辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋共轭亚油酸工艺的研究

周 正, 陈存社

(北京工商大学食品学院,北京 100048)

辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋共轭亚油酸工艺的研究

周 正, 陈存社*

(北京工商大学食品学院,北京 100048)

以辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材包埋共轭亚油酸,通过响应面法优化包埋条件,得到共轭亚油酸微胶囊化的最佳条件为芯壁比1∶2.87,包埋时间1.56 h,包埋温度42℃,包埋率为93.22%.通过喷雾干燥得到共轭亚油酸微囊粉,在电子扫描显微镜下观察,粉末颗粒饱满紧密,排列整齐,颗粒表面出现无规则凹陷.

辛烯基琥珀酸淀粉酯;共轭亚油酸;微胶囊;喷雾干燥

共轭亚油酸(conjugated linoleic acid,CLA)是具有18个碳且含有共轭双键的脂肪酸,是亚油酸的几何以及位置异构体[1].最新营养学和药理学研究表明,共轭亚油酸具有抗癌,抗动脉粥样硬化,提高机体免疫功能和改善脂肪代谢等重要作用[2-6],在医药、保健品等领域具有广阔应用前景.但共轭亚油酸具有高度不饱和性,稳定性较差,容易被空气氧化.微胶囊技术是将液体芯材通过壁材包裹起来形成微小颗粒的粉末化技术[7].将共轭亚油酸微胶囊化,可以提高共轭亚油酸的抗氧化能力,增加水溶性,延长货架期,同时共轭亚油酸微胶囊便于添加到酸奶、奶粉等产品中,增加产品的功能性[8].

喷雾干燥技术最适于亲油物料的微胶囊化,且生产成本低,易于工业化[9].辛烯基琥珀酸淀粉酯是微胶囊化的重要壁材,是一种亲水、亲油的变性淀粉,有良好的乳化性能和成膜性能,还具有低黏度、易干燥等特点[10-13].辛烯基琥珀酸淀粉酯作为壁材制备微胶囊粉具有安全性、合法性,在国内已被广泛应用.如张燕萍等[14]分别以辛烯基琥珀酸淀粉酯和阿拉伯树胶为壁材研究色拉油微胶囊体系,证明以辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材微胶囊的包埋效率以及贮藏稳定性均优于阿拉伯树胶.

本研究以辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材,对功能性强而稳定性差的共轭亚油酸进行微胶囊处理,类似研究至今未见报道.本研究的目的是研究CLA微胶囊化的最佳工艺条件,并探索喷雾干燥后微胶囊粉末的微观结构,为今后的工业化生产提供理论依据.

1 材料与仪器

1.1 材料与试剂

共轭亚油酸(CLA,三酰甘油形式),质量分数70%,青岛澳海生物有限公司;辛烯基琥珀酸淀粉酯、单甘酯、蔗糖酯、六偏磷酸钠、三磷酸钠均为食品级,迪朗生物有限公司;正己烷、无水乙醇、无水乙醚、石油醚均为分析纯,北京化工厂.

1.2 仪器与设备

WZJ100型磁力搅拌器,济南倍力技术工程有限公司;HH-6型数显恒温水浴锅,金坛市杰瑞尔电器有限公司;JA5003型电子天平,上海精密科学仪器有限公司天平仪器厂;RE-52AA型旋转蒸发仪,德

2 实验方法

2.1 共轭亚油酸微胶囊的制备

取一定量辛烯基琥珀酸淀粉酯,在蒸馏水中完全溶解后,加入乳化剂,同时缓慢持续加入共轭亚油酸,确保共轭亚油酸被充分包埋,电磁搅拌器高速搅拌一段时间后,进行喷雾干燥(条件为进风温度150 ℃,热空气流量32m3/h).

2.2 微胶囊包埋率测定方法

2.2.1 微胶囊表面油含量测定

准确称取2 g(准确至0.000 1 g)微囊粉于大试管中,加入一定量石油醚,剧烈震荡3min,转移上层石油醚,反复数次.合并石油醚,浓缩,将浓缩液置于己称量的干燥表面皿中,挥干剩余石油醚,用减重法得出2 g产品表面油的重量.

