彭 群,易 靈,王 超,段翰英

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系,廣東廣州 510630)

柑橘類精油是世界上應(yīng)用最為廣泛的天然香精香料之一[1]。由于富含多種揮發(fā)性化合物,其極易損失和氧化,常用微膠囊化包埋解決這一問題[2]。微膠囊化是通過連續(xù)相包裹單個(gè)顆粒或液滴形成一個(gè)微米級(jí)材料的過程,從而保護(hù)活性材料,使其更穩(wěn)定[3]。噴霧干燥在食品工業(yè)中是常用的微膠囊化技術(shù),具有低成本、高產(chǎn)量和速溶性等優(yōu)點(diǎn)[4],在油脂類和風(fēng)味成分的微膠囊化中使用最廣泛[5]。精油經(jīng)微膠囊化后,易于溶解,分散在水中,可改善被包裹物質(zhì)的物理性質(zhì),還可以提高被包埋對(duì)象抗氧化能力、熱穩(wěn)定性等[6]。因此,柑橘類精油噴霧干燥微膠囊已廣泛應(yīng)用到食品、日化品、紡織品中[7]。

乳化方法、壁材是影響油脂、風(fēng)味類成分、微膠囊化效率、粉末物化性質(zhì)和穩(wěn)定性的重要因素[8]。常用的乳化方法有高速剪切、高壓均質(zhì)等,而高壓微射流是近年來出現(xiàn)的新工藝,通過最短時(shí)間內(nèi)對(duì)乳液體系進(jìn)行高速撞擊、剪切、氣蝕等[9],可形成均一、穩(wěn)定及超精細(xì)流體,粒徑可達(dá)納米級(jí)。有研究發(fā)現(xiàn),不同的乳化方法會(huì)影響乳液粒徑,從而影響微膠囊粉末的包埋效率和穩(wěn)定性[10-11]。國(guó)內(nèi)外雖有不少關(guān)于精油乳液的粒徑研究,但大多集中在對(duì)其制備優(yōu)化方面[12-14],而鮮少涉及到乳液粒徑對(duì)噴霧干燥微膠囊性質(zhì)的影響。鑒于有關(guān)精油類微膠囊的壁材選擇已有大量研究[2,6,8],因此,本文選擇常用的碳水化合物類壁材并經(jīng)復(fù)配,更能滿足工藝和產(chǎn)品的要求[15]。

檸檬烯是柑橘類精油的主要成分,占90%以上[16],具有典型的檸檬香味。但其化學(xué)性質(zhì)活潑,容易氧化且氧化產(chǎn)物通常會(huì)形成異味,影響精油的價(jià)值和貨架期[17]。因此,通過測(cè)定檸檬烯氧化產(chǎn)物的變化,對(duì)預(yù)測(cè)精油微膠囊的貨架期和提高安全穩(wěn)定性具有重要意義。

基于此,本文以橙皮精油(橙油)為芯材,變性淀粉和麥芽糊精為壁材,通過噴霧干燥制備橙油微膠囊,通過高壓均質(zhì)、高壓微射流施加不同壓力制備出不同粒徑乳液,從而研究乳液粒徑對(duì)微膠囊粒徑、包埋率、微觀形貌、氧化穩(wěn)定性以及重組乳液粒徑的影響,并根據(jù)橙油微膠囊在37 ℃貯藏時(shí)檸檬烯氧化產(chǎn)物含量的變化,預(yù)測(cè)其貨架期,為優(yōu)化橙皮精油微膠囊工藝和探討其氧化穩(wěn)定性提供基礎(chǔ),并為精油類噴霧干燥微膠囊制備和質(zhì)量控制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

變性淀粉(Capsul)、麥芽糊精(M-150) 美國(guó)宜瑞安有限公司;松香甘油酯、庚酮、丙酮、異丙醇(分析純) 美國(guó)Acros Organics公司;冷壓橙油 由廣州百花香精香料有限公司提供,并鑒定其主要成分為檸檬烯(95.37%)、月桂烯(1.86%)、檜烯(0.24%)、α-蒎烯(0.42%)、辛醛(0.2%)、醛(0.1%)、芳樟醇(0.25%),癸醛(0.28%)和含氧化合物(1%);分析測(cè)定用水 去離子水。

