于佳新，張煒環(huán)，王晗，孫輝，李沖偉

（1黑龍江大學農(nóng)業(yè)微生物技術教育部工程研究中心，哈爾濱 150500；2黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱 150080；3樺南農(nóng)盛園食品有限公司，黑龍江佳木斯 154400）

0 引言

紫蘇[Perilla frutescens(L.)Britt]是中國衛(wèi)生部頒布的首批藥食同源植物，是目前發(fā)現(xiàn)的α-亞麻酸含量最高的植物品種。在紫蘇籽油中，α-亞麻酸含量高達53.6%～64.5%[1]，在體內(nèi)經(jīng)脫氫和碳鏈延長合成EPA、DHA等代謝產(chǎn)物。DHA是構成大腦腦磷脂及神經(jīng)細胞膜磷脂的重要成分，也是促進和維持神經(jīng)系統(tǒng)細胞生長的主要成分。在整個生命周期，DHA都發(fā)揮著不可替代的作用，特別是對早產(chǎn)兒、嬰幼兒及兒童時期認知功能的發(fā)育具有重要作用[2]。在1993 年，聯(lián)合國衛(wèi)生組織(WHO)和世界糧農(nóng)組織(FAO)就提出了人體日常生活中專項補充α-亞麻酸的建議[3]。然而，紫蘇籽油中α-亞麻酸等不飽和脂肪酸，極易受到外界環(huán)境因素的影響，在加工和貯存過程中易發(fā)生氧化變質(zhì)，這嚴重限制了紫蘇籽油產(chǎn)品的開發(fā)[4]。

微膠囊化技術是采用一種或多種壁材將油脂包裹制成微小顆粒的方法[5]。該技術可以保護芯材免受環(huán)境的破壞，保護芯材生物活性和改善芯材表面特性等作用，使互不相溶的化合物混合均勻并達到有效釋放，近年來，該技術在食品工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛[6]。在微膠囊制備中，壁材選擇至關重要，它不僅影響微膠囊的物理、化學和形態(tài)特性，而且影響芯材的封裝率、保質(zhì)期和保護程度。鐘迪穎等[7]研究表明，與其他樹膠相比，阿拉伯膠“高濃低粘”的特性，會形成穩(wěn)定的乳液，保留住揮發(fā)性物質(zhì)，具有無色、無臭且熱穩(wěn)定性好的特性，在成膜性和乳化性方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢[8]。從營養(yǎng)學角度看，阿拉伯膠更是不會被人體消化吸收的水溶性膳食纖維，能夠促進小腸的蠕動[9]。Krishnan等[10]利用麥芽糊精、阿拉伯膠和改性淀粉分別對豆蔻科油脂進行包埋，貯藏性能測試表明，阿拉伯膠對芯材的保護作用優(yōu)于其他2 種壁材。Shaikh 等[11]對黑胡椒油脂包埋試驗發(fā)現(xiàn)，阿拉伯膠對黑胡椒油脂的保護效果顯著優(yōu)于改性淀粉。阿拉伯膠作為壁材具有許多方面的優(yōu)勢，但鑒于其穩(wěn)定性及價格較高，因此考慮將阿拉伯膠與其他壁材混合使用。

本研究以阿拉伯膠和β-CD為復合壁材，以單硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯為乳化劑，采用噴霧干燥法制備紫蘇籽油微膠囊。通過測定紫蘇籽油微膠囊的水分含量、脂肪酸組成、粒徑分布、包埋率和熱處理穩(wěn)定性，為紫蘇籽油微膠囊工業(yè)化生產(chǎn)奠定理論基礎，對于改進產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)新產(chǎn)品具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

