超聲輔助制備草魚魚油微膠囊及其貯藏穩(wěn)定性和降血脂作用研究

劉曉麗 - 魏長慶 - 詹曉北 - 夏文水 -

(1. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；3. 江蘇省食品安全與質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122；4. 石河子大學(xué)新疆植物藥資源利用教育部重點實驗室，新疆 石河子 832003；5. 石河子大學(xué)食品學(xué)院，新疆 石河子 832003；6. 江南大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

中國漁業(yè)資源十分豐富，其中草魚的養(yǎng)殖產(chǎn)量最大[1]。近年來，水產(chǎn)加工技術(shù)在得到快速發(fā)展的同時，有很多副產(chǎn)物在加工過程中得不到有效利用，造成資源的嚴(yán)重浪費[2]。魚腹中含有較高的脂肪，其中富含人體所必需的多不飽和脂肪酸如二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)，它們具有降低血清膽固醇含量[3]、提高免疫力[4]、提高視力[5]、預(yù)防心腦動脈粥樣硬化[6]和抗腫瘤等諸多生理作用[7]。但由于魚油自身魚腥味的存在，同時在加工、貯藏和運輸過程中一些魚油多不飽和脂肪酸極易發(fā)生氧化酸敗，產(chǎn)生異味，降低了產(chǎn)品的營養(yǎng)價值[8]。而采用微膠囊化技術(shù)能夠從根本上解決上述問題，進(jìn)一步拓寬魚油在生產(chǎn)和加工中的應(yīng)用。

研究[9]表明，采用微膠囊化技術(shù)包埋后的魚油表面，會形成一層由有效壁材組成的保護(hù)層，該保護(hù)層的存在，不僅能掩蓋其腥味、改變其物理狀態(tài)、延長產(chǎn)品貨架期，還能有效地控制魚油的釋放速率，提高其消化吸收率。但是液態(tài)魚油在經(jīng)微膠囊化后，其各種生物效應(yīng)是否得到了保留，有關(guān)這方面的報道甚少。殼聚糖(Chitosan，CTS)和大豆分離蛋白(Soybean protein isolate，SPI)是微膠囊化常用的壁材，其中殼聚糖是從甲殼動物的外殼中提取的一種天然生物多糖，具有良好的生物相容性[10]、抗氧化活性[11]、生物可降解性[12]和抗菌活性等[13]，特別適合作為微膠囊壁材[14]。目前，以殼聚糖和大豆分離蛋白為復(fù)合壁材對淡水魚油進(jìn)行微膠囊化的研究較少，而且未對其貯藏穩(wěn)定性進(jìn)行研究。同時，在制備過程中，通常使用高壓均質(zhì)制備微膠囊，但存在乳化過程中體系不均勻、形成的微膠囊大小和形態(tài)不均一的情況，而用超聲代替高壓均質(zhì)，可以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，但目前未見將此方法應(yīng)用在制備淡水魚微膠囊中的報道。

試驗以草魚魚油為芯材，以殼聚糖/大豆分離蛋白(CTS/SPI)為復(fù)合壁材，擬采用超聲輔助均質(zhì)和噴霧干燥法制備魚油微膠囊，并對微膠囊貯藏穩(wěn)定性及降血脂功效進(jìn)行研究，以期為開發(fā)新的魚油微膠囊產(chǎn)品和其在食品行業(yè)中的應(yīng)用提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

草魚魚油：實驗室精制；

殼聚糖(CTS)：Mw= 40 kDa，脫乙酰度為80%～90%，BR級，實驗室自制；

大豆分離蛋白(SPI)：BR級，源葉生物科技股份有限公司；

脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)品：AR級，美國Supelco公司；

雌性昆明系小鼠：體重(20±2) g，上海斯萊克實驗動物有限公司；

基礎(chǔ)飼料和高脂飼料：實驗室自制；

總膽固醇(TC)、高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)、甘油三酯(TG)和低密度脂蛋白膽固醇(LDL-C)：南京建成生物工程研究所。

