曹少謙，李沖沖，王正東，戚向陽, ，楊 華

（1.浙江萬里學院生物與環(huán)境學院，浙江寧波 315100；2.寧波市農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)重點實驗室，浙江寧波 315100；3.寧波裕天海洋生物科技有限公司，浙江寧波 315100）

魚油中富含ω-3多不飽和脂肪酸DHA（二十二碳六烯酸）和EPA（二十碳五烯酸），DHA與EPA具有多種生理功能，食用富含DHA、EPA的魚油能減少血清膽固醇的含量，防止心血管疾病，具有抗凝血、消炎、抗癌的功效[1-3]。魚油廣泛應用于飼料、藥品、功能性食品、焙烤食品、蛋類制品中，然而魚油中DHA、EPA等不飽和脂肪酸含有多個雙鍵，對氧氣、光和熱極為敏感，易發(fā)生氧化，產(chǎn)生過氧化物和異味，不僅嚴重降低了產(chǎn)品品質(zhì)，而且使產(chǎn)品保質(zhì)期縮短。而微膠囊化技術(shù)具有保持活性物質(zhì)的穩(wěn)定性，控制活性物質(zhì)的釋放，掩蓋味道與氣味等特點[4-5]，是魚油穩(wěn)態(tài)化的有效措施[6]。干燥微膠囊化魚油是一種加工適應性較好的粉末產(chǎn)品，粉末魚油已被添加到許多食品中，如面包、餅干、嬰兒配方奶粉、酸奶、糖果等[7-11]。

根據(jù)囊壁形成的機制和條件，微膠囊化方法有噴霧干燥法、噴霧冷凝/冷卻法、擠壓法、流化床包衣法、凝聚法、脂質(zhì)體包封法等[12-14]。其中噴霧干燥法工藝簡單，得到的產(chǎn)品粒徑小且溶解性好，壁材選擇性多，對包埋物的適用性強。通過噴霧干燥法對富集魚油進行微膠囊化，能夠有效防止魚油氧化變質(zhì)[15]，保持DHA和EPA的生理功能，并且使其粉末化，提高分散度，便于食品加工與保存。研究表明，噴霧干燥參數(shù)和進料壁材的組成對微膠囊產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要影響[16-20]，復合壁材的組合效應對噴霧干燥微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量的影響是研究的熱點之一。本文旨在利用噴霧干燥制備魚油微粉，在選取合適壁材的基礎上，考察固形物濃度、芯壁材比例、乳化溫度、進風溫度、進料流量及噴霧壓力等因素對包埋效果的影響，通過響應面優(yōu)化實驗確定魚油微粉的最佳制備工藝條件，并分析其微觀結(jié)構(gòu)、溶解性和熱穩(wěn)定性，以期為魚油微粉的制備工藝及其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魚油 實驗室自制，由魚粉加工壓榨液制得，魚油POV值1.24 mmol/kg，酸價0.18 mg KOH/g，碘值為210.05 gI/100 g?；旌现舅峒柞似?美國Supelco公司；明膠、阿拉伯樹膠粉、β-環(huán)糊精、石油醚（30～60 ℃）、無水乙醇 國藥集團化學試劑有限公司；玉米糖漿 環(huán)宇國輝（北京）國際貿(mào)易有限公司；蔗糖脂肪酸酯、大豆水解蛋白 廣州食品添加劑有限公司。

R-3型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 瑞士Buchi公司；SD-06A型噴霧干燥機 英國Labplant公司；NDJ-5S型數(shù)字式粘度計 上海尼潤智能科技有限公司；IUL型均質(zhì)器 上海德計行發(fā)展有限公司；Trace1300型GCMS 美國熱電公司；S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚油微膠囊化工藝 按一定比例稱取壁材，加入蒸餾水100 mL，在80 ℃恒溫水浴鍋中加熱，攪拌使其溶解；同時稱取一定量魚油，加入1.0% 蔗糖脂肪酸酯，在一定溫度恒溫水浴鍋中加熱，緩慢加入壁材溶液，攪拌5 min；將混合液高壓均質(zhì)（30 MPa，2次），形成乳化液，然后在一定進風溫度、進料流量及噴霧壓力條件下進行噴霧干燥，收集微膠囊產(chǎn)品。以粘度、乳化穩(wěn)定性和包埋率為指標，確定魚油微粉制備的工藝。

