奇亞籽油微膠囊的制備及表征

常馨月，陳程莉，董全

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

奇亞籽(Chia seed)為芡歐鼠尾草的種子，屬唇形花科，又名山香籽、鼠尾巴草種子，原產于墨西哥中部、南部和危地馬拉等地區[1]，目前主要種植于墨西哥、玻利維亞、厄瓜多爾和危地馬拉等地[2]。奇亞籽油作為一種新型功能性油脂，種子含油量約為25%～38%[3]，其α-亞麻酸(ALA)、亞油酸(LA)含量高達80%以上，是人體補充ω-3脂肪酸的油脂來源[4-5]。現代研究表明，富含多不飽和脂肪酸的飲食可以降低許多疾病的風險，尤其是心血管疾病、癌癥和代謝綜合征，因此日益受到人們的重視[6-7]。此外，奇亞籽油中還含有甾醇、生育酚、角鯊烯、綠原酸、槲皮素等多種活性物質，高含量的ALA和抗氧化物質, 使奇亞籽油具有調節血脂、抗氧化、促進腫瘤細胞凋亡等多種生理活性[8]，對于預防冠心病、炎癥、哮喘、視網膜等疾病和維持腦功具有重要的意義[9-10]，因此，奇亞籽油具有較高的營養價值, 是一種具有良好潛力的保健品資源，具有很大的開發和應用前景。從營養角度看，奇亞籽油中富含多不飽和脂肪酸，對人體健康有積極的影響；然而，當這些產品與氧、光、濕、熱接觸時，就會發生脂質氧化，產生揮發性化合物，從而改變它們的化學結構和感官質量，導致其貨架期縮短[11-12]。因此，延緩奇亞籽油的氧化對其功效和食用安全具有重要意義。

微膠囊技術不僅能有效防止奇亞籽油在儲存和加工的不良反應，減少外部環境對奇亞籽油的氧化作用，還能有效控制油脂在存放期間風味的釋放，改善消化吸收率，延長產品貨架期[13]。現階段微膠囊化的方法主要有：復合凝聚技術[14]、噴霧技術(噴霧干燥法、噴霧冷卻法和電噴霧法)[15]、共擠出技術[16]、真空冷凍干燥技術[17]等。其中，冷凍干燥技術是在真空環境中將芯材凍結在共結晶點以下，使其凝固，并在極低壓力下提供熱量使物料中的水升華，從而使物料脫水的方法[18]。為了保證奇亞籽油的綜合利用價值，本試驗探究了奇亞籽油微膠囊的制備工藝參數，并對獲得的微膠囊產品的理化性質進行研究，旨在為奇亞籽油產品的開發提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

奇亞籽油，西安明朗生物技術有限公司；酪蛋白酸鈉、D-乳糖水合物(食品級)，山東西亞化學工業有限公司；石油醚、無水乙醇(分析純)，成都市科隆化學品有限公司；無水乙醚(分析純)，揚州三和化工有限公司。

1.2 儀器與設備

冷凍干燥機，北京松源華興科技發展有限公司；膠體磨，溫州昊星機械設備制造有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠；電熱鼓風干燥箱,天津賽得利斯試驗分析儀器制造廠；箱式電阻爐，上海一恒科學儀器有限公司；凱氏定氮儀，上海沛歐分析儀器有限公司；醫用離心機，長沙高新技術產業開發區湘儀離心機儀器有限公司；馬爾文激光粒度分析儀，英國馬爾文儀器公司；Phenom Pro掃描電鏡，Phenom World公司；Spectrun 100傅里葉紅外光譜儀，美國PerkinElmer公司；DSC 4 000差示掃描量熱儀，美國PerkinElmer公司。

1.3 方法

1.3.1 奇亞籽油微膠囊的工藝流程

酪蛋白酸鈉+D-乳糖-水合物→溶解→調配→奇亞籽油→恒溫磁力攪拌均勻→膠體磨乳化→冷凍干燥→奇亞籽油微膠囊

1.3.2 單因素試驗

選擇壁材比[m(酪蛋白酸鈉)∶m(D-乳糖-水合物)]、乳化溫度、固形物濃度、乳化時間和壁芯比(質量比)作為評價包埋率的主要因素，采用單因素試驗，探究其對奇亞籽油微膠囊效果的影響。