2.2.2 微胶囊总油含量测定

准确称取2 g(准确至0.000 1 g)微囊粉,加入水溶解,于超声波清洗器超声破碎10 min,加入一定量石油醚使油转入有机相中.转移上层石油醚,反复数次至无油相.合并石油醚,浓缩,将浓缩液置于己称质量的干燥表面皿中,挥干剩余石油醚,减重法得出2 g微囊粉中总油质量.

微囊粉包埋率(%)=(产品总油的质量-产品表面油的质量)/产品总油的质量×100%.

2.3 辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋共轭亚油酸实验

芯壁比分别为1∶2,1∶3,1∶4,1∶5,1∶6,包埋温度分别为20,30,40,50,60,70℃,包埋时间分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 h,加入总体积为50mL的乳化剂,固形物含量为20%～30%.干燥方式采用喷雾干燥,测定不同芯壁比、不同包埋温度,不同包埋时间对包埋率的影响.

2.4 共轭亚油酸包埋条件优化

利用Box-Benhnken的中心组合实验,根据单因素的实验结果,选取芯材:壁材(A)、包埋时间(B)、包埋温度(C)对共轭亚油酸包埋率影响显著的3个因素,以共轭亚油酸包埋率为响应值(Y),进行响应面试验.因素与水平见表1.

表1 响应面设计的因素与水平Tab.1 Factors and levels of response surfacemethod

2.5 电镜扫描喷雾干燥的共轭亚油酸微胶囊粉末

将制好的共轭亚油酸微胶囊乳状液通过蠕动泵输送到干燥塔顶,进行喷雾干燥.称取一定量喷雾干燥微囊粉经过固定、脱水处理后备用,将少许的微胶囊粉末均匀固定在贴胶的电镜进样台上,放入HVS-SGB喷金机,真空条件下进行样品的喷金,然后固定在载物台上,置于扫描电子显微镜下观察不同干燥工艺后微囊粉颗粒微观结构,加速电压为20 kV.

3 结果与讨论

3.1 芯材壁材比对包埋率的影响

由芯壁比对微囊粉包埋率影响实验得图1,在温度和包埋时间一定条件下,微囊粉包埋率在芯材∶壁材为1∶1,1∶2,1∶3时包埋率上升,主要因为高速搅拌下大量的辛烯基琥珀酸淀粉酯能够与共轭亚油酸充分接触,包埋更完全.在芯材∶壁材为1∶4,1∶5时,包埋率基本不变,在1∶6时略有下降,主要是因为辛烯基琥珀酸淀粉酯过量,油脂含量降低,误差增大造成.芯材∶壁材为1∶3时达到最大,包埋率为93.24%±1.2%.

图1 芯壁比对微囊粉包埋率的影响Fig.1 Effect of core wall ratio on embedding rate

3.2 包埋时间对包埋率的影响

在芯壁比和包埋温度一定条件下,共轭亚油酸微囊粉包埋率随时间的变化如图2.搅拌包埋时间增长,微囊粉包埋率相应提高,在1.5 h微囊粉包埋率为90.34%±1.5%,但搅拌包埋时间过长,液滴直径越小,表面能变高,油滴有趋于聚合的趋势,导致包埋率下降.

图2 包埋时间对微囊粉包埋率的影响Fig.2 Effect of time on embedding rate

3.3 包埋温度对包埋率的影响

在芯壁比和包埋时间一定条件下,共轭亚油酸微囊粉包埋率随温度的变化如图3,由图3可看出,温度升高包埋率上升,40℃时包埋率达到最大值为95.52%±0.7%;温度继续升高,包埋率下降明显,可能因为共轭亚油酸分子运动加快,不利于包埋过程的进行,同时辛烯基琥珀酸淀粉受温度影响较大.

图3 包埋温度对微囊粉包埋率的影响Fig.3 Effect of different temperatures on embedding rate

3.4 微囊粉包埋方法的响应面试验分析

由分析方案及试验结果得到表2.

利用响应面统计方法拟合试验数据,得到芯壁比、包埋时间、包埋温度的编码方程,见式(1).

