奇亞籽油微膠囊的制備

羅文濤，王姿頤，彭彬倩，沈曉芳

(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122)

奇亞籽(chia seed)是1年生草本植物芡歐鼠尾草(SalviahispanicaL.)的種子，原產(chǎn)于危地馬拉北部和墨西哥南部地區(qū)，主要生長在熱帶和亞熱帶氣候的山區(qū)，能夠很好地適應干旱和半干旱氣候[1-4]。營養(yǎng)全面且豐富，是油脂、膳食纖維和蛋白質(zhì)的絕佳來源，同時還富含生育酚、甾醇、多酚類等多種抗氧化活性化合物[5-7]。奇亞籽含油率為20%～35%，油中多不飽和脂肪酸含量極高，特別是α-亞麻酸的含量，高達68%，遠高于亞麻籽油、大豆油、葵花籽油[8-13]。由于奇亞籽油中不飽和脂肪酸含量高，不飽和鍵較多，在光照、熱、氧氣存在的情況下不穩(wěn)定，極易氧化變質(zhì)。為解決這一問題，除了傳統(tǒng)的改變儲藏環(huán)境、添加脫氧劑和抗氧化劑等方法以外，微膠囊技術(shù)作為一種新的解決方案，即將油脂包埋起來，減少油脂受外部不良環(huán)境的影響，達到保護和防止氧化的目的[14-15]。同時將液態(tài)的油轉(zhuǎn)化為固態(tài)的粉末油脂，拓寬了其應用范圍，而且有利于儲藏和運輸，并在某種程度上能夠?qū)崿F(xiàn)控制釋放。

本實驗以大豆分離蛋白(soy protein isolate，SPI)和麥芽糊精(maltodextrin，MD)為壁材、奇亞籽油為芯材、單硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯為乳化劑，利用噴霧干燥技術(shù)制備奇亞籽油微膠囊，以微膠囊包埋率作為評價指標，研究包埋工藝。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料與試劑

奇亞籽(Naturkost de Mexico，原產(chǎn)地墨西哥)；大豆分離蛋白、麥芽糊精、單硬脂酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯，均為BR級，上海源葉生物科技有限公司；石油醚(60～90 ℃)，AR級，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

三柱A型液壓榨油機，天津市伺達機械制造有限公司；BSA124S分析天平，賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；GC-2030 氣相色譜儀，日本島津公司；RV8旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，德國IKA工業(yè)設(shè)備；T18數(shù)顯型分散機，德國IKA工業(yè)設(shè)備；ATS AH-2010 高壓均質(zhì)機，安拓思納米技術(shù)(蘇州)有限公司；SD-1500噴霧干燥機，上海沃迪智能裝備股份有限公司；su1510掃描電子顯微鏡，日本日立株式會社；D2 PHASER X射線衍射儀，德國布魯克AXS有限公司；IS10傅里葉變換紅外光譜儀，美國Nicolet公司；TGA2熱分析系統(tǒng)，梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 奇亞籽油的制備

將奇亞籽樣品置于電熱鼓風干燥箱內(nèi)，60 ℃下烘烤2 h，而后置于干燥器內(nèi)冷卻備用。采用液壓法壓榨制備奇亞籽油樣，所得油樣于3 000 r/min 離心15 min，取上清油樣密封避光保存，并于4 ℃儲藏直至使用。

1.2.2 奇亞籽油基本理化指標的測定

酸價參考《食品中酸價的測定》(GB 5009.229—2016)冷溶劑指示劑滴定法；過氧化值參考《食品中過氧化值的測定》(GB 5009.227—2016)中滴定法；皂化值參考《動植物油脂 皂化值的測定》(GB/T 5534—2008)；水分及揮發(fā)物含量參考《動植物油脂 水分及揮發(fā)物的測定》(GB 5009.236—2016)、脂肪酸含量參考《食品中脂肪酸的測定》(GB 5009.168—2016)。

