蓝圆鲹鱼油微胶囊稳定性分析及其货架期预测模型的建立与评价

王淑惠，杨小斌，罗旭洸，刘静宜，周爱梅,*

（1.华农（潮州）食品研究院有限公司，广东 潮州 521000；2.华南农业大学食品学院，广东省功能食品活性物重点实验室，广东 广州 510642）

鱼油含有的多不饱和脂肪酸二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸对人的视网膜、神经系统和大脑起着重要作用，但却极易受到氧化发生酸败[1]。将鱼油进行微胶囊化处理可以保护不饱和脂肪酸免受环境条件（光、温度、氧气、湿度）引起的氧化和其他不良反应的影响，掩盖不愉快的鱼腥味，提高其ω-3脂肪酸的稳定性和输送能力，并延长贮藏货架期，提高产品的商业价值[2-4]。食品货架期是指食品在推荐的贮藏条件下一段时间内保持消费者所期待的感官、理化及微生物性质，其所含营养物质与标签内容一致的食用安全期[5]。大量研究表明，以理化、微生物或感官指标作为评定食品品质变化的自变量而建立的动力学模型可反映食品品质的变化情况，进而可有效预测食品的货架期[6-8]。温度是影响微胶囊食品贮藏品质的重要因素之一，而Arrhenius方程是用以描述氧化过程的温度函数[9]，与零级或一级动力学方程结合后被广泛应用于预测食品货架期，从而达到实时监控其品质特性的目的[10-11]。石燕等[12]将草鱼鱼油微胶囊贮藏在60 ℃条件中，以过氧化值（peroxide value，POV）为评价指标，分别比较了一级与零级动力学模型结合Arrhenius方程构建草鱼鱼油微胶囊的货架期模型，结果得出一级动力学模型结合Arrhenius方程在拟合精度和预测准确性方面更具有优势，微胶囊化鱼油与未微胶囊化鱼油相比，货架期从127 d延长至203 d，同时证明微胶囊化能有效延长草鱼鱼油的贮藏稳定性。耿鹏飞[13]将鳀鱼油微胶囊和精炼鳀鱼油贮藏在25 ℃条件下，以POV为评价指标，得出两者的氧化动力学反应均为一级动力学，且得出贮藏在25 ℃的鳀鱼油微胶囊和精炼鳀鱼油的货架期分别为201 d和97 d，证明了微胶囊化可有效延长鳀鱼油的贮藏货架期。姚翾等[14]以POV和硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）值为评价指标，研究微胶囊化对宝石鱼油贮藏稳定性的影响，结果发现宝石鱼油微胶囊的POV和TBA值都低于未微胶囊化的宝石鱼油，显著地延长了宝石鱼油的货架期。钟春梅等[15]将鳡鱼油和鳡鱼油微胶囊贮藏在15 ℃条件下，以POV为评价指标，根据Arrhenius方程预测出微胶囊化处理可使鳡鱼油的贮藏时间由32 d延长至256 d。

近年来，为了提高蓝圆鲹（Decapterus maruadsi）的利用价值，越来越多学者致力于其研究中，但主要集中在其功能蛋白质方面，如生物活性蛋白水解物和蛋白膜[16-20]，而关于蓝圆鲹鱼油及其微胶囊化的研究仍比较少。基于此，本实验在前期所获蓝圆鲹鱼油微胶囊的基础上，以吸湿性和芯材（鱼油）保留率为指标研究了蓝圆鲹鱼油微胶囊在不同相对湿度（relative humidity，RH）下的贮藏稳定性，并比较了不同贮藏温度下蓝圆鲹鱼油微胶囊的POV和TBA值及感官特征的变化，分析两个指标的相关性，在此基础上对不同温度条件下的蓝圆鲹鱼油微胶囊的货架期进行预测，以期为蓝圆鲹鱼油微胶囊在生产、贮藏、运输和销售过程中的品质监控提供一定的理论指导。因此，构建不同贮藏温度下蓝圆鲹鱼油微胶囊的氧化预测模型，对预测其货架期和提高安全稳定性具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜蓝圆鲹购于广州市天河区长湴市场；阿拉伯胶、海藻糖和明胶均为市售食品级；氯化镁、硝酸镁、碳酸钠、硝酸钾、冰醋酸、氯仿、碘化钾、碘酸钾、磷酸氢二钾、丙二醛、三氯乙酸和TBA等均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

