噴霧干燥法制備微膠囊化大豆胚芽油粉末油脂

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(沈陽師范大學糧食學院,遼寧沈陽 110034)

大豆胚芽是大豆制油和制取低溫豆粕的副產物,占大豆的2%～2.5%[1]。大豆胚芽油含量占胚芽重量的10%～15%,其中含有豐富的生育酚、磷脂、植物甾醇等生理活性成分,具有降低血清膽固醇、清除體內自由基、預防癌癥、心血管疾病和皮膚老化等生理功能,是一種極具開發意義的功能性油脂[2-3]。目前,國內外圍繞大豆胚芽油的制取方法主要有溶劑浸提法[4]、超臨界CO2萃取法[5]、超聲輔助萃取[6]、生物酶法以及亞臨界丁烷萃取法[7]。大豆胚芽油中不飽和脂肪酸含量約為80%,是具有一定保健功能的健康綠色植物油,但因為其不飽和度較高,所以在貯藏過程中極易發生氧化、產生不良氣味,從而降低大豆胚芽油的食用價值,限制其應用[8]。

微膠囊可將液體粉末化,有效隔離活性組分,降低或掩蓋食品中的不良氣味,保護對熱、氧、水分等敏感的食品組分以達到組分的瞬間釋放或控制釋放的功能。微膠囊化油脂技術近年來迅速發展,由于微膠囊化油脂良好的貯藏和使用性能,現已廣泛應用于食品、醫藥、化工、農業等許多領域。我國已有一些研究人員成功將大豆油、花椒油[9]、茶油[10]、小麥胚芽油[11]、獼猴桃籽油[12]、杏仁油[13]、山葡萄籽油[14]等進行微膠囊化,制備成粉末油脂。劉安然等[15]以大豆分離蛋白等復配材料作為壁材,制備的油茶籽油微膠囊產品,具有良好沖調性和流動性。楊寶玲等[16]采用噴霧干燥法制備亞麻油微膠囊,獲得亞麻油產品。此外,孫蘭萍等[17]采用噴霧干燥法成功制備微膠囊化杏仁油,包埋率高達94.7%。趙貴興[18]采用環糊精為壁材,實驗制得了微膠囊粉末并測試其理化特性,但實驗中壁材種類仍較為單一。綜上所述,雖然近年來微膠囊化粉末油脂在高附加值油脂產品制備領域中的研究十分活躍,但對微膠囊化大豆胚芽油產品的相關研究仍然有限。同時,微膠囊化胚芽油的制備工藝條件、壁材種類及含量比例等條件對最終產品質量的影響研究也尚為空白。

因此,本實驗采用不同噴霧干燥條件,以大豆胚芽油為芯材、阿拉伯膠為壁材,制備不同芯材及壁材比例的大豆胚芽油微膠囊產品，探究不同芯材、壁材比例及噴霧干燥條件對最終產品理化特性的影響,以期為開發微膠囊化大豆胚芽油提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大豆胚芽 市售,由黑龍江九三油脂集團提供,經105 ℃烘干至恒重后破碎,過60目篩密封保存備用;正己烷等其他試劑 國產分析純,北京新光化工試劑廠;食品級阿拉伯膠(純度99%) 德國Willy Benecke公司;食品級大豆分離蛋白 哈爾濱黎明植物蛋白科技有限責任公司。

AL104/01 型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;BILON-6000Y噴霧干燥設備 上海比朗儀器制造有限公司;D-60M均質機 上海標本模型有限公司;Mastersizer 2000激光粒度儀、Zetasirer nano ZS電位分析儀 英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大豆胚芽油的制備 采用索氏提取法,稱取50 g大豆胚芽粉,置于250 mL索氏脂肪抽提器中,用400 mL正己烷加熱回流提取9 h。提取結束后,經旋轉蒸發器回收溶劑,即得到大豆胚芽油[3]。

