石江傳， 石佳， 于明曉， 趙偉學(xué)， 徐昊， 徐磊

1. 中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2. 美泰科技(青島)股份有限公司，山東 青島 266400

火麻仁油中多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFAs)含量較高，可達(dá)90%以上，其中n-6/n-3 PUFA的比值為2，被世界衛(wèi)生組織(WHO)和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)認(rèn)定為人體正常代謝的n-6/n-3 PUFA的最佳配比；另外，火麻仁油中含有豐富的維生素E、植物甾醇等生物活性成分，具有很好的抗氧化、降血脂、改善記憶的功效[1-4]。但火麻仁油穩(wěn)定性差，自身易氧化酸敗，產(chǎn)生異味，因此不利于儲(chǔ)藏運(yùn)輸及在方便食品中的開發(fā)，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)價(jià)值[5]。

目前，對(duì)火麻仁油的研究主要集中于油脂提取、化學(xué)成分及功能研究等方面。如耿晶娟等[6]通過(guò)研究證明水酶法提取火麻仁油的收率較高，可達(dá)83%以上；李永進(jìn)等[7]從體內(nèi)外抗氧化2個(gè)方面探究火麻仁油的抗氧化效果，體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)火麻仁油能夠顯著清除DPPH自由基；小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，火麻仁油能夠提高小鼠體內(nèi)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)的活性，降低丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，從而防止機(jī)體內(nèi)的氧化損傷。但對(duì)于火麻仁油微囊化及包埋效果驗(yàn)證方面的研究鮮有報(bào)道。

基于此，本研究以火麻仁油為芯材、單雙脂肪酸甘油酯為乳化劑、酪蛋白酸鈉為壁材、固體玉米糖漿為填充劑、檸檬酸鈉為緩沖鹽、抗壞血酸棕櫚酸鈉為抗氧化劑，采用響應(yīng)面法分析干物濃度、進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋效果的影響，以確定最佳的噴霧干燥制備工藝；隨后通過(guò)掃描電鏡觀察火麻仁油微膠囊表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，以確定包埋效果；并利用油脂氧化分析儀檢測(cè)火麻仁油微膠囊的氧化穩(wěn)定性。研究結(jié)果期望為火麻仁油的開發(fā)和應(yīng)用提供理論和應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

火麻仁油購(gòu)自遼寧俏牌生物科技有限公司；酪蛋白酸鈉購(gòu)自恒天然(中國(guó))有限公司；單雙脂肪酸甘油酯購(gòu)自河南正通食品科技有限公司；固體玉米糖漿購(gòu)自保齡寶生物股份有限公司；抗壞血酸棕櫚酸鈉購(gòu)自帝斯曼江山制藥(江蘇)有限公司；檸檬酸鈉購(gòu)自青島天嘉食品配料有限公司。

HHS-11-2電熱恒溫水浴鍋(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司)；BS223S型電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；PHS-3C pH計(jì)(上海雷磁儀器廠)；高速剪切機(jī)(弗魯克流體機(jī)械制造有限公司)；SRH60-70高壓均質(zhì)機(jī)(上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司)；LPG型噴霧干燥塔(常州市科創(chuàng)干燥設(shè)備有限公司)；OXITEST油脂氧化分析儀(意大利VELP SCIENTIFICA公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1火麻仁油微膠囊的制備 火麻仁油微膠囊工藝配方如表1所示，將酪蛋白酸鈉、固體玉米糖漿、檸檬酸鈉和抗壞血酸棕櫚酸鈉加入到70 ℃蒸餾水中，用攪拌器低速攪拌至物料完全溶解，制得水相；然后將溶有單雙脂肪酸甘油酯的火麻仁油緩慢加入水相中，同時(shí)用高速剪切機(jī)在轉(zhuǎn)速為 2 500 r·min-1條件下混合10 min，得到預(yù)乳液；再將預(yù)乳液經(jīng)過(guò)一二級(jí)壓力分別為30 MPa和 5 MPa 的高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行乳化后，進(jìn)行噴霧干燥制備得到火麻仁油微膠囊[8-11]。

