微藻油微膠囊配方優(yōu)化及其穩(wěn)定性研究

白春清，韓 丹，熊 華*，劉玉珍，趙麗萍，史蘇華，鄧 波，蔣 巖

(南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047)

微藻油微膠囊配方優(yōu)化及其穩(wěn)定性研究

白春清，韓 丹，熊 華*，劉玉珍，趙麗萍，史蘇華，鄧 波，蔣 巖

(南昌大學(xué) 食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047)

采用噴霧干燥法制備微藻油微膠囊，為優(yōu)化微藻油微膠囊配方，以包封率為主要指標(biāo)，對(duì)乳化劑、酪蛋白、環(huán)糊精用量及芯材含量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果表明：最佳配方為乳化劑用量3.98%、酪蛋白用量3.52%、環(huán)糊精用量11.1%、芯材含量30%。由此配方制備的微藻油微膠囊包埋率達(dá)到93.37%，產(chǎn)品經(jīng)(60±1)℃加速氧化14d后，過(guò)氧化值僅為對(duì)照樣品的三分之一；將微藻油微膠囊添加在嬰兒配方奶粉中，經(jīng)常溫真空避光保存一年，DHA保留率為91.06%，證明該微膠囊具有良好的氧化穩(wěn)定性和貯藏穩(wěn)定性。

微藻油；二十二碳六烯酸；微膠囊；響應(yīng)面法；穩(wěn)定性

Abstract：In order to optimize the formula of micro-algal microcapsules, the effects of emulsifier, casein, cyclodextrin on microencapsulation efficiency of micro-algal oil were explored using response surface methodology. Results indicated that the optimal formulation for micro-algal oil microcapsules were 3.98% emulsifier, 3.52% casein, 11.1% cyclodextrin and 30% microalgal oil as the core-material, respectively. The microcapsulation efficiency of micro-algal oil reached up to 93.37% at this optimal condition. Compared with the control samples, the peroxide value (POV) of total oil in microcapsules remained one third after accelerated oxidation at (60±1) ℃ for 14 days, which revealed a promising oxidation stability of micro-algal oil in microcapsules. The retention rate of DHA in formula milk powder containing micro-algal oil microcapsules was up to 91.06%after storage for 1 year under the conditions of vacuum packaging, room temperature and lightlessness. Therefore, micro-algal oil microcapsules exhibited an excellent oxidation stability and storage stability.

Key words：micro-algal oil；docosahexaenoic acid (DHA)；microcapsule；response surface methodology；stability

微藻油是從發(fā)酵后的藻類(lèi)中提取的脂質(zhì)，其特征性成分是對(duì)人體具有重要生理和保健功能的二十二碳六烯酸(DHA)[1-3]。目前添加于食品和直接用做營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑的DHA主要來(lái)源于魚(yú)油和微藻油。與魚(yú)油相比，微藻油具有DHA含量高、EPA(二十二碳五烯酸)含量非常低、氧化穩(wěn)定性高、無(wú)魚(yú)腥異味、重金屬污染少等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際食品及保健品市場(chǎng)上供不應(yīng)求，也是唯一得到美國(guó)食品與藥物管理局(FDA)認(rèn)可的兒童DHA補(bǔ)充劑來(lái)源[4-6]。微藻油中富含的DHA屬于ω-3型多不飽和脂肪酸，對(duì)光、熱、氧等因素敏感，極易氧化，使?fàn)I養(yǎng)保健和生理活性功能喪失，甚至還會(huì)對(duì)人體造成危害，極大地限制了其在食品加工中的應(yīng)用[7]。采用微膠囊技術(shù)對(duì)微藻油進(jìn)行包埋，具有保護(hù)其免受環(huán)境條件的影響，改變物質(zhì)的性質(zhì)或性能、屏蔽味道、提高微藻油穩(wěn)定性、延長(zhǎng)貨架期等特點(diǎn)[8-11]。因此，研究采用適宜的配方對(duì)微藻油進(jìn)行微囊化，制備出包埋率高、穩(wěn)定性好的產(chǎn)品是提高微藻油穩(wěn)定性、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