1.2.2 乳液制備 參考Frascareli等[19]乳液制備的方法。按照表1數據將壁材阿拉伯樹膠溶于(60±2) ℃蒸餾水中,磁力攪拌直至充分溶解后,緩慢加入大豆胚芽油并持續攪拌,在均質機上以14000 r/min均質5 min后測定乳液的穩定性及粒徑分布情況。

表1 不同壁材、大豆胚芽油含量乳狀液的制備Table 1 Emulsions produced with different initial solid and oil concentrations

1.2.3 乳液性質測定

1.2.3.1 乳層析指數 將制備好的乳狀液分別置于20 mL的具塞比色管中,于25 ℃靜置7 d,每天觀察乳液的相分離現象并記錄。底部清液層高度HC和乳液總高度HE的比值代表乳液的乳層析指數[20]。按以下公式計算:

乳層析指數(%)=(HC/He×100)

1.2.3.2 粒徑分布的測定 利用Mastersizer 2000激光粒度儀進行微膠囊顆粒的粒徑分布測定。分散劑折射率1.33,顆粒折射率1.46,吸收參數0.001。

1.2.4 噴霧干燥 將制備好的乳狀液進行噴霧干燥,進口溫度統一設置為25 ℃,速率設定為6 mL/min。將噴霧干燥制得的樣品用密封袋封好,并置于-20 ℃冰柜中貯存待用。

1.2.4.1 單因素實驗 制備工藝基本條件:壁材含量20%,油脂含量20%,出口溫度170 ℃。在其他條件不變的情況下,以微膠囊包封率為檢測指標,選取壁材含量10%、20%、30%、40%、50%,油脂含量10%、20%、30%、40%、50%,考察阿拉伯樹膠在微膠囊化大豆胚芽油中的應用。

1.2.4.2 響應面分析工藝條件優化 本實驗應用響應面優化法進行過程優化。以x1(壁材含量,%)、x2(油脂含量,%)、x3(出口溫度, ℃)分別代表的因素為自變量,以包埋率為響應值,確定優化方案,因素水平表見表2。

表2 因素水平編碼表Table 2 The code of factors and levels

1.2.5 包埋率測定 15 mL的正己烷加入2 g大豆胚芽油微膠囊化粉末中,室溫下混合振蕩2 min,將混合物倒入有濾紙的漏斗中過濾,再用正己烷沖洗試紙3次。將正己烷濾液和洗滌液在60 ℃下旋轉蒸發,直到恒重,包埋率的計算依據差值法。

式(1)

式(1)中:m1為一定質量的微膠囊顆粒中微膠囊化油脂的質量(g)-恒重稱量量;m2為一定質量的微膠囊顆粒中實際引入油脂的質量(g)-添加量。

1.2.6 微膠囊化大豆胚芽油微膠囊顆粒性質 根據包埋率結果優選出4組,進行相應微膠囊顆粒性質檢測。

1.2.6.1 持油率測定 根據噴霧干燥前后油脂含量計算。

式(2)

式(2)中:m1為噴霧干燥前制備乳狀液時油脂添加質量(g);m2為噴霧干燥后微膠囊顆粒中油脂含量(g)。

1.2.6.2 水分含量 在真空干燥箱70 ℃烘干至恒重[21]。

1.2.6.3 吸濕性 稱取1 g待測樣品在 105 ℃下烘干至恒重(m1)后置于飽和氯化鈉的干燥皿中,恒定溫度下吸濕到恒重(m2),稱量樣品質量[22]。

按下式計算吸濕率:

式(3)

式(3)中:m1為絕干樣品質量(g);m2為吸濕后樣品質量(g)。

1.2.7 掃描電鏡 用導電膠將微膠囊顆粒樣品固定在樣品臺上,用鍍金儀進行噴金處理。將噴金后的樣品置于掃描電子顯微鏡下以1000倍和2000倍的放大倍數觀察成像噴金后微膠囊產品的表面結構,加速電壓為5 kV。

