噴霧冷凍干燥制備魚油微膠囊

車馨子 段 續，2 王月月 周四晴 龐玉琪

(1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2.糧食儲藏安全河南省協同創新中心，河南 洛陽 471023)

ω-3多不飽和脂肪酸因對健康的有益作用而被認為是人體所必需物質[1]。魚油富含ω-3多不飽和脂肪酸具有良好的保健功能而為大眾所青睞，但是由于魚油本身有魚腥味，同時魚油中的DHA和EPA含多個雙鍵，極易氧化，且ω-3多不飽和脂肪酸可降解產生有害健康的二次氧化產物[2]，在水介質中溶解度差[3]。

研究[4]表明，功能性食品微膠囊化是實現營養物質所需穩定性、耐貯性和運輸屬性的一種有效方法。微膠囊技術已成功地應用于食品工業，用以保護對溫度、光、氧氣和濕度敏感的物質，具有便于稱量、包裝和存放，便于與其他物料均勻混合，便于貯藏和運輸[5]優勢。因此，微膠囊化已被證實為穩定化合物生物活性的優良方法[6]。傳統的魚油微膠囊化方法有銳孔法、復凝法、噴霧干燥法等，方承志等[7]采用銳孔法制備魚油微膠囊，包埋率達到87.5%，微膠囊存在粒徑較大的缺陷；路宏波等[8]采用復合凝聚法制備魚油微膠囊，產率可達91%，但是復凝法需要大量凝聚劑，成本高昂；康吟等[9]采用噴霧干燥法制備魚油微膠囊，通過工藝優化得到了微膠囊制備的最佳條件，但噴霧干燥法會導致微膠囊致密性差，而且在噴霧干燥過程中還存在粘壁現象。

噴霧冷凍干燥(spray freeze drying，SFD)是一種非常規的冷凍干燥技術，除了能夠在室溫條件下使乳液固化，保護芯材物質不被氧化，同時還包括常規凍干產品的優點。SFD高價值產品的潛在應用是由于與其他干燥技術相比，在產品結構、質量和揮發物及生物活性化合物的保留的優勢[10-11]。包埋低水溶性藥物的能力以及所生產的多孔顆粒的空氣動力學特性已使其成為一種特別有吸引力的方法。在國內外的研究中，目前噴霧冷凍干燥法大多應用于生物學和藥物方面[12]，而運用噴霧冷凍干燥法制備魚油微膠囊尚未見報道。

本試驗擬以包埋率、含水率和溶解度等為指標對噴霧冷凍干燥過程中的真空壓力和冷風風量等參數運用加權綜合評分法確定真空噴霧冷凍干燥的較優參數，以期能夠妥善解決魚油易氧化、貯藏性差等問題，并在一定程度上提高產品品質，縮短干燥時間，降低能耗。

1 材料與試劑

1.1 材料

精制魚油：西安澤邦生物科技有限公司；

阿拉伯膠：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；

海藻酸鈉：分析純，天津市光復精細化工研究所；

吐溫80：分析純，天津市大茂化學試劑場；

乙醇：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

石油醚：分析純，天津市德恩化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

實驗型噴霧冷凍干燥機：YC-3000型，上海雅程儀器設備有限公司；

電子天平：JA-B/N型，上海佑科儀表有限公司；

電熱鼓風干燥箱：101-2型，北京科偉永興儀器有限公司；

分析天平：FA1004型，上海上平儀器公司；

高速離心機：TG16-WS型，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；

數顯恒溫水浴鍋：HH-S6型，江蘇省金壇市環宇科學儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 乳化液制備 阿拉伯膠與海藻酸鈉以3∶1 (g/g)的比例混合，加入吐溫80作為乳化劑于適量蒸餾水中，均質機中3 000 r/min，55 ℃條件下均質3 min，按照芯壁比1∶4 (g/g)向乳化液中加入魚油，加入一定量的蒸餾水使固形物濃度達15%，于均質機中8 000 r/min條件下均質5 min，制得魚油微膠囊乳化液。