紫蘇籽油由哈爾濱美蘇生物科技開發(fā)有限公司提供；蔗糖脂肪酸酯，單硬脂酸甘油酯，阿拉伯膠，β-CD（均為食品級）。

SU8020場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立有限公司；ZS90 激光粒度儀，美國賽默飛有限公司；IS1O 紅外光譜儀，美國尼高力有限公司；STA499熱重分析儀，德國耐馳公司；TA Q200差示掃描量熱儀，美國耐馳公司；Trace 1310-ISQ 7000氣質(zhì)聯(lián)用儀，美國賽默飛有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 微膠囊制備取適量無菌水分別溶解阿拉伯膠和β-CD，按1:2混合得到壁材溶液；將單甘酯和蔗糖酯混合物(6:4)加入到紫蘇籽油中，得到芯材溶液。將壁材溶液和芯材溶液以3:1 混合，高速分散器(3000 r/min，15 min)進一步乳化，得到乳化液。

乳化液采用噴霧干燥法進行干燥，基于課題組前期研究，設定進風溫度181℃，進料溫度60℃，進料速度15 mL/min，將制備的微膠囊粉末密封備用。

1.2.2 微膠囊基本理化性質(zhì)的測定

（1）含水量：含水量對于維持食品的感官性狀，保障食品貨架期起著至關重要的作用[12]。微膠囊樣品水分含量的測定，參考國標GB 5009.3—2016 食品中水分的測定方法。

（2）微膠囊化效率。微膠囊化效率是微膠囊中芯材與原乳液中芯材的比值[13]。用石油醚洗滌紫蘇籽油微膠囊樣品，緩慢攪拌，重復3 次，收集石油醚于平底燒瓶（質(zhì)量為M0）。揮干溶劑，60℃烘干至恒重(M1)。將紫蘇籽油微膠囊樣品溶解于石油醚，超聲震蕩25 min 后，過濾收集石油醚，再用石油醚充分洗滌濾渣，合并石油醚于平底燒瓶（質(zhì)量為M2），揮干溶劑，60℃烘干至恒重(M3)。微膠囊化效率計算公式見式(1)。

（3）堆積密度。稱取紫蘇油微膠囊樣品Mg 于量筒中，水平勻速振蕩，直至高度不變。記錄堆積體積V，計算微膠囊堆積密度ρ，見式(2)。

（4）休止角。休止角(θ)衡量粉末流動性，是產(chǎn)品品質(zhì)的重要表征參數(shù)[14]。休止角為30°～45°，說明產(chǎn)品具有良好的流動性[15]。使微膠囊樣品置于漏斗中自然下落，堆積在水平圓板上，測量粉堆高度(H)及粉堆覆蓋半徑(R)。休止角計算見式(3)。

（5）溶解度。溶解度反映微膠囊的溶解性，是產(chǎn)品外觀形態(tài)的重要影響指標。溶解度測定參考國標GB 5413.29—2010 嬰幼兒食品和乳品中溶解性的測定。

（6）粒徑。取適量微膠囊樣品配成5%的均勻液體，利用ZS 90激光粒度儀測定微膠囊的粒徑，繪制微膠囊粒徑分布圖，具體參考Cao等[16]的方法。

（7）微觀結(jié)構。利用掃描電子顯微鏡(SEM)，分別在500倍和3000倍放大倍數(shù)下觀察紫蘇籽油微膠囊表面微觀結(jié)構，具體參考Juul等[17]的方法。

1.2.3 微膠囊紅外光譜將微膠囊樣品與溴化鉀按比例進行混合(1:200)，壓制成透明薄片，在2～10 μm波長范圍內(nèi)進行紅外光譜掃描，取阿拉伯膠、β-CD 和紫蘇籽油做空白對照。

1.2.4 脂肪酸測定從紫蘇籽油微膠囊中提取油脂，將油脂甲酯化，利用GC-MS測定微膠囊和紫蘇籽油中脂肪酸的成分及相對含量，具體參考王姝杰[18]的測定方法。

1.2.5 熱重分析熱重分析(TG)是測定樣品質(zhì)量與溫度的相互關系，間接反映樣品受熱后揮發(fā)程度[19]。將微膠囊和紫蘇籽油分別放入熱重分析儀中，在50～600℃范圍內(nèi)程序升溫，設定升溫速率10℃/min，N2流速30 mL/min，測定微膠囊和紫蘇籽油熱處理下質(zhì)量變化，具體參考Hasier等[20]的方法。