1.2.8 過氧化值 大豆胚芽油微膠囊產品在25 ℃儲藏60 d,每隔7 d測一次油脂過氧化值,監測其氧化穩定性。參考[23]稱量0.5 g粉末溶于5 mL蒸餾水中,劇烈振蕩直至粉末充分溶解,吸取400 μL,與1.5 mL異辛烷/異丙醇2∶1混合,樣品分層,吸取上層清液進行分析。400 μL樣品加入9.6 mL氯仿甲醇(7/3),再加入50 μL,3.94 mol/L硫氰酸亞鐵溶液。混合溶液迅速混合,避光反應5 min,在500 nm處測量吸光值。氫過氧化物的標準曲線是1～25 μg三價鐵離子。

1.3 數據處理

所有的實驗至少進行3次,利用SPSS Statistics 22軟件對實驗數據進行統計,采用ANOVA檢驗進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 乳狀液穩定性

乳狀液乳層析指數見圖1。按照1.2.2方法制備的乳狀液,放置7 d,其中部分樣品非常不穩定,油脂已經浮在表面。壁材含量15%、油脂含量在25%的3號乳狀液是最不穩定的,在1 d后即發生分離。壁材含量20%、油脂含量在30%的6號乳狀液在2 d后也發生分層狀態。其余的乳狀液相對比較穩定,放置24 h后沒有明顯分層現象。高含油量制備的乳狀液穩定性相對較差。油脂含量高,壁材相對含量較低,覆蓋油脂表面的乳化劑含量低,由此導致聚集現象產生。

圖1 不同乳狀液乳層析指數(7 d)Fig.1 Emulsion stability of different emulsion(7 d)

2.2 乳狀液粒徑分析

不同乳狀液的粒徑分布見圖2。由圖2可知,樣品1、5、9隨著壁材含量的增加,乳狀液粒徑逐漸變小,尤其是9號樣品呈現出明顯的雙峰分布現象,樣品小粒徑體積含量增加,大粒徑體積含量降低,整體平均粒徑最低。這可能是受乳狀液粘度的影響。Chen[24]指出粘度會降低乳狀液聚集速率。對比樣品4、5、6可知提高油脂含量并沒有顯著影響乳狀液的粒徑分布。McNamee[25]將大豆油與阿拉伯樹膠混合后,在比例小于1.00之前粒徑沒有發生顯著變化,當比例大于1.00時,液滴粒徑隨著油脂含量的提高而增大。另外,Hogan[26]證實芯材(大豆油)和壁材質量比在0.33到1.5之間不會顯著影響粒徑大小,當超過3時,粒徑顯著提高。說明當阿拉伯膠含量為20%時,實驗所采用的油脂含量不會影響產品整體粒徑大小,可以維持大豆胚芽油以小粒徑存在。

圖2 不同乳狀液粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of different emulsions

2.3 微膠囊化大豆胚芽油單因素及響應面結果

2.3.1 單因素實驗 由圖3可知,壁材含量從10%～20%可以一定程度提高微膠囊的包埋率,主要由于壁材含量的提高可以加速干燥過程中乳液滴成膜;當壁材含量高于30%時,可能引起乳狀液在噴霧干燥過程中霧化速率下降的現象,并容易發生堵塞且延長大豆胚芽油乳狀液在噴霧干燥機內的停滯時間。

圖3 壁材含量對包埋率的影響Fig.3 Influence of solid content on microencapsulating efficiency

由圖4可知隨著油脂含量的增加,樣品包埋率下降,但下降的速率在開始并不明顯,當油脂含量高于30%時包埋率顯著下降,主要由于壁材不足以包埋住過多的油脂。

圖4 油脂含量對包埋率的影響Fig.4 Influence of oil content on microencapsulating efficiency

當出口溫度低于130 ℃時,產品含水率高,流動性差,蒸發能力不夠,不能形成良好致密性且具有一定強度的壁膜,噴霧干燥時容易粘壁。通過查閱文獻發現,當出口溫度超過190 ℃時,水分蒸發速度過快,壁膜易產生裂紋及凹陷,表面不光滑圓整,降低壁材成膜性,包埋率下降[24]。因此,出口溫度應在160～180 ℃為宜。