本實(shí)驗(yàn)利用環(huán)糊精的空穴結(jié)構(gòu)對(duì)微藻油進(jìn)行包埋，掩蓋其異味；利用酪蛋白的成膜性，并結(jié)合乳化劑的乳化性和穩(wěn)定性，對(duì)空穴結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行包覆，實(shí)現(xiàn)對(duì)微藻油有效包埋，提高微膠囊化效率。在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法優(yōu)化微藻油微膠囊的配方，通過(guò)加速氧化實(shí)驗(yàn)和配方奶粉添加實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

微藻油 武漢百奧科技發(fā)展有限公司；環(huán)糊精 郁南縣永光環(huán)狀糊精有限公司；麥芽糊精 孟州市鑫源有限責(zé)任公司；酪蛋白 河南曙光生物科技有限公司；吐溫-80 上海申宇醫(yī)藥化工有限公司；乳化劑 江西維爾寶食品有限公司；高峰氏淀粉酶(TaKa酶) 上海正極生物科技有限公司；分析所用化學(xué)試劑除正己烷、無(wú)水甲醇、乙酸甲酯為色譜純外，其他均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

QZR-8型噴霧干燥機(jī) 無(wú)錫市林洲干燥機(jī)廠；GYB 50-6S均質(zhì)機(jī) 上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠；JB-3型定時(shí)恒溫磁力攪拌器 上海雷磁新涇儀器有限公司；R205旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海申生科技儀器廠；755B紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；美國(guó)PSS公司；6890N型氣相色譜儀 美國(guó)Agilent公司；THZ-82恒溫振蕩器 常州國(guó)華電器有限公司；FA1004電子分析天平 上海上平儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 微藻油微膠囊的制備

按一定比例稱(chēng)取環(huán)糊精、酪蛋白、乳化劑、穩(wěn)定劑，溶解于65～70℃的水中，在快速攪拌下將預(yù)熱到70℃的微藻油，加入到上述水相中混勻，經(jīng)高壓均質(zhì)機(jī)于40～50MPa均質(zhì)處理得穩(wěn)定乳液，乳液在進(jìn)風(fēng)溫度185℃、出風(fēng)溫度85℃條件下噴霧干燥即得微藻油微膠囊產(chǎn)品。

1.3.2 微膠囊包埋率的測(cè)定

稱(chēng)取2g左右的微膠囊粉末(m)至恒質(zhì)量的三角瓶(m1)中，加入30mL沸程為30～60℃的石油醚，振蕩提取10min。用已知質(zhì)量的濾紙(m2)過(guò)濾上述樣品，并用10mL石油醚洗滌三角瓶和濾渣。將三角瓶和帶濾渣的濾紙轉(zhuǎn)移到60℃烘箱中，20min后取出，冷卻稱(chēng)量(m3)[12]。包埋率平行測(cè)定3次。

式中：n為配料中芯材的含量/%。

1.3.3 過(guò)氧化值(POV)和DHA保留率的測(cè)定[13-14]

1.3.3.1 樣品破壁處理

稱(chēng)取約1g微膠囊產(chǎn)品置于抽脂瓶中，加入約0.1g的Taka淀粉酶，混合均勻后，加入10mL 45～50℃的蒸餾水，混合均勻后，用氮?dú)馀懦恐械目諝?，蓋上瓶塞，置于45℃恒溫箱中恒溫30min。取出冷卻至室溫。

1.3.3.2 油脂提取

于上述樣品溶液中加入2mL體積分?jǐn)?shù)為25%的氨水溶液，蓋上瓶塞，置65℃水浴中水浴15min，取出輕搖，冷至室溫。加入10mL乙醇，混勻。加入25mL乙醚，加塞振搖1min。加入25mL石油醚，塞上塞子振搖1min。離心或靜置，使醚層、水層分開(kāi)。有機(jī)層轉(zhuǎn)入燒瓶中，第2次提取加入的試劑為5mL乙醇、15mL乙醚、15mL石油醚，操作同前。第3次提取不加乙醇，只用15mL石油醚，如上操作。把提取的醚液合并，減壓濃縮至近干。

