沙棘果油微胶囊化制备工艺的优化及其表征

石 佳,于明晓,徐 昊,赵伟学,徐 磊,张国坤

(1.美泰科技(青岛)股份有限公司,山东青岛 266400;2.中国农业科学院特产研究所,北京 110032)

沙棘果油是由棕榈酸、棕榈烯酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸等34种脂肪酸组成,比沙棘籽油中脂肪酸种类多10余种,其中不饱和脂肪酸含量高达60%以上,沙棘果油中含有丰富的维生素A、维生素E和微量元素(硒、镁、锌、铁、锰等),具有很好的抗菌、抗氧化、抗肿瘤的功效[1-4]。但沙棘果油难溶于水,稳定性差,较沙棘籽油更易氧化变质,不利于储藏及运输,从而限制了其应用领域及市场价值。

目前,对沙棘果油的研究主要集中于油脂提取、脂肪酸组成分析及功能特性研究等方面[5-8]。Gutiérrez L F等[9]以正丁烷为萃取溶剂,研究风干的沙棘果与冷冻干燥的沙棘果油脂得率分别为35.9%和17.1%,表明风干法更易破坏细胞结构,有利于细胞中油脂溶出。薄海波等[1]利用气相色谱-质谱法定性、定量鉴定了沙棘果油脂肪酸组成及各成分含量,但对提高沙棘果油微胶囊包埋效果及其稳定性方面研究鲜有报道。

本试验以沙棘果油为芯材,柠檬酸钾为缓冲盐,单双硬脂酸甘油酯为乳化剂,酪蛋白酸钠和变性淀粉为混合壁材,麦芽糊精为填充剂,利用喷雾干燥技术制备50%载油量的沙棘果油微囊粉,采用响应面研究酪蛋白酸钠添加量、变性淀粉添加量、乳化剂添加量对沙棘果油微囊粉包埋效果的影响,制备出包埋效果好、稳定性高的微囊粉,为沙棘果油的开发和应用提供理论和应用依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

沙棘果油 青海康普生物科技有限公司提供;酪蛋白酸钠 恒天然(中国)有限公司;单双脂肪酸甘油酯 河南正通食品科技有限公司;麦芽糊精 保龄宝生物股份有限公司;柠檬酸钾 潍坊英轩实业有限公司;变性淀粉(辛烯基琥珀酸淀粉钠) 国民淀粉化学(上海)有限公司。

BS223S 型电子天平 赛多利斯科学仪器有限公司;HHS-11-2电热恒温水浴锅 上海博迅实业有限公司;PHS-3C PH计 上海雷磁仪器厂;高速剪切机 弗鲁克流体机械制造有限公司;SRH60-70 高压均质机 上海申鹿均质机有限公司;OXITEST油脂氧化分析仪 北京盈盛恒泰科技有限责任公司。

1.2 实验方法

1.2.1 沙棘果油微胶囊的制备 将一定添加量的酪蛋白酸钠、一定添加量的变性淀粉、1%柠檬酸钾和填充剂加入到80 ℃蒸馏水中,用搅拌器搅拌至完全溶解,制得水相;再将溶有一定添加量的单双脂肪酸甘油酯的沙棘果油缓慢加入水相中,高速剪切机转速为2000 r/min的条件下混合15 min,得到预乳液;将预乳液经高压均质机乳化后进行喷雾干燥(高压均质机两级压力分别为8 MPa/40 MPa,喷雾干燥进料速率27 r/min,进风温度180 ℃,出风温85 ℃[10]),得沙棘果油微胶囊。

1.2.2 单因素实验 分别考察酪蛋白酸钠添加量(3%、6%、9%、12%、15%)、变性淀粉添加量(10%、15%、20%、25%、30%)、单双硬脂酸甘油酯添加量(0%、1%、2%、3%、4%)3个因素对沙棘果油包埋率的影响。研究某一单因素影响时,其他条件取固定值,分别为酪蛋白酸钠添加量9%、变性淀粉添加量15%,乳化剂添加量2%。

1.2.3 Box-Behnken实验设计 在单因素实验基础上,选取酪蛋白酸钠添加量、变性淀粉添加量、单双硬脂酸甘油酯添加量三个因素进一步优化,按照Box-Behnken实验设计因素和水平,以沙棘果油微胶囊包埋率为指标,通过响应面分析确定最优提取条件。

表1 Box-Behnken实验因素及水平Table 1 experimental factors and levels of Box-Behnken

1.2.4 包埋率的测定

1.2.4.1 微胶囊表面含油量的测定 准确称取1.000 g(精确到0.001 g)样品置于锥形瓶中,加入石油醚(30～60 ℃)浸泡提取5 min后,用滤纸过滤样品,并用石油醚洗涤锥形瓶和滤纸,然后在80 ℃温度条件下烘干,测定油脂的质量,所得值即为1 g样品的表面含油量[11]。