1.2.3 奇亞籽油微膠囊的制備

將復配乳化劑[m(單硬脂酸甘油酯)∶m(蔗糖脂肪酸酯)=1∶4，HLB=12.76]溶解在70 ℃蒸餾水中，完全溶解后，稱取一定量的復配壁材(SPI與MD)溶于蒸餾水中，恒溫攪拌至完全溶解，接著逐滴加入奇亞籽油，室溫下攪拌30 min。

將上述溶液置于高剪切分散機中進行乳化，以10 000 r/min的速度剪切5 min，而后通過高壓均質(zhì)機，調(diào)整均質(zhì)壓力至60 MPa，均質(zhì)5次，制得均勻分散的O/W型乳液。

通過噴霧干燥對O/W型乳液進行干燥，設(shè)置進風口溫度為180 ℃，出風口溫度為85 ℃，蠕動泵轉(zhuǎn)速600 mL/h，撞針時間為1 s，撞針間隔為4 s。將制得的均勻分散的O/W型乳液通過蠕動泵進樣，待干燥完成后，在收集瓶中收集微膠囊樣品。

1.2.4 單因素實驗

1.2.4.1 芯壁比

在復配壁材比[m(SPI)∶m(MD)]為1∶2、乳化劑添加量為1.0%(質(zhì)量分數(shù)，以下相同)、固形物含量為20%(質(zhì)量分數(shù))的條件下，分別制備芯壁比(芯材與壁材質(zhì)量比)為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的微膠囊，并測定奇亞籽油微膠囊的包埋率。

1.2.4.2 壁材復配比

在m(芯材)∶m(壁材)=1∶2、乳化劑添加量為1.0%(質(zhì)量分數(shù))、固形物含量為20%(質(zhì)量分數(shù))的條件下，分別制備復配壁材比為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4的微膠囊，并測定奇亞籽油微膠囊的包埋率。

1.2.4.3 乳化劑添加量(質(zhì)量分數(shù))

在m(芯材)∶m(壁材)=1∶2、m(SPI)∶m(MD)=1∶2、固形物含量為20%(質(zhì)量分數(shù))的條件下，分別制備乳化劑添加量為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(質(zhì)量分數(shù))的微膠囊，并測定奇亞籽油微膠囊的包埋率。

1.2.4.4 固形物含量(質(zhì)量分數(shù))

在m(芯材)∶m(壁材)=1∶2、m(SPI)∶m(MD)=1∶2、乳化劑添加量為1.0%(質(zhì)量分數(shù))的條件下，分別制備固形物含量為15%、20%、25%、30%、35%(質(zhì)量分數(shù))的微膠囊，并測定奇亞籽油微膠囊的包埋率。

1.2.5 正交設(shè)計

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，對芯壁比、壁材復配比、乳化劑添加量、固形物含量4個因素進行優(yōu)化，以奇亞籽油微膠囊的包埋率為指標，通過正交試驗對奇亞籽油微膠囊的制備工藝進行優(yōu)化，實驗因素和水平表見表1。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 The orthogonal experimental factors and levels

1.2.6 包埋率的測定

1.2.6.1 總含油率的測定

總含油率的測定采用索氏抽提法。稱取1～2 g奇亞籽油微膠囊產(chǎn)品放入濾紙筒內(nèi)，將濾紙筒置于抽提管中，抽提管下部連接接收瓶，上部連接冷凝管，加入石油醚至接收瓶中，并將接收瓶置于電熱套中加熱，使石油醚不斷回流抽提，抽提8 h后取下接收瓶，利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收溶劑，最后置于105 ℃烘箱中干燥至恒重，即可計算微膠囊總含油率。

1.2.6.2 表面含油率的測定

稱取1～2 g奇亞籽油微膠囊產(chǎn)品于錐形瓶中，加入20 mL石油醚振蕩30 s，緊接著使用濾紙過濾，并用10 mL石油醚洗滌濾渣數(shù)次，合并濾液，利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀回收溶劑，而后置于105 ℃烘箱中蒸干溶劑。將稱量瓶轉(zhuǎn)移至干燥器中，待其冷卻后稱重，即可計算出微膠囊表面含油率。