1.3.3.3 破壁后POV的測(cè)定

POV值按照GB/T 5009.37—2003《食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》中規(guī)定的比色法測(cè)定。

1.3.3.4 DHA保留率的測(cè)定

甲酯化：取脂肪2mg加入1.5mL正己烷，使脂肪溶于正己烷，加乙酸甲酯40μL振蕩，加入100μL溶于甲醇的甲醇鈉，在室溫條件下反應(yīng)20min，冷藏10min后加60μL草酸，過(guò)濾，濾液用氣相色譜分析。

色譜分析：FID溫度250℃，進(jìn)樣口溫度250℃。程序升溫過(guò)程：45℃保持3min，然后以13℃/min升溫至175℃，保持27min，再以4℃/min升溫至215℃，保持35min，載氣為高純氫氣。通過(guò)與脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照，采用面積歸一化法定量計(jì)算脂肪酸的相對(duì)含量(以峰值面積的百分比表示)。

1.3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化配方[15]

在本實(shí)驗(yàn)前期研究的基礎(chǔ)上，得出對(duì)微膠囊產(chǎn)品包埋率影響較大的因素是乳化劑用量、酪蛋白用量、環(huán)糊精用量及芯材含量4個(gè)因素。針對(duì)這4個(gè)因素，以微藻油DHA包埋率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，通過(guò)響應(yīng)面分析對(duì)微膠囊配方進(jìn)行優(yōu)化，因素水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)因素及水平編碼值Table 1 Factors and levels in response surface design%

1.3.5 產(chǎn)品氧化穩(wěn)定性測(cè)定[16]

將微膠囊產(chǎn)品分裝于棕色廣口瓶中，充氮密封，在(60±1)℃條件下加速氧化，定期取樣測(cè)定產(chǎn)品的POV值，分析POV值隨加速氧化時(shí)間的變化情況以測(cè)定產(chǎn)品的氧化穩(wěn)定性。

1.3.6 微藻油微膠囊在食品體系中的穩(wěn)定性

按照DHA占配方奶粉總脂肪酸量0.5%的比例將微藻油微膠囊添加到配方奶粉中，樣品真空包裝于鋁箔袋中，在室溫條件下儲(chǔ)藏，定期測(cè)定產(chǎn)品的DHA保留率，考察其穩(wěn)定性。

1.3.7 統(tǒng)計(jì)分析方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS軟件(V9.1)統(tǒng)計(jì)軟件分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上，選用四因子的Box-Behnken擬合二階響應(yīng)面三水平設(shè)計(jì)，共有27個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，以包埋率為響應(yīng)值，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Response surface design matrix and experimental results

2.1.2 模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

采用SAS軟件(V9.1)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，得到微膠囊化微藻油的包埋率(Y)對(duì)乳化劑(X1)、環(huán)糊精(X2)、酪蛋白(X3)及芯材含量(X4)的回歸模型方程：

對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果如表3所示。

表3 回歸模型顯著性分析Table 3 Significance analysis for each term of the established regression model

表 3 顯示，X1、X3、X4、X12、X32、X42高度顯著，X2、X1X4、X22顯著，其他交互項(xiàng)不顯著，但總體回歸方程差異極顯著，相關(guān)系數(shù)R2=82.99422/85.44007=97.14%，說(shuō)明該數(shù)學(xué)回歸模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合關(guān)系較好，可利用此方程進(jìn)一步確定最佳配方含量。在所選的各因素水平范圍內(nèi)，對(duì)響應(yīng)值的影響排序?yàn)閄4＞X1＞X3＞X2，即芯材含量＞乳化劑用量＞環(huán)糊精用量＞酪蛋白用量。

2.1.3 響應(yīng)面分析

根據(jù)上述數(shù)學(xué)回歸模型做出響應(yīng)曲面圖，結(jié)果如圖1～6所示。從圖中可以直觀了解各因素對(duì)包埋率的影響以及各因素之間的交互作用。

