纳米SiO2/大豆分离蛋白为壁材的核桃油微胶囊特性

毕会敏，范方宇，杨宗玲，李晗，罗林，陈乔稳

(西南林业大学 生命科学学院，云南 昆明，650224)

核桃，胡桃科植物，果仁营养丰富，富含蛋白质、脂肪、碳水化合物等人体必需营养成分，油脂含量占65%～70%，不饱和脂肪酸高达90%[1]。核桃油中含有丰富的不饱和脂肪酸，在贮藏过程中易受光、O2和温度等因素影响而氧化酸败，破坏油脂营养，降低产品的感官品质和货架期[2]。目前，核桃油微胶囊化是核桃油保存的常用方法之一，研究的主要内容是工艺优化，提高油脂包埋率，分析油脂特性、氧化稳定性等[3-4]。壁材作为芯材的重要屏障，在生产高包埋率、高稳定性微胶囊中起着至关重要的作用[5]。有学者以混合壁材制备油脂微胶囊，提高了包埋率和油脂的氧化稳定性[6]。能否考虑用新型材料改性微胶囊壁材，提高壁材性能，进而提高微胶囊芯材稳定性，是本研究的重点。

纳米SiO2可作为一种常用的可食性膜改良剂。纳米SiO2表面羟基含量高，比表面积大，量子隧道效应和体积效应使其产生游渗作用，可与高分子化合物以化学键结合，赋予高分子材料特殊性能，如提高复合材料的机械性、透水、透气性等[7-8]。国内外研究中，纳米SiO2以改性壳聚糖、大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI)为主，分析改性复合膜特性，其在涂膜保鲜或可食性包装袋中的应用效果良好,能明显提高保鲜效率[9-12]。纳米SiO2可与SPI通过共混的方式形成一层复合膜，复合膜中的硅氧键可调节内外水蒸气、CO2和O2交换量，并增加复合膜的机械性能、热稳定性。且纳米SiO2的加入使SPI与纳米SiO2之间形成氢键和配位键，分子间结构更致密，空间缩小，气体通过复合膜的迁移路径被延长，复合膜综合性能增强。微胶囊技术的原理即在芯材表面形成一层保护膜，壁材与芯材共同形成核壳结构，壁材性能优劣决定芯材能否被较好地保护起来。制备微胶囊的壁材包括天然或者半合成材料。SPI具有成本低、成膜性好、气体屏障性能好和可降解等优点成为制备微胶囊首选的壁材[13]。但SPI水敏性和力学性能较差，使其应用受到限制[14]。将纳米SiO2应用于微胶囊壁材改性，目前已在相变微胶囊中使用[15]，纳米SiO2复合粒子可吸附在油-水界面上，形成一层或多层固体颗粒膜，使微胶囊体系稳定[16]。

基于此，采用纳米SiO2改性微胶囊壁材，利用SiO2特有的比表面积大、表面羟基多等优点，强化微胶囊壁材性质，进而制备性能优越的微胶囊产品。研究以纳米SiO2改性SPI为壁材，核桃油为芯材，制备纳米SiO2/SPI为壁材的核桃油微胶囊，分析纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊性质和贮藏稳定性，纳米为SiO2改性微胶囊壁材制备微胶囊技术提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

核桃油，自制；纳米SiO2(20～30 nm)，舟山明日纳米科技材料有限公司；SPI、麦芽糊精、单甘脂，均为食品级。

乙醚、石油醚(30～60 ℃沸程)、无水乙醇、三氯甲烷、十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)、冰醋酸、硫代硫酸钠、可溶性淀粉、碘化钾，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

B-290喷雾干燥器，瑞士Buchi公司；DHG-9140A电热恒温干燥箱，上海恒科仪器有限公司；HSP-80B恒温恒湿培养箱，上海坤天实验室仪器有限公司；FJ200-SH数显高速分散均质机，上海沪析实业有限公司；TGL16M台式冷冻高速离心机，上海赫田科学仪器有限公司；SC-80色差仪，北京康光有限公司；Hydro 2000Mu激光粒度仪，英国MAL ERN仪器有限公司；JRA-650超声波细胞破碎仪，无锡杰瑞安仪器设备有限公司；SC-4800扫描电镜，日本日立；DSC204F1差示量热扫描仪，德国耐驰。

