基于鲶鱼头和鱼排制备鱼味美拉德反应物微胶囊热稳定性的研究

于德阳，马俪珍

（天津农学院食品科学与生物工程学院，天津 300392）

微胶囊技术具有使食品功能成分损失少、延长食品货架期、遮盖和减少异味等优点，微胶囊技术已经在食品的多个领域广泛使用[1]。微胶囊技术主要是指利用天然或合成高分子材料对固体的、液体的或气体的芯材进行包覆形成一种具有半透性或密封囊膜的微型胶囊的技术[2]，它具有保护物质免受环境条件影响，延长挥发性物质存储时间，隔离不可混合的化合物等优点[3]。

目前，关于微胶囊技术的相关报道很多，包含油脂微胶囊化、酶和微生物的微胶囊化、防腐剂的微胶囊化、甜味剂的微胶囊化、酸味剂的微胶囊化、着色剂的微胶囊化、营养强化剂的微胶囊化、香精香料的微胶囊化等。如Wang 等[4]将鱼油制成粉状微胶囊，并测定其氧化稳定性，证明微胶囊化具有明显的防止鱼油氧化的作用。苏阳等[5]研究得出利用β-环糊精为壁材，鱼油为芯材制备鱼油微胶囊的最佳工艺条件为：芯材壁材比为1:7、搅拌时间2 h、搅拌温度45 ℃，包埋率为90.75%，电镜观察微胶囊具有典型的柱状结构，制备微胶囊，具有吸湿性低的优点，因此可以长期保存。万义玲等[6]采用复凝聚法制备鱼油微胶囊，壁材选用壳聚糖、海藻酸钠，结果表明：反应温度60 ℃下具有最佳的效率及产率。刘伟[7]通过对河蚌进行酶解，再进行美拉德反应，最后对美拉德反应物进行微胶囊包埋，结果显示：调味料芯材已被很好包埋，形成了基本呈球形的微胶囊。DSC 分析表明微胶囊调味料的玻璃态转变温度为58.71 ℃，高于常温，因此微胶囊调味料在常温下性质稳定。王正云等[8]通过复凝聚法对青鱼内脏鱼油进行微胶囊包埋，研究结果表明：结果表明制得的鱼油微胶囊产品品质较好，贮藏期可较未包埋的鱼油分别延长6 d 以上。李颖杰等[9]通过对鱼糜酶解蛋白亚铁螯合肽微胶囊工艺，结果表明：微胶囊能有效保护芯材不被氧化，并且由于微胶囊的缓释作用，可以有效发挥其芯材的活性物质，并延长作用时间，为小肽金属螯合物的有效利用提供了参考依据。Sarkar 等[10]以瓜尔胶和阿拉伯胶为复合壁材制得的薄荷油微胶囊在食品中的应用效果比单独以阿拉伯胶为壁材得到的微胶囊效果好。从以上例子中可以看出，虽然对微胶囊的研究较多，但对于水产品，尤其是利用鲶鱼头和鱼排制备鱼味美拉德反应物再制备微胶囊，并对其热稳定性进行研究的报道较少，而这又是实际应用中急需解决的一个问题。

因此本试验以前期鲶鱼头和鱼排为基料经过高压浸提、酶解、发酵、美拉德反应得到MRPs 作为芯材，添加量为8%，再添加0.3%吐温-80 作为乳化剂，以12%麦芽糊精和0.16%大豆分离蛋白作为复合壁材制备出乳化液，喷雾干燥得到微胶囊粉剂。再以MRPs 和微胶囊粉剂为研究对象，研究其经不同温度加热处理后风味物质的变化，探讨微胶囊包埋技术对稳定MRPs 的应用效果，为其达到更好的实际应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

革胡子鲶鱼（Clarias gariepinus），体重1000～1500 g，体长30～35 cm 天津市徳仁农业发展有限公司提供；复合蛋白酶（酶活40 万 U/g） 南宁东恒华道生物科技有限公司；风味蛋白酶（3.6 万 U/g）南宁东恒华道生物科技有限公司；SHI-59（木糖葡萄球菌+戊糖片球菌+植物乳杆菌） 意大利萨科公司；无水葡萄糖 秦皇岛骊骅淀粉有限公司；D-木糖、VB1、牛磺酸、半胱氨酸、半胱氨酸盐酸盐 河北华恒化工有限公司；氢氧化钠 天津鹏坤化工有限公司；苹果酸 潍坊英轩实业有限公司；麦芽糊精 秦皇岛骊骅淀粉有限公司；大豆分离蛋白 河南万邦实业有限公司；吐温-80 广东润滑化工有限公司（以上材料均为食品级）；2-甲基-3-庚酮 分析纯，美国Sigma 公司。

