沙棘籽油微膠囊化的乳化工藝

劉鑫，朱丹，牛廣財(cái)*，魏文毅，楊楠，曹榮安

1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院（大慶 163319）；2. 沈陽(yáng)市食品藥品檢驗(yàn)所（沈陽(yáng) 110000）3. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院（大慶 163319）

沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）為胡頹子科沙棘屬的灌木，又名醋柳、酸刺子。沙棘籽為沙棘加工果汁后的副產(chǎn)物。沙棘籽油中不飽和脂肪酸高達(dá)74.16%～90.7%，具有高含量的亞油酸與亞麻酸[1-2]。沙棘籽油具有增強(qiáng)人體免疫力，抗炎、抗氧化、預(yù)防心腦血管疾病以及美容護(hù)膚等療效[3-5]。但是，高含量的不飽和脂肪酸對(duì)氧、光照、高溫等環(huán)境敏感，容易發(fā)生氧化，不利于儲(chǔ)藏[6]。目前，可通過(guò)加入天然或人工合成抗氧化劑及制備微膠囊來(lái)延緩油脂的氧化。

微膠囊技術(shù)是在一定的條件下，通過(guò)特定的壁材（天然或者合成的高分子材料）將芯材（固體、液體或者氣體）包裹形成一種微型膠囊，從而達(dá)到保護(hù)或者控制芯材釋放的技術(shù)[7]。這種技術(shù)能夠減少外界環(huán)境例如空氣和光照等對(duì)芯材化學(xué)性質(zhì)帶來(lái)的改變，也能掩蔽芯材的不良味道和色澤，以實(shí)現(xiàn)便于運(yùn)輸、保存和更好應(yīng)用的目的[8]。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功地對(duì)山蒼子油、魚(yú)油、堅(jiān)果油、亞麻籽油、燕麥胚芽油等油脂的微膠囊化工藝進(jìn)行了優(yōu)化[9-10]，其中，噴霧干燥法是最常用的一種微膠囊制備方法。但是，在噴霧干燥之前一般要用乳化劑將油脂乳化制成穩(wěn)定的乳化液，制備良好穩(wěn)定性的乳化液體系是成功制作微膠囊產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)[11]，即乳化工藝條件對(duì)壁材在微膠囊過(guò)程中達(dá)到最好的包埋性能十分重要。由于乳化液液滴粒徑大小和分布是反映乳化液穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，因此，試驗(yàn)選用乳液粒徑大小及分布作為沙棘籽油微膠囊化乳化工藝效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

迄今為止，尚未見(jiàn)關(guān)于沙棘籽油乳化的研究報(bào)道，試驗(yàn)選用山崳酸甘油酯為乳化劑，大豆分離蛋白和β-環(huán)糊精為壁材，以乳液粒徑大小及分布為評(píng)價(jià)指標(biāo)，制備沙棘籽油乳化液，為進(jìn)一步將乳液噴霧干燥制得沙棘籽油微膠囊提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

沙棘籽：采于黑龍江九三農(nóng)場(chǎng)的深秋紅大果沙棘，制汁后干燥的沙棘籽。

大豆分離蛋白，鄭州谷神生物科技集團(tuán)有限公司；β-環(huán)狀糊精，上海藍(lán)季生物；蔗糖酯，杭州金鶴來(lái)食品添加劑有限公司；山崳酸甘油酯，廣州天潤(rùn)藥業(yè)；乙醇為分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

SHZ-DⅢ型真空泵，攻義市予華儀器有限責(zé)任公司；RE-2000B旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；XH-300A型超聲波-微波協(xié)同萃取儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；HWS24型電熱恒溫水浴鍋，上海一恒科技有限公司；SONICSVCX150型超聲波細(xì)胞破碎儀，美國(guó)SONICS公司；DF-1集熱式攪拌器，金壇虹盛儀器廠；高壓均質(zhì)機(jī)，GEA高壓均質(zhì)機(jī)，意大利Niro Soavi公司；101-2AB電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；AR2140電子天平，奧豪斯國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司；激光粒度分布儀，丹東市百特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 沙棘籽油的制備

沙棘籽粉碎經(jīng)60目篩過(guò)濾后，取沙棘籽粉末加入萃取溶劑正己烷，將其置于超聲波-微波協(xié)同萃取儀中，經(jīng)超聲波-微波協(xié)同作用萃取得到沙棘籽油，其不飽和脂肪酸含量為88.93%，其中，亞油酸占39.60%，亞麻酸占32.60%。

