功能油脂微膠囊的工藝優化及穩定性研究

岳昊，邱斌，張文龍，賈敏，劉麗娜，徐同成

（山東省農業科學院農產品研究所，山東省特殊醫學用途配方食品工程技術研究中心，山東省農產品精深加工技術重點實驗室，農業部新食品資源加工重點實驗室，山東濟南250100）

功能油脂是一類具有降血脂、降血壓、抗血栓等特殊生理功能油脂的統稱，主要以富含單不飽和脂肪酸（monounsaturated fatty acids，MUFA）和多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFA）的油脂為主[1-4]。雖然功能油脂具有許多健康益處，但其不溶于水，在應用時不易均勻一致地添加到各類食品中，同時富含ω-3多不飽和脂肪酸的功能油脂存在安全問題，主要是多不飽和脂肪酸的快速氧化，這可能導致有毒化合物的形成[5-7]。

微膠囊技術作為一項成熟的工業化技術，近些年來通過學科交叉而廣泛應用于食品、醫學等領域[8-12]。微膠囊技術是一種通過成膜材料（即微膠囊壁材）將具有揮發性、敏感性的固、液體（微膠囊芯材）包封成微小粒子的技術[13-17]。噴霧干燥法具有操作簡單、靈活、設備占地小且易得、成本低、可控生產規模、在食品工業中應用最為廣泛等特點。因此，本研究用高直鏈玉米淀粉、酪蛋白酸鈉和麥芽糊精作為壁材，單甘酯和蔗糖酯充當乳化劑，利用響應面試驗對其工藝條件進行優化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

奇亞籽油：阿胡斯卡爾斯油（張家港）有限公司；花生油：山東金盛糧油集團有限公司；橄欖油、麥芽糊精、酪蛋白酸鈉、高直鏈玉米淀粉：市購。

石油醚（分析純）、鹽酸（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

B-290小型噴霧干燥機、B-100旋轉蒸發儀：瑞士Buchi實驗室儀器公司；DRS2000高速剪切乳化機：德國IKA實驗室儀器公司；ME204/02電子分析天平：瑞士Mettler-Toledo集團；DHG-9073BS-III電熱鼓風干燥箱：上海新苗醫療器械制造有限公司；HH-4恒溫水浴鍋：常州金壇精達儀器制造有限公司；Scientz-150高壓均質機：寧波新芝生物科技股份有限公司；TGL-16B臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；79-1磁力加熱攪拌器：深圳歐萊博科技有限公司；UPW-20N型超純水器：北京市歷元電子儀器技貿公司；BT-2001型激光粒度分布儀：丹東百特儀器有限公司；SU8010掃描電子顯微鏡：Hitachi公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 功能油脂的制備

采用橄欖油、花生油及奇亞籽油為原料，通過數學軟件計算配置功能油脂所需相關原料植物油比例，準確稱量并于相關容器內進行復配。

1.3.2 微膠囊制備工藝流程

1.3.3 微膠囊包埋效率的計算

1.3.3.1 微膠囊表面含油量檢測

準確稱取2 g功能油脂微膠囊產品于錐形瓶中，加入25 mL石油醚振蕩，將混合液倒入漏斗中過濾，并用25 mL石油醚洗滌，用干燥至質量恒定的圓底燒瓶收集濾液，旋轉蒸發儀旋蒸至干，然后將圓底燒瓶置于真空干燥箱中60℃干燥至質量恒定，稱量并計算得到表面含油量。

1.3.3.2 微膠囊總油量檢測

參照食品安全國家標準GB 5009.168-2016《食品安全國家標準食品中脂肪酸的測定》，選用酸水解法[18]。

準確稱取2 g微膠囊樣品，加入10 mL鹽酸溶液混勻，將燒瓶置于70℃～80℃水浴中水解40 min，每隔10 min振蕩一次燒瓶水解完成后冷卻至室溫20℃。冷卻完畢后加入10 mL 95%乙醇后混勻，轉移至分液漏斗中，燒瓶使用石油醚和乙醚的混合液沖洗（石油醚和乙醚體積比1∶1），待分液漏洞中溶液靜置分層后，旋轉蒸發至干，最終的殘留物的量即為微膠囊中總油量。

1.3.3.3 微膠囊包埋率的計算

微膠囊的包埋率計算公式如下：

微膠囊包埋率/%=（W0-W1）/W0×100

式中：W0為微膠囊總油量，g；W1為微膠囊表面含油量，g。

1.3.4 功能油脂微膠囊制備單因素試驗

1.3.4.1 乳化溫度對微膠囊制備的影響

在固定高速剪切5 min，均質壓力30 MPa，噴霧干燥進風溫度175℃的條件下，乳化溫度分別為55、60、65、70、75℃的條件下制備微膠囊，測定功能油脂微膠囊的包埋率。

