葡萄籽油微膠囊的制備及氧化穩(wěn)定性研究

董瀟，黃國清，肖軍霞*，徐同成，榮慶軍

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109;2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品 研究所，濟(jì)南 250100；3.青島波尼亞食品有限公司，山東 青島 266109)

葡萄籽油中含有大量的不飽和脂肪酸，其中最主要的是亞油酸，含量在58%以上，超過了一般的油類。葡萄籽油中還含有一些人體所需的礦物質(zhì)和微量元素，其中含量較高的有鈣、鐵、鉀、銅，其次有鈷、鋅、錳等[1]。除此之外，葡萄籽油還具有抗衰老、抗輻射、減少心血管疾病等生理活性，可作為一種功能保健品。Kim等[2]對葡萄籽油進(jìn)行的各種抗氧化試驗表明，葡萄籽油相較于其他油具有更好的抗氧化作用。但由于葡萄籽油的不飽和脂肪酸含量較高，油脂極易氧化變質(zhì)，氧化后的油脂會產(chǎn)生不良風(fēng)味，并引起機(jī)體的氧化，從而引發(fā)癌癥和人體衰老[3]。微膠囊化也被定義為包裝技術(shù)，固體、液體或氣體材料的單個液滴或顆粒被包埋在微米至毫米范圍內(nèi)的膠囊中，可以在特定條件下控制性地釋放芯材[4]。微膠囊技術(shù)使囊芯被壁材包埋，與外界環(huán)境隔離，免受不良因素造成的影響[5]。微膠囊化技術(shù)是包埋技術(shù)的一種，在香辛料、復(fù)合調(diào)味料等調(diào)味品中有著廣泛的應(yīng)用[6,7]。噴霧干燥是一種經(jīng)濟(jì)且靈活的方法，是微囊化的常用方法，它可以將液體轉(zhuǎn)化為粉末，干燥速度快，營養(yǎng)成分損失少，而且生產(chǎn)成本較低，從而更易于處理、存儲和運輸[8]，并使其在食品配方中的均勻混合更加容易[9]。針對葡萄籽油使用、存儲不方便和抗氧化能力弱等缺點結(jié)合微膠囊低毒、緩釋等優(yōu)點，本文擬以葡萄籽油為芯材，阿拉伯膠、麥芽糊精為壁材，研究噴霧干燥法制備葡萄籽油微膠囊的方法，以便為葡萄籽油的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葡萄籽油：北京市品利食品有限公司；阿拉伯膠(gum arabic，GA)、辛烯基琥珀酸淀粉酯(starch sodium octenyl succinate，SSOS)、麥芽糊精(maltodextrin，MD)、碘化鉀：天津市巴斯夫化工有限公司；β-環(huán)糊精(β-cyclodextrin，β-CD)：天津市博迪化工股份有限公司；石油醚、氯仿：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；冰乙酸：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；硫代硫酸鈉：天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

BS214D分析天平 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；FJ200-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī) 上海標(biāo)本模型廠；BG40雙目生物顯微鏡 上海申立玻璃儀器有限公司；TD58低速離心機(jī) 日本尼康株式會社；ZEN3690動態(tài)光散射儀 英國馬爾文公司；B-29噴霧干燥器 瑞士步琪有限公司；JFC-1600掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社。

1.3 試驗方法

1.3.1 葡萄籽油乳液的制備及優(yōu)化

1.3.1.1 乳化劑種類對葡萄籽油乳化的影響

分別取10%(W/V)GA、10%(W/V)SSOS、10%(W/V)β-CD、10%(W/V)MD為乳化劑加入葡萄籽油，葡萄籽油與乳化劑的重量比為1∶3，25 ℃、10000 r/min下均質(zhì)8 min，檢測乳液的乳析指數(shù)和乳液的顯微結(jié)構(gòu)。

1.3.1.2 復(fù)合乳化劑對葡萄籽油乳化的影響

分別將GA與MD、SSOS與MD按重量比1∶1混合作為復(fù)合乳化劑，向濃度為10%(W/V)的復(fù)合乳化劑水溶液中加入葡萄籽油，使葡萄籽油與乳化劑的重量比達(dá)到1∶3，25 ℃、10000 r/min下均質(zhì)8 min，檢測乳液的乳析指數(shù)和顯微結(jié)構(gòu)。

