陳小威，尹文俊，李金玉，楊曉泉，馬傳國

1.河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001 2.華南理工大學 食品科學與工程學院，廣東 廣州 510640

近年來，含ω-3長鏈多不飽和脂肪酸(PUFA)的功能性食品在世界食品市場上引起廣泛關注。魚油作為ω-3長鏈多不飽和脂肪酸(如DHA和EPA)的重要來源,魚油及其產(chǎn)品得到了快速發(fā)展。大量研究表明，ω-3魚油在促進人體健康方面發(fā)揮著積極的作用，如提高大腦認知能力、降低炎癥因子的生成、降低心血管疾病發(fā)病率、改善視力、防止癌癥惡化、維持骨密度以及預防肥胖病和糖尿病[1]。然而，魚油因高不飽和脂肪酸的存在易發(fā)生氧化。微膠囊粉末化不僅可以延緩魚油的氧化，而且有利于其保存、運輸和使用[2]。油脂經(jīng)過乳化包埋后亞微米粒徑的形成可顯著提高生物利用率，更適合嬰幼兒、老人等消化能力較弱的人群進行營養(yǎng)補充[3-5]。

目前，用于魚油的粉末化加工方法主要有凝膠化、冷凍干燥和噴霧干燥等[6-8]。噴霧干燥是用于油和油溶性活性物質(zhì)微膠囊化的最方便、最經(jīng)濟的技術，具有成本低廉、操作簡單、干燥時間短的特點，有利于熱敏物質(zhì)(如魚油)的保護[9]。Yesilsu等[10]發(fā)現(xiàn)并證實，噴霧干燥粉末化技術能有效減緩魚油氧化并減少不良味道和風味的產(chǎn)生。而壁材的性質(zhì)和組成決定著對芯材的包埋效果，是微膠囊化過程中重要的影響因素。皂皮皂苷(QS)由疏水性的五環(huán)三萜皂苷配基和兩個親水性的糖體3部分構成，常作為一種天然非離子型表面活性劑，具有很強的乳化能力。Hanan等[11]用QS對魚油進行乳化封裝，發(fā)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)乳化劑(如卵磷脂、Tween-80、辛烯基琥珀酸淀粉鈉等)，QS不僅能提供穩(wěn)定的乳化體系，還具有減緩油脂氧化方面的潛在優(yōu)勢。作者利用天然雙親性小分子QS對魚油進行乳化制成乳液，并與傳統(tǒng)的乳化劑(酪蛋白酸鈉)作對比，將乳液經(jīng)噴霧干燥后制成粉末魚油。通過對粉末魚油的外觀形貌、微結(jié)構、包埋率、氧化穩(wěn)定性、復溶性和不同環(huán)境(pH值、鹽濃度和溫度)脅迫下的穩(wěn)定性進行研究，探究QS在魚油粉末化的應用性能。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魚油(OMAX 1812)：諾亞圣有限公司；皂皮皂苷(Q-NATURALE 200)：宜瑞安食品配料有限公司；酪蛋白酸鈉(SC，純度>90.0%)：新西蘭Fonterra有限公司；甲醇、氯仿、異辛烷和異丙醇(分析純)：天津科密歐試劑公司。

1.2 儀器與設備

Nano-ZS Zeta電位及納米粒度分析儀：英國馬爾文公司；B-290噴霧干燥器：瑞士BUCHI公司；7890 A-5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀：美國Agilent公司；T25數(shù)顯型分散機：艾卡(廣州)儀器設備有限公司；M-110EH30高壓微射流均質(zhì)機：美國Microfluidics International Corporation公司；1530VP場發(fā)射掃描電鏡：德國LEO公司。

1.3 方法

1.3.1 粉末魚油的制備

乳液的制備：將QS加入去離子水中配制成不同濃度的QS溶液，攪拌使其完全分散溶解，備用；將魚油加入備用的QS溶液中，6 000 r/min高速攪拌剪切3 min，然后在80 MPa下高壓微射流3次循環(huán)乳化處理，得到魚油乳液。

