不同干燥技術對牡丹籽油微膠囊品質的影響

張玉，羅婧文，馬燕卿，曾凡坤*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400700) 2(食品科學與工程國家實驗教學示范中心(西南大學)，重慶，400700)

牡丹籽油是極具營養和醫藥價值的新型食用植物油，富含多種功能性物質與不飽和脂肪酸。不飽和脂肪酸含量高達82.81%～92.23%，亞麻酸含量最高，占32.72%～67.13%，遠高于其他植物油，如橄欖油0.3%、葵花籽油4.5%、大豆油6.7%和菜籽油8.4%，具有增強免疫力、防癌、抗氧化和延緩衰老等功效[1-3]。植物油不飽和脂肪酸含量越高，越容易氧化酸敗。現階段牡丹籽油產業普遍使用的抗氧化方法是添加抗氧化劑，有一定的安全風險[3]。

采用微膠囊技術可將油脂密封在壁材內，通過控制油脂釋放，減弱加工及儲存環境中氧氣、光照等對油脂品質的影響，增強油脂氧化穩定性的同時拓寬其適用范圍[4-5]。微膠囊技術已應用于多種食用油，如花生油、大豆油和魚油。石燕等[6]采用噴霧干燥法制備4種不同壁材配比的月見草油微膠囊產品，結果表明，以變性淀粉復合麥芽糊精為壁材制備的微膠囊乳狀液穩定性最好，微膠囊產品包埋率較高且粒徑均勻。葉繁等[7]以殼聚糖為壁材，采用噴霧干燥技術和冷凍干燥技術制備金槍魚油微膠囊，噴干魚油微膠囊和凍干魚油微膠囊的包埋率分別為77.26%和63.86%，后者脂肪酸損失更小，且對魚油不良風味的掩蓋效果更好。

目前對牡丹籽油微膠囊的研究集中于壁材篩選及制備工藝優化。微膠囊的干燥工藝對產品品質影響巨大，但不同干燥工藝對牡丹籽油微膠囊產品的理化性質、結構及產品特性的影響尚無研究[7]。本文研究了噴霧干燥和真空冷凍干燥對牡丹籽油微膠囊品質的影響，為牡丹籽油作為高端食用油開發新產品及產業發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油用牡丹籽，菏澤油用牡丹產業基地；KBr(光譜純)、阿拉伯膠、吐溫-80，成都市科隆化學品有限公司；乙醚，揚州三和化工有限公司；麥芽糊精，北京索萊寶科技有限公司；大豆分離蛋白，上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

GS-P2000S噴霧干燥機，上海顧信生物科技有限公司；LGJ-10冷凍干燥機，北京松源華興科技發展有限公司；85-2A磁力攪拌器，金壇市科析儀器有限公司；LTP200榨油機，東莞市和誠電器科技有限公司；TGL-16G離心機，上海安亭科學儀器廠；Scientz超高壓均質機，寧波新芝生物科技股份有限公司；ZEN3690馬爾文激光粒度儀，英國馬爾文儀器公司；Spectrum100紅外光譜儀、DSC 4000差示掃描量熱儀，美國Perkin Elmer公司；掃描電鏡，荷蘭Phenom World公司；Phenom Pro壓片機，上海山岳科學儀器有限公司；TGA550熱重分析儀，美國TA公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 微膠囊的制備

參考劉成祥[8]的辦法，略作修改。將質量分數3.6%的大豆分離蛋白、7.2%的麥芽糊精和3.6%的阿拉伯膠溶解于60 ℃的蒸餾水中，攪拌5 min，加入1%的乳化劑(吐溫-80)、芯材[m(芯材)∶m(壁材)=1∶2]，溶解后繼續攪拌5 min，均質3次。噴霧干燥進風口溫度170 ℃，流速為5%。

冷凍干燥：參考江連洲等[9]方法，將所得乳液立即裝入一次性培養皿中，乳液厚度≤1 cm，放入-80 ℃冰箱中預冷24 h后放入真空冷凍干燥機內，在冷阱溫度-60 ℃、樣品溫度-30 ℃條件下真空冷凍干燥24 h。

