蓝圆鱼油微胶囊的制备工艺优化及其稳定性

,, , ,,

(华南农业大学食品学院,广东广州 510642)

蓝圆鲹(Decapterusmaruadsi)又称巴浪鱼,生命周期短,生长速度快,属于暖水性中上层洄游类鱼类。全世界蓝圆鲹年渔获量超过500万吨,产量居世界所有单一渔捞种类第三位,而在中国的产量达到60多万吨[1]。但其肉质松软、肉色暗,离水后极易发生腐败及氧化变质[2]。海洋低值鱼加工成鱼油并在食品中应用是低值鱼高值化的主要途径之一[3]。蓝圆鲹鱼油主要成分为不饱和脂肪酸,相对含量59.57%,其中单不饱和脂肪酸含量27.14%,多不饱和脂肪酸含量32.43%,且主要为二十碳五烯酸7.86%,二十二碳六烯酸16.76%[4]。富含多不饱和脂肪酸的蓝圆鲹鱼油,因具有高度不饱和性,对外界环境如氧气、光和热极其敏感,易劣变,从而影响蓝圆鲹鱼油的贮藏稳定性和功能特性[5]。微胶囊化技术可在鱼油周围形成由壁材组成的保护层,减弱环境因素对鱼油的影响,有效的保持了鱼油的固有特性,而且具有一定的控释性能,是鱼油稳态化的有效措施[6]。采用微胶囊技术对含有丰富的多不饱和脂肪酸的鱼油进行微胶囊化,使鱼油周围形成由壁材组成的保护层,不仅能有效保护鱼油,减少外界环境(如O2、pH、水分、温度等)的破坏,防止鱼油见光分解、氧化、挥发[7]，而且能增加鱼油的流动性和分散性,囊壁能有效地控制鱼油的释放,提高消化吸收率,延长产品货架期[8]。此外,微胶囊化油脂更容易作为原料添加到食品中[9]。在微胶囊技术中,喷雾干燥法是一种应用范围最广、实用性最强、加工成本较低的微胶囊产品制备方法[10]。李梦凡等[11]采用喷雾干燥法制备微胶囊化罗非鱼油,包埋率可达95.9%,通过扫描电镜可观察到微胶囊具有较好包埋效果。喷雾干燥制备微胶囊技术在鱼油加工贮藏方面的应用,有利于鱼油制品朝着营养化、功能化、便携化方向发展。

基于此,本文以蓝圆鰺鱼油为原料,选择阿拉伯胶、明胶、海藻糖作为复配壁材,制备稳定的水包油型鱼油乳液,进而采用喷雾干燥技术制备鱼油微胶囊,通过单因素实验及响应面优化实验设计确定鱼油微胶囊的最佳制备工艺条件,并测定微胶囊的微观结构及稳定性,为蓝圆鰺鱼油微胶囊的产业化生产提供有益的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蓝圆鲹鱼油 实验室自制;明胶 天津市福晨化学试剂厂;阿拉伯树胶 天津市福晨化学试剂厂;海藻糖 上海凌峰化学试剂有限公司;石油醚 天津市富宇精细化工厂;氢氧化钠 国药集团化学试剂厂。

JOYN-8000喷雾干燥机 上海桥跃电子有限公司;FJ200-S型数显高速分散仪 上海嫩谷机电设备有限公司;SK2105多功能电磁炉 广东美的生活电器制有限公司;S-4800场发射扫描电子显微镜 日本日立Hitachi Limited;GJJ-0.03/40高压均质机 江西得利时机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 鱼油微胶囊的制备工艺 通过相关文献及前期实验,从乳液乳化稳定性、黏度和微胶囊产率三个方面综合考虑,选取了明胶、阿拉伯胶及海藻糖作为理想的壁材,确定其复配比为3∶5∶2，称取占纯化水质量比40%的壁材溶于60 ℃的纯化水中，用磁力搅拌器(30 ℃，200 r/min，30 min)充分搅拌均匀，随之加入占壁材25%的鱼油。通过高速分散(10000 r/min，3 min)、高压均质(30 MPa，2次),形成均匀的乳液,随后采用喷雾干燥法制备微胶囊化鱼油。

