復凝聚法制備魚油微膠囊工藝研究

李飛雨，袁興鈴，鄒 涵，李莫婷，李美良

(四川農業大學 食品學院，四川 雅安 625014)

魚油中不飽和脂肪酸十分豐富，含量可達68%[1]。魚油中豐富的DHA、EPA具有軟化心腦血管、抗腫瘤等重要功能[2]。但由于魚油具有強疏水性、低分散性以及過度的氧化敏感性，同時魚油的腥味難以被接受，難以滿足多種食品加工工藝的需要，限制了其在食品中的應用[3-5]。采用微膠囊化技術將魚油進行深加工，可以改變魚油固有的物理形態，形成物理屏障與外界隔離，減少光、氧等環境因素的影響，進而保護芯材，使其更廣泛地應用于食品中[6]。

目前，關于魚油微膠囊，不同復配的壁材組合和新型壁材不斷被研究，如明膠/阿拉伯膠、β-環糊精、明膠/桃膠[7-10]等。復凝聚法技術是能獲得比較耐高溫的微膠囊技術之一[11]。復凝聚法技術通常選用蛋白質作為聚陽離子材料，將pH調控在4左右，整個體系處于酸性狀態下，再加上后續的長時間的復凝聚反應可能會導致芯材部分生物活性物質受到影響[8,10-11]。而當蛋白質作為聚陰離子材料，pH調控在接近中性條件下，芯材受到的影響可能較小。同時，酶代替戊二醛等有毒交聯劑對微膠囊結構進行固化，更加綠色安全。

本實驗選取具有良好乳化性的大豆分離蛋白(SPI)和具有良好成膜性的殼聚糖作為壁材對魚油進行包埋。大豆分離蛋白作為聚陰離子材料，調節pH至中性[12]，發生復凝聚反應，經過酶固化，使微膠囊囊壁形成穩定的結構[11]，采用冷凍干燥法制備，加工條件溫和，進而較好地保護芯材。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

魚油：廣州聯存醫藥科技股份有限公司；殼聚糖(脫乙酰度為90%，BR)、大豆分離蛋白(BR)：上海源葉生物科技有限公司；谷氨酰胺轉氨酶(120 U/g)：泰興市東圣生物科技有限公司。

FA1204B電子天平；FJ200-SHS數顯高速分散均質機；HZQ-X500大型恒溫振蕩器；生化培養箱；LGJ-18S冷凍干燥機；GEMINI氣味分析儀：美國Alpha M.O.S公司；RE-52AA旋轉蒸發器。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚油微膠囊制備工藝

(1)乳狀液的制備：根據文獻[13]制備大豆分離蛋白溶液。將一定量的魚油與一定量的大豆分離蛋白溶液在一定轉速下均質5 min，得到均勻的乳狀液。

(2)復凝聚反應：將制得的乳狀液加入與SPI溶液等質量分數的殼聚糖溶液，再以相同的速度均質5 min，后立刻將混合體系30℃水浴攪拌,用5% NaOH溶液調至一定pH，反應20 min。

(3)固化：于反應后的體系中按照推薦量加入谷氨酰胺轉氨酶作為固化劑，30℃恒溫振蕩固化一定時間。

(4)干燥：將得到的體系進行離心，冷凍干燥，得魚油微膠囊。

1.2.2 包埋率和包埋效率的測定

表面油含量和總油量的測定分別參考SC/T 3505—2006和文獻[6,14]操作。

按下式計算包埋率及包埋效率。

包埋率=(M0-m0)/M0×100%

包埋效率=M0/M×100%

式中：M0為負載總油量，g；m0為表面油含量，g；M為最初加入總油量，g。

1.2.3 過氧化值的測定

取微膠囊3.0 g根據文獻[15]進行前處理，后按照GB 5009.227—2016測定過氧化值。

2 結果與分析

2.1 魚油微膠囊制備的單因素實驗

2.1.1 均質速度的影響

將0.5 g魚油加入50 mL 2% SPI溶液中。魚油在SPI溶液中分別經過速度為6 000、7 000、8 000、9 000、10 000 r/min的均質乳化后，取乳狀液于顯微鏡100倍觀察，結果如圖1所示。

