張爭全，田少君

河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001

魚油中富含ω-3多不飽和脂肪酸，特別是二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)有助于人體健康[1]。眾多臨床研究和體內(nèi)、體外試驗證實魚油可以預(yù)防心律失常和心肌梗死導(dǎo)致的猝死以及降低血清三酰甘油，另外，還有健腦益智、保護視網(wǎng)膜等功效[2-3]。然而，魚油特有的魚腥味、低溶解性和易氧化等特性限制了其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用[4]。微膠囊化可以改善魚油的不良性質(zhì)，拓展其在食品行業(yè)中的應(yīng)用范圍。

魚油微膠囊理化性質(zhì)如包埋率、粒徑大小、形狀、密度、水分含量及脂肪酸含量變化等與制備條件、壁材組成緊密相關(guān)[5]。因此，選擇合適的制備條件與壁材是必不可少的。目前國內(nèi)外關(guān)于魚油微膠囊的研究主要集中在制備工藝及理化性質(zhì)，有研究表明，與噴霧干燥相比，冷凍干燥制備的魚油微膠囊對魚油脂肪酸有更好的保護作用，DHA、EPA保留率更高，在氣味掩蓋方面也優(yōu)于噴霧干燥[6]。但關(guān)于微膠囊氧化動力學及釋放性能的研究鮮有報道，常馨月等[7]采用Arrhenius和Vant’Hoff經(jīng)驗公式對奇亞籽油微膠囊進行氧化動力學研究及貨架期預(yù)測；劉曉麗等[8]研究了溫度、濕度、光照對草魚魚油微膠囊釋放性能的影響。作者前期試驗已經(jīng)證明豌豆蛋白-阿拉伯膠復(fù)合物乳液具有良好的乳化性及穩(wěn)定性，故采用冷凍干燥技術(shù)，以豌豆蛋白-阿拉伯膠復(fù)合物為壁材包埋魚油，以包埋率為指標進行正交工藝優(yōu)化試驗，采用Arrhenius和Vant’Hoff經(jīng)驗公式對魚油微膠囊進行氧化動力學研究并預(yù)測產(chǎn)品的貨架期。運用Avrami’s公式分析了魚油微膠囊在不同溫度、濕度條件下的釋放性能，以期為魚油微膠囊貯藏與加工提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

精制魚油(過氧化值：4.88 meq/kg；酸價：0.89 mg/g)：西安綠滕生物科技有限公司；豌豆蛋白(干基蛋白含量83.58%)：實驗室自提；阿拉伯膠(GA)：天津市科密歐化學試劑有限公司；其他試劑均為分析純或化學純。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2004分析天平：上海上平儀器有限公司；FA25高速剪切乳化機：德國FLUKO流體機械制造公司；LGJ-25C冷凍干燥機：上海慕泓真空設(shè)備有限公司；RE-52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；BT-1600圖像顆粒分析儀：丹東市百特儀器有限公司；Q50熱重分析儀：美國TA公司；S-3400N掃描電子顯微鏡：日本Hitachi公司；GC-2030氣相色譜儀：日本島津公司。

1.3 方法

1.3.1 魚油微膠囊的制備

稱取一定量的豌豆蛋白溶于蒸餾水中并攪拌過夜，使大分子物質(zhì)完全水合后加入GA繼續(xù)攪拌2 h，加入魚油。通過高速剪切(10 000 r/min、2 min)、高壓均質(zhì)(2 min)，形成均勻乳液，冷凍干燥形成微膠囊。

1.3.2 包埋率的測定

表面油的測定：參照SC/T 3505—2006方法，略有改動。精確稱取微膠囊產(chǎn)品(W)，置于錐形瓶加入石油醚20 mL，充分搖勻1 min，抽濾，將濾液移至恒質(zhì)量后的圓底燒瓶(W1)中，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去石油醚，石油醚除盡后，再于105 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量(W2)。

總油的測定：參照王寒等[9]方法，略有改動。準確稱取樣品(m1)到錐形瓶中，加入石油醚，超聲破碎20 min后進行抽濾，濾液移至干燥恒質(zhì)量的圓底燒瓶(m2)中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收石油醚，最后將圓底燒瓶放入105 ℃烘箱干燥至恒質(zhì)量(m3)。

1.3.3 魚油微膠囊單因素試驗

1.3.3.1 壁材質(zhì)量分數(shù)對魚油包埋率的影響

芯壁比1∶1、PPI與GA質(zhì)量比1∶1、均質(zhì)壓力30 MPa，壁材質(zhì)量分數(shù)設(shè)置為1%、2%、3%、4%、5%。

1.3.3.2 芯壁比對魚油包埋率的影響

壁材質(zhì)量分數(shù)4%、PPI與GA質(zhì)量比1∶1、均質(zhì)壓力30 MPa，芯壁比設(shè)置為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5。