由方程一次项回归系数绝对值得出各响应因子对响应值的影响程度大小依次为:芯壁比(A)＞温度(C)＞时间(B).

通过Design-Expert软件进行二次回归分析,得到回归模型,建立的二次回归实际模型方程见式(2).利用方差分析检验方程的有效性,结果见表3.

表2 响应面分析方案与试验结果Tab.2 Experimental program and experimental results of response surface analysis

表3 回归模型的方差分析Tab.3 Analysis of variance of regression model

由表3中的二次回归模型的方差分析结果可见,该模型能很好地解释数据的差异性.芯壁比一次项和芯壁比及时间的平方项对CLA微囊粉化工艺中包埋率的影响是极其显著(p＜0.01),时间的一次项和芯壁比与时间交互不显著(p＞0.05).芯壁比和温度、时间和温度交互显著(p＜0.05),AdjR -Squaredr2=0.911 3为模型的调整确定系数,表明此模型可解释91.13%数据的变异性.进而可证明该模型拟合程度好,试验误差小,可以对CLA微囊粉化工艺进行分析和预测.模型的失拟项P值为0.413 8,证明失拟项不显著(P＞0.05),说明模型有较好的稳定性,无失拟因素存在,可用该回归方程代替试验真实点对实验结果进行分析,能很好地预测CLA微囊粉化工艺中包埋率的变化.

通过回归方程绘制芯壁比、包埋温度、包埋时间3个因素对包埋率的影响响应面图,通过响应面分析图和等高线图,考察响应曲面图形的拟合程度.

绘制包埋时间和芯壁比对包埋率影响的响应面立体分析图和等高分析图,得到图4.由图4可知,当包合时间在1.5 h不变时,芯壁比为1∶2至1∶4, CLA微囊粉的包埋率呈现先升高后降低的趋势,芯壁比和时间交互不显著(p＞0.05).

绘制芯壁比和包埋温度对包埋率影响的响应面立体分析图和等高分析图,得到图5.由图5得知,当芯壁比在1∶3不变时,包合温度为40～60℃,CLA微囊粉包埋率先升高后下降.温度和芯壁比两者交互显著(p＜0.05).

绘制包埋温度和包埋时间对包埋率影响的响应面立体分析图和等高分析图,得到图6.由图6得知,当温度在30℃不变时,时间为0.5～2 h,CLA微囊粉包埋率先升高后降低,曲线较平缓,温度和包合时间两者交互显著(p＜0.05).

应用Design-Expert软件运算得出最佳工艺条件:芯壁比为1∶2.87,包埋时间为1.56 h,包埋温度为42.01℃,预测最大包埋率为93.096%.

图4 芯壁比与温度的响应面分析与等高线图Fig.4 Response surface plot and contour chart on core wall ratio and temperature

图5 芯壁比与时间的响应面分析与等高线图Fig.5 Response surface plot and contour chartof corewall ratio and time

3.5 重复性实验

取一定量CLA放入100 mL烧杯中,在最佳芯壁比为1∶2.87,包埋时间为1.56 h,包埋温度为42℃,重复实验3次取平均值,验证实验结果见表4.辛烯基琥珀酸淀粉酯在最佳工艺条件下对共轭亚油酸进行包埋,包埋率重复性较好,平均值为93.22%.

图6 温度与时间的响应面分析与等高线图Fig.6 Response surface plot and contour chart of temperature and time

表4 验证实验结果Tab.4 Verification test %

3.6 共轭亚油酸微胶囊喷雾干燥

喷雾干燥粉末粒子为颗粒状,分散均匀,是在喷雾过程中微囊粉粒子迅速干燥形成的独立颗粒.喷雾干燥便于产品的工业化生产,极短的干燥时间能保护芯材性状,能源消耗相对较少,喷雾过程能较好保护芯材与壁材.但产品含水量稍高,不利于产品保藏;空气流速、温度、压力对产品影响很大,干燥条件影响产品性质.