表1 火麻仁油微膠囊工藝配方Table 1 Preparation of hemp seed oil microcapsule

1.2.2單因素實(shí)驗(yàn) 分別考察干物濃度(10%、20%、30%、40%、50%)、進(jìn)風(fēng)溫度(150、160、170、180、190 ℃)、出風(fēng)溫度(65、70、75、80、85 ℃)3個(gè)因素對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響。研究某一單因素影響效果時(shí)，其他條件為固定值，分別為干物濃度40%，進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃，出風(fēng)溫度75 ℃[12-14]。

1.2.3響應(yīng)面法優(yōu)化火麻仁油微膠囊噴霧干燥工藝 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取干物濃度、進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，按照Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素和水平(表2)，以火麻仁油微膠囊包埋率為指標(biāo)，通過(guò)響應(yīng)面分析法確定最佳工藝條件。

1.2.4火麻仁油微膠囊包埋率的測(cè)定 微膠囊表面油含量的測(cè)定：準(zhǔn)確稱取8.000 g(精確到0.001 g)樣品置于錐形瓶中，加入石油醚(30～60 ℃)震蕩提取5 min后，用濾紙過(guò)濾濕基樣品，濕基樣品按上述步驟重復(fù)1遍，合并2次濾液，在80 ℃溫度條件下蒸餾，測(cè)定油脂的質(zhì)量，從而計(jì)算出樣品的表面油含量。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)因素及水平Table 2 Experiment design of Box-Behnken

微膠囊總含油量測(cè)定：準(zhǔn)確稱取1.000 g(精確到0.001 g)樣品，用10 mL水和2 mL氨水于60 ℃水解20 min，冷卻后加入10 mL乙醇混勻，加入25 mL乙醚劇烈震蕩100次左右，加入25 mL石油醚緩慢震蕩30 s，靜置分層后將醚層倒出，用5 mL乙醇、15 mL乙醚、15 mL石油醚重復(fù)上述步驟1次，用15 mL乙醚、15 mL石油醚重復(fù)上述步驟1次，合并提取液蒸餾，測(cè)定油脂的質(zhì)量，所得值為樣品的總含油量[15]。按照以下公式計(jì)算火麻仁油微膠囊包埋率：

包埋率=(樣品中總含油量-表面油含量)/樣品中總含油量×100%

1.2.5火麻仁油微膠囊的表面形態(tài)觀察 利用掃描電子顯微鏡觀察火麻仁油微膠囊表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。加速電壓為2 kV，放大倍數(shù)為750倍。

1.2.6油脂氧化穩(wěn)定性的測(cè)定 利用油脂氧化分析儀進(jìn)行測(cè)定，準(zhǔn)備樣品5 g，將樣品放入樣品蓋中，使用2個(gè)空的樣品托盤放置在底層，將放有樣品的樣品蓋至于頂層，之后放入樣品槽中，密封。在實(shí)驗(yàn)溫度90 ℃、氧壓0.6 MPa條件下，測(cè)定氧化誘導(dǎo)期。

1.2.7數(shù)據(jù)處理 每組進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，采用Design-expert和Box-Behnken軟件進(jìn)行回歸模型建立和響應(yīng)面分析[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1干物濃度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響 圖1為進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃、出風(fēng)溫度75 ℃時(shí)，干物濃度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響。隨著干物濃度的增加，火麻仁油微膠囊包埋率呈先升高后降低的趨勢(shì)，在干物濃度為40%時(shí)，火麻仁油的包埋效果最好，包埋率可達(dá)91.8%。這可能是由于干物濃度增大，噴霧干燥過(guò)程中乳化液表面溫度升高更快，壁材表殼形成更早，使得顆粒表面更堅(jiān)硬，阻礙了芯材向外遷移，使包埋率提高；但隨著干物濃度持續(xù)提高，使得乳化液水分蒸發(fā)劇烈，導(dǎo)致微膠囊表殼膨脹破裂，使油脂芯材析出，包埋率開始下降。

圖1 干物濃度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響Fig.1 Effect of dry matter concentration on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

