微膠囊化木姜子粉末油脂加工工藝

何揚波 ，劉萬勇，羅興邦，李詠富，李國林，曹穎

1.貴州省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究所（貴陽 550006）；2.貴州金沙冠香坊調(diào)味食品有限公司（畢節(jié) 551800）；3.上海喬楓實業(yè)有限公司（上海 201400）

木姜子，別名山蒼子、山雞椒、山胡椒，在我國長江以南地區(qū)廣泛分布[1]。木姜子的葉、花、果皮中含有以檸檬醛、檸檬烯等為主要成分的黃色油狀液體，具有祛風止寒、抑制癌癥、防霉抑菌等功效[2-5]。另外，木姜子油具有特殊芳香氣味，且在121 ℃條件下性質(zhì)穩(wěn)定，是中國南方餐桌上火鍋、蘸水的常用調(diào)味料[6]。木姜子油具有工藝簡單、香味濃郁、價格便宜等優(yōu)點，但也存在留香時間短、脂質(zhì)易氧化等不足。針對上述問題，利用一種或兩種及以上天然或合成的高分子成膜物質(zhì)將固體、液體或氣體（芯材）包裹形成微小顆粒的微膠囊化技術(shù)能夠提供良好的解決方案[7-8]。微膠囊化可以通過噴霧干燥、空氣懸浮、銳孔凝固、界面聚合、復合凝聚等物理、化學和物理化學方法實現(xiàn)[9]。對油脂微膠囊化而言，具有干燥過程短、物料分散好、使用成本低等優(yōu)勢的噴霧干燥技術(shù)應用最為廣泛[10]。基于此，試驗采用微膠囊包埋技術(shù)對木姜子油微膠囊化工藝進行研究，為木姜子粉末油脂開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木姜子油（貴陽市三橋綜合批發(fā)市場）；大豆分離蛋白、麥芽糊精（北京索萊寶科技有限公司）；β-環(huán)糊精（上海麥克林生物化學有限公司）；明膠（蘇州益景食品添加劑有限公司）；阿拉伯膠（河南博洋生物科技有限公司）；石油醚（沸程30～60 ℃，天津富宇精細化工有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

QFN-LE型離心氣流雙用噴霧干燥機（上海喬楓實業(yè)有限公司）；S-3400 N電子掃描顯微鏡（日本東京日立公司）；ESR-500型實驗室高剪切乳化機（上海易勒機電設(shè)備有限公司）；JJ224BC型電子天平（常熟市雙杰測試儀器廠）；HHS型電熱恒溫水浴鍋（上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵（上海亞榮生化儀器廠）；BSD-TF270型臺式恒溫振蕩器（上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；QQMD200-2N型氮吹儀（上海啟前電子科技有限公司）；101-2AB型電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；BS100-1A蠕動泵（保定思諾流體科技有限公司）；索氏抽提及其他常用玻璃裝置（貴州賽蘭博科技有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 微膠囊化木姜子粉末油脂制備

以大豆分離蛋白和麥芽糊精質(zhì)量比1∶1配成懸浮液，用高速剪切乳化機在8 000 r/min條件下均質(zhì)10 min，加入木姜子油后再均質(zhì)5 min。待體系穩(wěn)定后以蠕動泵按照40 r/min速率往噴霧干燥機中傳輸樣品，噴霧干燥機的設(shè)備參數(shù)：進風溫度180 ℃、出風溫度90 ℃、離心頻率400 Hz、引風機頻率50 Hz、氣掃時間30 s、除塵間隔20 s、振動間隔15 s。表面油脂、總油脂及油脂包埋率的測定按付紅軍等[11]研究方法執(zhí)行。

1.3.2 微膠囊壁材的乳化穩(wěn)定性

微膠囊壁材的乳化穩(wěn)定性參考楊曉慧等[12]的研究方法并作適當改變。選取大豆分離蛋白、麥芽糊精、β-環(huán)糊精、明膠、阿拉伯膠作微膠囊壁材，按照兩兩組合、等質(zhì)量比例進行復合，經(jīng)均質(zhì)制得懸浮液后轉(zhuǎn)入量程50 mL的具塞量筒中，于30 ℃恒溫靜置過夜，取出量筒觀察分層情況，記錄液體總高度（H）與未分層高度（H1）。經(jīng)過乳化穩(wěn)定性試驗的試驗樣品采用電子掃描顯微鏡對其微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，以確定最佳微膠囊壁材組合。