1.1.2 儀器與設(shè)備

紫外—可見分光光度計：UV-1800型，上海天美科學(xué)儀器有限公司；

納米粒度電位儀：Zetasizernano ZS型，英國Malvin公司；

高速剪切機(jī)：Ultraturrax T-10b型，德國IKA公司；

電子精密天平：JB5374-91型，瑞士Mettler Toledo公司；

pH計：FE20K型，瑞士Mettler Toledo公司；

數(shù)控超聲波清洗器：KQ-500 DE型，昆山舒美超聲儀器有限公司；

粒度儀：NanoBrook Omni型，美國布魯克海文有限公司；

噴霧干燥機(jī)：GZ-5型，無錫市陽光干燥設(shè)備廠；

酶標(biāo)儀：Multiskan Mk3型，美國Thermo 公司；

氣相色譜儀：17A型，日本島津公司；

熱重—差熱綜合分析儀：TG/DTA7300型，日本NSK公司。

1.2 方法

1.2.1 魚油微膠囊的制備 一定量的CTS溶于1%的醋酸溶液中，按一定比例將添加了魚油的SPI溶液逐滴加入到不斷攪拌的CTS-醋酸溶液中，在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min下乳化5 min，使其形成均一的乳狀液，用1 mol/L 鹽酸和1 mol/L 氫氧化鈉調(diào)pH至6.5，40 ℃下超聲均質(zhì)10 min (功率 200 W)，在轉(zhuǎn)速為60 r/min下，邊加入一定量的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(18 U/g SPI)邊低速攪拌，固化1 h后，靜置分層、過濾、水洗收集濕囊，再經(jīng)噴霧干燥后，得到干態(tài)魚油微膠囊[14]。整個體系魚油與復(fù)合壁材的質(zhì)量比為1∶2，制備獲得魚油微膠囊，包埋率為77%，得率為80%。

1.2.2 魚油微膠囊包埋率的測定

(1) 表面魚油含量測定：參照文獻(xiàn)[15]，準(zhǔn)確稱取一定量的魚油微膠囊，將其置于50 mL石油醚中振蕩浸提5 min 后過濾獲得濾渣，再用10 mL的石油醚反復(fù)洗滌濾渣兩次，快速過濾，將濾液轉(zhuǎn)移至已恒重的圓底燒瓶中，于40 ℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)掉過量石油醚，于105 ℃下烘干至恒重稱量。按式(1)計算微膠囊表面魚油含量。

(1)

式中：

M——微膠囊表面油含量，%；

m1——魚油微膠囊的質(zhì)量，g；

m2——干燥圓底燒瓶的質(zhì)量，g；

m3——恒重后圓底燒瓶與魚油微膠囊表面油的總質(zhì)量，g。

(2) 總魚油含量的測定：將準(zhǔn)確稱取的一定量的微膠囊樣品充分溶解在30 mL的去離子水中，再加50 mL石油醚—無水乙醇混合液(1∶1)重復(fù)萃取2次后，將萃取液合并轉(zhuǎn)至已恒重質(zhì)量的圓底燒瓶中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，去掉多余的溶劑，置于105 ℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定。按式(2)計算微膠囊總魚油含量。

(2)

式中：

M——微膠囊總魚油含量，%；

m1——魚油微膠囊的質(zhì)量，g；

m2——干燥圓底燒瓶的質(zhì)量，g；

m3——恒重后圓底燒瓶與魚油微膠囊總油的總質(zhì)量，g。

(3) 魚油微膠囊包埋率的測定：魚油微膠囊包埋率是指包入微膠囊中的魚油量與魚油使用總量的百分比，計算公式如式(3)所示。

(3)

