大黃魚魚卵油微膠囊制備工藝及其性質表征

張玲云,張 敏,楊心怡,程文健,陳麗嬌,梁 鵬

(福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002)

大黃魚(Pseudosciaenacrocea),屬硬骨魚綱,鱸形目,石首魚科,黃魚屬,又名黃魚、大王魚、金龍等[1]。根據2018年《中國漁業統計年鑒》,我國海水養殖大黃魚產量達17.76萬噸,其中福建省產量15.05萬噸,占全國總量的84.7%[2]。大黃魚魚卵是其加工過程中產生的主要副產物,占其鮮重的20%～30%。課題組前期采用超臨界CO2流體萃取大黃魚魚卵油,分析其脂肪酸組成發現主要以ω-3 多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)為主,特別是富含二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)[3],表明大黃魚魚卵油具有較高的利用價值。

魚油中的ω-3 多不飽和脂肪酸(PUFAs)含有多個不飽和雙鍵,易于氧化而影響其食用品質;且魚油在水性介質中溶解性較差,還具有一定的腥味,很大程度上限制了魚油在食品工業中的應用[4]。采用微膠囊化技術[5-7],可將液態魚油固體粉末化,生產出具有使用方便、用途廣泛、便于儲存等特點的微膠囊固體粉末,并在一定程度上能夠保護魚油的生物活性[8]。噴霧干燥法因其干燥時溶劑能夠從液滴中迅速蒸發,被廣泛應用于食品及藥品等領域[9-10]。采用噴霧干燥法制備微膠囊時,壁材的類型決定噴霧干燥過程以及微膠囊產品的物理化學和形態特性。[11]研究發現辛烯基琥珀酸淀粉鈉(Sodium starch octenyl succinate,SSOS),具有良好的乳化性、成膜性和載油量高等優點,但其氧化穩定性較差[12],需要與麥芽糊精(Maltodextrin,MD)等淀粉水解產物復配使用以增強微膠囊壁的強度,提高微膠囊的抗氧化性。[11]

目前關于大黃魚魚卵油產品開發方面的相關研究較少,因此為進一步開發利用大黃魚魚卵資源,提升大黃魚資源綜合利用水平,本研究擬以大黃魚魚卵油為芯材,辛烯基琥珀酸淀粉鈉(SSOS)和麥芽糊精(MD)為壁材,并采用低溫噴霧干燥法制備得到高品質的大黃魚魚卵油微膠囊。實驗以大黃魚魚卵油包埋率為指標,在單因素實驗的基礎上,采用響應面法優化大黃魚魚卵油微膠囊制備工藝。最后,對大黃魚魚卵油微膠囊的理化性質及微觀結構進行表征。實驗結果旨在為大黃魚魚卵油的高值化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大黃魚魚卵油 實驗室自制;辛烯基琥珀酸淀粉鈉(SSOS)、麥芽糊精(MD) Space-Time Thickening Agent Co,Ltd;石油醚、乙醚、鹽酸、氯仿、冰乙酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉等 分析純,國藥集團。

HN-30K型手持式均質機 上海汗諾儀器有限公司;FB-110Q型高壓納米均質機 上海勵途機械設備工程有限公司;YC-2000型實驗室低溫噴霧干燥機 上海雅程儀器設備有限公司;Nova NanoSEM 230場發射掃描電子顯微鏡 捷克FEI Czech Republic s.r.o.公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大黃魚魚卵油微膠囊的制備工藝 參考黃善軍等[13]的制備工藝并稍作修改。按比例稱取SSOS和MD,溶解在去離子水中,先用手持式均質機在10000 r/min下混勻3 min,再按一定的芯壁比加入大黃魚魚卵油,8000 r/min下均質3 min,后經高壓納米均質機(200 Bar)進一步均質得到均勻乳化液(牛奶狀)。在一定進風溫度下將制備的乳液噴霧干燥,固定蠕動泵流量15 g/min,通針間隔時長8 s,噴霧壓力0.3 MPa。所得大黃魚魚卵油微膠囊收集在4 ℃下密封避光儲存。

1.2.2 大黃魚魚卵油微膠囊化工藝的單因素研究 以大黃魚魚卵油為芯材,SSOS和MD為壁材,采用噴霧干燥法制備大黃魚魚卵油微膠囊。以微膠囊包埋率為評價指標,以復配比、固形物含量、芯壁比和進風溫度作為主要影響因素,進行單因素實驗。

