模糊綜合評(píng)價(jià)法優(yōu)化橄欖油微膠囊包埋工藝

蔣 毅,嚴(yán) 成,*,劉雪婷,付秀珍,黃 歡,范國(guó)剛

(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川綿陽(yáng) 621010;2.四川安好眾泰科技有限公司,四川綿陽(yáng) 621010)

橄欖油是國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)脂肪,在西方被譽(yù)為“液體黃金”。橄欖油突出特點(diǎn)是含有大量的單不飽和脂肪酸[1-2]。然而,橄欖油因含有較多的不飽和脂肪酸和活性物質(zhì),易氧化變質(zhì)而影響其儲(chǔ)存穩(wěn)定性[3]。橄欖油微膠囊化,可使其避免受外部環(huán)境影響,并提高其穩(wěn)定性和擴(kuò)大應(yīng)用范圍[4]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)橄欖油微膠囊化研究較少,對(duì)乳液聚合-冷凍干燥法研究缺乏。過(guò)去的研究中大多數(shù)使用噴霧干燥的方式干燥微膠囊[5-7]，該法操作簡(jiǎn)便,易于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn),但過(guò)高的溫度易使芯材包含的熱敏性活性成分損失。而乳液聚合-冷凍干燥法,可以在較為溫和的條件下通過(guò)簡(jiǎn)單的操作完成,能有效的保護(hù)橄欖油中的營(yíng)養(yǎng)成分,也有抑制多不飽和脂肪酸氧化的效果[8]。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用乳液聚合-冷凍干燥法對(duì)橄欖油進(jìn)行包埋,豐富了橄欖油微膠囊的包埋技術(shù)。

過(guò)去的研究中大多數(shù)采用傳統(tǒng)的天然高分子材料作壁材來(lái)制備微膠囊[9-11],但存在不穩(wěn)定、貯藏性差和緩釋效果不佳等問(wèn)題;另外,部分材料如纖維素和淀粉等多糖類不易溶于水,不適合作微膠囊壁材,故研究人員更多通過(guò)對(duì)部分天然高分子材料改性,制備半合成高分子材料,來(lái)彌補(bǔ)天然高分子材料的不足之處[12]。魔芋膠是一種低熱能、低蛋白質(zhì)、高膳食纖維的天然高分子多糖,具有水溶、增稠、穩(wěn)定、懸浮、凝膠、成膜、粘結(jié)等多種理化特性,是理想的微膠囊壁材[13-15]。通常單一壁材的包埋效果并不理想,本實(shí)驗(yàn)將酶解改性的魔芋膠與傳統(tǒng)壁材阿拉伯膠復(fù)配,開(kāi)拓了微膠囊壁材復(fù)配研究新思路。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是依據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理建立的一種數(shù)學(xué)模型[16-17],根據(jù)模糊變換原理及最大隸屬度原則,將多個(gè)因素定量化、綜合評(píng)價(jià)的方法,以達(dá)到較為準(zhǔn)確客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果[18-20]。該法廣泛應(yīng)用在面制品、肉制品、飲料等食品的感官評(píng)價(jià)中[21-23]。因微膠囊評(píng)價(jià)指標(biāo)較多,故選用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析、評(píng)價(jià)。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)橄欖油微膠囊包埋工藝,采用模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以期為橄欖油微膠囊包埋工藝和工業(yè)化生產(chǎn)提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋膠 成都希福生物科技有限公司;橄欖油 嘉里糧油(天津)有限公司;食品級(jí)阿拉伯膠 深圳市振辛嘉貿(mào)易有限公司;β-甘露聚糖酶(酶活:10000 U/g) 安徽宏通生物工程有限公司;蔗糖酯 柳州高通食品化工有限公司;石油醚等 均為分析純。

DF-101S集熱式磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;FSH-2A可調(diào)高速勻漿機(jī) 金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠;SZF-06A粗脂肪測(cè)定儀 上海華睿儀器有限公司;NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) 上海右一儀器有限公司;FreeZone2.5真空冷凍干燥機(jī) 美國(guó)Thermo Electron公司;DHG92023A干燥箱 上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;150B搖擺式粉碎機(jī) 瑞安市永歷制藥機(jī)械有限公司;UItra55高分辨冷場(chǎng)發(fā)射掃描顯微鏡分析系統(tǒng) 德國(guó)Carl zeissNTS GmbH公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 魔芋膠酶解 因天然魔芋膠黏度較高,通常需要對(duì)魔芋膠進(jìn)行酶解,將黏度降到500 mPa·s時(shí)更適合用于包埋微膠囊[15]。通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)得到魔芋膠酶解條件,精確稱取0.01 gβ-甘露聚糖酶加入濃度為10%的魔芋精粉溶液中,在磁力攪拌器中40 ℃水浴、轉(zhuǎn)速為1200 r/min,酶解60 min,取出馬上放入沸水浴滅酶10 min,得到酶解魔芋膠溶液[14-15]。

