乳液粒径对橙皮精油微胶囊物理性质和氧化稳定性的影响

彭 群,易 灵,王 超,段翰英

(暨南大学食品科学与工程系,广东广州 510630)

柑橘类精油是世界上应用最为广泛的天然香精香料之一[1]。由于富含多种挥发性化合物,其极易损失和氧化,常用微胶囊化包埋解决这一问题[2]。微胶囊化是通过连续相包裹单个颗粒或液滴形成一个微米级材料的过程,从而保护活性材料,使其更稳定[3]。喷雾干燥在食品工业中是常用的微胶囊化技术,具有低成本、高产量和速溶性等优点[4],在油脂类和风味成分的微胶囊化中使用最广泛[5]。精油经微胶囊化后,易于溶解,分散在水中,可改善被包裹物质的物理性质,还可以提高被包埋对象抗氧化能力、热稳定性等[6]。因此,柑橘类精油喷雾干燥微胶囊已广泛应用到食品、日化品、纺织品中[7]。

乳化方法、壁材是影响油脂、风味类成分、微胶囊化效率、粉末物化性质和稳定性的重要因素[8]。常用的乳化方法有高速剪切、高压均质等,而高压微射流是近年来出现的新工艺,通过最短时间内对乳液体系进行高速撞击、剪切、气蚀等[9],可形成均一、稳定及超精细流体,粒径可达纳米级。有研究发现,不同的乳化方法会影响乳液粒径,从而影响微胶囊粉末的包埋效率和稳定性[10-11]。国内外虽有不少关于精油乳液的粒径研究,但大多集中在对其制备优化方面[12-14],而鲜少涉及到乳液粒径对喷雾干燥微胶囊性质的影响。鉴于有关精油类微胶囊的壁材选择已有大量研究[2,6,8],因此,本文选择常用的碳水化合物类壁材并经复配,更能满足工艺和产品的要求[15]。

柠檬烯是柑橘类精油的主要成分,占90%以上[16],具有典型的柠檬香味。但其化学性质活泼,容易氧化且氧化产物通常会形成异味,影响精油的价值和货架期[17]。因此,通过测定柠檬烯氧化产物的变化,对预测精油微胶囊的货架期和提高安全稳定性具有重要意义。

基于此,本文以橙皮精油(橙油)为芯材,变性淀粉和麦芽糊精为壁材,通过喷雾干燥制备橙油微胶囊,通过高压均质、高压微射流施加不同压力制备出不同粒径乳液,从而研究乳液粒径对微胶囊粒径、包埋率、微观形貌、氧化稳定性以及重组乳液粒径的影响,并根据橙油微胶囊在37 ℃贮藏时柠檬烯氧化产物含量的变化,预测其货架期,为优化橙皮精油微胶囊工艺和探讨其氧化稳定性提供基础,并为精油类喷雾干燥微胶囊制备和质量控制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

变性淀粉(Capsul)、麦芽糊精(M-150) 美国宜瑞安有限公司;松香甘油酯、庚酮、丙酮、异丙醇(分析纯) 美国Acros Organics公司;冷压橙油 由广州百花香精香料有限公司提供,并鉴定其主要成分为柠檬烯(95.37%)、月桂烯(1.86%)、桧烯(0.24%)、α-蒎烯(0.42%)、辛醛(0.2%)、醛(0.1%)、芳樟醇(0.25%),癸醛(0.28%)和含氧化合物(1%);分析测定用水 去离子水。

20 HT/GT高剪切混合器 美国Greerco公司;M-110Y高压微射流机 美国Microfluidics 公司;NS2006H高压均质机 美国Gea公司;XE-3叶片型混合器 美国Greerco公司;AW-2A型智能水分活度仪 无锡市碧波电子设备厂;LA-300激光粒径分布仪 日本Horiba公司;DZF-6050真空干燥箱 北京中科环试仪器有限公司;SD-101喷雾干燥机 美国 APV公司;7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪 美国安捷伦科技;EVO-MA15扫描电子显微镜 德国ZEISS。

1.2 实验方法

1.2.1 经不同压力均质的橙油乳液的制备 将1.8 kg的变性淀粉和9 kg的蒸馏水在室温下混合2 h制备连续相。制备0.9 kg的冷压橙油和松香甘油酯(3∶2,w/w)分散相。在室温下将连续相和分散相用高剪切混合器在6000 r/min条件下混合2 min,混合均匀后得到粗乳液(H0-E),均匀分成5份,一份为对照。其余4份H0-E分别经高压1000、2500、3500、22000 psi均质2次后收集得到不同压力条件下乳液,分别为H1000-E、H2500-E、H3500-E、H22000-E。

