EPA藻油微胶囊工艺及其制备过程中脂肪酸组成的变化

刘小亚 万仁口 范亚苇 肖俊勇 从仁怀 邓泽元*

（1 南昌大学食品科学与技术国家重点实验室 南昌330047 2 中国无限极有限公司 广州510000）

海藻油是指从海洋藻类中提取的脂质，其最大的特点是富含亚麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸（Eieosapentaenoicaeid，EPA）、二十二碳六烯酸（Doeosahexaenoicaeid，DHA）等多不饱和脂肪酸（PUFA）[1-2]，其中EPA 和DHA 含量高达50%以上。纯EPA 和DHA 常温下均为无色无味液体，脂溶性，易溶于有机溶剂，不溶于水，熔点分别为-54～-53 ℃和-45.5～-44.1 ℃，低温下仍能保持较高流动性[5]。EPA 和DHA 属ω3-系列多不饱和脂肪酸，人体不能自身合成[3～4]。DHA 是人脑的重要组成部分之一，在神经原表层高度富集，约占脑细胞中脂肪酸总量的10%，在胎儿大脑形成及心血管系统的生成中起着重要作用；且能够有效抑制血小板凝集，减少血栓素的形成，有预防心肌梗塞、脑血栓等功效。EPA 和DHA 均有明显的降血脂效应，主要表现在降低血清甘油三酯、总胆固醇、低密度脂蛋白和极低密度脂蛋白，升高血清密度。一般认为，其降血脂和预防动脉粥样硬化的机理是增加胆固醇从肝脏的排泄，抑制内源性胆固醇合成，改变脂蛋白中脂肪酸的组成，从而增加其流动性，减少极低密度脂蛋白中甘油三酯的合成[7]。EPA 和DHA 亦有抑制乳腺癌、胃癌、膀胱癌及子宫癌等作用，能明显抑制肿瘤的发生，成长和转移速度[8]。

EPA 和DHA 化学性质不稳定，能发生缩合、聚合、卤化、氧化、氢化、脱水、脱羧及异构化等反应，得到一系列衍生物[6]。EPA 和DHA 对光、热、氧等因素不稳定，极易氧化，氧化海藻油不但使生理活性功能丧失，还会对人体健康造成损害[9-10]。通过微胶囊技术 （microencapsulation technology）保护EPA 和DHA 等FUFA 是食品工业的重要手段。

微胶囊技术是指通过特定的工艺手段将固体、气体或液体包裹在一个微小密闭的胶囊之中的技术。被包裹的物质称之为芯材，包裹物质称之为壁材。可作为微胶囊壁材的物质很多，最常用的是高分子材料，主要分为天然高分子材料、半合成高分子材料和全合成高分子材料。天然高分子材料有着无毒、稳定、成膜性好等优点，常用主要是碳水化合物（辛烯基琥珀酸淀粉酯、玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉等）和蛋白质类（乳清分离蛋白、大豆分离蛋白、酪蛋白等）和植物胶[11]。微胶囊的直径一般在5～200 μm，壁厚为0.5～150 μm[12]，对被包裹的芯材物质起到保护作用，延长了贮藏期。可将液态物料通过微胶囊技术转变为固体粉末，提高了产品的流动性，便于运输[13]。喷雾干燥法是目前国内外使用最普遍的微胶囊技术[14-16]。其特点是喷雾干燥时间短，产品可免于长时间受热，适用于许多热敏性材料[17]。

乳清分离蛋白作为微胶囊壁材，主要是由于蛋白质分子中亲水亲油残基易形成乳状液，且有良好的成膜性及形成膜的通透性[18]。辛烯基琥珀酸酯化淀粉HI-CAP100 是由淀粉中少量羟基接上了辛烯基琥珀酸酯基制备而成的[19]。亲水性的淀粉加上亲油性的长链烯基后，使得淀粉具有亲水和亲油的两性性质，产品具有很好的乳化性[20]。可在水包油型（O/W）乳状液的油水界面上定向形成一层坚韧、连续且不容易破裂的界面膜，从而达到稳定乳状液的效果。