3.7 电镜扫描结果

图7 喷雾干燥的微囊粉放大1 000倍微观结构Fig.7 Microstructure of spray drying powder(×1 000)

图8 喷雾干燥的微囊粉放大5 000倍微观结构Fig.8 Microstructure of spray drying powder(×5 000)

图9 喷雾干燥的微囊粉放大10 000倍微观结构Fig.9 Microstructure of spray drying powder(×10 000)

通过扫描电子显微镜对喷雾干燥的样品进行微观结构观察,结果见图7至图9.扫描照片图像放大倍数分别为1 000倍,5 000倍,10 000倍.由图7可见,通过喷雾干燥工艺制备的粉末颗粒排列整齐、紧密、饱满.颗粒表面有凹陷,有极少部分的小颗粒,粉末颗粒囊壁完整,没有出现裂痕及孔洞等.粉末成分单一,没有出现其他固体颗粒.由8可见,喷雾干燥粉末颗粒均出现凹陷,且成无规则现象.当图像倍数放大至10 000倍时(图9),发现颗粒大小区别较大,原因是均质时间短,导致CLA没有完全分散开就被辛烯基琥珀酸变性淀粉包埋,颗粒表面光滑圆润饱满,部分出现凹陷.通过微观结构观察和喷雾干燥分子运动过程,分析出现这一现象的原因是微乳液在进行喷雾干燥时,入口温度过高,乳液在高速喷出时具有较高的温度,水蒸发的同时带走大量热量,导致囊壁内部压力下降,囊壁收缩.微观结构显示喷雾干燥后微胶囊颗粒为直径6μm且饱满光滑的乳白色圆形颗粒.

4 结 论

利用辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材包埋共轭亚油酸,通过单因素实验和响应面分析方法,得出包埋的最优条件为芯壁比1∶2.87,包埋时间1.56 h,包埋温度42℃,预测最大包埋率93.096%.验证实验表明,在此条件下,辛烯基琥珀酸淀粉酯实际包埋率为93.22%.

对微胶囊溶液进行喷雾干燥,利用电子显微镜观察粉末的微观结构,放大倍数为1 000倍,5 000倍和10 000倍.发现通过喷雾干燥工艺制备的粉末颗粒排列整齐,形态饱满,囊壁完整,粉末成分单一,颗粒表面出现无规则凹陷,原因是喷雾干燥时,入口温度过高,导致囊壁内部压力下降,囊壁收缩.

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M icrocapsules of Conjugated Linoleic Acid by Sodium Octenylsuccinate Starch

ZHOU Zheng, CHEN Cunshe*
(School of Food and Chemical Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

In this study,conjugated linoleic acid was embedded by sodium octenylsuccinate starch. Through the response surfacemethodology experiment,the optimum parameters of conjugated linoleic acid microcapsulation were as follows:corematerial/wallmaterial 1∶2.87,embedding time 1.56 h,and embedding temperature42℃.Under this optimum condition,encapsulation percentage of conjugated linoleic acidmicrocapsulation was 93.22%.Microencapsulated powder particles after spray drying was plump, inseparable,orderliness,and smooth through the scanning electron microscopy.

sodium octenylsuccinate starch;conjugated linoleic acid;microcapsule;spray drying

TS224.8

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.04.007

2095-6002(2014)04-0035-06

2013-12-12

北京市教委科技计划重点资助项目(KZ20110011013).

周 正,女,硕士研究生,研究方向为功能性油脂;*陈存社,男,教授,博士,主要从事微生物发酵方面的研究.通讯作者.国IKA公司;Himac CR 22G型高速均质机,日本Hitachi公司;VEGAⅡ-LMH型扫描电子显微镜,捷克TESCAN公司;SRJX型显微镜,上海和呈仪器制造有限公司;Mobile Minor实验型喷雾干燥机,北京霍尔斯生物科技有限公司.

(责任编辑:叶红波)

周正,陈存社.辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋共轭亚油酸工艺的研究.食品科学技术学报,2014,32(4):35-40. ZHOU Zheng,CHEN Cunshe.Microcapsules of conjugated linoleic acid by sodium octenylsuccinate starch.Journal of Food Science and Technology,2014,32(4):35-40.