1.2.2 喷雾干燥法制备橙油乳液微胶囊 将上述乳液分别加入875 g麦芽糊精,用叶片型混合器混合均匀,收集乳液。最终乳液中含有11.2%变性淀粉、5.6%混合油相、26.4%麦芽糊精和56.8%蒸馏水。将上述乳液进行喷雾干燥,分别得到微胶囊H0、H1000、H2500、H3500和H22000。

喷雾干燥操作条件为:进气温度160 ℃,出气温度100 ℃,雾化器转速为2600 r/min,进料速率为130 mL/min。将收集的微胶囊粉末密闭在干燥器中,0 ℃冷藏,有待进行总油量、包埋率和粒径分布等分析。

1.2.3 橙油重组乳液的制备 将上述微胶囊H0、H1000、H2500、H3500和H22000各取1.0 g溶于9.0 g水中,制备成重组乳液(Reconstituted emulsion,RE),对应重组乳液分别为H0-RE、H1000-RE、H2500-RE、H3500-RE和H22000-RE。每个样品重复三次。

1.2.4 粒径分布测定

1.2.4.1 乳液粒径分布 将激光粒径分布仪调节到Wet模式,校正调零后,用胶头滴管取制备好的乳液或重组乳液,滴加到激光粒度分布仪的加样口,待红色条示数达80%时,关闭加样口盖进行测定。

1.2.4.2 微胶囊粒径分布 将激光粒径分布仪调节到Dry模式,校正调零后,用取样勺取少量喷雾干燥的微胶囊粉末,加到进样口,待加样完成后开始测定。

1.2.5 微胶囊总油量和包埋率的测定 参考Finney等的方法[18]。将200 mL去离子水加入500 mL的圆底烧瓶中,继续加入20 g的微胶囊粉末。盖上瓶塞并手动摇动约1 min。然后,向溶液中加入3滴消泡剂和几个沸腾石,圆顶烧瓶连接Clevenger装置,顶部连接冷凝管。烧瓶内的溶液在加热器的作用下沸腾,蒸馏持续3 h。从收集臂的刻度直接读取橙油的量,体积通过乘以油密度(0.844 g/mL,25 ℃)得到收集的油量,即为总油量(g/20 g powder),其中,理论包油量为1.56 g/20 g powder。

根据下式计算包埋率[18]:

1.2.6 微胶囊含水量的测定 称取3～4 g 微胶囊,在真空干燥箱70 ℃烘干至恒重,再通过干燥前后的称重数值计算出水分的含量[19]。

1.2.7 微胶囊微观形貌 采用扫描电子显微镜对微胶囊的表面形态结构进行观察。在电镜样品台上贴双面胶,取小量微胶囊产品均匀分散到胶面上,吹去表面多余的粉末,喷金观察。

图1 不同压力均质的乳液及其重组乳液的粒径分布Fig.1 Particle size distribution of different emulsion and reconstitute emulsion注:a:粗乳液及其重组乳液;b、c、d、e:分别经1000、2500、3500和22000 psi 均质压力制备的乳液及其重组乳液。

1.2.8 微胶囊水分活度 自动水分活度仪经饱和氯化钠溶液校准后,取适量微胶囊分别进行测定。

1.2.9 橙油微胶囊氧化稳定性试验

1.2.9.1 微胶囊加速氧化 参考Finney等方法[18],略作修改。分别取25 g微胶囊保存在无水氯化镁干燥器中,保持水分活度0.33,恒温37 ℃,5周。每周取样进行柠檬烯(limonene)、氧化柠檬烯(limonene 1,2-epoxide,epoxide)的测定。每个样品重复三次。

1.2.9.2 柠檬烯和氧化柠檬烯含量测定 取0.15 g微胶囊加入到0.85 g水中溶解,再缓慢加入4 mL 2-庚酮/丙酮内标液(3.0 mg/g),静置5 min后将上述混合溶液过滤到进样瓶中,密封。进行下一步气质分析[17]。以氧化柠檬烯/柠檬烯(epoxide/limonene,mg/g)的量表示氧化稳定性。

色谱条件:HP-5 MS石英毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),进样温度200 ℃,检测器温度250 ℃,柱前压55 kPa,进气流量20 mL/min,载气为高纯氦气(He),内标物:2-庚酮。进样量为1 μL,不分流,流速设置为1 mL/min。柱温条件:初始温度为50 ℃,开始以10 ℃/min上升至140 ℃,保持2 min;之后以30 ℃/min上升至220 ℃,保持2 min。

