榛子油的微膠囊化工藝優化

楊春瑜,車 丹,盧彥岑,梁佳鈺,王 瑩,柳雙雙,王雨晴

(1.哈爾濱商業大學食品工程學院,食品科學與工程省重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076;2.墨爾本大學環境工程學院,澳大利亞墨爾本 3000)

榛子營養豐富,被譽為堅果之王,在世界范圍內被廣泛食用[1]。其果仁含油率達60%,具有明目強體,滋氣養血的功效[2]。從榛仁中提取的榛子油色清味香,不飽和脂肪酸含量高達90%以上,長期食用能夠軟化血管,預防心腦血管疾病,延年益壽,是一種高級食用油[3]。榛子油的儲存穩定性較差,極易發生氧化,導致酸敗和變質,影響榛子油的貯藏和應用[4]。微膠囊化可以使榛子油從液態變為固體粉末,能夠長時間的保護榛子油的質量,從而使其性能穩定,貯藏方便[5]。

國內的李延輝[6]采用噴霧干燥法制備榛仁油微膠囊,通過此法制得的榛仁油微膠囊為乳白色粉末,具有一定的流動性;加拿大的Fatih Kalkan等[7]同樣采用噴霧干燥法制備了榛子油微膠囊,研究進風溫度對微膠囊包埋率的影響,結果表明,包埋率隨著進風溫度的升高明顯增加。目前國內外對榛子油微膠囊化的研究報道還很少,且都是采用噴霧干燥的方式,比較單一,本研究采用乳液聚合法結合冷凍干燥方式將榛子油微膠囊化,旨在為榛子油的進一步研究開發提供參考及支持。

微膠囊化的方法多種多樣,其中乳液聚合法的原理是將芯材溶解到含有乳化劑的壁材溶液中,再通過攪拌使溶液分散形成穩定的乳化液,經過加熱從而形成微膠囊[8]。此種方法的優點是操作簡單,條件溫和,避免出現局部溫度過高,能夠使芯壁材混合均勻,通常用來制備液態芯材微膠囊[9]。本文采用乳液聚合法以殼聚糖和β-環糊精作為復合壁材包埋榛子油,其中殼聚糖作為壁材具有成膜性好,可生物降解等優點[10];β-環糊精耐熱、耐酸、耐堿、不易受酶分解,可包埋油性物質,提高穩定性[11],再經單因素和響應曲面法對工藝進行優化,從而確定最佳工藝條件,以期增加榛子油的抗氧化效果,使其達到較好的包埋效果。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

榛子油 采用超臨界CO2萃取技術通過實驗室制得;殼聚糖 純度99%,食品級,河南祥瑞食品添加有限公司;β-環糊精 純度99%,食品級,河南金潤食品添加劑有限公司;亞麻籽膠 食品級,河南方大食品添加劑有限公司;石油醚 沸程30～60 ℃,分析純,天津市富宇精細化工有限公司。

FA224型電子天平 上海舜宇恒平儀器有限公司;DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 河南予華儀器有限公司;IKAT18Digital數顯型分散機 艾卡儀器設備有限公司;FD-18型冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司;HH-S4數顯恒溫水浴鍋 鞏義市予華儀器有限責任公司;KQ100DB型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司;Cyro-Sem pp3010T冷凍制樣系統 北京生物科技有限公司;SU8010掃描電鏡 青島澳信儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 榛子油微膠囊化工藝 采用乳液聚合法制備榛子油微膠囊,以一定質量比的殼聚糖和β-環糊精為復合壁材,加50 mL水配置成一定固形物含量的壁材溶液,稱取一定質量的榛子油,緩慢滴加至已經溶解的壁材溶液中,加入一定質量的乳化劑亞麻籽膠,在一定的乳化溫度下用磁力攪拌器勻速攪拌30 min,形成乳狀液,利用分散機充分均質,分散機轉速10000 r/min均質3 min,使乳狀液穩定,再經冷凍干燥得榛子油微膠囊,測定包埋率。