1.2.4.2 微胶囊总含油量测定 准确称取1 g(精确到0.001 g)样品,置于锥形瓶中加20 mL热水,使样品充分溶解后加入石油醚(30～60 ℃)充分萃取2次,并用石油醚洗涤锥形瓶和滤纸,合并萃取液,然后在105 ℃条件下烘干,测定油脂的质量,所得值为1 g样品的总含油量[12-13]。

包埋率(%)=(样品中总含油量-表面含油量)/样品中总含油量×100

1.2.5 沙棘果油微囊粉的表面形态观察 用扫描电子显微镜观察微胶囊粉末油脂的表面形态结构。加速电压为2 kV,放大倍数为1200倍。

1.2.6 油脂氧化稳定性的测定 用油脂氧化分析仪进行测定,准备样品5 g,将样品放入样品盖中,使用两个空的样品托盘放置在底层,将放有样品的样品盖至于顶层,之后放入样品槽中,密封。在实验温度90 ℃、氧压6 Bar条件下,测定氧化诱导期。

1.3 数据处理方法

采用Design-expert和Box-Behnken软件进行回归模型建立和响应面分析[14]。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 酪蛋白酸钠添加量对沙棘果油包埋率的影响 由图1可知,逐渐增加酪蛋白酸钠的添加量,沙棘果油包埋率呈现先升高后降低的趋势,在酪蛋白酸钠添加量为9%时,沙棘果油的包埋效果最好,包埋率可达91.7%;但随着酪蛋白酸钠添加量进一步增加,在乳化的过程中,由于温度较高,使过多的疏水氨基酸残基被暴露,蛋白之间的相互作用增强,从而发生聚集,使其界面的最佳包埋效应遭到破坏,影响乳化液的稳定性,致使沙棘果油的包埋率降低。

图1 酪蛋白酸钠添加量对沙棘果油包埋率的影响Fig.1 Effect of sodium caseinate on the embedding rate of seabuckthorn fruit oil

2.1.2 变性淀粉添加量对沙棘果油包埋率的影响 由图2可知,变性淀粉添加量在10%～20%之间时,沙棘果油的包埋率随着变性淀粉的添加量呈现先增后减的趋势;当变性淀粉添加量大于20%时,沙棘果油包埋率趋于稳定,可能在此条件下,壁材的乳化性能及乳液的稳定性趋于平稳,再增加变性淀粉的添加量只会降低喷雾干燥的效率以及成本的浪费,所以选择变性淀粉添加量10%、15%、20%三个水平作为响应面试验的考察因素。

图2 变性淀粉添加量对沙棘果油包埋率的影响Fig.2 Effect of modified starch on the embedding rate of seabuckthorn fruit oil

2.1.3 乳化剂添加量对沙棘果油包埋率的影响 由图3可知,乳化剂添加量在2%时,沙棘果油的包埋率最高。当乳化剂<2%时,随着乳化剂的增加沙棘果油的包埋率不断提高,这可能是添加乳化剂后,能够使油滴在乳液中分布更为均匀,使乳液更为稳定。当乳化剂添加量>2%时,随着乳化剂的增加沙棘果油包埋率呈下降趋势,这可能是由于添加过多的乳化剂容易使乳液在喷雾干燥过程中延迟干燥,产生回潮现象,造成微粒之间相互粘连,容易造成油脂析出。

图3 乳化剂添加量对沙棘果油包埋率的影响Fig.3 Effect of emulsifier on the embedding rate of seabuckthorn fruit oil

2.2 响应面实验结果与分析

2.2.1 回归模型的建立及显著性检验 采用Design-expert软件通过回归对表2数据进行回归拟合[15-16],实验设计及结果见表2。

表2 Box-Behnken实验设计结果Table 2 Experimental design results of Box-Behnken

沙棘果油微胶囊包埋率的响应分析实验根据Box-Behnken设计进行了17组实验,其中5组为中心点重复实验。通过Design-expert软件对表2数据进行回归拟合,得到包埋率的回归方程为:

对模型进行方差分析,结果见表3。由表3可以看出,实验选用的模型具有高度的显著性(P<0.01),表明该模型极显著;而失拟项的P>0.05,说明回归方程对于实际情况来说较吻合,实验误差比较小,故可用回归方程对实验结果进行分析和预测。模型的RAdj为0.9819,R2为 0.9921,说明该模型能解释98.19%的响应值,仅有总变异的1.81%不能用此模型来解释,说明该模型拟合程度良好。用此模型对沙棘果油微胶囊的包埋率进行优化是合适的。

表3 回归方程方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

2.2.2 响应面图和等高线图分析 各因素对沙棘果油包埋率的响应面图和等高线图如图4～6所示。在单因素实验后所选的范围内存在极值,是响应面的最高点。响应面图坡度的陡峭程度直观反映了各因素对响应面的影响,两两因素均有交互作用,等高线形状反映了交互效果的强弱,椭圆形表示交互作用显著,圆形则正好相反[17]。

图4 酪蛋白酸钠添加量和变性淀粉添加量对微胶囊包埋率影响响应面图Fig.4 Response surface of the effect of the amount of sodium caseinate and modified starch on the embedding rate of microcapsules