1.3 数据统计与分析

数据以均值±标准差(Means±SD)表示,利用SPSS 19.0软件对数据进行ANOVA差异显著性分析,P<0.05 为差异显著。采用Origin Pro 8.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 均质压力对橙油乳液及其重组乳液粒径分布的影响

经不同压力均质的乳液及重组乳液粒径分布结果见图1。结果表明,未高压处理的粗乳液(H0-E)具有最大的粒径分布范围(2.60～34.28 μm)(图1a),经高压1000、2500、3500和22000 psi均质后乳液形成了更窄的粒径分布,分别为0.30～5.12、0.12～2.27、0.10～1.32和0.05～0.39 μm(图1b、c、d、e)。

表1 不同微胶囊的物理性质Table 1 Physical properties of different encapsules

该结果与Wang等一致,压力越高,乳液粒径越小[20]。乳液经高压作用后,使较大的液滴分解成较小的液滴。随着均质压力的增加,提供更高的破坏油滴和创造新界面的机械能[21]。液滴快速破裂并迅速形成表面膜导致表面张力降低,从而防止形成的小液滴聚结。高压微射流机在高压下利用其特有的Y形结构,使乳液中高速运动的物料自相碰撞,产生粒径更小、粒径分布更窄的乳液[22]。经22000 psi 高压微射流均质的橙油乳液其平均粒径可达到126 nm左右,是典型的纳米乳液[23],能对橙油这类易挥发、不稳定的芯材具有更好的保护作用[24]。

上述不同粒径大小的乳液经喷雾干燥制备得到橙油微胶囊。在实际应用时,橙油微胶囊常添加到各种饮料中,因此,通过研究橙油重组乳液粒径大小,可以了解微胶囊的溶解性及对其制备工艺进行调整[25]。如图1所示,相对于橙油乳液,其重组乳液具有更窄的粒径分布(图1a、b、c、d)。未高压处理的重组乳液(H0-RE)粒径分布范围为0.06～1.98 μm,经高压1000、2500和3500 psi均质后得到重组乳液的粒径分布分别为0.06～3.41、0.06～0.67和0.06～0.58 μm。说明喷雾干燥是有效的包埋方法,能够形成更小的粒径从而提供更好的保护。结果同时表明,H22000-RE具有与H22000-E相似的粒径分布(0.05～0.39 μm)(图1e),说明当乳液粒径达到纳米级后,经喷雾干燥得到的微胶囊具有良好的溶解性、分散性,从而使其重组乳液具有相似的粒径分布,这对优化喷雾干燥工艺和提高微胶囊品质具有指导意义。

2.2 乳液粒径对橙油微胶囊物理性质的影响

橙油微胶囊产品呈疏松粉末状,色泽乳白,无杂质颗粒或酸败等异味。其总油量、包埋率和含水量见表1。结果表明,乳液粒径大小对微胶囊总油量和包埋率都没有明显影响。微胶囊的总油量约为 1.5 g/20 g,包埋率都在95%以上,说明大部分的橙油在包埋过程中都被完好地保留了下来,部分橙油则可能是由于在整个乳化及加热过程中不可避免地因机械搅拌作用或加热而挥发,从而造成精油的损失。微胶囊的水分含量很大程度上取决于喷雾干燥室中的湿度[18],因此5种微胶囊的水分含量都没有显著差别(P>0.05)。

采用干法测定的微胶囊平均粒径结果表明(表1),微胶囊的平均粒径范围为0.33～0.51μm,最大的是H0,最小的H22000。说明乳液粒径的大小也会明显影响微胶囊的粒径,其原因可能是乳液粒径越小,在喷雾干燥室内越易分散和干燥,从而形成更小尺寸的微胶囊[26]。

2.3 乳液粒径对橙油微胶囊微观形貌的影响

扫描电镜结果(图2)表明,所有喷雾干燥后的微胶囊都呈球形,具有良好分散性,直径大约在10～40 μm之间。微胶囊的表面形态有较明显的差别。H0、H1000和H2500的微胶囊(图2a、b、c)表面粗糙,有较多的皱褶和凹陷甚至裂纹,这可能是因为液滴在干燥过程中水分快速蒸发,造成颗粒表面出现收缩塌陷的现象[27-28];而H3500和H22000微胶囊(图2d、e)颗粒间逐渐趋于分散状态,颗粒粒径分布较均匀,表面更光滑,将H22000颗粒放大(图2f),可以看到呈规则的圆球形,囊壁比较完整,有少量凹陷和裂纹但没有裂痕出现,说明橙油已经被壁材包裹在里面。因此,乳液粒径会影响到微胶囊的微观形貌,粒径越小,微胶囊更易分散,表面越光滑,粒径分布会更加均匀。

