基于喷雾干燥技术制备自乳化鱼油微胶囊的工艺优化

黄善军，李军杰，熊善柏,2,3，刘 茹,2,3

(1.华中农业大学 食品科技学院，武汉 430070；2.水产高效健康生产湖南省协同创新中心，湖南 常德415000；3.国家大宗淡水鱼加工技术研发分中心，武汉 430070)

粉末油脂

基于喷雾干燥技术制备自乳化鱼油微胶囊的工艺优化

黄善军1,3，李军杰1，熊善柏1,2,3，刘 茹1,2,3

(1.华中农业大学 食品科技学院，武汉 430070；2.水产高效健康生产湖南省协同创新中心，湖南 常德415000；3.国家大宗淡水鱼加工技术研发分中心，武汉 430070)

以自乳化性良好的低黏度辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSA-S)和麦芽糊精(MD)为复配壁材，采用喷雾干燥法制备鱼油微胶囊，研究OSA-S与MD复配比、固形物含量、芯壁比、均质压力和进风温度对鱼油乳液及微胶囊化鱼油物理性能的影响，并利用单因素试验优化其制备条件。通过分析确定适宜的制备条件为：OSA-S与MD复配比3∶2，固形物含量30%，芯壁比1∶3，均质压力30 MPa，进风温度190.℃。

鱼油；微胶囊；自乳化；辛烯基琥珀酸淀粉酯；喷雾干燥

Abstract：With mixture of low-viscosity octenylsuccinate-starch (OSA-S) with good self-emulsifying property and maltodextrin (MD) as wall materials,the fish oil microcapsule was prepared by spray drying.The effects of ratio of OSA-S to MD,solid content,ratio of core to wall,homogenization pressure and inlet air temperature on physical properties of fish oil emulsion and microcapsule were investigated.The preparation conditions were optimized by single factor test.The optimal conditions were determined as follows: ratio of OSA-S to MD 3∶2,solid content 30%,ratio of core to wall 1∶3,homogenization pressure 30 MPa and inlet air temperature 190.℃.

Keywords：fish oil; microcapsule; self-emulsified; octenylsuccinate-starch; spray drying

鱼油中富含多不饱和脂肪酸，尤其是二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)，对防治心血管疾病、提高视力和健脑益智具有重要作用[1-2]。世界卫生组织建议每人每天摄入0.3～0.5 g的EPA和DHA，然而全球平均消费量低于此推荐量[3]，因此鱼油逐渐成为功能油脂领域的研究热点。但是，鱼油本身具有鱼腥味，不溶于水，所含的不饱和脂肪酸遇氧、光和热后极易氧化酸败，将鱼油微胶囊化不仅能隔离环境中的氧、光和热，抑制鱼油氧化，延长货架期，还便于鱼油的使用、运输和贮藏[4]，并且确保了鱼油的保健功能不丧失，有利于开发新型功能产品。

微胶囊技术是利用天然或合成高分子材料，将分散物质包裹起来，形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子的技术[5]。近年来，微胶囊技术对食品工业，尤其是对功能性成分与保健食品的发展起到了日益重要的作用[6]。微胶囊技术中，壁材的选择和组成对鱼油微胶囊的性质至关重要，也是获得包埋率高、性能优越的微胶囊产品的重要条件之一[7]。传统的鱼油微胶囊技术都需要添加食品乳化剂，而乳化剂的摄入会对人体产生潜在的危害[8-9]，因此探寻一种不需乳化剂即可自乳化的微胶囊壁材和技术尤为重要。低黏度的辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSA-S)是由原淀粉经辛烯基琥珀酸酐酯化改性而来，它同时含有亲水性的多糖链羧基和疏水性的辛烯基侧链，具有低热量、乳化性好和黏度低等优点，已成为一种重要的微胶囊壁材[10]。直接将OSA-S与鱼油均质乳化进行喷雾干燥即可得粉末油脂，不需要再添加其他乳化剂[11]，但当其包埋易氧化的芯材时，微胶囊化产品的氧化稳定性较差[12]。单一壁材大多数很难制备出高包埋率的鱼油微胶囊，因此实际应用中往往根据壁材各自的物理化学特性，将两种或两种以上壁材进行复配[13]。麦芽糊精(MD)乳化性差，但因具有补充包埋、增强油脂抗氧化性等功能而常作为壁材填充剂[14-15]。