1.2.2 单因素实验

1.2.2.1 固形物含量对鱼油微胶囊包埋率的影响 在固定鱼油含量为20%、进(出)风温度为180 ℃(80 ℃)、进料速度为300 mL/h、雾化器频率为40 Hz的条件下,考察固形物含量(25%、30%、35%、40%、45%)对鱼油微胶囊包埋率的影响。

1.2.2.2 鱼油含量对鱼油微胶囊化包埋率的影响 在固定固形物含量为35%、进(出)风温度为180 ℃(80 ℃)、进料速度为300 mL/h的条件下,考察鱼油含量(20%、25%、30%、35%、40%)对鱼油微胶囊包埋率的影响。

1.2.2.3 进(出)风温度对鱼油微胶囊包埋率的影响 在固定鱼油含量为30%、固形物含量为35%、进料速度为300 mL/h的条件下,考察进(出)风温度(160(70)、170(75)、180(80)、190(85)、200 ℃(90 ℃))对鱼油微胶囊包埋率的影响。

1.2.2.4 进料速度对鱼油微胶囊包埋率的影响 在固定鱼油含量为30%、固形物含量为35%、进(出)风温度180 ℃(80 ℃)的条件下,考察进料速度(300、400、500、600、700、800 mL/h)对鱼油微胶囊包埋率的影响。

1.2.3 响应面优化实验 在单因素实验的基础上,根据Box-Behnken中心组合设计原理,选择鱼油含量(A)、固形物含量(B)、进(出)风温度(C)、进料速度(D)4个因素为自变量,以鱼油得率为响应值,采用Design-Expert 8.0.6软件设计四因素三水平的响应面分析实验,共29个实验点,其中24个为分析因子,5个为中心实验用以估计误差。各因素的编码值与真实值见表1。

表1 Box-Benhnken设计实验因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface analysis

1.2.4 微胶囊包埋率的测定[11]微胶囊包埋率(%)=(产品中总的鱼油含量-产品表面鱼油含量)/产品中总的鱼油含量×100

1.2.4.1 微胶囊鱼油表面油含量测定 称取鱼油微胶囊产品(m1),用30 mL石油醚在轻微振荡下准确浸提5 min,过滤。用5 mL石油醚洗涤滤渣,快速滤纸过滤,将滤液全部转移至已干燥至恒重(105 ℃)的圆底烧瓶(m2)中,40 ℃下旋转蒸干石油醚,105 ℃烘干至恒重称质量(m3)。计算油的质量即微胶囊表面油的质量。

表面油含量(%)=(m3-m2)/m1×100

1.2.4.2 微胶囊鱼油总油含量的测定 用石油醚作为溶剂,准确称取鱼油微胶囊产品(m1),加20 mL 40 ℃的超纯水,使样品充分溶解后,再加入40 mL石油醚-无水乙醇混合液(1∶1)充分萃取,重复萃取2次,合并萃取液,并全部转移至已恒重的圆底烧瓶(m2)中,萃取液旋转蒸发(40 ℃)大部分溶剂后再放入105 ℃烘箱中烘至质量恒定,称质量m3,得油的质量即微胶囊总油的质量。

总油含量(%)=(m3-m2)/m1×100

1.2.5 微胶囊的微观结构 利用扫描电镜(SEM)分析鱼油微胶囊产品在形貌上的特点,阐释产品性质和微观结构的关系[12]。在贴了双面胶的样品平台上撒上少量的微胶囊产品,用毛细管稍稍压实,使部分粉末陷入双面胶中,用刀片刮去表面粉末后,把多余的微胶囊吹净,随之置于离子溅射仪中在10 mA电流条件下喷金,使材料表面上镀上一层铂膜,然后用扫描电子显微镜观察微胶囊形态结构。

