響應面優化山桐子油微膠囊噴霧干燥工藝

李 凱, 馬立志,2,3, 常云鶴,2,3, 馮紅霞,2,3, 鄒 康,2,3, 尚祖飛,2,3, 陳大龍

(貴陽學院食品與制藥工程學院1,貴陽 550005)(貴州省果品加工工程技術研究中心2,貴陽 550005)(貴州省果品加工、貯藏與安全控制協同創新中心3,貴陽 550005)(貴州初好農業科技開發有限公司4,六盤水 553000)

山桐子又稱水冬桐是大風子科落葉喬木植物,生長快、適應能力強,山桐子有“樹上的油庫”美譽,可作為木材和油料兩用的樹種[1],廣泛分布于云南、廣西、四川、貴州等地[2],在貴州省主要分布于六盤水市和遵義市等。其果肉占果實總質量的62.3%,種子占37.6%[3],其果實含油率為36.71%(質量分數)[4],山桐子油營養豐富,含有大量的油酸和亞油酸[5]等,山桐子油中的不飽和脂肪酸能增強人體的抗氧化和免疫的能力[6-8];山桐子作為木本油料運用比較廣泛,目前對山桐子油微膠囊產品的開發鮮有研究。

因為食用油脂不易分散在食品體系中,把生理活性、加工性能限制了[9]。山桐子油含有豐富的亞油酸,使其儲存穩定性較差,運用面變窄。通過微膠囊技術對山桐子油進行包埋,使其轉化粉末油脂,即山桐子微膠囊。粉末油脂方便運輸、儲藏,可增加油脂的使用面,而油脂微膠囊化可防止油脂的氧化酸敗[10,11]。

研究使用噴霧干燥法制備山桐子油微膠囊,通過控制壁材與芯材質量比、麥芽糊精與大豆分離蛋白的壁材復配質量比、水與壁材質量比[12]等因素進行響應面分析優化工藝條件,制備山桐子油微膠囊。測試山桐子微膠囊包埋率、觀察外觀特征、測定氧化穩定性,為山桐子油微膠囊提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山桐子果:來源于貴州省仁懷市山桐子種植基地;麥芽糊精、大豆分離蛋白等級為食品級;單硬脂酸甘油酯、正己烷、石油醚純度為分析純。

1.2 儀器與設備

ZYJ908型螺旋榨油機,LPG-5高速離心噴霧干燥機,FA2004分析天平,RV10DS96旋轉蒸發儀,KY-D500高剪切乳化分散機,APV200 實驗型高壓均質機,JF14112油脂氧化穩定性分析儀器,LSM 900AS2激光共聚焦顯微鏡。

1.3 方法

1.3.1 山桐子油的榨取

參考宋明發等[13]方法,將篩選后山桐子果經烘箱烘干后,在螺旋榨油機內壓榨,取毛油經精煉后得到成品油。其精煉主要步驟為脫膠、脫酸、脫色、脫臭。脫膠:溫度60 ℃,EDTA-2Na溶液濃度0.14 mol/L,SDS溶液濃度0.06 mol/L,水添加量8%,脫膠時間15 min,檸檬酸添加量0.16 g/mL;脫酸:NaOH質量濃度為0.15 g/mL、超堿量為0.25%、堿煉溫度為35 ℃、堿煉時間為45 min;脫色:活性白土添加量17%、溫度94 ℃、攪拌時間94 min;脫臭:選擇脫臭溫度185 ℃,脫臭時間100 min。

精煉后山桐子油的酸價(KOH)為0.95 mg/g、過氧化值0.03 g/100 g、碘值129.48 g/100 g、皂化值210.34 mg/g。

1.3.2 山桐子油微膠囊的制備

常見噴霧干燥制備油脂微膠囊大多數采用β-環狀糊精、大豆分離蛋白作為壁材,單硬脂酸甘油酯作為乳化劑,再添加芯材油脂乳化混勻后進行噴霧干燥制得粉末油脂,噴霧干燥時進風溫度170 ℃以上。實驗選擇以麥芽糊精[14]、大豆分離蛋白作為復配壁材,麥芽糊精具有具有黏性大、增稠性強、溶解性好、速溶性佳、載體性好、發酵小、吸潮性低、無異味等特點,單硬脂酸甘油酯作為乳化劑,乳化劑以芯材的2%質量分數添加,將山桐子油滴在溶液中進行攪拌制得乳液,用均質機將初乳液均質4次,然后用噴霧干燥機在溫度165 ℃下進行噴霧干燥制得微膠囊。