本研究采用喷雾干燥技术固化EPA 藻油（EPA 和DHA 含量高达54.79%），以乳清分离蛋白、HI-CAP100 和麦芽糊精DE20 为壁材，通过筛选复合壁材比例、乳化剂用量、固形物含量、投油量、均质压力及次数和进出风温度等，以包埋率和微胶囊性质为指标，确定最佳壁材比例和工艺条件，并测定工艺过程中EPA 藻油脂肪酸组成变化，为富含不饱和脂肪酸油脂微胶囊技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

型号为O55-O100 的EPA 藻油（EPA 18.3%，DHA 36.2%），由广州市无限极有限公司提供。HI-CAP100 ，国民淀粉有限公司；麦芽糊精，山东西王糖业有限公司；蒸馏单硬脂酸甘油酯，江苏省南通市佳力士添加剂（海安）有限公司；L-抗坏血酸棕榈酸酯，郑州高研生物科技有限公司；迷迭香提取物，河南聚荣化工产品有限公司。

1.2 试剂与仪器

主要试剂：正己烷，乙酸甲酯、乙酸乙酯，上海化学试剂公司；蒸馏水、石油醚、氯仿、甲醇、甲醇钠/甲醇溶液、石油醚、草酸-乙酸甲酯、无水Na-SO4，上海西陇化工股份有限公司；甲醇、乙腈、正己烷（均为色谱纯），美国Tedia 公司；α-淀粉酶，阿拉丁试剂有限公司。

主要仪器：GYM 60-6S 型均质机，上海东华高压均质机厂；MDRP-50 型喷雾塔，无锡市现代喷雾干燥机；HJ-3 数显恒温磁力搅拌器，常州国华电器有限公司；AR1140 电子分析天平，美国奥豪斯贸易公司；6890N 气相色谱，美国安捷伦公司；Anke TDL-5-A 低速大容量离心机，上海安亭科学仪器有限公司；RE-52 智能旋转蒸发仪，上海安亭科学仪器有限公司；Zatasizer nano zs90 粒度和电位测量仪，宁波新芝生物科技股份有限公司；JSM 6701F 场发射扫描电镜带能谱仪 （SEM），日本日立公司；DSY-Ⅲ氮吹仪，北京金科科技公司；KL-UP-Ⅲ-10 超纯水制备机，台湾艾柯实验专业纯水设备厂；HH-S11 型恒温水浴锅，太仓科教器材厂。

1.3 方法

1.3.1 EPA 藻油微胶囊的制备工艺流程

1.3.2 乳液稳定性评估

1.3.2.1 乳液稳定性[21]取一定量的初乳状液于10 mL 离心管中，放置60 ℃恒温水浴箱中恒温5 min，在4 200 r/min 下离心5 min，观察分层情况，记录离心体积以确定乳状液的稳定性。

乳状液的稳定性（%）=（1-上层液体积/液体总体积）×100

1.3.2.2 乳液平均粒径 采用马尔文Mastersizer Micro 激光衍射粒度分布仪，通过接受和测量散射光的能量分布，测得微胶囊的粒度分布及平均粒径。激光器波长：633 nm，最小样品体积：0.75 mL；温度范围：25 ℃。

1.3.3 微胶囊包埋率的测定

1.3.3.1 微胶囊表面油测定 准确称取2 g 样品（准确至0.001 g）m 至恒重的三角瓶m1中，加入15 mL 石油醚（沸程30～60 ℃），不时振荡，提取10 min，用滤纸过滤样品，浸提3 次后用10 mL 石油醚洗涤三角瓶和滤纸，合并滤液于已干燥称重的鸡心瓶中，于30 ℃真空旋干，冷却称重m2。