1.2.2.1 不同壁材復配比對大黃魚魚卵油微膠囊包埋效果的影響 SSOS和MD復配比按1∶1、1.5∶1、2∶1、3∶1、4∶1稱取,保持溶液中固形物含量為25%、芯壁比為1∶2、噴霧干燥機進風溫度為80 ℃,按照1.2.1制備工藝制備大黃魚魚卵油微膠囊,以微膠囊包埋率為指標,考察不同壁材復配比對微膠囊包埋效果的影響。

1.2.2.2 不同固形物含量對大黃魚魚卵油微膠囊包埋效果的影響 選取壁材復配比為1∶1.5、芯壁比為1∶2、噴霧干燥機進風溫度為80 ℃,溶液中固形物含量為15%、20%、25%、30%、35%,按照1.2.1制備工藝制備大黃魚魚卵油微膠囊,以微膠囊包埋率為指標,考察不同固形物含量對微膠囊包埋效果的影響。

1.2.2.3 不同芯壁比對大黃魚魚卵油微膠囊包埋效果的影響 選取壁材復配比為1∶1.5、固形物含量為25%、噴霧干燥機進風溫度為80 ℃、芯壁比為1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶3、1∶4,按照1.2.1制備工藝制備大黃魚魚卵油微膠囊,以微膠囊包埋率為指標,考察不同芯壁比對微膠囊包埋效果的影響。

1.2.2.4 不同進風溫度對大黃魚魚卵油微膠囊包埋效果的影響 選取壁材復配比為1∶1.5、固形物含量為25%、芯壁比為1∶2、噴霧干燥機進風溫度為60、70、80、90、100 ℃,按照1.2.1制備工藝制備大黃魚魚卵油微膠囊,以微膠囊包埋率為指標,考察不同進風溫度對微膠囊包埋效果的影響。

1.2.3響應面法優化制備工藝 在單因素實驗的基礎上,選擇復配比(A)、固形物含量(B)、芯壁比(C)為影響因子,微膠囊包埋率(Y)為評價指標,對大黃魚魚卵油微膠囊化工藝進行響應面分析,以獲得大黃魚魚卵油微膠囊化的最佳制備工藝參數。因素水平表如表1所示。

1.2.4 包埋率的測定 微膠囊包埋率定義為最終干燥的微膠囊包埋的大黃魚魚卵油與原始乳液中的大黃魚魚卵油含量的比率[14]。

1.2.4.1 微膠囊表面油含量的測定 參考SC/T 3505-2006稍作修改測定微膠囊表面油含量。稱取2～5 g樣品(精確至0.001 g),置于50 mL離心管中,緩慢倒入30 mL石油醚(沸程30～60 ℃),用渦旋振蕩器振蕩2 min,雙層濾紙過濾后,重新用10 mL石油醚洗滌錐形瓶和濾紙上的殘渣,隨后收集得到的濾液于干燥恒重的錐形瓶(m1)中,在60 ℃水浴條件下蒸干濾液,轉移至(105±1) ℃烘箱中干燥至恒重(m2)。進行3次平行實驗,實驗結果取平均值。

式中:m表示試樣質量,g;m1表示錐形瓶質量,g;m2表示干燥后的錐形瓶與油脂質量,g。

1.2.4.2 微膠囊總油含量的測定 總油含量的測定參照羅紫-哥特里法(堿性乙醚法)[15]。在100 mL具塞量筒中稱取2 g(精確至0.001 g)樣品,用10 mL熱水(60 ℃)使之徹底溶解,加入1.25 mL氨水,混勻后60 ℃水浴5 min。取出試管后趁熱振蕩2 min,再添加10 mL無水乙醇搖勻。放入涼水中冷卻后,添加25 mL無水乙醚,充分振搖30 s,再加25 mL石油醚,充分振搖30 s,然后靜置30 min。等待上層液體變澄清后,用吸管將上清液吸入提前干燥恒重(m1)的錐形瓶中。再次添加25 mL石油醚進行重復萃取,靜置后,吸出上層清液,注入原錐形瓶內。在60 ℃水浴條件下蒸干濾液,移入(105±1) ℃烘箱中干燥至恒重(m2)。同時進行3次平行實驗,實驗結果取平均值。