本研究是以低黏度的OSA-S为主要壁材，研究不同工艺条件(OSA-S与MD复配比、固形物含量、均质压力、芯壁比及进风温度)制得的鱼油乳液特性及其对微胶囊化的影响，通过测定乳液在不同条件下的黏度、粒径及其分布和微胶囊包埋率、产率的变化规律，研究乳液特性与微胶囊化效果之间的内在联系，为后续制备工艺的优化提供数据基础和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原料与试剂

精制鱼油：无锡迅达海洋生物制品厂；辛烯基琥珀酸淀粉酯(HI-CAP 100)：国民淀粉工业有限公司；麦芽糊精：西王淀粉集团有限公司。冰乙酸、乙醚、乙醇、石油醚(沸程30～60.℃)等均为分析纯。

1.1.2 仪器与设备

IKA-T18型高速分散均质机：德国IKA公司；JHG型高压均质机；SD-1500型喷雾干燥机；LVDV-Ⅱ型旋转黏度计：美国Brookfield公司；Mastersizer 2000激光粒度分布仪：英国Malvern公司；CR-400色彩色差计：柯尼卡美能达公司；JSM-6390PLV型扫描电子显微镜：日本Hitachi公司。

1.2 试验方法

1.2.1 喷雾干燥法制备鱼油微胶囊

称取一定比例的OSA-S和MD，用蒸馏水配成1 000 mL不同质量分数的悬浮液(以干物质计)，沸水浴10 min后冷却至室温；按一定比例的芯壁比将鱼油倒入悬浮液中，先用高速分散均质机在10 000 r/min下初步混匀5 min，后经高压均质机在一定均质压力下将混合液乳化均质10 min。在一定进风温度下将制备的乳液立即进行喷雾干燥，固定进料流量220 mL/h，喷雾压力0.2 MPa，出风温度80.℃。喷雾干燥粉末收集于密封袋中，在4.℃下避光储存2 d。取样前使样品恢复至室温，测定其相关指标。

首先选定固形物含量30%，芯壁比1∶3，均质压力30 MPa，进风温度180.℃，筛选出OSA-S与MD的最适复配比，然后基于以上条件进行单因素试验，优选适宜制备工艺参数。

1.2.2 鱼油乳液性能的表征

1.2.2.1 鱼油乳液黏度的测定

将高压均质后的鱼油乳液倒入旋转黏度计的测量杯中，25.℃下保温2 min，于同一转子下以100 r/min的转速测定黏度。

1.2.2.2 鱼油乳液粒径的测定

将制备的鱼油乳液装入10 mL离心管，超声混匀处理15 min，然后用吸管吸取一定量加入分散剂(水)中，采用激光粒度分布仪测定不同工艺条件下制备的乳液粒径。测量条件：颗粒折射率为1.520，颗粒吸收率为0.000 1，分散剂折射率为1.330。以D(3,2)表征乳液的平均粒径[16]。

1.2.3 鱼油微胶囊包埋率和产率的测定

鱼油微胶囊表面油含量的测定采用石油醚萃取间接测定法[17]；总油的提取参考王芳[18]的方法。

鱼油微胶囊包埋率按式(1)计算，鱼油微胶囊产率按式(2)计算。

(1)

(2)

1.2.4 水分含量的测定

参照GB 5009.3—2010 105.℃恒重法。

1.2.5 白度的测定

将鱼油微胶囊均匀平铺于培养皿中，厚度约3 cm。色彩色差计经过校正后，室温下测定微胶囊的L*、a*、b*值，按照式(3)计算白度(W)。

(3)

