以改性魔芋膠為主要壁材的核桃油微膠囊制備

胡志紅，嚴 成，*，何 淋，陳 琴，李永學

(1.西南科技大學生命科學與工程學院，四川綿陽621010;2.北川豐煜食品綜合加工進出口有限公司，四川綿陽622750)

核桃(JuglansLegiaLinn.)為核桃科(Jugladaceac)核桃屬(Juglans)植物，干核桃仁中油脂含量 65%～74%［1－2］，核桃油中含有豐富的不飽和脂肪酸，其中，油酸含量約為22.9%，亞油酸含量約為52.4%，亞麻酸含量約為15.2%［3］。不飽和脂肪酸有助于改善血脂、減少心血管疾病等危害［4］。核桃油中含有大量不飽和脂肪酸，在貯藏過程中易受光照、氧氣和溫度等因素的影響而氧化酸敗。油脂微膠囊化是用天然的或合成的高分子化合物作為成膜材料將油脂包裹在5～200μm的小膠囊中，形成一種封閉的小球狀微粒［5］。通過此技術形成的產品不僅能防止核桃油的氧化，而且使液態油脂形成粉末狀，更加便于貯存、運輸及使用。目前國內外學者對核桃油微膠囊的制備進行了相關研究，但大多數用的是傳統的壁材來制備微膠囊，且很多壁材因其成本過高而在工業化生產中受到限制［6－7］。天然高分子多糖魔芋膠，具有穩定性好、成膜性好及成本低廉等特點，適宜于用作微膠囊壁材，但其溶于水后粘度太大，無法直接大量使用。本研究通過酶法對魔芋膠進行改性，適度降低魔芋膠表觀粘度，將改性產物與傳統壁材復配制備核桃油微膠囊，旨在提高微膠囊包埋率和包埋效果的同時開拓微膠囊壁材研究的新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

核桃油 四川金土地有限公司;魔芋膠 葡甘聚糖含量＞85% 北川豐煜食品有限公司;β－甘露聚糖酶(酶活≥6×104u/g) 江蘇銳陽生物有限公司;麥芽糊精(MD=18)、大豆分離蛋白(SPI) 市售，食品級;單硬脂酸甘油酯 上海大滬化工有限公司;其它試劑 均為分析純。

DF－101S恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州長城科工貿有限公司;NDJ－9S數顯粘度計 上海精密科學儀器有限公司;BILON－6000Y噴霧干燥器 上海比朗儀器有限公司;Evo18掃描電子顯微鏡 德國蔡司公司;SLS－60－70高壓均質機 上海申鹿均質機有限公司;真空冷凍干燥機 美國Thermo Electron公司;索氏提取器等。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性魔芋膠的制備 精確稱取0.0500g β－甘露聚糖酶定容至1000mL，得酶液Ⅰ，按照酶液Ⅰ∶水=1∶9比例量取酶液Ⅰ和蒸餾水配制酶液Ⅱ，將一定量的魔芋膠加入到酶液Ⅱ中，40℃下酶解1.5h，取出立即在沸水中滅酶10min，冷卻，冷凍干燥得改性魔芋膠，測定表觀粘度。

1.2.2 核桃油微膠囊的制備 以核桃油為芯材，改性魔芋膠、大豆分離蛋白和麥芽糊精為復合壁材，單甘酯為乳化劑，乳液總固形物含量為20%(w/w)。稱取配方含量的改性魔芋膠，大豆分離蛋白和麥芽糊精，分別溶于45、55、30℃溫水中，攪拌使其完全溶解，冷卻后，將三種壁材混合，補足余量的水，制得復合壁材。加入一定量的核桃油及單甘酯，磁力攪拌20min，將乳液高壓均質3次，均質壓力35MPa，均質后的配料液在進風溫度180℃，出風溫度90℃條件下噴霧干燥。

1.2.3 核桃油微膠囊配方單因素實驗 根據預實驗，固定乳液總固形物含量為20%，考察各因素對核桃油微膠囊包埋率的影響。

1.2.3.1 核桃油含量對微膠囊包埋率的影響 固定改性魔芋膠含量25%，大豆分離蛋白含量14%，單甘酯含量1%，核桃油含量設計為20%、25%、30%、35%、40%，余量為麥芽糊精，探討不同含量核桃油對微膠囊包埋率的影響。