1.3.1.3 乳化劑復(fù)配比對葡萄籽油乳液的影響

分別將GA與MD按重量比1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1混合作為復(fù)合乳化劑，向總濃度為10%(W/V)的復(fù)合乳化劑水溶液中加入葡萄籽油，使葡萄籽油與乳化劑的重量比達(dá)到1∶3， 25 ℃、10000 r/min下均質(zhì)8 min，檢測乳液的乳析指數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.1.4 乳化劑濃度對葡萄籽油乳液的影響

將GA與MD、SSOS與MD按重量比3∶1混合作為復(fù)合乳化劑，分別向濃度為5%、10%、15%、20%、25%(W/V)的復(fù)合乳化劑水溶液中加入葡萄籽油，使葡萄籽油與乳化劑的重量比達(dá)到1∶3，25 ℃、10000 r/min下均質(zhì)8 min，檢測乳液的乳層中析指數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.1.5 芯壁比對葡萄籽油乳液的影響

將GA與MD、SSOS與MD按重量比3∶1混合作為復(fù)合乳化劑，向濃度為10%(W/V)的復(fù)合乳化劑水溶液中加入葡萄籽油，使葡萄籽油與乳化劑的重量比分別達(dá)到2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，25 ℃、10000 r/min下均質(zhì)8 min，檢測乳液的乳析指數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.2 葡萄籽油乳液穩(wěn)定性的測定

1.3.2.1 乳析指數(shù)(creaming index，CI)

將微膠囊乳液于3000 r/min離心15 min，計算上層析出油的高度占乳液總高度的比，按照下式計算CI：

式中：HC為析油高度，HE為乳液總高度[10]。

1.3.2.2 顯微結(jié)構(gòu)

從新鮮乳液最底層取1～2滴置于潔凈的載玻片上，蓋好蓋玻片，于40倍的光學(xué)顯微鏡下觀察乳液的形態(tài)。

1.3.2.3 粒徑和電勢測定

將葡萄籽油乳液用去離子水稀釋100倍后，通過粒度分析儀在默認(rèn)條件下測定粒徑和電勢，每個樣品測定3次。

1.3.3 葡萄籽油微膠囊的制備

將GA與MD按重量比3∶1混合作為復(fù)合乳化劑，按乳化劑濃度10%(W/V)、芯壁重量比1∶2、乳化溫度45 ℃、乳化轉(zhuǎn)速12000 r/min、乳化時間12 min的條件制備得到葡萄籽油乳液，設(shè)置進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃、出口溫度80 ℃、進(jìn)料速率5 mL/min進(jìn)行噴霧干燥，得到葡萄籽油微膠囊。

1.3.4 葡萄籽油微膠囊水分測定

采用GB 5009.3-2016的方法測定。

1.3.5 葡萄籽油微膠囊密度測定

將一定質(zhì)量的葡萄籽油微膠囊粉末置于量筒中，計算單位體積葡萄籽油微膠囊的質(zhì)量。

1.3.6 葡萄籽油微膠囊化效率測定

葡萄籽油的微膠囊化效率按下式計算：

其中，微膠囊表面油質(zhì)量的測定方法：精確稱取2 g 樣品，將50 mL石油醚分3次加入，每次均振蕩2 min，過濾，合并濾液，將濾液用50 ℃水浴加熱，蒸餾出石油醚，稱重得葡萄籽油的質(zhì)量為表面油質(zhì)量[11]。

微膠囊總油質(zhì)量的測定方法：精確稱取重量為m1的微膠囊，加入20 mL熱水使其充分溶解，加入20 mL石油醚充分萃取，將萃取液倒入已經(jīng)稱重m2的三角瓶中，重復(fù)萃取2次，30 ℃下脫去溶劑，在烘箱中烘至恒重m3，微膠囊總油質(zhì)量為m3-m2。

1.3.7 葡萄籽油微膠囊掃描電鏡觀察

在導(dǎo)電膠上將葡萄籽油微膠囊粉末均勻分散，置于金屬載物臺上，電壓為2 kV，用常溫真空噴鍍法噴金處理，置于掃描電鏡下觀察，選取具有代表性的視野，拍照。

1.3.8 微膠囊熱貯藏穩(wěn)定性與氧化穩(wěn)定性測定

采用Schaal烘箱法[12]，將葡萄籽油微膠囊和未經(jīng)處理的葡萄籽油置于60 ℃烘箱中進(jìn)行氧化試驗，定期測定其過氧化值，過氧化值的測定方法參考 GB 5009.227-2016。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果分析

