王文潔, 吳 蕊, 周緒霞, 丁玉庭
(浙江工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1,杭州 310014)(浙江省深藍(lán)漁業(yè)資源高效開發(fā)利用重點實驗室2,杭州 310014)(國家遠(yuǎn)洋水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)分中心(杭州)3,杭州 310014)
膳食油脂是人們?nèi)粘z取營養(yǎng)的重要來源之一,《中國居民膳食指南(2022)》指出食用油的脂肪酸組成差異多樣及油料品種來源的不同是改善居民膳食平衡的關(guān)鍵之一[1]。其中,高飽和脂肪酸類食用油有黃油、椰子油等;富含n-6多不飽和脂肪酸(PUFAs)的食用油以玉米油、大豆油、花生油為主;富含n-3多不飽和脂肪酸的食用油有魚油、藻油等,這2種海洋原料富含DHA、EPA。除了PUFAs, 膳食油脂還含有脂溶性功能活性物質(zhì)[2]。將脂肪酸組成不同的油脂復(fù)配應(yīng)用于產(chǎn)品中,意在豐富居民日常膳食攝取。
然而,液體狀態(tài)的復(fù)合膳食油脂由于不飽和脂肪酸含量高,易在加工、儲藏過程中受到高溫、光照、氧氣、水分等因素的影響,發(fā)生嚴(yán)重油脂氧化、裂解反應(yīng),造成風(fēng)味劣變、營養(yǎng)物質(zhì)破壞現(xiàn)象[3]。在此背景下,由噴霧干燥被可實現(xiàn)微膠囊O/W乳液的粉末化[4]。由于該產(chǎn)品水分活度低,相較普通食用油產(chǎn)品更易常溫儲存、保持其油脂營養(yǎng)功能活性。有研究采用微膠囊技術(shù)將紅松松仁油進(jìn)行了微膠囊包埋,隨貯藏時間的增加,其過氧化值從4.245 mmol/kg增至9.62 mmol/kg,氧化程度相對較小,而未包埋原油同條件下達(dá)到29.365 mmol/kg,可見微膠囊油脂產(chǎn)品可抵御外部因素影響,氧化穩(wěn)定性好,保質(zhì)期因此得到有效延長[5]。值得注意的是,目前相關(guān)噴霧干燥制備油脂微膠囊的技術(shù)缺少關(guān)于包埋具有不同脂肪酸組成的多重油脂研究,以玉米油、黃油、椰子油和藻油組成的混合體系本身親疏水性受到了食用油脂質(zhì)形態(tài)組成的影響,實現(xiàn)有效包埋難度較大,而通過復(fù)配親水親油乳化劑并使用高壓微射流處理后均質(zhì)形成高能量乳液,再干粉化是目前較為新穎的嘗試。高效的微膠囊工藝須保證功能食用油油脂包埋率、減少產(chǎn)品表面油含量。微膠囊乳液的形成主要使用濃縮乳清蛋白、酪蛋白酸鈉和麥芽糊精等蛋白質(zhì)類、碳水化合物類的壁材成分,可形成的殼核結(jié)構(gòu),實現(xiàn)功能組分的包埋[6]。此外,乳化劑是穩(wěn)定微膠囊乳液的重要因素,根據(jù)HLB特性,親油類乳化劑有丙二醇脂肪酸酯,單雙脂肪酸甘油酯等,為了起到增效穩(wěn)定作用,通??商砑犹囟ū壤挠H水乳化劑,實現(xiàn)最佳乳化效果。趙紅玲等[7]的研究就證實了復(fù)配乳化劑可增大油-水界面膜強(qiáng)度,較單一乳化劑而言,乳化效果得到顯著提升。
油脂的微膠囊化應(yīng)用目前多集中于單一油脂包埋及其微膠囊化[8],本研究以4種不同種類混合油脂作為被包埋組分,以固定比例的濃縮乳清蛋白、酪蛋白酸鈉、麥芽糊精作為微膠囊壁材,添加乳化劑,經(jīng)微射流處理制作穩(wěn)定乳液,形成油脂-乳化劑與多糖-蛋白質(zhì)的多聚物包埋穩(wěn)定體系,最終噴霧干燥制得多重油脂微膠囊粉末產(chǎn)品。以粉末產(chǎn)品的油脂包埋率作為主要評價指標(biāo),通過控制進(jìn)風(fēng)溫度、均質(zhì)壓力、乳化劑間質(zhì)量比等主要生產(chǎn)因素,進(jìn)行了響應(yīng)面實驗分析,取得最優(yōu)制粉工藝。實驗還對產(chǎn)品粉末進(jìn)行顆粒微觀結(jié)構(gòu)觀測、FTIR分析,確定油脂的包埋效果;對粉末復(fù)水后的復(fù)原乳液進(jìn)行了乳液粒徑、Zeta電位等理化穩(wěn)定性分析。該研究為推動噴霧干燥微膠囊技術(shù),實現(xiàn)食用油產(chǎn)業(yè)高值化發(fā)展提供了參考。