20 HT/GT高剪切混合器 美國(guó)Greerco公司;M-110Y高壓微射流機(jī) 美國(guó)Microfluidics 公司;NS2006H高壓均質(zhì)機(jī) 美國(guó)Gea公司;XE-3葉片型混合器 美國(guó)Greerco公司;AW-2A型智能水分活度儀 無錫市碧波電子設(shè)備廠;LA-300激光粒徑分布儀 日本Horiba公司;DZF-6050真空干燥箱 北京中科環(huán)試儀器有限公司;SD-101噴霧干燥機(jī) 美國(guó) APV公司;7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國(guó)安捷倫科技;EVO-MA15掃描電子顯微鏡 德國(guó)ZEISS。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 經(jīng)不同壓力均質(zhì)的橙油乳液的制備 將1.8 kg的變性淀粉和9 kg的蒸餾水在室溫下混合2 h制備連續(xù)相。制備0.9 kg的冷壓橙油和松香甘油酯(3∶2,w/w)分散相。在室溫下將連續(xù)相和分散相用高剪切混合器在6000 r/min條件下混合2 min,混合均勻后得到粗乳液(H0-E),均勻分成5份,一份為對(duì)照。其余4份H0-E分別經(jīng)高壓1000、2500、3500、22000 psi均質(zhì)2次后收集得到不同壓力條件下乳液,分別為H1000-E、H2500-E、H3500-E、H22000-E。

1.2.2 噴霧干燥法制備橙油乳液微膠囊 將上述乳液分別加入875 g麥芽糊精,用葉片型混合器混合均勻,收集乳液。最終乳液中含有11.2%變性淀粉、5.6%混合油相、26.4%麥芽糊精和56.8%蒸餾水。將上述乳液進(jìn)行噴霧干燥,分別得到微膠囊H0、H1000、H2500、H3500和H22000。

噴霧干燥操作條件為:進(jìn)氣溫度160 ℃,出氣溫度100 ℃,霧化器轉(zhuǎn)速為2600 r/min,進(jìn)料速率為130 mL/min。將收集的微膠囊粉末密閉在干燥器中,0 ℃冷藏,有待進(jìn)行總油量、包埋率和粒徑分布等分析。

1.2.3 橙油重組乳液的制備 將上述微膠囊H0、H1000、H2500、H3500和H22000各取1.0 g溶于9.0 g水中,制備成重組乳液(Reconstituted emulsion,RE),對(duì)應(yīng)重組乳液分別為H0-RE、H1000-RE、H2500-RE、H3500-RE和H22000-RE。每個(gè)樣品重復(fù)三次。

1.2.4 粒徑分布測(cè)定

1.2.4.1 乳液粒徑分布 將激光粒徑分布儀調(diào)節(jié)到Wet模式,校正調(diào)零后,用膠頭滴管取制備好的乳液或重組乳液,滴加到激光粒度分布儀的加樣口,待紅色條示數(shù)達(dá)80%時(shí),關(guān)閉加樣口蓋進(jìn)行測(cè)定。

1.2.4.2 微膠囊粒徑分布 將激光粒徑分布儀調(diào)節(jié)到Dry模式,校正調(diào)零后,用取樣勺取少量噴霧干燥的微膠囊粉末,加到進(jìn)樣口,待加樣完成后開始測(cè)定。

1.2.5 微膠囊總油量和包埋率的測(cè)定 參考Finney等的方法[18]。將200 mL去離子水加入500 mL的圓底燒瓶中,繼續(xù)加入20 g的微膠囊粉末。蓋上瓶塞并手動(dòng)搖動(dòng)約1 min。然后,向溶液中加入3滴消泡劑和幾個(gè)沸騰石,圓頂燒瓶連接Clevenger裝置,頂部連接冷凝管。燒瓶?jī)?nèi)的溶液在加熱器的作用下沸騰,蒸餾持續(xù)3 h。從收集臂的刻度直接讀取橙油的量,體積通過乘以油密度(0.844 g/mL,25 ℃)得到收集的油量,即為總油量(g/20 g powder),其中,理論包油量為1.56 g/20 g powder。

根據(jù)下式計(jì)算包埋率[18]:

1.2.6 微膠囊含水量的測(cè)定 稱取3～4 g 微膠囊,在真空干燥箱70 ℃烘干至恒重,再通過干燥前后的稱重?cái)?shù)值計(jì)算出水分的含量[19]。