1.2.2 橄欖油微膠囊制備 固定壁材濃度10%,精確稱取一定量的阿拉伯膠加入酶解的魔芋膠溶液中配置成復(fù)合壁材,按照一定壁芯比加入一定量的芯材-橄欖油,并加入含量為壁材濃度1%的乳化劑-蔗糖酯,在一定溫度下磁力攪拌乳化15 min,以轉(zhuǎn)速18000 r/min在高速勻漿機(jī)上均質(zhì)一定時(shí)間,在-20 ℃下冷凍12 h后放入真空冷凍干燥機(jī)(冷阱溫度-50 ℃)中,凍干后用額定轉(zhuǎn)速為25000 r/min的粉碎機(jī)粉碎2 min制成粉末,制得微膠囊成品[24-26]。

1.2.3 橄欖油微膠囊制備工藝單因素實(shí)驗(yàn) 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn),以包埋率為指標(biāo)考察各因素對(duì)橄欖油包埋效果的影響。

1.2.3.1 復(fù)合壁材中魔芋膠含量對(duì)橄欖油包埋效果的影響 固定壁芯比為3∶1,乳化溫度40 ℃,均質(zhì)時(shí)間1 min,復(fù)配壁材中魔芋膠含量分別為0、20%、40%、60%、80%、100%,考察復(fù)合壁材中魔芋膠含量對(duì)微膠囊包埋效果的影響。

1.2.3.2 壁芯比對(duì)橄欖油包埋效果的影響 其余條件固定不變,復(fù)配壁材中魔芋膠含量選擇前面實(shí)驗(yàn)最優(yōu)結(jié)果,壁芯比分別為1∶1、3∶1、5∶1、7∶1、9∶1,考察不同壁芯比對(duì)橄欖油包埋效果的影響。

1.2.3.3 乳化溫度對(duì)橄欖油包埋效果的影響 其余條件固定不變,復(fù)合壁材中魔芋膠含量和壁芯比選擇前面實(shí)驗(yàn)最優(yōu)結(jié)果,乳化溫度選擇30、40、50、60、70 ℃,考察不同乳化溫度對(duì)微膠囊包埋效果的影響。

1.2.3.4 均質(zhì)時(shí)間對(duì)橄欖油包埋效果的影響 其余條件固定不變,魔芋膠含量、壁芯比和乳化溫度選擇前面實(shí)驗(yàn)最優(yōu)結(jié)果,均質(zhì)時(shí)間選擇1、2、3、4、5 min,考察不同均質(zhì)時(shí)間對(duì)微膠囊包埋效果的影響。

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化包埋效果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用Box-Behnken方法,根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以魔芋膠含量、乳化溫度、壁芯比三個(gè)因子為自變量,以X1、X2、X3表示,取值范圍分別是60%～100%,40～70 ℃、5∶1～9∶1。用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法建立數(shù)學(xué)模型對(duì)包埋率、載率和產(chǎn)率進(jìn)行綜合分析,以綜合評(píng)價(jià)值為指標(biāo),考察橄欖油包埋最佳工藝參數(shù)。

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

1.2.5 微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定

1.2.5.1 微膠囊包埋率測(cè)定 包埋率是指微膠囊被包埋芯材的量與總芯材的含量之比,是判斷微膠囊包埋芯材效果的關(guān)鍵指標(biāo)。

微膠囊包埋率(%)=(1-微膠囊表面油含量/微膠囊總含油量)×100

微膠囊表面油的測(cè)定[14]:采用有機(jī)溶劑直接萃取制品表面油,準(zhǔn)確稱取一定樣品于玻璃漏斗中,再以20倍樣品質(zhì)量的石油醚(沸程30～60 ℃)分為三次均勻加入,浸透萃取后濾液流入已知重量的燒杯中,蒸干石油醚烘干水分至恒重。

式中:m1為所得芯材加燒杯重量(g);m0為燒杯重量(g);m為樣品總重量(g)。

微膠囊總油的測(cè)定:按照GB 5009.6-2016測(cè)定。

1.2.5.2 微膠囊載量 載量能夠直觀的反應(yīng)出微膠囊承載的芯材量[27],計(jì)算公式:載量(%)=(微膠囊中芯材的量/微膠囊質(zhì)量)×100。

1.2.5.3 微膠囊產(chǎn)率 產(chǎn)率用于判斷壁材和芯材的利用率[28],計(jì)算公式:產(chǎn)率(%)=[得到的微膠囊質(zhì)量/(初始芯材+壁材質(zhì)量)]×100。

1.2.6 模糊綜合評(píng)價(jià)體系建立

1.2.6.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)集和對(duì)象集 以微膠囊包埋率(R1)、載量(R2)及產(chǎn)率(R3)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)集,U={R1,R2,R3},以響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的M組作為對(duì)象集[29],N={M1,M2…M17}。