1.2.1.1 壁材對魚油微膠囊化效果的影響 以阿拉伯膠、β-環(huán)糊精、玉米糖漿、大豆水解蛋白、酪蛋白、明膠為壁材，分別考察不同組合壁材（阿拉伯膠/β-環(huán)糊精/玉米糖漿、阿拉伯膠/β-環(huán)糊精/大豆水解蛋白、阿拉伯膠/酪蛋白/玉米糖漿、阿拉伯膠/酪蛋白/大豆水解蛋白、明膠/酪蛋白/玉米糖漿，質(zhì)量比1:1:1）微膠囊化效果。按照1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比（魚油和壁材的比例）20%，40 ℃下乳化后，在進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa、進料流量300 mL/h條件下進行噴霧干燥。分別在乳化后測定乳化液粘度、乳化穩(wěn)定性，噴霧干燥收集微粉后測定包埋率。在此基礎上選擇效果較好的復合壁材，進而考察其復配比例對微膠囊化的影響。

1.2.1.2 固形物濃度對魚油微膠囊化效果的影響按照1.2.1的方法，芯壁比20%，固形物濃度分別為5%、10%、20%、30%、40%，40 ℃下乳化后，在進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa、進料流量300 mL/h條件下進行噴霧干燥。分別在乳化后測定乳化液粘度、乳化穩(wěn)定性，噴霧干燥收集微粉后測定包埋率。

1.2.1.3 芯壁比對魚油微膠囊化效果的影響 按照1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比分別為20%、30%、40%、50%、60%，40 ℃下乳化后，在進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa、進料流量300 mL/h條件下進行噴霧干燥。分別在乳化后測定乳化液粘度、乳化穩(wěn)定性，噴霧干燥收集微粉后測定包埋率。

1.2.1.4 乳化溫度對魚油微膠囊化效果的影響 按照1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比20%，分別在不同溫度（40、50、60、70、80 ℃）下乳化后，在進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa、進料流量300 mL/h條件下進行噴霧干燥。分別在乳化后測定乳化液粘度、乳化穩(wěn)定性，噴霧干燥收集微粉后測定包埋率。

1.2.1.5 進風溫度對魚油微膠囊化效果的影響 按1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比20%，40 ℃下乳化后，固定噴霧壓力為20 Mpa、進料流量300 mL/h的條件下，分別考察不同進風溫度（170、180、190、200、210 ℃）對包埋率的影響。

1.2.1.6 進料流量對魚油微膠囊化效果的影響 按1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比20%，40 ℃下乳化后，固定進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa的條件下，分別考察不同進料流量（300、500、700、900、1100 mL/h）對包埋率的影響。

1.2.1.7 噴霧壓力對魚油微膠囊化效果的影響 按1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比20%，40 ℃下乳化后，固定進風溫度190 ℃、進料流量300 mL/h的條件下，分別考察不同噴霧壓力（15、20、25、35、45 MPa）對包埋率的影響。

1.2.1.8 魚油微粉制備工藝的優(yōu)化 根據(jù)前面實驗的結(jié)果，選擇固形物濃度、芯壁比、乳化溫度、進風溫度4個因素為自變量，以包埋率為響應值，設計4因素3水平的響應面優(yōu)化試驗（表1）。

表1 設計因素及水平表Table 1 Factors and levels for experimentation design

1.2.2 乳化液粘度的測定 乳化液粘度采用旋轉(zhuǎn)粘度計測定。

1.2.3 乳化穩(wěn)定性的測定 取乳化液一定體積于15 mL離心管中，50 ℃水浴，分層，冷卻后在2500 r/min離心5 min，根據(jù)乳化層體積計算乳化穩(wěn)定性。

