乙基纤维素微胶囊化膨化小麦胚芽粉品质研究

王旭成， 周柏玲， 孟婷婷， 田 歌， 许效群

(山西农业大学食品科学与工程学院1，太谷 030801) (山西农业大学山西功能食品研究院2，太原 030006)

小麦是一种禾本科单子叶植物，完整的小麦籽粒由皮层、胚芽和胚乳三部分组成，其中胚芽一般占小麦籽粒总质量的1.4%～3.9%[1]，富含优质的蛋白质、脂肪、糖类、多种维生素和矿物质以及一些人体所需的生理活性成分[2-4]。由于籽粒中胚芽与胚乳结合不紧密，在小麦加工过程中往往自然脱落，成为副产物或其他加工的原料，且由于其中含有不饱和脂肪酸的缘故，若保存不当，会造成胚芽资源的极大浪费[5]。

微胶囊化作为一种日渐成熟的加工技术，其对微胶囊化目标有着良好的保护、改变形态、缓释、掩盖不良气味等作用，被广泛应用于日用品、医药、畜牧养殖、食品、化学材料等领域[6-8]。制备微胶囊的方法较多，其中空气悬浮法(流化床包衣法)是通过物理机械方法制备微囊的主要方式。空气悬浮法制备微胶囊是将固体颗粒作为芯材，高分子聚合物作为壁材，将芯材放置于流化床中，使其在喷射气流的作用下快速规则运转，当芯材通过包衣区域时，壁材溶液在高气压作用下呈雾化状均匀喷出，附着在芯材的表面，随着有机溶剂的挥发，壁材在芯材表面形成多层的高分子膜，以此达到包埋效果[9]。该方法可以包埋固体颗粒，便于工厂流水线大规模批量作业，泛用性更强[10,11]。乙基纤维素(EC)具有良好的成膜性和疏水性，热稳定性较好[12]，在低温下仍能保持挠曲性，有极强的抗生物性能，无毒，是最常用的缓控释包衣材料之一，被医药领域广泛使用[13-15]。

目前关于微胶囊化膨化小麦胚芽粉的研究鲜有报道。食品工业领域主流的微胶囊化技术为喷雾干燥法，这一方法对芯材的溶解度有较高的要求，且成本较高。本实验采用部分可溶的膨化小麦胚芽粉为芯材，不同浓度乙基纤维素-乙醇溶液为壁材溶液，使用空气悬浮法，制得对应的微胶囊样品，通过对比微胶囊样品的相关指标，即含水量、溶解度、容积密度、流动性、包含率、粒径分布、感官评价、表面形态结构和加速储藏条件下的脂肪酸值的变化，对微胶囊样品的产品品质、抗氧化性和成本进行综合考虑，选出乙基纤维素-乙醇溶液微胶囊化膨化小麦胚芽粉的最适浓度，为小麦胚芽深加工提供可行思路和参考方向。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 实验材料

小麦胚芽挤压膨化产物(以小麦胚芽粉为原料，使用双螺杆挤压膨化机，物料水分为25%，末端温度为120 ℃，螺杆转速为50 r/min，制得相应膨化产物)。

1.1.2 主要试剂

乙基纤维素、海藻酸钠、乙醇、氢氧化钾、酚酞，分析纯。

1.1.3 实验仪器与设备

2200型不锈钢磨粉机，FDV超微粉碎机，101-OA电热鼓风干燥箱，DZKW-4电热恒温水浴锅，LBF-5型旋转流化床制粒包衣机，LXJ-IIB低速大容量离心机，BT-2001激光粒度分布仪，BT-901干法分散进样系统，Helios G4 UC等线聚焦离子束-电子束双束电镜。