1.2.6.3 包埋率的計算

奇亞籽油微膠囊包埋率的計算如公式(1)所示：

(1)

式中：EE，包埋率；TO，總含油率；SO，表面含油率。

1.2.7 奇亞籽油微膠囊水分的測定

水分的測定參考《GB 5009.3—2016 食品中水分的測定》中的直接干燥法。

1.2.8 奇亞籽油微膠囊溶解性的測定

精確稱取2～3 g已知水分含量的奇亞籽油微膠囊樣品于離心管中，加入20 mL蒸餾水，渦旋2 min使樣品溶解，然后以4 000 r/min速度離心10 min，棄上清液，同樣地添加20 mL蒸餾水于離心管中，重復上述渦旋、離心、去上清液步驟，最后將下相的沉淀轉(zhuǎn)移至干燥的玻璃培養(yǎng)皿中，置于105 ℃烘箱中，使其干燥至恒重。

1.2.9 奇亞籽油微膠囊堆積密度的測定

精確稱取質(zhì)量m的奇亞籽油微膠囊樣品，將其緩慢加入具塞量筒中，將量筒豎直放置，左右晃動量筒使堆積面平整，待其穩(wěn)定測定體積，根據(jù)公式(2)計算奇亞籽油微膠囊的堆積密度：

(2)

式中：ρ，堆積密度，g/cm3；m，樣品質(zhì)量，g；V，樣品體積，cm3。

1.2.10 奇亞籽油微膠囊的微觀結(jié)構(gòu)

取少量干燥的奇亞籽油微膠囊粉末，均勻地散涂在導電雙面膠上，將多余的樣品輕輕吹去，并進行噴金處理，設(shè)置加速電壓為5 kV，使用掃描電子顯微鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)至合適的視野觀察并拍照。

1.2.11 奇亞籽油微膠囊的紅外光譜分析

稱取少量的奇亞籽油微膠囊樣品，加入經(jīng)干燥處理的KBr，質(zhì)量比為1∶50～1∶100，將二者混合并充分研磨，取少量混合樣品用壓片機制成透明薄片，設(shè)置紅外光譜儀掃描范圍為650～4 000 cm-1。分別測定奇亞籽油、空微膠囊(不含奇亞籽油)和奇亞籽微膠囊的紅外光譜。

1.2.12 奇亞籽油微膠囊的X射線衍射分析

X射線衍射以Cu-Kα射線作為激發(fā)源，測定麥芽糊精、大豆分離蛋白和奇亞籽油微膠囊的晶體衍射數(shù)據(jù)，設(shè)置測試范圍為3～60°，步長為0.05°。

1.2.13 奇亞籽油微膠囊的熱重分析

采用熱分析系統(tǒng)對奇亞籽油微膠囊進行熱重分析，設(shè)置升溫范圍為30～600 ℃，升溫速率為10 ℃/min，氮氣流速為30 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 奇亞籽油的理化指標

奇亞籽油的理化指標見表2，均滿足國家對食用油的標準要要求。其中所含有的亞油酸、α-亞麻酸，作為人體必需脂肪酸，對人體健康至關(guān)重要，是預防和治療癌癥、心血管疾病和代謝疾病的基礎(chǔ)[13, 16]。

表2 奇亞籽油的理化指標Table 2 Physicochemical properties of chia seed oil

注：表中數(shù)值為平均值±標準偏差(n=3)

2.2 單因素實驗

2.2.1 芯壁比對包埋率的影響

由圖1-a可知，隨著芯壁比的減小，奇亞籽油微膠囊的包埋率先增加，而后減小，當m(芯材)∶m(壁材)=1∶4時，包埋率最高。當芯壁比較大時，即奇亞籽油的含量較高時，壁材不足以包埋芯材，造成較多的芯材露在表面，同時內(nèi)部的芯材容易泄露，包埋率較低；當芯壁比逐漸減小，即奇亞籽油的含量逐漸降低，此時壁材成膜性好，膜厚，包埋完全，包埋率高；當芯壁比繼續(xù)減小，壁材含量過高，導致乳液體系黏度增加，乳化不完全，包埋率降低。