粉末魚油的制備：通過噴霧干燥技術制備粉末油脂，噴霧干燥的進風溫度為140 ℃，通過進樣流速控制出風溫度為70 ℃。

1.3.2 乳液粒徑與電位的測定

將原乳液按照一定比例稀釋，采用Nano-ZS納米粒度電位儀測定粒徑分布及Zeta電位。水相和油相的折射率分別為1.763和1.330，測試溫度為25 ℃。

1.3.3 微膠囊微結(jié)構的觀察及流動性測定

采用GB/T 11986—1989測定粉末魚油的休止角，表征產(chǎn)品流動性。利用掃描電子顯微鏡在15 kV加速電壓下觀察粉末魚油微膠囊結(jié)構，在此之前對微膠囊粉末進行表面噴金。

1.3.4 包埋率的測定

包埋率的測定參考文獻[12]?？傆偷奶崛。簻蚀_稱取粉末油脂樣品10 g，依次加入20 mL甲醇、50 mL 氯仿，在53 kHz、25 ℃條件下超聲5 min，過濾后取濾液在45 ℃抽真空旋蒸至恒質(zhì)量，得到總油質(zhì)量m0(g)。

總油含量=(m0/10)×100%。

表面油的提?。壕_稱取質(zhì)量M(1 ～2 g)的微膠囊產(chǎn)品，用30 mL乙醚準確浸提1 min后，立即抽濾，用20 mL乙醚洗滌濾渣，收集濾液，將濾液真空濃縮即得到表面油，其質(zhì)量記作m(g)。

表面油含量=(m/M)×100%，

包埋率=(1-表面油含量/總油含量)×100%。

1.3.5 儲藏氧化穩(wěn)定性

準確稱取0.100 g粉末魚油于2 mL離心管中，加入1.5 mL異辛烷/異丙醇的混合液(體積比3∶1)后渦旋混合振蕩20 s(5 次)；3 400 r/min 離心2 min，取上清液200 μL加入2.8 mL 甲醇/正丁醇混合液(體積比2∶1)中渦旋混合；向溶液中加入15 μL 3.94 mol/L的硫氰酸銨和15 μL的亞鐵溶液(由0.132 mol/L的BaCl2和0.144 mol/L的Fe2SO4混合后以3 400 r/min離心2 min，取上清液)；渦旋混合后避光平衡20 min，利用紫外分光光度計在510 nm測定吸光度。以過氧化氫標準品的標準曲線計算油脂氧化產(chǎn)生的氫過氧化物量。

1.3.6 環(huán)境脅迫物理穩(wěn)定性

溫度脅迫：將25 mg粉末魚油溶于裝有10 mL去離子水的玻璃瓶中并密封，分別在25、60、80、100 ℃的水浴中處理30 min，靜置24 h 后采用Zeta激光粒度分析儀測定粒徑和電位。酸堿脅迫：將25 mg粉末魚油溶于10 mL pH值為3、5、7、9、11的去離子水溶液中，靜置24 h 后測定粒徑和電位。離子強度脅迫：將25 mg粉末魚油溶于10 mL濃度為100、200、300、400、500 mmol/L的NaCl水溶液中，靜置24 h后測定粒徑和電位。

2 結(jié)果與分析

2.1 皂皮皂苷在油-水界面的吸附與組裝特性

在乳液構建和穩(wěn)定方面，表面活性劑在油-水界面的吸附與組裝特性起到?jīng)Q定性作用[13]。皂皮皂苷(QS)作為天然雙親性表面活性劑被證實擁有獨特的油-水界面活性[14]。利用懸滴界面流變儀研究了QS在油-水界面的吸附動力學，如圖1a所示。在初始階段，界面張力隨時間延長迅速下降，表明QS能快速擴散到界面上，這歸功于QS的雙親分子特性(QS分子由一個疏水苷元和兩個親水性多糖側(cè)鏈組成)。當吸附量達到飽和時，界面張力進一步降低并趨于穩(wěn)定，這是由于QS在界面的吸附與重排降低了界面自由能和界面張力[14]。在懸滴法測量油-水界面張力時發(fā)現(xiàn)在液滴表面形成了起皺膜(如圖1b箭頭所示)，表明QS在油-水界面發(fā)生了某種特殊的重排，這與Golemanov等[15]的研究結(jié)果一致。這種界面褶皺現(xiàn)象也被稱為表面凝膠化，而此凝膠化也被證實具有改善乳液穩(wěn)定性的特性。此外，這種QS界面膜在偏光顯微鏡(PLM)下表現(xiàn)出雙折射的網(wǎng)狀纖維現(xiàn)象,如圖1c所示，表明QS在油-水界面發(fā)生了分子間相互作用的有序組裝重排而形成了纖維化網(wǎng)狀界面膜。