1.2.6 差式掃描量熱分析差式掃描量熱儀(DSC)通過測量樣品和參考物的熱量差來分析樣品物理性質(zhì)與溫度關系的熱分析技術。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是物質(zhì)形態(tài)變化的重要參數(shù)，對設定產(chǎn)品貯藏溫度具有指導作用[21]。取適量微膠囊和紫蘇籽油分別放入坩堝，密封，置于差示掃描量熱儀的樣品池中，以10℃/min 的速度升溫，升溫范圍為27～250℃，觀察微膠囊和紫蘇籽油的熱值變化，具體參考鄧姣等[22]的方法。

1.2.7 微膠囊貯藏穩(wěn)定性測定POV 為油脂及脂肪酸等被氧化程度的指標，表明其質(zhì)量變質(zhì)的程度。TBA指的是不飽和脂肪酸的氧化產(chǎn)物醛類與硫代巴比妥酸生成有色化合物，表明不飽和脂肪酸的氧化程度。將紫蘇籽油及微膠囊在60℃的烘箱中分別放置4、8、12、16、20和24 d，測定紫蘇籽油微膠囊的POV和TBA，評價紫蘇籽油微膠囊的熱貯藏性能，具體參考畢會敏等[23]的測定方法。

1.2.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 21.0 軟件對各單因素進行獨立樣本t 檢驗，采用Duncan 檢驗分析單因素的差異性，結(jié)果以平均值±標準差(Mean±SD)表示。每組實驗重復3次，顯著性水平P<0.05為顯著差異，P<0.01為極顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 微膠囊的理化性質(zhì)

由表1 可知，紫蘇籽油微膠囊水分含量僅為2.17%，水分含量低，能夠保障產(chǎn)品貨架期；堆積密度為0.43 g/cm3，處于低堆積密度(0.10～0.20 g/cm3)和高堆積密度(0.50～0.65 g/cm3)之間，且溶解度為74.65%±0.34%，表明該微膠囊溶解性好；休止角為36.27°±0.17°，處于30°～45°之間，表明該微膠囊粘度較小、表面光滑、易于流動；微膠囊粒徑大小均勻，為(17.52±1.86)μm，分布相對集中；微膠囊化包埋率為86.5%，表明該方法微膠囊化成功。

表1 微膠囊的理化指標

圖1是掃描電子顯微鏡觀察到的紫蘇籽油微膠囊表面微觀形態(tài)，由圖1可見，微膠囊外觀呈球形或橢球形，且形態(tài)大小均勻。進一步放大發(fā)現(xiàn)，顆粒表面存在一些褶皺和凹陷，但沒有裂紋及孔洞出現(xiàn)，有一些微小顆粒附著于微膠囊表面，這可能是由于液滴在霧化過程中相互擠壓導致粘連，或是干燥過程中受到液滴水分遷移及表面張力的影響。若微膠囊壁材于熱氣流所造成的膨脹前固化，也會導致壁材收縮從而出現(xiàn)凹陷或褶皺現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的發(fā)生與壁材中碳水化合物的含量有關[24-25]。

圖1 微膠囊表面微觀結(jié)構

2.2 微膠囊紅外光譜掃描

由圖2 可知，紫蘇籽油微膠囊紅外光譜圖主要是由阿拉伯膠、β-CD 與紫蘇籽油的紅外光譜峰疊加而成。在2.99 μm時阿拉伯膠和β-CD的羥基伸縮振動，紫蘇油中不含羥基，在此處無振動；在8.33～10 μm 為阿拉伯膠和β-CD吡喃環(huán)醚鍵C-O-C的伸縮振動。