1.2.6 贮藏稳定性实验 将鱼油及鱼油微胶囊置于60 ℃烘箱中进行加速储藏实验,每隔24 h取一次样品测定其过氧化值(POV)[13]。

1.3 数据分析方法

实验中所有数据均为至少两次测定的平均值,并计算标准偏差,利用Origin 8.5作图,响应面优化采用Design-Expert.V 8.0.6.1分析处理;利用SPSS 17.0新复极差检验评价样品平均值之间的显著差异(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 固形物含量对鱼油微胶囊包埋率的影响 乳状液中的固形物含量对微胶囊包埋率有较为显著的影响。由图1可知,随着固形物含量的增大,微胶囊的包埋率显著增加(p<0.05),当固形物含量达到35%时,包埋率达到最大,为83.48%。当固形物含量高于35%时,包埋率呈现下降趋势。分析原因可能是随着壁材浓度的增加,乳状液中固形物含量增多,加快了喷雾干燥过程中液体成膜速度,降低鱼油的损失,有利于微胶囊的形成,同时减少鱼油向壁材表面的扩散迁移,提高微胶囊的包埋率;但是如果固形物含量过大,会导致乳状液粘度增大,流动性变差,喷雾干燥过程中液滴成膜速度下降,不利于均质分散以及喷雾干燥液滴的雾化,较难形成均匀的颗粒,而且也容易造成鱼油损失增加,并出现粘壁现象,导致微胶囊包埋率和产率下降[7]。所以在兼顾较高固形物含量和低粘度的要求,确定固形物含量为35%。

图1 固形物含量对鱼油微胶囊包埋率的影响Fig.1 Effect of solid content on encapsulation efficiency of fish oil microcapsules

2.1.2 鱼油含量对鱼油微胶囊包埋率的影响 由图2可以看出,随着鱼油含量的增大,微胶囊的包埋率显著增加(p<0.05),当鱼油含量为30%时,乳液稳定性较高,且包埋率达到最大,为86.29%。因为一定浓度范围内,随着鱼油加入量的增加,可增加被乳化包裹的鱼油量,从而使微胶囊能够包裹更多的鱼油,使得微胶囊制品的包埋率增加。但是,在鱼油含量大于30%时,包埋率显著下降(p<0.05),其原因可能是鱼油含量过高,无法包埋的部分只能附着在乳滴外部,就可能破坏乳液分散状态,引发乳滴聚集,降低微囊包封率,升高表面鱼油的含量,而对于热不稳定性的鱼油,暴露越多功能性成分损失越严重[16],鱼油过多地附着在表面可引起微囊间的粘连变形,破坏产品流动性和稳定性,同时制备的微胶囊的囊壁变薄、通透性增加,不利于贮存。因此,确定鱼油最适浓度为30%。

图2 鱼油含量对鱼油微胶囊包埋率的影响Fig.2 Effect of fish oil content on encapsulation efficiency of fish oil microcapsules

2.1.3 进风温度对鱼油微胶囊包埋率的影响 从图3中可以看出,进风温度对鱼油微胶囊包埋率的影响。随着进风温度的提高,微胶囊产品的包埋率逐渐增大,这是因为温度比较低时,蒸发能力不够,产品水分较大,流动性差且易结块,不能形成致密性良好的囊壁。当进风温度在160～180 ℃时,进风温度提高,水分蒸发快,囊膜形成速率大,可抑制鱼油的扩散流失,提高包埋率[14]。当进(出)风温度达到190 ℃(85 ℃)左右时,此时产品的包埋率达到最大,为86.49%。当进风温度继续增大时,包埋率反而下降,这是由于温度过高时,产品在干燥过程中水分散失比较快会引起微胶囊囊膜的破裂[15],导致鱼油提前释放、降解损失,使得微胶囊产品的包埋率下降,而且未包埋的鱼油容易造成产品粘壁,影响微囊的形态、粒径、流动性,同时鱼油微胶囊的过氧化值也会增大[16]。因此,确定最佳的进(出)风为190 ℃(85 ℃)。

图3 进(出)风温度对鱼油微胶囊包埋率的影响Fig.3 Effect of inlet(outlet)air temperature on encapsulation efficiency of fish oil microcapsules