1.3.4.2 高速剪切時間對微膠囊制備的影響

在固定乳化溫度70℃，均質壓力30 MPa，噴霧干燥進風溫度175℃的條件下，高速剪切時間分別為1、3、5、7、9 min的條件下制備微膠囊，測定功能油脂微膠囊的包埋率。

1.3.4.3 均質壓力對微膠囊制備的影響

在固定乳化溫度70℃，高速剪切5 min，噴霧干燥進風溫度175℃的條件下，均質壓力分別為20、25、30、35、40 MPa的條件下制備微膠囊，測定功能油脂微膠囊的包埋率。

1.3.4.4 噴霧干燥進風溫度對微膠囊制備的影響

在固定乳化溫度70℃，高速剪切5 min，均質壓力30 MPa的條件下，噴霧干燥進風溫度分別為165、170、175、180、185℃的條件下制備微膠囊，測定功能油脂微膠囊的包埋率。

1.3.5 設計響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，對乳化溫度、高速剪切時間和噴霧干燥進風溫度3個因素進行優化，以功能油脂微膠囊的包埋率為考察指標，設計三因素三水平的響應面試驗。因素水平表見表1。

表1 功能油脂微膠囊工藝響應面設計Table 1 Response surface design of functional oil microencapsulation technology

1.3.6 微膠囊微觀結構分析

使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察功能油脂微膠囊表面及內部形態。首先將雙面膠的一面貼在樣品臺上，然后將少量微膠囊產品黏在上面，用洗耳球輕輕吹去多余的粉末，對樣品進行噴金（厚度100 μm）后，于加速電壓為10 kV下重點觀察其結構并拍照。

1.3.7 微膠囊溶解度的測定

準確稱取5g功能油脂微膠囊樣品，均勻倒入50mL燒杯中，在使用38 mL、25℃～30℃的蒸餾水溶解微膠囊后移入50 mL離心管中，擰緊瓶塞，置于離心機中，4 000 r/min離心10 min，倒掉上清液。再加入38 mL、25℃～30℃的蒸餾水，充分搖動使沉淀再次溶解后，4 000 r/min離心10 min，傾去上清液，用少量蒸餾水將沉淀洗入已烘至恒重的蒸發皿中，置入105℃烘箱烘至恒重。溶解度的計算公式如下。

溶解度/%=1-[（W2-W1）×100]/[（1-A）×W0]

式中：W0為微膠囊樣品質量，g；W1為蒸發皿質量，g；W2為蒸發皿質量+不溶物質量，g；A為微膠囊含水量，%。

1.3.8 微膠囊粒度的測定

在室溫20℃條件下，稱取1 g功能油脂微膠囊樣品，以蒸餾水為溶劑制備復原乳后，均勻的分散于分散劑（蒸餾水）中，選用BT-2001型激光粒度儀（濕法）測定功能油脂微膠囊的粒徑分布，進行數據采樣分析。

1.4 數據處理

采用Design-Expert 8.0.6.1對響應面數據進行分析，采用Origin 8.5和Excel 2016對數據進行處理作圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 乳化溫度對包埋率的影響

乳化溫度對包埋率的影響見圖1。

圖1 不同乳化溫度對包埋率的影響Fig.1 Effect of emulsification temperature on embedding rate

使用乳化劑將微膠囊芯材和壁材乳化制成具有良好穩定的乳化液體系是噴霧干燥制備微膠囊的重要前提和環節。如圖1所示，隨著乳化溫度的升高，功能油脂微膠囊包埋率提高，當乳化溫度達到65℃時，產品的包埋率最高，當溫度繼續升高后，包埋率有所下降。因此可判斷，65℃為功能油脂微膠囊最佳乳化溫度。

2.1.2 高速剪切時間對微膠囊包埋率的影響

高速剪切時間對微膠囊包埋率的影響見圖2。

圖2 不同高速剪切時間對包埋率的影響Fig.2 Effect of different high-speed shear time on embedding rate