1.3 改性纳米SiO2的制备

取1.00 g纳米SiO2(20～30 nm)加入到200 mL、质量分数0.70%的SDS溶液中，调pH值4.0，搅拌6 h，过滤，蒸馏水反复洗涤至中性、55 ℃干燥，研磨，得到改性纳米SiO2。后续研究均采用改性纳米SiO2为原料，为使文章简化，文中直接称之为纳米SiO2。

1.4 纳米SiO2/SPI为壁材的核桃油微胶囊的制备

以纳米SiO2/SPI为壁材，单甘脂为乳化剂，麦芽糊精为助干剂，核桃油为芯材，采用喷雾干燥法制备纳米SiO2/SPI为壁材的核桃油微胶囊。喷雾干燥条件：固形物质量分数17%，液体流量9 mL/min，进料温度50～60 ℃，进风温度170 ℃，出风温度70～80 ℃。根据文献，并进行一定修改添加不同比例的芯材、壁材[4,17]。具体步骤为：

利用超声波细胞破碎仪将不同添加量的纳米SiO2分散到100 mL去离子水中，在功率650 W的条件下分散2 h，制备纳米SiO2分散液。分散液中加入6.32 g SPI，80 ℃、500 r/min搅拌30 min；然后加入6.00 g麦芽糊精、0.20 g单甘脂、6.98 g核桃油，继续80 ℃、500 r/min搅拌30 min。混合液用高速分散器以1 400 r/min剪切乳化分散4 min，备用。

为研究纳米SiO2对后续制备核桃油微胶囊的影响，纳米SiO2添加量分别为SPI的0.00%、1.00%、3.00%、5.00%、7.00%、9.00%(质量分数,下同)。

1.5 微胶囊性质的测定

1.5.1 含水量

采用直接干燥法，参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。

1.5.2 吸水率

将烘干至恒重的微胶囊样品(m0)放入恒温恒湿培养箱中(温度20 ℃，相对湿度50%)，吸水至恒重(m1)。样品吸水率按公式(1)计算:

(1)

1.5.3 溶解性

参照国标GB 5413.29—2010《食品安全国家标准 婴幼儿食品和乳品中溶解性的测定》测定核桃油微胶囊溶解性。

1.5.4 色泽测定

采用SC-80色差仪测定核桃油微胶囊粉末色泽。

1.5.5 粒径测定

将核桃油微胶囊在乙醇介质中稀释分散均匀，采用激光粒度仪测定样品粒径。

1.5.6 热稳定性

采用差示扫描量热仪(differential scanning calorimeter,DSC)分析核桃油微胶囊热稳定性。取5～10 mg样品于铝制坩埚中，空铝坩埚为空白对照，扫描温度为50～250 ℃，升温速度为10 ℃/min，氮气流速为20 mL/min。

1.5.7 扫描电镜分析

采用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)分析核桃油微胶囊形态。将样品粘结在含导电胶的观测台表面，样品喷金。喷金后观察微胶囊形态结构，放大倍数3 000倍。

1.5.8 包埋率

表面油测定[17-18]：取约1.00 g核桃油微胶囊粉末于锥形瓶中，加入30 mL石油醚，振荡1 min后过滤，然后用10 mL石油醚清洗过滤器上固体残渣，反复3次，合并滤液。将滤液蒸发，剩余油在105 ℃的烘箱中干燥至恒重，称重，采用差减法得核桃油微胶囊表面油质量m表。总油测定：参照文献[17]提取核桃油微胶囊总油m总。核桃油微胶囊包埋率参照公式(2)计算:

(2)

1.5.9 过氧化值测定

核桃油微胶囊油脂过氧化值(peroxide alue,PO )按国标GB 5009.227—2016《食品安全国家标准 食品中过氧化值的测定》。

1.5.10 贮藏稳定性

将核桃油微胶囊置于60 ℃的培养箱中进行加速氧化试验，每2 d定时测微胶囊包埋率和PO 。通过分析油脂包埋率、PO 变化评价纳米SiO2强化壁材后微胶囊贮藏性[19]。