表1 單因素實驗因素及水平表

1.3.3 奇亞籽油微膠囊包埋率的測定

1.3.3.1 微膠囊表面油含量的測定

1.3.3.2 微膠囊總油含量的測定

參考李成忠等[19]的方法并有所改進。稱取1.0 g(準確至0.000 1 g)奇亞籽油微膠囊產品放入潔凈干燥的燒杯中，加入熱水20.0 mL，充分攪拌溶解后，依次加入無水乙醇、石油醚、無水乙醚(體積比2∶1∶1)，攪拌靜置后，將上層萃取液移入干燥至質量恒定的圓底燒瓶內，重復萃取2次，將萃取液歸并入圓底燒瓶，在50 ℃條件下旋轉蒸發除去溶劑，放入烘箱中烘至恒重，稱量并計算得到總油含量。

1.3.3.3 包埋率的計算[20]

(1)

式中：m1，微膠囊產品表面油含量;m2，微膠囊產品總油含量。

1.3.4 理化性質

1.3.4.1 水分測定

稱取1～2 g微膠囊產品置于烘箱中，在105 ℃下烘干至恒重，水分含量為烘干前后質量減少的百分數。

1.3.4.2 灰分測定

采用550 ℃灼燒法。參考《GB/T 5505—2008糧油檢驗 灰分測定法》。

1.3.4.3 粗蛋白測定

參考GB5009.5—2010。

1.3.4.4 流動性測定

準確稱取10 g奇亞籽油微膠囊樣品倒入漏斗，使微膠囊通過漏斗自然下落，在水平圓板上堆積，進行3次平行試驗。測量粉堆高度H及粉堆覆蓋半徑R，按公式(2)求出休止角，休止角越大散落性越好，休止角越小散落性越差。

(2)

1.3.4.5 堆密度的測定

準確稱取3 g奇亞籽油微膠囊樣品,緩慢地裝入有刻度的量筒中，并將量筒水平勻速晃動使微膠囊粉末自然下沉，測定體積，并計算單位體積微膠囊的質量即微膠囊的堆積密度。每一樣品進行3次平行試驗。微膠囊堆密度按公式(3)計算:

(3)

式中:ρ，微膠囊堆密度，g/cm3；M，微膠囊質量,g；V，容器容積，cm3。

1.3.4.6 溶解度的測定

已知微膠囊的水分含量m，準確稱取一定質量(W)的微膠囊產品放入50 mL的離心管中，加入20 mL蒸餾水，在漩渦振蕩儀上振蕩2 min,使微膠囊充分溶解，然后在4 500 r/min離心15 min，除去上層溶液，再用少量的水把沉淀轉移到已知質量的稱量皿 (W1)中，在105 ℃烘箱中干燥至恒重(W2)。溶解度按公式(4)計算：

(4)

1.3.5 粒徑分布

將待測微膠囊樣品用蒸餾水稀釋至一定濃度,用激光粒度分析儀進行粒度分析，得到微膠囊的粒徑分布，并繪制顆粒大小分布曲線圖。

1.3.6 表面結構觀察

在樣品臺上貼上一層導電膠帶，將微膠囊粉末均勻平鋪在導電膠帶上，樣品經噴金處理后用掃描電子顯微鏡觀察,加速電壓為10 kV，放大倍數分別為5 000、10 000倍。

1.3.7 紅外光譜分析

分別取2 mg的酪蛋白酸鈉，D-乳糖水合物，奇亞籽油，冷凍干燥后的微膠囊樣品，加入200 mg的溴化鉀(105 ℃烘干)研磨壓片，放于紅外儀上進行掃描分析。掃描范圍為400～4 000 cm-1，光譜分辨率2 cm-1，掃描次數64次。

1.3.8 DSC測定

用鑷子分別稱取2～4 mg的酪蛋白酸鈉，D-乳糖水合物，奇亞籽油，微膠囊樣品放入坩堝中，壓片后用差式掃描量熱儀測定。測定條件為：掃描溫度范圍20～250 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.4 數據統計與分析

利用Oigin軟件(Vertion 9.0)對單因素試驗折線圖進行分析，利用Design-Expert(Vertion 8.0.6)對響應面試驗進行線性回歸和方差分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 壁材比的影響