1.2.7 微膠囊微觀形貌 采用掃描電子顯微鏡對(duì)微膠囊的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。在電鏡樣品臺(tái)上貼雙面膠,取小量微膠囊產(chǎn)品均勻分散到膠面上,吹去表面多余的粉末,噴金觀察。

圖1 不同壓力均質(zhì)的乳液及其重組乳液的粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of different emulsion and reconstitute emulsion注:a:粗乳液及其重組乳液;b、c、d、e:分別經(jīng)1000、2500、3500和22000 psi 均質(zhì)壓力制備的乳液及其重組乳液。

1.2.8 微膠囊水分活度 自動(dòng)水分活度儀經(jīng)飽和氯化鈉溶液校準(zhǔn)后,取適量微膠囊分別進(jìn)行測(cè)定。

1.2.9 橙油微膠囊氧化穩(wěn)定性試驗(yàn)

1.2.9.1 微膠囊加速氧化 參考Finney等方法[18],略作修改。分別取25 g微膠囊保存在無水氯化鎂干燥器中,保持水分活度0.33,恒溫37 ℃,5周。每周取樣進(jìn)行檸檬烯(limonene)、氧化檸檬烯(limonene 1,2-epoxide,epoxide)的測(cè)定。每個(gè)樣品重復(fù)三次。

1.2.9.2 檸檬烯和氧化檸檬烯含量測(cè)定 取0.15 g微膠囊加入到0.85 g水中溶解,再緩慢加入4 mL 2-庚酮/丙酮內(nèi)標(biāo)液(3.0 mg/g),靜置5 min后將上述混合溶液過濾到進(jìn)樣瓶中,密封。進(jìn)行下一步氣質(zhì)分析[17]。以氧化檸檬烯/檸檬烯(epoxide/limonene,mg/g)的量表示氧化穩(wěn)定性。

色譜條件:HP-5 MS石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),進(jìn)樣溫度200 ℃,檢測(cè)器溫度250 ℃,柱前壓55 kPa,進(jìn)氣流量20 mL/min,載氣為高純氦氣(He),內(nèi)標(biāo)物:2-庚酮。進(jìn)樣量為1 μL,不分流,流速設(shè)置為1 mL/min。柱溫條件:初始溫度為50 ℃,開始以10 ℃/min上升至140 ℃,保持2 min;之后以30 ℃/min上升至220 ℃,保持2 min。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Means±SD)表示,利用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA差異顯著性分析,P<0.05 為差異顯著。采用Origin Pro 8.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 均質(zhì)壓力對(duì)橙油乳液及其重組乳液粒徑分布的影響

經(jīng)不同壓力均質(zhì)的乳液及重組乳液粒徑分布結(jié)果見圖1。結(jié)果表明,未高壓處理的粗乳液(H0-E)具有最大的粒徑分布范圍(2.60～34.28 μm)(圖1a),經(jīng)高壓1000、2500、3500和22000 psi均質(zhì)后乳液形成了更窄的粒徑分布,分別為0.30～5.12、0.12～2.27、0.10～1.32和0.05～0.39 μm(圖1b、c、d、e)。

表1 不同微膠囊的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of different encapsules

該結(jié)果與Wang等一致,壓力越高,乳液粒徑越小[20]。乳液經(jīng)高壓作用后,使較大的液滴分解成較小的液滴。隨著均質(zhì)壓力的增加,提供更高的破壞油滴和創(chuàng)造新界面的機(jī)械能[21]。液滴快速破裂并迅速形成表面膜導(dǎo)致表面張力降低,從而防止形成的小液滴聚結(jié)。高壓微射流機(jī)在高壓下利用其特有的Y形結(jié)構(gòu),使乳液中高速運(yùn)動(dòng)的物料自相碰撞,產(chǎn)生粒徑更小、粒徑分布更窄的乳液[22]。經(jīng)22000 psi 高壓微射流均質(zhì)的橙油乳液其平均粒徑可達(dá)到126 nm左右,是典型的納米乳液[23],能對(duì)橙油這類易揮發(fā)、不穩(wěn)定的芯材具有更好的保護(hù)作用[24]。