式中：

E——包埋率，%；

m1——表面油質(zhì)量，g；

m2——總油質(zhì)量，g。

1.2.3 魚油微膠囊粒徑測定 取一定量的魚油微膠囊，以蒸餾水為分散劑，將微膠囊置于水中分散均勻，用NanoBrook Omni粒度儀對微膠囊的粒徑分布進(jìn)行測定。

1.2.4 魚油微膠囊的熱重(TG/DTG)和差示量熱掃描(DSC)分析 采用熱重—差熱綜合分析儀，控制氮氣流量20 mL/min，從30 ℃開始，以速率10 ℃/min的速度升溫至800 ℃后結(jié)束，繪制魚油微膠囊TG/DTG曲線，并對CTS、SPI和魚油微膠囊的DSC進(jìn)行分析。

1.2.5 魚油微膠囊的貯藏穩(wěn)定性 按照GB 5009.227—2016，將魚油和魚油微膠囊分別置于4，37 ℃下貯存60 d進(jìn)行周期試驗，定期取樣分別測定魚油和魚油微膠囊產(chǎn)品在不同貯藏條件下的過氧化值(POV)，分析POV值的變化情況。

1.2.6 魚油微膠囊脂肪酸含量測定 參照文獻(xiàn)[16]，用氣相色譜法對原料魚油、微膠囊化后魚油貯藏前，及在60 ℃ 下貯藏15 d后的脂肪酸含量變化情況進(jìn)行測定。

1.2.7 魚油微膠囊降血脂試驗 試驗小鼠經(jīng)基礎(chǔ)飼料喂養(yǎng)1周后，按照每組10只，分為5組，即分別為對照組(喂食基礎(chǔ)飼料)、高脂模型組(喂食高脂飼料)、喂食2 g/kg 的壁材復(fù)凝聚物+高脂飼料的CTS/SPI壁材組、喂食2 g/kg 的魚油微膠囊+高脂飼料的魚油微膠囊組和喂食1 g/kg的魚油+高脂飼料的魚油組。其中，高脂模型組和對照組小鼠每天灌胃0.2 mL的蒸餾水，其他兩組每次灌胃0.2 mL的魚油和魚油微膠囊溶液。28 d后，用乙醚麻醉小鼠后，摘眼球取血，將全血靜置于4 ℃冰箱中1.5 h后，用冷凍離心機(jī)于4 ℃下以4 000 r/min離心15 min，分離血清，用于血脂檢測[17]。

1.2.8 魚油微膠囊降血脂作用測定

(1) 小鼠體重：每7 d稱量并記錄小鼠體重數(shù)據(jù)。

(2) 血脂含量檢測：按照南京建成生物工程研究所試劑盒所述方法，對上述1.2.7中獲得的血清中的TC、TG、HDL-C和LDL-C的含量進(jìn)行測定。

1.2.9 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計方法 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較、差異顯著性檢驗分析(SPSS 18.0，one-way ANOVA 方法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚油微膠囊粒徑測定

從圖1可以看出，以CTS/SPI為壁材制備的魚油微膠囊粒徑基本符合正態(tài)分布，分布比較均勻，有73%的微膠囊粒徑集中在10～25 μm，其中15～20 μm的占37%，平均粒徑為15.8 μm。存在少量粒徑較大的顆粒，可能是部分較小粒徑的微膠囊在水中發(fā)生了團(tuán)聚。

圖1 魚油微膠囊粒徑分布

2.2 魚油微膠囊的熱重分析

熱失重的過程可以反映出產(chǎn)品的分解過程，同時也可體現(xiàn)魚油微膠囊的熱穩(wěn)定性。由圖2可以看出，在程序升溫情況下，魚油微膠囊的質(zhì)量有較大變化，主要可以分為以下幾個階段。在30～110 ℃內(nèi)曲線出現(xiàn)了小幅度下降，大約有9.8%的質(zhì)量損失，此階段損失的質(zhì)量主要為微膠囊中的自由水及表面油脂氧化分解；在110～490 ℃ 區(qū)間，曲線下降迅速，此過程中的質(zhì)量損失達(dá)到49%左右，說明在此階段魚油微膠囊暴露并氧化分解，49～800 ℃區(qū)間內(nèi)的質(zhì)量損失為26%左右，該階段的質(zhì)量變化主要來自于微膠囊壁材的進(jìn)一步熱分解。因此，根據(jù)微膠囊中魚油的熱分解溫度范圍可知，魚油微膠囊表現(xiàn)出了較好的熱穩(wěn)定性。