由圖1可以看出，隨著壁材比的增大，微膠囊包埋率先迅速增大，后逐漸減小。當壁材比為1∶1時，包埋率最高。當壁材比增加到1∶1以上時，微膠囊包埋率隨著壁材比的增加而快速降低，這是因為一方面酪蛋白酸鈉是一種表面活性劑，提高一定的濃度，可以降低油-水界面的張力，容易形成平衡、穩定的乳狀液。但是酪蛋白酸鈉也具有凝膠性，過量后會導致乳化液黏度增加，阻礙芯材和壁材的結合，影響均質效果，進而影響包埋率。另一方面隨著壁材比的增加，D-乳糖-水合物含量降低，不能有效地包埋奇亞籽油與酪蛋白酸鈉形成的絡合物，使包埋率降低。因此選擇壁材比1∶2～2∶1進行優化試驗。

圖1 壁材比對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響

2.1.2 乳化溫度的影響

從圖2可知，隨著乳化溫度的升高，微膠囊包埋率先逐漸增大后逐漸減小，在乳化溫度為70 ℃，微膠囊的包埋率達到最高。可能是因為溫度過低不利于酪蛋白酸鈉和D-乳糖-水合物的充分溶解，使得乳化效果差，導致包埋率低；當溫度過高時，壁材的溶解度較溫度低時高，但溫度過高會造成蛋白質變性，不利于乳化，導致包埋效果不好。因此選擇乳化溫度70 ℃進行優化和驗證試驗。

圖2 乳化溫度對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響

2.1.3 固形物濃度的影響

如圖3所示，固形物濃度對微膠囊化的影響是顯著的。隨著固形物濃度的增加，微膠囊包埋率迅速增加；當濃度超過一定范圍時，隨著固形物濃度的增加，微膠囊包埋率急劇下降。當固形物濃度達到30%時，包埋率最高。這可能是因為當固形物濃度逐漸增加時，溶液中的芯材和壁材的含量均增加，形成的微膠囊具有較好的致密性和強度。但當固形物濃度過高時，容易使乳化液黏度過高，不利于均勻化，均質效果差，導致包埋率降低。因此選擇固形物濃度 25%～35%進行優化試驗。

圖3 固形物濃度對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響

2.1.4 乳化時間的影響

如圖4所示，在一定范圍內，隨著乳化時間的延長，微膠囊包埋率沒有明顯的增減趨勢，總體水平保持在82%～88%。乳化時間為9 min時包埋率達到最大。這可能是因為隨著乳化時間的延長，溫度逐漸升高，乳化液黏度下降，微粒子變動，使得微膠囊穩定性和微粒子穩定性受到極大影響，從而導致微膠囊包埋率下降。因此選擇乳化時間9 min進行優化和驗證試驗。

圖4 乳化時間對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響

2.1.5 壁芯比的影響

如圖5所示，包埋率隨壁芯比的增大而逐漸增大，在2∶1時達到最大值，當超過2∶1時包埋率迅速下降。這可能是因為隨著壁芯比的增加，壁材含量升高，可以達到較好的包埋效果，包埋率也隨之升高；但當壁芯比過大，壁材含量過多，不能完全包埋住芯材，形成的乳化液穩定性不佳，黏度增大，容易造成壁材的浪費，導致包埋率降低。因此選擇壁芯比1.5∶1～2.5∶1進行優化試驗。

圖5 壁芯比對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響

2.2 響應面試驗結果與分析

根據單因素試驗結果，綜合考慮各因素對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響，各因素的選擇水平見表2。

表2 響應面試驗因素水平表

利用Design-Expert分析軟件，采用B0x-Behnken設計試驗，以壁材比、固形物濃度、壁芯比為自變量，包埋率為響應值，對奇亞籽油微膠囊的制備條件進行優化。試驗結果見表3。從表3可知，包埋率最高的1組為試驗6。

表3 響應面實驗方案及結果

2.2.1 微膠囊包埋率的回歸方程及方差分析

軟件分析結果得到二次多項式回歸方程為：

Y=88.24-3.57A-1.15B+7.15C-1.74AB+2.65AC+2.63BC-5.71A2-1.87B2-5.33C2

由表4可知，以微膠囊包埋率為響應值時，該模型極顯著(P<0.000 1)，失擬項不顯著(P=0.060 4>0.05)，說明模型預測值與實際誤差較小，即該回歸模型能夠較好地擬合壁材比、固形物濃度及壁芯比對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響情況。回歸方程中所述各因素與響應值之間存在顯著關系(R2=0.987 4)，表明微膠囊包埋率的變化有98.74%來源于所選變量，說明該模型與實際擬合較好。