2.1 葡萄籽油乳液制備優(yōu)化

2.1.1 乳化劑種類對葡萄籽油乳液的影響

不同乳化劑對葡萄籽油乳液乳析指數(shù)的影響見圖1。

圖1 乳化劑種類對葡萄籽油乳液乳析指數(shù)的影響Fig.1 Effect of emulsifier types on the creaming indexes of grape seed oil emulsion

由圖1可知，GA乳析指數(shù)較低，僅為4.21%，對于MD來說，其乳化效果較差，表明其無法單獨作為微膠囊的乳化劑使用，但MD有較好成膜性，可作為填充劑與其他單一乳化劑復(fù)配使用，以加強(qiáng)乳化劑包埋效果[13]；β-CD作為乳化劑時，制備的乳液黏度較大，噴霧干燥時易堵塞噴頭，影響噴霧干燥效率，離心后乳液易出現(xiàn)絮凝聚集現(xiàn)象，穩(wěn)定性較差，且β-CD溶解性較低，隨溫度變化溶解度變化明顯，乳液環(huán)境溫度變化時，β-CD極易重結(jié)晶，影響乳液品質(zhì)。

圖2 不同乳化劑制備的葡萄籽油乳液的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Optical microscope photographs of grape seed oil emulsion prepared by different emulsifiers

由圖2可知，GA作為乳化劑時液滴大小及分散較為均勻，能有效地防止乳液絮凝和聚集的發(fā)生；SSOS作為乳化劑時有輕微的液滴現(xiàn)象，可能會致使乳液不穩(wěn)定；MD乳液有較大的油滴出現(xiàn)，且乳液液滴大小不均，表明該物質(zhì)乳化劑乳液較不穩(wěn)定；β-CD作乳化劑在顯微鏡下出現(xiàn)許多小結(jié)晶體，應(yīng)該是β-CD的結(jié)晶析出，表明乳液不穩(wěn)定，這與圖1的結(jié)果一致。因此，選取GA和SSOS為乳化劑、MD為乳化劑復(fù)配劑進(jìn)行后續(xù)研究。

2.1.2 復(fù)合乳化劑種類對葡萄籽油乳液的影響

兩種復(fù)配的乳化劑對葡萄籽油乳液乳析指數(shù)的影響見圖3。

圖3 復(fù)合乳化劑種類對葡萄籽油乳液乳析指數(shù)的影響Fig.3 Effect of compound emulsifiers on the creaming indexes of grape seed oil emulsion

由圖3可知，GA-MD的復(fù)配、SSOS-MD的復(fù)配所得乳液均出現(xiàn)析油現(xiàn)象，但GA-MD的復(fù)配析油較少。

圖4 不同復(fù)合乳化劑制備的葡萄籽油乳液的光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Optical microscope photographs of grape seed oil emulsion prepared by different compound emulsifiers

由圖4可知，GA-MD復(fù)配的乳液液滴分布均勻，大小合適，表明乳液穩(wěn)定性較強(qiáng)。SSOS-MD復(fù)配的乳液液滴分布密集，部分重疊，表明乳液易發(fā)生凝集等現(xiàn)象。

GA作為植物膠中黏度較小的膠，在同一濃度下表現(xiàn)出較好的流動性，而且在食品體系中加入的GA不會改變食品的品質(zhì)與風(fēng)味等。MD作為一種價格低廉的壁材，由于其低黏性以及高成膜性等特性，其在噴霧干燥微囊化工藝中被廣泛用作填充劑[14]。因此，本文選擇GA-MD作為復(fù)合乳化劑制備葡萄籽油乳液。

2.1.3 復(fù)合乳化劑中GA與MD質(zhì)量比對葡萄籽油乳液的影響

圖5 復(fù)合乳化劑中GA與MD質(zhì)量比 對葡萄籽油乳液乳析指數(shù)的影響Fig.5 Effect of mass ratio of GA to MD in compound emulsifiers on the creaming indexes of grape seed oil emulsion

圖6 復(fù)合乳化劑中GA與MD質(zhì)量比對葡萄籽油 乳液光學(xué)顯微鏡觀察的影響Fig.6 Effect of mass ratio of GA to MD in compound emulsifiers on optical microscope observation of grape seed oil emulsion