濃縮乳清蛋白(食品級)、酪蛋白酸鈉、麥芽糊精(DE 5~8)、低脂果膠、玉米油、椰子油、黃油、藻油、單硬脂酸甘油酯、丙二醇脂肪酸酯、大豆卵磷脂;石油醚(60~90 ℃)、甲醇、氯仿,均為分析純。
XHF-DY高速分散器, NanoGenizer納米分散器,YC-1800低溫噴霧干燥機(jī), JSM—5600LV掃描電子顯微鏡,馬爾文ZS90納米粒度電位儀,SU8010超高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡,RE-2000A 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,德國卡爾蔡司激光共聚焦掃描顯微鏡。
1.3.1 乳液及微膠囊制備方法
1.3.1.1 乳液配方
玉米油質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、黃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、椰子油質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、藻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%,麥芽糊精質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%、酪蛋白酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、濃縮乳清蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、乳化劑(丙二醇脂肪酸酯∶單、雙甘油酯∶蔗糖脂肪酸酯S-11=4∶6∶5)質(zhì)量分?jǐn)?shù)按實驗設(shè)計添加。4種油脂的主要營養(yǎng)物含量及品質(zhì)指標(biāo)見表1。
表1 多重油脂的理化性質(zhì)及部分脂肪酸組成
1.3.1.2 制備工藝
多重油脂微膠囊乳液及其噴霧干燥粉的制備工藝主要參考了吳隆坤等[9]方法,稍作修改(圖1):準(zhǔn)確稱取壁材復(fù)配粉(濃縮乳清蛋白、酪蛋白酸鈉、麥芽糊精等),倒入燒杯中,按照一定比例加入蒸餾水,于60 ℃磁力攪拌至溶解。按特定比例添加乳化劑至多重油脂復(fù)配相中,于85 ℃磁力攪拌至完全溶解。為形成穩(wěn)定乳液,配制的復(fù)配壁材溶劑與多重油脂-乳液復(fù)配相混合,繼續(xù)磁力攪拌10 min, 水油混合液經(jīng)過后續(xù)高速剪切7 000 r/min,2 min,并對初乳液繼續(xù)進(jìn)行2次微射流均質(zhì),微膠囊乳狀液經(jīng)過噴霧干燥加工,制得最終的微膠囊干燥粉產(chǎn)品。
圖1 多重油脂微膠囊乳液噴霧干燥粉的制備工藝
1.3.2 單因素實驗設(shè)計
多重油脂微膠囊乳液噴霧干燥粉的制備工藝中,噴霧干燥設(shè)備的出風(fēng)溫度為80~85 ℃;實驗分別對進(jìn)風(fēng)溫度(150~190 ℃)、均質(zhì)壓力(20~40 MPa)、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%~0.5%)3個因素進(jìn)行了單因素優(yōu)化,確定最影響油脂包埋率的因素范圍。
1.3.2.1 進(jìn)風(fēng)溫度
在乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、均質(zhì)壓力為30 MPa 的配方加工條件下,分別選擇進(jìn)風(fēng)溫度150、160、170、180、190 ℃ 制備多重油脂微膠囊乳液噴霧干燥粉,并測定其油脂包埋率。每組進(jìn)行3次平行實驗。
