乙基纖維素微膠囊化膨化小麥胚芽粉品質研究

王旭成， 周柏玲， 孟婷婷， 田 歌， 許效群

(山西農業大學食品科學與工程學院1，太谷 030801) (山西農業大學山西功能食品研究院2，太原 030006)

小麥是一種禾本科單子葉植物，完整的小麥籽粒由皮層、胚芽和胚乳三部分組成，其中胚芽一般占小麥籽粒總質量的1.4%～3.9%[1]，富含優質的蛋白質、脂肪、糖類、多種維生素和礦物質以及一些人體所需的生理活性成分[2-4]。由于籽粒中胚芽與胚乳結合不緊密，在小麥加工過程中往往自然脫落，成為副產物或其他加工的原料，且由于其中含有不飽和脂肪酸的緣故，若保存不當，會造成胚芽資源的極大浪費[5]。

微膠囊化作為一種日漸成熟的加工技術，其對微膠囊化目標有著良好的保護、改變形態、緩釋、掩蓋不良氣味等作用，被廣泛應用于日用品、醫藥、畜牧養殖、食品、化學材料等領域[6-8]。制備微膠囊的方法較多，其中空氣懸浮法(流化床包衣法)是通過物理機械方法制備微囊的主要方式。空氣懸浮法制備微膠囊是將固體顆粒作為芯材，高分子聚合物作為壁材，將芯材放置于流化床中，使其在噴射氣流的作用下快速規則運轉，當芯材通過包衣區域時，壁材溶液在高氣壓作用下呈霧化狀均勻噴出，附著在芯材的表面，隨著有機溶劑的揮發，壁材在芯材表面形成多層的高分子膜，以此達到包埋效果[9]。該方法可以包埋固體顆粒，便于工廠流水線大規模批量作業，泛用性更強[10,11]。乙基纖維素(EC)具有良好的成膜性和疏水性，熱穩定性較好[12]，在低溫下仍能保持撓曲性，有極強的抗生物性能，無毒，是最常用的緩控釋包衣材料之一，被醫藥領域廣泛使用[13-15]。

目前關于微膠囊化膨化小麥胚芽粉的研究鮮有報道。食品工業領域主流的微膠囊化技術為噴霧干燥法，這一方法對芯材的溶解度有較高的要求，且成本較高。本實驗采用部分可溶的膨化小麥胚芽粉為芯材，不同濃度乙基纖維素-乙醇溶液為壁材溶液，使用空氣懸浮法，制得對應的微膠囊樣品，通過對比微膠囊樣品的相關指標，即含水量、溶解度、容積密度、流動性、包含率、粒徑分布、感官評價、表面形態結構和加速儲藏條件下的脂肪酸值的變化，對微膠囊樣品的產品品質、抗氧化性和成本進行綜合考慮，選出乙基纖維素-乙醇溶液微膠囊化膨化小麥胚芽粉的最適濃度，為小麥胚芽深加工提供可行思路和參考方向。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 實驗材料

小麥胚芽擠壓膨化產物(以小麥胚芽粉為原料，使用雙螺桿擠壓膨化機，物料水分為25%，末端溫度為120 ℃，螺桿轉速為50 r/min，制得相應膨化產物)。

1.1.2 主要試劑

乙基纖維素、海藻酸鈉、乙醇、氫氧化鉀、酚酞，分析純。

1.1.3 實驗儀器與設備

2200型不銹鋼磨粉機，FDV超微粉碎機，101-OA電熱鼓風干燥箱，DZKW-4電熱恒溫水浴鍋，LBF-5型旋轉流化床制粒包衣機，LXJ-IIB低速大容量離心機，BT-2001激光粒度分布儀，BT-901干法分散進樣系統，Helios G4 UC等線聚焦離子束-電子束雙束電鏡。