1.2 方法

1.2.1 制备膨化胚芽粉

使用不锈钢磨粉机将小麦胚芽挤压膨化产物初步粉碎，转速为1 500 r/min，再使用超微粉碎机将其进一步粉碎，转速为22 000 r/min，制得膨化胚芽粉。

1.2.2 制备膨化胚芽微粒

由于经过超微粉碎的样品中存在粒径过大和过小的颗粒，其会影响样品微胶囊化的效果，谢中国等[16]通过在微胶囊化前的大黄鱼仔稚幼体饲料中添加海藻酸钠的方式，使得饲料颗粒粒径均匀度提高，有效提升微胶囊化后产品质量。向制备样品中加入制备样品总质量1.00%的海藻酸钠，通过人工翻转搅拌的方式混匀，再加入制备样品总质量8.00%的蒸馏水，再次进行混匀，将混匀的样品过40目网筛，用自封袋收集筛下样品，收集物即制得的膨化胚芽微粒。

1.2.3 制备不同浓度EC溶液

配制0.00%、2.00%、2.75%、3.50%、4.25%和5.00%质量浓度的EC溶液，分别称取对应质量EC，采用无水乙醇为溶剂，使用恒温水浴锅于50 ℃加热溶解，备用。

1.2.4 制备不同浓度EC溶液微胶囊样品

本实验采用膨化胚芽微粒为芯材，不同浓度EC溶液为壁材溶液，使用空气悬浮法，包衣方式为底喷，气源压强0.45 MPa，气密压强0.3 MPa，壁材流量2 mL/min，进风温度50 ℃，出风温度30 ℃，床温40 ℃，包衣时间120 min[17-20]。将制备好的微胶囊样品装入自封袋中，于4 ℃环境下保存备用。

1.2.5 含水量的测定

称取5 g微胶囊样品置于已干燥至恒重的铝盒中，于105 ℃烘箱干燥5 h，冷却称重。再次重复操作，直至2次质量差小于1 mg，记录此时样品与铝盒的总质量[21]。按式(1)计算微胶囊样品的含水量(X)。

(1)

式中：m0为铝盒质量/g；m1为烘干前样品与铝盒的总质量/g；m2为烘干后样品与铝盒的总质量/g。

1.2.6 容积密度测定

将微胶囊样品倒入10 mL已干燥至恒重的刻度试管中，称重。按式(2)计算微胶囊样品的容积密度(ρ)[22]。

(2)

式中：m0为刻度试管质量/g；m1为样品与刻度试管的总质量/g；V为刻度试管体积/mL。

1.2.7 溶解度测定

称取5 g的微胶囊样品，放置于50 mL的小烧杯中，加入40 mL水温在25～30 ℃之间的蒸馏水，少量多次溶解后，转移到50 mL离心管，在4 000 r/min条件下离心10 min，弃去上清液。再次重复操作2～3次。将剩余沉淀用蒸馏水洗出至已干燥至恒重的称量皿中，蒸干水分，冷却称质量[23]。按式(3)计算微胶囊样品的溶解度(Y)。

(3)

式中：X为样品含水量/%；m为样品质量/g；m1为称量皿质量/g；m2为烘干后称量皿与沉淀的总质量/g。

1.2.8 流动性测定

于水平桌面放置一块平板，在其上方固定一个玻璃漏斗，精确称取10 g微胶囊样品置于漏斗中，让样品自由通过漏斗，于平板上自然堆积，测定粉堆的高度与覆盖半径[24]。按式(4)计算微胶囊样品的休止角(θ)。

θ=arctan(h/r)

(4)

式中：θ为样品休止角/(°)；h为样品粉堆的高度/cm；r为样品粉堆的覆盖半径/cm。

1.2.9 包含率测定

称取5 g的微胶囊样品，按1.2.4中方法测定其含水量(X)。按式(5)计算微胶囊样品的干物质含量(Z)。

Z=1-X

(5)

式中：X为样品含水量/%。

芯材干物质的含量与微胶囊样品含量的比值为包含率。按式(6)计算微胶囊样品的包含率(A)。

(6)