1.3.2 噴霧冷凍干燥試驗設計 將乳化液用實驗型噴霧冷凍干燥機制備魚油微膠囊。根據預試驗結果，分別在真空壓力為45 Pa條件下選取不同冷風風量(4.5，5.0，5.5，6.0，6.5 m3/min)進行試驗；在冷風風量為5.5 m3/min 條件下選取不同真空壓力(30，35，40，45，50 Pa)進行試驗。

1.3.3 包埋率的測定 根據文獻[13]測定微膠囊的包埋率，通過分別測定微膠囊的總油含量及表面油含量按式(1)計算包埋率。

E=(w1-w2)÷w1×100%，

(1)

式中：

E——包埋率，%；

w1——總油含量，g；

w2——表面油含量，g。

(1)總油的提取：取2.000 g魚油微膠囊樣品置于干燥的碘量瓶，加100 mL鹽酸溶液(pH 1)在60 ℃水浴上攪拌使樣品充分溶解，依次加入石油醚和正己烷(體積比1∶1)充分萃取后將上液移入已稱重的小燒杯中重復萃取4次，合并萃取液，在65 ℃水浴上0.07 MPa壓力下蒸干溶劑，于干燥器中冷卻至恒重，稱重。每個試驗重復3次，取平均值。

w1=(M3-M2)÷M1×100%，

(2)

式中：

w1——總油含量，%；

M1——樣品質量，g；

M2——燒杯重量，g；

M3——干燥后燒杯及固體殘渣質量，g。

(2)表面油的提取：稱取2.000 g魚油微膠囊樣品于錐形瓶中加入30 mL石油醚于25 ℃下振蕩2 min 后靜置8 min，用經石油醚浸泡且恒重的濾紙過濾，殘渣用15 mL石油醚清洗3次，將錐形瓶與濾紙移至烘箱于75 ℃條件下烘干至恒重，稱量。每個試驗重復3次，取平均值。

w2=(M1+M4+M5-M6)÷M1×100%，

(3)

式中：

w2——表面油含量，%。

M1——樣品質量，g；

M4——錐形瓶質量，g；

M5——濾紙質量，g；

M6——干燥后樣品、錐形瓶及濾紙總重，g。

1.3.4 含水率的測定 按GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》中直接干燥法執行。每個試驗重復3次，取平均值。

1.3.5 溶解度的測定 稱取5.000 g魚油微膠囊樣品于燒杯中，加入50 mL蒸餾水，在50 ℃水浴鍋中攪拌30 min 使其溶解但不完全溶解，移入離心管，置于離心機中3 000 r/min離心8 min。取5 mL上清液，置于恒重稱量瓶中，移入電熱鼓風干燥箱，干燥至恒重，稱重。每個試驗重復3次，取平均值。

S=10×(M2-M1)×100%，

(4)

式中：

S——溶解度，%；

M1——樣品質量，g；

M2——干燥后樣品、稱量瓶總重，g。

1.3.6 干燥能耗的測定 干燥過程中消耗總能量由電表計數，通過計算單位質量產品所耗能量得到。

1.3.7 加權綜合評分方法 參照巨浩羽等[14]的方法，選取包埋率、含水率、溶解度、干燥時間及干燥能耗為評價指標，對不同干燥條件下噴霧冷凍干燥制備魚油微膠囊進行加權綜合評分。為使試驗數據具有統一性，對指標數據進行歸一化，分別通過式(5)對正向指標值(包埋率、溶解度)及式(6)對負向指標值(含水率、干燥時間及干燥能耗)進行歸一化處理。

mi=(ni-nmin)÷(nmax-nmin)，

(5)

mi=(nmax-ni)÷(nmax-nmin)，

(6)

式中：

mi——歸一化值；

ni——指標真實值；

nmax和nmin——指標最大、小值。

按式(7)對各指標進行綜合評分：

K=m1l1+m2l2+m3l3+m4l4+m5l5，

(7)

式中：

m1、m2、m3、m4、m5——分別為包埋率、含水率、溶解度、干燥時間及干燥能耗的歸一化值；

l1、l2、l3、l4、l5——分別為包埋率、含水率、溶解度、干燥時間及干燥能耗所對應的權重(通過層次分析法，得出各指標對應的權重為0.30，0.19，0.19，0.16，0.16)。