2.1.4 进料速度对鱼油微胶囊包埋率的影响 由图4可以看出,当进料速度在500 mL/min以内时,微胶囊的包埋率随着进料速度增加而升高,500 mL/h包埋率达到最大,为87.73%。随着进料速度进一步提升,微胶囊包埋率呈显著下降趋势(p<0.05)。原因可能是当进料速度进一步增加,喷雾干燥蒸发能力不够,出风温度降低,产品的干燥效果和流动性差,包埋率下降。当进料速度达到700 mL/min,粘壁现象严重,微胶囊产品水分含量达不到粉末化油脂的标准,而且喷雾干燥过程容易出现喷口堵塞现象。喷雾干燥进料速度的调节,不仅直接影响生产效率,也是控制喷雾干燥生产过程稳定性的重要手段[17]。倘若喷雾干燥进料速度太小,虽然喷雾干燥生产过程很稳定,但因效率太低,耗能过大,在实际的工业生产上不允许;如果进料速度太高,则会导致喷雾干燥的出风温度较低或不稳定的现象[18]。因此,选择最佳的进料速度为500 mL/h。

图4 进料速度对鱼油微胶囊包埋率的影响Fig.4 Effect of feed speed on encapsulation efficiency of fish oil microcapsules

2.2 响应面优化结果

2.2.1 实验设计及结果 响应面实验设计及结果如表2所示。

表2 Box-Benhnken实验设计及结果Table 2 Box-Benhnken experimental design arrangment and experimental results

实验结果采用Design-Expert.V 8.0.6.1软件对表2中29个实验点的响应值进行多元回归拟合得到鱼油得率与各因素的二次多项回归方程模型:

Y=-2974.63458-5.61467A+8.73017B+29.99558C+0.47131D-0.022900AB+0.056650AC+1.06000×10-3AD-0.014250BC+3.00500×10-3BD-5.52500×10-4CD-0.075350A2-0.087300B2-0.080925C2-5.18375×10-4D2。

表3 回归方程方差分析Table 3 The analysis of regression equation variance

注：表中p<0.05，表明模型或考察的因素影响显著;p<0.01，表明模型或考察的因素影响极其显著。表4同。

对模型进行显著性检验,由回归模型的方差分析表3可以看出,模型p<0.01,模型因子是具有极显著性差异的。该模型的失拟项的p>0.05,无显著性差异,说明这种实验方法是可靠的,模型能够很好的推测实验结果。说明模型是合适的,有意义的,因此,可以用该回归方程模型来解释设计方案。

表4 各因素间显著性分析Table 4 Significant analysis among the factors

由表4分析结果可知,表中F值越大表明该因素对鱼油微胶囊包埋率影响越显著,各因素对微胶囊包埋率的影响大小依次为:B-固形物含量、A-鱼油含量、C-进风温度、D-进料速度。在此回归方程模型中B、C2和D2是极显著性因子项(p<0.01);A、C和交互项AC、B2为显著性因子项(p<0.05);而交互项AB、AD、BC、BD、CD、A2均无显著性差异(p>0.05)。

2.2.2 最佳工艺条件的确定及验证实验 根据响应面优化结果对所建立的数学模型进行分析,系统预测得出喷雾干燥制备微胶囊化鱼油的最佳工艺条件为:鱼油含量为31%,固形物含量为37%,进风温度为191 ℃,进料速度为483 mL/h。在此条件下,微胶囊化鱼油的包埋率为92.99%。考虑实际操作性,调整工艺参数为鱼油含量为30%,固形物含量为37%,进(出)风温度为190 ℃(85 ℃),进料速度为480 mL/h,在此条件下微胶囊包埋率为91.56%,与模型预测值相差较小,表明模型合理有效。

2.3 微胶囊的微观结构

微胶囊颗粒的结构状态与微胶囊保护鱼油的能力密切相关。采用扫描电子显微镜观察到的微胶囊形态结构。从图5中可以看出,所得的喷雾干燥制备的鱼油微胶囊颗粒表面除有少量凹痕以外,外形颗粒较圆整,基本接近球形,大部分颗粒表面光滑、致密、无裂痕,整个表面是连续的。因此,能很好的保护鱼油的稳定性。

图5 采用SEM观察鱼油微胶囊形态结构Fig.5 SEM observation of fish oil microcapsule morphology and structure