為獲得穩(wěn)定的乳液，GA與MD的質(zhì)量比需適宜，過高與過低均不利于乳液的穩(wěn)定。由圖5和圖6可知，隨著復(fù)配乳化劑中GA比例的逐漸增高，葡萄籽油乳液的乳析指數(shù)逐漸降低，乳液液滴逐漸減小，表明GA在葡萄籽油乳液的穩(wěn)定中起著重要作用；當(dāng)復(fù)配比例達(dá)到3∶1時乳析指數(shù)不再變化，表明此時兩者達(dá)到了一個臨界狀態(tài)，即GA與MD在結(jié)構(gòu)上的填充已經(jīng)達(dá)到最大值，GA用量的繼續(xù)增加不會進(jìn)一步提高乳液的穩(wěn)定性。所以，選擇GA-MD復(fù)配比例為3∶1，此時乳析指數(shù)最低、乳液穩(wěn)定性較好。

2.1.4 GA-MD復(fù)合乳化劑濃度對葡萄籽油乳液的影響

圖7 GA-MD復(fù)合乳化劑濃度對葡萄籽油 乳液乳析指數(shù)的影響Fig.7 Effect of the concentration of GA-MD compound emulsifier on the creaming indexes of grape seed oil emulsion

由圖7可知，隨著GA-MD復(fù)合乳化劑濃度的逐漸增加，乳析指數(shù)逐漸減小至0%，并趨于穩(wěn)定。乳化劑濃度為10%時，乳液表層已經(jīng)看不到明顯的油層析出，乳析指數(shù)降到最小值。

圖8 GA-MD復(fù)合乳化劑濃度對葡萄籽油 乳液光學(xué)顯微鏡觀察的影響Fig.8 Effect of the concentration of GA-MD compound emulsifier on optical microscope observation of grape seed oil emulsion

由圖8可知，隨著乳化劑濃度的增大，乳液液滴逐漸變小，液滴之間的間隙越來越小，越來越致密，重疊率越來越高，粘度隨之增加，不利于后期的噴霧干燥。因此，選擇GA-MD復(fù)配濃度為10%進(jìn)行后續(xù)研究。

2.1.5 芯壁比對葡萄籽油乳液的影響

圖9 芯壁比對葡萄籽油乳液乳析指數(shù)的影響Fig.9 Effect of core-wall ratio on the creaming indexes of grape seed oil emulsion

由圖9可知，當(dāng)芯壁比由1∶4增加至1∶2時，乳化液的穩(wěn)定性隨之增加，表明在此范圍內(nèi)高的含油量有利于乳液的穩(wěn)定；但是當(dāng)芯壁比進(jìn)一步增加時，葡萄籽油乳液的穩(wěn)定性急劇下降，當(dāng)芯壁比達(dá)到2∶1時乳液的乳析指數(shù)達(dá)到7.62%，為芯壁比1∶2時的7倍。

圖10 不同芯壁比制備的葡萄籽油乳液顯微鏡觀察圖Fig.10 Optical microscope observation photographs of grape seed oil emulsion prepared by different core-wall ratios

由圖10可知，隨著芯壁比增大，乳液液滴逐漸增大，當(dāng)芯壁比達(dá)到2∶1時，已經(jīng)有油滴出現(xiàn)，說明存在沒有被壁材乳化包埋的葡萄籽油的現(xiàn)象，這會降低產(chǎn)品微膠囊化的效率。因此，選擇芯壁比1∶2作為后續(xù)研究，此時乳液的含油量為33.3%。

2.2 葡萄籽油乳液的粒徑與Zeta電位

由GA及GA-MD復(fù)合乳化劑制備的葡萄籽油乳液的粒徑與Zeta電位見圖11。乳液的粒徑小、電位絕對值高，乳液越穩(wěn)定。李雙洋等認(rèn)為[15]，電位絕對值越高，其抗聚集的能力越強(qiáng)。Sirima等認(rèn)為[16]，電位絕對值大于30 mV則乳液具有靜電穩(wěn)定性，電位絕對值小于30 mV則乳液可能有聚集等不穩(wěn)定的現(xiàn)象。GA-MD復(fù)配的電位絕對值大于GA作為單一乳化劑時的電位絕對值且粒徑顯著變小，說明GA與MD復(fù)配提升了GA乳液的穩(wěn)定性。

圖11 不同乳化劑制備的葡萄籽油乳液粒徑與Zeta電位Fig.11 Particle sizes and zeta potentials of grape seed emulsion prepared by different emulsifiers

2.3 葡萄籽油微膠囊的理化性質(zhì)

表1 葡萄籽油微膠囊的理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of grape seed oil microcapsules