高速剪切的目的是快速、高效、均勻地將互不相溶的2種液體分散。高速剪切的時間過短則不能將油分散到水中形成穩定的乳化液，但剪切時間過長又會破壞已經形成的穩定乳化體系。如圖2所示，功能油脂微膠囊的包埋率隨著剪切乳化時間的增加而提高，在5 min時包埋率最高；之后隨著剪切時間的增加，產品的包埋率開始下降，這可能是因為已經被剪切分散的小液滴發生了碰撞和聚并，導致乳化液的穩定性降低，從而導致包埋率的下降。因此，最佳高速剪切時間選5 min較為合適。

2.1.3 均質壓力對微膠囊包埋率的影響

均質壓力對微膠囊包埋率的影響見圖3。

圖3 不同均質壓力對包埋率的影響Fig.3 Effect of different homogeneous pressures on embedding rate

均質壓力決定著乳化液中液滴的狀態，較高的均質壓力有利于微小均勻液滴的形成。均勻的乳狀液體系中不易出現液滴的破乳和聚結等情況，但過高的均質壓力有時會導致乳狀液不穩定的發生，一般表現為液滴表面積過大，表面能過高等。如圖3所示，總體來看，包埋率受均質壓力的影響不大，但還是呈現出先升高后降低的趨勢，均質壓力30 MPa是一個分界點，超過30 MPa的壓力使包埋率出現了下降，這可能是因為表面能過大，乳液分層，從而對包埋率造成了影響。因此單因素試驗確定本試驗選取的最佳均質壓力為30 MPa。

2.1.4 噴霧干燥進風溫度對微膠囊包埋率的影響

噴霧干燥進風溫度對微膠囊包埋率的影響見圖4。

圖4 不同噴霧干燥進風溫度對包埋率的影響Fig.4 Influence of inlet temperature of different spray drying on entrapment efficiency

噴霧干燥進風溫度影響噴霧干燥過程的進行，影響干燥能力和速度，并且同時影響產品的穩定性能、顆粒結構和吸濕性。如圖4所示，功能油脂微膠囊的包埋率隨噴霧干燥進風溫度的升高而增大，當進風溫度達到180℃時，包埋率達到最大。較低的噴霧干燥進風溫度會降低微膠囊產品的成膜速度，干燥不徹底，影響產品的包埋率的同時還會導致產品保質期的縮短。較高的噴霧干燥進風溫度會降低微膠囊的質量，水分散失過快，造成囊壁表面凹陷嚴重，故選取180℃作為后續試驗的噴霧干燥進風溫度。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗設計與結果

基于單因素試驗結果，選擇對包埋效率影響顯著的剪切時間（A）、乳化溫度（B）、噴霧干燥進風溫度（C）為自變量，以包埋率為響應值，設計了三因素三水平響應面分析試驗，試驗方案及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 The experimental design and results for response surface methodology

采用Design-Expert V8.06軟件對試驗數據進行二次響應面回歸分析，得到的功能油脂微膠囊包埋率與各因變量的模擬方程為：

2.2.2 響應面方差分析結果

響應面方差分析結果見表3。

由方差分析結果可看出，功能油脂微膠囊響應面試驗模型的P＜0.01，說明該二次方程模型為極顯著。該方程的復相關系數為0.942 8，說明該模型能解釋94.28%響應值的變化，即該模型與實際試驗具有良好的擬合性，試驗誤差小；模型調整系數為R2Adj=0.869 3，說明該模型的預測性較好，實際值與預測值較為接近；模型精密度為9.651，大于4，說明該模型是可行的。各因素對微膠囊包埋率影響的強弱可以通過F值的大小來進行判斷，F值越大，說明因素對包埋效率影響作用越強[19]。由表3可知，功能油脂微膠囊包埋率受各因素影響程度大小的次序為剪切時間（A）＞乳化溫度（B）＞噴霧干燥進風溫度（C），其中剪切時間對包埋率的影響均為極顯著（P＜0.01），但乳化溫度和噴霧干燥進風溫度對包埋率的影響不顯著（P＞0.05）。

表3 二次響應面回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of quadratic response surface regression model

2.2.3 響應面分析

響應面圖形分析見圖5～圖7。

由圖5～圖7可以看出影響因子乳化溫度、剪切時間和噴霧干燥進風溫度對包埋率都具有較明顯的影響。圖5中，隨著乳化溫度的升高及剪切時間的延長，包埋率呈增加趨勢，說明乳化溫度和剪切時間對包埋率的增加有促進作用；圖6中，增加噴霧干燥進風溫度能促進包埋率的增加，而時間延長到一定值后，時間的繼續增加則導致包埋率的降低；圖7中，隨著乳化溫度及噴霧干燥進風溫度的增加，包埋率逐漸升高。