圖1 乳化劑用量和酪蛋白用量對(duì)包埋率的影響Fig.1 Response surface plot showing the effects of emulsifier amount and casein amount on encapsulation efficiency

由圖1可以看出，在固定環(huán)糊精用量和芯材含量不變的條件下，在選定的乳化劑用量和酪蛋白用量范圍內(nèi)，微膠囊包埋率的較高值落在乳化劑用量和酪蛋白用量的中間偏上區(qū)域，兩因素的改變都會(huì)引起微膠囊化效率的降低，但乳化劑用量對(duì)包埋率的影響較大。

圖2 乳化劑用量和環(huán)糊精用量對(duì)包埋率的影響Fig.2 Response surface plot showing the effects of emulsifier amount and cyclodextrin amount on encapsulation efficiency

由圖2可以看出，在固定酪蛋白用量和芯材含量不變的條件下，在選定的乳化劑用量和環(huán)糊精用量范圍內(nèi)，微膠囊包埋率的較高值落在乳化劑用量和環(huán)糊精用量的中間偏上區(qū)域，兩因素的改變都會(huì)引起微膠囊化效率的降低，但乳化劑用量對(duì)包埋率的影響較大。

圖3 乳化劑用量和芯材含量對(duì)包埋率的影響Fig.3 Response surface plot showing the effects of emulsifier amount and core material amount on encapsulation efficiency

由圖3可以看出，在固定酪蛋白用量和環(huán)糊精用量不變的條件下，在選定的乳化劑用量和芯材含量范圍內(nèi)，微膠囊的包埋率隨芯材含量的增加先升高后下降，隨乳化劑用量的增加而升高，且二者的影響都較為顯著。

圖4 酪蛋白用量和環(huán)糊精用量對(duì)包埋率的影響Fig.4 Response surface plot showing the effects of casein amount and cyclodextrin amount on encapsulation efficiency

由圖4可以看出，在固定乳化劑用量和芯材含量不變的條件下，在選定的酪蛋白用量和環(huán)糊精用量范圍內(nèi)，微膠囊包埋率的較高值落在酪蛋白用量和環(huán)糊精用量編碼值的中間偏上區(qū)域，兩因素的改變都會(huì)引起微膠囊化效率的降低，但環(huán)糊精用量對(duì)包埋率的影響較大。

圖5 酪蛋白用量和芯材含量對(duì)包埋率的影響Fig.5 Response surface plot showing the effects of casein amount and core material amount on encapsulation efficiency

由圖5可以看出，在固定乳化劑和環(huán)糊精用量不變的條件下，在選定的酪蛋白用量和芯材含量范圍內(nèi)，微膠囊的包埋率隨芯材含量的曾加先升高后下降，隨乳化劑用量的增加而升高，且芯材含量對(duì)包埋率的影響較為顯著。

圖6 環(huán)糊精用量和芯材含量對(duì)包埋率的影響Fig.6 Response surface plot showing the effects of cyclodextrin amount and core material amount on encapsulation efficiency

由圖6可以看出，在固定乳化劑和酪蛋白用量不變的條件下，在選定的環(huán)糊精用量和和芯材含量范圍內(nèi)，微膠囊的包埋率隨芯材含量的增加先稍微升高后快速下降，隨環(huán)糊精用量的增加而升高，且芯材含量對(duì)包埋率的影響較為顯著。

2.1.4 最佳含量的確定

經(jīng)過(guò)對(duì)所得回歸方程取一階偏導(dǎo)等于零，得X1=0.60、X2=0.49、X3=0.42、X4=－1.03為最佳組合，此時(shí)包埋率的理論值為94.21%。但考慮到成本問(wèn)題，應(yīng)在保證微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，盡可能提高載油量，取30%芯材含量，即X4=0時(shí)對(duì)所得理論值加以修正，修正后X1=0.38、X2=0.52、X3=0.55、X4=0，即優(yōu)化配方為乳化劑用量3.98%、酪蛋白用量3.52%、環(huán)糊精11.1%、芯材含量30%，在此條件下微膠囊包埋率的理論值為93.04%。