1.3.2 沙棘籽油乳化液的制備

采用同時(shí)乳化法分別制備油相與水相，選取β-環(huán)糊精與大豆分離蛋白作為微膠囊壁材，按照一定質(zhì)量配比加入到水相中，并在水相中加入1.5%蔗糖酯作為表面活性劑。將水相置于70 ℃的集熱式恒溫?cái)嚢杵髦屑訜崾蛊渫耆芙猓粚⒆鳛槿榛瘎┑纳綅Ｋ岣视王ズ陀拖嗌臣延椭糜谄降谉恐校⒓尤?%的無(wú)水乙醇便于油脂的溶解，將平底燒瓶置于集熱式恒溫?cái)嚢杵髦校B接空氣冷凝管，在70 ℃條件下加熱溶解10 min使油相完全溶解。保持油相高速攪拌的條件下快速加入同溫的水相后繼續(xù)乳化10 min。所制備的初乳液經(jīng)超聲波細(xì)胞破碎儀的超聲作用，使得油脂進(jìn)一步分散于水相中，然后經(jīng)40 MPa的高壓均質(zhì)3次得到穩(wěn)定的沙棘籽油乳狀液。

1.3.3 單因素試驗(yàn)

在山崳酸甘油酯添加量為2%，固形物含量為10%，芯材添加量為40%的條件下，考察大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精在1∶1，1∶2，1∶3，1∶4和1∶5等不同的配比條件下，對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑大小的影響。

在山崳酸甘油酯添加量為2%，固形物含量為10%，大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比為1∶3的條件下，考察芯材添加量（表示占乳化液總干物質(zhì)的比重）分別為10%，20%，30%，40%和50%時(shí)，對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑大小的影響。

在固形物含量為10%，芯材添加量為40%，大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精在1∶3配比的條件下，考察山崳酸甘油酯添加量分別為1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%時(shí)，對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑大小的影響。

在乳化劑添加量為2%，芯材添加量為40%，大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精在1∶3配比的條件下，考察固形物含量分別為8%，10%，12%，14%和16%時(shí)，對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑大小的影響。

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取沙棘籽油乳化液粒徑的大小作為響應(yīng)值，A大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比、B芯材添加量、C乳化劑添加量及D總固形物含量作為考察因素，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)對(duì)沙棘籽油微膠囊化的乳化工藝進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，因素水平如表1所示。

1.4 乳液粒徑的測(cè)定

乳化液的粒徑采用激光粒徑分布儀進(jìn)行測(cè)定，介質(zhì)為蒸餾水，顆粒折射率為1.520，介質(zhì)折射率為1.333，分析模式為通用。采用體積平均直徑D4,3表征乳化液顆粒大小[12]，將樣品均質(zhì)后立即測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)組均重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果采用Microsoft Excel 2013軟件計(jì)算平均值與標(biāo)準(zhǔn)差并進(jìn)行制圖。

表1 因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑的影響

如圖1所示，隨著β-環(huán)糊精含量的增加，乳化液粒徑呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。大豆分離蛋白含量的減少有助于乳化液穩(wěn)定性增加，其原因可能是大豆分離蛋白溶液本身在遭遇pH降低、溫度升高等外界環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其溶解性的降低，影響乳化液的穩(wěn)定性[13]。而作為“內(nèi)疏水、外親水”分子結(jié)構(gòu)的β-環(huán)糊精，不僅有助于油脂的包埋，還可以增強(qiáng)大豆分離蛋白的溶解性及乳化液的乳化性[14]。因此，確定大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精的最適配比為1∶3。

圖1 大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比對(duì)乳化液粒徑的影響

2.2 芯材添加量對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑的影響

由圖2可知，隨著芯材添加量的不斷增加，乳化液粒徑呈現(xiàn)先減小而后增加的現(xiàn)象。當(dāng)壁材用量過(guò)多時(shí)，導(dǎo)致乳化液粒徑增加的原因可能是此時(shí)體系黏度過(guò)大，進(jìn)而影響了乳化液的穩(wěn)定性[15]。當(dāng)芯材添加量為40%時(shí)，乳化液粒徑達(dá)到最小；而芯材油相濃度繼續(xù)增加時(shí)，由于其顆粒過(guò)于密集，乳化液粒徑呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。所以，確定芯材的最適添加量為40%。

2.3 乳化劑添加量對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑的影響

山崳酸甘油酯是一種極長(zhǎng)碳鏈的脂肪酸，其形態(tài)結(jié)構(gòu)可更多容納油脂，作為油脂的載體具有較好的相容性和包封的效果，是一種理想的油脂乳化劑。由圖3可知，隨著乳化劑添加量的增加，體系的界面張力不斷減小，使得乳化液的粒徑不斷減小，在乳化劑添加量為1.5%時(shí)乳化液穩(wěn)定性最高，粒徑達(dá)到最小；當(dāng)乳化劑添加量繼續(xù)增加，體系表面張力繼續(xù)減小，形成更小的小液滴，但同時(shí)其碰撞合并的幾率增大，且乳化劑添加量的增加會(huì)導(dǎo)致體系黏度的增加，故而引起乳化液粒徑的變大[16]。因此，乳化劑山崳酸甘油酯最適添加量為1.5%。