1.3.2 水分含量的測定

水分含量按照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》進行測定。

1.3.3 溶解度的測定

準確稱取5.0 g(精確到0.000 1 g)樣品，用40 mL蒸餾水將樣品溶解，離心10 min，離心得沉淀，重復溶解、離心操作得二次沉淀，用少量蒸餾水轉移至稱量皿，105 ℃烘干至質量恒定。溶解度按公式(1)計算：

(1)

式中：S,溶解度,%；m,樣品質量,g；m1,稱量皿質量,g；m2,稱量皿和不溶物質量,g；B,樣品含水率,%。

1.3.4 包埋率的測定

總油的測定：參考葛雙雙等[10]的辦法，略作修改。準確稱取3.0 g(精確到0.000 1 g，記為m3)牡丹籽油微膠囊，研磨5 min，以石油醚為溶劑，采用索氏抽提的方法提取牡丹籽油微膠囊中的總油，將抽提液在45 ℃下進行旋轉蒸發，60 ℃干燥至質量恒定，得到牡丹籽油微膠囊總油質量(m4)。

表面油的測定：精確稱取2.0 g(精確到0.000 1 g，記為m5)牡丹籽油微膠囊于燒杯中，緩慢加入30 mL石油醚，浸提5 min，用漏斗過濾，用20 mL石油醚洗滌濾渣，將濾液在45 ℃下進行旋轉蒸發，60 ℃干燥至質量恒定，得到表面油脂質量(m6),牡丹籽油微膠囊的包埋率(Y)按公式(2)計算：

(2)

式中：m4,總油質量，g；m3，微膠囊質量，g；m5,表面油質量，g。

1.3.5 掃描電鏡觀察

將片狀微膠囊置于掃描電鏡載物臺的雙面導電膠上，用鑷子輕壓固定，輕抖去掉不牢固部分的微膠囊，樣品進行噴金處理后用掃描電鏡觀察微膠囊產品形態，加速電壓為10 kV。

1.3.6 牡丹籽油微膠囊粒徑分布

將制備好的牡丹籽油微膠囊按一定比例稀釋在乙醇溶液中，用馬爾文納米激光粒度儀進行粒徑檢測，檢測溫度為25 ℃。

1.3.7 紅外分析

參考楊小斌等[11]的方法。采用KBr壓片法，通過紅外光譜儀分別對壁材、牡丹籽油和牡丹籽油微膠囊樣品進行分析。稱取5 mg樣品與100 mg純KBr充分研磨25 min,混勻后放入模具中進行壓片，于4 000～40 cm-1進行掃描，儀器分辨率為4 cm-1，掃描32次。

1.3.8 脂肪酸組成分析

甲酯化：取1 g(精確到0.000 1 g)樣品，裝入50 mL離心管，加V(石油醚)∶V(乙醚)=1∶1混合溶液10 mL，搖勻后放置40 min，加KOH-甲醇(0.4 mol/L)溶液5 mL，振蕩混勻，靜置30 min，加入5 mL蒸餾水，靜置分層，測定上清液。

氣相色譜條件：色譜柱DB-WAX(30 m×0.246 mm×0.25 mm)；升溫程序185 ℃保持40 min；氣化室溫度250 ℃；進樣溫度250 ℃；載氣高純He(60 mL/min)、H2(40 mL/min)、空氣(400 mL/min)；進樣體積1 μL。

1.3.9 熱穩定性分析

參考江連洲等[9]的方法，并略有改動。將5～10 mg牡丹籽油和牡丹籽油微膠囊樣品放入鋁盒中，置于差示掃描儀，溫度從25 ℃加熱到600 ℃，增長率為10 ℃/min，N2流速為20 mL/min，使用空盤作為對照。

1.3.10 氧化穩定性分析

采用Schaal烘箱儲存實驗法，將牡丹籽油和牡丹籽油微膠囊在(62±1)℃恒溫培養箱中進行加速氧化實驗，每24 h取樣測定過氧化值。

1.4 數據處理

用Excel 2010軟件進行統計，采用SPSS 18.0 軟件進行顯著性檢驗，結果用平均值±標準偏差表示。所有實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 基本理化指標