AL104万分之一电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；DHG-970鼓风干燥箱 上海齐心科学仪器有限公司；3 L低温连续相变萃取装置 珠海共同机械有限公司；DF-101S数显电热恒温水浴锅 巩义予华仪器有限公司；DHP-9162电热恒温培养箱 上海仁灏仪器设备有限公司；UV3010紫外分光光度计 日本日立高科技公司。

1.3 方法

1.3.1 蓝圆鲹鱼油的提取及微胶囊的制备

根据课题组前期的研究方法[21]采用低温连续相变萃取技术提取蓝圆鲹鱼油，并选取明胶、阿拉伯胶及海藻糖作为壁材，通过喷雾干燥制备蓝圆鲹鱼油微胶囊，得到的鱼油微胶囊得率为（72.49±2.59）%，包埋率为（91.56±0.75）%，水分质量分数为（3.57±0.41）%，平均粒径约为5 μm。通过扫描电子显微镜观察到蓝圆鲹鱼油微胶囊的外形圆润光滑、致密、无裂痕，且贮藏稳定性好，可以较大程度地保护鱼油功能活性成分[22]。

1.3.2 吸湿性和芯材保留率的测定

将一定量的蓝圆鲹鱼油微胶囊分别与不同RH的MgCl2（RH 34%）、Mg(NO3)2（RH 58%）、Na2CO3（RH 76%）、KNO3（RH 93%）饱和溶液在20 ℃恒温培养箱中避光贮存，每隔24 h测定一次鱼油微胶囊的质量和包封率[23]，按式（1）、（2）分别计算鱼油微胶囊的吸湿率及芯材保留率。

1.3.3 氧化指标的测定

均匀称取等量蓝圆鲹鱼油微胶囊，采用0.1 mm聚对苯二甲酸乙二醇酯/铝箔/聚乙烯（PET/AL/PE）复合材料封装，贮藏在RH 76%，温度分别为-20、4、30 ℃和60 ℃条件下，每隔3 d进行取样，测定鱼油微胶囊芯材的POV和TBA值。

1.3.3.1 POV的测定

POV的测定参照Chang等[24]的方法并稍作修改。将15 mL乙酸-氯仿溶液（3∶2，V/V）与0.5 g蓝圆鲹鱼油微胶囊充分混合以破坏微胶囊，再加入0.05 mL饱和KI溶液，持续摇动1 min，补充30 mL蒸馏水。然后用0.01 mol/L的Na2S2O3溶液缓慢滴定，剧烈摇晃直到黄色几乎消失。随后，加入0.05 mL质量分数1%淀粉溶液继续滴定，至蓝色消失，表明所有的I2已从CHCl3层释放，停止滴定。根据式（3）计算POV。

式中：V表示消耗Na2S2O3溶液的体积/mL；c表示Na2S2O3的浓度/（mol/L）；m表示蓝圆鲹鱼油微胶囊的质量/g。

1.3.3.2 TBA值的测定

TBA值的测定参照潘文龙等[8]的方法并稍作修改。将5.0 g蓝圆鲹鱼油微胶囊与50 mL体积分数10%三氯乙酸混合后均质30 min，然后4 000 r/min离心10 min。将15 mL上清液与15 mL 0.02 mol/L TBA溶液在封闭试管中混合，并在沸水浴中反应15 min。迅速冷却至室温后，4 000 r/min离心5 min，取上清液在532 nm波长处测定吸光度。以蒸馏水取代滤液为空白样，TBA值以每千克鱼油微胶囊中丙二醛（malondialdehyde，MDA）的质量表示，单位mg/kg。根据式（4）计算TBA值。