1.3.8 粒徑分布的測定 取0.5 g樣品于100 mL燒杯，用60 mL乙醇做分散劑，置于超聲振蕩均勻分散，然后用BT-9300S型激光粒度分布儀進行測試。

1.3.9 脂肪酸含量測定

(1)樣品處理：分別取0.2 g液體魚油和噴霧冷凍干燥魚油微膠囊樣品于圓底燒瓶中，加入5 mL 氫氧化鈉—甲醇(0.5 mol/L)溶液，均勻振蕩，于65 ℃恒溫水浴鍋中加熱(20～30 min)至完全溶解，取出冷卻至室溫，加入5 mL 三氟化硼—甲醇溶液(15%)，于65 ℃恒溫水浴鍋中進行甲脂化處理(30 min)，取出后冷卻至室溫，加入少量飽和氯化鈉溶液，振蕩搖勻，緩慢加入2 mL正己烷，超聲振蕩10 min，靜置至分層后，取上層(正己烷層)清液，加入適量無水硫酸鈉，靜置，以除去殘留水分，進行GC-MS分析[15]。

(2)氣相色譜條件：載氣為恒定流量為1.0 mL/min的氮氣，DB-5毛細管柱，30 m×0.32 m×0.25 μm；升溫程序：從60 ℃開始(保持2 min)，以30 ℃/min升溫到240 ℃，保持3 min，2 ℃/min升至280 ℃；檢測電壓350 V。

(3)質譜條件：Extractor離子源、發射電流200 μA、電子能量70 eV，進樣口溫度280 ℃。

1.4 數據處理方法

采用DPS(ver.8.05)數據處理軟件對試驗數據進行處理和相關性分析，采用Origin 8.5數據處理軟件進行積分和作圖。

2 結果與分析

2.1 真空壓力對噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的影響

表1顯示了不同真空壓力條件下，噴霧冷凍干燥魚油微膠囊產品的包埋率、含水率、溶解度的結果。當真空壓力為35 Pa時魚油微膠囊制品的包埋率最高，隨后逐漸下降，可能是隨著真空壓力的增大，真空度逐漸變小，減小了壁材包裹魚油的外界壓力，使得包埋效果變差。隨著真空壓力的升高，噴霧冷凍干燥所得魚油微膠囊的含水率呈上升趨勢，可能是隨著真空壓力的增加，魚油微膠囊中的水分在升華過程中擴散效率逐漸變低。所得魚油微膠囊產品的溶解度隨著真空壓力的增大而增大，可能是真空壓力越小，真空度越大，制得的魚油微膠囊顆粒結構更加緊實致密，且含水率也較低，使其溶解度較低。

表1不同真空壓力條件下噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的品質特征?
Table 1Quality characteristics of fish oil microcapsules dried by SFD under different vacuum conditions

真空壓力/Pa包埋率/%含水率/%溶解度/%3089.84±0.02a3.17±0.06b43.77±0.13b3590.03±0.06b3.21±0.03a45.22±0.09a4089.87±0.03a3.40±0.09a52.15±0.09a4589.74±0.02b3.45±0.02b56.04±0.11b5088.95±0.04c3.44±0.02a57.07±0.10a

? 同列字母不同表示差異顯著(P≤0.05)。

為進一步明確真空壓力對噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的影響，對魚油微膠囊品質指標隨真空壓力的變化趨勢進行常用函數的一元非線性回歸擬合，得到各個品質指標隨著真空壓力變化的數學模型：

Y1= 89.922 2-89.922 2×e-[(X+1 826.177 7)÷1 900.810 9]-115.780 2(R2=0.972 7)，

(8)

Y2=1.647 1+0.070 457×X-0.000 686×X2(R2=0.910 7)，

(9)

Y3=3.731 1+1.635 3×X-0.011 086×X2(R2=0.946 1)，

(10)