上述不同粒徑大小的乳液經(jīng)噴霧干燥制備得到橙油微膠囊。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),橙油微膠囊常添加到各種飲料中,因此,通過研究橙油重組乳液粒徑大小,可以了解微膠囊的溶解性及對(duì)其制備工藝進(jìn)行調(diào)整[25]。如圖1所示,相對(duì)于橙油乳液,其重組乳液具有更窄的粒徑分布(圖1a、b、c、d)。未高壓處理的重組乳液(H0-RE)粒徑分布范圍為0.06～1.98 μm,經(jīng)高壓1000、2500和3500 psi均質(zhì)后得到重組乳液的粒徑分布分別為0.06～3.41、0.06～0.67和0.06～0.58 μm。說明噴霧干燥是有效的包埋方法,能夠形成更小的粒徑從而提供更好的保護(hù)。結(jié)果同時(shí)表明,H22000-RE具有與H22000-E相似的粒徑分布(0.05～0.39 μm)(圖1e),說明當(dāng)乳液粒徑達(dá)到納米級(jí)后,經(jīng)噴霧干燥得到的微膠囊具有良好的溶解性、分散性,從而使其重組乳液具有相似的粒徑分布,這對(duì)優(yōu)化噴霧干燥工藝和提高微膠囊品質(zhì)具有指導(dǎo)意義。

2.2 乳液粒徑對(duì)橙油微膠囊物理性質(zhì)的影響

橙油微膠囊產(chǎn)品呈疏松粉末狀,色澤乳白,無雜質(zhì)顆粒或酸敗等異味。其總油量、包埋率和含水量見表1。結(jié)果表明,乳液粒徑大小對(duì)微膠囊總油量和包埋率都沒有明顯影響。微膠囊的總油量約為 1.5 g/20 g,包埋率都在95%以上,說明大部分的橙油在包埋過程中都被完好地保留了下來,部分橙油則可能是由于在整個(gè)乳化及加熱過程中不可避免地因機(jī)械攪拌作用或加熱而揮發(fā),從而造成精油的損失。微膠囊的水分含量很大程度上取決于噴霧干燥室中的濕度[18],因此5種微膠囊的水分含量都沒有顯著差別(P>0.05)。

采用干法測(cè)定的微膠囊平均粒徑結(jié)果表明(表1),微膠囊的平均粒徑范圍為0.33～0.51μm,最大的是H0,最小的H22000。說明乳液粒徑的大小也會(huì)明顯影響微膠囊的粒徑,其原因可能是乳液粒徑越小,在噴霧干燥室內(nèi)越易分散和干燥,從而形成更小尺寸的微膠囊[26]。

2.3 乳液粒徑對(duì)橙油微膠囊微觀形貌的影響

掃描電鏡結(jié)果(圖2)表明,所有噴霧干燥后的微膠囊都呈球形,具有良好分散性,直徑大約在10～40 μm之間。微膠囊的表面形態(tài)有較明顯的差別。H0、H1000和H2500的微膠囊(圖2a、b、c)表面粗糙,有較多的皺褶和凹陷甚至裂紋,這可能是因?yàn)橐旱卧诟稍镞^程中水分快速蒸發(fā),造成顆粒表面出現(xiàn)收縮塌陷的現(xiàn)象[27-28];而H3500和H22000微膠囊(圖2d、e)顆粒間逐漸趨于分散狀態(tài),顆粒粒徑分布較均勻,表面更光滑,將H22000顆粒放大(圖2f),可以看到呈規(guī)則的圓球形,囊壁比較完整,有少量凹陷和裂紋但沒有裂痕出現(xiàn),說明橙油已經(jīng)被壁材包裹在里面。因此,乳液粒徑會(huì)影響到微膠囊的微觀形貌,粒徑越小,微膠囊更易分散,表面越光滑,粒徑分布會(huì)更加均勻。

圖2 橙油微膠囊的掃描電鏡圖 Fig.2 Photomicrograph of spray-driedsample from different size emulsion注:a:H0;b:H1000;c:H2500;d:H3500;e、f:H22000不同放大倍數(shù)。

2.4 乳液粒徑對(duì)橙油微膠囊氧化穩(wěn)定性的影響

將橙油微膠囊經(jīng)37 ℃貯藏五周后測(cè)定其檸檬烯及其氧化檸檬烯比例變化(圖3)。

表2 橙油微膠囊檸檬烯氧化模型和預(yù)測(cè)貨架期Table 2 Oxidation and predicted shelf life of orange oil microcapsule