式中：L*代表亮度，a*代表红-绿度，b*代表黄-蓝度。

1.2.6 数据分析

所有试验重复3次，利用Origin 9.0软件作图，使用SPSS 22.0软件进行方差分析，显著性水平设定为P<0.05，结果以“平均值±标准偏差”表示。

2 结果与分析

2.1 OSA-S与MD复配比对鱼油乳液特性及其微胶囊化效果的影响

2.1.1 OSA-S与MD复配比对鱼油乳液特性的影响(见图1)

注：字母不同代表条件之间差异显著(P<0.05)，下同。

图1OSA-S与MD复配比对鱼油乳液特性的影响

由图1(a)可知，随着MD占复配壁材比例的增加，鱼油乳液的黏度从22.30 mPa·s逐渐降低到14.10 mPa·s，表明MD的添加能够显著降低鱼油乳液的黏度，更利于喷雾干燥。类似地，当MD与OSA-S复配作为虾青素微胶囊的壁材时，可降低壁材溶液的黏度[19]，向阿拉伯胶中加入一定量的MD也可适当降低乳液黏度[20]。显著性分析发现，OSA-S与MD复配比为3∶1的鱼油乳液的平均粒径显著高于复配比为4∶1的(P<0.05)，而其他几种复配比的粒径与复配比为4∶1的均无显著性差异(P>0.05)。由图1(b)可知，鱼油乳液的粒径分布均为单峰，且在0.1～1 μm之间，其中OSA-S与MD复配比为3∶1时分布峰明显宽于其他复配比的峰，说明OSA-S与MD复配比为3∶1时鱼油乳液的粒径相对较大，且分布的均匀性也低于其他几个复配比[21]。

2.1.2 OSA-S与MD复配比对微胶囊包埋率和产率的影响(见图2)

由图2可知，微胶囊包埋率随着MD所占比例的增加呈现先增大后减小的趋势，这可能是由于一定浓度的MD用作填充剂，提高了微胶囊囊膜的厚度、强度和致密性[22]。然而MD自身缺乏乳化性，过多的加入会降低壁材的乳化性[23]，从而导致包埋率下降。微胶囊的产率随着MD所占比例的增加先减小后增大，在OSA-S与MD复配比2∶1时达到最小值83.91%。当OSA-S与MD复配比为3∶2时包埋率达到最大值，随后在复配比3∶2条件下进行微胶囊制备工艺的进一步优化。

图2 OSA-S与MD复配比对微胶囊包埋率和产率的影响

2.2 固形物含量对鱼油乳液特性及其微胶囊化效果的影响

2.2.1 固形物含量对鱼油乳液特性的影响(见图3)

图3 固形物含量对鱼油乳液特性的影响

由图3(a)可知，当固形物含量从10%增加到40%，鱼油乳液的黏度不断增大，这是因为随着固形物含量的增大，分子间作用力增强，因而会增加鱼油乳液的黏度和乳化能力，有利于壁材与鱼油的充分接触与乳化[24]。乳液平均粒径在固形物含量10%～30%范围内无显著性变化，进一步增加固形物含量，粒径呈先上升后下降的趋势，于固形物含量35%时达到最大值。由图3(b)可知，除固形物含量35%和40%以外，较低固形物含量(10%～30%)乳液的粒径均呈单峰分布，说明较低浓度乳液的均匀性较好，乳化效果也更好些，这与高浓度下乳液较高的黏度不利于壁材与芯材的乳化及均匀分散有关。

2.2.2 固形物含量对微胶囊包埋率和产率的影响(见图4)

图4 固形物含量对微胶囊包埋率和产率的影响

由图4可知，随着固形物含量从10%提高到20%，微胶囊的包埋率显著增大，这是由于高浓度的固形物可促进喷雾干燥过程中囊壁的快速形成和致密性的提高，使得包埋率显著增大。但固形物含量在20%～35%范围内微胶囊的包埋率无显著变化，进一步增大固形物含量到40%又会显著降低微胶囊的包埋率，这是由于固形物含量的提高会显著增大鱼油乳液的黏度，过高的黏度则不利于均质过程中壁材和芯材的乳化，进而影响喷雾干燥的进行和微胶囊包埋效果，导致包埋率和产率的下降[25]。当固形物含量增加到30%时，包埋率达到最大，且产率适中。所以，选择固形物含量30%较适宜。

2.3 芯壁比对鱼油乳液特性及其微胶囊化效果的影响

2.3.1 芯壁比对鱼油乳液特性的影响(见图5)