1.2.3.2 改性魔芋膠含量對微膠囊包埋率的影響固定大豆分離蛋白含量14%，單甘酯含量1%，核桃油含量參照前面實驗結果，改性魔芋膠含量設計為15%、20%、25%、30%、35%，余量為麥芽糊精，探討不同含量改性魔芋膠對微膠囊包埋率的影響。

1.2.3.3 大豆分離蛋白含量對微膠囊包埋率的影響固定單甘酯含量1%，核桃油、改性魔芋膠含量參照前面實驗結果，大豆分離蛋白含量設計為8%、11%、14%、17%、20%，余量為麥芽糊精，探討不同含量大豆分離蛋白對微膠囊包埋率的影響。

1.2.3.4 單甘酯含量對微膠囊包埋率的影響 核桃油、改性魔芋膠、大豆分離蛋白含量參照前面實驗結果，單甘酯含量設計為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，余量為麥芽糊精，探討不同含量單甘酯對微膠囊包埋率的影響。

1.2.4 核桃油微膠囊配方響應面實驗設計 采用Box－Behnken方法，根據單因素實驗結果，以核桃油、改性魔芋膠、大豆分離蛋白及單甘酯含量(w/w)四個因子為自變量，分別以 X1、X2、X3、X4表示，各因素取值范圍分別確定為30%～40%、25%～35%、14%～20%、0.5%～1.5%，按照方程 xi=(Xi－X0)/ΔX 對自變量進行編碼，式中，xi為自變量編碼值，Xi為自變量真實值，X0為實驗中心點處自變量真實值，ΔX為自變量變化步長，以包埋率(Y)為響應值，建立二次多項式數學模型:

式中，Y為預測響應值，β0為常數項，βi為線性系數，βii為二次項系數，βij為交互項系數。

表1 BBD實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of Box－Behnken design

1.2.5 核桃油微膠囊化的效果評定 包埋率是評價微膠囊包埋效果重要指標。包埋率越高，表明被包埋的核桃油越多，產品穩定性越好。

包埋率(%)=(1－微膠囊表面油含量/微膠囊總油含量)×100

微膠囊總油含量測定，微膠囊破碎后，用無水乙醚作溶劑，索氏抽提法測定微膠囊總油含量。

微膠囊表面油含量測定［8］:用沸程30～60℃的石油醚作為溶劑，稱取2g微膠囊產品，將40mL石油醚分3次加入，每次均振蕩，過濾，合并濾液，將濾液在50℃水浴中加熱，蒸出石油醚，稱重，得油的質量即微膠囊表面油含量。

1.2.6 核桃油微膠囊貨架壽命預測 將經優化配方的核桃油微膠囊和未微膠囊化的核桃油分別置于60℃(60℃下貯藏1d相當于20℃室溫下貯藏16d［9］)培養箱中進行加速氧化實驗，定時取樣，根據GB/T5009.37－2003 法［10］測定二者的過氧化值(POV)。貨架壽命以油脂在貯藏過程中POV達到國家標準允許最大值［11］所用天數來計。

油脂氧化在反應動力學上屬于一級反應［12］，反應方程為:

lnP=kt+lnP0

式中，P:過氧化值(meq/kg);k:反應速度常數;t:反應時間(d);P0:樣品起始過氧化值。

1.2.7 核桃油微膠囊掃描電鏡觀察 在電鏡進樣臺上貼上導電膠，將少許微膠囊粉末撒于膠面上，吹去多余的粉末，噴金后用掃描電子顯微鏡觀察微膠囊的表面結構及粒徑，加速電壓為5kV。

2 結果與分析

2.1 改性魔芋膠表觀粘度的測定

參照 GB/T18104－2000 方法［13］，測得改性魔芋膠的表觀粘度平均值為0.2Pa·s，此粘度下的魔芋膠有利于微膠囊噴霧干燥造粒，適宜用作壁材［14］。

2.2 核桃油微膠囊配方單因素實驗

2.2.1 核桃油含量對包埋率的影響 如圖1所示，包埋率隨著核桃油用量的增加而逐漸增大，但隨著芯材繼續增加，壁材無法對芯材進行充分包埋，微膠囊表面油含量增加，導致包埋率降低。結果表明，適宜的核桃油含量為35%。

