岳昊，邱斌，張文龍，賈敏，劉麗娜，徐同成

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所，山東省特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品工程技術(shù)研究中心，山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點實驗室，農(nóng)業(yè)部新食品資源加工重點實驗室，山東濟(jì)南250100）

功能油脂是一類具有降血脂、降血壓、抗血栓等特殊生理功能油脂的統(tǒng)稱，主要以富含單不飽和脂肪酸（monounsaturated fatty acids，MUFA）和多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids，PUFA）的油脂為主[1-4]。雖然功能油脂具有許多健康益處，但其不溶于水，在應(yīng)用時不易均勻一致地添加到各類食品中，同時富含ω-3多不飽和脂肪酸的功能油脂存在安全問題，主要是多不飽和脂肪酸的快速氧化，這可能導(dǎo)致有毒化合物的形成[5-7]。

微膠囊技術(shù)作為一項成熟的工業(yè)化技術(shù)，近些年來通過學(xué)科交叉而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[8-12]。微膠囊技術(shù)是一種通過成膜材料（即微膠囊壁材）將具有揮發(fā)性、敏感性的固、液體（微膠囊芯材）包封成微小粒子的技術(shù)[13-17]。噴霧干燥法具有操作簡單、靈活、設(shè)備占地小且易得、成本低、可控生產(chǎn)規(guī)模、在食品工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛等特點。因此，本研究用高直鏈玉米淀粉、酪蛋白酸鈉和麥芽糊精作為壁材，單甘酯和蔗糖酯充當(dāng)乳化劑，利用響應(yīng)面試驗對其工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

奇亞籽油：阿胡斯卡爾斯油（張家港）有限公司；花生油：山東金盛糧油集團(tuán)有限公司；橄欖油、麥芽糊精、酪蛋白酸鈉、高直鏈玉米淀粉：市購。

石油醚（分析純）、鹽酸（分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

B-290小型噴霧干燥機(jī)、B-100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：瑞士Buchi實驗室儀器公司；DRS2000高速剪切乳化機(jī)：德國IKA實驗室儀器公司；ME204/02電子分析天平：瑞士Mettler-Toledo集團(tuán)；DHG-9073BS-III電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；HH-4恒溫水浴鍋：常州金壇精達(dá)儀器制造有限公司；Scientz-150高壓均質(zhì)機(jī)：寧波新芝生物科技股份有限公司；TGL-16B臺式離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；79-1磁力加熱攪拌器：深圳歐萊博科技有限公司；UPW-20N型超純水器：北京市歷元電子儀器技貿(mào)公司；BT-2001型激光粒度分布儀：丹東百特儀器有限公司；SU8010掃描電子顯微鏡：Hitachi公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 功能油脂的制備

采用橄欖油、花生油及奇亞籽油為原料，通過數(shù)學(xué)軟件計算配置功能油脂所需相關(guān)原料植物油比例，準(zhǔn)確稱量并于相關(guān)容器內(nèi)進(jìn)行復(fù)配。

1.3.2 微膠囊制備工藝流程

1.3.3 微膠囊包埋效率的計算

1.3.3.1 微膠囊表面含油量檢測

準(zhǔn)確稱取2 g功能油脂微膠囊產(chǎn)品于錐形瓶中，加入25 mL石油醚振蕩，將混合液倒入漏斗中過濾，并用25 mL石油醚洗滌，用干燥至質(zhì)量恒定的圓底燒瓶收集濾液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋蒸至干，然后將圓底燒瓶置于真空干燥箱中60℃干燥至質(zhì)量恒定，稱量并計算得到表面含油量。

1.3.3.2 微膠囊總油量檢測

參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.168-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中脂肪酸的測定》，選用酸水解法[18]。

準(zhǔn)確稱取2 g微膠囊樣品，加入10 mL鹽酸溶液混勻，將燒瓶置于70℃～80℃水浴中水解40 min，每隔10 min振蕩一次燒瓶水解完成后冷卻至室溫20℃。冷卻完畢后加入10 mL 95%乙醇后混勻，轉(zhuǎn)移至分液漏斗中，燒瓶使用石油醚和乙醚的混合液沖洗（石油醚和乙醚體積比1∶1），待分液漏洞中溶液靜置分層后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至干，最終的殘留物的量即為微膠囊中總油量。

1.3.3.3 微膠囊包埋率的計算

微膠囊的包埋率計算公式如下：

微膠囊包埋率/%=（W0-W1）/W0×100

式中：W0為微膠囊總油量，g；W1為微膠囊表面含油量，g。

1.3.4 功能油脂微膠囊制備單因素試驗

1.3.4.1 乳化溫度對微膠囊制備的影響

在固定高速剪切5 min，均質(zhì)壓力30 MPa，噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度175℃的條件下，乳化溫度分別為55、60、65、70、75℃的條件下制備微膠囊，測定功能油脂微膠囊的包埋率。

