复凝聚法制备紫苏油微胶囊

陈巍元，姜宏宇，张华，

1. 延边大学农学院食品与生物科学系（延吉 133002）；2. 东北寒区肉牛科技创新教育部工程研究中心 延边大学（延吉 133002）

紫苏油（perilla oil）富含α-亚麻酸，其含量在57%～62%左右，系ω-3多不饱和脂肪酸植物油[1]。亚麻酸在人体内通过一系列的去饱和、链延伸和β-氧化反应可代谢生成较长链的EPA和DHA，长期食用可以有效降低血脂、降低人体中的胆固醇、降低心血管疾病的发生，有助于延缓衰老、改善记忆力等，因此紫苏油也有“陆地深海鱼油”的称号[2]。但是，高含量的不饱和脂肪酸也导致紫苏油的储藏稳定性很低。不饱和脂肪酸分子对光、氧和热都极为敏感，这使得紫苏油极易氧化变质[3]。根据相关研究成果，制备包覆良好、形态规则、缓释作用良好的微胶囊，可防止富含多不饱和脂肪酸的紫苏籽油在加工和贮藏的过程中氧化或变性。

利用复凝聚法制备微胶囊的研究中，明胶和阿拉伯胶的壁材组合最为常见，明胶与海藻酸钠发生复凝聚反应后也能形成微胶囊，同时海藻酸钠相比阿拉伯胶的成本偏低，保健性和安全性更好[4-6]。李宇等[7]以大蒜精油为芯材，壳聚糖和羧甲基纤维素钠为复合壁材，研究乳化-固化法制备大蒜精油微胶囊的工艺。徐易等[8]是以天然鱼肝油为芯材，通过单因素试验研究乳清蛋白、β-环糊精、阿拉伯胶壁材对鱼肝油微胶囊化包埋率的影响，再结合中心组合响应面设计优化复合壁材用量，建立3种壁材用量与包埋率的数学模型。

但是以明胶和海藻酸钠为壁材制备微胶囊作为复配壁材包埋紫苏油尚未见报道。因此，试验以紫苏油为芯材，明胶与海藻酸钠作为复合壁材，采用复凝聚法制备紫苏油微胶囊，增加紫苏油微胶囊壁材选用的广域性，为紫苏油在食品工业上的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

主要原料：紫苏油（食品级，吉林省长白工坊科贸有限公司）；海藻酸钠（食品级，上海仟味实业有限公司）；明胶B型（食品级，上海仟味实业有限公司）；转谷氨酰胺酶（食品级，河南百惠得生物有限公司）。

化学试剂：氢氧化钠、冰乙酸、司班80，石油醚（均为分析纯）。

1.2 仪器与设备

JA10003N型电子分析天平（上海民桥精密科学仪器有限公司）；IT-09B-15型磁力搅拌器（上海一恒科学仪器有限公司）；FK-FSH-2A高速分散搅拌机[方科仪器（常州）有限公司]；FD-1C-50型真空冷冻干燥机（北京博医康实验仪器有限公司）；QFST-250SQ索氏提取器（浙江普托仪器有限公司）；SY-2000旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂）；101-3型电热鼓风干燥箱（天津泰斯特仪器有限公司）；PH-100B pH计（上海力辰仪器科技有限公司）。

1.3 紫苏油微胶囊的制备

将明胶和海藻酸钠按照一定的质量分数溶解（明胶与海藻酸钠的质量比为4∶1），先取一定量的紫苏油加入海藻酸钠溶液，再加入质量分数为紫苏油0.5%的乳化剂司班80，均质乳化[9]，然后加入明胶溶液再次均质乳化，两次均质速度均为10 000 r/min。使用10%的冰乙酸溶液调节乳液pH进行复凝聚反应，反应条件为45 ℃，600 r/min，30 min。复凝聚反应结束后在10 ℃以下维持20 min进行凝胶，每5 min搅拌1次。凝胶结束后，去除上清液并加入去离子水洗涤，再用10%氢氧化钠溶液逐滴加入调节pH至6.0，加入一定量的转谷氨酰胺酶（TG酶）低温固化处理，固化温度为15 ℃，固化时间为2 h。固化结束后，经过真空冷冻干燥得到微胶囊。

真空冷冻干燥：将制备的湿微胶囊放入冻干物料盘中，厚度不超过1 cm，放入-80 ℃冰箱中预冷12 h后经真空冷冻干燥机（-50 ℃，1 Pa）冷冻干燥得到紫苏油微胶囊产品。

1.4 紫苏油微胶囊包埋率的测定

包埋率是指微胶囊所包埋芯材的量与总芯材的量之比，是判断微胶囊包埋芯材效果的关键指标[10]。包埋率按式（1）计算。

1.4.1 表面含油量的测定

精确称取0.5 g紫苏油微胶囊样品（m0）于干燥的装有滤纸的漏斗中，将100 mL石油醚分5次加入过滤至干燥的旋蒸瓶（m1）。进行水浴处理，温度为50 ℃，在溶剂蒸干之后进行烘干处理，温度为65 ℃，然后称其质量（m2）。微胶囊表面油含量按式（2）计算。