式中：Z为样品干物质质量分数/%；Z0为芯材干物质质量分数/%。

1.2.10 样品粒径分布的测定

使用激光粒度分布仪，采用干法测定体系，对微胶囊样品进行粒径分布的测定[25]。

1.2.11 感官评价

邀请10名经过专业培训的感官评价人员组成感官品评小组，对刚制得的微胶囊样品的色泽、组织结构、质地、气味进行评定并打分，满分为100分，90分以上为优秀，80～90分为良好，60～80分为合格，60分以下为差，评分标准细则见表1。

1.2.12 观察样品表面形态结构

用导电双面胶将样品固定在金属样品平台上，在真空中喷涂钯金后，置于双束电镜中以3.00 kV电子束观察微胶囊的表面形态结构，并选择样品分布较均匀的视野进行拍照[26]。

1.2.13 加速储藏条件下样品脂肪酸值变化的测定

结合姜平等[27]采用的加速储藏方法，将微胶囊样品置于60 ℃的烘箱中储藏，储藏期为30 d，每隔3 d取样，按GB/T 15684—2015测定样品的脂肪酸值。

1.2.14 统计学分析

所有实验至少重复3次，所得数据用“平均值±标准偏差”表示，采用Origin 8.0软件绘图，采用SPSS 18比较均值中的单因子方差分析进行统计分析，采用Duncan进行两两比较，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 样品的基础指标

由表2可知，不同浓度EC溶液制得的样品基础指标存在较大差距。就样品含水量和溶解度而言，含水量跨度为1.98%，溶解度跨度为5.02%，随着EC溶液浓度的升高，样品含水量下降，样品溶解度下降。由于EC是一种不溶于水的高分子聚合物，有较强的疏水性[28]，当其覆盖于样品颗粒表面时，会影响样品吸水性和在水中的溶解性，使得样品含水量下降和在水中的溶解度下降。就样品密度和休止角而言，密度跨度为7.50 g/100 mL，休止角跨度为17.6°，随着EC溶液浓度的升高，样品密度下降，休止角下降，即流动性上升。休止角低于30°，样品流动性良好，休止角在30°～45°，样品流动性较好，休止角大于45°，样品的流动性较差[29]，故4.25%和5.00%EC溶液微胶囊化样品流动性良好，2.75%、3.50%、4.25%EC溶液微胶囊化样品流动性较好，0%EC溶液微胶囊化样品流动性较差，由于EC溶液具有较高黏度[30]，随着EC浓度的升高，其黏度也随之升高，在包埋过程中样品颗粒黏合的问题加剧，导致样品中黏合物比例提高，影响样品颗粒粒径以及均匀度，造成样品颗粒粒径提高以及均匀度下降，使得样品密度下降和流动性上升。就样品包含率而言，包含跨度为2.09%，随着EC溶液浓度的升高，包含率下降，由于EC溶液浓度的升高，单位质量内干物质比例下降，即芯材比例下降，使得样品包含率下降。

表2 胚芽系列样品基础指标

2.2 样品粒径分布

由图1a可知，0.00%EC溶液微胶囊化样品图谱只存在1个峰，即样品区间分布主要集中在20.80～24.34 μm处，符合正态分布，说明样品均匀度较为良好。2.00%～5.00%EC溶液微胶囊化样品图谱都存在2个峰，不符合正态分布，说明样品均匀度较差，符合样品密度和流动性中得出的结论，即EC溶液浓度升高，均匀度下降；样品最高峰在200.0 μm处，随着EC溶液的升高，样品在200.0 μm处的峰值升高，说明EC溶液微胶囊化胚芽微粉，会将粒径较小的颗粒聚合包埋至粒径200.0 μm左右，且随着EC溶液浓度升高，样品中200.0 μm左右的颗粒占比越大。由图1b可知，0%EC溶液微胶囊化样品累积量在42.16～45.61 μm处超过90%，2.00%EC溶液微胶囊化样品的累积量在67.53～73.05 μm处超过90%，5.00%EC溶液微胶囊化样品的累积量在200.0～300.0 μm处超过90%，随着EC溶液的升高，样品累积量超过90%所在的粒径值越大，说明EC溶液微胶囊化胚芽微粉会使样品颗粒粒径提高，且随着EC溶液的升高，样品颗粒粒径提高幅度增大，符合样品密度和流动性中得出的结论，即EC溶液浓度升高，样品颗粒粒径提高。