1.3.4.2 高速剪切時間對微膠囊制備的影響

在固定乳化溫度70℃，均質(zhì)壓力30 MPa，噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度175℃的條件下，高速剪切時間分別為1、3、5、7、9 min的條件下制備微膠囊，測定功能油脂微膠囊的包埋率。

1.3.4.3 均質(zhì)壓力對微膠囊制備的影響

在固定乳化溫度70℃，高速剪切5 min，噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度175℃的條件下，均質(zhì)壓力分別為20、25、30、35、40 MPa的條件下制備微膠囊，測定功能油脂微膠囊的包埋率。

1.3.4.4 噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度對微膠囊制備的影響

在固定乳化溫度70℃，高速剪切5 min，均質(zhì)壓力30 MPa的條件下，噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度分別為165、170、175、180、185℃的條件下制備微膠囊，測定功能油脂微膠囊的包埋率。

1.3.5 設(shè)計響應(yīng)面試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，對乳化溫度、高速剪切時間和噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度3個因素進(jìn)行優(yōu)化，以功能油脂微膠囊的包埋率為考察指標(biāo)，設(shè)計三因素三水平的響應(yīng)面試驗。因素水平表見表1。

表1 功能油脂微膠囊工藝響應(yīng)面設(shè)計Table 1 Response surface design of functional oil microencapsulation technology

1.3.6 微膠囊微觀結(jié)構(gòu)分析

使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察功能油脂微膠囊表面及內(nèi)部形態(tài)。首先將雙面膠的一面貼在樣品臺上，然后將少量微膠囊產(chǎn)品黏在上面，用洗耳球輕輕吹去多余的粉末，對樣品進(jìn)行噴金（厚度100 μm）后，于加速電壓為10 kV下重點觀察其結(jié)構(gòu)并拍照。

1.3.7 微膠囊溶解度的測定

準(zhǔn)確稱取5g功能油脂微膠囊樣品，均勻倒入50mL燒杯中，在使用38 mL、25℃～30℃的蒸餾水溶解微膠囊后移入50 mL離心管中，擰緊瓶塞，置于離心機(jī)中，4 000 r/min離心10 min，倒掉上清液。再加入38 mL、25℃～30℃的蒸餾水，充分搖動使沉淀再次溶解后，4 000 r/min離心10 min，傾去上清液，用少量蒸餾水將沉淀洗入已烘至恒重的蒸發(fā)皿中，置入105℃烘箱烘至恒重。溶解度的計算公式如下。

溶解度/%=1-[（W2-W1）×100]/[（1-A）×W0]

式中：W0為微膠囊樣品質(zhì)量，g；W1為蒸發(fā)皿質(zhì)量，g；W2為蒸發(fā)皿質(zhì)量+不溶物質(zhì)量，g；A為微膠囊含水量，%。

1.3.8 微膠囊粒度的測定

在室溫20℃條件下，稱取1 g功能油脂微膠囊樣品，以蒸餾水為溶劑制備復(fù)原乳后，均勻的分散于分散劑（蒸餾水）中，選用BT-2001型激光粒度儀（濕法）測定功能油脂微膠囊的粒徑分布，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert 8.0.6.1對響應(yīng)面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Origin 8.5和Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 乳化溫度對包埋率的影響

乳化溫度對包埋率的影響見圖1。

圖1 不同乳化溫度對包埋率的影響Fig.1 Effect of emulsification temperature on embedding rate

使用乳化劑將微膠囊芯材和壁材乳化制成具有良好穩(wěn)定的乳化液體系是噴霧干燥制備微膠囊的重要前提和環(huán)節(jié)。如圖1所示，隨著乳化溫度的升高，功能油脂微膠囊包埋率提高，當(dāng)乳化溫度達(dá)到65℃時，產(chǎn)品的包埋率最高，當(dāng)溫度繼續(xù)升高后，包埋率有所下降。因此可判斷，65℃為功能油脂微膠囊最佳乳化溫度。

2.1.2 高速剪切時間對微膠囊包埋率的影響

高速剪切時間對微膠囊包埋率的影響見圖2。

圖2 不同高速剪切時間對包埋率的影響Fig.2 Effect of different high-speed shear time on embedding rate

高速剪切的目的是快速、高效、均勻地將互不相溶的2種液體分散。高速剪切的時間過短則不能將油分散到水中形成穩(wěn)定的乳化液，但剪切時間過長又會破壞已經(jīng)形成的穩(wěn)定乳化體系。如圖2所示，功能油脂微膠囊的包埋率隨著剪切乳化時間的增加而提高，在5 min時包埋率最高；之后隨著剪切時間的增加，產(chǎn)品的包埋率開始下降，這可能是因為已經(jīng)被剪切分散的小液滴發(fā)生了碰撞和聚并，導(dǎo)致乳化液的穩(wěn)定性降低，從而導(dǎo)致包埋率的下降。因此，最佳高速剪切時間選5 min較為合適。