1.4.2 样品总油含量测定

索氏抽提法：依据GB/T 5009.6—2016中的第一法进行操作，并进行适当的修改。

精确称取0.5 g紫苏油微胶囊样品（M0），充分研磨10 min，全部移入滤纸筒内（M1）。以无水乙醚作溶剂开始进行索氏抽提。抽提结束后，取出滤纸包，进行烘干处理，温度保持在65 ℃，然后称其质量（M2）。微胶囊样品总油含量按式（3）计算。

1.5 单因素试验

采用单因素试验，分别考察壁材质量分数（1%，1.5%，2%，2.5%和3%）、pH（4.0，4.1，4.2，4.3和4.4）、壁芯比（1∶2，2∶3，1∶1，3∶2和2∶1）、均质时间（3，5，7，9和11 min）、TG酶用量在明胶质量中的质量浓度（10%，15%，20%，25%和30%）对包埋率的影响。

1.6 响应面优化试验设计

在研究过程中采用Box-Behnken试验设计，在单因素试验的基础上，响应值为紫苏油微胶囊的包埋率，开展三因素三水平试验，见表1。最后应用Design Expert对试验结果进行构图分析，并对最优值进行预估。

表1 响应面试验设计因素水平编码表

1.7 数据统计和分析

在数据统计分析中需要利用合适的软件工具，其中：主要基于Microsoft Excel进行绘制图表；单因素方差分析主要基于SPSS Statistics 23.0实现，显著性水平选择0.05；响应面优化分析主要基于Design-Expert 8.0实现。

2 结果与分析

2.1 壁材质量分数对微胶囊包埋率的影响

由图1可知，随着壁材质量分数的增大，微胶囊的包埋率也逐渐增大，当壁材质量分数为1.5%时，微胶囊的包埋率达到最高，为76.53%。当壁材质量分数为1%时，壁材质量分数过低，会存在空白复聚物，导致部分微胶囊包埋不完全，囊壁较薄，芯材物质容易泄漏，此时微胶囊的包埋率较低。当壁材质量分数为1.5%时，合理增大壁材质量分数可以提高芯材附近的壁材量，所以能够促进明胶、海藻酸钠的凝聚，继而使得包埋率得到明显提高。但是当质量分数超过1.5%时，微胶囊的包埋率不再增加且有下降的趋势，这可能是由于壁材质量分数过高导致体系黏度增大，从而不利于芯材的分散和微胶囊的成形，导致包埋的效果不好。结合上述过程可以确定最佳的壁材质量分数，即1.5%。

图1 壁材质量分数对微胶囊包埋率的影响

2.2 pH对微胶囊包埋率的影响

由图2可知，在所选范围内，当pH为4.3时，包埋率达到最大值78.07%。调节pH由4.0增加到4.4时，包埋率呈现出先增后减的变化趋势。在复凝聚过程中pH的调节尤为重要，如果GE-SA溶液的pH比GE等电点更低，则受到静电作用的影响，—NH3+和—COO-会构成特殊的复合凝聚物，难溶于水[11]。pH过高或者过低均不利于复凝聚反应，pH较小时，GE会存在比较多的正电荷，所以和SA的静电作用比较突出，最终得到的复合凝聚物难以保持较高的流动性，无法形成囊壁，pH过高，GE带有的正电荷过少，静电作用吸引力很低，难有沉淀析出。综上，pH 4.3为微胶囊包埋的最适pH。

图2 pH对微胶囊包埋率的影响

2.3 壁芯比对微胶囊包埋率的影响

如图3所示，当壁芯比为1∶1时，包埋率达到最大值78.07%，且明显高于其他壁芯比的微胶囊样品。经过分析发现，芯材比过大导致壁材难以有效包裹，在这种情况下不仅难以达到预期的保护效果，而且会造成芯材的浪费。但是在壁材比过大的情况下同样会产生不利的影响，因为这明显增大了壁材间的交联概率，导致出现很多空的未包埋芯材的复合凝聚物[12]，同样造成了原料的虚耗。当壁芯比为1∶1时，包埋率达到最高，表明在该比例下壁材能够包埋更多的芯材且不造成资源浪费。综上，微胶囊包埋的最适壁芯比为1∶1。

图3 壁芯比对微胶囊包埋率的影响

2.4 均质时间对微胶囊包埋率的影响

如图4所示，包埋率会受到均质时间的影响，总体来看，前者随着后者的增加，呈现出先增后减的变化趋势。包埋率的最大值是78.07%，此时对应的均质时间是7 min。在均质时间较短的条件下，芯材不能均匀分散在GE-SA的溶液中，同时也会使部分芯材油滴过大，不能被壁材完全包埋，导致包埋率过低。如果均质时间比较大，则可能出现乳液分层的现象[13]，由此会打破乳化液平衡，最终减小包埋率。当均质时间为7 min时，芯材分散最均匀，同时乳液体系最稳定，紫苏油微胶囊的包埋率也最高。综上，微胶囊包埋的最适均质时间为7 min。