1.2 方法

1.2.1 制備膨化胚芽粉

使用不銹鋼磨粉機將小麥胚芽擠壓膨化產物初步粉碎，轉速為1 500 r/min，再使用超微粉碎機將其進一步粉碎，轉速為22 000 r/min，制得膨化胚芽粉。

1.2.2 制備膨化胚芽微粒

由于經過超微粉碎的樣品中存在粒徑過大和過小的顆粒，其會影響樣品微膠囊化的效果，謝中國等[16]通過在微膠囊化前的大黃魚仔稚幼體飼料中添加海藻酸鈉的方式，使得飼料顆粒粒徑均勻度提高，有效提升微膠囊化后產品質量。向制備樣品中加入制備樣品總質量1.00%的海藻酸鈉，通過人工翻轉攪拌的方式混勻，再加入制備樣品總質量8.00%的蒸餾水，再次進行混勻，將混勻的樣品過40目網篩，用自封袋收集篩下樣品，收集物即制得的膨化胚芽微粒。

1.2.3 制備不同濃度EC溶液

配制0.00%、2.00%、2.75%、3.50%、4.25%和5.00%質量濃度的EC溶液，分別稱取對應質量EC，采用無水乙醇為溶劑，使用恒溫水浴鍋于50 ℃加熱溶解，備用。

1.2.4 制備不同濃度EC溶液微膠囊樣品

本實驗采用膨化胚芽微粒為芯材，不同濃度EC溶液為壁材溶液，使用空氣懸浮法，包衣方式為底噴，氣源壓強0.45 MPa，氣密壓強0.3 MPa，壁材流量2 mL/min，進風溫度50 ℃，出風溫度30 ℃，床溫40 ℃，包衣時間120 min[17-20]。將制備好的微膠囊樣品裝入自封袋中，于4 ℃環境下保存備用。

1.2.5 含水量的測定

稱取5 g微膠囊樣品置于已干燥至恒重的鋁盒中，于105 ℃烘箱干燥5 h，冷卻稱重。再次重復操作，直至2次質量差小于1 mg，記錄此時樣品與鋁盒的總質量[21]。按式(1)計算微膠囊樣品的含水量(X)。

(1)

式中：m0為鋁盒質量/g；m1為烘干前樣品與鋁盒的總質量/g；m2為烘干后樣品與鋁盒的總質量/g。

1.2.6 容積密度測定

將微膠囊樣品倒入10 mL已干燥至恒重的刻度試管中，稱重。按式(2)計算微膠囊樣品的容積密度(ρ)[22]。

(2)

式中：m0為刻度試管質量/g；m1為樣品與刻度試管的總質量/g；V為刻度試管體積/mL。

1.2.7 溶解度測定

稱取5 g的微膠囊樣品，放置于50 mL的小燒杯中，加入40 mL水溫在25～30 ℃之間的蒸餾水，少量多次溶解后，轉移到50 mL離心管，在4 000 r/min條件下離心10 min，棄去上清液。再次重復操作2～3次。將剩余沉淀用蒸餾水洗出至已干燥至恒重的稱量皿中，蒸干水分，冷卻稱質量[23]。按式(3)計算微膠囊樣品的溶解度(Y)。

(3)

式中：X為樣品含水量/%；m為樣品質量/g；m1為稱量皿質量/g；m2為烘干后稱量皿與沉淀的總質量/g。

1.2.8 流動性測定

于水平桌面放置一塊平板，在其上方固定一個玻璃漏斗，精確稱取10 g微膠囊樣品置于漏斗中，讓樣品自由通過漏斗，于平板上自然堆積，測定粉堆的高度與覆蓋半徑[24]。按式(4)計算微膠囊樣品的休止角(θ)。

θ=arctan(h/r)

(4)

式中：θ為樣品休止角/(°)；h為樣品粉堆的高度/cm；r為樣品粉堆的覆蓋半徑/cm。

1.2.9 包含率測定

稱取5 g的微膠囊樣品，按1.2.4中方法測定其含水量(X)。按式(5)計算微膠囊樣品的干物質含量(Z)。

Z=1-X

(5)

式中：X為樣品含水量/%。

芯材干物質的含量與微膠囊樣品含量的比值為包含率。按式(6)計算微膠囊樣品的包含率(A)。

(6)