乳化穩(wěn)定性（%）=（乳化層體積/乳液總體積）×100

1.2.4 包埋率的測定 參考車馨子等[21]的方法，分別測定微膠囊總含油量和表面含油量。總油含量測定如下：稱取一定量樣品（w1，g）加入100 mL鹽酸溶液（pH1），60 ℃下使其充分溶解，再加入石油醚/正己烷（1:1，v/v）充分萃取后取上液，萃取液蒸干溶劑，殘留物總量記為w2（g），總含油量（%）=w2/w1×100。表面含油量測定如下：稱取一定量樣品（w1，g）加入30 mL石油醚振蕩2 min后靜置10 min，濾紙（經(jīng)石油醚浸泡且恒重）過濾，殘渣用石油醚清洗3次后干燥至恒重，殘渣重量記為w3（g），表面含油量（%）=（w1-w3）/w1×100。

包埋率（%）=（1-微膠囊表面油含量/微膠囊總油含量）×100

1.2.5 魚油微粉表面形態(tài)的觀察 參照江連洲等[22]的方法，將魚油微粉撒在貼了雙面膠的樣品平臺上，壓實后吹去多余粉末，然后放置于離子濺射儀中于10 mA電流下噴金，使材料表明鍍上一層鉑膜，用掃描電鏡觀察魚油微粉表面形態(tài)。

1.2.6 魚油微粉水分含量及產(chǎn)品溶解性的測定 采用GB 5009.3-2016[23]測定魚油微粉中水分含量。取魚油微粉3 g于燒杯中，加入30 mL的水，分別放在20、30、40、50、60 ℃使其溶解。抽濾取濾液，取沒有溶解的微囊，放在干燥箱中干燥，然后稱殘留物重量，計算溶解度。

溶解度（%）=（1-殘留物重量/魚油微粉總重量）×100

1.2.7 魚油微粉貯藏穩(wěn)定性分析 分別稱取5 g魚油微粉平鋪于表面皿中，置于不同溫度下（5、25、45、65 ℃），每隔48 h取樣，采用SC/T3505-2006中方法測定其POV值[24]，同時采用GB 5009.168-2016中方法測定EPA、DHA含量[25]，計算其EPA、DHA保留率。

DHA (EPA) 保留率（%）=[貯存一定時間后樣品中DHA(EPA)含量/貯存前樣品中DHA(EPA)含量]×100

分別稱取5 g未加抗氧化劑魚油、未加抗氧化劑魚油微粉、添加抗氧化劑魚油（維生素E，添加量為1 g/kg）及添加抗氧化劑的魚油微粉放入燒杯中，在常溫下密封貯藏，每隔48h取樣，提取微膠囊中的魚油，采用SC/T3505-2006中方法測其POV值[24]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel與SPSS軟件進行處理和分析。其中，方差分析采用Anova過程，顯著性分析采用Duncan檢驗，P＞0.05判定為無顯著變化，P＜0.05判定為變化顯著。所有數(shù)據(jù)均取3次平行測量的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚油微膠囊化工藝的研究

2.1.1 壁材對魚油微膠囊化效果的影響 以阿拉伯膠、β-環(huán)糊精、玉米糖漿、大豆水解蛋白、酪蛋白、明膠為壁材，不同組合壁材微膠囊化效果如表2所示，阿拉伯膠、β-環(huán)糊精和玉米糖漿組成的復合壁材粘度較小，乳化穩(wěn)定性較好，包埋率最高，因此選擇阿拉伯膠/β-環(huán)糊精/玉米糖漿為微膠囊壁材。