1.4 数据统计分析处理

2 结果与分析

2.1 RH对蓝圆鲹鱼油微胶囊吸湿率和芯材保留率的影响

图1为蓝圆鲹鱼油微胶囊贮藏在RH分别为34%、58%、76%、93%环境中吸湿率和芯材保留率随时间的变化。从图1a可以看出，在不同RH条件下，蓝圆鲹鱼油微胶囊的吸湿率整体呈上升趋势，且RH越高，吸湿率越高，吸湿速率也越快；贮藏15 d后，RH 34%、58%、76%、93%条件下蓝圆鲹鱼油微胶囊吸湿率分别由第3天的0.71%、0.95%、1.42%、2.47%上升至3.24%、3.95%、4.66%、4.73%。同一贮藏时期，RH 34%的吸湿速率明显低于其他3 组；在贮藏第6天时，RH 93%的吸湿率达到4.27%，明显高于RH 34%的吸湿率（1.65%），且比RH 34%贮藏15 d（3.24%）的吸湿率还要高31.79%。喷雾干燥颗粒很容易吸收周围环境中的水分，从而导致其在贮存过程中产生黏性并结块[25]。在实际观察中也发现，在不同RH条件下贮藏的蓝圆鲹鱼油微胶囊，其结块速率与RH成正比，在高RH环境（RH 93%）下，蓝圆鲹鱼油微胶囊很快就变为具有黏性的流体状态。食品中水分含量的多少与其货架期长短有必然的联系，鱼油微胶囊的壁材吸水后其强度减弱甚至发生破坏，通透性增加，包裹在内部的鱼油芯材失去了壁材的保护作用而更容易与外界接触，迅速发生氧化酸败，因而会大幅缩短其货架期[26]；此外，在较高的RH下，微胶囊壁材从玻璃态转变为具有高分子迁移率的无定形橡胶态，导致原本装封的鱼油在贮存期间释放出来，鱼油保留率不断下降，最终使鱼油微胶囊的品质下降并且缩短货架期[25]。因此，蓝圆鲹鱼油微胶囊应尽量在干燥的环境中贮藏。

由图1b可知，随着贮藏时间的延长，蓝圆鲹鱼油微胶囊芯材的保留率出现不同程度下降，且RH越大芯材保留率下降也越快；贮藏14 d后，RH由小到大条件下蓝圆鲹鱼油微胶囊芯材保留率由初始值（以100%计算）分别下降至90.63%、80.00%、48.42%、35.28%。在整个贮藏过程中，RH 93%芯材保留率下降速率最快，第4天（87.31%）就与其他3 组（均在95%以上）产生明显差异。该结果与吸湿率结果一致，再次说明贮藏于高RH环境的蓝圆鲹鱼油微胶囊吸水量增多后导致壁材发生溶解，微胶囊结构被破坏，芯材释放出来，并与外界环境发生氧化作用，降低了微胶囊的包埋效果，导致芯材保留率下降。

图1 RH对蓝圆鲹鱼油微胶囊吸湿率和芯材保留率的影响Fig. 1 Effect of humidity on moisture absorption and core material retention of round scad oil microcapsules

2.2 温度对蓝圆鲹鱼油微胶囊POV和TBA值的影响

脂质自氧化是自由基通过链反应发生的一种化学变化反应，过氧化物是这种反应开始时产生的主要产物，然后降解为其他产物，如醇类、酮类、醛类和挥发性化合物，能导致食物产生不愉快的异味[2,27]。图2a表明，蓝圆鲹鱼油微胶囊在不同贮藏温度下，其POV（初始值均为6.66 meq/kg）均有不同程度的增加，温度越高，POV增加越快。贮藏在60 ℃下，蓝圆鲹鱼油微胶囊的POV增加最快，第3天就已明显高于同一时期其他3 组的POV，贮藏30 d后的POV高达86.43%；贮藏在4 ℃和20 ℃下的蓝圆鲹鱼油微胶囊POV变化不明显，直到30 d时的POV分别只有7.62 meq/kg和8.42 meq/kg，且两者在同一时期的POV无明显差异；贮藏在40 ℃时，蓝圆鲹鱼油微胶囊的POV变化幅度介于20 ℃和60 ℃之间，随时间延长缓慢上升，POV到第30天为36.95 meq/kg，约为60 ℃贮藏条件下的一半。根据本课题组的前期研究[22]，将蓝圆鲹鱼油和蓝圆鲹鱼油微胶囊同时置于60 ℃条件下进行加速氧化反应6 d，结果发现处于同时期的蓝圆鲹鱼油微胶囊POV明显低于未经过微胶囊化鱼油的POV，说明蓝圆鲹鱼油经过微胶囊壁材包裹之后，减少了与空气接触的机会，氧化速率降低，从而达到提高蓝圆鲹鱼油贮藏稳定性的效果。但若贮藏温度过高，蓝圆鲹鱼油微胶囊的POV上升速度加快，可能是因为微胶囊的壁材在较高的温度和长时间作用下其物理性质发生了变化，原有的致密结构被破坏，有部分油脂渗出，失去了微胶囊壁材的保护，油脂快速被氧化[28]。因此，蓝圆鲹鱼油微胶囊适于低温贮藏，应该避免长时间处于高温环境从而导致微胶囊破壁而丧失对芯材的保护能力。