由图4可以看出酪蛋白酸钠添加量和变性淀粉添加量对微胶囊包埋率影响的响应面图呈椭圆形,说明两者对沙棘果油包埋率的影响较为显著。当酪蛋白酸钠添加量一定时,变性淀粉增加可以提高沙棘果油微胶囊的包埋率。当变性淀粉一定时,随着酪蛋白酸钠添加量的增加包埋率也有所提高,当酪蛋白酸钠添加量超过9.5%时,又呈下降趋势。

由图5可以看出酪蛋白酸钠和乳化剂对微胶囊包埋率影响的响应面图呈椭圆形,说明两因素交互作用对微胶囊包埋率影响显著。主要是由于酪蛋白酸钠在较高温度时,蛋白发生变形导致蛋白质分子间的相互作用增强,从而发生聚集,使其界面的最佳包埋效应遭到破坏,影响乳化液的稳定性,致使沙棘果油的包埋率降低。同时添乳化剂会影响喷雾干燥过程中微胶囊的干燥效果,导致微胶囊产生回潮现象,造成微粒之间相互粘连,容易造成油脂析出[15]。

图5 酪蛋白酸钠添加量和乳化剂添加量对微胶囊包埋率影响响应面图Fig.5 Response surface of the effect of the amount of sodium caseinate and emulsifier on the embedding rate of microcapsules

同样,由图6可以看出变性淀粉和乳化剂相互作用对微胶囊包埋率影响的响应面图呈椭圆形,说明两因素交互作用对微胶囊包埋率影响显著。当变性淀粉添加量一定时,增加乳化剂可以提高沙棘果油微胶囊的包埋率。当乳化剂一定时,随着变性淀粉添加量的增加包埋率也有所提高,当乳化剂添加量超过15%时,又呈下降趋势。

图6 变性淀粉添加量和乳化剂添加量对微胶囊包埋率影响响应面图Fig.6 Response surface of the effect of the amount of modified starch and emulsifier on the embedding rate of microcapsules

根据Box-Behnken实验所得的结果,利用Design Expert软件得到最佳工艺条件:酪蛋白酸钠添加量为8.25%,变性淀粉添加量为16.27%,乳化剂添加量为1.98%,此条件下,微胶囊包埋率最大,可以达到 92.27%±0.09%。为验证模型预测的准确性,同时考虑便于操作,将微胶囊工艺条件修正为:酪蛋白酸钠添加量为8%,变性淀粉添加量为16%,乳化剂添加量为2%。用修正后的工艺条件进行3次验证实验,得到沙棘果油微囊粉平均包埋率在91.6%±0.05%,与方程得到的预测值相对标准偏差为0.97%,表明该模型预测性好,具有很好的适用效果。

2.3 沙棘果油微囊粉包埋效果及稳定性分析

2.3.1 包埋效果 采用扫描电镜对微胶囊的形态进行观察,由图7可以看出其颗粒呈圆形,无裂缝;用马尔文激光粒度仪测定微胶囊粉复原乳粒径分布(图8),复原乳平均粒径为795 nm,说明微胶囊粒径较小,复原乳均一,沙棘果油微囊粉的包埋效果非常理想。

图7 沙棘果油微囊粉扫描电镜图及粒径分布图Fig.7 Scanning electron micrograph of seabuckthorn fruit oil microcapsule powder

图8 沙棘果油微胶囊粉复原乳液粒径分布图Fig.8 Particle size distribution of reconstituted emulsion of seabuckthorn fruit oil microcapsule powder

采用油脂氧化分析仪测定油脂氧化稳定性,由图9可以发现,对照组沙棘果油的氧化诱导期时间较短,大约在7 h左右,且油脂氧化的速率较快;而试验组沙棘果油微囊粉的氧化诱导期时间较长,能够达到36 h以上,油脂氧化速率较为缓慢,说明与沙棘果油相比,沙棘果油微囊粉的抗氧化性能强,稳定性较好,不易氧化变质[18-19],通过微胶囊包埋技术可以大大延长沙棘果油的货架期和储藏期。

图9 油脂氧化稳定性测试结果Fig.9 Test results of oil oxidation stability

3 结论

本研究以沙棘果油微胶囊包埋率为主要目标,通过响应面法分析优化表明,酪蛋白酸钠添加量、变性淀粉添加量、乳化剂添加量对沙棘果油微胶囊包埋率的影响显著,修正后工艺条件为酪蛋白酸钠添加量8%、变性淀粉添加量16%、乳化剂添加量2%,此条件下制备的沙棘果油微囊粉包埋率可达91.6%,相对标准偏差<1%,模型设计合理。同时,此工艺获得的沙棘果油微囊粉表面光滑无裂痕,氧化诱导期时间长达36 h,说明制备的沙棘果油微囊粉具有很好的包埋效果和稳定性,便于储藏及运输,为沙棘果油进一步开发和应用提供理论和应用依据。