1.3.2.2 均質(zhì)壓力
根據(jù)前者實驗結(jié)果,在進(jìn)風(fēng)溫度160 ℃、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的配方加工條件下,分別選擇均質(zhì)壓力20、25、30、35、40 MPa 制備多重油脂微膠囊乳液噴霧干燥粉,并測定其油脂包埋率。每組進(jìn)行3次平行實驗。
1.3.2.3 乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)
根據(jù)前者實驗結(jié)果,在進(jìn)風(fēng)溫度160 ℃、均質(zhì)壓力30 MPa條件下,分別選擇乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5% 制備多重油脂微膠囊乳液噴霧干燥粉,并測定其油脂包埋率。每組進(jìn)行3次平行實驗。
1.3.3 三因素響應(yīng)面優(yōu)化實驗
基于單因素實驗結(jié)果,選取了噴霧干燥設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度(A)、均質(zhì)設(shè)備均質(zhì)壓力(B)、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)就改善多重油脂微膠囊乳液噴霧干燥粉的理化穩(wěn)定性進(jìn)行了3×3響應(yīng)面優(yōu)化實驗,見表2。
表2 響應(yīng)面優(yōu)化因素水平表
1.3.4 包埋效率
產(chǎn)品表面殘油率[6,10]:精確稱取2.5 g粉末產(chǎn)品(m),用40 mL石油醚浸提60 s, 隨即用砂芯漏斗過濾,后用25 mL石油醚再次洗滌殘渣40 s, 合并濾液,于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中去除溶劑,105 ℃烘干至恒質(zhì)量,冷卻后稱質(zhì)量(m1)。
(1)
總含油率[10,11]:用12 mL蒸餾水溶解3 g(m)樣品,先加入45 mL甲醇-氯仿溶液(體積比為2∶1),混勻后加入15 mL蒸餾水和15 mL氯仿。3 000r/min離心 10 min, 收集上層氯仿溶液10 mL于已提前恒重的燒瓶(m1)中,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除溶劑,干燥至恒重,冷卻后稱質(zhì)量(m2)。
(2)
(3)
1.3.5 溶解力
用分光光度法可測定產(chǎn)品粉末的溶解能力[13]。取30 mg樣品,加入比色皿(3 mL蒸餾水)中水的表層,立即測量,讀取620 nm處溶液吸光度隨時間的變化值。通過計算初始溶解期間吸光度的增加速率(k0)和最大吸光度(A620)可評估產(chǎn)品粉末的溶解速率及最大溶出度[14]。
1.3.6 乳液粒度和zeta電位
使用納米粒度電位儀可測量乳液的粒度及zeta電位。將0.5 g產(chǎn)品粉末在100 mL蒸餾水中復(fù)溶,得到質(zhì)量濃度0.5 g/100 mL復(fù)原乳液,吸取2 mL,使用納米粒度電位儀于濕模式下分析乳液液滴的尺寸分布。該法同樣用于測量相同質(zhì)量濃度的微膠囊初乳液(0.5 g/100 mL)的液滴大小分布[15],吸取1 mL 乳液,用納米粒度電位儀還可測量其zeta電位。同時測量了相同濃度的初乳液(質(zhì)量濃度0.5 g/100 mL)的zeta電位分布[16]。所有樣品至少分析3次。
1.3.7 微觀結(jié)構(gòu)觀察
1.3.7.1 掃描電子顯微鏡(SEM)
將產(chǎn)品粉末固定在樣品支架的碳帶上,為評估其形態(tài),去除多余粉末。樣品架用蒸發(fā)器覆蓋黃金,在5 kV加速電壓下的掃描電子顯微鏡下觀察[17]。