图5 芯壁比对鱼油乳液特性的影响

由图5(a)可知，乳液黏度随着芯壁比增加而逐渐增大，鱼油载量过高会使壁材与鱼油之间的乳化不充分，且乳液静置一段时间易出现明显的分层现象。芯壁比从1∶4增加到2∶3时平均粒径无显著变化，说明该芯壁比范围内复配壁材能够稳定包裹不断增加的鱼油。当芯壁比增加到1∶1时，平均粒径显著增大，推测此时壁材已不能将芯材完全包裹，未被包裹的鱼油倾向于相互聚集，导致粒径增加[26]。由图5(b)可知，乳液的粒径均呈单峰分布，随着芯材比例的增加，粒径分布向大粒径方向偏移并逐渐变宽，表明鱼油与壁材乳化性变差。

2.3.2 芯壁比对微胶囊包埋率和产率的影响(见图6)

图6 芯壁比对微胶囊包埋率和产率的影响

由图6可知，随着芯壁比的增加，乳液黏度不断增大，喷雾干燥过程易粘壁，不利于微胶囊的制备，从而使得微胶囊的产率不断下降。微胶囊包埋率随着鱼油比例的增加呈现先增大后逐渐减小的趋势，于芯壁比为1∶3时达到最大值。这是由于乳液中芯材含量过高时，囊壁相对较薄，甚至有部分鱼油没被包埋，缩短其向粒子或空气扩散的路径，使表面油含量增加[27]，在蒸发成膜过程中鱼油氧化变质损失较大，因此包埋率呈现下降趋势。当芯壁比为1∶3时，壁材能够提供足够的表面活性物质以稳定乳液，此时鱼油微胶囊的包埋率最高。因此，选择合适的芯壁比为1∶3。

2.4 均质压力对鱼油乳液特性及其微胶囊化效果的影响

2.4.1 均质压力对鱼油乳液特性的影响(见图7)

由图7(a)可知，随着均质压力从20 MPa到40 MPa的不断增大，鱼油乳液的黏度和平均粒径均呈下降趋势，其中均质压力在20～30 MPa范围内，粒径下降得较显著，这是由于高压均质机的强烈撞击、剪切作用随着均质压力的增大而增强，使乳液中的颗粒得到更好的微细化，所以均质压力在一定范围内增大时，会使乳化微粒的粒径变小，但是当均质压力高于30 MPa时，平均粒径变化较小。由图7(b)可知，乳液的粒径均呈单峰分布，且较高的均质压力下该峰逐渐向小粒径偏移，峰宽也进一步变窄，表明增加均质压力有利于形成较小且均匀的液滴，乳液的稳定性及均一性得到很大程度的提高。

图7 均质压力对鱼油乳液特性的影响

2.4.2 均质压力对微胶囊包埋率和产率的影响(见图8)

图8 均质压力对微胶囊包埋率和产率的影响

由图8可知，随着均质压力增大，鱼油微胶囊包埋率先增大后减小，产率呈增大趋势。均质压力越高，液滴越小而均匀，有利于形成稳定的乳液，喷雾干燥过程中液滴内部油相颗粒向液滴表面迁移的可能性降低，微胶囊的表面油含量减小，因而包埋率上升。然而过高的均质压力对乳液的剪切作用过强，使得液滴的表面能增加，反而破坏了乳液的稳定性[28]。在均质压力30 MPa时，包埋率达到最大值91.32%。因此，选择适宜的均质压力为30 MPa。

2.5 进风温度对鱼油微胶囊化效果的影响(见图9)

由图9(a)可知，随着进风温度的升高，水分快速蒸发，微胶囊的水分含量从3.62%显著下降到 2.04%。进风温度在170.℃和180.℃时获得的鱼油微胶囊白度无显著差异，随着进风温度从180.℃升高到210.℃，白度显著减小，可能是温度过高导致部分鱼油发生氧化[29]。由图9(b)可知，升高进风温度，鱼油微胶囊的包埋率不断增大，产率先增大后减小，于190.℃达到最大值。这是因为进风温度的升高加快了喷雾干燥速率，促进水包油的液滴表面迅速形成完整致密的膜，减少了油滴的暴露[30]，从而提高了包埋率。但进风温度过高会使水分蒸发过快，加快壁材的浓缩成膜，阻碍了内部水分的蒸发，使液滴内压力较高[31]，易造成膜表面缺陷。综合考虑，选择适宜的进风温度为190.℃。