1.3.3 山桐子油微膠囊包埋率測定

參照李福祥等[15]、楊艷紅等[16]、付紅軍等[17]的方法并稍作修改。

山桐子油微膠囊未包埋的游離油的測定:稱取山桐子油微膠囊10 g放入燒杯中,先用50 mL石油醚加入至燒杯中振蕩5 min過濾到事先稱好質量的燒瓶中,記空燒瓶質量為m瓶,再將150 mL的石油醚分多次加入燒杯中,每次潤洗燒杯后再振蕩5 min進行過濾到燒瓶里,將燒瓶接入旋轉蒸發儀蒸發并回收溶劑,將燒瓶置于烘箱中50 ℃烘干5 min,燒瓶和油的總質量記為m瓶油,未包埋油質量記為m1。

m1=m瓶油-m瓶

山桐子油微膠囊總油測定:稱取山桐子油微膠囊10 g加入80 mL正己烷進行超聲振蕩處理40 min,然后過濾到已經稱質量的燒瓶中,然后用120 mL正己烷清洗濾渣過濾到燒瓶中進行真空抽濾,將燒瓶接入旋轉蒸發儀蒸發并回收溶劑,將燒瓶置于烘箱中50 ℃烘干5 min,得出總油質量m2。

山桐子油微膠囊包埋率記為E。

E= (1-m1/m2)×100%

式中:m1為山桐子油微膠囊表面油質量/g;m2為山桐子油微膠囊總油質量/g。

1.4 山桐子油微膠囊工藝研究

1.4.1 微膠囊化單因素實驗

取初乳液500 mL,以壁材與芯材質量比為4.5∶1.0,麥芽糊精與大豆分離蛋白的壁材復配質量比為4.5∶1.0,水與壁材體積質量比為7.5∶1.0的條件下進行單因素實驗[12],觀察各因素對山桐子油微膠囊包埋率的影響,實驗設計見表 1。

表1 山桐子油微膠囊包埋因素水平表

1.4.2 響應面優化實驗

根據單因素實驗結果,以山桐子微膠囊包埋率[18]為響應值,利用Box-Behnken響應面方法進行3因素3水平響應面實驗設計。

以單因素的實驗結果設計響應面對工藝優化,設計表見表3。

表2 響應面因素與水平表

表3 響應面設計實驗與結果

1.5 山桐子油微膠囊激光共聚焦顯微鏡觀察

將少許山桐子油微膠囊粉末置于觀察片上,放入激光共聚焦顯微鏡進行觀察山桐子微膠囊樣品的微觀結構。

1.6 氧化穩定性測定

將山桐子油和山桐子油微膠囊常溫儲藏7 d和30 d,使用氧化穩定性指數法(OSI)測試山桐子油和山桐子油微膠囊OSI值,運用油脂氧化穩定性分析儀測出油脂的OSI值,OSI值可以表示山桐子油的氧化穩定性[19],通過常溫存放的山桐子油和山桐子油微膠囊測出OSI值并記錄,同時在等條件下測試出山桐子油和山桐子油微膠囊的酸價和過氧化值進行對比,參考行業標準LS/T 3258—2018《山桐子油》酸價(KOH)≤3 mg/g;過氧化值≤0.25 g/100 g從而推導出保質期。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 壁材與芯材質量比對山桐子油微膠囊包埋率的影響

由圖1可見,在水的體積與壁材的質量比為7.5∶1.0,麥芽糊精質量與大豆分離蛋白的質量比4.5∶ 1.0,在溫度165 ℃下進行噴霧干燥得山桐子油微膠囊,隨著山桐子油所占比例降低,山桐子油微膠囊包埋率先增高后下降,壁材與芯材質量比為5.5∶1.0時山桐子油微膠囊包埋率達到最高。在壁材與芯材質量比低于5.5∶1.0時,山桐子油含量高,麥芽糊精和大豆分離蛋白只能包埋少部分山桐子油;當麥芽糊精和大豆分離蛋白質量與山桐子油質量比高于5.5∶1.0時,山桐子油在乳化液體系中擴散不均勻,使濃度降低,從而被包埋的山桐子油脂含量降低,使山桐子油微膠囊的包埋率降低。