式中：

X——真空壓力，Pa；

Y1——包埋率，%；

Y2——含水率，%；

Y3——溶解度，%。

由式(8)～(10)可以看出3個品質指標均各自具有一元非線性關系，其中，包埋率遵循韋布爾函數變化規律，其他兩個品質指標均遵循二次函數變化規律。由表2可以看出隨著真空壓力的增大，總干燥耗時隨之增大，其總能耗亦隨之增大，為降低能耗，節約成本，在微膠囊制備過程中應嚴格控制真空壓力。

表2不同真空壓力條件下噴霧冷凍干燥魚油微膠囊干燥能耗?
Table 2Energy consumption of fish oil microcapsules dried by SFD under different air volume

真空壓力/Pa總干燥耗時/h總能耗/(kJ·kg-1)3011.00±0.40b61827.83±520.00a3511.00±0.25c63802.01±760.00b4012.00±0.25a68828.87±640.00a4513.50±0.10b71806.59±570.00a5014.00±0.20a77842.31±950.00c

? 同列字母不同表示差異顯著(P≤0.05)。

2.2 冷風風量對噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的影響

表3顯示了不同冷風風量條件下噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的包埋率、含水率及溶解度的結果。

表3不同冷風風量條件下噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的品質特征?
Table 3Quality characteristics of fish oil microcapsules dried by SFD under different air volume

冷風風量/(m3·min-1)包埋率/%含水率/%溶解度/%4.589.04±0.04b3.47±0.02b56.14±0.08a5.089.43±0.02c3.41±0.03a55.27±0.09b5.589.87±0.03b3.36±0.02a53.15±0.12a6.089.64±0.02b3.26±0.04c52.22±0.07c6.588.65±0.01a3.24±0.02a50.67±0.08b

? 同列字母不同表示差異顯著(P≤0.05)。

由表3可以看出，魚油微膠囊的包埋率隨著冷風風量的增加先上升后下降，在5.5 m3/min時達到最大，為89.87%，較最低值高出1.22%，是因為冷風風量較小或者較大時，冷風與物料的接觸不夠充分，使霧滴分散的不均勻，導致包埋率較低。含水率隨著冷風風量的增大而減小，減小至3.24%，可能是在升華過程相同的情況下，風量越大，魚油微膠囊在霧化形成的瞬間會消耗掉一部分水。溶解度隨著冷風風量的增加逐漸減小，是因為風量較大時，物料較風量小時會更為分散，物料更分散則包埋效果差，產品品質欠佳，不利于溶解，導致溶解度降低。

為進一步明確冷風風量對噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的影響，對魚油微膠囊品質指標隨冷風風量的變化趨勢進行常用函數的一元非線性回歸擬合，得到各個品質指標隨著冷風風量變化的數學模型：

Y1=74.592 0+0.772 600×X-0.009 800×X2(R2=0.924 5)，

(11)

Y2=3.469 9-3.469 9×e-[(X-30.000 0)÷458.820 9]-0.313 387(R2=0.976 0)，

(12)

Y3=65.886 8×Exp(-0.005 228×X)(R2=0.984 4)，

(13)

式中：

X——冷風風量，m3/min；

Y1——包埋率，%；

Y2——含水率，%；

Y3——溶解度，%。

由式(11)～(13)可以看出3個品質指標均各自具有一元非線性關系，其中，包埋率遵循二次函數變化規律，含水率遵循韋布爾函數變化規律，而溶解度遵循指數函數變化規律。表4顯示了不同冷風風量條件下噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的干燥能耗差異，由表4可以看出總干燥耗時隨著冷風風量的增大而減少，其總能耗亦隨之減少，但總體變化不大。

表4不同冷風風量條件下噴霧冷凍干燥魚油微膠囊干燥能耗?
Table 4Energy consumption of fish oil microcapsules dried by SFD under different air volume

冷風風量/(m3·min-1)總干燥耗時/h總能耗/(kJ·kg-1)4.513.00±0.25a67653.55±710.00a5.013.00±0.20a66935.55±450.00a5.512.00±0.50a66383.61±510.00c6.011.50±0.30b66334.51±420.00a6.511.00±0.25b65352.24±360.00b

