喷雾干燥技术在油脂粉末中应用的研究进展

肖志刚, 邱天昊, 王 鹏, 杨 舒, 张雪萍, 段玉敏

(1. 沈阳师范大学 粮食学院, 沈阳 110034; 2. 沈阳大学 生命科学与工程学院, 沈阳 110044)

0 引 言

油脂粉末是由一种或几种食品级壁材通过物理或化学方法,将液态油脂包埋而形成的粉末状固态油脂。油脂粉末可以延缓油脂氧化,避免由于油脂的酸败带来的经济损失,油脂粉末还具有遮光功能,避免光照引起的光敏氧化。如富含omega-3脂肪酸的功能性油脂,在氧化过程中,不饱和脂肪酸会因光照强度、加工工艺、储藏温度、氧气浓度等因素加速酸败,产生次级氧化产物,危害人体健康,严重影响食品的安全与感官品质[1]。通过油脂粉末技术,可以成功避免酸败所带来的危害。

油脂粉末技术又称微胶囊技术,根据聚合方式可以归分为3类:物理法、化学法和物理化学法。不同壁材、不同壁材比例、不同的壁芯比、不同的制备方法都会影响油脂粉末的氧化稳定性和微观结构,从而根据油脂粉末的不同性质在不同食品中进行应用[2-4]。该技术通过有机或无机高分子材料聚合形成保护壳将油相包埋形成微小颗粒,隔绝空气,避免油相和氧气接触,消除氧化条件,从而抑制油脂的变质,达到提高油脂稳定性的作用[5]。微胶囊技术包埋形成的油脂粉末使油脂发生从液态到固态的转变,提升了油脂的抗氧化能力和储藏能力,同时遮掩了油脂的不良风味。微胶囊技术还具有防腐杀菌的效果,可提高产品的保质期[6]。微胶囊技术在肉制品行业中有改善肉制品脂质配置的作用,重新配置的肉制品脂质具有高的SFAs水平,从而减少对人体产生的负面影响[7]。微胶囊技术可以根据壁材对pH值敏感度制成响应型微胶囊,应用在人体部位定点扩散或侵蚀释放芯材,增加机体对芯材的吸收率和生命活性物质的保护作用[8-11]。微胶囊技术拓展了油脂在市场的应用,具有高效、安全、营养、方便等特点。

目前,喷雾干燥技术在油脂粉末生产工艺中起主导地位,具有生产效率高、经济成本低、操作流程简单等特点,被广泛用于国内外油脂粉末制备之中。近年来,喷雾干燥技术主要用于包覆小众油脂、功能性油脂、保健级油脂等高成本油脂产品。本文综述了喷雾干燥技术在油脂粉末中的应用与研究进展,参考国内外微胶囊制备工艺,介绍了喷雾干燥技术对油脂粉末结构和抑制油脂氧化方面的影响,为后续的微胶囊制备及应用提供参考。

1 喷雾干燥技术

喷雾干燥技术是包埋方法最为经典的方法,已有百年的历史,最早用于奶制品行业,随着工艺的不断成熟和发展,现在已经成为粉末制造的主要技术手段,具有完整的工业体系和远大前景。

1.1 喷雾干燥技术特点

喷雾干燥技术操作简单、工艺时间短,液态芯材只需要几秒就可以变成固态粉末,从而降低成本,比常用的冷冻干燥技术的经济成本要低很多,有较强的操作性,主要应用在食品、化工、陶瓷材料、催化剂、制糖、制盐、微生物、中药等多方面[12-22]。目前,国内喷雾干燥技术在粉末油脂领域中的主要研究方向是工艺优化、抗氧化性研究、代替传统的油脂应用在食品加工、微波辅助对微胶囊包埋和性质的影响,在新型壁材的开发方面研究较少[23-25]。国外的主要研究方向是喷雾干燥对生物活性物质的保存、纳米喷雾技术、新型壁材开发营养型微胶囊、益生菌的保护和缓释作用[26-30]。

1.2 喷雾干燥技术原理

喷雾干燥技术通过芯材与壁材按一定的比例溶解均质形成稳定乳液,经喷雾干燥装置,控制进风温度、进样量等参数,使乳液中的水分处于温度较高的干燥气流中(140～200 ℃),在极短时间里(4～6 s)雾化,雾滴越小则比表面积和表面自由能越大,表面水分的蒸汽压越大,利用雾滴运动时与热气流的速度差,高温加速雾滴传热传质,使其失去水分聚合成粉末。喷雾干燥技术缺点在于雾滴粘壁严重,出粉率较低,成本浪费严重,不适用于对高温极为敏感的芯材。

