何揚波 ,劉萬勇,羅興邦,李詠富,李國林,曹穎
1.貴州省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究所(貴陽 550006);2.貴州金沙冠香坊調(diào)味食品有限公司(畢節(jié) 551800);3.上海喬楓實業(yè)有限公司(上海 201400)
木姜子,別名山蒼子、山雞椒、山胡椒,在我國長江以南地區(qū)廣泛分布[1]。木姜子的葉、花、果皮中含有以檸檬醛、檸檬烯等為主要成分的黃色油狀液體,具有祛風(fēng)止寒、抑制癌癥、防霉抑菌等功效[2-5]。另外,木姜子油具有特殊芳香氣味,且在121 ℃條件下性質(zhì)穩(wěn)定,是中國南方餐桌上火鍋、蘸水的常用調(diào)味料[6]。木姜子油具有工藝簡單、香味濃郁、價格便宜等優(yōu)點,但也存在留香時間短、脂質(zhì)易氧化等不足。針對上述問題,利用一種或兩種及以上天然或合成的高分子成膜物質(zhì)將固體、液體或氣體(芯材)包裹形成微小顆粒的微膠囊化技術(shù)能夠提供良好的解決方案[7-8]。微膠囊化可以通過噴霧干燥、空氣懸浮、銳孔凝固、界面聚合、復(fù)合凝聚等物理、化學(xué)和物理化學(xué)方法實現(xiàn)[9]。對油脂微膠囊化而言,具有干燥過程短、物料分散好、使用成本低等優(yōu)勢的噴霧干燥技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[10]?;诖?,試驗采用微膠囊包埋技術(shù)對木姜子油微膠囊化工藝進行研究,為木姜子粉末油脂開發(fā)提供參考。
木姜子油(貴陽市三橋綜合批發(fā)市場);大豆分離蛋白、麥芽糊精(北京索萊寶科技有限公司);β-環(huán)糊精(上海麥克林生物化學(xué)有限公司);明膠(蘇州益景食品添加劑有限公司);阿拉伯膠(河南博洋生物科技有限公司);石油醚(沸程30~60 ℃,天津富宇精細(xì)化工有限公司)。
QFN-LE型離心氣流雙用噴霧干燥機(上海喬楓實業(yè)有限公司);S-3400 N電子掃描顯微鏡(日本東京日立公司);ESR-500型實驗室高剪切乳化機(上海易勒機電設(shè)備有限公司);JJ224BC型電子天平(常熟市雙杰測試儀器廠);HHS型電熱恒溫水浴鍋(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠);SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵(上海亞榮生化儀器廠);BSD-TF270型臺式恒溫振蕩器(上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠);QQMD200-2N型氮吹儀(上海啟前電子科技有限公司);101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司);BS100-1A蠕動泵(保定思諾流體科技有限公司);索氏抽提及其他常用玻璃裝置(貴州賽蘭博科技有限公司)。
1.3.1 微膠囊化木姜子粉末油脂制備
以大豆分離蛋白和麥芽糊精質(zhì)量比1∶1配成懸浮液,用高速剪切乳化機在8 000 r/min條件下均質(zhì)10 min,加入木姜子油后再均質(zhì)5 min。待體系穩(wěn)定后以蠕動泵按照40 r/min速率往噴霧干燥機中傳輸樣品,噴霧干燥機的設(shè)備參數(shù):進風(fēng)溫度180 ℃、出風(fēng)溫度90 ℃、離心頻率400 Hz、引風(fēng)機頻率50 Hz、氣掃時間30 s、除塵間隔20 s、振動間隔15 s。表面油脂、總油脂及油脂包埋率的測定按付紅軍等[11]研究方法執(zhí)行。
1.3.2 微膠囊壁材的乳化穩(wěn)定性
微膠囊壁材的乳化穩(wěn)定性參考楊曉慧等[12]的研究方法并作適當(dāng)改變。選取大豆分離蛋白、麥芽糊精、β-環(huán)糊精、明膠、阿拉伯膠作微膠囊壁材,按照兩兩組合、等質(zhì)量比例進行復(fù)合,經(jīng)均質(zhì)制得懸浮液后轉(zhuǎn)入量程50 mL的具塞量筒中,于30 ℃恒溫靜置過夜,取出量筒觀察分層情況,記錄液體總高度(H)與未分層高度(H1)。經(jīng)過乳化穩(wěn)定性試驗的試驗樣品采用電子掃描顯微鏡對其微觀結(jié)構(gòu)進行觀察,以確定最佳微膠囊壁材組合。
1.3.3 微膠囊化單因素試驗
木姜子油噴霧干燥的基本試驗條件:微膠囊壁材組成比例1∶1,固形物占微膠囊體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%,芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%,噴霧干燥溫度160 ℃。在其他因素不變的情況下,控制微膠囊壁材(大豆分離蛋白∶麥芽糊精)組成比例(2∶1,1.5∶1,1∶1,1∶1.5和1∶2)、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(15.0%,17.5%,20.0%,22.5%和25.0%)、芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(10%,20%,30%,40%和50%)、噴霧干燥溫度(120,140,160,180和200 ℃),以木姜子粉末油脂的包埋率為指標(biāo),在各因素最佳條件下進行比較。