1.3.3 微膠囊化單因素試驗

木姜子油噴霧干燥的基本試驗條件：微膠囊壁材組成比例1∶1，固形物占微膠囊體系質(zhì)量分數(shù)20%，芯材占固形物質(zhì)量分數(shù)30%，噴霧干燥溫度160 ℃。在其他因素不變的情況下，控制微膠囊壁材（大豆分離蛋白∶麥芽糊精）組成比例（2∶1，1.5∶1，1∶1，1∶1.5和1∶2）、固形物質(zhì)量分數(shù)（15.0%，17.5%，20.0%，22.5%和25.0%）、芯材占固形物質(zhì)量分數(shù)（10%，20%，30%，40%和50%）、噴霧干燥溫度（120，140，160，180和200 ℃），以木姜子粉末油脂的包埋率為指標，在各因素最佳條件下進行比較。

1.3.4 微膠囊化響應面試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選擇固形物質(zhì)量分數(shù)、芯材占固形物質(zhì)量分數(shù)、噴霧干燥溫度3個因素為自變量，包埋率為響應值進行響應面試驗設(shè)計。具體試驗設(shè)計方案見表1。

表1 響應面試驗因素水平編碼表

1.3.5 統(tǒng)計分析

單因素試驗結(jié)果由Origin 8.5軟件繪制，響應面試驗的設(shè)計及數(shù)據(jù)處理由Design-Expert 12.0完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 復合壁材的穩(wěn)定性及微觀結(jié)構(gòu)分析

復合壁材是指幾種不同類型的壁材按照一定比例配成的新壁材，幾種壁材的功能可以互補和增強，較單一壁材更具有優(yōu)勢[13]。以β-環(huán)糊精、麥芽糊精、阿拉伯膠、大豆分離蛋白和明膠5種常見微膠囊壁材按照兩兩復配方式與適量的木姜子油混合形成混懸液，通過其表觀形態(tài)和乳化穩(wěn)定性對微膠囊壁材進行選擇，具體指標見表2。結(jié)果表明，大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精及麥芽糊精組合均具有良好乳化穩(wěn)定性，含有阿拉伯膠的微膠囊壁材組合在壁材溶解階段就表現(xiàn)出極強的膠凝性狀，難以開展下一步乳化、噴粉工作。另外，含有明膠的微膠囊壁材組合在30 ℃條件下靜置過程中有沉淀存在，且在環(huán)境溫度低于10 ℃條件下體系呈現(xiàn)膠凝現(xiàn)象，這主要是因為明膠的溶解度和膠凝性受溫度影響較大的緣故[14]。因此，大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精、麥芽糊精的組合可作為木姜子油包埋的壁材選擇。為進一步比較大豆分離蛋白與β-環(huán)糊精和麥芽糊精的包埋效果差異，采用掃描電鏡對木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)進行分析，具體見圖1和圖2。結(jié)果顯示，以大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精為微膠囊壁材的木姜子油粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)表面存在明顯的凹陷、皺縮現(xiàn)象，粉末易結(jié)塊，流動性差；大豆分離蛋白/麥芽糊精組則較為光滑，流動性較好。試驗現(xiàn)象與吳克剛等[15]對微膠囊產(chǎn)品的研究結(jié)論一致。為達到更好的包埋效果，后續(xù)試驗以大豆分離蛋白/麥芽糊精作為微膠囊壁材考察對象，類似的微膠囊壁材組合也在獼猴桃籽油、冷榨菜籽油、小麥胚芽油、核桃油的包埋工藝中被廣泛采用[16-19]。