圖1 皂皮皂苷在油-水界面的動態(tài)吸附、組裝行為及組裝體的偏光形貌[16]Fig.1 Dynamic interfacial tension, droplet surface gelling behavior of a water droplet in oil phase and polarized light image of the interface assembly[16]

為了進一步證明纖維膜在乳液中的存在，用熒光標記(THT)結(jié)合激光共聚焦(CLSM)技術觀察QS穩(wěn)定的粗乳液。THT具有與纖維結(jié)構體特異性結(jié)合的作用，被廣泛地應用于纖維體的表征[17]。從圖2a可觀察到強烈的熒光包圍在油脂周圍，表明QS自組裝后形成纖維體結(jié)構包裹油滴。此外，還可知油滴周圍形成的纖維狀結(jié)構體層層排列，在油滴表面組裝成多層界面殼(如箭頭所示)，可能抑制乳液液滴間的聚集從而提高乳液的穩(wěn)定性。這種現(xiàn)象在傳統(tǒng)的乳化劑，如蛋白質(zhì)、多糖、纖維素、卵磷脂、Tween-80和SDS等中沒有表現(xiàn)。用PLM對乳液中油滴的微觀結(jié)構進行觀察，如圖2b所示，也進一步證實了所有油滴顯示出多孔網(wǎng)絡微觀結(jié)構，在偏振光下油滴周圍顯示出強烈的各向特異性偏光，這是典型的自組裝特征[17]。這與圖1c的結(jié)果一致，進一步證明了QS在油-水界面發(fā)生了有序纖維化自組裝。這種界面自組裝行為形成堅固的“外殼”，可能會增強乳液的穩(wěn)定性以及抗外界干擾的能力，如噴霧干燥[16,18]。

圖2 皂皮皂苷穩(wěn)定粗乳液在激光共聚焦熒光和偏振光下的微觀結(jié)構形貌[16]Fig.2 CLSM and PLM images of the crude emulsion stabilized by Quillaja saponin[16]

2.2 粉末魚油的形成與微結(jié)構形貌

基于QS油-水界面組裝在不同皂苷添加量下穩(wěn)定制備了魚油乳液，并利用噴霧干燥技術得到粉末魚油，如圖3a—圖3c所示。粉末魚油呈白色，存放在聚丙乙烯瓶中，于4 ℃冰箱中放置3個月,無黏稠或漏油跡象。相對于傳統(tǒng)酪蛋白(SC)制備的粉末魚油(圖3d)，QS包埋的粉末魚油具有較好的流動性，這從粉末魚油的休止角也可以證實。表1為不同濃度QS和1.5%SC制備粉末魚油的總油含量、表面油含量、包埋率和休止角，隨著QS用量的增加，粉末魚油的休止角從55.55°逐漸降低至45.10°，明顯小于1.5% SC制備的粉末魚油(61.80°)。為了進一步分析粉末魚油的微結(jié)構，利用掃描電鏡技術(SEM)對其形貌進行了表征。如圖3e—圖3h所示，所制備的粉末魚油呈球形，沒有明顯的裂縫或裂紋，這有利于減少油泄露到顆粒表面并防止空氣滲透到膠囊中，從而防止密封的魚油氧化[8]。然而，在顆粒的表面出現(xiàn)明顯的凹痕，這可能是噴霧干燥技術制備微膠囊所特有的，即在干燥過程的早期，傳質(zhì)不均勻?qū)е骂w粒迅速收縮造成，這在其他研究中也有報道[19-20]。但從SEM圖像上可看出，SC制備的粉末魚油部分已經(jīng)聚集成團，這可能是因為其較高的表面油含量(23.83%±0.39%)和較低的包埋率(71.52%±0.53%)，從而促使SC粉末魚油顆粒間相互黏附，這也解釋了SC制備的粉末魚油休止角較大的原因。