1.3.4 微膠囊化響應(yīng)面試驗
在單因素試驗基礎(chǔ)上,選擇固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、噴霧干燥溫度3個因素為自變量,包埋率為響應(yīng)值進行響應(yīng)面試驗設(shè)計。具體試驗設(shè)計方案見表1。
表1 響應(yīng)面試驗因素水平編碼表
1.3.5 統(tǒng)計分析
單因素試驗結(jié)果由Origin 8.5軟件繪制,響應(yīng)面試驗的設(shè)計及數(shù)據(jù)處理由Design-Expert 12.0完成。
復(fù)合壁材是指幾種不同類型的壁材按照一定比例配成的新壁材,幾種壁材的功能可以互補和增強,較單一壁材更具有優(yōu)勢[13]。以β-環(huán)糊精、麥芽糊精、阿拉伯膠、大豆分離蛋白和明膠5種常見微膠囊壁材按照兩兩復(fù)配方式與適量的木姜子油混合形成混懸液,通過其表觀形態(tài)和乳化穩(wěn)定性對微膠囊壁材進行選擇,具體指標(biāo)見表2。結(jié)果表明,大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精及麥芽糊精組合均具有良好乳化穩(wěn)定性,含有阿拉伯膠的微膠囊壁材組合在壁材溶解階段就表現(xiàn)出極強的膠凝性狀,難以開展下一步乳化、噴粉工作。另外,含有明膠的微膠囊壁材組合在30 ℃條件下靜置過程中有沉淀存在,且在環(huán)境溫度低于10 ℃條件下體系呈現(xiàn)膠凝現(xiàn)象,這主要是因為明膠的溶解度和膠凝性受溫度影響較大的緣故[14]。因此,大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精、麥芽糊精的組合可作為木姜子油包埋的壁材選擇。為進一步比較大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精和麥芽糊精的包埋效果差異,采用掃描電鏡對木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)進行分析,具體見圖1和圖2。結(jié)果顯示,以大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精為微膠囊壁材的木姜子油粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)表面存在明顯的凹陷、皺縮現(xiàn)象,粉末易結(jié)塊,流動性差;大豆分離蛋白/麥芽糊精組則較為光滑,流動性較好。試驗現(xiàn)象與吳克剛等[15]對微膠囊產(chǎn)品的研究結(jié)論一致。為達(dá)到更好的包埋效果,后續(xù)試驗以大豆分離蛋白/麥芽糊精作為微膠囊壁材考察對象,類似的微膠囊壁材組合也在獼猴桃籽油、冷榨菜籽油、小麥胚芽油、核桃油的包埋工藝中被廣泛采用[16-19]。
表2 微膠囊壁材乳化穩(wěn)定性測試結(jié)果
圖1 大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精包埋木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)圖
圖2 大豆分離蛋白/麥芽糊精包埋木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)圖
以乳化穩(wěn)定性試驗和掃描電鏡結(jié)果為基礎(chǔ),確定大豆分離蛋白/麥芽糊精的微膠囊壁材組合。對微膠囊化木姜子油而言,微膠囊壁材組成配比、芯材占固形物百分比、固形物占乳化體系質(zhì)量分?jǐn)?shù)及微膠囊噴霧干燥溫度等因素對木姜子粉末油脂的加工至關(guān)重要。設(shè)計單因素試驗對上述條件進行優(yōu)化,為木姜子油的微膠囊化工藝提供數(shù)據(jù)支撐,如圖3~圖6所示。大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶1時,微膠囊化木姜子油的包埋率達(dá)到96.5%,在5種配比中包埋率最高。隨著壁材中麥芽糊精比例增高,微膠囊化產(chǎn)品的包埋率逐漸降低,當(dāng)大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶2時,產(chǎn)品的油脂包埋率僅43.4%。對芯材占固形物比例而言,木姜子油占固形物比例10%時,由于體系中固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定,故而壁材量則相應(yīng)提高,體系中加入水后難以形成乳化體系。隨著木姜子油占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,微膠囊壁材比例下降,木姜子油占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%時乳化體系滿足噴粉條件,質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時獲得包埋率為96.5%的微膠囊化產(chǎn)品。另外,固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微膠囊化產(chǎn)品的包埋率也表現(xiàn)出類似先增高后降低的趨勢,其包埋率在固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時達(dá)到峰值。對噴霧干燥溫度而言,木姜子油粉末油脂的包埋率隨著噴霧干燥溫度升高而增加,溫度200 ℃時包埋率為95.29%。