表2 微膠囊壁材乳化穩(wěn)定性測試結(jié)果

圖1 大豆分離蛋白/β-環(huán)糊精包埋木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)圖

圖2 大豆分離蛋白/麥芽糊精包埋木姜子粉末油脂微觀結(jié)構(gòu)圖

2.2 木姜子油微膠囊化的單因素試驗結(jié)果

以乳化穩(wěn)定性試驗和掃描電鏡結(jié)果為基礎(chǔ)，確定大豆分離蛋白/麥芽糊精的微膠囊壁材組合。對微膠囊化木姜子油而言，微膠囊壁材組成配比、芯材占固形物百分比、固形物占乳化體系質(zhì)量分數(shù)及微膠囊噴霧干燥溫度等因素對木姜子粉末油脂的加工至關(guān)重要。設(shè)計單因素試驗對上述條件進行優(yōu)化，為木姜子油的微膠囊化工藝提供數(shù)據(jù)支撐，如圖3～圖6所示。大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶1時，微膠囊化木姜子油的包埋率達到96.5%，在5種配比中包埋率最高。隨著壁材中麥芽糊精比例增高，微膠囊化產(chǎn)品的包埋率逐漸降低，當大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶2時，產(chǎn)品的油脂包埋率僅43.4%。對芯材占固形物比例而言，木姜子油占固形物比例10%時，由于體系中固形物質(zhì)量分數(shù)固定，故而壁材量則相應提高，體系中加入水后難以形成乳化體系。隨著木姜子油占固形物質(zhì)量分數(shù)增大，微膠囊壁材比例下降，木姜子油占固形物質(zhì)量分數(shù)20%時乳化體系滿足噴粉條件，質(zhì)量分數(shù)30%時獲得包埋率為96.5%的微膠囊化產(chǎn)品。另外，固形物質(zhì)量分數(shù)對微膠囊化產(chǎn)品的包埋率也表現(xiàn)出類似先增高后降低的趨勢，其包埋率在固形物質(zhì)量分數(shù)為20%時達到峰值。對噴霧干燥溫度而言，木姜子油粉末油脂的包埋率隨著噴霧干燥溫度升高而增加，溫度200 ℃時包埋率為95.29%。

圖3 復合微膠囊壁材組成比例對木姜子粉末油脂包埋率的影響

圖4 芯材占固形物質(zhì)量分數(shù)對木姜子粉末油脂包埋率的影響

圖5 固形物質(zhì)量分數(shù)對木姜子油粉末油脂包埋率的影響

圖6 噴霧干燥溫度對木姜子粉末油脂包埋率的影響

2.3 微膠囊化木姜子油的優(yōu)化試驗結(jié)果

經(jīng)單因素試驗論證，大豆分離蛋白與麥芽糊精質(zhì)量比1∶1時包埋效果最佳，且在固定其他因素不變情況下，恰當?shù)男静馁|(zhì)量分數(shù)、固形物質(zhì)量分數(shù)及噴霧干燥條件均能獲得較優(yōu)的包埋結(jié)果。但是，產(chǎn)品加工是各因素統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的整體過程。基于此，通過Box-Behnken試驗設(shè)計對上述條件進行系統(tǒng)優(yōu)化，通過方差分析的p值可知，各因素及其交互作用對木姜子油微膠囊化的包埋率影響均不顯著。相較而言，各因素對微膠囊包埋率的影響順序為固形物質(zhì)量分數(shù)＞芯材占固形物質(zhì)量分數(shù)＞噴霧干燥溫度，具體結(jié)果見表3～表4和圖7～圖9。以微膠囊化木姜子油的包埋率為響應值，利用Design-Expert 12.0軟件對表3的試驗結(jié)果進行二次多元回歸擬合，其二次多項回歸模型為：R=92+3.47A+0.85B+0.48C-1.61AB-0.53AC+0.6125BC-8.27A2-1.84B2-1.90C2。最終確定制備微膠囊化木姜子粉末油脂最優(yōu)工藝：芯材占固形物比例37%，固形物質(zhì)量分數(shù)20.34%，噴霧干燥溫度175.36 ℃。在此條件下，微膠囊木姜子油的包埋率達92.11%，遠高于付紅軍等[11]和楊艷紅等[20]分別采用羥丙基-β-環(huán)糊精/阿拉伯膠和β-環(huán)糊精對山蒼子油的包埋率（88.30%和79.15%）。

表3 響應面試驗方案及結(jié)果

表4 回歸模型的方差分析

圖7 固形物質(zhì)量分數(shù)（A）、芯材占固形物質(zhì)量分數(shù)（B）對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響

圖8 固形物質(zhì)量分數(shù)（A）、噴霧干燥溫度（C）對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響

圖9 芯材占固形物質(zhì)量分數(shù)（B）、噴霧干燥溫度（C）對微膠囊化木姜子油包埋率相互影響

3 結(jié)論

噴霧干燥技術(shù)制備的微膠囊化粉末油脂可以提高木姜子調(diào)味油的穩(wěn)定性，賦予其更高的市場附加值。試驗以大豆分離蛋白、麥芽糊精為微膠囊壁材，通過單因素試驗和響應面試驗優(yōu)化了微膠囊化木姜子油加工過程中的固形物質(zhì)量分數(shù)、木姜子油占固形物質(zhì)量分數(shù)和噴霧干燥溫度等條件，確定微膠囊化木姜子粉加工最優(yōu)工藝參數(shù)：芯材占固形物質(zhì)量分數(shù)37%、固形物質(zhì)量分數(shù)20.34%、噴霧干燥溫度175 ℃。在此條件下，微膠囊木姜子油包埋率達92.11%，暫時高于目前文獻中報道的木姜子（山蒼子）粉末油脂的包埋率，為食品工業(yè)中生產(chǎn)更穩(wěn)定的微膠囊化木姜子油脂提供技術(shù)參考。