图9 进风温度对微胶囊特性的影响

综上所述，通过单因素试验得到适宜的工艺条件为：OSA-S与MD复配比3∶2，固形物含量30%，芯壁比1∶3，均质压力30 MPa，进风温度190.℃。

3 结 论

OSA-S具有良好的自乳化性，使制备的乳液具有较好的均一性和乳化稳定性。MD的添加能够显著降低鱼油乳液的黏度，鱼油乳液的粒径均呈单峰分布，更利于喷雾干燥；由于MD的填充作用，在一定范围内可提高微胶囊的包埋率。固形物含量和芯壁比的增加均会导致鱼油乳液的黏度不断增大，不利于乳液的均质乳化和喷雾干燥，降低了微胶囊的产率，而包埋率先增大后减小；低固形物含量(10%～30%)和低芯壁比(1∶4～2∶3)更有利于乳液的均质乳化，粒径小且分布峰集中，乳液均匀性更好。增大均质压力会降低鱼油乳液黏度和粒径，粒径在30 MPa后变化不显著，分布峰向小粒径偏移且变窄，乳液的均一稳定性得以进一步提高；但过高的均质压力会破坏乳液的稳定性，所以微胶囊包埋率先增大后减小，而产率先减小后增大。升高进风温度会降低鱼油微胶囊的水分含量和白度，当进风温度高于180.℃时获得的鱼油微胶囊白度显著减小，可能是温度过高导致部分鱼油发生氧化；微胶囊的包埋率不断增大，产率先增大后减小，在190.℃达到最大。总体而言，鱼油乳液粒径越小，乳液均一性和稳定性越好，微胶囊产品的包埋率越高；鱼油乳液黏度越大，产率越低。综合考虑，自乳化鱼油微胶囊制备的适宜工艺条件为：OSA-S与MD复配比3∶2，固形物含量30%，芯壁比1∶3，均质压力30 MPa，进风温度190.℃。

[1] 汪志明,余超,陆姝欢,等.DHA/EPA在心血管疾病防治中的重要作用[J].中国食品添加剂,2014(9): 164-170.

[2] ZHU X Y,LIN H M,CHEN X,et al.Mechanochemical-assisted extraction and antioxidant activities of kaempferol glycosides fromCamelliaoleiferaAbel.meal[J].J Agric Food Chem,2011,59(8): 3986-3993.

[3] ARABTEHRANY E,JACQUOT M,GAIANI C,et al.Ben-eficial effects and oxidative stability ofomega-3 long-chain polyunsaturated fatty acids[J].Trends Food Sci Technol,2012,25:24-33.

[4] 王艺颖,夏文水,许艳顺,等.壳聚糖微胶囊对淡水鱼油保护作用的研究[J].科学养鱼,2016(6):76-78.

[5] 洪梅,史宝军.微胶囊技术在饲料添加剂方面应用的研究进展[J].饲料广角,2016(4):37-38.

[6] ENCINA C,VERGARA C,GIMÉNEZ B,et al.Conventional spray-drying and future trends for the microencapsulation of fish oil[J].Trends Food Sci Technol,2016,56:46-60.

[7] 杨佳,侯占群,贺文浩，等.微胶囊壁材的分类及其性质比较[J].食品与发酵工业,2009,35(5):122-127.

[9] 高海涛,徐润,曹卫鑫,等.食品乳化剂相关的食品安全风险[J].食品工业科技,2015,36(23):280-284.

[10] 张正茂.大米淀粉的机械活化及其辛烯基琥珀酸酐酯化改性研究[D].武汉:华中农业大学,2010.

[11] 宋晓燕.早籼米辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备及其理化性质的研究[D].杭州：浙江大学,2006.

[12] 吴克刚.烯基琥珀酸淀粉酯乳液喷干微胶囊化关键技术[J].中国食品添加剂,2008(6): 54-57.

[13] 李军杰.鱼油的微胶囊化及其影响因素[J].中国油脂,2015,40(6): 19-23.