圖5 出口溫度對包埋率的影響Fig.5 Influence of outlet air temperature on microencapsulating efficiency

2.3.2 響應面實驗 通過統計分析軟件SAS9.1進行數據分析,建立二次響應面回歸模型如下:

y=81.10+7.19x1-4.56x2-2.63x3+0.62x1x2+0.63x1x3+0.13x2x3-2.15x12-1.46x22+0.90x32回歸與方差分析結果見表4。

表3 響應面設計與結果Table 3 Experimental design for the microencapsulation of soybean germ oil by spray drying

表4 回歸與方差分析結果Table 4 Results of regression and variance analysis

注：*，差異顯著,p<0.05;**，差異極顯著,p<0.01。

進一步對該模型進行方差分析,分析結果見表4。由表4可知,所得回歸模型p<0.0001,表明響應面回歸模型極顯著;失擬項p>0.05,表明失擬項不顯著。模型的相關系數R2=0.9821,說明有98.21%的響應值變化來源于所選因素,模型與實際實驗擬合較好,利用該模型能夠很好的對實際噴霧干燥法制備微膠囊化大豆胚芽油粉末油脂的生產進行分析和預測。由F檢驗可知相應因子貢獻率為:x1>x2>x3,即壁材含量>油脂含量>出口溫度。

利用回歸方程預測,得到噴霧干燥法制備微膠囊化大豆胚芽油粉末油脂的最佳工藝參數為:壁材含量為25.41%、油脂含量為15.20%、出口溫度為159.79 ℃,在此條件下預估此時包埋率為98.43%。考慮實際操作可行性,將上述條件修正為,壁材含量為25%、油脂含量為15%、出口溫度為160 ℃。

由于本實驗模型僅以包埋率作為單一響應值,在后續生產利用過程還需考量微膠囊化大豆胚芽油微膠囊顆粒性質及其穩定性,因此選擇了實驗最佳條件和實驗號為1、4和6這3組具有代表性的實驗進行后續微膠囊化大豆胚芽油微膠囊顆粒性質的檢測。

表5 優選微膠囊大豆胚芽油持油率、水分含量、吸濕性測定。Table 5 Encapsulation efficiency,oil retention,moisture content,hygroscopicity and outlet air temperature

圖6 各參數交互顯著項對油脂包埋率的響應面分析Fig.6 Response surface analysis of significant effective interaction items of different parameters on microencapsulating efficiency

2.4 微膠囊化大豆胚芽油微膠囊顆粒性質

2.4.1 優選微膠囊大豆胚芽油持油率、水分含量、吸濕性測定 根據響應面表3中包埋率結果優選出4組,進行相應微膠囊顆粒性質檢測,結果見表5。

對比實驗號1、2可知,在一定油脂含量和出口溫度的條件下,隨著壁材含量增加,形成的乳狀液粘性增大,在噴霧干燥過程所需要形成外壁的時間越短,減少了油脂在外面暴露的時間,繼而保持了大量油脂。另外,對比實驗號2、4,含有較多壁材的乳液,平均粒徑相對較小,包埋率相對降低,在較低的包埋率,較高油脂含量,置于干燥條件會更容易蒸發,造成油脂損失,持油率下降。對比實驗號2、6,出口溫度對持油率的影響主要體現較高的溫度會促進油脂揮發。大豆胚芽油微膠囊的水分在1.67%～2.20%之間,出口溫度是影響水分含量的顯著因素。其次為壁材含量,油脂含量的影響相對較低。吸水性是微膠囊很重要的一個指標,因為水的存在不僅會影響油脂氧化,還會影響粉質的流動性,油脂含量顯著影響吸濕性,當油脂添加量在25%時,吸濕性僅為14.71%,而其他條件下的吸濕性均在17%左右。

