min,形成乳狀液,利用分散機充分均質(zhì),分散機轉(zhuǎn)速10000 r/min均質(zhì)3 min,使乳狀液穩(wěn)定,再經(jīng)冷凍干燥得榛子油微膠囊,測定包埋率。

1.2.2 影響榛子油微膠囊制備的單因素實驗 分別對復合壁材比、固形物含量、乳化溫度、壁芯材比例及乳化劑的添加量等5個因素進行單因素實驗,以包埋率為評價指標,確定最佳工藝條件。

1.2.2.1 復合壁材比例對包埋率的影響 以殼聚糖和β-環(huán)糊精為復合壁材,配置固形物含量為25%的壁材溶液,選取殼聚糖與β-環(huán)糊精的質(zhì)量比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3,按壁芯材比例2∶1加入榛子油,乳化劑亞麻籽膠的添加量為0.35%,乳化溫度為60 ℃,考察復合壁材比對包埋率的影響。

1.2.2.2 固形物的含量對包埋率的影響 分別按殼聚糖與β-環(huán)糊精為1∶1的壁材比配置固形物含量分別為10%、15%、20%、25%、30%的壁材溶液,按壁芯比2∶1加入榛子油,乳化劑添加量為0.35%,乳化溫度60 ℃,考察固形物含量對包埋率的影響。

1.2.2.3 乳化溫度對包埋率的影響 分別按殼聚糖與β-環(huán)糊精為1∶1的壁材比配置固形物含量為25%的壁材溶液,按壁芯比2∶1加入榛子油,乳化劑添加量為0.35%,乳化溫度分別設(shè)置為45、50、55、60、65 ℃,考察乳化溫度對包埋率的影響。

1.2.2.4 壁芯材比例對包埋率的影響 分別按殼聚糖與β-環(huán)糊精為1∶1的壁材比配置固形物含量為25%的壁材溶液,選擇壁芯材質(zhì)量比分別為5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1加入榛子油,乳化劑添加量為0.35%,乳化溫度60 ℃,考察壁芯材比對包埋率的影響。

1.2.2.5 乳化劑含量對包埋率的影響 分別按殼聚糖與β-環(huán)糊精為1∶1的壁材比配置固形物含量為25%的壁材溶液,按壁芯比2∶1加入榛子油,添加的乳化劑含量分別為0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%,乳化溫度60 ℃,考察乳化劑的含量對包埋率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化榛子油微膠囊的制備 結(jié)合單因素的試驗結(jié)果,分別以固形物含量、乳化溫度、壁芯比、乳化劑的含量等幾個對包埋率影響比較大的因素為變量,以包埋率為響應(yīng)值,根據(jù)Box-Beknhen實驗設(shè)計四因素三水平的響應(yīng)面分析實驗,實驗設(shè)計與水平編碼表見表1。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化實驗因素水平表

1.2.4 榛子油微膠囊包埋率的測定 微膠囊表面油含量的測定[12]:稱取2 g(精確到0.0001 g)微膠囊樣品于干凈的燒杯中,加入20 mL石油醚,振蕩3 min,用濾紙過濾,重復三次,最后用10 mL石油醚洗滌濾紙,將濾液合并轉(zhuǎn)移至已知質(zhì)量的錐形瓶(M1)中,將錐形瓶置于70 ℃水浴鍋中,待濾液蒸干,60 ℃烘箱干燥至恒重(M2)。

式中:M1為錐形瓶質(zhì)量,g;M2為錐形瓶與油脂總質(zhì)量,g;M3為稱取的樣品質(zhì)量,g。

微膠囊總油含量的測定[13]:將微膠囊粉碎并稱取2 g(精確到0.0001 g)于干凈的錐形瓶中,加入60 mL石油醚,加塞搖勻,置于超聲波清洗器中,溫度50 ℃,功率60 W,超聲15 min,過濾到已知質(zhì)量的錐形瓶(M4)中,將錐形瓶置于70 ℃水浴鍋中蒸干濾液,60 ℃烘箱烘干至恒重(M5)。

式中:M4為錐形瓶質(zhì)量,g;M5為錐形瓶與油脂總質(zhì)量,g;M6為稱取的樣品質(zhì)量,g。

1.2.5 榛子油微膠囊掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)觀察 使用Cyro-Sem pp3010T冷凍掃描電鏡設(shè)備對榛子油微膠囊進行觀察。將1滴乳液置于空心圓柱形載樣臺上,隨后放入液氮中進行預凍,將樣品轉(zhuǎn)入cryo-SEM的樣品準備單元,使用刀片橫切樣品,并在-90 ℃下升華15 min后噴金,最后將樣品插入裝有冷凍模塊的SEM掃描電鏡觀察腔內(nèi)進行觀察[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