結(jié)果表明,在5周的貯藏期間,一周內(nèi)的氧化檸檬烯/檸檬烯(mg/g)比例有所下降,有可能是因?yàn)榫徒?jīng)噴霧干燥的高溫導(dǎo)致一定程度的氧化,使得微膠囊初始(0周)氧化檸檬烯含量較高。一周后,除H22000外,其余微膠囊的氧化檸檬烯/檸檬烯(mg/g)值顯著上升(P<0.05),說明檸檬烯的氧化程度加劇,易造成橙油風(fēng)味的損失。當(dāng)氧化檸檬烯/檸檬烯(mg/g)>2時(shí),可認(rèn)為精油敗壞[29],因此,除H22000外,其余微膠囊在3周后已出現(xiàn)品質(zhì)劣變。將H0、H1000、H2500、H3500微膠囊在1～3周和3～5周的氧化數(shù)據(jù)分別擬合,而H22000利用1～5周氧化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到氧化動(dòng)力學(xué)模型(表2)。結(jié)果表明,檸檬烯氧化符合零級(jí)模型,且R2均大于0.97,表明總體線性相關(guān)和擬合精度好,這與Finney等的研究結(jié)果一致[18]。

圖3 儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)檸檬烯氧化的影響Fig.3 Effect of storage time on the oxidation of limonene

2.5 橙油微膠囊貨架期預(yù)測(cè)

根據(jù)檸檬烯氧化動(dòng)力學(xué)方程(表2),以氧化檸檬烯/檸檬烯(mg/g)>2時(shí)為貨架期終點(diǎn)預(yù)測(cè)貨架期[29]。除H22000利用1～5周的擬合模型外,由于其余微膠囊在3周左右就達(dá)到此臨界值,因此只用擬合模型1預(yù)測(cè)。

貨架期預(yù)測(cè)結(jié)果表明(表2),37 ℃時(shí)H22000微膠囊的貨架期是其余微膠囊樣品的2.97～4.63倍,可達(dá)11周左右,而其余只有2.36～3.68周,說明納米粒徑的乳液制備的微膠囊具有更穩(wěn)定的性質(zhì)。這也與掃描電鏡結(jié)果一致,H22000微膠囊具有更平滑的表面和更少的裂痕,從而能夠形成更好的保護(hù)。另外粒徑越小,結(jié)構(gòu)越致密[29],使檸檬烯的氧化降到一個(gè)更低的程度。有文獻(xiàn)報(bào)道橙油微膠囊在37 ℃的預(yù)測(cè)貨架期只有8.2～10.6 d[18],這與所用壁材、乳液制備方法和噴霧干燥工藝等不同有關(guān)系。該文利用變性淀粉做壁材,乳液未經(jīng)高壓均質(zhì),且噴霧干燥進(jìn)出口溫度不同,這也說明微膠囊貨架期與壁材種類和微膠囊化工藝密切相關(guān)[30]。

3 結(jié)論

本文研究了乳液粒徑對(duì)噴霧干燥橙油微膠囊物理和氧化穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,均質(zhì)壓力越高,乳液粒徑越小,未高壓處理的粗乳液(H0-E)具有最大的粒徑分布范圍(2.60～34.28 μm),而H22000-E為0.05～0.39 μm。乳液粒徑對(duì)微膠囊的總油量、包埋率和含水量沒有顯著影響(P>0.05),所有微膠囊總油量約為1.5 g/20 g,包埋率均大于95%,含水量低于4%。但乳液粒徑會(huì)影響微膠囊的平均粒徑、微觀形貌以及重組乳液的粒徑分布。乳液粒徑越小,微膠囊平均粒徑越小,表面越光滑。重組乳液相對(duì)于橙油乳液,具有更窄的粒徑分布,說明噴霧干燥形成了有效的包埋。當(dāng)乳液粒徑達(dá)到納米級(jí)后,重組乳液具有與其相似的粒徑分布,說明納米乳液經(jīng)噴霧干燥得到的微膠囊具有良好的溶解性、分散性。同時(shí),乳液粒徑還會(huì)影響到橙油微膠囊的氧化穩(wěn)定性。通過貯藏期間的加速實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)檸檬烯的氧化符合零級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,根據(jù)擬合模型的貨架期預(yù)測(cè)結(jié)果,粒徑最小的微膠囊H22000在37 ℃的貨架期可長(zhǎng)達(dá)11周左右,是其余微膠囊貨架期的2.97～4.63倍。說明粒徑越小,能形成更致密的保護(hù),從而延長(zhǎng)貨架期。