圖2 芯材添加量對(duì)乳化液粒徑的影響

圖3 乳化劑添加量對(duì)乳化液粒徑的影響

2.4 總固形物含量對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑的影響

由圖4可知，隨著總固形物含量的增加，乳化液粒徑不斷增加，可能原因是體系濃度上升，液滴顆粒密集，顆粒的聚集使得粒徑不斷上升[17]；且總固形物的含量對(duì)體系黏度具有較大的影響，也可能是過(guò)高的黏度導(dǎo)致了乳化液粒徑的增加，噴霧干燥法在將乳化液制備成微膠囊的過(guò)程中，乳化液黏度對(duì)噴霧干燥收集效率影響較大，總固形物含量較低時(shí)乳化液中水分含量較大，液滴的水分不能及時(shí)蒸發(fā)而不利于微膠囊致密外膜的形成，適當(dāng)增加總固形物的含量，會(huì)增加微膠囊的收集效率[15]，因此，乳化液最適合的總固形物含量為10%。

2.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取沙棘籽油乳化液粒徑的大小作為響應(yīng)值，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)對(duì)沙棘籽油微膠囊化的乳化工藝進(jìn)行四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。選取大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比、芯材添加量、乳化劑山崳酸甘油酯添加量及總固形物含量作為考察因素。Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖4 總固形物含量對(duì)乳化液粒徑的影響

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，得到回歸擬合方程為：Y=0.78-0.032A-0.23B-0.11C+0.067D+0.18AB-0.065AC-0.045AD+0.12BC+0.025BD+0.15CD+0.17A2+0.16B2+0.13C2+0.2D2。

該模型極顯著（p＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（p=0.181 5），回歸系數(shù)R2=0.953 2，表明模型相關(guān)度好，即回歸模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值能較好地吻合。

由表3該模型的方差分析結(jié)果可知，模型中一次項(xiàng)B、C、D影響均極其顯著（p＜0.01），且對(duì)沙棘籽油乳化液粒徑大小的影響順序?yàn)橐蛩谺＞C＞D；交互項(xiàng)AB、BC、CD的影響極顯著（p＜0.01）；A2、B2、C2、D2影響極顯著（p＜0.01）。響應(yīng)面與等高線圖如圖5～圖7所示。

表3 回歸方程的方差分析表

圖5 芯材添加量與大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

圖6 乳化劑添加量與芯材添加量的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

圖7 總固形物含量與乳化劑添加量的響應(yīng)曲面圖和等高線圖

2.6 驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件分析后，確定沙棘籽油微膠囊化的最優(yōu)乳化工藝?yán)碚撝禐椋捍蠖狗蛛x蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比為1∶2.85，芯材添加量為43%，乳化劑添加量1.77%，總固形物含量為9.89%。此條件下乳化液的體積平均直徑D4,3為0.721 μm。考慮實(shí)際操作條件的方便，將最優(yōu)乳化工藝調(diào)整為：大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比為1∶3，芯材添加量為43%，乳化劑添加量1.8%，總固形物含量為10%，經(jīng)3次驗(yàn)證試驗(yàn)，得到沙棘籽油微膠囊乳化液的體積平均直徑D4,3的平均值為0.722 μm。實(shí)際值與模型預(yù)測(cè)值相近，該模型對(duì)沙棘籽油微膠囊乳化液體積平均直徑的預(yù)測(cè)合理。驗(yàn)證試驗(yàn)條件下所得乳化液粒度頻率分布曲線如圖8所示，在最優(yōu)條件下，沙棘籽油乳化液的中位徑D50為0.415 μm，D90為1.388 μm，D4,3為0.722 μm。

圖8 驗(yàn)證試驗(yàn)條件下所得乳化液粒度頻率分布曲線

3 結(jié)論

經(jīng)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)確定沙棘籽油乳化液的工藝條件為：大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精質(zhì)量比為1∶3，芯材添加量為43%，乳化劑添加量1.8%，總固形物含量為10%，此時(shí)沙棘籽油微膠囊乳化液穩(wěn)定性最好，經(jīng)超聲的分散及40 MPa高壓均質(zhì)作用后其乳化液的體積平均直徑D4,3為0.722 μ m，中位徑D50為0.415 μ m，D90為1.388 μm，該工藝所制備的乳化液粒徑較小且大小較為均一。