1.3.7.2 激光共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)
為觀察油脂在初乳液及微膠囊粉末復(fù)原乳液液滴中的分布情況,參考Luciana等[18]方法對復(fù)原乳液中油脂進(jìn)行熒光染色和監(jiān)測。將尼羅紅粉末溶解于石油醚溶劑中(0.1 mg/mL尼羅紅染液),用于標(biāo)記油脂。FITC溶解于石油醚中配制成 0.02 mg/100 mL染液,用于標(biāo)記蛋白質(zhì)。將產(chǎn)品粉末制備成0.33 mg/mL的復(fù)原乳液,分別取1 μL尼羅紅染液、1 μL FITC染液依次加入至1 mL的復(fù)原乳液和1 mL初乳液中,充分混合染色,488、512 nm處的氬激光進(jìn)行斷層掃描。
1.3.8 傅里葉紅外光譜分析(FTIR)
將樣品與經(jīng)過干燥處理的KBr按照質(zhì)量比1∶50~1∶100充分混合研磨,取少量混合物用壓片機(jī)壓片,設(shè)置紅外光譜儀掃描波數(shù)范圍500~4 000 cm-1,分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)32次,環(huán)境溫度25 ℃[19]。
用 Design Expert 12進(jìn)行響應(yīng)面實驗設(shè)計,IBM SPSS Statistics 26 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行 ANOVA 差異顯著性分析。采用 Origin 64 軟件繪圖。所有實驗均重復(fù) 3 次。
2.1.1 進(jìn)風(fēng)溫度對包埋率的影響
圖2可知,隨著進(jìn)風(fēng)溫度升高,微膠囊粉末的油脂包埋呈現(xiàn)先升高后下降趨勢。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃,油脂的包埋效果最好,產(chǎn)品性狀良好。但隨著溫度繼續(xù)升高,微膠囊的粉末油脂包埋率下降,可能是由于高溫導(dǎo)致水分蒸發(fā)過快,微乳液沒有足夠時間收縮,導(dǎo)致顆粒粒度偏大且松散,呈現(xiàn)內(nèi)部中空、多孔、易破碎的結(jié)構(gòu)[20]。王振斌等[21]研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響趨勢為先增加后降低,適當(dāng)提高進(jìn)風(fēng)溫度有利水分的降低,液滴表面外殼霧化后加速形成,從而有利于提高產(chǎn)品的包埋率,和本實驗結(jié)果相似。
圖2 不同進(jìn)風(fēng)溫度、均質(zhì)壓力、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于微膠囊油脂包埋率的影響
圖3 不同進(jìn)風(fēng)溫度下多重油脂微膠囊的溶解特性
2.1.2 均質(zhì)壓力對包埋率的影響
隨著均質(zhì)壓力的升高,產(chǎn)品油脂粉末的油脂包埋率先升高后下降(圖2)。當(dāng)均質(zhì)壓力達(dá)30 MPa時,粉末油脂的包埋效果最好。可見,適當(dāng)?shù)木|(zhì)條件促進(jìn)了蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和水-蛋白質(zhì)間的相互作用,改善了最終形成的蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高了微膠囊壁材對油相的包埋。而隨著壓力繼續(xù)升高,微膠囊粉末包埋率的降低可能由于過高壓力破壞了乳液結(jié)構(gòu)[23],導(dǎo)致內(nèi)部包埋的復(fù)合油脂外泄。
2.1.3 乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對包埋率影響