式中:m1表示錐形瓶質量,g;m2表示干燥后的錐形瓶與油脂質量,g。

1.2.4.3 微膠囊包埋率計算 計算公式為:

1.2.5 大黃魚魚卵油微膠囊理化性質的測定

1.2.5.1 水分含量的測定 采用直接干燥法,將一定量樣品置于105 ℃烘箱中,烘干至恒重。

式中:m1表示烘干前樣品的質量,g;m2表示烘干后樣品的質量,g。

1.2.5.2 溶解度的測定 稱取5 g樣品放于100 mL燒杯中,攪拌,使樣品溶解于50 mL蒸餾水(25～30 ℃)中,以4500 r/min離心10 min,棄去上清液,加入50 mL水再重復上述步驟[16]。最終用少許水將沉淀物洗入恒重稱量瓶(m1)中,先蒸干水分,再于105 ℃烘箱中烘干至恒重(m2),按下列公式計算溶解度:

式中:m表示樣品質量,g;m1表示稱量瓶的質量,g;m2表示稱量瓶與不溶物的質量,g;B表示樣品的水分含量,%。

1.2.5.3 堆積密度的測定 將微膠囊倒入100 mL帶刻度的量筒中,搖勻振實,將微膠囊填充至量筒刻度線處[17],記錄填充的微膠囊質量(m),以及填充體積(V),按下式計算微膠囊的堆積密度:

式中:m表示樣品質量,g;V表示量筒填充體積,cm3。

1.2.5.4 休止角的測定 休止角法是通過測定粉體的休止角來評價其流動性的方法。將微膠囊粉末倒入一漏斗中,使粉末落在直徑為d的圓盤中心,直至粉末堆積到沿圓盤邊緣自動流出為止,停止注入[18]。測量錐體高度H,培養皿高度h,粉末形成的錐體與水平面構成的夾角即為休止角θ:

式中:H表示錐體高度,cm;h表示培養皿高度,cm;d表示培養皿直徑,cm。

1.2.6大黃魚魚卵油微膠囊的微觀結構 在進樣臺上粘貼雙面膠,在膠面上均勻撒上少許大黃魚魚卵油微膠囊粉末,吹去多余的粉末。真空噴金后用掃描電鏡觀察微膠囊產品的微觀結構,加速電壓為20 eV。

1.3 數據處理

所有實驗均平行測定3次,采用SPSS 20.0軟件對數據進行Duncan檢驗,多重比較得差異顯著性分析結果。采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應面優化設計與分析。采用Origin 9.0軟件作圖,數據以“平均值±標準差”顯示。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 壁材復配比對大黃魚魚卵油微膠囊包埋效果的影響 圖1為壁材復配比對微膠囊包埋效果的影響,隨著SSOS在壁材中占比的增多,包埋率呈先上升后下降的趨勢,當復配比在1∶1～1.5∶1之間時,包埋率有顯著上升的趨勢,在復配比為1.5∶1時達到最高(82.32%);但隨著壁材比例高于1.5∶1后,包埋率反而降低。

圖1 壁材復配比對微膠囊包埋效果的影響Fig.1 Effect of wall material compounding ratio on microcapsule embedding rate注:不同字母表示差異顯著(P<0.05);圖2～圖4同。

圖4 進風溫度對微膠囊包埋效果的影響Fig.4 Effects of inlet air temperature on microcapsule embedding rate

包埋材料自身的性質和適當的復配比例,對乳液的液滴尺寸以及微膠囊的穩定性有重要影響[19]。Wang等[20]指出,SSOS除了含有親水和疏水基團之外,還使乳液具有較低的粘度。此外,其作為乳化劑,可以使液滴表面適當飽和,從而產生尺寸較小的液滴。一般情況下,液滴微小的乳液,絮凝速率通常較慢,具有更高的穩定性[21]。當SSOS和MD的復配比例高于1.5∶1時包埋率降低可能是因為壁材中SSOS含量過多,導致乳化程度加大液滴聚結,影響噴霧干燥效果,造成包埋率下降。因此選擇復配比為1.5∶1進行后續實驗研究。