式中：Z為樣品干物質質量分數/%；Z0為芯材干物質質量分數/%。

1.2.10 樣品粒徑分布的測定

使用激光粒度分布儀，采用干法測定體系，對微膠囊樣品進行粒徑分布的測定[25]。

1.2.11 感官評價

邀請10名經過專業培訓的感官評價人員組成感官品評小組，對剛制得的微膠囊樣品的色澤、組織結構、質地、氣味進行評定并打分，滿分為100分，90分以上為優秀，80～90分為良好，60～80分為合格，60分以下為差，評分標準細則見表1。

1.2.12 觀察樣品表面形態結構

用導電雙面膠將樣品固定在金屬樣品平臺上，在真空中噴涂鈀金后，置于雙束電鏡中以3.00 kV電子束觀察微膠囊的表面形態結構，并選擇樣品分布較均勻的視野進行拍照[26]。

1.2.13 加速儲藏條件下樣品脂肪酸值變化的測定

結合姜平等[27]采用的加速儲藏方法，將微膠囊樣品置于60 ℃的烘箱中儲藏，儲藏期為30 d，每隔3 d取樣，按GB/T 15684—2015測定樣品的脂肪酸值。

1.2.14 統計學分析

所有實驗至少重復3次，所得數據用“平均值±標準偏差”表示，采用Origin 8.0軟件繪圖，采用SPSS 18比較均值中的單因子方差分析進行統計分析，采用Duncan進行兩兩比較，顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 樣品的基礎指標

由表2可知，不同濃度EC溶液制得的樣品基礎指標存在較大差距。就樣品含水量和溶解度而言，含水量跨度為1.98%，溶解度跨度為5.02%，隨著EC溶液濃度的升高，樣品含水量下降，樣品溶解度下降。由于EC是一種不溶于水的高分子聚合物，有較強的疏水性[28]，當其覆蓋于樣品顆粒表面時，會影響樣品吸水性和在水中的溶解性，使得樣品含水量下降和在水中的溶解度下降。就樣品密度和休止角而言，密度跨度為7.50 g/100 mL，休止角跨度為17.6°，隨著EC溶液濃度的升高，樣品密度下降，休止角下降，即流動性上升。休止角低于30°，樣品流動性良好，休止角在30°～45°，樣品流動性較好，休止角大于45°，樣品的流動性較差[29]，故4.25%和5.00%EC溶液微膠囊化樣品流動性良好，2.75%、3.50%、4.25%EC溶液微膠囊化樣品流動性較好，0%EC溶液微膠囊化樣品流動性較差，由于EC溶液具有較高黏度[30]，隨著EC濃度的升高，其黏度也隨之升高，在包埋過程中樣品顆粒黏合的問題加劇，導致樣品中黏合物比例提高，影響樣品顆粒粒徑以及均勻度，造成樣品顆粒粒徑提高以及均勻度下降，使得樣品密度下降和流動性上升。就樣品包含率而言，包含跨度為2.09%，隨著EC溶液濃度的升高，包含率下降，由于EC溶液濃度的升高，單位質量內干物質比例下降，即芯材比例下降，使得樣品包含率下降。

表2 胚芽系列樣品基礎指標

2.2 樣品粒徑分布

由圖1a可知，0.00%EC溶液微膠囊化樣品圖譜只存在1個峰，即樣品區間分布主要集中在20.80～24.34 μm處，符合正態分布，說明樣品均勻度較為良好。2.00%～5.00%EC溶液微膠囊化樣品圖譜都存在2個峰，不符合正態分布，說明樣品均勻度較差，符合樣品密度和流動性中得出的結論，即EC溶液濃度升高，均勻度下降；樣品最高峰在200.0 μm處，隨著EC溶液的升高，樣品在200.0 μm處的峰值升高，說明EC溶液微膠囊化胚芽微粉，會將粒徑較小的顆粒聚合包埋至粒徑200.0 μm左右，且隨著EC溶液濃度升高，樣品中200.0 μm左右的顆粒占比越大。由圖1b可知，0%EC溶液微膠囊化樣品累積量在42.16～45.61 μm處超過90%，2.00%EC溶液微膠囊化樣品的累積量在67.53～73.05 μm處超過90%，5.00%EC溶液微膠囊化樣品的累積量在200.0～300.0 μm處超過90%，隨著EC溶液的升高，樣品累積量超過90%所在的粒徑值越大，說明EC溶液微膠囊化胚芽微粉會使樣品顆粒粒徑提高，且隨著EC溶液的升高，樣品顆粒粒徑提高幅度增大，符合樣品密度和流動性中得出的結論，即EC溶液濃度升高，樣品顆粒粒徑提高。