2.4.2 優選微膠囊大豆胚芽油掃描電鏡 經優化的配方和工藝制成的大豆胚芽油微膠囊的表面結構見圖7。從圖中可以發現顆粒具有球體結構以及不同大小,具有噴霧干燥粉末的典型特征。1號實驗樣品外形顆粒較為完整,飽滿,表面較為光滑,但粒徑大小不一,且普遍偏小;2號實驗樣品外形顆粒較圓整,飽滿,粒徑大小接近,且表面光滑、致密、裂紋較少;4號實驗樣品表面凹陷嚴重,存在大塊粘連,基本沒有分散的微膠囊顆粒,并且表面有反光,表明微膠囊表面油含量較高或芯材未包裹好,有滲漏，微膠囊顆粒粒徑大小不一;6號實驗樣品粒徑大小接近,且較分散,未有大塊的粘連,但存在少量粒徑較小的顆粒大塊的粘連在一起。Frascareli[27]研究發現這主要是在干燥和冷卻過程中顆粒表面縮水導致,Aghbashl[28]也證實凹陷主要是在干燥的起始階段形成。顆粒上的細紋以及多孔態表明壁材并沒有完整包裹內部芯材。

圖7 微膠囊化大豆胚芽油的掃描電鏡Fig.7 Microstructure encapsulation of soybean germ oil by spray drying determined by scanning electron microscopy

2.5 未包埋大豆胚芽油和優選微膠囊大豆胚芽油氧化穩定性測定

將大豆胚芽油微膠囊化產品與未微膠囊化產品放入60 ℃烘箱中進行Schaal加速氧化實驗,每隔48 h取出樣品測定其過氧化值,研究其氧化穩定性。結果如圖8所示，所有的樣品在初始階段過氧化值變化比較緩慢,氧化速率較慢,隨著儲藏時間的延長,2號實驗樣品的過氧化值顯著低于其他樣品,尤其是未微膠囊化的大豆胚芽油過氧化值顯著上升。大豆胚芽油在壁材的保護之下,油脂的氧化速度相對較低,但隨著時間的延長,使其原本的微膠囊結構破壞,導致油脂滲出,繼而氧化。該實驗現象與Min等[29]的研究結果相類似。對于微膠囊而言,在油滴表面會形成一層具有一定厚度的樹膠膜,可以起到抑制油脂氧化的作用[30],在貯藏期間內大豆胚芽油微膠囊的氧化速度始終低于未微膠囊化的大豆胚芽油,微膠囊使得大豆胚芽油氧化穩定性顯著提高,說明微膠囊在一定程度上可起到延緩油脂氧化的效果。

圖8 微膠囊化大豆胚芽油儲藏穩定性Fig.8 Oxidation of encapsulated and bulk soybean germ oil stored at 60 ℃注:0:未包埋樣品。

3 結論

本文制備了不同噴霧干燥條件及芯材、壁材比例的微膠囊化大豆胚芽油,以探究不同噴霧干燥條件及芯材、壁材比例對微膠囊化大豆胚芽油理化特性、微觀結構及氧化穩定性的影響,主要結論如下:采用乳層析指數及粒徑分布分析發現3號(壁材∶芯材為3∶5)和6號(壁材∶芯材為2∶3)樣品穩定性較高,平均分布均勻且粒徑較小。實驗發現:高含油量制備的乳狀液穩定性相對較差,同時平均粒徑也較大。對所有樣品進行不同條件的噴霧干燥后,采用Design-Expert軟件對實驗結果建立數學模型后,對優選樣品進行相應微膠囊顆粒性質檢測。實驗發現:樣品壁材與包埋率呈正相關,而油脂含量對包埋率和持油率具有負相關,出口空氣溫度的升高也導致包封率和持油率的降低。其中樣品壁材含量為25%、油脂含量為15%及出口溫度為160 ℃時樣品的狀態最佳。外形顆粒較圓整,飽滿,粒徑大小接近,且表面光滑、致密、裂紋較少,并且在室溫下非常穩定,說明微膠囊化可以在一定程度上防止脂質氧化，延長油脂保質期。

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