Agilent7890A/5975C 气相质谱仪 美国Agilent公司；HeraclesII 超快速气相电子鼻 法国Alpha M.O.S 公司；DSC200F3 差示扫描量热分析仪 德国NETZSCH 公司；YX-18LM 高压灭菌锅 上海三神医疗器械有限公司；WND-100 高速组织捣碎机浙江省兰溪市伟能达电器有限公司；ATY124 精密分析天平 日本岛津公司；THZ-98AB 恒温振荡器上海一恒科学仪器有限公司；ZWY-240 全温型多振幅轨道摇床 上海智城分析仪器制造有限公司；DW-50 调温电热器 南通利豪实验仪器有限公司；SX-GO7102 节能箱式电炉 天津市中环实验电炉有限公司；SDX-1 全自动风冷速冻箱 天津市特斯达食品机械科技有限公司；101-0A 型电热鼓风干燥箱天津市华仪盛达实验仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 酶解发酵液、美拉德反应产物、微胶囊乳化液和微胶囊粉剂的制备 根据前期试验所得酶解发酵液、美拉德反应产物、微胶囊乳化液和微胶囊粉剂的制备方法制备样品。

1.2.1.1 基于酶解液的发酵液（Fermentation broth based on enzymatic hydrolysis，FBEH）的制备 鲶鱼头/鱼排用绞肉机绞碎得到鱼骨肉泥，在鱼骨肉泥中加入2 倍重的蒸馏水进行高压蒸煮（120 ℃/2 h）得到高压浸提液，冷却至55 ℃，加入1200 U/g 的复合蛋白酶（以鱼骨肉泥的比例计算），55 ℃酶解2 h 时再加入720 U/g 的风味蛋白酶，继续酶解1 h，灭酶（煮沸保持10 min）后用双层纱布过滤得到分步酶解液。在分步酶解液中接种SHI-59 发酵剂，接种量为0.024%，发酵温度34 ℃，发酵时间53 h 得到FBEH。

1.2.1.2 美拉德反应产物（Maillard Reaction products，MRPs）的制备 在美拉德反应体系中依次加入40%FBEH、2.5%酵母提取物、0.3%甘氨酸、1%木糖、2%葡萄糖、0.5%半胱氨酸盐酸盐、0.25%半胱氨酸、0.2%丙氨酸、0.2%牛磺酸、0.3%VB1，首先用10%苹果酸溶液调节反应体系的pH 为5.5，在温度保持100 ℃条件下，进行美拉德反应时间为1 h，然后用2 mol/L NaOH 调节体系的pH 为7.0，再继续反应1.5 h，得到MRPs。

1.2.1.3 微胶囊乳化液的制备 在1 L 的烧杯中依次加入蒸馏水、0.3%吐温-80（乳化剂）、12%麦芽糊精（壁材）、0.16%大豆分离蛋白（壁材），用磁力搅拌器在60 ℃加热搅拌使其完全溶解，然后加入8%MRPs（芯材），使总量为500 g，用高速剪切乳化机在8000 r/min 下剪切2 min，最后形成均匀的微胶囊乳化液。

1.2.1.4 微胶囊粉剂的制备 将得到的微胶囊乳化液进行喷雾干燥，得到微胶囊粉剂，喷雾干燥的工艺条件为：进风温度180 ℃，出风温度80 ℃，风机速度45.0 Hz，蠕动泵转速300 mL/h，撞针时间3 s，撞针间隔8 s。

1.2.2 热稳定性实验 将1.2.1.2 中制备的MRPs 用蒸馏水稀释成浓度为3%的稀释液（A 样品）；将1.2.1.4 中制备的微胶囊粉剂用蒸馏水稀释成浓度为4.79%的稀释液（B 样品），根据微胶囊的包埋率（62.67%），使A 样品和B 样品两者稀释液中含有的MRPs 量相等。

将A 样品和B 样品分装入试管中（每一种稀释液12 管），分别在常温常压、90 ℃常压、121 ℃，0.12 MPa、160 ℃，常压下加热20 min，具体试验设计方案和字母表示方法见表1所示。为了比较分析样品经不同温度加热处理后，其对热的稳定性，分别对样品进行电子鼻、GC-MS 分析，并对MRPs 和微胶囊粉剂进行DSC 分析。