2.2.2 壁材復配比對包埋率的影響

由圖1-b可知，隨著壁材復配比的減小，奇亞籽油微膠囊的包埋率先增加，而后減小，當m(SPI)∶m(MD)=1∶2時，包埋率最高。隨著壁材復配比的增加，SPI含量也在增加，由于其具有一定的乳化性能，使得奇亞籽油與SPI形成的乳液穩(wěn)定性提高，因而包埋率增加；壁材復配比進一步增加，導致SPI含量過高，MD的含量過低，使得SPI和MD的接枝度降低，不利于噴霧干燥過程中成型，導致壁材穩(wěn)定性下降，包埋率降低。這與黃雨洋等[17]對核桃油微膠囊化得研究結(jié)果一致。

2.2.3 乳化劑添加量對包埋率的影響

由圖1-c可知，隨著乳化劑添加量的增加，奇亞籽油微膠囊的包埋率先增加后減小，添加量為1.0%時，包埋率最高。當乳化劑添加量的逐漸增加時，乳液體系的總體乳化能力增加，微膠囊的包埋率顯著增加，當達到1.0%時，繼續(xù)增加乳化劑添加量不會進一步提高微膠囊的包埋效果，同時還會增加乳液的黏度，造成攪拌不均勻，乳化不完全，包埋率降低。

2.2.4 固形物含量對包埋率的影響

由圖1-d可知，隨著固形物含量的增加，奇亞籽油微膠囊的包埋率先增加后略微降低，固形物含量為25%(質(zhì)量分數(shù))時，包埋率最高。這可能是因為固形物含量較低時，體系中含水量過高，噴霧干燥時間過長，影響囊壁的形成。增加體系的固形物含量，促使微膠囊形成致密的囊壁，包埋率增加；當固形物含量繼續(xù)增加，造成體系黏度過大，乳化不徹底，均質(zhì)不完全，包埋率降低，還容易造成噴嘴堵塞。這與劉斯博等[18]的研究結(jié)果相符合。

a-芯壁比；b-壁材復配比；c-乳化劑添加量；d-固形物含量圖1 實驗條件對包埋率的影響Fig.1 The influence core-wall ratio, different wall material ratio, emulsifier content, solid content on the encapsulation efficiency注：不同小寫字母表示差異顯著

2.3 正交設(shè)計

由表3可知，4個因素對奇亞籽油微膠囊包埋率影響程度為：芯壁比>乳化劑添加量>復配壁材比>固形物含量。由表4可知，芯壁比、壁材復配比、乳化劑添加量對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響具有顯著差異(P<0.01)，而固形物含量對包埋率的影響不顯著(P>0.05)。由正交實驗結(jié)果可知，制備奇亞籽油微膠囊的最佳工藝組合為A1C2B2D2，即：芯壁比m(芯材)∶m(壁材)=1∶3，乳化劑添加量為1.0%(質(zhì)量分數(shù))，復配壁材比m(SPI)∶m(MD)=1∶2，固形物含量為30%(質(zhì)量分數(shù))。

在最佳工藝組合條件下，重復實驗3次進行驗證，最終測得奇亞籽油微膠囊的包埋率為(93.79±0.16)%，表明正交實驗可行。

表3 微膠囊制備工藝正交實驗結(jié)果Table 3 The orthogonal experimental results ofmicroencapsulation process

注：包埋率的結(jié)果為3次重復試驗的平均值

表4 正交結(jié)果方差分析Table 4 The results of analysis of variance

注：*,在P<0.05水平上顯著，**,在P<0.01水平上顯著

2.4 奇亞籽油微膠囊的理化性質(zhì)