表面油含量%=（m2-m1）/m×100

1.3.3.2 总油测定 准确称取2 g 藻油微胶囊，溶于10 mL 60 ℃热水，加入α-淀粉酶，60 ℃水浴10 min，将微胶囊壁材中淀粉水解，释放藻油。冷却后加入氯仿/甲醇（15/30 mL）混合液，振荡10 min后，加入15 mL 氯仿振荡2 min，加入15 mL 蒸馏水振荡5 min，倒入离心杯中在4 200 r/min 下离心5 min，取下层液置已干燥称重的圆底烧瓶，30 ℃真空旋干。

1.3.3.3 包埋率

包埋率%=[（总油含量-表面油含量）/总油含量]×100%

1.3.4 微胶囊物理性质评价

1.3.4.1 水分含量 GB50093-2010 105 ℃恒重法

1.3.4.2 休止角 将大孔漏斗固定于铁架台上，正下方放入A4 纸，将微胶囊粉末缓慢均匀地从漏斗上方倒入正下方白纸上，直至所堆积锥体高度不再增高，测定椎体的底面半径及高度，测定休止角。

1.3.4.3 松紧密度[22]将一定质量的微胶囊粉末在不施加任何外力的情况下缓慢均匀地加入带有刻度的量筒中，测定其松体积，通过外力作用振实后测定其紧体积，计算其松紧密度。

1.3.4.4 表面形态观察[23]采用电子扫描显微镜（SEM）观察EPA 藻油微囊粉末表面形态及内部结构。首先在样品台上贴一层双面胶，将微胶囊粉末薄薄撒在样品台上，并用吸耳球吹去多余的粉末，轻压粉末使粉末一部分陷入双面胶的胶基中，

用刀片轻刮双面胶表面粉末，然后用电子扫描显微镜观察微胶囊产品的内部结构，加速电压为20 kV。

1.3.5 脂肪酸组成的测定[24]样品甲酯化取2 mg油脂，加入1.5 mL 的正己烷，涡流30 s，再加40 μL 乙酸甲酯与100 μL 甲醇钠/甲醇溶液，涡流30 s，在37 ℃条件下反应20 min，然后置于-20 ℃条件下冷冻10 min，取出后迅速加入60 μL 的草酸-乙酸甲酯，离心取上清液200 μL，N2吹干，加1 mL 正己烷溶解，进行气相色谱分析。

测定条件为：色谱柱采用CP-7489 毛细管柱（100 m×0.25 mm，0.2 μm）；载气为H2，燃气为N2、H2和空气；进样口温度为250 ℃，压力为24.52 Pa，总流量为29.4 mL/min；气相柱的柱压为24.52 Pa，柱内流速为1.8 mL/min；炉温程序升温：45 ℃条件下保持4 min，然后以13 ℃/min 的速率升至175 ℃保持27 min，后以4 ℃/min 的速率升至215℃保持35 min，总测定时间为86 min；检测器的温度为250 ℃，H2流速为30.0 mL/min；空气流速为300 mL/min；N2流速为30.0 mL/min。通过与脂肪酸甲酯标准对照，采用面积归一化法确定脂肪酸的百分含量（以峰值面积的百分比表示）。

1.4 数据处理与统计分析

所有测定均重复3 次，结果用平均数±方差（x±s）表示。采用SPSS 16.0 统计软件，经单因素方差分析，比较均值，P＜0.05 为差异显著。

2 结果

2.1 EPA 藻油微胶囊配方及工艺选择

2.1.1 壁材比例的选择 在预试验基础上，我们选择HI-CAP100、乳清分离蛋白和麦芽糊精5 种比例进行试验。由图1可知，他们比例为4 ∶4 ∶1，2 ∶2 ∶1，1 ∶1 ∶2 时，包埋率均在90%以上，分别为96.10%，96.23%，92.52%，其中比例为2 ∶2 ∶1 时包埋率较高，且显著大于比例为1 ∶1 ∶2，1 ∶1 ∶4（72.33%），1 ∶1 ∶8（69.51%）时包埋率。原因可能是HI-CAP100 与乳清分离蛋白均为两亲性大分子，加入一定比例小分子麦芽糊精可填充大分子交联空隙，提高包埋率，但小分子过量时，因其不具备两亲性，且不能形成大分子框架壁囊结构，导致包埋率降低。本研究最佳壁材比例为2 ∶2 ∶1。