阿拉伯膠/β-環(huán)糊精/玉米糖漿復配比例對微膠囊效果的影響見表3和表4。固定玉米糖漿在壁材中質(zhì)量比為2:3，改變阿拉伯膠和β-環(huán)糊精的比例，當阿拉伯膠和β-環(huán)糊精的質(zhì)量比為2:1時，乳化液粘度適中，乳化穩(wěn)定性較好，魚油的包埋效果最好，當阿拉伯膠含量繼續(xù)增加時，乳化液粘度過大會增加噴霧的難度，出粉減少。當阿拉伯膠/β-環(huán)糊精（質(zhì)量比2:1）與玉米糖漿質(zhì)量比1:2時乳化穩(wěn)定性適中，包埋效率高。繼續(xù)增大玉米糖漿的濃度，粘度變大，包埋效果差。因此，適宜的復合壁材為阿拉伯膠/β-環(huán)糊精/玉米糖漿質(zhì)量比2:1:6。

表2 壁材種類對魚油微膠囊化效果的影響Table 2 Effect of wall materials on fish oil microcapsulation

表3 阿拉伯膠和β-環(huán)糊精比例對魚油微膠囊化效果的影響Table 3 Effect of the ratio of Arabic gum and β-cyclodextrin wall materials on fish oil microcapsulation

表4 阿拉伯膠、β-環(huán)糊精和玉米糖漿比例對魚油微膠囊化效果的影響Table 4 Effect of the ratio of Arabic gum, β-cyclodextrin and corn syrup on fish oil microcapsulation

2.1.2 固形物濃度對魚油微膠囊化效果的影響 由表5可知，隨著固形物含量增加，乳化液粘度逐漸增大，乳化穩(wěn)定性也相應升高。但固形物濃度過高可能會導致粘度太大，影響噴霧干燥的進行，固形物濃度30%為宜，此時包埋率也較其他濃度高。

表5 固形物濃度對魚油微膠囊化效果的影響Table 5 Effect of the solids concentration on fish oil microcapsulation

2.1.3 芯壁比對魚油微膠囊化效果的影響 由表6可知，芯壁比對微膠囊化效果有顯著影響（P＜0.05）。隨著芯壁比的上升，粘度逐漸下降，乳化液的穩(wěn)定性降低，可能是因為一定量的壁材只能包埋一定量的魚油，過量的魚油導致乳化不充分，易分層且粘度變小[26]。當芯壁比30%時，包埋率最大，乳化穩(wěn)定性最高。

表6 芯壁比對魚油微膠囊化效果的影響Table 6 Effect of the propotion of core material to wall material on fish oil microcapsulation

2.1.4 乳化溫度對魚油微膠囊化效果的影響 由表7可知，乳化溫度對乳化液粘度、包埋率均有顯著影響，對乳化穩(wěn)定性則無顯著影響。適當?shù)慕档腿榛瘻囟瓤梢蕴岣呷榛€(wěn)定性，但如果溫度太低，粘度會過大，顆粒間阻力過大，反而不易混合乳化。50 ℃時乳化液粘度適中，包埋率較高，乳化穩(wěn)定性最高。

表7 乳化溫度對魚油微膠囊化效果的影響Table 7 Effect of the emulsifying temperature on fish oil microcapsulation

2.1.5 進風溫度對魚油微膠囊化效果的影響 進風溫度對微膠囊顆粒的形成及其大小有重要的影響。當溫度過高時，不僅可能產(chǎn)生焦粉現(xiàn)象，而且還會加快壁材的濃縮成膜，導致模殼內(nèi)水分蒸發(fā)減慢，使得液滴內(nèi)壓力上升，膠囊破裂[27-28]。若溫度過低，干燥速度減慢，液滴還沒完成干燥，就已落入塔底或接觸塔壁，從而出現(xiàn)潮粉或粘壁現(xiàn)象，致使噴霧干燥包埋率變低。由圖1可知，進風溫度升高，包埋率顯著增加，但當溫度達到210 ℃時，微粉呈焦黃色，且較多附著在玻璃壁表面，凝聚成團且得率較低，故選用200 ℃作為進風溫度較合適。

圖1 進風溫度對魚油微膠囊化效果的影響Fig.1 Effect of inlet air temperature on fish oil microcapsulation