? 同列字母不同表示差異顯著(P≤0.05)。

2.3 加權綜合評分

對不同干燥條件下噴霧冷凍干燥魚油微膠囊各項指標進行加權綜合評分，得到加權綜合評分值如圖1所示。

由圖1可知，真空壓力的改變對噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的影響較大，隨著真空壓力的增加，魚油微膠囊品質大體呈下降趨勢。隨著冷風風量的增加，雖然縮短了干燥時間，但其產品品質略有下降。當冷風風量為5.5 m3/min，真空壓力為35 Pa時，魚油微膠囊的綜合評分值最高，為0.543 28，說明此條件下制得魚油微膠囊的整體品質最好。

a.5.5 m3/min，30 Pa b.5.5 m3/min，35 Pa c.5.5 m3/min，40 Pa d.5.5 m3/min，45 Pa e.5.5 m3/min，50 Pa f.4.5 m3/min，45 Pa g.5.0 m3/min，45 Pa h.6.0 m3/min，45 Pa i.6.5 m3/min，45 Pa
圖1 不同干燥條件下噴霧冷凍干燥魚油微膠囊加權綜合評分值
Figure 1 Weighted comprehensive score of fish oil microcapsules by SFD under different drying conditions

2.4 噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的粒徑分布

粒徑分布是衡量粉狀制品均勻度重要指標，粒徑分布越集中，說明其粉狀制品的顆粒大小越均勻，在粉狀制品的品質、貯藏等方面有重要意義。圖2為SFD制得魚油微膠囊的粒徑分布圖，由圖2可得，噴霧冷凍干燥制得的魚油微膠囊的粒徑分布較為集中，整體分布在在4.03～324.35 μm，集中分布117.13～200.06 μm，優于路宏波等[8]采用復凝法制備魚油微膠囊的粒徑分布范圍(20～800 μm)。

圖2 噴霧冷凍干燥魚油微膠囊的粒徑分布Figure 2 Particle size distribution of spray freeze dried fish oil microcapsules

2.5 噴霧冷凍干燥魚油微膠囊脂肪酸成分

未經處理的液體魚油及噴霧冷凍干燥魚油微膠囊經過甲酯化處理后進行GC-MS分析，得到如圖3、4所示的總離子流圖。

對比圖3和圖4可知，未處理液體魚油和噴霧冷凍干燥魚油微膠囊經GC-MS分析所得的特征峰基本保持一致，說明魚油經過噴霧冷凍干燥制備成魚油微膠囊后仍保留了魚油中的脂肪酸成分，只是相對含量上發生了變化，未造成脂肪酸種類上的缺失。根據氣相色譜中峰的個數，利用質譜數據庫(NIST05庫)進行檢索，并結合人工解析分析，鑒定出其中的20種脂肪酸成分，其各組分的相對含量通過峰面積的歸一化法進行處理，結果如表5所示。

圖3 未處理液體魚油的氣相色譜總離子流圖Figure 3 Total ion chromatogram of untreated fish oil by gas chromatography

圖4 魚油微膠囊(SFD)的氣相色譜總離子流圖Figure 4 Total ion chromatogram of fish oilmicrocapsules (SFD)by gas chromatography

由表5可以看出，分離出的20種脂肪酸組分中，有7種飽和脂肪酸，主要為棕櫚酸、肉豆蔻酸、十八烷酸和花生酸等，7種單不飽和脂肪酸，主要為十六碳烯酸、十八碳烯酸和油酸等，以及6種多不飽和脂肪酸，主要有二十二碳六烯酸(DHA)、二十碳五烯酸(EPA)、亞油酸、和二十碳三烯酸等。與蔡云平等[16]通過GC-MS分析得到深海魚油中的脂肪酸成分的結果有一定差別，且本研究也未檢測出二十二碳五烯酸(DPA)等，分析原因是因為所采用的魚油原料不同，其所含成分有所差異，但大體相同。