圖1 胚芽系列樣品粒徑分布區間和累積圖

中位徑(D50)為樣品中顆粒度小于該粒徑的樣品含量占樣品總量的50%。D98為樣品中顆粒度小于該粒徑的樣品含量占樣品總量的98%。樣品平均粒徑一般考量體積、面積和長度平均徑3個指標，其中體積平均徑為粒徑對樣品體積的加權平均(三維)；面積平均徑，為粒徑對樣品表面面積的加權平均(二維)；長度平均徑為粒徑對樣品長度的加權平均(一維)；比表面積單位質量樣品表面積總和。由表3可知，隨著EC溶液濃度的升高，樣品D50和D98提高，符合樣品密度和流動性中得出的結論，即EC溶液濃度升高，樣品顆粒粒徑提高。就樣品平均粒徑和比表面積而言，根據結果推斷，隨著EC溶液濃度的升高，樣品平均粒徑呈上升趨勢，比表面積呈下降趨勢，但根據表3中數據可知，雖樣品圖譜總體走向符合這一推論，但個別數據存在偏差，推測是由于個別樣品均勻度較差導致的。

表3 胚芽系列樣品粒徑分布數據

2.3 感官評價

由表4可知，0.00%、2.00%和2.75%EC溶液微膠囊化樣品評價為合格，3.50%、4.25%和5.00%EC溶液微膠囊化樣品評價為良好。就樣品色澤而言，樣品總體呈明黃色，有較多白色摻雜其中，其中白色部分除部分膨化胚芽粉自身色澤外，EC成膜后也為白色，根據結果推斷，隨著EC溶液濃度升高，樣品色澤分值應隨之下降，但根據表4中數據，不符合這一推斷，說明EC膜對樣品色澤存在影響，但差別還未能被人眼察覺。就樣品組織結構而言，隨著EC溶液濃度升高，根據樣品密度和流動性中得出的結論，即EC溶液濃度升高，樣品顆粒粒徑提高，均勻度下降，根據結果推斷，隨著EC溶液濃度升高，樣品組織結構分值應隨之下降，根據表4中數據，符合這一推斷。就樣品質地而言，由于EC溶液自身黏性的影響，樣品中多為黏合物，根據結果推斷，2.00%～5.00%EC溶液微膠囊化樣品質地的分值差別不大，但與0%EC溶液微膠囊化樣品分值差別較大，根據表4中數據，符合這一推斷，2.00%～5.00%EC溶液微膠囊化樣品質地的分值相近，與0.00%EC溶液微膠囊化樣品存在分值差。就樣品氣味而言，胚芽的不良氣味一直是影響其食用價值的重要因素之一，即使經過擠壓膨化，其氣味仍然較大，沈才洪[32]在藥物微膠囊化釋放特性的研究制備，采用有機溶劑蒸發技術，攪拌速度1 500 r/min，時間10 min，EC濃度為4%，明膠保護液濃度為1.5%，蒸發溫度為30 ℃，制得的樣品，具有明顯的緩釋效果，根據結果推斷，隨著EC溶液濃度升高，樣品氣味分值應隨之上升，根據表4中數據，除5.00%EC溶液微膠囊化樣品，其余樣品均符合這一推斷，其中4.25%和5.00%EC溶液微膠囊化樣品氣味分值相近，說明當EC溶液濃度達到4.25%以上時，對膨化胚芽粉氣味可達到掩蔽效果。綜合感官評價各項分值，4.25%EC溶液微膠囊化樣品為最優。

表4 胚芽系列樣品感官評價

2.4 樣品表面形態結構

由圖2a可見，樣品顆粒均勻度較差，顆粒形狀多為不規則的片狀聚合物，存在細長狀顆粒，不同顆粒相互之間存在粘連，符合樣品密度和流動性中得出的結論，即EC溶液濃度升高，樣品顆粒粒徑提高，均勻度下降，黏合物比例提高。