2.1.6 進料流量對魚油微膠囊化效果的影響 加大進料流量可增大微囊的粒度和松密度，但進料過快不利于干燥，會造成微囊含水量高、濕粉黏壁等問題[29-30]。由圖2可知，隨著進料速度的增大，包埋率顯著下降（P＜0.05），因此選擇進料流量為300 mL/h。

2.1.7 噴霧壓力對魚油微膠囊化效果的影響 當噴霧壓力增加時，物料的噴出速度提高，霧化液滴的粒徑減小，比表面積增加，微粒與熱空氣接觸后，水分迅速蒸發(fā)，致使跑粉現(xiàn)象嚴重，但當噴霧壓力過低時，霧化液滴粒徑太大，比表面積減小，干燥速度減緩，易造成粘塔或潮粉現(xiàn)象[29]。由圖3可知，隨著噴霧壓力的增大，產(chǎn)品包埋率隨之上升，當壓力大于35 MPa時，包埋率下降，因此，選擇噴霧壓力為35 MPa。

圖2 進料流量對魚油微膠囊化效果的影響Fig.2 Effect of feed flow rate on fish oil microcapsulation

圖3 噴霧壓力對魚油微膠囊化效果的影響Fig.3 Effect of spray pressure on fish oil microcapsulation

2.1.8 魚油微膠囊工藝的優(yōu)化 根據(jù)前面實驗的結(jié)果，乳化液的制備會影響噴霧干燥效果，噴霧干燥進風溫度對微粉品質(zhì)影響較大，因此選取四個因素：固形物濃度（A）、芯壁比（B）、乳化溫度（C）和進風溫度（D），對魚油微囊工藝進行優(yōu)化，結(jié)果見表8。

采用Design-expert7.0對上述實驗結(jié)果進行分析，建立數(shù)學回歸模型，并根據(jù)模型方程得出最佳實驗配方。得到的回歸方程為：

從方差分析結(jié)果（表9）可知，模型在P＜0.01時水平差異顯著，說明總體回歸方程差異極顯著，因變量與所有自變量之間的決定系數(shù)R2=0.9645，說明該數(shù)學回歸模型能夠較好地描述試驗結(jié)果，回歸方程的一次項、二次項都顯著，說明響應值的變化復雜，試驗因子對響應值的影響不是簡單的線性關(guān)系，失擬項F值較小，說明方程對試驗的擬合情況好，試驗誤差小，可利用此方程進一步確定最佳條件。通過對Y的回歸系數(shù)的檢驗可知，各因素對包埋率影響的大小順序為：固形物濃度（A）＞進風溫度（D）＞芯壁比（B）＞乳化溫度（C）。

結(jié)合回歸模型的數(shù)學分析，確定配方組合水平為A=-1、B=0.40、C=0.40、D=0.59，換算后可得魚油微膠囊產(chǎn)品最佳工藝配方：固形物濃度25%，芯壁比32%，乳化溫度52 ℃，進風溫度206 ℃，在此條件下微膠囊包埋率的理論值為93.24%。驗證試驗顯示包埋率為92.66%，實驗值與回歸方程預測值吻合良好，依據(jù)模型數(shù)據(jù)可有效的指導實驗。

表8 實驗設計及結(jié)果Table 8 Experimentation design and test results

2.2 魚油微粉的超微結(jié)構(gòu)

微膠囊產(chǎn)品的大多數(shù)性質(zhì)都與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，微膠囊對包埋物的保護作用也與其結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)。如圖4所示，魚油經(jīng)微膠囊化后顆粒表面較光滑，囊壁完整性較好，表面有典型性皺褶及凹陷，但未見破裂、孔洞，能夠?qū)⑿静呐c外界環(huán)境隔絕，避免不良因素影響。顆粒表面出現(xiàn)的皺褶及凹陷，是由于霧滴高溫下迅速干燥致使表面收縮形成的，有研究表明囊壁凹陷可能與壁材組成有關(guān)[18,31]。