图2 橙油微胶囊的扫描电镜图 Fig.2 Photomicrograph of spray-driedsample from different size emulsion注:a:H0;b:H1000;c:H2500;d:H3500;e、f:H22000不同放大倍数。

2.4 乳液粒径对橙油微胶囊氧化稳定性的影响

将橙油微胶囊经37 ℃贮藏五周后测定其柠檬烯及其氧化柠檬烯比例变化(图3)。

表2 橙油微胶囊柠檬烯氧化模型和预测货架期Table 2 Oxidation and predicted shelf life of orange oil microcapsule

结果表明,在5周的贮藏期间,一周内的氧化柠檬烯/柠檬烯(mg/g)比例有所下降,有可能是因为精油经喷雾干燥的高温导致一定程度的氧化,使得微胶囊初始(0周)氧化柠檬烯含量较高。一周后,除H22000外,其余微胶囊的氧化柠檬烯/柠檬烯(mg/g)值显著上升(P<0.05),说明柠檬烯的氧化程度加剧,易造成橙油风味的损失。当氧化柠檬烯/柠檬烯(mg/g)>2时,可认为精油败坏[29],因此,除H22000外,其余微胶囊在3周后已出现品质劣变。将H0、H1000、H2500、H3500微胶囊在1～3周和3～5周的氧化数据分别拟合,而H22000利用1～5周氧化数据进行拟合,得到氧化动力学模型(表2)。结果表明,柠檬烯氧化符合零级模型,且R2均大于0.97,表明总体线性相关和拟合精度好,这与Finney等的研究结果一致[18]。

图3 储存时间对柠檬烯氧化的影响Fig.3 Effect of storage time on the oxidation of limonene

2.5 橙油微胶囊货架期预测

根据柠檬烯氧化动力学方程(表2),以氧化柠檬烯/柠檬烯(mg/g)>2时为货架期终点预测货架期[29]。除H22000利用1～5周的拟合模型外,由于其余微胶囊在3周左右就达到此临界值,因此只用拟合模型1预测。

货架期预测结果表明(表2),37 ℃时H22000微胶囊的货架期是其余微胶囊样品的2.97～4.63倍,可达11周左右,而其余只有2.36～3.68周,说明纳米粒径的乳液制备的微胶囊具有更稳定的性质。这也与扫描电镜结果一致,H22000微胶囊具有更平滑的表面和更少的裂痕,从而能够形成更好的保护。另外粒径越小,结构越致密[29],使柠檬烯的氧化降到一个更低的程度。有文献报道橙油微胶囊在37 ℃的预测货架期只有8.2～10.6 d[18],这与所用壁材、乳液制备方法和喷雾干燥工艺等不同有关系。该文利用变性淀粉做壁材,乳液未经高压均质,且喷雾干燥进出口温度不同,这也说明微胶囊货架期与壁材种类和微胶囊化工艺密切相关[30]。

3 结论

本文研究了乳液粒径对喷雾干燥橙油微胶囊物理和氧化稳定性的影响。结果表明,均质压力越高,乳液粒径越小,未高压处理的粗乳液(H0-E)具有最大的粒径分布范围(2.60～34.28 μm),而H22000-E为0.05～0.39 μm。乳液粒径对微胶囊的总油量、包埋率和含水量没有显著影响(P>0.05),所有微胶囊总油量约为1.5 g/20 g,包埋率均大于95%,含水量低于4%。但乳液粒径会影响微胶囊的平均粒径、微观形貌以及重组乳液的粒径分布。乳液粒径越小,微胶囊平均粒径越小,表面越光滑。重组乳液相对于橙油乳液,具有更窄的粒径分布,说明喷雾干燥形成了有效的包埋。当乳液粒径达到纳米级后,重组乳液具有与其相似的粒径分布,说明纳米乳液经喷雾干燥得到的微胶囊具有良好的溶解性、分散性。同时,乳液粒径还会影响到橙油微胶囊的氧化稳定性。通过贮藏期间的加速实验,发现柠檬烯的氧化符合零级动力学方程,根据拟合模型的货架期预测结果,粒径最小的微胶囊H22000在37 ℃的货架期可长达11周左右,是其余微胶囊货架期的2.97～4.63倍。说明粒径越小,能形成更致密的保护,从而延长货架期。