圖2 微膠囊的紅外光譜

紫蘇籽油中亞麻酸和亞油酸的C=C 在3.57～3.23 μm 處形成3 個強振動峰，在5.72 μm 的振動峰是紫蘇籽油中脂肪酸的C=O振動引起的，紫蘇籽油和微膠囊均具有這4 個吸收峰，但紫蘇籽油吸收峰強度明顯高于微膠囊，表明微膠囊里紫蘇籽油的對應基團的振動較弱，說明壁材對芯材起到了很好的包裹作用。

2.3 微膠囊脂肪酸組成及相對含量

由表2 可知，微膠囊和紫蘇籽油中脂肪酸組成完全一致，主要含有12種脂肪酸，碳鏈長度為C14～C22，不飽和脂肪酸含量豐富，包括單不飽和脂肪酸，如油酸、二十碳酸和棕櫚油酸，多不飽和脂肪酸，如亞麻酸和亞油酸。微膠囊中，僅肉豆蔻酸、十五烷酸和硬脂酸相對含量高于紫蘇籽油，差異顯著(P<0.05)，其余脂肪酸相對含量無顯著差異(P>0.05)。

表2 微膠囊化前后脂肪酸組成及相對含量

2.4 微膠囊熱穩(wěn)定性

由圖3 中TG 曲線可知，隨著溫度的升高，紫蘇籽油質(zhì)量一直維持不變，300℃開始急劇下降，475℃蒸發(fā)完全，基本無剩余。微膠囊從升溫開始有少量的質(zhì)量損失，到100℃趨于平穩(wěn)，可能是由于微膠囊表面水分蒸發(fā)引起的，260℃開始急劇下降，在260～500℃內(nèi)存在2 個質(zhì)量損失階段，分別是微膠囊壁材的熱降解和紫蘇籽油的脂肪酸降解引起的質(zhì)量損失，500℃熱重曲線趨于平緩，與紫蘇籽油相比，還存在一些殘余物。由DTG曲線可知，微膠囊第一階段分解速率僅為每分鐘1.08%，對應其水分揮發(fā)階段，第二階段和第三階段分解速度分別為每分鐘9.82%和3.13%；紫蘇籽油第一階段無分解，第二階段和第三階段分解速度分別為每分鐘11.51%和5.83%，都顯著高于微膠囊。

圖3 微膠囊熱重圖

由圖4 中DSC 曲線可知，在50℃以下微膠囊能夠保持穩(wěn)定的固體形態(tài)，92.85℃微膠囊形態(tài)開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨著溫度的升高，微膠囊進一步熔解，晶體結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，熔解峰值為133.37℃?？梢姡覝責崽幚聿粫淖兾⒛z囊的形態(tài)結(jié)構。

圖4 微膠囊差示掃描量熱圖

將微膠囊和紫蘇籽油在60℃的烘箱中分別放置4、8、12、16、20和24 d，測定紫蘇籽油微膠囊的POV和TBA，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，微膠囊初始POV值為3.93 mmol/kg，紫蘇籽油初始POV 值為3.77 mmol/kg。從第4 天開始，隨著貯存時間的增加，微膠囊和紫蘇籽油的POV 都開始升高，但紫蘇籽油POV值上升很快，微膠囊POV值上升速度低于紫蘇籽油，差異極顯著(P<0.01)，表明微膠囊壁材減緩了芯材的過氧化反應。

圖5 不同貯藏時間微膠囊POV值

由圖6可知，從第4天開始，隨著貯存時間的增加，微膠囊和紫蘇籽油的TBA值都開始升高，但紫蘇籽油TBA值上升很快，微膠囊TBA值上升速度低于紫蘇籽油，差異極顯著(P<0.01)，表明微膠囊壁材減緩了芯材的氧化進程。