由圖2可知,隨著乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸提高,油脂包埋率先升高后下降。乳化劑的添加一定程度可增加均質(zhì)后乳液的穩(wěn)定性,因為乳化劑吸附在油-水界面上時, 與原料組分分子間相互作用隨即增強(qiáng),可形成的界面膜強(qiáng)度增大。但實驗發(fā)現(xiàn),繼續(xù)增加親油性乳化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù),乳液不能更好的穩(wěn)定。原因可能是由于過量的親油乳化劑,對壁材中的蛋白類膠體有拮抗作用,乳液難以達(dá)到親水-親油平衡,不能配制出穩(wěn)定乳液[7,23],包埋率隨即下降。
基于單因素實驗結(jié)果,根據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理,進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化,響應(yīng)面分析方案及實驗結(jié)果見表3。采用Design-Expert 8.0.6對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次完全回歸分析,得到3個因素與油脂包埋率的響應(yīng)面回歸方程:
表3 油脂微膠囊噴霧干燥粉末產(chǎn)品的響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果
Y=84.84-3.02A+0.83B-0.63C+1.16AB+1.77AC-0.16BC-14.05A2-3.34B2-0.38C2
表4 響應(yīng)面實驗擬合回歸模型的方差分析及顯著性檢驗
為驗證模型的可靠性,選用優(yōu)化的參數(shù): 進(jìn)風(fēng)溫度168.35 ℃、均質(zhì)壓力30.60 MPa、乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%,進(jìn)行 3 次平行實驗,對應(yīng)樣品油脂包埋率為(85.75±1.03)%,與理論預(yù)測值85.54%比較,誤差在3%以內(nèi),說明響應(yīng)面法優(yōu)化得到的方案可靠。
粉體加入水中吸光度初始增長速率(斜率k0)反映粉體的分散能力,測定結(jié)束時(60 min)的吸光度(A620)表明了粉末溶解的最大容量。圖4結(jié)果表明,進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃的樣品在較短的時間(9 min)內(nèi)達(dá)到最大吸光度;k0=0.975 ,A620=3.268具有較強(qiáng)的分散能力。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度從160 ℃增加到170 ℃時,k0和A620都增加。然而,進(jìn)一步提高進(jìn)風(fēng)溫度到180 ℃溶解性能(與170 ℃相比)反而會削弱(k0=0.597,A620=2.70)。有學(xué)者指出,乳蛋白穩(wěn)定乳液噴霧干燥粉的溶解速率隨著表面脂肪覆蓋率增加而降低[24],因此油脂粉末的溶出能力與粉末表面含油率可能有相關(guān)性。除此之外,粉末顆粒的粒徑大小分布也是影響粉末溶解能力的因素之一[14]。3種樣品制備的進(jìn)風(fēng)溫度不同,其溶解表現(xiàn)的差異可歸因于粉末油脂包埋效率的不同,高油脂包埋率樣品表現(xiàn)了較好溶出速率和最大的溶解容量,證明優(yōu)化工藝制備產(chǎn)品實現(xiàn)了油脂有效包埋和粉末復(fù)水溶出,可推廣飲品的運(yùn)用。
圖4 微膠囊化壁材、多重油脂芯材與多重油脂微膠囊粉末的FITR光譜
圖5 多重油脂微膠囊復(fù)原乳液與初乳液的粒徑分布與zeta電位圖