2 结果与分析

2.1 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊性质的影响

由表1可知，纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊的含水率影响甚微，其含水率均小于4.0%，符合粉末食品的相关要求。吸水率随添加量的增加呈轻微增加的趋势，这与纳米SiO2表面的羟基基团有关。纳米SiO2表面有大量羟基，亲水性强，与环境中的水蒸气接触吸收少量水在胶囊表面[11]。因纳米SiO2添加量少，所有微胶囊粉末吸水率低，不影响核桃油微胶囊的贮藏稳定性。微胶囊溶解性随纳米SiO2的增加逐渐降低，这可能是因纳米SiO2与SPI之间产生强烈的氢键和范德华力[11]，使不溶性沉淀增多。当纳米SiO2添加量为9.00%时，溶解性仅有93.56%，不适用于粉末食品。纳米SiO2添加量不超过3.00%时，核桃油微胶囊包埋率高于空白对照样；当超过3.00%后，包埋率明显降低。这可能是少量的纳米SiO2使纳米SiO2/SPI复合壁材膜机械性能好，断裂伸长率高，喷雾干燥形成的壁材阻油脂透过性好，对芯材有保护作用；当过量添加后，因纳米SiO2团聚，复合壁材膜断裂伸长率下降，复合膜中有少量微孔，油脂膜透过性增大，包埋率降低[20]。性质分析可见，纳米SiO2添加量以1.00%、3.00%比较适宜。

表1 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊性质的影响 单位：%

2.2 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊色泽的影响

由表2可知,纳米SiO2的添加使核桃油微胶囊的L*范围增加，值为70.18～71.86，比未添加纳米SiO2微胶囊的L*(65.42)值高，说明纳米SiO2使核桃油微胶囊整体颜色更白，色泽更好。添加量的多少对白度无明显影响，整体处于稳定水平。纳米SiO2的核桃油微胶囊a*值比未加纳米SiO2核桃油微胶囊更小，颜色偏绿；b*值比未加纳米SiO2核桃油微胶囊值更大，颜色偏黄。分析可见，纳米SiO2的添加使核桃油微胶囊色泽更好，具有一定的增白作用。纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊色泽影响较小。

表2 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊色泽的影响Table 2 Effects of nano-SiO2 addition on the color of walnut oil microcapsules

2.3 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊粒径的影响

由图1可知，纳米SiO2添加量分别为0.00%、1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%时，微胶囊的平均粒径分别为8.48、11.65、11.34、9.86、8.62和11.30 μm。随着壁材纳米SiO2含量增加，微胶囊粒径逐渐减小，样品小粒径体积含量增加，大粒径体积含量减小。添加纳米SiO2的核桃油微胶囊比未添加的微胶囊平均粒径大，但规律不明显。粒径变大的原因可能是添加纳米SiO2后，溶液整体黏度变大，喷雾时雾滴增大，产品粒径变大。但是有趣的现象是，纳米SiO2添加量7.00%时，粒径与空白对照样粒径差别不大。

图1 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊粒径的影响Fig.1 Effects of nano-SiO2 addition on the particle size of walnut oil microcapsules

2.4 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊热稳定性的影响

由图2可知，纳米SiO2添加量为0.00%、1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%时，所对应的核桃油微胶囊的熔融温度分别为124.8、153.5、164.4、168.2、156.4和165.4 ℃。添加纳米SiO2显著提高了核桃油微胶囊的热稳定性。纳米SiO2添加量为3.00%和5.00%时，熔融温度比未添加纳米SiO2的核桃油微胶囊温度提高了39.6和43.4 ℃。纳米SiO2添加量超过5.00%后，熔融温度先下降，后增高。这主要是纳米SiO2与SPI产生氢键，破坏氢键需要更多的外部能量；此外，纳米SiO2颗粒小，可填充于SPI的中空结构，使微胶囊外壳更坚固[11,21]。当增加纳米SiO2添加量时，纳米SiO2易团聚，不易均匀的分散在壁材中[22]，壁材结构减弱，熔融温度降低。包埋率实验结果中，纳米SiO2添加量为5.00%时，包埋率最低，这在一定程度上也影响了熔融温度。热稳定性的提高，对于芯材的贮藏可以起到积极的作用，分析表明纳米SiO2添加量为3.00%、5.00%比较适宜。

图2 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊热稳定性的影响Fig.2 Effects of nano-SiO2 addition on the thermal stability of walnut oil microcapsules