图1 不同壁材比例EPA 藻油微胶囊包埋率差异Fig.1 Difference in embedding rate of EPA algal oil microcapsules with different wall materials

2.1.2 乳化剂比例的选择 由图2可知，随着单甘脂添加量的增加，微胶囊包埋率逐渐下降，添加量为0.1%～2%时，包埋率均在96.53%以上，且没有显著性差异；添加量为3%和4%时，包埋率显著降低（86.09%和83.6%）。乳液平均粒径随着单甘脂添加量的增加先减少后增加，添加量为1%时，乳液平均粒径最小，此时分散最均匀，乳液稳定性最高。由图2可得结论，乳液平均粒径越小，乳液越稳定，所得微胶囊包埋率越高，原因在于过少单甘脂乳化性较差，不能形成稳定的乳液；过量单甘脂使大分子壁材过度聚集，形成絮凝，降低乳液稳定性。故本研究单甘脂最佳添加量为1%。

图2 不同单甘脂添加量对包埋率和乳液平均粒径的影响Fig.2 Effects of different monoglyceride content on embedding rate and average particle size of emulsion

图3 载油量对包埋率的影响Fig.3 Influence of oil load on embedding rate

2.1.3 载油量的选择 由图3可知，包埋率随着载油量的增加逐渐降低。载油量为30%，35%，40%，45%，50%时，包埋率分别为97.03%，96.61%，95.61%，93.68%，92.88%。载油量30%时包埋率最高，后期可根据实际需求确定载油量。

2.1.4 固形物含量选择 由图4可知，当固形物含量低于40%时，包埋率无显著性差异，均在96.52%～96.89%之间。说明一定浓度的固形物含量对包埋率无显著影响；当固形物含量为45%和50%时，包埋率明显提高，但由于制作乳液过程中黏度较大，影响试验的进行，故固形物含量低于40%为宜。

2.1.5 均质压力的选择 由图5可知，均质压力在20～35 mPa 之间，包埋率随着压力升高而升高，高于35 mPa 时，包埋率有所下降。在35 mPa 时包埋率最高（97.55%），20 mPa 时包埋率仅有91.53%。出现此种现象与乳液的剪切破碎程度有关。

2.1.6 均质次数的选择 由图6可知，随着均质次数的增加包埋率显著增高。均质3 和4 次包埋率分别为96.27%和95.75%，显著高于均质1 次和2 次（88.75%和92.92%）。均质次数增多，乳液的剪切破碎程度越高，壁材和芯材结合更牢固，包埋率越高，选择均质3 次。

图4 固形物含量对包埋率的影响Fig.4 Influence of solid content on embedding rate

图5 均质压力对包埋率的影响Fig.5 Influence of homogeneous pressure on embedding rate

图7 进出风温度对微胶囊包埋率及水分含量的影响Fig.7 Influence of inlet and outlet wind temperature on encapsulation rate and moisture content of microcapsules

2.1.7 进出风温度的选择 由图7可知，进风温度为160～200 ℃时，包埋率无明显差异，均在96.89%～97.55%之间，160 ℃时微胶囊水分含量明显高于其它进风温度；出风温度为60 ℃时，其包埋率（92.94%）显著低于其它（96.78%～97.79%），但水分含量随着出风温度的升高显著降低，当出风温度为100 ℃时，水分含量仅有0.71%。此结果说明，进风温度对微胶囊包埋率和水分无显著影响，出风温度对二者影响显著。即最佳进风温度为185～195 ℃，出风温度为90～100 ℃。