噴霧干燥和冷凍干燥法制備得牡丹籽油微膠囊的顏色分別為乳白色和白色。在噴霧干燥過程中，乳液快速霧化成小液滴，油相芯材被水相壁材包裹，水分在出風口高溫下迅速蒸發，水相形成保護膜，油脂被包裹在保護膜內[9]。包埋率越高，油脂被保護程度越高，微膠囊品質越高。如表1所示，本試驗采用2種不同干燥方法制備得牡丹籽油微膠囊的包埋率分別為(88.12±0.64)%和(76.55±0.67)%，噴霧干燥法較冷凍干燥法制備得微膠囊的包埋率更高，這是由于冷凍干燥過程中乳液預凍時會形成冰晶，破壞經均質后乳液中芯材外層形成的“水相液態膜”，芯材暴露，包埋率降低[12]。

表1 牡丹籽油微膠囊理化指標的測定Table 1 Physical and chemical properties of peony seedoil microcapsule

微膠囊的水分含量越低，越有利于延長貨架期[13]。本試驗采用噴霧干燥法和冷凍干燥法制備得牡丹籽油微膠囊的水分含量分別為(3.79±0.18)%和(2.36±0.14)%，凍干的效果更好，但兩者均符合食品工業對干燥固體粉末的水分含量要求≤4%的要求[14]。溶解度是衡量微膠囊品質的重要指標，高溶解度有利于拓寬其在食品工業的應用[15]。本試驗采用噴霧干燥法和冷凍干燥法制備得牡丹籽油微膠囊的溶解度均較高，分別為(94.74±1.91)%和(89.62±0.4)%。

2.2 微膠囊顯微結構

采用掃描電鏡觀察牡丹籽油微膠囊微觀結構，如圖1所示。噴霧干燥微膠囊飽滿充實，基本接近球型，表面光滑，無褶皺現象，其顆粒大小基本均勻。極少部分有凹陷情況，這在噴霧干燥制備微膠囊產品中屬于較為常見的現象，可能是由于在干燥過程中微膠囊顆粒收縮造成[16]。凍干微膠囊微觀結構呈不規則片狀，表明有凹陷及些許孔洞，這是由于乳液在預冷過程中有冰晶形成，破壞原有結構，真空冷凍干燥時冰晶氣化，從而留下孔洞[17]，這也解釋了噴霧干燥法制備的微膠囊包埋率高于冷凍干燥法的原因。

a-噴霧干燥;b-冷凍干燥圖1 不同干燥工藝制備的牡丹籽油微膠囊顯微結構Fig.1 Microstructures of peony seeds oil microcapsulesprepared by different drying methods

2.3 微膠囊粒徑分析

粒徑是評價微膠囊應用潛力的重要指標，因為在微膠囊乳液中粒徑小更有利于人體消化吸收[18]。由圖2可知，噴霧干燥法制作牡丹籽油微膠囊的粒徑分布基本呈現正態分布，僅呈現1個峰，而冷凍干燥法制備牡丹籽油微膠囊的粒徑分布未呈現正態分布，強度分布在粒徑621.6和556 0 nm處，前一部分強度占比高達98.5%，后一部分僅占1.5%。

圖2 不同干燥工藝制備的牡丹籽油微膠囊粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of peony seeds oilmicrocapsules prepared by different drying methods

噴霧干燥法制作牡丹籽油微膠囊的平均粒徑為256 3 nm，分布指數PDI為0.244<0.5。冷凍干燥法制備得牡丹籽油微膠囊平均粒徑為765.5 nm，分布指數PDI為0.408<0.5。PDI越大，分子質量分布越寬；PDI越小，分子質量分布越均勻[19-20]。綜上所述，2種干燥方法制得的牡丹籽油微膠囊，噴霧干燥微膠囊平均粒徑大于冷凍干燥微膠囊，但噴霧干燥微膠囊的粒徑分布更為均勻。

2.4 紅外光譜分析

圖3 不同干燥工藝制備的牡丹籽油微膠囊及其單體成分的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of peony seeds oil microcapsulesprepared by different drying methods and their monomercomponents