图1 胚芽系列样品粒径分布区间和累积图

中位径(D50)为样品中颗粒度小于该粒径的样品含量占样品总量的50%。D98为样品中颗粒度小于该粒径的样品含量占样品总量的98%。样品平均粒径一般考量体积、面积和长度平均径3个指标，其中体积平均径为粒径对样品体积的加权平均(三维)；面积平均径，为粒径对样品表面面积的加权平均(二维)；长度平均径为粒径对样品长度的加权平均(一维)；比表面积单位质量样品表面积总和。由表3可知，随着EC溶液浓度的升高，样品D50和D98提高，符合样品密度和流动性中得出的结论，即EC溶液浓度升高，样品颗粒粒径提高。就样品平均粒径和比表面积而言，根据结果推断，随着EC溶液浓度的升高，样品平均粒径呈上升趋势，比表面积呈下降趋势，但根据表3中数据可知，虽样品图谱总体走向符合这一推论，但个别数据存在偏差，推测是由于个别样品均匀度较差导致的。

表3 胚芽系列样品粒径分布数据

2.3 感官评价

由表4可知，0.00%、2.00%和2.75%EC溶液微胶囊化样品评价为合格，3.50%、4.25%和5.00%EC溶液微胶囊化样品评价为良好。就样品色泽而言，样品总体呈明黄色，有较多白色掺杂其中，其中白色部分除部分膨化胚芽粉自身色泽外，EC成膜后也为白色，根据结果推断，随着EC溶液浓度升高，样品色泽分值应随之下降，但根据表4中数据，不符合这一推断，说明EC膜对样品色泽存在影响，但差别还未能被人眼察觉。就样品组织结构而言，随着EC溶液浓度升高，根据样品密度和流动性中得出的结论，即EC溶液浓度升高，样品颗粒粒径提高，均匀度下降，根据结果推断，随着EC溶液浓度升高，样品组织结构分值应随之下降，根据表4中数据，符合这一推断。就样品质地而言，由于EC溶液自身黏性的影响，样品中多为黏合物，根据结果推断，2.00%～5.00%EC溶液微胶囊化样品质地的分值差别不大，但与0%EC溶液微胶囊化样品分值差别较大，根据表4中数据，符合这一推断，2.00%～5.00%EC溶液微胶囊化样品质地的分值相近，与0.00%EC溶液微胶囊化样品存在分值差。就样品气味而言，胚芽的不良气味一直是影响其食用价值的重要因素之一，即使经过挤压膨化，其气味仍然较大，沈才洪[32]在药物微胶囊化释放特性的研究制备，采用有机溶剂蒸发技术，搅拌速度1 500 r/min，时间10 min，EC浓度为4%，明胶保护液浓度为1.5%，蒸发温度为30 ℃，制得的样品，具有明显的缓释效果，根据结果推断，随着EC溶液浓度升高，样品气味分值应随之上升，根据表4中数据，除5.00%EC溶液微胶囊化样品，其余样品均符合这一推断，其中4.25%和5.00%EC溶液微胶囊化样品气味分值相近，说明当EC溶液浓度达到4.25%以上时，对膨化胚芽粉气味可达到掩蔽效果。综合感官评价各项分值，4.25%EC溶液微胶囊化样品为最优。

表4 胚芽系列样品感官评价

2.4 样品表面形态结构

由图2a可见，样品颗粒均匀度较差，颗粒形状多为不规则的片状聚合物，存在细长状颗粒，不同颗粒相互之间存在粘连，符合样品密度和流动性中得出的结论，即EC溶液浓度升高，样品颗粒粒径提高，均匀度下降，黏合物比例提高。