2 喷雾干燥技术中不同条件对油脂粉末的影响

2.1 喷雾干燥技术中不同壁材组合对油脂粉末的影响

不同壁材的组合是影响微胶囊结构表征的主要因素,复合壁材微胶囊的结构和性能要优于单一壁材包埋而形成的油脂粉末,Huang等[31]研究了蛋白-多糖凝聚微胶囊中美拉德反应对微胶囊性能的影响,发现美拉德反应会使蛋白-多糖凝聚微胶囊的稳定性有显著提升,包埋效果更好。目前,市场中微胶囊壁材主要分为碳水化合物类、蛋白类和脂质类[32]。碳水化合物类壁材具有较强的溶解性,低黏度,但缺少界面特性,成膜性和乳化性较差,单独使用其包埋油脂效果不佳,芯材渗出不易包埋。蛋白类的壁材能够促进乳状液的形成,减少界面张力,形成保护膜,将二者结合,所得的乳液颗粒均匀散布在液相中,不易凝聚,稳定、粘度适中。唐东[26]将不同壁材组合,通过相同工艺参数,包埋芯材,制得的油脂粉末具有不同包埋率,微胶囊结构也有所不同。大豆分离蛋白+麦芽糊精包埋而成的粉末细腻,易吸潮,淡黄色,包埋率为73.85%;大豆分离蛋白+阿拉伯胶+麦芽糊精(25%)制备的油脂粉末颗粒细腻,白色,包埋率为84.33%;大豆分离蛋白+辛烯基琥珀酸酯化淀粉+麦芽糊精(25%)组合形成的颗粒易吸潮,形成块状,包埋率为75.92%。

2.2 喷雾干燥技术中不同进风温度对油脂粉末的影响研究

进风温度的升高会导致微胶囊的水分含量显著下降,高温使水分快速蒸发,促进水包油乳液的液滴表面迅速形成完整致密的膜,减少了油滴的暴露,提高了包埋率和干燥速率,但温度过高会阻碍内部水分蒸发,使液滴内压力较高,导致粉末颗粒表面褶皱现象发生,且高温会使芯材加速氧化。

2.3 喷雾干燥技术中不同芯壁比对油脂粉末的影响研究

芯壁比对微胶囊结构具有一定的影响,随着壁材的增加,乳液黏度不断增大,微胶囊包埋率随着壁材比重的增加呈现先增大后逐渐减小的趋势。这是由于乳液中芯材含量过高时,囊壁含量较少,导致微胶囊外壳较薄因而无法保护好芯材或者无法把芯材完全包埋,从而使表面油含量增加,在蒸发成膜过程中芯材氧化变质损失较大,因此包埋率呈现下降趋势。当壁材占比达到一定程度时,乳液粘度较大,喷雾干燥过程中,由高温形成的气态乳液喷雾容易粘壁,从而使得微胶囊的产率下降。Zhuang等[33]使用乳滴分散且较大的乳液通过喷雾制备油脂粉末,发现微胶囊内表面聚集油滴且形成多孔壁,包封率较低。

研究表明,油脂粉末品质和结构特性受多种因素影响,如壁材种类、壁芯比等(表1)。

表1 喷雾干燥技术中不同条件影响油脂粉末结构特性的研究进展

目前对微胶囊结构的影响因素还需要进一步的研究,乳液粒径大小、状态、分布也会对微胶囊的结构产生直接影响,所以乳化剂的添加量、乳化剂种类、均质压力、均质时间、乳液的微波辅助等都可能引起微胶囊结构的改变[41-42]。

3 喷雾干燥技术对油脂粉末品质研究进展

Zhou等[43]发现,以大豆分离蛋白(SPI)和麦芽糊精(MD)为壁材通过喷雾干燥技术得到的油脂粉末相比于未包埋的核桃油具有较低的过氧化值和氧化速率,微胶囊化能显著提高油脂的氧化稳定性。刘义凤[44]通过对紫苏籽油微胶囊加速贮藏的研究发现玉米低聚肽与茶多酚棕榈酸酯复配,能提高油脂粉末的抗氧化性。雷雨晴等[45]将卵白蛋白、卵白蛋白-茶多酚、卵白蛋白-菊糖和卵白蛋白-茶多酚-菊糖 4种壁材包埋石榴籽油,发现壁材的选择和复配也会影响油脂粉末的抗氧化能力,卵白蛋白-茶多酚-菊糖的壁材氧化稳定性最佳。Ma等[46]研究发现,壁芯比过高时,芯壁的厚度会影响芯材的氧化稳定性,但不会对微胶囊结构产生影响。Linke等[47]研究了油负载量对微囊化鱼油粉氧化性能的影响,当油质量为5%时,粉末氧化速度较快。喷雾造粒对油脂的保护效果较好,喷雾干燥方法具有较高的应用潜力[48]。有文献报道脂质类壁材可以有效抑制芯材的氧化,目前有关喷雾干燥技术对油脂氧化稳定性影响的文献还不够全面,有待微胶囊行业进一步研究。

4 结 语

随着油脂微胶囊化技术的研究趋于成熟,对其研究的方向逐渐从传统工艺优化和传统壁材最优组合向微胶囊新型壁材、新方法、新技术、新设备转变,如何让更多不饱和脂肪酸油脂具有更好的氧化稳定性,抑制油脂的酸败,掩盖油脂中不良气味的挥发,从而使油脂具有更好的环境抗性,适合的缓释性能及如何继续扩大油脂粉末应用市场依旧是油脂粉末技术所需要解决的问题。目前微胶囊技术对油脂中脂肪酸组成的影响,新型微胶囊技术如凝聚法、包合法、锐孔—凝固浴法、层层自组装、超临界流体技术、多流体复合电喷技术、挤压法等对微胶囊结构和抗氧化能力的影响还需要更多的研究。