2.3 魚油微粉水分含量及溶解性

測得魚油微粉的水分含量為2.45%±0.02%，處于較低的水平，易于保存。對微膠囊產(chǎn)品，含水率是一個重要的理化指標，水分過多易使產(chǎn)品結(jié)塊、霉變，微膠囊產(chǎn)品的含水率通常要求控制在2%～5%。當溶解度達到100%時，表明微膠囊產(chǎn)品全部溶解，表10表明魚油微粉能夠很好的溶解于水中，良好的溶解性大大增加了魚油的應用范圍。

2.4 魚油微粉的貯藏穩(wěn)定性

由于魚油富含多不飽和脂肪酸，極易被氧化，貯藏穩(wěn)定性是魚油微粉重要的評價指標。圖5可以看出，在65 ℃下貯藏12 d，魚油微粉POV值仍保持在較低水平（＜3.5 mmol/kg），可見其耐熱性能較好，但溫度越高魚油微粉POV值上升速度越快，較高的溫度不僅使油脂氧化加速，對微膠囊壁材也起著一定的破壞作用，使其對芯材的保護作用減弱，因此在貯藏過程中應盡量避免高溫環(huán)境。

表9 響應面回歸模型方差分析Table 9 ANOVA for response surface quadratic model analysis of variance table

不同貯藏溫度對魚油微粉中DHA和EPA保留率的影響如表11所示，隨溫度升高DHA和EPA保留率快速下降，5 ℃時保存12 d，二者保留率均大于99.5%，而65 ℃時保存12 d二者保留率下降至66%左右。研究表明溫度對促進油脂氧化起著重要的作用，溫度每提高10 ℃，油脂的氧化速度加快一倍。此外，芯材的分子布朗運動隨溫度升高而加快，從而提高了芯材逸出囊壁的速度，同時溫度越高對壁材的破壞程度越大，可導致囊壁孔徑變大、產(chǎn)生裂縫等，加快芯材的釋放速度[31-32]。

表10 魚油微粉的溶解度Table 10 The solubility of fish oil micropowder

圖5 不同溫度下魚油微粉POV值的變化Fig.5 POV values change of fish oil micropowder at different temperatures

由圖6可知，25 ℃下貯藏，未加抗氧化劑的魚油隨著貯存時間的延長，POV值上升明顯，添加抗氧化劑的魚油POV上升相對較緩慢，而添加抗氧化劑的微膠囊魚油POV隨時間的延長總體變化不大。未加抗氧化劑的魚油微粉25 ℃下貯藏14 d時POV值為3.11±0.09 mmol/kg，而添加抗氧化劑的魚油微粉則為2.88±0.06 mmol/kg，顯著低于前者（P＜0.05），且未經(jīng)微膠囊化處理的無抗氧化劑的魚油POV值為6.53±0.18 mmol/kg，顯著高于微膠囊化處理魚油（P＜0.05）。試驗表明微膠囊化能較好的防止魚油氧化，且添加抗氧化劑的微膠囊魚油具有更好的抗氧化能力。

表11 不同溫度下的微膠囊產(chǎn)品EPA和DHA保留率變化Table 11 Changes of the retention rate of EPA and DHA in microcapsules at different temperatures

圖6 常溫下貯藏樣品的POV變化Fig.6 POV values change of the samples at room temperature

3 結(jié)論

噴霧干燥制備魚油微粉工藝中，選擇阿拉伯膠/β-環(huán)糊精/玉米糖漿（質(zhì)量比2:1:6）為復合壁材，微膠囊化效果較好。乳化液的制備和噴霧干燥工藝參數(shù)對魚油微膠囊的形成有重要的影響，固形物濃度25%、芯壁比32%、乳化溫度52 ℃、進風溫度206 ℃、噴霧壓力35 MPa、進料流量300 mL/h為噴霧干燥制備魚油微粉的最佳工藝條件，在此條件下包埋率為92.66%，微粉水分含量為2.45%，溶解性好，微膠囊顆粒表面光滑，無破裂或孔洞，同時具有較好的熱穩(wěn)定性。