表4 回歸模型的方差分析

注：***表示極顯著性差異(P<0.000 1);**表示高度顯著性差異(P<0.01)；*表示顯著性差異(P<0.05)

方差分析結果表明：A、C、A2、C2呈極顯著影響(P<0.000 1)，AC、BC呈高度顯著影響(P<0.01)，B、AB、B2呈顯著影響(P<0.05)。說明壁材比例、固形物濃度和壁芯比均對奇亞籽油微膠囊的包埋率有一定的影響，就影響程度上，壁芯比>壁材比>固形物濃度。

2.2.2 響應面結果分析

通過分析壁材比A、固形物濃度B和壁芯比C3個因素的交互作用對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響，分別得到各因素交互作用關系的響應面圖和等高線圖，參見圖6、圖7、圖8。

圖6 壁材比及固形物濃度對包埋率的影響

由圖6可知，在一定范圍內，當固形物濃度一定時，包埋率隨壁材比的增大先升高后降低；當壁材比一定時，包埋率隨固形物濃度的增大先升高后減小，說明壁材比和固形物濃度均對包埋率有影響。當壁材比或固形物濃度確定時，固形物濃度的坡度更為平緩，說明壁材比對奇亞籽油包埋率的影響大于固形物濃度。等高線由高水平到低水平逐漸密集，與其他2個圖相比，圖6中的等高線更趨于圓形，坡度最為平緩，說明壁材比與固形物濃度之間的交互作用對包埋率的影響最小。

從圖7可以看出，微膠囊包埋率隨壁材比和壁芯比的變化呈現比較陡峭的坡度，說明壁材比和壁芯比均對包埋率影響較大。當壁材比或壁芯比確定時，壁材比的坡度較為平緩，說明壁芯比對奇亞籽油包埋率的影響大于壁材比。圖中等高線的分布趨于橢圓，說明壁材比與壁芯比的交互作用對包埋率呈高度顯著的影響。

圖7 壁材比及芯壁比對包埋率的影響

由圖8可以看出，固形物濃度和壁芯比的變化也會使微膠囊包埋率呈現比較陡峭的坡度，說明固形物濃度和壁芯比對包埋率均有較大的影響。當固形物濃度或壁芯比確定時，固形物濃度的坡度更為平緩，說明壁芯比對奇亞籽油包埋率的影響大于固形物濃度。圖中等高線呈橢圓狀，說明固形物濃度與壁芯比的交互作用對包埋率有顯著影響。在本實驗中，不同因素的交互作用對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響為：AC>BC>AB。因此，在冷凍干燥法制備奇亞籽油微膠囊的實際生產過程中，在乳化溫度和乳化時間固定的條件下，通過控制壁材比、固形物濃度、壁芯比等因素，可以提高包埋率。

圖8 固形物濃度及壁芯比對包埋率的影響

2.3 驗證試驗

通過Design-Expert.V 8.0.6軟件得到最佳工藝參數為壁材比1.1∶1、固形物濃度31.32%、壁芯比2.34∶1，在此工藝條件下，微膠囊的理論包埋率為90.90%。在最佳條件下，進行3次平行實驗，得到平均包埋率和預測精度分別為90.65%和99.72%，說明預測值與實驗值接近，表明該模型是有效的。

2.4 奇亞籽油微膠囊的理化性質

奇亞籽油微膠囊產品呈疏松粉末狀，色澤呈乳白色，無雜質顆粒或酸敗等異味。從表5可知，奇亞籽油微膠囊中水分含量為(4.46±0.01)%，表明微膠囊產品水分含量低，不易黏結成塊發生霉變。根據休止角和流動性的對應關系，30°～45°即產品的流動性較好，由于奇亞籽油微膠囊的休止角為(36.71±0.11)°，堆密度為(0.21±0.01) g/cm3，說明制備得到的微膠囊的流動性較好，粉末表面光滑，黏度小。微膠囊表面油含量為(2.82±0.15)g/100 g，總油含量(30.16±0.11)g/100 g，微膠囊產品表面含油量少，表明在包埋過程中奇亞籽油揮發少，微膠囊表面甚少破損，奇亞籽油大都被酪蛋白酸鈉和D-乳糖-水合物給包埋住了，從而保證了微膠囊的總油含量和質量。