圖6 不同貯藏時間微膠囊TBA值

3 討論

3.1 微膠囊的理化性質(zhì)

微膠囊的理化性質(zhì)包括微膠囊產(chǎn)品密度、平均粒徑、溶解性、含水量、流散性以及微觀結(jié)構，高質(zhì)量的微膠囊產(chǎn)品必須具有含水率低、穩(wěn)定性高、流散性好、顆粒均勻、粒度大小適中和溶解性好等特性。Ogrodowska等[26]以麥芽糖糊精，瓜爾豆膠和乳清蛋白濃縮物為壁材，采用噴霧干燥法和冷凍干燥法分別對莧菜油進行包埋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與冷凍干燥法(55.20%)相比，噴霧干燥法(81.70%)的微膠囊化效率更高。Lv等[27]制備杜香油微囊時以明膠和阿拉伯膠為壁材，并采用復凝聚法進行制備，平均包埋率為79.62%。Kang等[28]以阿拉伯膠和麥芽糊精為壁材，采用噴霧干燥法對葉綠素進行包埋，包埋率為77.19%。Fang 等[29]以明膠和海藻酸鈉為壁材制備的蝦青素微膠囊含水量為4.72%±0.01%，休止角為41.20°±0.42°。王月月等[30]以阿拉伯膠和β-CD，通過噴霧干燥制備洋蔥精油微膠囊，含水率為3.69%，堆積密度為0.786g/cm3。由表1 可知，本方法以單甘脂/蔗糖酯(6:4)為復合乳化劑，以阿拉伯膠/β-CD(1:2)為壁材，壁材/芯材比為3:1，制備的紫蘇籽油微膠囊水分含量僅為2.17%，說明噴霧干燥過程中的微膠囊水分蒸發(fā)較充分，有利于產(chǎn)品的儲藏和貨架期的延長。溶解度為74.65%，堆積密度為0.43 g/cm3，保證了產(chǎn)品具有易溶于水的性能。根據(jù)休止角與產(chǎn)品流動性的對應關系可知，休止角30°～45°表明流動性較好，本方法制備的紫蘇籽油微膠囊休止角為36.27°±0.17°，表明產(chǎn)品粘度低，流動性較好。微膠囊的粒徑分析說明，微膠囊粒徑大小均勻，呈正態(tài)分布，主要集中在(17.52±1.86)μm。通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，微膠囊顆粒圓整，囊壁表面平整光滑，無孔洞或破裂現(xiàn)象。

由表2 可知，噴霧干燥后紫蘇油的PUFAs 相對含量略微下降，而MUFAs 和SFAs 的相對含量與噴霧干燥前相比略微增加。這是因為在噴霧干燥過程中，紫蘇油中極少部分的PUFAs 向MUFAs 和SFAs 轉(zhuǎn)變所致。在噴霧干燥后，微膠囊紫蘇籽油的不飽和脂肪酸仍然非常豐富，高達70.85%，其中功能性成分α-亞麻酸和亞油酸分別為36.14%和19.49%。由此可見，采用噴霧干燥法制備紫蘇油微膠囊雖然經(jīng)過瞬間高溫，但未對紫蘇籽油不飽和脂肪酸的營養(yǎng)成分造成破壞。

3.2 微膠囊的熱加工穩(wěn)定性

紫蘇籽油含有豐富的不飽和脂肪酸，通過微膠囊包埋技術，避免高溫處理和長時間儲藏而發(fā)生氧化作用，達到保護紫蘇籽油的營養(yǎng)物質(zhì)，擴大紫蘇籽油的應用范圍[31]。