圖2 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響Fig.2 Effect of air inlet temperature on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

2.1.2進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響 圖2為干物濃度40%、出風(fēng)溫度75 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響。隨著進(jìn)風(fēng)溫度的升高，火麻仁油微膠囊包埋率呈先上升后降低的趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度達(dá)到170 ℃時(shí)，包埋率最高，達(dá)到91.6%。原因可能是：在噴霧干燥過(guò)程中，溫度較低時(shí)，乳化液霧滴未能完全干燥形成囊壁或形成的囊壁薄軟，容易導(dǎo)致芯材析出；而溫度過(guò)高時(shí)，則形成的囊壁易褶皺變形，導(dǎo)致包埋率降低。因此，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響微膠囊包埋率。

2.1.3出風(fēng)溫度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響 圖3為干物濃度40%、進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃時(shí)，出風(fēng)溫度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響。隨著出風(fēng)溫度的提高，火麻仁油微膠囊包埋率呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)出風(fēng)溫度為75 ℃時(shí)，包埋率最高，達(dá)到91.5%。原因可能是：當(dāng)出風(fēng)溫度較低，乳液在噴霧干燥過(guò)程中延遲干燥，導(dǎo)致微膠囊水分含量較高，產(chǎn)生回潮現(xiàn)象，微粒之間相互粘連，容易造成油脂析出；當(dāng)出風(fēng)溫度較高時(shí)，容易使囊壁破裂，同時(shí)阻礙微膠囊之間的附聚，導(dǎo)致包埋率下降。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Analysis of variance for the fitted regression equation

注：**表示差異在P<0.01水平上具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖3 出風(fēng)溫度對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響Fig.3 Effect of air temperature on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1回歸模型的建立及顯著性檢驗(yàn) 根據(jù)Box-Behnken中心組合實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)17組實(shí)驗(yàn)，其中，實(shí)驗(yàn)1～12為析因?qū)嶒?yàn)，13～17為中心實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3。

表3 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Experiment result of Box-Behnken

采用Design-expert軟件對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合[17]，得到包埋率的回歸方程為：

Y=92.3+1.5X1-1.04X2-1.54X3-1.93X1X2-1.43X1X3+3.5X2X3-6.4X12-5.83X22-4.97X32

模型中各因素的F值反映了各因素對(duì)響應(yīng)值Y的影響程度，若F值越大，表明該因素對(duì)響應(yīng)值的影響越大。從表4可知：FX1=78.38，F(xiàn)X2=37.5，F(xiàn)X3=82.35，即各因素對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率影響程度大小順序?yàn)椋篨3(出風(fēng)溫度)>X1(干物濃度)>X2(進(jìn)風(fēng)溫度)。

2.2.2響應(yīng)面圖和等高線圖分析 為了能直觀反映出2個(gè)因素間交互作用顯著程度，根據(jù)回歸方程做出各因素對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的3D響應(yīng)面圖和等高線圖(圖4)。響應(yīng)面圖坡度的陡峭程度直觀反映了各因素對(duì)響應(yīng)面的影響，兩兩因素均有交互作用；等高線形狀反映了交互效果的強(qiáng)弱，橢圓形表示交互作用顯著，圓形則相反[17]。通過(guò)3D響應(yīng)面圖和等高線圖可以看出，干物質(zhì)濃度、進(jìn)風(fēng)溫度和出風(fēng)溫度兩兩交互作用對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率的影響都極為顯著，其所對(duì)應(yīng)的等高線圖均呈橢圓。結(jié)合表4可以得出2個(gè)因素交互顯著性影響因素為：X2X3>X1X2>X1X3，即進(jìn)風(fēng)溫度與出風(fēng)溫度交互作用對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率影響最為顯著。

圖4 影響火麻仁油微膠囊包埋率的各因素響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.4 Response curves and contour map of the factors influencing embedding rate of hemp seed oil microcapsules