2.1.2 固形物含量對微膠囊包埋效果的影響 由圖2可知,隨著固形物含量的增加,微膠囊的包埋率逐漸下降。可能是由于固形物含量的增加,使乳液粘度明顯增大,在噴霧干燥過程中液滴成膜速度降低,不利于水分蒸發,造成大黃魚魚卵油芯材損失,從而致使微膠囊包埋率下降[22]。王月月等[23]認為,壁材添加量過多,包埋的芯材較少,壁材雖能夠完全包埋芯材,但有效成分芯材含量較低,也會造成包埋率低。結合噴霧干燥時微膠囊乳液的粒徑與穩定性及微膠囊的包埋率,因此,選擇固形物含量為25%進行后續試驗較為合適。

圖2 固形物含量對微膠囊包埋效果的影響Fig.2 Effects of total solids content on microcapsule embedding rate

2.1.3 芯壁比對微膠囊包埋效果的影響 從圖3中可以看出,芯壁比對微膠囊包埋效果有顯著影響(P<0.05)。包埋率隨壁材比例的增加呈現先上升后下降的趨勢,在芯壁比為1∶2處有最大包埋率為89.28%,此時壁材能夠提供足夠的表面活性物質以穩定乳液,很好地包裹芯材。隨著芯壁比繼續減小到1∶4,包埋率持續下降,與趙婕等[24]研究結果一致。

圖3 芯壁比對微膠囊包埋效果的影響Fig.3 Effects of core-to-wall ratio on microcapsule embedding rate

芯壁比會影響微膠囊的形態及性質,微膠囊壁材一般具有較高的載量,即少量壁材就能包埋大量芯材。若芯壁比過大,就會造成囊壁較薄,致使表面油含量過高。表面油的增加會使微膠囊化粉末的流動性變差,造成粉末粘著而影響產品品質[25]。因此,制備大黃魚魚卵油微膠囊的最佳芯壁比為1∶2。

2.1.4 進風溫度對微膠囊包埋效果的影響 由圖可4知,大黃魚魚卵油包埋率在進風溫度(60～100) ℃范圍內無顯著變化,當溫度由80 ℃繼續上升時微膠囊的包埋率略有下降,與Huang等[26]研究發現羅非魚油微膠囊化封裝效率會隨著進風溫度的升高而提高的結果不同。在噴霧干燥過程中,進風溫度會影響乳液中水分的干燥速度及干燥效果,進而影響大黃魚魚卵油微膠囊的包埋率,若進風溫度過低微膠囊會產生粘壁現象,若進風溫度過高則會造成微膠囊表面凹陷。本研究中微膠囊包埋率隨進風溫度的升高先有所上升后略有下降可能是因為本實驗所用設備為低溫噴霧干燥機,對魚卵油微膠囊包埋率影響較小。因此,結合設備最佳溫度,實驗選擇80 ℃為最佳進風溫度。

2.2 響應面法優化試驗

2.2.1 響應面實驗結果及方差分析 基于單因素實驗結果,以包埋率為響應值,選擇復配比(g/g)、固形物含量(%)、芯壁比(g/g)為自變量,設計三因素三水平響應面分析實驗,實驗結果見表2、表3,采用Design-Expert 8.0.6軟件進行二次響應面回歸分析,得到的大黃魚魚卵油微膠囊包埋效率與各變量的模擬方程為:

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Experimental design and results of response surface methodology

表3 二次響應面回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance of quadratic response surface regression model

Y=66.02-10.97A-1.64B+6.77C+4.67AB+2.04AC-4.39BC+7.84A2-3.13B2+1.46C2

由表3中F值的大小可以評判各個因素對大黃魚魚卵油微膠囊包埋率影響的強弱,且F值越大,對包埋效率影響作用越強。各個因素對大黃魚魚卵油微膠囊包埋效率的影響程度大小的次序為A復配比(g/g)>C芯壁比(g/g)>B固形物含量(%)。其中A、B、C、AB、BC、AC、A2、B2對包埋率的影響極顯著(P<0.01);C2對包埋率的影響顯著(P<0.05)。

2.2.2 響應面交互作用分析 將復配比、固形物含量與芯壁比中的其中一個因素固定為0,考察另外兩個因素之間的交互作用對大黃魚魚卵油微膠囊包埋效果的影響。

2.2.2.1 復配比與固形物含量交互作用對微膠囊包埋率的影響 從圖5可知,復配比和固形物含量對微膠囊包埋率有顯著的交互作用,其與表3結論一致。當復配比處于低水平時,隨著固形物含量的增加,微膠囊包埋率減小。同理,當固形物含量處于低水平時,隨著復配比的增大,微膠囊包埋率減小。