表5 奇亞籽油微膠囊的理化性質

2.5 奇亞籽油微膠囊粒徑分布分析

由圖9可知，奇亞籽油微膠囊的粒徑主要分散在0.1～1 μm范圍內，符合一般生產對微膠囊粒度的要求，微膠囊的平均粒徑在426.4 nm 左右，多分散系數(PDI)值為0.468，較小的PDI值證明奇亞籽油微膠囊粒徑大小均勻，分布較為集中。

圖9 奇亞籽油微膠囊的粒徑分布

2.6 微膠囊表面結構分析

對最佳制備工藝條件下得到的微膠囊化粉體進行了掃描電鏡觀察，微膠囊外觀形貌見圖10。冷凍干燥過程被認為是一種生產高質量干燥食品的方法，因為干燥過程是在真空和低于環境溫度下進行的。這一特性使得冷凍干燥對熱敏性和生物活性成分如奇亞籽油的干燥特別有吸引力，最大限度地減少了噴霧干燥過程中高溫對產品的損害。由圖10-a可知，以酪蛋白酸鈉和D-乳糖-水合物為壁材制備的奇亞籽油微膠囊呈現不規則的幾何形狀和緊湊的結構，不同于噴霧干燥制備得到的球形、規則的微膠囊形狀。從圖10-b中可以看到，在微膠囊表壁上存在一些突起和小氣孔，這可能是因為，在凍結過程中自由水形成冰晶，冰晶在凍結過程中產生了空洞。

a-微膠囊的不規則形狀；b-微膠囊的表壁結構

2.7 微膠囊紅外光譜分析

a-酪蛋白酸鈉；b-D-乳糖-水合物；c-奇亞籽油；d-奇亞籽油微膠囊

2.8 微膠囊DSC分析

由圖12可知，D-乳糖-水合物和酪蛋白酸鈉發生相轉變的起始溫度分別為144.17、106.59 ℃；吸熱峰分別為150.31、126.82 ℃。

a-D-乳糖-水合物；b-酪蛋白酸鈉；c-奇亞籽油；d-奇亞籽油微膠囊

由圖12d曲線可知，奇亞籽油微膠囊發生相轉變的起始溫度為121.77 ℃，在該溫度前，微膠囊處于玻璃態，性質較穩定，結構還未發生變化。可以看出微膠囊的玻璃化轉變溫度較高，表明此物質較穩定。隨溫度的繼續升高，微膠囊產品中的酪蛋白酸鈉和D-乳糖-水合物在高溫下受熱溶脹，各反應速率也相應的增加，此時有序的晶體結構向無序的晶體結構轉變，奇亞籽油微膠囊發生熱熔解，其峰值為131.17 ℃。由于奇亞籽油微膠囊的熱熔解溫度較高，因此，在常規的熱加工處理過程中，奇亞籽油微膠囊的結構仍然完整。

3 結論

(1)以酪蛋白酸鈉與D-乳糖-水合物為壁材，以奇亞籽油為芯材，采用冷凍干燥法制備奇亞籽油微膠囊。在單因素試驗的基礎上，以微膠囊的包埋率為響應值，以壁材比、固形物濃度和壁芯比為因素值，建立了二次回歸模型方程。3個因素對奇亞籽油微膠囊包埋率的影響順序為：壁芯比>壁材比>固形物濃度。采用響應面法優化微膠囊化工藝，最佳工藝參數為：壁材比(酪蛋白酸鈉∶D-乳糖-水合物)1.1∶1(質量比)、固形物濃度31.32%、壁芯比2.34∶1，在此條件下，奇亞籽油微膠囊包埋率達90.65%。(2)通過測定微膠囊產品的基本理化性質，表明制備得到的奇亞籽油微膠囊水分少，流動性較好，粉末表面光滑，黏度小。(3)微膠囊產品粒徑大小均勻，主要分散在0.1～1 μm范圍內。(4)微膠囊呈不規則的幾何形狀和緊湊的結構，表壁上存在一些突起和小氣孔。(5)芯材、壁材的主要特征吸收峰在微膠囊產品的紅外光譜圖上均有所顯示，只是強度有所減弱，表明奇亞籽油微膠囊的包埋結構形成。(6)經DSC分析表明，當溫度達到131.17 ℃時微膠囊發生熱分解，熱穩定性良好，基本可以滿足一般食品加工條件。