根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果，利用Design Expert軟件得到最佳工藝條件：干物濃度為41.74%，進(jìn)風(fēng)溫度為168.09 ℃，出風(fēng)溫度為73.76 ℃，此條件下，微膠囊包埋率最大，可以達(dá)到92.72%。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)考慮工藝條件便于操作，將微膠囊最佳工藝條件修正為：干物濃度為42%，進(jìn)風(fēng)溫度為168 ℃，出風(fēng)溫度為74 ℃。用修正后的工藝條件進(jìn)行5次重復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到火麻仁油微膠囊平均包埋率在92.15%，與理論預(yù)測(cè)值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.29%，表明該模型預(yù)測(cè)性好，具有很好的工藝操作效果。

2.3 火麻仁油微膠囊包埋效果及氧化穩(wěn)定性分析

通過(guò)掃描電鏡對(duì)火麻仁油微膠囊的形態(tài)進(jìn)行觀察分析，從圖5可以看出其微膠囊顆粒呈圓形，表面光滑無(wú)裂縫，說(shuō)明火麻仁油微膠囊的包埋效果較好。

采用油脂氧化分析儀測(cè)定火麻仁油的氧化穩(wěn)定性。由圖6可知，對(duì)照組火麻仁油的氧化誘導(dǎo)期時(shí)間較短，大約在5 h左右，且油脂氧化的速率較快；而試驗(yàn)組火麻仁油微膠囊的氧化誘導(dǎo)期時(shí)間比較長(zhǎng)，能夠達(dá)到30 h以上，說(shuō)明與火麻仁油相比，火麻仁油微膠囊的抗氧化性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，油脂不易產(chǎn)生氧化變質(zhì)。因此，通過(guò)對(duì)火麻仁油進(jìn)行微膠囊包埋可以較大程度地提高油脂的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)貨架期[18-19]。

圖6 油脂氧化穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of oil oxidation stability

3 討論

目前對(duì)于火麻仁油的研究主要集中于油脂提取、化學(xué)成分及功能研究等方面，對(duì)于火麻仁油微囊化的研究鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)噴霧干燥法制備火麻仁油微膠囊，以包埋率為主要研究目標(biāo)。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面分析法確定各因素對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率影響程度大小順序?yàn)椋篨3(出風(fēng)溫度)>X1(干物濃度)>X2(進(jìn)風(fēng)溫度)；X2(進(jìn)風(fēng)溫度)與X3(出風(fēng)溫度)交互作用對(duì)火麻仁油微膠囊包埋率影響最為顯著。分析得出制備火麻仁油微膠囊的最佳工藝條件為：干物濃度為41.74%、進(jìn)風(fēng)溫度為168.09 ℃、出風(fēng)溫度為73.76 ℃；修正后工藝條件為干物濃度42%、進(jìn)風(fēng)溫度168 ℃、出風(fēng)溫度74 ℃，在此條件下制備火麻仁油微膠囊包埋率可達(dá)92.15%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.29%<0.5%，說(shuō)明模型設(shè)計(jì)合理。

載油率、包埋率和氧化穩(wěn)定性是衡量油脂微膠囊的重要參數(shù)，在提高微膠囊載油率的同時(shí)，如何提高包埋率和維持油脂的氧化穩(wěn)定性是不容忽略的問(wèn)題。本研究制備的火麻仁油微膠囊在掃描電鏡下表面光滑無(wú)裂痕，氧化誘導(dǎo)期可達(dá)30 h以上，說(shuō)明此工藝制備的火麻仁油微膠囊具有很好的包埋效果和氧化穩(wěn)定性，為火麻仁油的深層次開發(fā)和應(yīng)用提供了理論和應(yīng)用依據(jù)。然而，本研究?jī)H以包埋率為主要指標(biāo)，對(duì)噴霧干燥法制備火麻仁油微膠囊的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并未研究配方中乳化劑及抗氧化體系對(duì)微膠囊氧化穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，也未研究其他工藝條件對(duì)于微膠囊包埋效果的影響，為進(jìn)一步提升火麻仁油微膠囊的品質(zhì)，后續(xù)可在配方組成、乳化均質(zhì)參數(shù)等方面開展更加深入的研究工作。