圖1 不同均質速度下乳狀液粒徑

由圖1可知，均質速度在8 000 r/min以下得到的乳狀液粒徑隨均質轉速的提高而變小，變均勻。均質速度越高，均質所產生的剪切力越大，所生成的乳狀液液滴越小。均質速度大于8 000 r/min時，乳狀液粒徑大小受剪切力的影響較小。因此，選用均質速度為8 000 r/min進行后續實驗。

2.1.2 pH的影響

兩種壁材只有在正、負電荷達到電荷平衡，才能形成緊密的微膠囊，所以pH強烈影響生物聚合物的電荷密度，進而影響凝聚的強度。由于SPI只在pH大于其pI(4.5)時才帶負電，而殼聚糖只能在酸性溶液中溶解，因此SPI與殼聚糖之間的凝聚較好時，pH在5.5～7.0較窄的范圍內。分別配制質量分數為2%的兩種壁材，兩種壁材溶液體積比為5∶5，按1.2.1方法調節復凝聚反應過程pH至5.5、6.0、6.5、7.0，反應20 min，觀察復凝聚物的形態，結果如表1所示。

表1 不同pH下復凝聚物的形態

由表1可知，隨著pH的提高，由于SPI所帶負電荷逐漸增加，殼聚糖溶解度逐漸減少，到pH為6.0時，開始大量生成復凝聚物，在pH 7.0時，可以獲得均勻的細小固體顆粒，且容易分離。

2.1.3 壁材總質量分數的影響

在pH 7，SPI溶液與殼聚糖(Ch)溶液體積比5∶5，芯壁比1∶1，固化時間1 h，壁材總質量分數分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%實驗條件下，微膠囊的包埋率測定結果如圖2所示。

圖2 不同壁材總質量分數對包埋率的影響

由圖2可知，壁材總質量分數對包埋效果有明顯影響，壁材總質量分數越大，單位體積中復凝聚物和乳狀液滴量都大量增加,使乳狀液滴和復凝聚物更易且均勻碰撞。同時壁材總質量分數增大，凝聚相具有更高的黏度，可降低芯材的損失，同時使包埋更充分；但壁材總質量分數過大，SPI溶解不充分，乳狀液黏度增大，不利于均質過程中壁材和芯材的均勻分散，較難形成均勻的顆粒，壁材自身容易形成大塊凝膠，導致包埋效果下降，因此選擇壁材總質量分數1.5%～2.5%進行優化。

2.1.4 SPI溶液與Ch溶液體積比的影響

在pH 7，壁材總質量分數為2%，芯壁比為1∶1，固化時間1 h，SPI溶液與Ch溶液體積比分別為1∶9、3∶7、5∶5、7∶3、9∶1實驗條件下，微膠囊的包埋率測定結果如圖3所示。

圖3 SPI溶液與Ch溶液體積比對包埋率的影響

兩種天然高分子化合物中，殼聚糖具有較大的黏度，其比例變大時，溶液黏度增加。由圖3可知，SPI溶液與Ch溶液體積比在1∶9時，蛋白質所帶負電荷與殼聚糖所帶陽離子電荷發生嚴重失衡，即使通過調pH也不能得到良好的分相，且由于黏度過大，包埋效果很差。而SPI溶液與Ch溶液體積比在9∶1時，殼聚糖量太少，即體系中的聚陽離子太少，兩者形成復凝聚物的包埋率同樣較低。所以SPI溶液與Ch溶液體積比過低或過高都會影響電荷平衡而影響復凝聚物的形成。

2.1.5 芯壁比的影響

在pH 7，SPI溶液與Ch溶液體積比5∶5，壁材總質量分數2%，固化時間1 h，芯壁比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3實驗條件下，微膠囊的包埋率測定結果如圖4所示。

圖4 芯壁比對包埋率的影響

由圖4可知，芯壁比對復合凝聚微膠囊形成和效果影響顯著。芯材相對比例過大,微膠囊囊壁變薄而不穩，甚至乳狀液滴增加，更易相互碰撞匯聚成較大的乳液，微膠囊表面吸附的芯材也升高，導致包埋效果下降和嚴重的粘連現象，產生更多的表面油。芯材比例過小，可使包埋很充分，但會造成壁材的浪費。綜合考慮，采用芯壁比1∶1～1∶3 進行優化。