由圖3 和圖4 可知，在100～260℃持續(xù)升溫過程中，紫蘇籽油微膠囊?guī)缀鯚o質(zhì)量損失；在260～500℃范圍內(nèi)，發(fā)生了2個階段的質(zhì)量損失，分別是由于紫蘇油微膠囊壁材的熱降解以及紫蘇油的脂肪酸降解和斷裂所造成的質(zhì)量損失。紫蘇籽油微膠囊在92.85℃發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，微膠囊的部分成分的剛度和粘度開始下降，彈性增加，隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，此時有序的晶體結(jié)構向無序的非晶體轉(zhuǎn)變，紫蘇油微膠囊逐漸發(fā)生熱熔解，熔解的峰值溫度為133.37℃?？梢?，在常規(guī)的熱加工處理過程中，紫蘇油微膠囊的結(jié)構仍能保持完整。

據(jù)國標GBT 1534—2017，壓榨成品花生油質(zhì)量指標中，POV值要求≤6 mmol/kg。將微膠囊和紫蘇籽油在60℃放置24 d，探究不同貯藏時間微膠囊紫蘇油的氧化程度。由圖5 可知，60℃條件下儲存4 d 時，紫蘇籽油微膠囊POV 值仍符合標準，而紫蘇籽油POV 值已超標，表明微膠囊壁材減緩了芯材的過氧化反應。Winne等[32]研究了紅毛丹提取物在加速條件下對葵花籽油穩(wěn)定性的影響，將葵花籽油置于60℃條件下儲存24天，每6 d檢測一次TBA值。第24天，100 ppm的粗提物顯示TBA 值為11.98 mg/kg，粗提物200 ppm 為(9.19±0.59) mg/kg，300 ppm 的粗提物顯示TBA 值為(8.20±0.81) mg/kg。由圖6 可知，紫蘇籽油第24 天時TBA 值為26.18 mg/kg，經(jīng)包埋過的紫蘇籽油微膠囊TBA 值為7.93 mg/kg，結(jié)果表明微膠囊壁材減緩了芯材的氧化進程。綜上所述，微膠囊POV 值和TBA 值的上升速度要顯著低于紫蘇籽油(P<0.01)，說明復合壁材對紫蘇籽油起到了良好的保護作用，形成的致密囊壁結(jié)構有效阻止氧氣的滲透率，減緩芯材油脂的氧化速度，保障了微膠囊產(chǎn)品的質(zhì)量，擴大了產(chǎn)品的應用范圍。

4 結(jié)論

微膠囊的物理特性與其未來開發(fā)和應用前景有密切關系。本試驗以阿拉伯膠和β-CD 為壁材，以單甘酯-蔗糖酯復配物為乳化劑，通過噴霧干燥法制備紫蘇籽油微膠囊。本方法制備的紫蘇籽油微膠囊休止角為36.27°±0.17°，表明產(chǎn)品粘度低，流動性較好。微膠囊粒徑大小均勻，呈正態(tài)分布，主要集中在(17.52±1.86)μm，表明產(chǎn)品顆粒均勻，粒度大小適中。紫蘇籽油微膠囊水分含量僅為2.17%，說明噴霧干燥過程中的微膠囊水分蒸發(fā)較充分，有利于產(chǎn)品的儲藏和貨架期的延長。溶解度為74.65%，堆積密度為0.43 g/cm3，保證了產(chǎn)品具有易溶于水的性能。在噴霧干燥后，微膠囊紫蘇籽油的不飽和脂肪酸仍然非常豐富，高達70.85%，可見采用噴霧干燥法制備紫蘇油微膠囊雖然經(jīng)過瞬間高溫，但未對紫蘇籽油不飽和脂肪酸的營養(yǎng)成分造成破壞。從紫蘇籽油微膠囊的物理特性及熱加工穩(wěn)定性方面來看，該產(chǎn)品具有流散性好、穩(wěn)定性高、含水率低、顆粒均勻、粒度大小適中和溶解性好等特性，耐熱性好，可以作為熱飲品的添加劑，并且延長了紫蘇油產(chǎn)品的貨架期。該結(jié)果為紫蘇籽油微膠囊化提供了一種新的方法，為擴大紫蘇籽油的應用范圍提供了重要參考價值。