图4 均质时间对微胶囊包埋率的影响

2.5 TG酶用量对微胶囊包埋率的影响

在复合凝聚阶段形成的微胶囊很不稳定，当微胶囊液的pH、温度发生变化时都会对其结构造成破坏。因此，需要对微胶囊进行固化。当温度低于15 ℃时，明胶发生凝胶化[14]，稳定微胶囊，凝胶化是固化的准备阶段。TG酶的最适pH为6.0，温度处于45～55 ℃之间是最合适的，然而考虑到微胶囊仍然保持在凝胶状态，反应温度不能超过15 ℃，所以此次研究中确定的TG酶固化温度等于15 ℃，固化pH为6.0，固化时间为2 h。由图5可知，添加不同量的TG酶固化处理后，各组微胶囊包埋率变化不大，并无显著性差异。表明TG酶作为固化剂只是对微胶囊的结构起到稳定作用。综合考虑，微胶囊包埋的最适TG酶添加量为20%。

图5 TG酶添加量对微胶囊包埋率的影响

2.6 紫苏油微胶囊的制备工艺优化

结合单因素试验结果可知：在壁芯比1∶1的条件下包埋率远高于其他组，所以直接确定壁芯比1∶1；TG酶添加量的多少对包埋率并无影响，故不再列入响应面的优化条件中。因此，使用响应面优化壁材质量分数（A）、pH（B）和均质时间（C）对微胶囊包埋率（Y）的影响，利用中心组合试验设计来优化工艺条件。基于Design-Expert进行处理，并获取最优化响应面因子水平。试验优化结果和方差分析见表2和表3。

表3 回归模型的方差分析结果

由方差分析结果可知：壁材质量分数、pH和pH二次项（B2）对微胶囊的包埋率影响极其显著；均质时间、壁材质量分数和pH的交互作用（AB）、壁材质量分数和均质时间的交互作用（AC）对包埋率影响显著；其余项影响不显著。说明壁材质量分数、pH和均质时间对于包埋率会产生不同的影响，按照影响大小可以得到pH＞均质时间＞壁材质量分数。p=0.050 3＞0.05，所以失拟并不显著，由此可以证明取得了较好的拟合效果，结果的准确性与可靠性较高。优化的二次多元回归方程为：

该模型的p值为0.000 7＜0.01，由此可以证明该线性模型非常显著。根据得到的结果可知，Radj2=0.893 7＞ 0.80，C.V.=3.94%，由此证明模型具有较高的拟合度，可以有效估测微胶囊的包埋率。

2.6.1 响应面分析

壁材质量分数、pH和均质时间两两因素间交互作用对微胶囊包埋率影响的响应面图如图6～图8所示。响应面图反映了各因素之间的相互关系以及相互作用程度。通过观察响应面的变化情况和等高线的稀疏程度，可以更加直观清晰地观察两因素之间关系。当等高线呈圆形且坡度较平缓时，表示两因素交互作用不显著，当等高线呈椭圆形且坡度较陡时，表示两因素交互作用影响显著。

从3D响应面图可以看出，各个因素对紫苏油微胶囊包埋率的影响程度。由图6和图7可知，pH曲面的变化程度比壁材质量分数和均质时间曲面变化更大，说明pH比壁材质量分数和均质时间对微胶囊包埋率的影响更显著。由图8可知，均质时间曲面变化程度比壁材质量分数曲面变化程度大，说明均质时间比壁材质量分数对微胶囊包埋率的影响较显著，以上均与方差分析相符。

图6 pH和壁材质量分数的响应面及等高线图

图7 pH和均质时间的响应面及等高线图

图8 壁材质量分数和均质时间的响应面及等高线图

2.6.2 最佳工艺确定及验证试验

根据试验设计所得结果，结合回归模型，预测最佳工艺条件：壁材质量分数2%、pH 4.25和均质时间9 min。在此条件下，包埋率理论最大值是87.91%。3次平行验证试验得出的包埋率为87.75%，与预测值相近，说明响应面优化的回归模型可以有效预测紫苏油微胶囊最佳条件，且具有一定的实际应用价值。

3 结论

试验通过复凝聚法制备紫苏油微胶囊。由试验结果可知，壁材质量分数与pH、均质时间之间分别存在交互作用。三因素对包埋率的影响大小排序为pH＞均质时间＞壁材质量分数。试验设计所得结果，结合回归模型，确定紫苏油微胶囊最佳工艺：壁材质量分数2%、壁芯比1∶1、pH 4.25、均质时间9 min和TG酶添加用量为明胶质量的20%，此时包埋率为87.75%。该试验为紫苏油的深入开发和研究提供参考。