圖1 核桃油含量對微膠囊包埋率的影響Fig.1 Effect of walnut oil content on microencapsulation efficiency

2.2.2 改性魔芋膠含量對包埋率的影響 由圖2可知，隨著改性魔芋膠含量增加，包埋率也隨著增大，但當改性魔芋膠含量超過30%時，包埋率反而下降，這可能是由于改性魔芋膠的成膜性較好，添加一定量時有利于囊壁的形成，添加過多時易堵塞噴霧口，反而使包埋率降低。故改性魔芋膠含量控制在30%為宜。

圖2 改性魔芋膠含量對微膠囊包埋率的影響Fig.2 Effect of modified konjac gum content on microencapsulation efficiency

2.2.3 大豆分離蛋白含量對包埋率的影響 如圖3所示，隨著大豆分離蛋白含量增加，包埋率也增大，但當其含量達到17%時，繼續增加其添加量，包埋率略有降低。大豆分離蛋白雖成膜性、乳化性優良，但其成本相對較高，在不影響包埋率的同時，力求找出最小使用量。綜合上述分析，大豆分離蛋白用量為17%較佳。

圖3 大豆分離蛋白含量對微膠囊包埋率的影響Fig.3 Effect of SPI content on microencapsulation efficiency

2.2.4 單甘酯含量對包埋率的影響 如圖4所示，包埋率隨著單甘酯含量的增加先增大后降低，當單甘酯含量為1%時達到最大值。乳化劑用量直接影響產品質量，過高的乳化劑用量會使產品口感不佳，且提高成本［15］。結合產品口感及成本考慮，單甘酯用量1%為宜。

圖4 單甘酯含量對微膠囊包埋率的影響Fig.4 Effect of glycerin monostearate content on microencapsulation efficiency

2.3 核桃油微膠囊配方的響應面優化實驗結果與分析

2.3.1 回歸方程模型的建立、顯著性檢驗及方差分析 根據表1的實驗設計進行了29次實驗，實驗值及預測值見表2，使用Design Expert7.0版軟件對表2的實驗數據進行回歸分析，得二次多元回歸方程(模型)為

Y=89.66－0.54X1－1.70X2+3.05X3+0.55X4－0.88X1X2－0.39X1X3－2.27X1X4+0.51X2X3+0.61X2X4－0.44X3X4－15.16X12－4.21X22－3.84X32－2.59X42

表2 Box－Behnken實驗設計及結果Table 2 Box－Behnken design and experimental results

該模型的回歸分析見表3。該模型的 p＜0.0001，表明模型極其顯著，能夠比較好地描述各因素與響應值之間的真實關系。由表3可知，X1、X2、X3、X4、X1X2、X1X4、X2X3、X2X4、X12、X22、X32和X42具有統計學意義(p＜0.05)，失擬項p=0.7190＞0.05表

表3 回歸分析結果Table 3 Variance analysis for the fitted regression model

2.3.2 配方的響應曲面分析及優化 由圖5～圖7可知，隨著核桃油含量不斷增大，包埋率也逐漸增大;當核桃油含量約為35%時，包埋率達到最大值。當核桃油含量繼續增大時，壁材無法對芯材進行充分包埋，且囊壁越來越薄，導致包埋率降低。

為了湊夠每天一萬多步,往常吃肉喝酒的傍晚,現在變成了在街頭徒步。饑餓如期而至,沿街的小餐館里飄出各種菜的香味。在一家館子的門口,我甚至嗅出了幾道菜的味道:蒜薹肉絲,火爆腰花……這是很大的折磨,雙腳也開始不聽使喚起來,步履變得沉重。但是,這種饑餓的感覺又讓我感到欣喜,因為我能夠確信,自己的行動正在產生價值。

圖5 核桃油和改性魔芋膠含量對微膠囊包埋率影響的響應曲面Fig.5 Response surface graph of walnut oil and modified konjac gum content on microencapsulation efficiency

圖6 核桃油和大豆分離蛋白含量對微膠囊包埋率影響的響應曲面Fig.6 Response surface graph of walnut oil and SPI content on microencapsulation efficiency