[14] BAE E K,LEE S J.Microencapsulation of avocado oil by spray drying using whey protein and maltodextrin[J].J Microencapsul,2008,25(8): 549-560.

[15] AGHBASHLO M,MOBLI H,MADADLOU A,et al.The correlation of wall material composition with flow characteristics and encapsulation behavior of fish oil emulsion[J].Food Res Int,2012,49(1):379-388.

[16] TIRGAR M,JINAP S,ZAIDUL I S M,et al.Suitable coating material for microencapsulation of spray-dried fish oil[J].J Food Sci Technol,2015,52(7):4441-4449.

[17] 李艳茹.汉麻籽油喷雾干燥微胶囊工艺的研究[J].中国粮油学报,2011,26(12):60-62.

[18] 王芳.淡水鱼鱼油的制备及微胶囊化研究[D].武汉：华中农业大学,2009.

[19] 黄文哲,杨哪,谢正军,等.喷雾干燥制备虾青素微胶囊的工艺研究[J].食品工业科技,2010(7):239-242.

[20] 袁长贵,邓林伟,杨艳,等.辛烯基琥珀酸淀粉酯作为微胶囊壁材的应用研究[J].中国食品添加剂,2008(1): 91-95.

[21] JINAPONG N,SUPHANTHARIKA M,JAMNONG P.Production of instant soymilk powders by ultrafiltration,spray drying and fluidized bed agglomeration[J].J Food Eng,2008,84(2):194-205.

[22] 吕军伟,杨贤庆,林婉玲,等.藻油的微胶囊化[J].食品与发酵工业,2015,41(7):75-80.

[23] 俞毅舒,童群义.四种复合壁材对微胶囊大豆油的性能影响[J].食品工业科技,2012,33(23): 69-72.

[24] 卢蓉蓉,张国农.喷雾干燥微胶囊技术中的玻璃化转变[J].中国乳品工业,2001,29(6): 24-27.

[25] 彭颖,姜子涛,李荣.辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋肉桂精油微胶囊的研究[J].中国调味品,2011,36(12):48-51,75.

[26] MCNAMEE B F,WHITE L E,O'RIORDAN E D,et al.Effect of partial replacement of gum arabic with carbohy-drates on itsmicroencapsulation properties[J].J Agric Food Chem,2001,49(7): 3385-3388.

[27] TONON R V,GROSSO C R F,HUBINGER M D.Influence of emulsion composition and inlet air temperature on the microencapsulation of flaxseed oil by spray drying[J].Food Res Int,2011,44(1):282-289.

[28] 刘盛楠,刘书来,丁玉庭.均质压力及喷雾干燥温度对鱼油微胶囊化的影响[J].食品科技,2012,37(10): 101-106.

[29] AGHBASHLO M,MOBLI H,RAFIEE S,et al.Energy and exergy analyses of the spray drying process of fish oil microencapsul[J].Biosyst Eng,2012,111(2):229-241.

[30] AGHBASHLO M,MOBLI H,MADADLOU A,et al.Influence of wall material and inlet drying air temperature on the microencapsulation of fish oil by spray drying[J].Food Bioprocess Technol,2013,6(6):1561-1569.

[31] 陈志雄,沈永贤,樊亚鸣,等.海带低极性成分的微胶囊化技术研究[J].食品科技,2013(12):75-79.

Optimizationofpreparationofself-emulsifiedfishoilmicrocapsulebyspraydrying

HUANG Shanjun1,3,LI Junjie1,XIONG Shanbai1,2,3,LIU Ru1,2,3

(1.College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China; 2.Collaborative Innovation Center for Efficient and Health Production of Fisheries in Hunan Province,Changde 415000,Hunan,China; 3.National R & D Branch Center for Conventional Freshwater Fish Processing (Wuhan),Wuhan 430070,China)

TS225.2;TS205

A

1003-7969(2017)09-0094-06

2016-11-30;

2017-04-17

现代农业产业技术体系建设专项基金(CARS-46-23)

黄善军(1993)，男，硕士研究生，研究方向为水产品加工及贮藏(E-mail)hsj512331@163.com。

刘 茹，副教授，博士(E-mail)liuru@mail.hzau.edu.cn。