由圖5可知,油脂微膠囊的復(fù)原乳液平均粒徑為241.8 nm,與初乳液的平均粒徑差不多(246.9 nm),且都呈現(xiàn)正態(tài)分布且區(qū)域狹窄,史昫皓[26]使用高油酸葵花籽油制備的微膠囊粉末復(fù)水乳化液粒徑在263.6 nm,相較于更大粒徑的284.4 nm,具有更好的分散性和穩(wěn)定性。由此可知多重油脂微膠囊的復(fù)原乳液與初乳液都是分布均勻且穩(wěn)定的。而油脂微膠囊的復(fù)原乳液與初乳液的zeta電位分別為-33.1、-31.3 mV,絕對值均大于30 mV。說明制備過程的初乳液體系與微膠囊粉末樣品的復(fù)原乳液體系穩(wěn)定性相似,都具有較高穩(wěn)定性,顯示本微膠囊化技術(shù)實現(xiàn)了有效包埋[27]。
2.7.1 多重油脂微膠囊的SEM圖
由圖6可知,通過噴霧干燥制粉,微膠囊粉末產(chǎn)品顆粒大小不均,顆粒直徑為2.5~10.0 μm,顆粒表面雖粗糙且略有凹陷,但未發(fā)現(xiàn)破裂和空洞。這一現(xiàn)象發(fā)生原因在于噴霧霧化過程中,一些小乳液液滴粘附于大液滴上,急速高溫干燥后,粉末產(chǎn)生了粘連;表面褶皺則由于噴霧干燥加工中,乳液液滴發(fā)生了加速水分遷移,形成的乳液外表層直接固化,冷卻后因溫差效應(yīng)顆粒表面進(jìn)行了收縮,形成了輕微凹陷、表皮褶皺[18]。微膠囊粉末產(chǎn)品的形態(tài)特征表征了微膠囊化效果,微膠囊顆粒的孔隙、表面完整性以及芯材在微膠囊中的分布在一定程度決定了芯材的釋放能力[28]。多重油脂微膠囊粉末結(jié)構(gòu)越致密,表明本產(chǎn)品對于芯材起到了良好的保護(hù)作用。
圖6 多重油脂微膠囊粉末產(chǎn)品的SEM圖
2.7.2 初乳液及微膠囊復(fù)原乳液的CLSM圖
由圖7可知,2種樣品乳液體系圖中的實心球狀部分為熒光染色后的油脂,其他區(qū)域表征了熒光染色后的蛋白質(zhì),觀察比較發(fā)現(xiàn),樣品乳液中油滴在兩種狀態(tài)下都沒有出現(xiàn)聚集,且在球狀以外的其他區(qū)域的亮度無激增現(xiàn)象,證明蛋白質(zhì)于體系中的分布比較均勻[29],初乳液(圖7a)的油滴平均粒徑與粒徑分布結(jié)果一致。響應(yīng)面優(yōu)化噴霧干燥最佳工藝下的多重油脂微膠囊載體(圖7b)油滴粒徑較小,分散均勻,這可能是因為穩(wěn)定的乳液經(jīng)過噴霧干燥呈現(xiàn)出典型的球狀微膠囊,結(jié)構(gòu)完整使得芯材的包埋效果較好[30],其在水中溶解后不容易發(fā)生漏油現(xiàn)象,這表明優(yōu)化工藝后的多重油脂微膠囊的溶液是穩(wěn)定的[31]。
圖7 制備過程中的初乳液及產(chǎn)品粉末復(fù)原乳液的CLSM圖
使用濃縮乳清蛋白、酪蛋白酸鈉、麥芽糊精為主要微膠囊壁材,能夠?qū)崿F(xiàn)4種高營養(yǎng)功能食用油的包埋乳化,本實驗優(yōu)化得到最佳工藝參數(shù):進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃, 均質(zhì)壓力 31 MPa, 乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%,制備的多重油脂微膠囊油脂包埋率高達(dá)85.75%。產(chǎn)品粉末顯示較好的溶解特性,復(fù)原乳狀液粒度均勻且分散穩(wěn)定,微觀結(jié)構(gòu)觀察也證實其殼-核微膠囊結(jié)構(gòu)完整,對多重油脂起到較好包埋。實驗通過對復(fù)合油脂的噴霧干燥微膠囊化加工,加強(qiáng)油脂的乳化能力、改善了產(chǎn)品粉末的復(fù)溶和穩(wěn)定特性,這一優(yōu)化條件可推廣至由其他食用油制成的固體粉末食品,并穩(wěn)定添加于酸奶、烘焙品等復(fù)雜食品體系中。未來實驗需要對該類產(chǎn)品粉末的吸濕性、儲存氧化穩(wěn)定性進(jìn)行評價。