圖2 魚油微膠囊熱重分析圖

2.3 差示量熱掃描(DSC)分析

經(jīng)DSC分析，CTS、SPI和魚油微膠囊的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)分別為107，62，71 ℃，魚油微膠囊的Tg介于CTS和SPI之間，高出常溫貯藏條件。這是因為在CTS的分子鏈的C6和C3位中含有活性羥基，在C2位中含有活性氨基，這些活性基團(tuán)可以與SPI中的極性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生交聯(lián)作用，可使整個微膠囊產(chǎn)品具有比較穩(wěn)定的壁材結(jié)構(gòu)[18]，因此將魚油微膠囊產(chǎn)品置于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下貯藏時，體系中分子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)速率較低，能夠長時間穩(wěn)定存在[19]。說明微膠囊化技術(shù)可以有效地減緩油脂氧化，提高微膠囊產(chǎn)品的貯藏穩(wěn)定性，從而延長貨架期[20]。

2.4 魚油微膠囊的貯藏穩(wěn)定性

由圖3可知，魚油和魚油微膠囊在4 ℃下貯藏較37 ℃ 貯藏具有較好的穩(wěn)定性。同時發(fā)現(xiàn)，在相同的貯藏溫度下，經(jīng)微膠囊化后的魚油，其氧化速度明顯降低。在4，37 ℃ 的貯藏溫度下，微膠囊化后的魚油的氧化程度比未微膠囊化魚油分別降低了24%，27%。而微膠囊化魚油的過氧化值在貯藏初期也有所增加，是因為在微膠囊的表面仍存在一部分未被包埋的魚油被氧化酸敗[21]。另一方面，在噴霧干燥過程中，高溫使未經(jīng)微膠囊壁材包埋的游離的魚油發(fā)生了氧化，因此，在貯藏初期微膠囊化魚油的POV值比未包埋魚油的高[22]。貯藏后期未微膠囊化魚油的氧化程度明顯高于微膠囊化魚油，是因為微膠囊壁材(CTS/SPI)可以有效地減少魚油與環(huán)境的接觸，從而減緩氧化速率，延長貨架期[23]。

2.5 魚油微膠囊脂肪酸含量測定

表1為魚油和魚油微膠囊在60 ℃下，貯藏前和貯藏15 d后功能性脂肪酸含量的變化情況。通過對比發(fā)現(xiàn)，微膠囊化前后魚油中主要功能性成分及其中飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸的相對含量變化不大。這可能是在形成微膠囊后，CTS/SPI微膠囊壁材有效地保護(hù)了魚油中的不飽和脂肪酸，從而阻止了其氧化[24]。魚油在60 ℃貯藏15 d前后對比發(fā)現(xiàn)，其中的主要功能性脂肪酸含量發(fā)生了明顯的變化，單不飽和脂肪酸減小了1.08%，飽和脂肪酸增加了16.4%，多不飽和脂肪酸減小了19.87%，說明魚油經(jīng)15 d后，已嚴(yán)重酸敗。而以CTS/SPI為壁材制備的魚油微膠囊經(jīng)60 ℃貯藏15 d后發(fā)現(xiàn)，其中的脂肪酸含量變化較小，各個成分都比較穩(wěn)定，其中單不飽和脂肪酸減少了0.54%，飽和脂肪酸增加了1.47%，多不飽和脂肪酸減少了0.86%。其中的油酸、亞油酸、棕櫚油酸、α-亞油酸、花生四稀酸和γ-亞油酸等含量減小不明顯。說明以CTS/SPI為壁材制備的魚油微膠囊產(chǎn)品具有致密穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)組成，可以有效地防止魚油的氧化酸敗。