2.2 最佳配方及工艺条件下，EPA 藻油乳液稳定性及微胶囊物理性质研究

2.2.1 物理性质 由表1可知，EPA 藻油乳液的稳定性为100%，平均粒径较小（303.2 nm），且分散集中，乳液整体稳定性好；微胶囊包埋率高达97.47%，水分较少，为后期的储藏稳定性奠定基础，且流动性好，紧密度大（0.686 g/mL），便于包装盒运输。

表1 EPA 藻油乳液稳定性及微胶囊物理性质Table 1 Stability of EPA alga oil emulsion and physical properties of microcapsules

2.2.2 表面形态 由图8a，b，c 可知，EPA 藻油微胶囊呈现不规则话梅状，表面有部分凹陷和褶皱，且大小在10～70 μm 之间，分布较均匀，几乎无破损；壁囊横切面致密，无明显空隙，防止藻油与外界环境接触，起到很好的保护作用。

图8 微胶囊及囊壁横切面表面形态Fig.8 Surface and cross section morphology of microcapsules

2.3 EPA 藻油微胶囊制备过程中脂肪酸组成变化

由表2可知，分别测定原油及其在乳化，分散，均质和喷雾干燥过程中脂肪酸组成变化。相较于原油，EPA、DHA、SFA、MUFA、PUFA 和TFA 含量在喷雾干燥之前乳化均质过程中无显著降低，喷雾干燥后EPA 仅降低了2.021%，DHA 显著降低了1.627%，SFA 增加了3.766%，MUFA 增加了0.439%，PUFA 减少了4.115%，TFA 增加了0.58%。PUFA 氧化水解后生成SFA，MUFA 和TFA。EPA 藻油脂肪酸在微胶囊制作过程中有一定的氧化，但氧化程度较轻。

表2 微胶囊制备过程中脂肪酸组成变化（%）Table 2 Changes of fatty acid composition during preparation of microcapsules （%）

（续表2）

3 讨论

采用喷雾干燥法包埋富含PUFA 油脂时，不同配方和工艺对其微胶囊包埋率及性质影响较大。本研究中，以乳清分离蛋白，辛烯基琥珀酸淀粉钠（HI-CAP100），麦芽糊精（DE20）组合为壁材，包埋率高达96.10%，高于以辛烯基琥珀酸淀粉酯与阿拉伯胶壁材包埋鱼油（74.96%）[25]，以乳清分离蛋白和麦芽糊精为壁材（62.3%）包埋亚麻籽油[26]，以阿拉伯胶为壁材包埋亚麻籽油（88.7%）[27]的包埋率，原因在于本研究中大豆分离蛋白和HI-CAP100 形成稳定两性大分子构架，DE20 的麦芽糊精充分填充大分子构架中空隙，使乳液更稳定，水相、油相和壁材结合更牢固，从而提高EPA 藻油包埋率。EPA 藻油微胶囊水分含量仅为1.067%，低于Estefanía Jiménez-Martín（4.75%）的鱼油微胶囊[28]的水分含量，便于加工和储存；囊壁致密，而Carneiro[26]、Renata V.Tonon[27]、Sri Haryani Anwar[29]等研究微胶囊壁囊有较多的空隙，不利于后期的储藏稳定性。由以上可知，本研究微胶囊化配方和工艺对EPA 藻油较好的保护作用，便于其储藏和运输。

4 结论

壁材对微胶囊包埋效果影响较大，采用两性大分子和小分子结合壁材所形成的微胶囊囊壁较致密，二者起到互补作用，辛烯基琥珀酸淀粉钠黏度低，与大豆分离蛋白组合提高了乳液固形物含量，从而降低商业成本。以抗坏血酸棕榈酸酯和迷迭香提取物为抗氧化剂，可较大程度保护喷雾干燥过程中富含PUFA 的油脂有效成分，其组合与其它抗氧化剂在储藏过程中的抗氧化效果将进一步研究。