噴霧干燥技術在油脂粉末中應用的研究進展

肖志剛, 邱天昊, 王 鵬, 楊 舒, 張雪萍, 段玉敏

(1. 沈陽師范大學 糧食學院, 沈陽 110034; 2. 沈陽大學 生命科學與工程學院, 沈陽 110044)

0 引 言

油脂粉末是由一種或幾種食品級壁材通過物理或化學方法,將液態油脂包埋而形成的粉末狀固態油脂。油脂粉末可以延緩油脂氧化,避免由于油脂的酸敗帶來的經濟損失,油脂粉末還具有遮光功能,避免光照引起的光敏氧化。如富含omega-3脂肪酸的功能性油脂,在氧化過程中,不飽和脂肪酸會因光照強度、加工工藝、儲藏溫度、氧氣濃度等因素加速酸敗,產生次級氧化產物,危害人體健康,嚴重影響食品的安全與感官品質[1]。通過油脂粉末技術,可以成功避免酸敗所帶來的危害。

油脂粉末技術又稱微膠囊技術,根據聚合方式可以歸分為3類:物理法、化學法和物理化學法。不同壁材、不同壁材比例、不同的壁芯比、不同的制備方法都會影響油脂粉末的氧化穩定性和微觀結構,從而根據油脂粉末的不同性質在不同食品中進行應用[2-4]。該技術通過有機或無機高分子材料聚合形成保護殼將油相包埋形成微小顆粒,隔絕空氣,避免油相和氧氣接觸,消除氧化條件,從而抑制油脂的變質,達到提高油脂穩定性的作用[5]。微膠囊技術包埋形成的油脂粉末使油脂發生從液態到固態的轉變,提升了油脂的抗氧化能力和儲藏能力,同時遮掩了油脂的不良風味。微膠囊技術還具有防腐殺菌的效果,可提高產品的保質期[6]。微膠囊技術在肉制品行業中有改善肉制品脂質配置的作用,重新配置的肉制品脂質具有高的SFAs水平,從而減少對人體產生的負面影響[7]。微膠囊技術可以根據壁材對pH值敏感度制成響應型微膠囊,應用在人體部位定點擴散或侵蝕釋放芯材,增加機體對芯材的吸收率和生命活性物質的保護作用[8-11]。微膠囊技術拓展了油脂在市場的應用,具有高效、安全、營養、方便等特點。

目前,噴霧干燥技術在油脂粉末生產工藝中起主導地位,具有生產效率高、經濟成本低、操作流程簡單等特點,被廣泛用于國內外油脂粉末制備之中。近年來,噴霧干燥技術主要用于包覆小眾油脂、功能性油脂、保健級油脂等高成本油脂產品。本文綜述了噴霧干燥技術在油脂粉末中的應用與研究進展,參考國內外微膠囊制備工藝,介紹了噴霧干燥技術對油脂粉末結構和抑制油脂氧化方面的影響,為后續的微膠囊制備及應用提供參考。

1 噴霧干燥技術

噴霧干燥技術是包埋方法最為經典的方法,已有百年的歷史,最早用于奶制品行業,隨著工藝的不斷成熟和發展,現在已經成為粉末制造的主要技術手段,具有完整的工業體系和遠大前景。

1.1 噴霧干燥技術特點

噴霧干燥技術操作簡單、工藝時間短,液態芯材只需要幾秒就可以變成固態粉末,從而降低成本,比常用的冷凍干燥技術的經濟成本要低很多,有較強的操作性,主要應用在食品、化工、陶瓷材料、催化劑、制糖、制鹽、微生物、中藥等多方面[12-22]。目前,國內噴霧干燥技術在粉末油脂領域中的主要研究方向是工藝優化、抗氧化性研究、代替傳統的油脂應用在食品加工、微波輔助對微膠囊包埋和性質的影響,在新型壁材的開發方面研究較少[23-25]。國外的主要研究方向是噴霧干燥對生物活性物質的保存、納米噴霧技術、新型壁材開發營養型微膠囊、益生菌的保護和緩釋作用[26-30]。

1.2 噴霧干燥技術原理

噴霧干燥技術通過芯材與壁材按一定的比例溶解均質形成穩定乳液,經噴霧干燥裝置,控制進風溫度、進樣量等參數,使乳液中的水分處于溫度較高的干燥氣流中(140～200 ℃),在極短時間里(4～6 s)霧化,霧滴越小則比表面積和表面自由能越大,表面水分的蒸汽壓越大,利用霧滴運動時與熱氣流的速度差,高溫加速霧滴傳熱傳質,使其失去水分聚合成粉末。噴霧干燥技術缺點在于霧滴粘壁嚴重,出粉率較低,成本浪費嚴重,不適用于對高溫極為敏感的芯材。