相對于SC包封得到的粉末魚油，QS穩(wěn)定制備的粉末魚油具有較高的包埋率，如表1所示。理論上，作為生物大分子的蛋白質(zhì)在界面的雙親穩(wěn)定性和分子纏繞更有利于內(nèi)部油脂的包封，如大豆蛋白、酪蛋白、乳清蛋白和辛烯基琥珀酸淀粉常用于微膠囊的壁材[21]。QS粉末魚油表現(xiàn)出更好的包埋率，可能歸因于QS在油-水界面自組裝形成了多層纖維化的網(wǎng)絡膜(圖1)。此外，隨著QS使用量的增加，魚油的包埋率逐漸從88.80%升高到90.24%，這高于傳統(tǒng)乳化劑制備魚油的包埋率[22]。同時，相對于SC包封劑得到的粉末魚油，QS穩(wěn)定制備的粉末魚油具有更低的表面油含量，且隨著QS使用量的增加，魚油的表面油含量逐漸降低，這也可解釋粉末魚油在外觀和流動性上的差異。QS在魚油包埋上的良好特性可為芯材提供更好的保護作用，減緩魚油的氧化。

注:a、e為1.0% QS; b、 f為1.5% QS; c、 g為2.0% QS；d、h為 1.5%SC。圖3 不同濃度QS和1.5% SC制備粉末魚油的外觀及微觀樣貌Fig.3 Appearance and SEM of fish oil powders prepared with varying QS concentration and 1.5% SC

2.3 粉末魚油的氧化穩(wěn)定性

為了考察粉末魚油的氧化穩(wěn)定性，通過進行加速誘導儲藏條件(60 ℃)評價粉末魚油的過氧化值。由圖4可知，過氧化值隨著誘導時間的延長逐漸升高，說明魚油發(fā)生快速氧化。相對于未包封的魚油，粉末化魚油的氧化速率明顯較低。相對于SC穩(wěn)定的粉末魚油，QS制備的粉末魚油氧化更慢，且隨著QS濃度的增加這種效果更為明顯，這可能是由于QS穩(wěn)定的粉末魚油表面油含量低(表1)，降低了魚油與空氣的接觸氧化。此外，也有文獻報道皂皮皂苷提取物中微量多酚的存在也可抑制油脂的氧化[23]。

2.4 粉末魚油的復溶重構特性

粉末油脂的復溶重構特性對其應用具有重要的影響。通過對比粉末魚油的乳液前體和復溶液的粒徑、多分散系數(shù)(PDI)和電位，考察了粉末魚油的復溶重構特性。從表2可知，QS制備的粉末魚油在復溶后粒徑與相應新制乳液的粒徑接近，電位有所增加，說明以QS乳液噴霧干燥制成的粉末魚油在一定程度具有很好的穩(wěn)定性。然而，SC粉末魚油復溶液的粒徑相較于新制備乳液顯著增加，表明其復溶性較差，這可能歸因于表面含油量高和大分子乳化劑弱復溶引起的乳滴聚集而表現(xiàn)出差的重構特性，這從復溶后的粒徑分布也可得到證實。如圖5所示，SC粉末魚油液中存在大的聚集體。QS穩(wěn)定粉末魚油的復溶液中粒徑呈單分散分布，具有較好的分散性，且隨著QS濃度的增加粒徑更小，單分散性也更好，表明QS穩(wěn)定制備的粉末魚油具有良好的復溶重構性。

圖4 不同濃度QS和1.5%SC制備粉末魚油的過氧化值隨誘導時間的變化Fig.4 The POV of fish oil and fish oil powder prepared with varying QS concentration and 1.5% SC

表2 粉末魚油乳液前體(新制備乳液)和復溶液的粒徑、分散性及電位特性Table 2 Particle size, dispersion and potential of powdered fish oil reconstituted emulsion and their precursors (fresh emulsion)

圖5 不同濃度QS和1.5% SC制備粉末魚油復溶液的粒度分布Fig.5 Particle size distribution of reconstituted emulsions of fish oil powder prepared with varying QS concentration and 1.5% SC