2.5 脂肪酸組成

牡丹籽油微膠囊和牡丹籽油的脂肪酸組成如表2所示。

表2 牡丹籽油與不同干燥工藝制備的牡丹籽油微膠囊脂肪酸組成 單位：%

用SPSS軟件進行顯著性分析，噴霧干燥法制備微膠囊與牡丹籽油無顯著性差異(P>0.05)，冷凍干燥法制備微膠囊亞麻酸含量為(38.84±0.51)%，與牡丹籽油(39.75±0.49)%相比有損失，但損失不足1%，低于葉繁等[25]采用噴霧干燥法制備得魚油微膠囊的損失率。冷凍干燥法制備的牡丹籽油微膠囊中，亞麻酸含量降低可能是由于相比于噴霧干燥過程，冷凍干燥時間更長，受光照、O2等因素影響較大。

2.6 熱穩定性

熱重法(themogracimetry,TG)取樣量少、操作簡單、精密度高，常應用于食品研究，為食品加工及儲藏提供實驗依據[26]。如圖4所示，牡丹籽油在升溫到350 ℃前比較穩定，質量變化較小，350 ℃后開始加速分解，450 ℃時基本無剩余。牡丹籽油微膠囊升溫到200 ℃時有少量的質量損失，可能是微膠囊中水分及揮發性成分揮發，噴霧干燥法制備微膠囊的損失率更高，與表1中水分含量結果一致。

圖4 牡丹籽油和牡丹籽油微膠囊的 TG 曲線Fig.4 TG curves of peony seeds oil and peony seeds oilmicrocapsules prepared by different drying methods

200 ℃后壁材開始分解致使質量不斷損失，從400 ℃開始降速變慢，到500 ℃時噴霧干燥法與冷凍干燥法制備微膠囊損失率分別為89.3%和86.7%。綜上所述，牡丹籽油微膠囊化有利于保持牡丹籽油熱穩定性，但是超過200 ℃高溫會讓壁材分解，因此加工和儲藏溫度不宜過高[27]。

2.7 氧化穩定性

如圖5所示,牡丹籽油和噴霧干燥法、冷凍干燥法制備的牡丹籽油微膠囊初始過氧化值分別為0.005、0.006和0.007 g/100 g，這可能由于在微膠囊的制備過程中，牡丹籽油暴露在O2、光、高溫等條件下，微膠囊的過氧化值高于牡丹籽油。加速氧化初期(3 d)氧化緩慢，微膠囊的過氧化值略高于牡丹籽油，從第4天開始牡丹籽油的氧化速度明顯快于微膠囊，表明微膠囊對牡丹籽油起著保護和延緩氧化的作用，可能是由于壁材減少牡丹籽油了與環境中O2的接觸[28]。冷凍干燥法制備得牡丹籽油的氧化程度較噴霧干燥法高，這是由于噴霧干燥法制備微膠囊結構緊密，包埋率高，受O2及光照的影響較小，而冷凍干燥法表面有孔洞包埋率低，受O2及光照的影響較大，因此氧化速度更快[29]。

圖5 牡丹籽油和牡丹籽油微膠囊的氧化穩定性Fig.5 Oxidation stability of peony seeds oil and peonyseeds oil microcapsules prepared by different drying methods

3 結論

噴霧干燥制備的微膠囊包埋率為(88.12±0.64)%、溶解度為(94.74±1.91)%、水分含量為(3.79±0.18)%，顯著高于冷凍干燥(P<0.05)。噴霧干燥和冷凍干燥制備的牡丹籽油微膠囊微觀結構差別巨大，噴霧干燥微膠囊表面光滑無褶皺，接近球形，極少部分有凹陷，粒徑分布呈正態分布，平均粒徑為256 3 nm；冷凍干燥微膠囊微觀呈不規則片狀，有凹陷與孔洞，粒徑分布未呈現正態分布，強度分布于621.6和556 0 nm處，平均粒徑為765.5 nm。由紅外光譜曲線可知，牡丹籽油微膠囊的特征吸收峰減弱，芯材被壁材包裹良好。噴霧干燥和冷凍干燥制備的牡丹籽油微膠囊脂肪酸組成與熱穩定性無顯著差異(P>0.05)，從200 ℃后開始降解，前者氧化穩定性優于后者。綜上所述，噴霧干燥法是比冷凍干燥法更優的制備牡丹籽油微膠囊的干燥技術。本研究為牡丹籽油微膠囊產品的開發與產業化發展提供了依據。