奇亞籽油微膠囊為白色粉末狀，顆粒規(guī)則，分布均勻，總含油率為21.44%，表面含油率為1.33%，包埋率為93.79%，初步認定奇亞籽油微膠囊包埋效果良好，其水分含量為1.65%，產(chǎn)品干燥，利于儲藏；堆積密度為0.36 g/cm3，溶解度為87.31%，溶解性好，利于沖調(diào)。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖2是奇亞籽油微膠囊的電子顯微圖?？梢钥闯?，微膠囊的散布較為均勻，只有少量顆粒粘連在一起，其粒徑大部分小于10 μm，外觀呈球形，結(jié)構(gòu)致密，但表面有些許凹陷和裂痕，這可能與噴霧干燥時水分的蒸發(fā)有關(guān)。

圖2 奇亞籽油微膠囊的掃描電子顯微圖Fig.2 Scanning electron microscopy of chia seed oilmicrocapsule

2.6 紅外光譜分析

圖3 奇亞籽油、微膠囊及空囊(不含油)的紅外譜圖Fig.3 Infrared spectra(FT-IR) chia seed oil microcapsule,blank (non-oil) and chia seed oil

2.7 X射線衍射分析

由圖4可知，MD和SPI的主要特征峰位于18.3°和19.6°，而奇亞籽油微膠囊在18.9°具有主要衍射峰，與MD和SPI不同，同時衍射強度增加，說明微膠囊中存在新的結(jié)晶相，證明奇亞籽油微膠囊的合成。

圖4 麥芽糊精、大豆分離蛋白和奇亞籽油微膠囊的X-射線衍射圖Fig.4 X-ray diffractograms of maltodextrin, soy proteinisolate and chia seed oil microcapsule

2.8 熱重分析

熱重分析是在程序升溫過程中，通過熱分析系統(tǒng)中精密天平所記錄樣品的質(zhì)量變化，分析其分解過程，從而實現(xiàn)對樣品熱穩(wěn)定性的評價[20]。由圖5可知，在升溫過程中，奇亞籽油微膠囊的質(zhì)量損失主要分為3個階段:溫度低于200 ℃時，主要是水分和揮發(fā)性物質(zhì)的損失，由于二者含量低，質(zhì)量損失較少；當溫度高于200 ℃時，微膠囊開始裂解，MD發(fā)生糊化，SPI開始變性，化學鍵斷裂，導致質(zhì)量迅速降低；當溫度高于450 ℃時，微膠囊分解完全，整個樣品被碳化，質(zhì)量變化曲線趨于平穩(wěn)。由此可知，奇亞籽油微膠囊在200 ℃以下具有一定的熱穩(wěn)定性，可以應對一般的食品加工過程。

圖5 奇亞籽油微膠囊的熱重分析圖Fig.5 Thermogravimetric analyses for the chia oilmicrocapsule

3 結(jié)論

本實驗以SPI和MD作為復配壁材、單硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯為復配乳化劑，對奇亞籽油進行微膠囊化。對工藝條件進行了優(yōu)化：m(芯材)∶m(壁材)=1∶3，m(SPI)∶m(MD)=1∶2，乳化劑添加量(質(zhì)量分數(shù))1.0%，固形物含量30%(質(zhì)量分數(shù))，此條件下制備的奇亞籽油微膠囊包埋率為93.79%，包埋效果良好。

而后對奇亞籽油微膠囊的基本理化性質(zhì)進行測定，所制備的微膠囊水分含量低，產(chǎn)品較干燥；微膠囊形態(tài)較為規(guī)則，呈球形，顆粒大小及分布較為均勻，膠囊表明有一些褶皺；奇亞籽油微膠囊的紅外光譜圖具有芯材和壁材的特征峰，同時奇亞籽油的特征峰在微膠囊中有所減弱，表明壁材對奇亞籽油的包埋較好；X-射線衍射圖表明了奇亞籽油微膠囊的形成，熱重分析顯示其具有一定的熱穩(wěn)定性。奇亞籽油的微膠囊化，將液態(tài)的奇亞籽油轉(zhuǎn)化為固態(tài)的粉末油脂，改變了流動性與溶解性，拓寬了其在食品加工領(lǐng)域的應用。