表1 试验设计方案Table 1 Experimental design scheme

1.2.3 指标测定

1.2.3.1 包埋率的测定 褐色的类黑精是美拉德反应的重要产物，褐变程度提供了一个可视化的测量手段。褐变程度（A420）测定根据文献[11]的方法加以修改测定吸光值。本试验的芯材是MRPs，因此选用420 nm 处吸光度值表示芯材含量，最终结果越大，则表明褐色产物的生成量越多[12]。将微胶囊乳液在12000 r/min 下离心15 min，取上清液（未包埋的芯材）和微胶囊乳液分别稀释10 倍，在420 nm 波长处测吸光值。

1.2.3.2 HeraclesII 超快速电子鼻分析 本试验参照陈援援等[13]的方法并稍作修改，将处理后的4 组稀释液，称取7 g 样品于20 mL 顶空样品瓶中，将样品在55 ℃水浴锅中水浴20 min，用 10 mL 进样针吸取顶空瓶中5 mL 气体，手动进样注射入电子鼻进样口中。试验条件：进样口温度200 ℃，持续进样时间40 s，捕集井分流速率10 mL/ min，柱温的程序升温方式0.5 ℃/min 升到100 ℃，1 ℃ /min，100～200 ℃，采集时间为140 s。

1.2.3.3 挥发性成分的GC-MS 分析 参照雷虹[14]的方法并做修改将8 g 样品稀释液加入20 mL 顶空样品瓶中，加5 mL 的饱和NaCl 溶液和2 μL 的2-甲基-3-庚酮溶液（1 μg/mL），放入转子后置于磁力搅拌器上，将老化的萃取头插入样品瓶使石英纤维头暴露于样品上部空间，在60 ℃下吸附45 min 后拔出，萃取头在GC 进样口（250 ℃）下解吸附4 min。

GC 条件：TR-5 毛细色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），载气为He，载气流速为1.0 mL/min，传输线温度250 ℃，不分流进样，手动进样；升温程序：45 ℃保持2 min，以6 ℃/min 升温到230 ℃，保持5 min。

MS 条件：离子源温度250 ℃，进样口温度250 ℃，质量扫描范围30～400 m/z；溶剂延迟时间为1 min。风味化合物相对于2-甲基-3 庚酮的含量，计算公式如下：

式中：C 为所测定的挥发性化合物浓度（μg/kg）；AX为测定挥发性化合物的峰面积（AU. min）；C0为内标物的浓度（1 μg/mL）；A0为内标物的峰面积（AU. min）；V 为内标物的进样量（μL）；m 为所测定样品的质量（g）。

1.2.3.4 DSC 分析 用十万分之一的天平称分别称取10 mg 左右的样品（样品A 为MRPs 液，样品B为微胶囊干粉）于DSC 特制的铝盒中，封口后放入仪器中进行扫描。扫描条件以空铝盒为参比，氮气流量为60 mL/min，空气流量为20 mL/min，以10 ℃/min的扫描速率从25 ℃升至300 ℃结束，绘制DSC 曲线并进行分析。

1.3 数据处理

采用Excel 2016 软件、Origin10.0 软件进行图表制作，采用IBM SPSS Statistics 19 软件进行显著性分析，PCA 分析，差异显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 热处理后MRPs 和微胶囊粉剂稀释液的电子鼻分析

电子鼻是气味特征分析中常用的仪器，不同传感器对不同气味物质的灵敏性不同。电子鼻传感器中不同金属氧化物半导体型化学传感元件所对应的敏感物质类型不同[15]，经过不同的温度处理后的稀释液主成分风味物质的种类和相对含量不同，因此在传感器上呈现不同的气味感应信号[16]。因此可以通过传感器比较不同气味的差异。