1.3.3.3 均質(zhì)壓力對魚油包埋率的影響

壁材質(zhì)量分數(shù)4%、芯壁比1∶3、PPI與GA質(zhì)量比1∶1，均質(zhì)壓力設(shè)置為20、30、40、50、60 MPa。

1.3.3.4 PPI與GA質(zhì)量比對魚油包埋率的影響

壁材質(zhì)量分數(shù)4%、芯壁比1∶3、均質(zhì)壓力50 MPa、PPI與GA質(zhì)量比設(shè)置為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3。

1.3.4 正交試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上進行L9(34)正交試驗。

1.3.5 微膠囊基本指標測定

水分含量測定：按照GB/T 10358—2008進行測定。

流動性測定：利用休止角法[10]測定微膠囊產(chǎn)品的流動性，將微膠囊產(chǎn)品通過漏斗落到圓形培養(yǎng)皿中，自然堆積，測量粉堆高度(h)及粉堆半徑(r)。休止角(θ)=arctan(h/r)。

堆積密度的測定[11]：將一定質(zhì)量的魚油微膠囊裝入有刻度的量筒內(nèi)，測定體積，計算單位體積微膠囊的質(zhì)量。

溶解度的測定[12]：稱取一定水分含量的微膠囊樣品于離心管中，加入適量蒸餾水振蕩10 min，以4 000 r/min的速度離心10 min，傾去上清液，將沉淀移入已知質(zhì)量的蒸發(fā)皿中，置于105 ℃烘箱中干燥至恒質(zhì)量。

式中：M為樣品質(zhì)量；M1為稱量皿質(zhì)量；M2為稱量皿與不溶物總質(zhì)量；B為樣品水分含量。

DHA、EPA保留率的測定：利用氣相色譜分析包埋前后DHA、EPA的含量。

1.3.6 熱重分析

稱取一定量微膠囊產(chǎn)品放入坩堝，壓片封口，放入熱重分析儀中，升溫速率10 ℃/min，氮氣流速20 mL/min，升溫范圍25～600 ℃。

1.3.7 微膠囊產(chǎn)品貯藏穩(wěn)定性及貨架期預(yù)測

將魚油微膠囊產(chǎn)品與魚油同時放入4、25、35 ℃恒溫培養(yǎng)箱中儲存21 d，每隔3 d按照GB/T 5009.227—2016測定過氧化值(POV)。采用Arrhenius經(jīng)驗公式對魚油微膠囊進行氧化動力學分析[13]；利用Vant’Hoff經(jīng)驗公式預(yù)測微膠囊產(chǎn)品的貨架期[14]。

Arrhenius經(jīng)驗公式：

式中：K為速率常數(shù)；A是頻率因子；E是活化能(kJ/mol)；R為氣體常數(shù)1.987；T為溫度(℃)。

Vant’Hoff經(jīng)驗公式：

式中：Q為貨架期(d)；T為貯藏溫度(℃)。即貯藏溫度每增加10 ℃，貨架期便減少為原來的1/2。

1.3.8 不同環(huán)境下微膠囊的釋放行為

不同溫度：將微膠囊產(chǎn)品放置溫度分別為4、25、35 ℃恒溫培養(yǎng)箱中。

不同濕度：將微膠囊產(chǎn)品分別放置裝有MgCl2、Mg(NO3)2、NaCl、KCl的飽和鹽溶液的密閉容器中，濕度分別為35%、54%、75%、85%。

每3 d取適量微膠囊測定其芯材保留率，采用Avrami’s公式對芯材釋放過程進行分析[15]。

Avrami’s公式：

R=exp[-(kt)n]，

式中：R為芯材保留率；k為釋放速率常數(shù)；n為釋放機理參數(shù)；t為時間(d)。對Avrami’s公式取對數(shù)后進行線性分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

對試驗數(shù)據(jù)采用Origin 8.5軟件作圖，用IBM SPSS Statistics 20軟件進行方差分析，結(jié)果表示為“平均值±標準差”，所有試驗均重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