2.1.3 均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響

均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響見圖3。

圖3 不同均質(zhì)壓力對包埋率的影響Fig.3 Effect of different homogeneous pressures on embedding rate

均質(zhì)壓力決定著乳化液中液滴的狀態(tài)，較高的均質(zhì)壓力有利于微小均勻液滴的形成。均勻的乳狀液體系中不易出現(xiàn)液滴的破乳和聚結(jié)等情況，但過高的均質(zhì)壓力有時會導(dǎo)致乳狀液不穩(wěn)定的發(fā)生，一般表現(xiàn)為液滴表面積過大，表面能過高等。如圖3所示，總體來看，包埋率受均質(zhì)壓力的影響不大，但還是呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，均質(zhì)壓力30 MPa是一個分界點，超過30 MPa的壓力使包埋率出現(xiàn)了下降，這可能是因為表面能過大，乳液分層，從而對包埋率造成了影響。因此單因素試驗確定本試驗選取的最佳均質(zhì)壓力為30 MPa。

2.1.4 噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響

噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響見圖4。

圖4 不同噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度對包埋率的影響Fig.4 Influence of inlet temperature of different spray drying on entrapment efficiency

噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度影響噴霧干燥過程的進(jìn)行，影響干燥能力和速度，并且同時影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性能、顆粒結(jié)構(gòu)和吸濕性。如圖4所示，功能油脂微膠囊的包埋率隨噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度的升高而增大，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到180℃時，包埋率達(dá)到最大。較低的噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度會降低微膠囊產(chǎn)品的成膜速度，干燥不徹底，影響產(chǎn)品的包埋率的同時還會導(dǎo)致產(chǎn)品保質(zhì)期的縮短。較高的噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度會降低微膠囊的質(zhì)量，水分散失過快，造成囊壁表面凹陷嚴(yán)重，故選取180℃作為后續(xù)試驗的噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

基于單因素試驗結(jié)果，選擇對包埋效率影響顯著的剪切時間（A）、乳化溫度（B）、噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度（C）為自變量，以包埋率為響應(yīng)值，設(shè)計了三因素三水平響應(yīng)面分析試驗，試驗方案及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 The experimental design and results for response surface methodology

采用Design-Expert V8.06軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析，得到的功能油脂微膠囊包埋率與各因變量的模擬方程為：

2.2.2 響應(yīng)面方差分析結(jié)果

響應(yīng)面方差分析結(jié)果見表3。

由方差分析結(jié)果可看出，功能油脂微膠囊響應(yīng)面試驗?zāi)Ｐ偷腜＜0.01，說明該二次方程模型為極顯著。該方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.942 8，說明該模型能解釋94.28%響應(yīng)值的變化，即該模型與實際試驗具有良好的擬合性，試驗誤差?。荒Ｐ驼{(diào)整系數(shù)為R2Adj=0.869 3，說明該模型的預(yù)測性較好，實際值與預(yù)測值較為接近；模型精密度為9.651，大于4，說明該模型是可行的。各因素對微膠囊包埋率影響的強(qiáng)弱可以通過F值的大小來進(jìn)行判斷，F(xiàn)值越大，說明因素對包埋效率影響作用越強(qiáng)[19]。由表3可知，功能油脂微膠囊包埋率受各因素影響程度大小的次序為剪切時間（A）＞乳化溫度（B）＞噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度（C），其中剪切時間對包埋率的影響均為極顯著（P＜0.01），但乳化溫度和噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度對包埋率的影響不顯著（P＞0.05）。

表3 二次響應(yīng)面回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of quadratic response surface regression model

2.2.3 響應(yīng)面分析

響應(yīng)面圖形分析見圖5～圖7。

由圖5～圖7可以看出影響因子乳化溫度、剪切時間和噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度對包埋率都具有較明顯的影響。圖5中，隨著乳化溫度的升高及剪切時間的延長，包埋率呈增加趨勢，說明乳化溫度和剪切時間對包埋率的增加有促進(jìn)作用；圖6中，增加噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度能促進(jìn)包埋率的增加，而時間延長到一定值后，時間的繼續(xù)增加則導(dǎo)致包埋率的降低；圖7中，隨著乳化溫度及噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度的增加，包埋率逐漸升高。

圖5 剪切時間和乳化溫度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour map of interaction between shear time and emulsion temperature on encapsulation rate of microcapsules

圖6 剪切時間和噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖Fig.6 Response surface and contour map of microencapsulation embedding rate influenced by cutting time and inlet temperature of spray drying