其中經噴霧冷凍干燥制得魚油微膠囊中，飽和脂肪酸的相對含量為24.596%，較未經處理的液體魚油(占29.112%)少了4.516%，單不飽和脂肪酸的相對含量為36.355%，比魚油被包埋前(占32.553%)高了3.802%，多不飽和脂肪酸的相對含量由魚油被包埋前的38.335%增加到39.049%，高出0.714%，說明魚油被包埋后飽和脂肪酸的相對含量減小，同時不飽和酸的相對含量增加，其中單不飽和酸尤為明顯。處理前后的飽和脂肪酸，單不飽和脂肪酸，多不飽和脂肪酸的總相對含量與張立堅等[17]的研究不同魚油的脂肪酸成分分析結果保持一致。

表5液體魚油及魚油微膠囊甲酯化GC-MS分析組成成分比較
Table 5Comparison of untreated fish oil and fish oil microcapsules(SFD)methyl esterification by GC-MS analysis

化合物名稱保留時間/min相對含量/%液體魚油魚油微膠囊(SFD)肉豆蔻酸7.3631.318±0.3200.844±0.011十五烷酸7.8160.262±0.0060.254±0.002十六碳烯酸8.2325.953±0.0355.397±0.056棕櫚酸8.33121.168±0.51317.291±0.434十一烷酸8.6800.243±0.0110.220±0.008十七烷酸8.9090.462±0.0130.395±0.010二十碳三烯酸9.3042.866±0.1212.776±0.097十八碳烯酸9.45518.138±0.68217.967±0.631油酸9.5065.552±0.7916.056±0.680十八烷酸9.6125.016±0.4124.973±0.394亞油酸10.3040.235±0.0140.353±0.011二十碳四烯酸10.8190.643±0.0380.487±0.042十八碳四烯酸10.90822.628±0.85622.467±0.882(11-)十六碳烯酸13.6981.165±0.0015.397±0.009花生酸11.4550.643±0.0310.619±0.027二十二碳六烯酸(DHA)13.10010.499±0.25311.465±0.281二十碳五烯酸(EPA)10.9081.464±0.0031.501±0.000二十碳烯酸13.6880.234±0.0100.217±0.007十五碳烯酸13.8750.873±0.0600.744±0.071十七碳烯酸13.8650.638±0.0080.577±0.011

噴霧冷凍干燥魚油微膠囊和未經處理的液體魚油中脂肪酸成分除了十六碳烯酸在SFD樣品中檢出為11-十六碳烯酸外，其他成分無變化，其中二十二碳六烯酸(DHA)、二十碳五烯酸(EPA)分別增加了0.966%和0.037%，十六碳烯酸、亞油酸和油酸的相對含量亦有所增加，棕櫚酸、肉豆蔻酸和花生酸等的相對含量有所下降。分析其原因可能是在魚油微膠囊制備的前處理階段，需乳化升溫，而后噴霧冷凍干燥是一個真空條件下瞬時高壓冷凍的過程，保留時間短，物料受溫度變化的影響，部分溫度不均勻，且受到瞬間高壓的沖擊，使得部分脂肪酸的化學鍵發生斷裂并重組，從而導致脂肪酸成分間相對含量發生變化。

3 結論

以包埋率、含水率、溶解度、總干燥時間和總干燥能耗為評價指標，對噴霧冷凍干燥過程中的真空壓力和冷風風量運用加權綜合評分法確定噴霧冷凍干燥的較優參數，得出真空壓力為35 Pa和冷風風量為5.5 m3/min時制得的魚油微膠囊產品質量最佳。通過對魚油微膠囊粒徑分布的研究，發現其粒徑分布較為集中，集中分布于117.13～200.06 μm，整體品質較優。對比魚油經噴霧冷凍干燥包埋前后的脂肪酸成分及相對含量分析，得出包埋前后含有的脂肪酸成分未發生較大變化，且其不飽和脂肪酸的含量有所增長，其中二十二碳六烯酸(DHA)、二十碳五烯酸(EPA)分別增加了0.966%和0.037%，說明噴霧冷凍干燥制備魚油微膠囊能夠很好地防止脂肪酸的流失，且提高了有益物質的相對含量。因而噴霧冷凍干燥制備魚油微膠囊能夠產出高品質的魚油微膠囊，在魚油的加工、貯藏及運輸等方面具有積極意義。