圖3 復(fù)合微膠囊壁材組成比例對木姜子粉末油脂包埋率的影響
圖4 芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對木姜子粉末油脂包埋率的影響
圖5 固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對木姜子油粉末油脂包埋率的影響
圖6 噴霧干燥溫度對木姜子粉末油脂包埋率的影響
經(jīng)單因素試驗論證,大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶1時包埋效果最佳,且在固定其他因素不變情況下,恰當(dāng)?shù)男静馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及噴霧干燥條件均能獲得較優(yōu)的包埋結(jié)果。但是,產(chǎn)品加工是各因素統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的整體過程?;诖?,通過Box-Behnken試驗設(shè)計對上述條件進行系統(tǒng)優(yōu)化,通過方差分析的p值可知,各因素及其交互作用對木姜子油微膠囊化的包埋率影響均不顯著。相較而言,各因素對微膠囊包埋率的影響順序為固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)>芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)>噴霧干燥溫度,具體結(jié)果見表3~表4和圖7~圖9。以微膠囊化木姜子油的包埋率為響應(yīng)值,利用Design-Expert 12.0軟件對表3的試驗結(jié)果進行二次多元回歸擬合,其二次多項回歸模型為:R=92+3.47A+0.85B+0.48C-1.61AB-0.53AC+0.6125BC-8.27A2-1.84B2-1.90C2。最終確定制備微膠囊化木姜子粉末油脂最優(yōu)工藝:芯材占固形物比例37%,固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.34%,噴霧干燥溫度175.36 ℃。在此條件下,微膠囊木姜子油的包埋率達(dá)92.11%,遠(yuǎn)高于付紅軍等[11]和楊艷紅等[20]分別采用羥丙基-β-環(huán)糊精/阿拉伯膠和β-環(huán)糊精對山蒼子油的包埋率(88.30%和79.15%)。
表3 響應(yīng)面試驗方案及結(jié)果
表4 回歸模型的方差分析
圖7 固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響
圖8 固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(A)、噴霧干燥溫度(C)對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響
圖9 芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、噴霧干燥溫度(C)對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響
噴霧干燥技術(shù)制備的微膠囊化粉末油脂可以提高木姜子調(diào)味油的穩(wěn)定性,賦予其更高的市場附加值。試驗以大豆分離蛋白、麥芽糊精為微膠囊壁材,通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗優(yōu)化了微膠囊化木姜子油加工過程中的固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、木姜子油占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和噴霧干燥溫度等條件,確定微膠囊化木姜子粉加工最優(yōu)工藝參數(shù):芯材占固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.34%、噴霧干燥溫度175 ℃。在此條件下,微膠囊木姜子油包埋率達(dá)92.11%,暫時高于目前文獻中報道的木姜子(山蒼子)粉末油脂的包埋率,為食品工業(yè)中生產(chǎn)更穩(wěn)定的微膠囊化木姜子油脂提供技術(shù)參考。