2.1.6 固化時間的影響

復合凝聚通過相分離從膠體水溶液體系生成凝聚相的過程是溶膠與凝膠之間可逆變化的過程,如果平衡被破壞,凝聚相就會消失。為了穩定微膠囊的形態，常常需要進行進一步的固化處理。選用谷氨酰胺轉氨酶作為固化劑，無毒且交聯作用強，在pH 5.0～8.0范圍內該酶都具有較高的活性[16]。在pH 7、壁材總質量分數2%、芯壁比1∶1，SPI溶液與Ch溶液體積比5∶5條件下，按1.2.1中固化方法對復凝聚體系分別固化1、2、3、4、5 h，微膠囊的包埋率測定結果如圖5所示。

圖5 固化時間對包埋率的影響

由圖5可知，隨著固化時間的延長，包埋率增加，在固化時間為4 h時，包埋率達68.74%，繼續延長固化時間，微膠囊會發生粘連現象，同時可能因為產生的剪切力而導致包埋率下降。

2.2 魚油微膠囊制備的正交實驗

在單因素實驗基礎上，固定均質速度8 000 r/min、pH 7的條件下，以包埋率為指標，以SPI溶液與Ch溶液體積比(A)、芯壁比(B)、壁材總質量分數(C)、固化時間(D)為實驗因素，進行L9(34)正交實驗，對工藝參數進行優化。正交實驗因素水平如表2所示，正交實驗設計與結果如表3所示。

由表3可知，影響包埋率因素的主次順序為芯壁比>壁材總質量分數>SPI溶液與Ch溶液體積比>固化時間。芯壁比對包埋率影響最大，可能與其很大程度影響了壁材與芯材的接觸、乳狀液的黏度有關。魚油微膠囊制備最佳工藝條件為：均質速度8 000 r/min，pH 7，芯壁比1∶3，壁材總質量分數2.5%，SPI溶液與Ch溶液體積比7∶3，固化時間4 h。在最佳工藝條件下，包埋率為90.21%，包埋效率可達99.04%，經測定表面油含量為4.87%。

表2 正交實驗因素水平

表3 正交實驗設計與結果

2.3 魚油及魚油微膠囊不同溫度下儲存過氧化值的變化

將魚油及魚油微膠囊制品放置在60、37、4℃下進行周期實驗。60℃處理，每2 d檢測過氧化值，37、4℃處理則每周檢測過氧化值的變化。不同溫度下過氧化值變化如圖6所示。

由圖6可知，魚油和魚油微膠囊在低溫下都有較好的儲存穩定性。在3個不同溫度下，總體而言，魚油微膠囊的過氧化值發生顯著變化的時間相對魚油延后，且魚油的過氧化值顯著性變化大于魚油微膠囊。這與微膠囊中的魚油被壁材包裹，與空氣和一些外界環境中可能導致與氧氣氧化的微生物隔絕，從而延緩氧化有關。

2.4 魚油和魚油微膠囊的氣味分析

根據文獻[17]使用電子鼻對魚油、魚油微膠囊進行氣味分析，考察微膠囊化作用對魚油味道的弱化作用。魚油及魚油微膠囊主成分分析如圖7所示。由圖7可知，主成分1與主成分2貢獻率分別為97.824%、1.756%，總共貢獻率為99.580%，說明主成分可以反映整體信息。魚油主成分1與魚油微膠囊主成分1之間差異顯著，同時從雷達圖(見圖8)可見，魚油和魚油微膠囊均對T30/1、PA/2、P30/1、P40/2傳感器有不同程度的響應，但魚油的響應值整體顯著大于魚油微膠囊，說明微膠囊化可一定程度上弱化魚油的氣味。

注：左圖為魚油，右圖為魚油微膠囊。

圖8 魚油及魚油微膠囊雷達圖

3 結 論

通過SPI/Ch復合壁材對魚油微膠囊的制備工藝進行了研究，確定了魚油微膠囊的最佳制備工藝條件為大豆分離蛋白溶液與魚油混合8 000 r/min均質乳化5 min、復凝聚反應pH 7、SPI溶液與Ch溶液體積比7∶3、壁材總質量分數2.5%、芯壁比1∶3、固化時間4 h，在此條件下魚油微膠囊包埋率為90.21%，包埋效率為99.04%，表面油含量為4.87%。所得的魚油微膠囊在4、37℃和60℃下的過氧化值的變化結果顯示，相較之下，微膠囊制品能延緩魚油氧化。通過對魚油和魚油微膠囊的氣味進行分析發現，微膠囊能顯著弱化魚油氣味。