2.1.5 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證響應(yīng)面法所得到的配方的可靠性，依據(jù)2.1.4節(jié)所確定的配方組合重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，所得微膠囊水分含量為3.68%，流動(dòng)性好，色澤潔白，溶解性好、溶解后呈牛奶狀，有較淡的海藻油味，包埋率平均值為(93.37±0.78)%，據(jù)此可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。

2.2 微膠囊產(chǎn)品的氧化穩(wěn)定性分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取適宜配方制成微膠囊產(chǎn)品進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)，并與未微膠囊化的微藻油對(duì)比。結(jié)果如圖7所示。

圖7 微膠囊產(chǎn)品的氧化穩(wěn)定性Fig.7 Oxidation stability of micro-algal oil microcapsules

由圖7可知，微藻油微膠囊化能明顯降低微藻油的氧化速度，加速氧化14d后，未微膠囊化微藻油的POV值從初始的3.25meq/kg上升到52.54meq/kg，而微藻油微膠囊的POV值為15.67meq/kg，僅為未微膠囊化微藻油的三分之一，證明微藻油微膠囊化后具有較好的氧化穩(wěn)定性。

2.3 微膠囊產(chǎn)品在配方奶粉中的穩(wěn)定性

圖8 貯藏過(guò)程中配方奶粉中DHA保留率的變化Fig.8 Retention rate of DHA in formula milk powder during storage

DHA的氧化會(huì)降低嬰兒配方奶粉的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，從而影響食品的品質(zhì)和貯藏期限[17]。由圖8所示，將DHA配方奶粉在鋁箔袋真空包裝后常溫貯藏，隨著貯藏時(shí)間的增加DHA保留率持續(xù)下降，在貯藏360d后，DHA含量下降到0.448%，DHA保留率為91.06%。雖然有所下降，但經(jīng)過(guò)近一年的貯藏后仍有較高的保留率，說(shuō)明經(jīng)過(guò)微膠囊化后，并真空避光貯藏能夠?qū)HA起到較為有效的保護(hù)作用。

3 結(jié) 論

將響應(yīng)面分析法(RSA)應(yīng)用于微藻油微膠囊配方的研究，采用合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)微膠囊工藝進(jìn)行全面分析，結(jié)果表明：在所選的各因素水平范圍內(nèi)，對(duì)微藻油微膠囊包埋率的影響排序?yàn)椋盒静暮浚救榛瘎┯昧浚经h(huán)糊精用量＞酪蛋白用量，微藻油微膠囊的最佳配方組合為：乳化劑用量3.98%、酪蛋白用量3.52%、環(huán)糊精11.1%、芯材含量30%，在此條件下微藻油微膠囊包埋率的理論值為93.04%。按此配方制備的微膠囊化微藻油產(chǎn)品包埋率93.37%，水分含量低，流動(dòng)性好，色澤潔白，溶解后呈牛奶狀，有較淡的微藻油味。經(jīng)(60±1)℃加速氧化實(shí)驗(yàn)，及在配方奶粉中的貯存穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，證明產(chǎn)品具有較好的氧化穩(wěn)定性，貯存穩(wěn)定性，在食品體系中具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性。

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Optimization and Stability of Micro-algal Oil Microcapsules

BAI Chun-qing，HAN Dan，XIONG Hua*，LIU Yu-zhen，ZHAO Li-ping，SHI Su-hua，DENG Bo，JIANG Yan
(State Key Laboratory of Food Science and Technology, Nanchang University, Nanchang 330047, China)

TS227

A

1002-6630(2010)18-0005-05

2010-06-19

國(guó)家“863”計(jì)劃專(zhuān)題項(xiàng)目(2008AA10Z332)；“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD27B04)

白春清(1984—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹|(zhì)體與微膠囊產(chǎn)品與特性。E-mail：chunqingbai01@yahoo.com.cn

*通信作者：熊華(1957—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)槲⒛z囊與功能性食品。E-mail：huaxiong100@yahoo.com.cn