圖7 核桃油和單甘酯含量對微膠囊包埋率影響的響應曲面Fig.7 Response surface graph of walnut oil and glycerin monostearate content on microencapsulation efficiency

由圖5、圖8～圖9可知，微膠囊的包埋率隨著改性魔芋膠含量增加顯著增大。當改性魔芋膠含量達到30%時達到最大值，隨著改性魔芋膠含量繼續增大包埋率逐漸降低。這可能是由于改性魔芋膠成膜性較好，干燥過程中能在液滴的表面形成一層光滑薄膜，有助于噴霧造粒，但改性魔芋膠不具有乳化性且粘度相對較高，過量地添加于微膠囊中，會堵塞霧化器噴頭，不利于噴霧干燥過程的迅速脫水。

圖8 改性魔芋膠和大豆分離蛋白含量對微膠囊包埋率影響的響應曲面Fig.8 Response surface graph of modified konjac gum and SPI content on microencapsulation efficiency

圖9 改性魔芋膠和單甘酯含量對微膠囊包埋率影響的響應曲面Fig.9 Response surface graph of modified konjac gum and glycerin monostearate content on microencapsulation efficiency

同樣，如圖10所示，大豆分離蛋白和單甘酯含量對包埋率的影響也呈現先增加后減小的趨勢，當大豆分離蛋白含量達到18%、單甘酯含量為1%時，包埋率較大，這也說明在油脂微膠囊制備過程中，并非乳化性物質含量越大，微膠囊包埋率越高。

圖10 大豆分離蛋白和單甘酯含量對微膠囊包埋率影響的響應曲面Fig.10 Response surface graph of SPI and glycerin monostearate content on microencapsulation efficiency

2.3.3 驗證實驗 根據響應曲面優化結果選出最優配方，為方便起見以核桃油含量34.9%，改性魔芋膠含量29.1%，大豆分離蛋白含量18.2%，麥芽糊精含量16.8%，單甘酯含量1%，進行三次平行實驗，核桃油平均包埋率為90.48%，與理論最大值90.41%非常接近，因此采用響應面法得到的核桃油微膠囊配方工藝，準確可靠，具有實用價值。

2.4 微膠囊的貨架壽命預測

核桃油微膠囊和未微膠囊化的核桃油在60℃貯藏7d，過氧化值變化如圖11所示，由圖11可以看出，核桃油經微膠囊化后，其氧化速率明顯低于未經微膠囊化的核桃油，這是因為，油脂被壁材包裹之后可大大減少與空氣中氧氣接觸，從而延長其貯藏期。

圖11 60℃貯藏條件下微膠囊及核桃油的過氧化值變化Fig.11 Peroxide value change of microcapsule and walnut oil storage at 60℃

由以上方程可知:當 P=20meq/kg［11］時，t1=4.336;相當于常溫狀態下保存69d;t2=11.802;相當于常溫狀態下保存189d;

由以上分析可知，微膠囊化的核桃油的貨架壽命顯著高于未微膠囊化的核桃油。

2.5 核桃油微膠囊微觀結構

圖12(A)可以看出，優化配方后的核桃油微膠囊大多數呈圓形，但也有少許的顆粒表面呈凹凸不平狀，這可能是由于在噴金過程中抽真空所致。微膠囊的大小較均一，直徑在15～20μm之間，圖12(B)是核桃油微膠囊在掃描電鏡下放大10000倍的表面形貌圖，可以看出，顆粒表面光滑，無裂紋和孔隙。可以推測，本研究中，所選用的復合壁材對核桃油具有較好的包埋效果。

圖12 核桃油微膠囊電鏡照片Fig.12 Walnut oil microcapsule SEM photos

3 結論

用噴霧干燥法以改性魔芋膠、大豆分離蛋白、麥芽糊精為壁材，單甘酯為乳化劑制備了核桃油微膠囊，響應曲面分析結果表明:核桃油微膠囊最佳配方是核桃油含量34.9%，改性魔芋膠含量29.1%，大豆分離蛋白含量18.2%，麥芽糊精含量16.8%，單甘酯含量1%，微膠囊包埋率達到90.48%，微膠囊化后的核桃油貨架壽命明顯延長。

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