1.2.2 影響榛子油微膠囊制備的單因素實驗 分別對復合壁材比、固形物含量、乳化溫度、壁芯材比例及乳化劑的添加量等5個因素進行單因素實驗,以包埋率為評價指標,確定最佳工藝條件。

1.2.2.1 復合壁材比例對包埋率的影響 以殼聚糖和β-環糊精為復合壁材,配置固形物含量為25%的壁材溶液,選取殼聚糖與β-環糊精的質量比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3,按壁芯材比例2∶1加入榛子油,乳化劑亞麻籽膠的添加量為0.35%,乳化溫度為60 ℃,考察復合壁材比對包埋率的影響。

1.2.2.2 固形物的含量對包埋率的影響 分別按殼聚糖與β-環糊精為1∶1的壁材比配置固形物含量分別為10%、15%、20%、25%、30%的壁材溶液,按壁芯比2∶1加入榛子油,乳化劑添加量為0.35%,乳化溫度60 ℃,考察固形物含量對包埋率的影響。

1.2.2.3 乳化溫度對包埋率的影響 分別按殼聚糖與β-環糊精為1∶1的壁材比配置固形物含量為25%的壁材溶液,按壁芯比2∶1加入榛子油,乳化劑添加量為0.35%,乳化溫度分別設置為45、50、55、60、65 ℃,考察乳化溫度對包埋率的影響。

1.2.2.4 壁芯材比例對包埋率的影響 分別按殼聚糖與β-環糊精為1∶1的壁材比配置固形物含量為25%的壁材溶液,選擇壁芯材質量比分別為5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1加入榛子油,乳化劑添加量為0.35%,乳化溫度60 ℃,考察壁芯材比對包埋率的影響。

1.2.2.5 乳化劑含量對包埋率的影響 分別按殼聚糖與β-環糊精為1∶1的壁材比配置固形物含量為25%的壁材溶液,按壁芯比2∶1加入榛子油,添加的乳化劑含量分別為0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%,乳化溫度60 ℃,考察乳化劑的含量對包埋率的影響。

1.2.3 響應面法優化榛子油微膠囊的制備 結合單因素的試驗結果,分別以固形物含量、乳化溫度、壁芯比、乳化劑的含量等幾個對包埋率影響比較大的因素為變量,以包埋率為響應值,根據Box-Beknhen實驗設計四因素三水平的響應面分析實驗,實驗設計與水平編碼表見表1。

表1 響應面優化實驗因素水平表

1.2.4 榛子油微膠囊包埋率的測定 微膠囊表面油含量的測定[12]:稱取2 g(精確到0.0001 g)微膠囊樣品于干凈的燒杯中,加入20 mL石油醚,振蕩3 min,用濾紙過濾,重復三次,最后用10 mL石油醚洗滌濾紙,將濾液合并轉移至已知質量的錐形瓶(M1)中,將錐形瓶置于70 ℃水浴鍋中,待濾液蒸干,60 ℃烘箱干燥至恒重(M2)。

式中:M1為錐形瓶質量,g;M2為錐形瓶與油脂總質量,g;M3為稱取的樣品質量,g。

微膠囊總油含量的測定[13]:將微膠囊粉碎并稱取2 g(精確到0.0001 g)于干凈的錐形瓶中,加入60 mL石油醚,加塞搖勻,置于超聲波清洗器中,溫度50 ℃,功率60 W,超聲15 min,過濾到已知質量的錐形瓶(M4)中,將錐形瓶置于70 ℃水浴鍋中蒸干濾液,60 ℃烘箱烘干至恒重(M5)。

式中:M4為錐形瓶質量,g;M5為錐形瓶與油脂總質量,g;M6為稱取的樣品質量,g。

1.2.5 榛子油微膠囊掃描電鏡微觀結構觀察 使用Cyro-Sem pp3010T冷凍掃描電鏡設備對榛子油微膠囊進行觀察。將1滴乳液置于空心圓柱形載樣臺上,隨后放入液氮中進行預凍,將樣品轉入cryo-SEM的樣品準備單元,使用刀片橫切樣品,并在-90 ℃下升華15 min后噴金,最后將樣品插入裝有冷凍模塊的SEM掃描電鏡觀察腔內進行觀察[14]。