注：每組圖從左到右每行依次為0.00%、2.00%、2.75%、3.50%、4.25%、5.00%EC溶液微膠囊化樣品。圖2 胚芽系列樣品掃描電鏡圖

由圖2b可以看出，膨化胚芽粉表面凹凸不平，整體形狀不規則且有較多空洞，說明其本身就是膨化胚芽超微粉粘連成的聚合物，且結構較為松散。2.00%EC溶液微膠囊化樣品表面凹凸不平，無明顯空洞；2.75%EC溶液微膠囊化樣品較為光滑，但存在較多褶皺；3.50%EC溶液微膠囊化樣品表面較為光滑，表面凸起物較少；4.25%和5.00%EC溶液微膠囊化樣品表面較為光滑，表面凸起物較多。結果表明，隨著EC溶液濃度升高，芯材表面空洞被遮掩覆蓋，微膠囊化樣品表面逐漸光滑，但EC溶液濃度過高時，樣品表面會形成大小不一的凸起物。

由圖2c可見，膨化胚芽粉表面凹凸不平，存在明顯的空洞；2.00%EC溶液微膠囊化樣品表面出現裂紋和破損，說明出現EC膜缺損的情況，樣品并未完全被EC膜包裹；2.75%EC溶液微膠囊化樣品表面出現裂紋，說明樣品被EC膜包裹出現，但并未達到完全覆蓋的效果；3.50%EC溶液微膠囊化樣品表面較為光滑，微膠囊化效果較為理想；4.25%EC溶液微膠囊化樣品表面出現裂紋和破損，說明微膠囊化過程中，芯材被壁材多次包裹，料液不足導致該情況發生；5.00%EC溶液微膠囊化樣品表面較為光滑，存在凸起物，說明微膠囊化過程中，芯材被壁材多次包裹。綜合樣品掃描電鏡圖分析，當EC溶液濃度達到3.50%以上時，微膠囊樣品成型效果好，且不會出現EC膜未完全包裹膨化胚芽粉的情況。

2.5 加速儲藏條件下樣品脂肪酸值變化

由圖3可知，在加速儲藏條件下樣品脂肪酸值都隨儲藏時間的延長而增加。在加速儲藏條件下，其中0.00%、2.00%、5.00%EC溶液微膠囊化樣品初始脂肪酸值分別為517.678、521.298、519.201 mg KOH/100 g，儲藏至第30天時脂肪酸值對應增加了86.453、72.197、53.811 mg KOH/100 g。隨著EC溶液濃度的升高，樣品30 d內脂肪酸值增加量降低，即EC溶液對膨化胚芽粉的保護效果越明顯。鄭理等[31]通過采用微膠囊技術保護VC，有效提高了VC的抗氧化能力，延長其保質期。使用EC溶液微膠囊化膨化胚芽粉，可以有效減緩樣品脂肪酸值增長速率。隨著EC溶液濃度的升高，減緩樣品脂肪酸值增長速率效果越明顯。其中4.25%和5.00%EC溶液微膠囊化樣品同2.00%、2.75%和3.50%樣品相比，減緩幅度較為明顯，且效果相近，說明當EC溶液質量濃度達到4.25%以上時，對膨化胚芽粉可達到保護效果。

圖3 加速儲藏條件下胚芽系列樣品脂肪酸值變化圖

3 結論

選用不同濃度EC溶液為壁材，采用空氣懸浮技術，對膨化小麥胚芽粉進行包埋，制得對應的微膠囊樣品。為部分可溶的膨化小麥胚芽粉微膠囊化提供了參考方向。通過各微膠囊樣品之間的指標比較，4.25%為EC溶液微膠囊化膨化小麥胚芽粉的最佳質量濃度。4.25%EC溶液微膠囊化樣品的含水量為5.59%，溶解度為30.87%，休止角為29.71，容積密度為51.61 g/100 mL，包含率為98.14%，粒徑分布均勻，結構完整，表面無裂紋或破損現象，無不良氣味。此外，在加速儲藏條件下，30 d內脂肪酸值增加量較小。考慮到高濃度EC溶液制得的微膠囊樣品均勻度較低，后期仍需對微膠囊制備工藝進一步優化。