圖5 剪切時間和乳化溫度交互影響微膠囊包埋率的響應面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour map of interaction between shear time and emulsion temperature on encapsulation rate of microcapsules

圖6 剪切時間和噴霧干燥進風溫度交互影響微膠囊包埋率的響應面及等高線圖Fig.6 Response surface and contour map of microencapsulation embedding rate influenced by cutting time and inlet temperature of spray drying

圖7 乳化溫度和噴霧干燥進風溫度交互影響微膠囊包埋率的響應面及等高線圖Fig.7 Response surface and contour map of microencapsulation embedding rate influenced by emulsifying temperature and inlet temperature of spray drying

2.2.4 驗證試驗結果

根據所得模型，利用Design-Expert 8.0.6軟件對配方進行優化，得到的功能油脂微膠囊制備最優工藝為：高速切剪時間5.8 min，乳化溫度64.2℃，噴霧干燥進風溫度179.9℃。在此條件下功能油脂微膠囊的包埋率理論上可達到96.54%。在最佳工藝條件下，進行了驗證試驗，經多次重復試驗表明，功能油脂微膠囊包埋率平均值實際上可達（96.42±0.42）%，接近理論最佳值，重復性良好，證明試驗結果可靠。

2.3 功能油脂微膠囊的理化指標

2.3.1 功能油脂微膠囊基本理化性質

試驗結果表明，微膠囊包埋率達到96.42%，包埋效果較好，微膠囊產品較為穩定，有效成分損失較少；粒徑范圍為 0.498 μm～21.12 μm，平均粒徑為（6.064±0.97）μm；產品經過噴霧高溫干燥后，水分含量為2.14%，干燥較為充分，滿足微膠囊產品要求，同時較低的含水量也可以抑制貯藏過程中脂肪酸（尤其是PUFA）的氧化變質，延長其貨架期；產品呈乳白色，溶解度93.75 g/100 g，沉淀較少，溶解性良好；且表面油含量較低，顆粒不容易粘連，足以滿足工業生產的要求。

2.3.2 功能油脂微膠囊微觀結構分析

功能油脂微膠囊微觀結構見圖8。

圖8為1 000倍下的功能油脂微膠囊，整體來說功能油脂微膠囊產品表面比較光滑，近似球形，囊壁相對完整，致密、無裂痕，整個表面是連續的。但小型噴霧干燥機干燥過程中的不穩定導致微膠囊表面略粗糙且有凹陷，這種現象說明微膠囊膨大成圓形在壁材的凝固之后，較高的溫度容易導致壁材的快速固化凹陷，以至于難于形成表面光滑的小顆粒，這是高溫噴霧干燥微膠囊產品普遍具有的特征[20-21]。

圖8 功能油脂微膠囊微觀結構（×1 000）Fig.8 Microstructure of functional oil microcapsules（×1 000）

2.3.3 功能油脂微膠囊熱穩定性分析

功能油脂微膠囊的差示掃描量熱分析（differential scanning calorimetry,DSC）見圖 9。

圖9 功能油脂微膠囊熱穩定性分析Fig.9 Thermal stability analysis of functional oil microcapsules

圖9中顯示在整個溫度范圍內有兩個主要的吸熱峰。當溫度達到44.3℃時，出現第一個吸熱峰，這個吸熱峰產生的原因可能是壁材成分在高溫下受熱溶脹，有序的晶體結構向無序的晶體結構轉變，發生吸熱現象所致。第二個吸熱峰出現在190℃，這一階段吸熱峰產生的原因可能是微膠囊發生了熱分解反應，C-C、SS和C-O等鍵發生了斷裂，壁材糊化，直至樣品碳化完全[22]。

3 討論與結論

本研究主要對功能油脂在包埋過程中的工藝進行了優化，根據單因素試驗結果，設計了三因素三水平響應面試驗，微膠囊化工藝最佳條件為高速剪切時間5.8 min，乳化溫度64.2℃，噴霧干燥進風溫度179.9℃，由此制備的微膠囊包埋率可達96%以上。掃描電鏡觀察微膠囊結構發現，微膠囊產品表面比較光滑但有凹陷，近似球形，囊壁相對完整，致密、無裂痕。微膠囊產品干燥較為充分，產品呈乳白色，沉淀較少，溶解性良好顆粒小且均勻，基本可以滿足一般食品加工條件。本工藝經過響應面法優化后制備功能油脂微膠囊切實可行，可以有效地提高功能油脂的利用率，為在特殊醫用食品、烘焙食品等方面的應用打下了基礎。