由图1（a）可知，PC1、PC2 的方差贡献率分别为75.62%和18.52%，总贡献率为94.14%，说明在整体香气成分水平上各组样品中主成分可以很好地反映多指标信息[17-18]。在主成分1 上，从距离上来看，MRPs 的A 样品（未经热处理），与其经过高温处理后的样品A1、A2、A3 之间的距离很大，说明MRPs 经过热处理后的香气损失比例较大，但A1、A2、A3 之间的距离很近，这一现象表明，MRPs 的热稳定性较差，受热处理会显著影响它的香味成分，也就是说，如果将MRPs 直接添加到某一肉制品或鱼糜制品中，随着进一步的加热工序将会影响到MRPs 作用的发挥。而经过微胶囊包埋后的稀释液B，与经过高温处理后的稀释液B1、B2、B3 之间的距离相对较小，说明经过高温处理后的香气损失比例较小，微胶囊包埋可提高MRPs 的热稳定性。在主成分2 上，A、A1、A2、A3 都位于负向端，而B、B1、B2、B3 大部分都位于正向端[19]。

判别因子分析（DFA）是在PCA 的基础上，对不同气味的信号数据进一步优化，将气味数据的差异性扩大，用少数的几个因子来描述多因素间的联系，以达到用较少的因子去反映原数据大部分信息[20]。由图1（b）可知第1 和第2 主成分贡献率分别为67.1%和25.5%，总贡献率为92.6%，说明DFA 表示样本的整体信息是可信的，图中A2、A3 距离较近较难区分,结合PCA 的分析可知，可能是由于其耐热性差,高温处理导致挥发性香气成分挥发严重，而B1、B2、B3 距离较远，可以完全分开，说明在加热过程中挥发性物质的峰度是逐渐减小的。

图1 热处理对MRPs 和微胶囊粉剂稀释液的PCA 及判别因子（DFA）分析图Fig.1 PCA and discriminant factor （DFA） analysis diagram of heat treatment on MRPs and microcapsule powder diluent

2.2 热处理对MRPs 和微胶囊粉剂稀释液挥发性风味物质的影响

热处理对MRPs 和微胶囊粉剂稀释液挥发性风味物质的影响结果见表2所示。从表2 中可以看出，从8 组样品中共检出挥发性风味化合物有7 大类96 种，其中酸类18 种、胺类13 种、吡嗪类7 种、醇类14 种、醛类11 种、酮类13 种、酯类10 种。

表2 热处理对MRPs 和微胶囊粉剂稀释液的GC-MS 分析结果Table 2 GC-MS analysis results of heat treatment on MRPs and microcapsule powder diluent

分析发现，A 样品和B 样品经不同热处理会显著降低MRPs 中的挥发性风味物质种类，且受热温度越高，这种降低的趋势越明显，如A、A1、A2、A3 的挥发性风味物质依次降低为41、30、25、16种；B、B1、B2、B3 的挥发性风味物质种类依次降低为44、42、34、27，其中A1、A2、A3 中的胺类分别为15.60、1.23、0.59 μg/kg，而B1、B2、B3 胺类分别为48.45、19.29、3.42 μg/kg，可以明显看出B3 样品的酸类、胺类等物质有明显降低现象[21]，因为酸类和胺类挥发性比较强。同样热处理温度下，B 样品的挥发性物质种类及胺类均显著高于A 样品。这是因为经微胶囊包埋后随着温度升高，经热处理后油-水界面的蛋白质分子结构展开，分子内部带电基团和氨基酸残基暴露，界面蛋白紧密结合，在油滴表面形成蛋白膜，使得蛋白质分子结构伸展、松散，分子柔性增强对芯材起到保护作用[22-23]。

分析发现，A1、A2、A3 中的吡嗪类物质分别为7.18、3.83、2.61 μg/kg 而B1、B2、B3 中吡嗪类物质分别为9.86、11.32、10.26 μg/kg。A1、A2、A3 中的醇类物质分别为6.89、4.68、1.70 μg/kg 而B1、B2、B3 中醇类物质分别为9.35、5.98、3.59 μg/kg。

醛类物质气味阈值较低，具有脂香气味，是肉类香气的重要指标[24]，A1、A2、A3 中的醛类物质分别为3.15、2.47、1.05 μg/kg 而B1、B2、B3 中醛类物质分别为7.17、3.79、1.91 μg/kg。新生成的2,4-壬二烯醛，具有明显的脂肪香气，这可能是因为MRPs中含有的脂肪，随着温度的升高加速了油脂的氧化降解，形成了新的风味物质[25-26]。