如圖1所示，微膠囊包埋率隨壁材質(zhì)量分數(shù)的增大而提高，壁材質(zhì)量分數(shù)達到4%后趨于平緩，壁材質(zhì)量分數(shù)較高會導(dǎo)致乳狀液黏度增加造成均質(zhì)機堵塞，減少儀器的使用壽命；芯壁比為1∶3時微膠囊包埋率達到最高，魚油含量低時，乳液的穩(wěn)定性差，導(dǎo)致魚油包埋率低，周愛梅等[16]也得出類似結(jié)論；微膠囊包埋率隨均質(zhì)壓力的增大而升高，均質(zhì)壓力較小時，乳液均質(zhì)不充分，導(dǎo)致部分魚油未被包埋進去；當均質(zhì)壓力升到50 MPa時微膠囊包埋率增長較小，并且在均質(zhì)過程中過高的壓力會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致魚油中不飽和脂肪酸(DHA、EPA等)含量減少；m(PPI)∶m(GA)為1∶1時微膠囊包埋率最高。GA具有良好的乳化性，GA含量較低時，乳狀液乳化性及穩(wěn)定性較差，大部分魚油裸露在乳液表面，導(dǎo)致包埋率過低。

注：a、b、c、d分別為壁材質(zhì)量分數(shù)、芯壁比、均質(zhì)壓力、PPI與GA質(zhì)量比對魚油微膠囊包埋率的影響。

2.2 正交試驗結(jié)果與分析

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以包埋率為指標，以壁材質(zhì)量分數(shù)(A)、芯壁比(B)、均質(zhì)壓力(C)、PPI與GA質(zhì)量比(D)為因素進行L9(34)正交試驗，試驗設(shè)計及結(jié)果見表1。

由表1可知，制備魚油微膠囊的最佳工藝條件為A3D2C2B1，即壁材質(zhì)量分數(shù)5%、PPI與GA質(zhì)量比1∶1、均質(zhì)壓力50 MPa、芯壁比1∶ 2。在最佳工藝條件下，進行3次重復(fù)驗證試驗，微膠囊的包埋率可達78.10%。

2.3 魚油微膠囊基本指標

由表2可知，魚油微膠囊的水分含量(1.94±0.08)%，不易發(fā)霉結(jié)塊，易于儲存。休止角為(41.40±0.25)°，流動性好；堆積密度為(0.11±0.02) g/cm3；微膠囊表面油含量為(5.21±

表1 正交試驗結(jié)果與分析

0.82)%，總油含量為(23.79±2.74)%，表面油含量低，產(chǎn)品黏度小。由表3可知，EPA、DHA的保留率分別為94.19%、95.33%，這是由于冷凍干燥技術(shù)制備微膠囊的過程中，既避免了微膠囊產(chǎn)品與空氣接觸同時未受高溫的影響，魚油在壁材的保護下受影響較小。

表2 魚油微膠囊的理化指標

表3 微膠囊化前后魚油脂肪酸含量變化

2.4 熱重分析

熱重(TG)分析反映樣品質(zhì)量與溫度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示，由TG曲線可知，在溫度達到189.61 ℃之前，魚油微膠囊的質(zhì)量僅發(fā)生輕微變化，這主要是由于魚油微膠囊中水分含量較少，隨后隨著溫度的上升，微膠囊的質(zhì)量急劇下降。對TG曲線進行一階求導(dǎo)得到DTG曲線，顯示出此熱解過程分為兩個階段，第一階段發(fā)生在189.61～255.10 ℃，此階段反映了微膠囊壁材發(fā)生劇烈的理化反應(yīng)，化學鍵開始斷裂，裂解成中間產(chǎn)物H2O和CO2，這主要是因為PPI和GA在高溫下受熱溶脹，發(fā)生熱分解，有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序結(jié)構(gòu)[17]。第二階段發(fā)生在255.10～396.01 ℃，是失重加速階段，該階段可能是芯材發(fā)生完全分解，最終炭化[18]。在189.61 ℃以下，微膠囊質(zhì)量幾乎不發(fā)生變化，熱穩(wěn)定性良好，可以滿足大多數(shù)食品的加工要求。

圖2 魚油微膠囊的熱重分析

2.5 魚油微膠囊貯藏穩(wěn)定性

2.5.1 魚油及魚油微膠囊貯藏期間過氧化值的變化

由圖3可知，魚油及其微膠囊的初始過氧化值分別為4.88、5.08 meq/kg，魚油微膠囊化過程并未明顯增加其過氧化值，證明冷凍干燥法制備魚油微膠囊可以有效避免溫度、空氣對魚油品質(zhì)的影響。在貯藏前期(3 d)魚油及其微膠囊過氧化值增長緩慢，3 d后25、35 ℃條件下魚油過氧化值呈快速增長趨勢，這可能是貯藏初期魚油僅有極少量的變質(zhì)成分(醛類、酮類和低分子脂肪酸等)，隨著時間的延長，變質(zhì)成分增加，在變質(zhì)魚油、氧氣、溫度的協(xié)同作用下，魚油的過氧化值快速增長。魚油微膠囊在4 ℃儲存期間，其過氧化值無明顯變化，且遠小于同等條件下魚油的過氧化值，而在25、35 ℃條件下12 d內(nèi)可以維持較低的過氧化值，且隨著儲存時間的延長，其過氧化值增長緩慢。由此可見，魚油微膠囊的壁材對芯材起到了很好的保護作用，有效地降低了魚油的氧化速率。另外，微膠囊產(chǎn)品對溫度較為敏感，貯藏時應(yīng)盡量避免高溫。