TBA法一般用于检测脂质氧化过程中多不饱和脂肪酸降解产生的MDA含量[29]。二次氧化产物（如MDA）的鉴定对于测定人类食用油的氧化程度很重要，因为二次氧化产物通常具有气味活性，而一次氧化产物无色无味[30]。由图2b可知，蓝圆鲹鱼油微胶囊的TBA值的变化趋势与POV类似，温度越高，TBA值（初始值均为0.12 mg/kg）增加越快、越明显。贮藏在4 ℃和20 ℃下，蓝圆鲹鱼油微胶囊的TBA值上升趋势比较平缓，贮藏30 d后的TBA值分别为0.16、0.23 mg/kg，均与初始值无明显差异，说明蓝圆鲹鱼油微胶囊的氧化程度较低，且氧化速率较慢；而贮藏在40、60 ℃下，TBA值随时间延长而明显增加；在60 ℃贮藏3 d后，蓝圆鲹鱼油微胶囊的TBA值已明显高于同期其他3 组的TBA值，且氧化速率不断加速上升，在30 d时TBA值高达7.90 mg/kg，约为4 ℃和20 ℃贮藏条件下的40 倍。这可能是因为温度升高既激发了自由基的产生，又促进了氢过氧化物的分解和聚合，从而造成鱼油微胶囊快速氧化[31]。综上所述，高温可能致使蓝圆鲹鱼油微胶囊结构破坏，加速氧化反应，不利于其贮藏。

图2 温度对蓝圆鲹鱼油微胶囊POV和TBA值的影响Fig. 2 Effect of temperature on POV and TBA values of round scad oil microcapsules

2.3 蓝圆鲹鱼油微胶囊品质动力学分析和货架期模型的建立

2.3.1 动力学参数及反应常数确定

在食品加工和贮藏过程中，大多数食品的品质变化都符合零级或一级反应动力学方程[6,32]。为研究贮藏温度和蓝圆鲹鱼油微胶囊氧化稳定性之间的关系，分别采用零级反应动力学方程和一级反应动力学方程对贮藏在不同温度下蓝圆鲹鱼油微胶囊的POV和TBA值变化进行曲线方程拟合，其方程分别如式（5）、（6）所示。

式中：A0、A分别为样品的初始指标值和t时间后的指标值；k为反应速率常数；t为鱼油微胶囊贮藏时间/d。

将实验数据分别代入公式（5）、（6），计算得到不同贮藏温度下鱼油微胶囊POV和TBA值在不同级数下的反应速率常数k与其线性回归决定系数R2（表1）。

表1 蓝圆鲹鱼油微胶囊在不同贮藏温度下品质变化的动力学模型参数Table 1 Kinetic model parameters for quality changes of round scad oil microcapsules during storage at different temperatures

由表1可知，不同贮藏温度下由POV和TBA值建立的一级回归方程的决定系数R2均大于0.9，R2越大表明总体线性相关性和拟合精度越好[33]。此外，各方程决定系数之和ΣR2的大小也可用于确定食品品质变化的级别，ΣR2越大，说明其拟合精度越高[34]。POV和TBA值一级动力学回归的决定系数之和ΣR2均较零级动力学大，说明其有较高的拟合精度。因此，选择一级反应动力学方程描述蓝圆鲹鱼油微胶囊POV与TBA值在不同温度下随贮藏时间的变化规律。

2.3.2 贮藏期间蓝圆鲹鱼油微胶囊POV和TBA值Arrhenius方程的建立

Arrhenius方程可用于反映反应速率与温度的关系[35-36]，利用不同贮藏温度下蓝圆鲹鱼油微胶囊POV及TBA值随时间变化规律得到的数据进行回归拟合动力学方程，并在Arrhenius方程（式（7））的基础上通过给定评定终点对应的指标值以及某一贮藏温度下蓝圆鲹鱼油微胶囊的贮藏时间t，进而预测不同温度下的货架期[37]。

对式（7）两边取对数得到式（8）。

由公式（6）～（8）推导得到式（9）。

根据式（9）可以得出预测模型货架期（shelf life，SL），如公式（10）所示。

式（7）～（10）中：k为食品品质变化速率常数；SL为货架期；t为食品的贮藏时间/d；A0为食品的初始品质指标值；A为食品贮藏t时刻的品质指标值；k0为指前因子；Ea为活化能/（J/mol）；T为绝对温度/K；R为气体常数，8.314 4 J/（mol·K）。