2.5 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊形态的影响

由图3可知，从核桃油微胶囊SEM的微观结构中可见，纳米SiO2的添加对核桃油微胶囊的微观结构并无明显影响，所有微胶囊均具有较好的完整颗粒结构。微胶囊表面凹陷，这是因样品制备过程中，助干剂麦芽糊精填充导致的凹陷，以及干燥时壁材膜失水而产生不均衡的收缩，造成微胶囊表面凹陷，不光滑，不圆整，形态显现出差异。

图3 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊形态的影响Fig.3 Effects of nano-SiO2 addition on the morphology of walnut oil microcapsules

2.6 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊的贮藏稳定性

2.6.1 对核桃油微胶囊包埋率的影响

随贮藏时间的延长，核桃油微胶囊在贮藏过程中受环境中水分、O2、温度等因素影响，壁材致密性逐渐破坏或变疏松，内部油缓慢释放到微胶囊表面，包埋率降低[23-24]。由图4可知，所有核桃油微胶囊随贮藏时间的延长，包埋率下降，贮藏8 d内，包埋率下降幅度小；继续延长贮藏时间(12 d)，核桃油微胶囊包埋率急剧下降。不同纳米SiO2添加量的核桃油微胶囊包埋率有明显区别。贮藏12 d后，未添加纳米SiO2的核桃油微胶囊包埋率从84.12%下降到30.09%，下降了64.23%。添加1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%的纳米SiO2的核桃油微胶囊包埋率分别下降了55.41%、24.71%、26.91%、25.00%和37.98%。数据分析可见，添加纳米SiO2后，核桃油微胶囊芯材释放缓慢，尤其在添加纳米SiO2为3.00%、5.00%和7.00%后，其释放速率不及对照样一半。原因为原料纳米SiO2仅为20～30 nm，在壁材固化过程中，纳米SiO2与SPI形成强氢键和填补SPI中的空隙，增大结合力，使微胶囊形成的“壁膜”结构致密，阻止了空气、水、油脂之类物质在微胶囊的内外交流，确保了核桃油微胶囊贮藏过程中包埋率的稳定性。同时由图2可知，添加了纳米SiO2的微胶囊热稳定性高，壁材更稳定，芯材不易释放。贮藏期包埋率研究结果表明，纳米SiO2添加量为3.00%、5.00%和7.00%时，核桃油微胶囊贮藏时包埋率效果更好。

图4 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊包埋率的影响Fig.4 Effects of nano-SiO2 addition on the embedding rate of walnut oil microcapsules

2.6.2 对核桃油微胶囊PO 的影响

图5为纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊在60 ℃贮藏期间PO 变化图。贮藏时，采用加速氧化试验研究核桃油微胶囊芯材的贮藏稳定性。初始阶段，所有样品PO 值均低，核桃油PO 为3.86 mmol/kg，微胶囊PO 值为3.95～4.12 mmol/kg，比核桃油PO 略高，其值均小于GB 2716—2018《食品安全国家标准 植物油》标准0.25 g/100 g(9.86 mmol/kg)，可以满足食用要求。经加速氧化12 d后，空白核桃油微胶囊PO 为24.54 mmol/kg，核桃油PO 为76.73 mmol/kg，比空白核桃油微胶囊PO 大212.67%。

图5 纳米SiO2添加量对核桃油微胶囊PO 的影响Fig.5 Effects of nano-SiO2 addition on the PO of walnut oil microcapsules

结果表明，油脂的微胶囊化，可使壁材阻隔芯材与外界环境中的O2、水蒸气接触，大大提高油脂的贮藏稳定性，这在很多研究中得到证实[25]。添加纳米SiO2后核桃油微胶囊PO 发生明显变化。添加纳米SiO2为1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%的核桃油微胶囊PO 分别为15.44、10.24、10.87、12.35和18.3 mmol/kg，PO 仅为未添加纳米SiO2的核桃油微胶囊的62.91%、41.72%、44.30%、50.33%和74.57%。其中纳米SiO2添加量3.00%和5.00%的核桃油微胶囊PO 仅比国标食用油要求高0.38、1.01 mmol/kg。数据分析表明，添加纳米SiO2可增强核桃油微胶囊的稳定性。结合纳米SiO2在薄膜方面的研究，可将其解释为纳米SiO2与SPI通过共混的方式形成一层薄膜，即微胶囊壁材，壁材中的硅氧键可调节内外水蒸气、CO2和O2交换量，同时增加壁材的机械性能、热稳定性。壁材性能的强化使核桃油中的不饱和脂肪酸不易受到O2、光照、水分以及温度等条件的影响而发生氧化酸败，从而提高其稳定性。另外，在SPI基体中加入纳米SiO2后，两者间氢键和配位键的形成使分子间结构致密，空间缩小，气体通过壁材膜的迁移路径被延长，有利于延长芯材的储藏时间。添加纳米SiO2较少时(1.00%)，因壁材强化能力不够，核桃油微胶囊的氧化稳定性仅有部分提高；当添加过量纳米SiO2时(7.00%、9.00%)，可能因纳米材料的分布不均，SPI基质与纳米SiO2之间的氢键被破坏，壁材综合性能较差，核桃油微胶囊的氧化稳定性下降。为保证核桃油微胶囊芯材的稳定性，比较适宜的纳米SiO2添加量为3.00%、5.00%。