2 噴霧干燥技術中不同條件對油脂粉末的影響

2.1 噴霧干燥技術中不同壁材組合對油脂粉末的影響

不同壁材的組合是影響微膠囊結構表征的主要因素,復合壁材微膠囊的結構和性能要優于單一壁材包埋而形成的油脂粉末,Huang等[31]研究了蛋白-多糖凝聚微膠囊中美拉德反應對微膠囊性能的影響,發現美拉德反應會使蛋白-多糖凝聚微膠囊的穩定性有顯著提升,包埋效果更好。目前,市場中微膠囊壁材主要分為碳水化合物類、蛋白類和脂質類[32]。碳水化合物類壁材具有較強的溶解性,低黏度,但缺少界面特性,成膜性和乳化性較差,單獨使用其包埋油脂效果不佳,芯材滲出不易包埋。蛋白類的壁材能夠促進乳狀液的形成,減少界面張力,形成保護膜,將二者結合,所得的乳液顆粒均勻散布在液相中,不易凝聚,穩定、粘度適中。唐東[26]將不同壁材組合,通過相同工藝參數,包埋芯材,制得的油脂粉末具有不同包埋率,微膠囊結構也有所不同。大豆分離蛋白+麥芽糊精包埋而成的粉末細膩,易吸潮,淡黃色,包埋率為73.85%;大豆分離蛋白+阿拉伯膠+麥芽糊精(25%)制備的油脂粉末顆粒細膩,白色,包埋率為84.33%;大豆分離蛋白+辛烯基琥珀酸酯化淀粉+麥芽糊精(25%)組合形成的顆粒易吸潮,形成塊狀,包埋率為75.92%。

2.2 噴霧干燥技術中不同進風溫度對油脂粉末的影響研究

進風溫度的升高會導致微膠囊的水分含量顯著下降,高溫使水分快速蒸發,促進水包油乳液的液滴表面迅速形成完整致密的膜,減少了油滴的暴露,提高了包埋率和干燥速率,但溫度過高會阻礙內部水分蒸發,使液滴內壓力較高,導致粉末顆粒表面褶皺現象發生,且高溫會使芯材加速氧化。

2.3 噴霧干燥技術中不同芯壁比對油脂粉末的影響研究

芯壁比對微膠囊結構具有一定的影響,隨著壁材的增加,乳液黏度不斷增大,微膠囊包埋率隨著壁材比重的增加呈現先增大后逐漸減小的趨勢。這是由于乳液中芯材含量過高時,囊壁含量較少,導致微膠囊外殼較薄因而無法保護好芯材或者無法把芯材完全包埋,從而使表面油含量增加,在蒸發成膜過程中芯材氧化變質損失較大,因此包埋率呈現下降趨勢。當壁材占比達到一定程度時,乳液粘度較大,噴霧干燥過程中,由高溫形成的氣態乳液噴霧容易粘壁,從而使得微膠囊的產率下降。Zhuang等[33]使用乳滴分散且較大的乳液通過噴霧制備油脂粉末,發現微膠囊內表面聚集油滴且形成多孔壁,包封率較低。

研究表明,油脂粉末品質和結構特性受多種因素影響,如壁材種類、壁芯比等(表1)。

表1 噴霧干燥技術中不同條件影響油脂粉末結構特性的研究進展

目前對微膠囊結構的影響因素還需要進一步的研究,乳液粒徑大小、狀態、分布也會對微膠囊的結構產生直接影響,所以乳化劑的添加量、乳化劑種類、均質壓力、均質時間、乳液的微波輔助等都可能引起微膠囊結構的改變[41-42]。

3 噴霧干燥技術對油脂粉末品質研究進展

Zhou等[43]發現,以大豆分離蛋白(SPI)和麥芽糊精(MD)為壁材通過噴霧干燥技術得到的油脂粉末相比于未包埋的核桃油具有較低的過氧化值和氧化速率,微膠囊化能顯著提高油脂的氧化穩定性。劉義鳳[44]通過對紫蘇籽油微膠囊加速貯藏的研究發現玉米低聚肽與茶多酚棕櫚酸酯復配,能提高油脂粉末的抗氧化性。雷雨晴等[45]將卵白蛋白、卵白蛋白-茶多酚、卵白蛋白-菊糖和卵白蛋白-茶多酚-菊糖 4種壁材包埋石榴籽油,發現壁材的選擇和復配也會影響油脂粉末的抗氧化能力,卵白蛋白-茶多酚-菊糖的壁材氧化穩定性最佳。Ma等[46]研究發現,壁芯比過高時,芯壁的厚度會影響芯材的氧化穩定性,但不會對微膠囊結構產生影響。Linke等[47]研究了油負載量對微囊化魚油粉氧化性能的影響,當油質量為5%時,粉末氧化速度較快。噴霧造粒對油脂的保護效果較好,噴霧干燥方法具有較高的應用潛力[48]。有文獻報道脂質類壁材可以有效抑制芯材的氧化,目前有關噴霧干燥技術對油脂氧化穩定性影響的文獻還不夠全面,有待微膠囊行業進一步研究。

4 結 語

隨著油脂微膠囊化技術的研究趨于成熟,對其研究的方向逐漸從傳統工藝優化和傳統壁材最優組合向微膠囊新型壁材、新方法、新技術、新設備轉變,如何讓更多不飽和脂肪酸油脂具有更好的氧化穩定性,抑制油脂的酸敗,掩蓋油脂中不良氣味的揮發,從而使油脂具有更好的環境抗性,適合的緩釋性能及如何繼續擴大油脂粉末應用市場依舊是油脂粉末技術所需要解決的問題。目前微膠囊技術對油脂中脂肪酸組成的影響,新型微膠囊技術如凝聚法、包合法、銳孔—凝固浴法、層層自組裝、超臨界流體技術、多流體復合電噴技術、擠壓法等對微膠囊結構和抗氧化能力的影響還需要更多的研究。