圖7 乳化溫度和噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖Fig.7 Response surface and contour map of microencapsulation embedding rate influenced by emulsifying temperature and inlet temperature of spray drying

2.2.4 驗證試驗結(jié)果

根據(jù)所得模型，利用Design-Expert 8.0.6軟件對配方進(jìn)行優(yōu)化，得到的功能油脂微膠囊制備最優(yōu)工藝為：高速切剪時間5.8 min，乳化溫度64.2℃，噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度179.9℃。在此條件下功能油脂微膠囊的包埋率理論上可達(dá)到96.54%。在最佳工藝條件下，進(jìn)行了驗證試驗，經(jīng)多次重復(fù)試驗表明，功能油脂微膠囊包埋率平均值實際上可達(dá)（96.42±0.42）%，接近理論最佳值，重復(fù)性良好，證明試驗結(jié)果可靠。

2.3 功能油脂微膠囊的理化指標(biāo)

2.3.1 功能油脂微膠囊基本理化性質(zhì)

試驗結(jié)果表明，微膠囊包埋率達(dá)到96.42%，包埋效果較好，微膠囊產(chǎn)品較為穩(wěn)定，有效成分損失較少；粒徑范圍為 0.498 μm～21.12 μm，平均粒徑為（6.064±0.97）μm；產(chǎn)品經(jīng)過噴霧高溫干燥后，水分含量為2.14%，干燥較為充分，滿足微膠囊產(chǎn)品要求，同時較低的含水量也可以抑制貯藏過程中脂肪酸（尤其是PUFA）的氧化變質(zhì)，延長其貨架期；產(chǎn)品呈乳白色，溶解度93.75 g/100 g，沉淀較少，溶解性良好；且表面油含量較低，顆粒不容易粘連，足以滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

2.3.2 功能油脂微膠囊微觀結(jié)構(gòu)分析

功能油脂微膠囊微觀結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8為1 000倍下的功能油脂微膠囊，整體來說功能油脂微膠囊產(chǎn)品表面比較光滑，近似球形，囊壁相對完整，致密、無裂痕，整個表面是連續(xù)的。但小型噴霧干燥機(jī)干燥過程中的不穩(wěn)定導(dǎo)致微膠囊表面略粗糙且有凹陷，這種現(xiàn)象說明微膠囊膨大成圓形在壁材的凝固之后，較高的溫度容易導(dǎo)致壁材的快速固化凹陷，以至于難于形成表面光滑的小顆粒，這是高溫噴霧干燥微膠囊產(chǎn)品普遍具有的特征[20-21]。

圖8 功能油脂微膠囊微觀結(jié)構(gòu)（×1 000）Fig.8 Microstructure of functional oil microcapsules（×1 000）

2.3.3 功能油脂微膠囊熱穩(wěn)定性分析

功能油脂微膠囊的差示掃描量熱分析（differential scanning calorimetry,DSC）見圖 9。

圖9 功能油脂微膠囊熱穩(wěn)定性分析Fig.9 Thermal stability analysis of functional oil microcapsules

圖9中顯示在整個溫度范圍內(nèi)有兩個主要的吸熱峰。當(dāng)溫度達(dá)到44.3℃時，出現(xiàn)第一個吸熱峰，這個吸熱峰產(chǎn)生的原因可能是壁材成分在高溫下受熱溶脹，有序的晶體結(jié)構(gòu)向無序的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，發(fā)生吸熱現(xiàn)象所致。第二個吸熱峰出現(xiàn)在190℃，這一階段吸熱峰產(chǎn)生的原因可能是微膠囊發(fā)生了熱分解反應(yīng)，C-C、SS和C-O等鍵發(fā)生了斷裂，壁材糊化，直至樣品碳化完全[22]。

3 討論與結(jié)論

本研究主要對功能油脂在包埋過程中的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)單因素試驗結(jié)果，設(shè)計了三因素三水平響應(yīng)面試驗，微膠囊化工藝最佳條件為高速剪切時間5.8 min，乳化溫度64.2℃，噴霧干燥進(jìn)風(fēng)溫度179.9℃，由此制備的微膠囊包埋率可達(dá)96%以上。掃描電鏡觀察微膠囊結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，微膠囊產(chǎn)品表面比較光滑但有凹陷，近似球形，囊壁相對完整，致密、無裂痕。微膠囊產(chǎn)品干燥較為充分，產(chǎn)品呈乳白色，沉淀較少，溶解性良好顆粒小且均勻，基本可以滿足一般食品加工條件。本工藝經(jīng)過響應(yīng)面法優(yōu)化后制備功能油脂微膠囊切實可行，可以有效地提高功能油脂的利用率，為在特殊醫(yī)用食品、烘焙食品等方面的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。