1.3 數據處理

以上各單因素實驗均重復三次,采用Microsoft Excel 2007及Design-Expert8.0.6作圖,采用Design-Expert 8.0.6進行數據分析。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 復合壁材比例對包埋率的影響 由圖1可知:榛子油微膠囊的包埋率隨著復合壁材中β-環糊精添加量的增加而緩慢增大,當β-環糊精的添加量是殼聚糖的2倍時,包埋率最大,隨后又開始下降。這是因為殼聚糖與β-環糊精的質量比較大時,溶液粘度較大,導致榛子油與壁材混合不均勻,包埋率低,而當β-環糊精的添加量過多時,溶液粘度減小,形成的乳化液不穩定,微膠囊包埋效果不好[15],因此當殼聚糖與β-環糊精的質量比為1∶2時,包埋效果最好。

圖1 殼聚糖與β-環糊精的質量比對包埋率的影響

2.1.2 固形物的含量對包埋率的影響 由圖2可知:榛子油微膠囊的包埋率隨著固形物含量的增加,先增大后有所下降,在固形物含量為25%時包埋率最大,這是因為當固形物含量較低時,乳化液粘度低,形成的微膠囊壁材較薄,包埋率低,當固形物含量大于25%時,乳化液粘度太大,導致乳化不充分,包埋率下降[16],因此固形物含量為25%時,包埋效果最好。

圖2 固形物含量對包埋率的影響

2.1.3 乳化溫度對包埋率的影響 由圖3可知,榛子油微膠囊的包埋率隨著乳化溫度的升高先增大后減小,當溫度達到60 ℃時包埋率最高,這是因為溫度升高有利于壁材充分溶解,包埋率隨之增加,但是當溫度過高時會破壞乳化液的穩定性,芯壁材不能充分結合,包埋率下降[17],因此乳化溫度為60 ℃時,包埋效果最好。

圖3 乳化溫度對包埋率的影響

2.1.4 壁芯比對包埋率的影響 由圖4可知,榛子油微膠囊的包埋率隨著壁芯比的增加先增大隨后開始減小,壁芯比為2∶1時包埋率最高,這是因為壁材含量較多,乳化液粘度大,形成的微膠囊囊壁厚,芯壁材混合不均勻,包埋率低,而芯材增加,壁材不能全部包埋,也會導致芯材損失,從而降低包埋率[18],因此當壁芯比為2∶1時,包埋效果最好。

圖4 壁芯比對包埋率的影響

2.1.5 乳化劑添加量對包埋率的影響 由圖5可知:在乳化劑含量小于0.35%時,榛子油微膠囊的包埋率隨著乳化劑含量的增加,包埋率迅速增大,但當乳化劑含量大于0.35%時,包埋率又發生明顯的下降,這是適量的乳化劑能夠增加乳化液的粘度,使壁芯材充分結合,而乳化劑含量過高則會導致乳化液粘度過高,不利于均質,從而導致包埋率減小[19],因此乳化劑含量為0.35%時達到最佳包埋效果。

圖5 乳化劑含量對包埋率的影響

2.2 響應面實驗結果

2.2.1 響應面實驗設計及結果 在單因素實驗的基礎上,分別以固形物含量A、乳化溫度B、壁芯比C、乳化劑含量D為考察因素做響應面分析實驗(由于包埋率隨著β-環糊精的增多,差異不大,因此本文不選擇該因素),取29個試驗點,其中5個中心點,24個分析因子,實驗設計及結果見表2:

表2 響應面實驗設計方案及結果

2.2.2 模型建立與數據分析 根據表2的實驗結果,利用Design-Expert8.0.6軟件對數據進行擬合分析,得到回歸方程為:

Y=73.05+0.28A+1.07B+0.93C-3.15D+6.30AB+0.51AC+2.20AD+0.017BC+0.90BD-0.59CD-5.83A2-8.25B2-8.44C2-11.72D2,并對數據進行整理,方差分析結果見表3:

表3 方差分析

由表3可知:各因素對榛子油包埋率的影響由大到小依次為:D>B>C>A,即:乳化劑含量>乳化溫度>壁芯比>固形物含量。對回歸模型的方差分析可知:模型中P<0.01,回歸極顯著,失擬項P值為0.1184>0.05,不顯著,決定系數R2=0.9644,說明該模型與實驗擬合較好,可以用來對榛子油微膠囊化的包埋率進行預測。模型中AB、A2、B2、C2、D2對包埋率的影響都極顯著(P<0.01),一次項D對包埋率影響顯著(P<0.05),由此可見,各因素對響應值的影響并不是簡單的線性關系,具有交互作用。

2.2.3 響應面分析及優化 為了更直觀的反映固形物的含量、乳化溫度、壁芯比、乳化劑的含量等四因素的交互作用對響應值包埋率的影響,通過Design-Expert 8.0.6進行軟件分析,得到了各因素交互作用的等高線圖及響應面圖,見圖6:

圖6 兩因素交互作用對包埋率影響響應面圖

由圖6可知,等高線接近橢圓形,表示兩個變量之間的交互作用對榛子油的包埋率具有顯著影響,如果等高線接近圓形,表明兩因素之間的交互作用較弱,如果一個坡度陡峭,證明該因素對響應值的影響較大,反之,坡度平緩,代表影響不顯著[20-24]。其中圖6a等高線是橢圓形,包埋率隨著固形物含量與乳化溫度的增加先升高后降低,證明固形物含量和乳化溫度交互作用顯著,圖6c中等高線接近圓形,固形物含量與壁芯比交互作用不顯著;圖6f、6j、6l中從響應曲面的陡峭程度來看,包埋率隨乳化劑含量的變化坡度較陡,說明乳化劑D含量對包埋率的影響最大,但與其他因素交互作用不顯著;由圖6g、6h可以看出等高線接近圓形,響應面坡度平緩,說明乳化溫度與壁芯比的交互作用對包埋率的影響最小。

2.2.4 驗證試驗 通過響應面分析,得到利用殼聚糖和β-環糊精包埋榛子油的最佳工藝條件是:固形物含量25.21%,乳化溫度60.37 ℃,壁芯比為2.06∶1,乳化劑含量為0.34%,此時榛子油微膠囊的包埋率為73.33%。為了實際操作的便捷,將榛子油微膠囊的最佳工藝參數調整為固形物含量25%,乳化溫度60 ℃,壁芯比為2∶1,乳化劑含量0.34%,以此為依據進行三次平行實驗,最終測得的榛子油的包埋率為72.89%±0.58%,與理論數值相差0.6%,驗證值與理論值較為接近,由此證明用響應面法優化得到的榛子油微膠囊的最佳工藝條件是可行的。

2.3 榛子油微膠囊cyro-SEM觀察結果

榛子油微膠囊的cyro-SEM圖片見圖7:

圖7 榛子油微膠囊cyro-SEM圖片

由圖7所示:微膠囊的顆粒直徑范圍在0.1～1000 μm[25],圖片為放大8000倍的榛子油微膠囊的表面結構,由此可以看出通過乳液聚合法制得的榛子油微膠囊直徑在5 μm以內,形狀呈規則的圓球形,囊壁比較完整,沒有裂痕出現,說明芯材已經被壁材包裹在里面。

3 結論

殼聚糖和β-環糊精成膜性和穩定性較好,以二者為復合壁材,采用乳液聚合法制備榛子油微膠囊,經響應面進行優化,結果顯示:當固形物的質量分數為25%,乳化溫度為60 ℃,壁芯材比例為2∶1,乳化劑含量為0.34%時,所制得的微膠囊包埋率為72.89%±0.58%,微膠囊產品直徑在5 μm以內,形狀近似規則的球形,芯材包裹完整,說明此方法達到了較好的包埋效果,擴大了榛子油的應用范圍,為高級食用油的開發和利用提供了理論依據。