2.6.3 核桃油微胶囊氧化动力学

核桃油微胶囊氧化动力学采用零级反应方程(公式3)和一级反应方程(公式4)进行线性回归[26-27]。

c=c0-kt

(3)

lnc=lnc0-kt

(4)

式中:c,贮藏t时刻样品PO ，mmol/kg；c0,样品初始PO ，mmol/kg；k,释放速率，d-1；t,贮藏时间，d。

图6、图7为零级和一级反应的线性回归，表3为零级和一级反应释放速率常数及反应方程。由表3可知，除了在纳米SiO2添加量为7.00%时，其余添加纳米SiO2的一级反应线性回归的R2大于零级反应线性回归的R2。此外，一级反应R2中除纳米SiO2添加量7.00%时为0.893，其余R2>0.94，拟合效果好。结果表明，样品的PO 变化趋势更符合一级反应线性回归。由图6可知，核桃油微胶囊化后，油脂的氧化速率远低于核桃油样品；添加纳米SiO2的核桃油微胶囊，氧化速率低于未添加纳米SiO2的核桃油微胶囊，其中添加量为3.00%和5.00%的微胶囊最低，两者差别不明显。氧化动力学分析表明，纳米SiO2的添加能提高核桃油微胶囊的稳定性，降低核桃油微胶囊在储藏过程中的PO 值，减缓核桃油的氧化速度，延长货架期，适宜的纳米SiO2添加量为3.00%、5.00%。

图6 核桃油微胶囊PO 零级反应线性回归分析Fig.6 Linear regression analysis of zero-order reaction of walnut oil microcapsules PO

图7 核桃油微胶囊PO 一级反应线性回归分析Fig.7 Linear regression analysis of first-order reaction of walnut oil microcapsules PO

表3 核桃油微胶囊PO 零级和一级反应机理参数Table 3 Zero-order and first-order reaction mechanism parameters of walnut oil microcapsule PO

3 结果与讨论

研究制备了纳米SiO2/SPI的微胶囊壁材，采用喷雾干燥法制备了核桃油微胶囊，分析了SPI中分别添加1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%的纳米SiO2对核桃油微胶囊含水率、吸水率、溶解性、包埋率、色泽、粒径、热稳定性、形态的影响，采用加速氧化试验研究了微胶囊贮藏过程中的包埋率、PO 变化，利用零级和一级反应研究了核桃油微胶囊的氧化动力学。结果表明：纳米SiO2添加量对含水率、吸水率、形态没有明显影响；1.00%、3.00%的添加量可以提高微胶囊包埋率；低于5.00%的添加量可以维持较好的溶解性；添加纳米SiO2的微胶囊粒径略微增大；纳米SiO2添加量3.00%、5.00%可以提高熔融温度39.6和43.4 ℃；纳米SiO2添加量3.00%、5.00%和7.00%时，核桃油微胶囊贮藏12 d后仍维持较好的包埋率；纳米SiO2添加量3.00%、5.00%时，核桃油微胶囊贮藏12 d后PO 为10.24和10.87 mmol/kg，仅为空白样微胶囊的41.72%、44.30%；PO 动力学研究表明，核桃油微胶囊氧化动力学适用于一级反应。综合数据表明，纳米SiO2添加量为SPI的3.00%时，可获得性能优良的核桃油微胶囊，维持良好的贮藏稳定性。