2.4 微胶囊化处理对鱼油贮藏过程POV的影响

从图6可见,鱼油微胶囊化产品与未微胶囊化的鱼油置于60 ℃环境中,未微胶囊化的鱼油其POV随着贮藏时间的延长而增大(p<0.05)。微胶囊化的鱼油在初始阶段的过氧化值的变化较为缓慢,经60 ℃加速氧化6 d后蓝圆鲹鱼油微胶囊的POV显著低于(p<0.05)未微胶囊化鱼油。因此,微胶囊化使蓝圆鲹鱼油被壁材很好地包埋起来,减少了鱼油与空气的接触,避免其氧化,从而显著提高蓝圆鲹鱼油的贮藏稳定性。

图6 鱼油及微胶囊在贮藏过程中POV的变化Fig.6 Changes of POV in fish oil and microcapsules during storage

3 结论

利用Design Expert. V 8.0.6通过二次回归设计确定了喷雾干燥法制备蓝圆鲹鱼油微胶囊的最佳工艺条件为:鱼油含量为30%,固形物含量为37%,进(出)风温度为190 ℃(85 ℃),进料速度为480 mL/h,在此条件下微胶囊包埋率为91.56%。通过响应面构建的方程模型能较好地反映真实的实验值,因此,可以用该回归方程模型来解释设计方案。喷雾干燥法制备的鱼油微胶囊外形为圆球形颗粒,表面光滑、致密、无裂痕,整个表面性状良好,而且鱼油微胶囊包埋率高,储藏稳定性好,可以较好的保护鱼油功能性质成分。

[1]农业部渔业渔政管理局. 中国渔业统计年鉴[M]. 北京:中国农业出版社,2015.

[2]Jiang H,Tong T,Sun J,et al. Purification and characterization of antioxidative peptides from round scad(Decapterusmaruadsi)muscle protein hydrolysate[J]. Food Chem,2014,154(2):158-163.

[3]郑伟,石伟勇. 低值鱼高值化研究进展综述[J]. 中国水产,2005(9):70-71.

[4]杨小斌,周爱梅,王爽,等. 低温连续相变萃取蓝圆鱼油及其脂肪酸组成分析[J]. 食品工业科技,2016,37(23):291-297.

[5]Liu H,Wang L,Yang T,et al. Optimization and evaluation of fish oil microcapsules[J]. Particuology,2016,29(6):162-168.

[6]Chatterjee S,Judeh Z M A. Microencapsulation of fish oil[J]. Lipid Technology,2016,28(1):13-15.

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

[8]Kralovec J A,Zhang S,Zhang W,et al. A review of the progress in enzymatic concentration and microencapsulation of omega-3 rich oil from fish and microbial sources[J]. Food Chemistry,2012,131(2):639-644.

[9]王宝琴,徐泽平. 微胶囊化粉末油脂制品的技术研究[J]. 粮油加工,2010(7):8-11.

[10]Karthik P,Anandharamakrishnan C. Microencapsulation of docosahexaenoic acid by spray-freeze-drying method and comparison of its stability with spray-drying and freeze-drying methods[J]. Food and Bioprocess Technology,2013,6(10):2780-2790.

[11]李梦凡,陶宁萍,俞骏,等. 喷雾干燥法制备微胶囊化罗非鱼油研究[J]. 上海海洋大学学报,2015,24(4):617-624.

[12]Chatterjee S,Judeh Z M A. Impact of encapsulation on the physicochemical properties and gastrointestinal stability of fish oil[J]. Lwt-food Science and Technology,2016,65:206-213.

[13]石燕,李倩,李如一,等. 淡水鱼油微胶囊的制备及其储藏稳定性[J]. 食品与发酵工业,2015,41(1):80-84.

[14]李梦凡,陶宁萍,俞骏,等. 喷雾干燥法制备微胶囊化罗非鱼油研究[J]. 上海海洋大学学报,2015(4):617-624.

[15]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.

[16]张韻慧,任斯嘉,胡文文,等. 喷雾干燥技术对食品微胶囊性质影响的研究进展[J]. 食品与机械,2013,29(2):214-217,222.

[17]陈欣,王志耕,梅林,等. 喷雾干燥法制备乳脂微胶囊及其特性的研究[J]. 中国粮油学报,2017(1):74-79.

[18]赵巍,王军,段长青,等. 喷雾干燥法制备微胶囊化山葡萄籽油粉末油脂[J]. 中国粮油学报,2009,24(12):77-83.