续表 2

酮类物质由脂肪氧化和美拉德反应产生，具有清香、奶油香及果香等令人愉快的香气[27]，如新生成的2-庚酮等。A1、A2、A3 中的酮类物质分别为8.08、5.23、0.66 μg/kg 而B1、B2、B3 中酮类物质分别为9.18、6.52、3.72 μg/kg。醛类、酮类和醇类均比A3有明显增加趋势，并有新的风味物质生成，尤其是醇类和醛类。醇类化合物主要由脂质氧化降解产生，大多数醇类化合物是由脂质氧化和蛋白质水解产生的。如1-辛烯-3-醇为直链醇，由脂质氧化降解产生，有蘑菇香气；芳樟醇有清香香气，对美拉德反应物的整体香气有明显的修饰作用[28]。

A1、A2、A3 中的酯类物质分别为0.63、0.52、0 μg/kg 而B1、B2、B3 中酯类物质分别为6.54、4.77、2.66 μg/kg。进一步分析发现B、B1、B2、B3 样品中挥发性风味物质的相对质量总浓度分别为94.91、114.78、52.74、26.20 μg/kg，而A、A1、A2、A3 样品中挥发性风味物质的相对质量总浓度分别为79.50、48.24、27.75、8.92 μg/kg，B1、B2、B3 样品中挥发性风味物质的相对质量总浓度分别是相对应的A1、A2、A3 的2.38、1.90、2.94 倍。综上所述，MRPs 经微胶囊包埋后的样品B 耐热性优于未经包埋的MRPs（样品A）。

2.3 对MRPs 和微胶囊粉剂的差式量热扫描（DSC）分析

差示扫描量热仪（DSC）反映的是与热效应相关的物理或化学变化。在程序升温条件下，利用仪器中的热流传感器测量待测样品和参照物之间的热流差值来反映出相关的热效应。DSC 能分析微胶囊颗粒发生相变时的起始温度，并了解微胶囊产品的耐热情况[29-30]。

MRPs（A 样品）的DSC 曲线见图2所示。从图2中可以看出，其裂解温度范围为110～150 ℃，明显的吸热峰出现时的温度是115 ℃。当温度达到120 ℃时，吸热完成。图3所示为以MRPs 为芯材的微胶囊粉剂（B 样品）DSC 曲线，从图3 中可以看出，其裂解温度范围为120～300 ℃，明显的吸热峰出现时的温度是155 ℃，在180 和250 ℃又分别出现两个拐点，出现明显吸热峰时的温度比A 样品的温度提高了40 ℃，这说明MRPs 芯材经壁材包埋后可以保护挥发性物质，使其在加热过程中挥发速度减慢[31]。一般来说，微胶囊内无定形物质因受热会发生玻璃化转变，热特性和力学特性、介电特性等会发生明显变化，只有当包埋基质处于玻璃态的内层受到足够的拉力，产生裂痕时才会导致风味包埋物的释放[32]，本试验的微胶囊壁材是麦芽糊精和大豆分离蛋白，这说明本试验所用的壁材种类和比例恰当，起到很好的包埋作用。从图3 的对比热降解曲线可以看出，MRPs 的热降解曲线变化程度明显高于微胶囊变化曲线。综上所述，通过微胶囊包埋MRPs 后，可有效地扩宽MRPs 的释放温度，增加其在热释放领域的应用范围，因此热稳定性更好。

图2 MRPs（样品A）的DSC 曲线图Fig.2 Thermal degradation (DSC) curve of MRPs (sample A)

图3 以MRPs 为芯材的微胶囊（样品B）DSC 曲线图Fig.3 Thermal degradation （DSC） curve of microcapsules with MRPs (sample B) as core material

3 结 论

通过电子鼻的PCA、DFA 分析可知，经微胶囊包埋后的稀释液B2、B3 热稳定性优于其他稀释液，通过GC-MS 测定不同稀释液的挥发性风味物质可知，在同样温度处理后，B1、B2、B3 样品的挥发性风味物质种类分别是A1、A2、A3 样品的1.4、1.36、1.69 倍；B1、B2、B3 样品的挥发性物质的质量浓度分别是A1、A2、A3 的2.38、1.9、2.94 倍。通过DSC 的曲线图也可以看出，MRPs 的裂解温度范围为110～150 ℃，以MRPs 为芯材的微胶囊曲线图,其裂解温度范围为120～300 ℃，出现明显吸热峰时的温度比MRPs 时的温度提高了40 ℃，因此，本试验以MRPs 为芯材的微胶囊热稳定性优于未经包埋的MRPs，使通过微胶囊包埋制备美拉德反应调味料得到更广泛的应用。本实验也有不足之处，由于选择的壁材种类有限，包埋率并不是太高，因此后续研究还应进一步探究，提高包埋率。