注：每组图从左到右每行依次为0.00%、2.00%、2.75%、3.50%、4.25%、5.00%EC溶液微胶囊化样品。图2 胚芽系列样品扫描电镜图

由图2b可以看出，膨化胚芽粉表面凹凸不平，整体形状不规则且有较多空洞，说明其本身就是膨化胚芽超微粉粘连成的聚合物，且结构较为松散。2.00%EC溶液微胶囊化样品表面凹凸不平，无明显空洞；2.75%EC溶液微胶囊化样品较为光滑，但存在较多褶皱；3.50%EC溶液微胶囊化样品表面较为光滑，表面凸起物较少；4.25%和5.00%EC溶液微胶囊化样品表面较为光滑，表面凸起物较多。结果表明，随着EC溶液浓度升高，芯材表面空洞被遮掩覆盖，微胶囊化样品表面逐渐光滑，但EC溶液浓度过高时，样品表面会形成大小不一的凸起物。

由图2c可见，膨化胚芽粉表面凹凸不平，存在明显的空洞；2.00%EC溶液微胶囊化样品表面出现裂纹和破损，说明出现EC膜缺损的情况，样品并未完全被EC膜包裹；2.75%EC溶液微胶囊化样品表面出现裂纹，说明样品被EC膜包裹出现，但并未达到完全覆盖的效果；3.50%EC溶液微胶囊化样品表面较为光滑，微胶囊化效果较为理想；4.25%EC溶液微胶囊化样品表面出现裂纹和破损，说明微胶囊化过程中，芯材被壁材多次包裹，料液不足导致该情况发生；5.00%EC溶液微胶囊化样品表面较为光滑，存在凸起物，说明微胶囊化过程中，芯材被壁材多次包裹。综合样品扫描电镜图分析，当EC溶液浓度达到3.50%以上时，微胶囊样品成型效果好，且不会出现EC膜未完全包裹膨化胚芽粉的情况。

2.5 加速储藏条件下样品脂肪酸值变化

由图3可知，在加速储藏条件下样品脂肪酸值都随储藏时间的延长而增加。在加速储藏条件下，其中0.00%、2.00%、5.00%EC溶液微胶囊化样品初始脂肪酸值分别为517.678、521.298、519.201 mg KOH/100 g，储藏至第30天时脂肪酸值对应增加了86.453、72.197、53.811 mg KOH/100 g。随着EC溶液浓度的升高，样品30 d内脂肪酸值增加量降低，即EC溶液对膨化胚芽粉的保护效果越明显。郑理等[31]通过采用微胶囊技术保护VC，有效提高了VC的抗氧化能力，延长其保质期。使用EC溶液微胶囊化膨化胚芽粉，可以有效减缓样品脂肪酸值增长速率。随着EC溶液浓度的升高，减缓样品脂肪酸值增长速率效果越明显。其中4.25%和5.00%EC溶液微胶囊化样品同2.00%、2.75%和3.50%样品相比，减缓幅度较为明显，且效果相近，说明当EC溶液质量浓度达到4.25%以上时，对膨化胚芽粉可达到保护效果。

图3 加速储藏条件下胚芽系列样品脂肪酸值变化图

3 结论

选用不同浓度EC溶液为壁材，采用空气悬浮技术，对膨化小麦胚芽粉进行包埋，制得对应的微胶囊样品。为部分可溶的膨化小麦胚芽粉微胶囊化提供了参考方向。通过各微胶囊样品之间的指标比较，4.25%为EC溶液微胶囊化膨化小麦胚芽粉的最佳质量浓度。4.25%EC溶液微胶囊化样品的含水量为5.59%，溶解度为30.87%，休止角为29.71，容积密度为51.61 g/100 mL，包含率为98.14%，粒径分布均匀，结构完整，表面无裂纹或破损现象，无不良气味。此外，在加速储藏条件下，30 d内脂肪酸值增加量较小。考虑到高浓度EC溶液制得的微胶囊样品均匀度较低，后期仍需对微胶囊制备工艺进一步优化。