圖3 魚油及其微膠囊貯藏過程中過氧化值的變化

2.5.2 魚油微膠囊氧化動力學及貨架期研究

分別用零級(C=C0-kt)、一級(lnC=lnC0-kt)反應(yīng)方程式對魚油微膠囊過氧化值進行線性回歸分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 零級和一級反應(yīng)線性回歸分析

表4 貯藏試驗線性回歸分析

2.6 魚油微膠囊釋放性能研究

2.6.1 溫度對魚油微膠囊芯材保留率的影響

在不同溫度貯藏條件下，微膠囊的芯材保留率如圖5所示。相同溫度下芯材的保留率隨貯藏時間的延長而降低，溫度越高，芯材的釋放速率越快。4 ℃的條件下貯藏21 d微膠囊芯材的保留率為96.26%，而35 ℃下貯藏21 d芯材的保留率為75.52%，這主要是由于魚油微膠囊在貯藏過程中，溫度越高，壁材的通透性越大，甚至會出現(xiàn)裂縫，減小芯材的滲出阻力，加速魚油的釋放；另外，溫度升高同樣會增加芯材分子動能，從而加快釋放速率[19]。

圖5 不同溫度下魚油微膠囊的芯材保留率

由表5可以看出，R2均大于0.96，說明可以用Avrami’s公式來分析魚油微膠囊的釋放過程。n大于1，超過一級反應(yīng)動力學參數(shù)，說明以豌豆蛋白-阿拉伯膠復(fù)合物為壁材制備的魚油微膠囊在不同溫度下的釋放速率為非恒速、非穩(wěn)態(tài)的動力學過程。溫度為4 ℃時的釋放速率常數(shù)遠小于25、35 ℃時的，因此，魚油微膠囊應(yīng)放到低溫環(huán)境中貯藏。

2.6.2 濕度對魚油微膠囊芯材保留率的影響

如圖6所示，微膠囊在不同濕度下的保留率隨貯藏時間的延長呈下降趨勢，濕度越大，芯材保留率下降越快，在濕度為85%的條件下貯藏21 d后，芯材的保留率降至65.01%，遠低于濕度為32%條件下的芯材保留率95.20%，這可能是由于空氣濕度越大，阿拉伯膠發(fā)生吸水的可能性越大，從而破壞壁材的完整性，增加膜的通透性，加快魚油的釋放[20]。

表5 不同貯藏溫度下芯材釋放機理參數(shù)及釋放速率常數(shù)

圖6 不同濕度下魚油微膠囊的芯材保留率

由表6可知，魚油微膠囊在不同濕度下的釋放機理參數(shù)均大于1，隨著相對濕度的增大釋放速率常數(shù)不斷增大，在濕度為85%時的釋放速率常數(shù)是濕度為32%時的3倍，說明相對濕度對魚油微膠囊的影響較為顯著，魚油微膠囊應(yīng)貯藏在低濕環(huán)境中。

表6 不同貯藏濕度下芯材釋放機理參數(shù)及釋放速率常數(shù)

3 結(jié)論

采用PPI和GA為壁材并利用正交設(shè)計優(yōu)化魚油微膠囊制備工藝，得到了最佳制備工藝：壁材質(zhì)量分數(shù)5%，PPI與GA質(zhì)量比1∶1，均質(zhì)壓力50 MPa，芯壁比1∶2。經(jīng)過驗證可知，最佳條件下魚油微膠囊的包埋率為78.10%。最優(yōu)條件下的微膠囊水分含量較少，易于保存，微膠囊流動性較好。利用氣相色譜法測定魚油包埋前后DHA含量的變化，得到了DHA包埋后的保留率分別95.33%。對微膠囊進行熱重分析，得到微膠囊在189.61 ℃以下能保持穩(wěn)定狀態(tài)，可以滿足大多數(shù)食品的加工條件。通過貯藏期間對魚油微膠囊的氧化動力學研究，結(jié)果表明，在4 ℃的貯藏條件下魚油微膠囊的可穩(wěn)定貯藏176 d，顯著提高了魚油的貨架期。研究了魚油微膠囊在不同溫度、濕度下的釋放性能，貯藏溫度和濕度越高，魚油的釋放速率越快。