2.5 粉末魚油在環(huán)境脅迫下的物理穩(wěn)定性

不同食品體系具有不同的酸堿度，液態(tài)食品體系還會存在著一定的電解質(zhì)，并且在大多數(shù)食品加工過程中，溫度處理是不可缺少的工序。因此，pH值、鹽濃度和溫度是粉末魚油在應用和加工中的重要因素，也是粉末魚油在食品體系中能維持穩(wěn)定狀態(tài)的基本保障。從圖6a和圖6b可知，在不同pH值條件下，SC粉末魚油的粒徑和電位變化較大，說明SC制備的粉末魚油在酸堿條件下較為敏感。當pH值為4時，SC粉末魚油在水中粒徑很大且?guī)倭空姾?，這可能是因為SC是蛋白質(zhì)類的乳化劑，在等電點時乳滴在溶液中的靜電斥力降低，發(fā)生乳滴間的碰撞、凝聚而產(chǎn)生沉淀，這限制了粉末魚油的應用[24]。對于非離子表面活性劑QS穩(wěn)定的粉末魚油復溶液在極端pH值(如pH 3、pH 11)下粒徑保持基本不變，說明其具有高的酸堿穩(wěn)定性。

注：a、b為pH值； c、d為鹽離子濃度； e、f為溫度。圖6 不同濃度QS和1.5%SC穩(wěn)定的粉末魚油復溶液在不同pH值、鹽離子濃度和溫度下的粒徑和電位變化Fig.6 Particle size and Zeta potential of reconstituted emulsions of fish oil powder at different pH, ionic concentration, and temperature

通過考察不同NaCl濃度對粉末魚油復溶液的粒徑和電位變化探究了不同鹽離子濃度下的粉末魚油復溶液的穩(wěn)定性。由圖6c和圖6d可知，隨著離子強度的增加，Zeta電位絕對值均迅速降低，而后趨于平緩，這可能是因為當離子強度增大后，鹽離子會迅速爭奪溶液中大部分的自由水，使靜電屏蔽逐漸減弱[25]。盡管鹽離子削弱了靜電排斥，使得Zeta電位升高，但是QS粉末魚油復溶液的粒徑保持不變，表明即使在500 mmol/L(約3.025%)NaCl環(huán)境下仍具有較高的穩(wěn)定性。然而，在蛋白穩(wěn)定的體系中，離子強度影響蛋白質(zhì)的電離狀態(tài)以及蛋白質(zhì)空間結(jié)構。隨著離子強度增加，破壞蛋白質(zhì)的水化作用，引起蛋白質(zhì)溶解度降低，靜電屏蔽效果慢慢接近極限，最終會導致“鹽析”現(xiàn)象出現(xiàn)，使得SC粉末魚油復溶液的粒度逐漸增大[26-27]。

溫度處理是食品加工(如滅菌)過程中最為常見的工序。將粉末魚油復溶液放置不同溫度下進行30 min的熱處理，考察不同溫度下的物理穩(wěn)定性。從圖6e和圖6f可知，SC穩(wěn)定的粉末魚油復溶液對溫度極為敏感(出現(xiàn)聚集)，而 QS 穩(wěn)定的粉末魚油在25～100 ℃熱處理下無顯著的粒徑變化。這是因為大分子SC在高溫處理下會發(fā)生分子變性，蛋白分子結(jié)構會發(fā)生解析，導致乳液體系不穩(wěn)定[26,28]。而QS作為天然小分子對溫度不敏感，使得 QS 為乳化劑制備粉末魚油的復溶液帶有高程度負電荷，互相排斥不會產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象，并且由于納米乳粒徑較小，受到重力作用較弱，布朗運動下可以使其平衡，具有較好的穩(wěn)定性[29]。

3 結(jié)論

本研究基于天然皂皮皂苷(QS)在油-水界面獨特的纖維化自組裝特性，在乳液油滴表面形成多層纖維膜，促進魚油的粉末結(jié)構化。研究表明，相較于傳統(tǒng)酪蛋白噴霧干燥制備的粉末魚油，QS穩(wěn)定的粉末魚油具有較高的包埋效率(高達90.24%)，能顯著抑制魚油在儲存過程中的氧化。同時，小分子皂皮皂苷制備的粉末魚油還表現(xiàn)出更好的復溶重構特性以及極端環(huán)境(極端pH值、高離子強度、高溫)下的穩(wěn)定性。這一研究將為新資源食品添加劑皂皮皂苷和粉末魚油擴寬應用范圍，并為油脂粉末結(jié)構化提供了可行性解決方案。