圖3 不同貯藏溫度下魚油和魚油微膠囊

2.6 魚油微膠囊降血脂作用

2.6.1 小鼠體重指標(biāo) 各組別小鼠體重的變化情況如表2 所示，隨著試驗的進(jìn)行，在喂養(yǎng)不同組別飼料情況下，各組小鼠均生長良好，其體重均隨著喂養(yǎng)時間的延長而逐漸增加。在喂養(yǎng)到28 d時，5組中高脂模型組的小鼠體重顯著高于正常對照組。而魚油微膠囊、CTS/SPI壁材組和魚油組各階段小鼠的體重均略低于高脂模型組，說明魚油微膠囊和CTS/SPI壁材對小鼠體重?zé)o顯著影響。

2.6.2 魚油微膠囊對小鼠血清中TC、TG、HDL-C和LDL-C含量的影響 由圖4可知，高脂模型組小鼠血清在TG含量、LDL-C含量和TC含量方面，和正常對照組相比，前者的TG和LDL-C含量均顯著高于后者(P<0.05)，TC含量極顯著高于后者(P<0.01)。高血脂模型組與CTS/SPI壁材組血清中TG含量相當(dāng)，但比魚油組和魚油微膠囊組中TG含量要高，且都無顯著差異，說明魚油微膠囊和魚油對高血脂癥小鼠TG水平無顯著影響。在TC含量方面，CTS/SPI壁材組的含量與高脂模型組相比，同樣相差不大，無顯著差異；而魚油組和微膠囊組中TC的含量和高脂模型組相比，分別下降了25%和21%，說明魚油和魚油微膠囊對高血脂癥小鼠血清中TC的降低有顯著作用；對于小鼠血清中HDL-C的含量而言，與高血脂模型組相比，正常對照組、魚油組和魚油微膠囊組小鼠血清中HDL-C含量均極顯著高于高血脂模型組，CTS/SPI壁材組與高脂模型組相差不大。在LDL-C 含量方面，與高脂模型組相比，CTS/SPI壁材組與其無顯著差異，但魚油組和魚油微膠囊組均極顯著低于高脂模型組(P<0.01)。說明魚油和魚油微膠囊能夠顯著地降低小鼠血脂膽固醇含量。

表1 魚油與魚油微膠囊貯藏前后功能性脂肪酸含量變化

表2 各組小鼠體重變化

圖4 各組小鼠血脂水平

3 結(jié)論

在超聲輔助下以CTS/SPI為壁材，以草魚魚油為芯材制備的魚油微膠囊的包埋率為77%，得率為80%，并具有均勻的粒徑分布，平均粒徑為15.8 μm；魚油微膠囊表現(xiàn)出了較好的熱穩(wěn)定性，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為71 ℃，高出常溫貯藏條件。將微膠囊化前后的魚油在60 ℃貯藏15 d后發(fā)現(xiàn)，魚油中主要功能性成分及飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸的相對含量變化不大，各個成分都比較穩(wěn)定，說明以CTS/SPI為壁材制備的魚油微膠囊結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定，可以有效防止魚油的氧化變質(zhì)；此外，微膠囊壁材可以有效減少魚油與環(huán)境的接觸，從而減緩氧化速率，延長貨架期；通過降血脂試驗，研究了魚油微膠囊對小鼠血清中TC、TG、HDL-C和LDL-C含量的影響，發(fā)現(xiàn)CTS/SPI組對高血脂癥小鼠的血脂水平無調(diào)節(jié)作用，而魚油微膠囊和魚油組具有顯著降低血脂膽固醇的作用。