由表1可知，在優(yōu)化條件下所得的由GA-MD復(fù)合乳化劑穩(wěn)定的葡萄籽油乳液經(jīng)噴霧干燥后得到的粉末微膠囊化效率達(dá)到了72.56%，水分含量僅為3.387%，且顆粒細(xì)小、流動性好，這有利于葡萄籽油微膠囊長時間貯存。

2.4 葡萄籽油微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)

不同壁材制備的葡萄籽油微膠囊在掃描電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 不同壁材制備的葡萄籽油微膠囊的掃描電鏡圖Fig.12 Scanning electron micrographs of grape seed oil microcapsules prepared by different wall materials

由圖12可知，GA和MD單獨作為壁材時所得的微膠囊均為規(guī)則的球形，但是表面較為粗糙；將兩者復(fù)配后所得微膠囊也為球形，但是其表面光滑，沒有凹陷褶皺，表明MD起到了很好的填充作用，使整個微膠囊在噴霧干燥過程中沒有因脫水而發(fā)生劇烈的收縮，這一光滑結(jié)構(gòu)有利于被包埋的葡萄籽油的穩(wěn)定性。

2.5 葡萄籽油微膠囊的熱貯藏穩(wěn)定性與氧化穩(wěn)定性

將葡萄籽油微膠囊化產(chǎn)品與未微膠囊化的葡萄籽油放入60 ℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行加速氧化試驗(試驗中1 d相當(dāng)于室溫下貯藏16 d)，定期取樣測定油脂的過氧化值，研究其過氧化值與貯藏時間的關(guān)系，比較二者的氧化速率，結(jié)果見圖13。

圖13 60 ℃貯藏條件下葡萄籽油微膠囊過氧化值的變化Fig.13 Changes of peroxide values of grape seed oil microcapsules under 60 ℃ storage condition

由圖13可知，當(dāng)貯藏時間為2 d時，兩者的過氧化值無明顯差別，這可能是由于微膠囊表面吸附有少量葡萄籽油并被氧化所致；但是當(dāng)熱處理時間進(jìn)一步延長時，未包埋葡萄籽油的過氧化值隨之劇烈增加，但是微囊化葡萄籽油過氧化值的增加幅度明顯較少。當(dāng)熱處理時間達(dá)到5 d時，游離葡萄籽油的過氧化值達(dá)到29 g/100 g，而微膠囊葡萄籽油的過氧化值僅為13 g/100 g，這表明微膠囊可以明顯提高葡萄籽油的貯藏穩(wěn)定性?？赡苁瞧咸炎延臀⒛z囊處于壁材的保護(hù)之下，油脂的氧化速度與氧氣透過壁材的速度有關(guān)，致密的微膠囊壁材結(jié)構(gòu)能有效地阻止氧氣的滲透，所以微膠囊化處理可顯著地延長油脂的保質(zhì)期。

3 結(jié)論

確定了噴霧干燥法制備微膠囊化葡萄籽油微膠囊的最佳工藝參數(shù)。對乳化劑種類、復(fù)配比例、乳化劑濃度、芯壁比等影響乳化液穩(wěn)定性的重要因素進(jìn)行了試驗研究，得出最為合理的乳化條件：以GA-MD為復(fù)合乳化劑進(jìn)行復(fù)配，復(fù)配比為3∶1，乳化劑濃度為10%，芯壁比為1∶2，均質(zhì)速度為12000 r/min，均質(zhì)時間為12 min，乳化溫度為45 ℃。噴霧干燥微膠囊化葡萄籽油的最佳工藝參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃，出口溫度80 ℃，進(jìn)料速率5 mL/min，噴干后得到微膠囊，在此工藝條件下微膠囊化效率達(dá)到72.56%。對噴霧干燥法制取的微膠囊化葡萄籽油微膠囊進(jìn)行了質(zhì)量評定。產(chǎn)品為微偏黃白色粉末，無味，水分含量為3.387%，密度為0.3099 g/mL，掃描電鏡下微膠囊外形顆粒較圓整，基本接近球形，大部分顆粒表面光滑、致密、無裂痕，顯示出了微膠囊較好的微觀結(jié)構(gòu)。對所得葡萄籽油微膠囊與未處理的葡萄籽油進(jìn)行熱貯藏性的分析，結(jié)果顯示微膠囊包埋后的葡萄籽油其過氧化值的上升速度明顯小于未處理的葡萄籽油，該結(jié)果表明微膠囊對葡萄籽油的保護(hù)和抗氧化作用，本研究可為葡萄籽油的開發(fā)及工業(yè)化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。