以上各單因素實驗均重復三次,采用Microsoft Excel 2007及Design-Expert8.0.6作圖,采用Design-Expert 8.0.6進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 復合壁材比例對包埋率的影響 由圖1可知:榛子油微膠囊的包埋率隨著復合壁材中β-環(huán)糊精添加量的增加而緩慢增大,當β-環(huán)糊精的添加量是殼聚糖的2倍時,包埋率最大,隨后又開始下降。這是因為殼聚糖與β-環(huán)糊精的質(zhì)量比較大時,溶液粘度較大,導致榛子油與壁材混合不均勻,包埋率低,而當β-環(huán)糊精的添加量過多時,溶液粘度減小,形成的乳化液不穩(wěn)定,微膠囊包埋效果不好[15],因此當殼聚糖與β-環(huán)糊精的質(zhì)量比為1∶2時,包埋效果最好。

圖1 殼聚糖與β-環(huán)糊精的質(zhì)量比對包埋率的影響

2.1.2 固形物的含量對包埋率的影響 由圖2可知:榛子油微膠囊的包埋率隨著固形物含量的增加,先增大后有所下降,在固形物含量為25%時包埋率最大,這是因為當固形物含量較低時,乳化液粘度低,形成的微膠囊壁材較薄,包埋率低,當固形物含量大于25%時,乳化液粘度太大,導致乳化不充分,包埋率下降[16],因此固形物含量為25%時,包埋效果最好。

圖2 固形物含量對包埋率的影響

2.1.3 乳化溫度對包埋率的影響 由圖3可知,榛子油微膠囊的包埋率隨著乳化溫度的升高先增大后減小,當溫度達到60 ℃時包埋率最高,這是因為溫度升高有利于壁材充分溶解,包埋率隨之增加,但是當溫度過高時會破壞乳化液的穩(wěn)定性,芯壁材不能充分結(jié)合,包埋率下降[17],因此乳化溫度為60 ℃時,包埋效果最好。

圖3 乳化溫度對包埋率的影響

2.1.4 壁芯比對包埋率的影響 由圖4可知,榛子油微膠囊的包埋率隨著壁芯比的增加先增大隨后開始減小,壁芯比為2∶1時包埋率最高,這是因為壁材含量較多,乳化液粘度大,形成的微膠囊囊壁厚,芯壁材混合不均勻,包埋率低,而芯材增加,壁材不能全部包埋,也會導致芯材損失,從而降低包埋率[18],因此當壁芯比為2∶1時,包埋效果最好。

圖4 壁芯比對包埋率的影響

2.1.5 乳化劑添加量對包埋率的影響 由圖5可知:在乳化劑含量小于0.35%時,榛子油微膠囊的包埋率隨著乳化劑含量的增加,包埋率迅速增大,但當乳化劑含量大于0.35%時,包埋率又發(fā)生明顯的下降,這是適量的乳化劑能夠增加乳化液的粘度,使壁芯材充分結(jié)合,而乳化劑含量過高則會導致乳化液粘度過高,不利于均質(zhì),從而導致包埋率減小[19],因此乳化劑含量為0.35%時達到最佳包埋效果。

圖5 乳化劑含量對包埋率的影響

2.2 響應(yīng)面實驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果 在單因素實驗的基礎(chǔ)上,分別以固形物含量A、乳化溫度B、壁芯比C、乳化劑含量D為考察因素做響應(yīng)面分析實驗(由于包埋率隨著β-環(huán)糊精的增多,差異不大,因此本文不選擇該因素),取29個試驗點,其中5個中心點,24個分析因子,實驗設(shè)計及結(jié)果見表2:

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計方案及結(jié)果

2.2.2 模型建立與數(shù)據(jù)分析 根據(jù)表2的實驗結(jié)果,利用Design-Expert8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行擬合分析,得到回歸方程為:

Y=73.05+0.28A+1.07B+0.93C-3.15D+6.30AB+0.51AC+2.20AD+0.017BC+0.90BD-0.59CD-5.83A2-8.25B2-8.44C2-11.72D2,并對數(shù)據(jù)進行整理,方差分析結(jié)果見表3:

表3 方差分析

由表3可知:各因素對榛子油包埋率的影響由大到小依次為:D>B>C>A,即:乳化劑含量>乳化溫度>壁芯比>固形物含量。對回歸模型的方差分析可知:模型中P<0.01,回歸極顯著,失擬項P值為0.1184>0.05,不顯著,決定系數(shù)R2=0.9644,說明該模型與實驗擬合較好,可以用來對榛子油微膠囊化的包埋率進行預測。模型中AB、A2、B2、C2、D2對包埋率的影響都極顯著(P<0.01),一次項D對包埋率影響顯著(P<0.05),由此可見,各因素對響應(yīng)值的影響并不是簡單的線性關(guān)系,具有交互作用。

2.2.3 響應(yīng)面分析及優(yōu)化 為了更直觀的反映固形物的含量、乳化溫度、壁芯比、乳化劑的含量等四因素的交互作用對響應(yīng)值包埋率的影響,通過Design-Expert 8.0.6進行軟件分析,得到了各因素交互作用的等高線圖及響應(yīng)面圖,見圖6:

圖6 兩因素交互作用對包埋率影響響應(yīng)面圖

由圖6可知,等高線接近橢圓形,表示兩個變量之間的交互作用對榛子油的包埋率具有顯著影響,如果等高線接近圓形,表明兩因素之間的交互作用較弱,如果一個坡度陡峭,證明該因素對響應(yīng)值的影響較大,反之,坡度平緩,代表影響不顯著[20-24]。其中圖6a等高線是橢圓形,包埋率隨著固形物含量與乳化溫度的增加先升高后降低,證明固形物含量和乳化溫度交互作用顯著,圖6c中等高線接近圓形,固形物含量與壁芯比交互作用不顯著;圖6f、6j、6l中從響應(yīng)曲面的陡峭程度來看,包埋率隨乳化劑含量的變化坡度較陡,說明乳化劑D含量對包埋率的影響最大,但與其他因素交互作用不顯著;由圖6g、6h可以看出等高線接近圓形,響應(yīng)面坡度平緩,說明乳化溫度與壁芯比的交互作用對包埋率的影響最小。

2.2.4 驗證試驗 通過響應(yīng)面分析,得到利用殼聚糖和β-環(huán)糊精包埋榛子油的最佳工藝條件是:固形物含量25.21%,乳化溫度60.37 ℃,壁芯比為2.06∶1,乳化劑含量為0.34%,此時榛子油微膠囊的包埋率為73.33%。為了實際操作的便捷,將榛子油微膠囊的最佳工藝參數(shù)調(diào)整為固形物含量25%,乳化溫度60 ℃,壁芯比為2∶1,乳化劑含量0.34%,以此為依據(jù)進行三次平行實驗,最終測得的榛子油的包埋率為72.89%±0.58%,與理論數(shù)值相差0.6%,驗證值與理論值較為接近,由此證明用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的榛子油微膠囊的最佳工藝條件是可行的。

2.3 榛子油微膠囊cyro-SEM觀察結(jié)果

榛子油微膠囊的cyro-SEM圖片見圖7:

圖7 榛子油微膠囊cyro-SEM圖片

由圖7所示:微膠囊的顆粒直徑范圍在0.1～1000 μm[25],圖片為放大8000倍的榛子油微膠囊的表面結(jié)構(gòu),由此可以看出通過乳液聚合法制得的榛子油微膠囊直徑在5 μm以內(nèi),形狀呈規(guī)則的圓球形,囊壁比較完整,沒有裂痕出現(xiàn),說明芯材已經(jīng)被壁材包裹在里面。

3 結(jié)論

殼聚糖和β-環(huán)糊精成膜性和穩(wěn)定性較好,以二者為復合壁材,采用乳液聚合法制備榛子油微膠囊,經(jīng)響應(yīng)面進行優(yōu)化,結(jié)果顯示:當固形物的質(zhì)量分數(shù)為25%,乳化溫度為60 ℃,壁芯材比例為2∶1,乳化劑含量為0.34%時,所制得的微膠囊包埋率為72.89%±0.58%,微膠囊產(chǎn)品直徑在5 μm以內(nèi),形狀近似規(guī)則的球形,芯材包裹完整,說明此方法達到了較好的包埋效果,擴大了榛子油的應(yīng)用范圍,為高級食用油的開發(fā)和利用提供了理論依據(jù)。