圖1 單因素實驗圖

2.1.2 麥芽糊精與大豆分離蛋白的壁材復配質量比對山桐子油微膠囊包埋率的影響

由圖1可見,在水的體積與壁材的質量比為7.5∶1.0,壁材與芯材質量比4.5∶ 1.0,溫度165 ℃下進行噴霧干燥得山桐子油微膠囊,山桐子油微膠囊包埋率隨麥芽糊精與大豆分離蛋白的壁材復配質量比麥芽糊精所占比例升高,山桐子油微膠囊的包埋率先升高后降低,在麥芽糊精質量與大豆分離蛋白的質量比3.5∶1.0時山桐子油微膠囊包埋率達到最高,麥芽糊精質量與大豆分離蛋白的質量比低于3.5∶1.0時,乳化液黏度降低,麥芽糊精、大豆分離蛋白與山桐子油混合效果不理想,從而包埋率降低;麥芽糊精質量與大豆分離蛋白比高于3.5∶1.0時山桐子油乳化液體系就會變黏稠,山桐子油進入麥芽糊精和大豆分離蛋白孔隙中非常困難,山桐子油被麥芽糊精和大豆分離蛋白包埋得少,山桐子油微膠囊包埋率會呈下降趨勢。

2.1.3 水與壁材質量比對山桐子油微膠囊包埋率的影響

由圖1可見,在壁材與芯材質量比4.5∶1.0,麥芽糊精質量與大豆分離蛋白的質量比4.5∶1.0,溫度165 ℃下進行噴霧干燥得山桐子油微膠囊,山桐子油微膠囊包埋率隨水與壁材質量比水所占比例升高,山桐子油微膠囊的包埋率先升高后降低,在水與壁材質量比7.5∶1.0時,山桐子油微膠囊包埋率達到最高,當水與壁材質量比低于7.5∶1.0時,乳化液黏稠度不夠,壁材對芯材包埋率降低;當水與壁材質量比高于7.5∶1.0時,壁材濃度降低,再加上純凈水和山桐子油難相溶,山桐子油與麥芽糊精和大豆分離蛋白混合不好,從而使山桐子油微膠囊包埋效果不佳。

2.2 響應面設計結果分析

根據因素水平表,利用Design-Expert.V8.0.6.1軟件設計出實驗組,結果見表3,通過軟件對數據進行二次多項式回歸擬合,山桐子油微膠囊包埋率(Y)回歸方程:

Y=83.64-3.65A-5.19B-2.20C+1.89AB+0.23AC-1.37BC-9.35A2-6.43B2-4.80C2

為證明回歸方程的有效性及三因素和因變量的影響,現對回歸方程進行方差分析和顯著性分析,詳情見表4。

表4 山桐子油微膠囊包埋率方差分析及顯著性結果

2.3 激光共聚焦LSM顯微鏡圖

由圖2a可知,山桐子油微膠囊在受熱均勻條件下包埋油脂較多,顆粒飽滿,形狀規則;在圖2b中,山桐子油微膠囊在噴霧干燥塔里停留時間長或者加熱時間長時,導致微膠囊失水出現褶皺;在圖2c中,山桐子油微膠囊在噴霧干燥塔里受熱不均,微膠囊內部水分未均勻蒸發從而形成氣孔導致微膠囊出現氣孔凹陷,未包埋完全。

圖2 激光共聚焦LSM顯微鏡圖

2.4 氧化性實驗

將山桐子油和山桐子油微膠囊常溫儲藏7 d和30 d,然后用油脂氧化穩定性分析儀器測出油脂的OSI值,然后與保質期進行對比,充分證明山桐子油微膠囊的制備對山桐子油具有保護作用,30 d后山桐子油微膠囊油的OSI及保質期限比常溫存放的山桐子油要高,詳情見表5。

表5 山桐子油OSI 值的變化表

3 結論

利用噴霧干燥技術,考察山桐子油微膠囊的包埋率受壁壁材與芯材質量比、麥芽糊精與大豆分離蛋白的壁材復配質量比、水與壁材質量比等條件的影響,在單因素試驗的基礎上,利用響應面中心組合方法優化山桐子油噴霧干燥制備微膠囊最佳工藝參數:壁材與芯材質量比為4.8∶1.0,麥芽糊精與大豆分離蛋白的壁材復配質量比為2.6∶1.0,水與壁材體積質量比為6.8∶1.0的條件下,山桐子油微膠囊包埋率達到84.22%。研究得出山桐子油微膠囊對油脂有保護作用,具有良好的抗氧化能力,貨架保質期限較長。