由公式（8）可知，lnk与1/T呈线性关系，将在277、293、313 K和333 K温度下得到蓝圆鲹鱼油微胶囊的POV和TBA值的反应速率常数k用Arrhenius方程在不同温度下进行线性拟合（图3），得到回归方程并求出k0及Ea（表2）。从表2中可知，一级动力学模型针对于两种指标的拟合度都比较高（R2＞0.93），充分表明其可很好地预测不同贮藏温度下蓝圆鲹鱼油微胶囊随时间变化而发生的品质特性改变状况。

图3 蓝圆鲹鱼油微胶囊POV和TBA值变化的Arrhenius曲线Fig. 3 Arrhenius curves showing temperature-dependent changes in POV and TBA values of round scad oil microcapsules

表2 蓝圆鲹鱼油微胶囊氧化指标反应速率常数k对不同温度Arrhenius方程拟合结果Table 2 Arrhenius equations for reaction rate constant k for oxidation indicators of round scad oil microcapsules at different temperatures

2.3.3 蓝圆鲹鱼油微胶囊货架期模型的建立

将不同温度下得到的指前因子（k0）与活化能（Ea）带入公式（10），可以得到在不同贮藏温度下以POV、TBA值为品质指标的化学动力学货架期预测模型。

蓝圆鲹鱼油微胶囊关于POV建立的货架期模型如式（11）所示。

蓝圆鲹鱼油微胶囊关于TBA值建立的货架期模型如式（12）所示。

式中：APOV、ATBA分别为贮藏t时间后POV和TBA值；A0POV、A0TBA分别为POV和TBA值初始值；T为绝对温度/K；R为气体常数，8.314 4 J/mol。

2.3.4 货架期预测模型的验证与评价

根据SC/T 3505—2006《微胶囊化鱼油水产行业标准》[38]中规定，鱼油微胶囊的POV以12 meq/kg、TBA值以1 mg MDA/kg作为可接受的最高限值。为考察预测模型的准确性，以便更好地应用于实际生产、生活，需要根据不同贮藏温度下蓝圆鲹鱼油微胶囊各个指标的实际测定值来验证模型的准确性。

表3 蓝圆鲹鱼油微胶囊货架期的预测时间与实测时间Table 3 Predicted and actual shelf life of round scad oil microcapsules

从表3中可以看出，在4、20、40、60 ℃贮藏温度下，蓝圆鲹鱼油微胶囊以POV和TBA值为指标建立的货架期预测模型的预测值与实测值的相对误差均在10%内，说明蓝圆鲹鱼油微胶囊的实际货架期与建立模型后预测的货架期较为接近，具有较高的可信度[33]。从POV模型来看，在4、20、40 ℃和60 ℃贮藏条件下，鱼油微胶囊的货架期分别可达到190.09、71.02、23.81 d和6.32 d；从TBA值模型来看，在上述温度的贮藏条件下，鱼油微胶囊的货架期可达到195.56、83.45、23.86 d和7.87 d。由图4可知，POV与TBA值模型预测值的决定系数为0.996 4，两个不同指标预测的货架期具有较高的相关性，POV模型和TBA值模型可以很好地预测蓝圆鲹鱼油微胶囊的货架期；另一方面，温度越高，贮藏时间越短。因此，蓝圆鲹鱼油微胶囊应贮藏在低温环境。

图4 以POV与TBA值为指标建立的货架期模型预测值的相关性Fig. 4 Correlation between model predictions for shelf life based on POV and TBA

3 结 论

蓝圆鲹鱼油微胶囊应贮藏在RH低的环境中，RH越高，鱼油微胶囊越容易吸潮，导致芯材保留率低，感官品质下降，严重影响鱼油微胶囊的贮藏稳定性。不同贮藏温度下，蓝圆鲹鱼油微胶囊的POV和TBA值随温度升高而增加，且温度越高氧化越明显。利用一级动力学模型结合Arrhenius方程建立的氧化指标货架期预测模型具有很好的准确度和相关性，预测值与实测值之间的相对误差都低于10%，POV与TBA值模型预测值的决定系数高达0.996 4，可以迅速且准确地预测4～60 ℃条件下蓝圆鲹鱼油微胶囊的货架期。综合分析，蓝圆鲹鱼油微胶囊应贮藏在低温低湿环境中，防止吸潮和氧化过快而导致其感官品质下降。本研究结果得出的货架期预测模型可为预测和控制不同温度下蓝圆鲹鱼油微胶囊的合理贮藏及品质鉴定提供一定的理论参考。