圖5 復配比和固形物含量對微膠囊包埋率的影響Fig.5 Effect of wall material compounding ratio and total solids content on microcapsule embedding rate

2.2.2.2 復配比與芯壁比交互作用對微膠囊包埋率的影響 從圖6可知,復配比和芯壁比對微膠囊包埋率有顯著的交互作用,其與表3結論一致。當復配比處于低水平時,隨著芯壁比的下降,微膠囊包埋率下降。而當芯壁比處于低水平時,隨著復配比的增大,微膠囊包埋率減小。

圖6 復配比和芯壁比對微膠囊包埋率的影響Fig.6 Effect of wall material compounding ratio and core-to-wall ratio on microcapsule embedding rate

2.2.2.3 芯壁比與固形物含量交互作用對微膠囊包埋率的影響 從圖7可知,芯壁比和固形物含量對微膠囊包埋率有顯著的交互作用,其與表3結論一致。當固形物含量處于低水平時,隨著芯壁比的降低,微膠囊包埋率下降。而當芯壁比處于低水平時,隨著固形物含量的增加,微膠囊包埋率降低。

圖7 芯壁比和固形物含量對微膠囊包埋率的影響Fig.7 Effect of core-to-wall ratio and total solids content on microcapsule embedding rate

2.3 驗證實驗

響應面優化的最佳工藝參數為:SSOS和MD復配比為1∶1,固形物含量為20%,芯壁比為1∶1.5,進風溫度為80 ℃,在此條件下,進行三次重復性實驗,可得微膠囊的平均包埋率為97.87%,預測值與實驗值相對誤差為0.69%,說明響應面優化后得到的最佳工藝參數有效、可靠。

2.4 大黃魚魚卵油微膠囊的理化性質

由表4可得,所得微膠囊的水分含量為1.1%,休止角為32.47°,其中水分含量低于李夢凡等[27]采用噴霧干燥法制得的羅非魚油微膠囊的含水量(1.93%),說明本研究所得大黃魚魚卵油微膠囊具有更好的穩定性[28]。一般地,休止角在25～35°范圍內時,粉體的粘性較小,流動性較好[29]。本實驗所得的大黃魚魚卵油微膠囊,具有良好的流動性。

表4 大黃魚魚卵油微膠囊的基本理化指標Table 4 Physical properties of microcapsule of large yellow croaker roe oil

2.5 大黃魚魚卵油微膠囊的微觀結構

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察大黃魚魚卵油微膠囊的微觀結構。如圖8所示,微膠囊近球形,表面粗糙,無粘連現象,微膠囊產品的粒徑大小為3～20 μm。由于實際實驗過程中,小型噴霧干燥機的進氣量無法達到恒定的穩定狀態,導致水分蒸發速率不同,制得的微膠囊的尺寸、大小、形狀差異較大。微膠囊囊壁表面較為完整致密,有凹陷,無裂縫,表面凹痕和褶皺是噴霧干燥法制備微膠囊的普遍特征[30-31]。一方面是由于噴霧干燥水分蒸發過程中產生不均勻收縮,導致微膠囊產品的變形[32];另一方面是因為掃描加壓時,壁材SSOS和MD的骨架支撐強度小,使微膠囊表面凹陷[33]。掃描電鏡圖表明,噴霧干燥制得的大黃魚魚卵油微膠囊結構完整,包埋效果較好。

圖8 大黃魚魚卵油微膠囊的掃描電鏡圖Fig.8 SEM-micrograph of large yellow croaker roe oil microcapsules 注:圖a放大5000×;圖b放大20000×。

3 結論

以包埋率為指標,通過單因素及響應面優化大黃魚魚卵油微膠囊的制備工藝,最佳條件為:辛烯基琥珀酸淀粉鈉/麥芽糊精復配比為1∶1、固形物含量為20%、芯壁比為1∶1.5、進風溫度為80 ℃,經驗證實驗,在此條件下制備的微膠囊包埋率可達到97.87%。對微膠囊理化性質及微觀結構進行表征,由最優工藝制得的微膠囊顆粒細小均勻,分散性好;微膠囊多數近球形,表面較為完整致密,有凹陷,無裂縫;具有良好的溶解性及流動性。通過微膠囊包埋的方法可以實現大黃魚魚卵副產物的高值化利用。