1.2.6.2 確定權(quán)重模糊子集 按各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)作用的大小不同,將權(quán)重分配集確定為V={0.5/R1,0.3/R2,0.2/R3}。其隸屬度為本研究的3個(gè)因素在整個(gè)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中的重要程度,其隸屬度的數(shù)值范圍在0～1之間,0為不重要,1為最重要[30]。

1.2.6.3 模糊矩陣的建立 運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行綜合定量評(píng)價(jià)。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度值不同,建立評(píng)價(jià)指標(biāo)集U={R1,R2,R3}每個(gè)子集的隸屬函數(shù)。使根據(jù)隸屬函數(shù)計(jì)算到的隸屬度值(機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)化值)的大小與該指標(biāo)在每一個(gè)子集的重要性相適應(yīng),隸屬度rmn∈[0,1][31]。

式中:R為指標(biāo)測(cè)定值;Rmin為所有參試材料某一指標(biāo)的最小值;Rmax為所有參試材料某一指標(biāo)的最大值。

m=1,2,3;n=1,2…17。由隸屬度值構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣A=(rmn)mn。

1.2.6.4 模糊變換及綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算 引入模糊子集B={b1,b2…bn}為綜合評(píng)價(jià)集,根據(jù)模糊變換原理,B=V·A。則對(duì)i號(hào)的綜合評(píng)價(jià)值為Bi=V×Ai。則B的隸屬度bn,就是綜合模糊評(píng)價(jià)值[29-31]。

1.3 掃描電鏡觀察

將制好的微膠囊粉末制樣,噴金,安裝樣品到交換室。關(guān)閉交換室閥門,扣好鎖扣,抽真空。向前輕推送樣桿至樣品完全進(jìn)入樣品室,調(diào)節(jié)聚焦旋鈕直至圖像清楚,于加速電壓1 kV下進(jìn)行掃描觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理

圖表采用OriginPro 9.0繪制;通過(guò)SPSS 24.0軟件對(duì)各個(gè)單因素進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),同一處理組加工過(guò)程中采用鄧肯多重比較(Duncan’s 檢驗(yàn))法進(jìn)行差異顯著性分析;通過(guò)Design-Expert 8.0軟件對(duì)響應(yīng)面進(jìn)行方差分析。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次,顯著性水平P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 橄欖油微膠囊單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 復(fù)合壁材中魔芋膠含量對(duì)橄欖油包埋率的影響 由圖1可知,隨壁材中魔芋膠含量增加,包埋率先升高后降低,當(dāng)壁材中魔芋膠含量達(dá)到80%時(shí),包埋率達(dá)最大值,為62.3%。這可能是因?yàn)槟в竽z與阿拉伯膠結(jié)合,共混膜氫鍵的穩(wěn)定性得到了改善。當(dāng)壁材中魔芋膠含量為100%時(shí),包埋率為44.4%;當(dāng)壁材中魔芋膠含量0%,即阿拉伯膠含量為100%時(shí),包埋率為27%,均低于復(fù)配壁材的包埋效果,說(shuō)明魔芋膠與阿拉伯膠的結(jié)合物性能優(yōu)于單一魔芋膠和單一阿拉伯膠。因此,選擇壁材中魔芋膠含量60%、80%、100%進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

圖1 復(fù)合壁材魔芋膠含量對(duì)橄欖油微膠囊包埋率的影響Fig.1 Effect of modified konjac gum amount on embedding rate of olive oil microencapsulation注:不同字母表示同一處理組加工過(guò)程中樣品差異顯著(P<0.05);圖2～圖4同。

2.1.2 壁芯比對(duì)橄欖油微膠囊包埋率的影響 由圖2可知,隨著壁芯比逐漸增大,包埋率先增大后減小,當(dāng)壁芯比為7∶1時(shí),包埋率達(dá)到最大值63.2%,可能是由于芯材過(guò)少會(huì)浪費(fèi)壁材,而芯材過(guò)多,壁材無(wú)法將芯材完全包埋,故包埋率降低。因此,選擇5∶1、7∶1、9∶1進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

圖2 壁芯比對(duì)橄欖油微膠囊包埋率的影響Fig.2 Effect of wall core ratio on embedding rate of olive oil microcapsule

2.1.3 乳化溫度對(duì)橄欖油微膠囊包埋率的影響 由圖3可知,隨著溫度升高,微膠囊的包埋率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)達(dá)到最大值57.5%,可能是由于共混膜的熱穩(wěn)定性不夠好。而根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)可知,溫度提高有利于產(chǎn)率和載量的提高。因此,選擇40、55、70 ℃進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

圖3 乳化溫度對(duì)橄欖油微膠囊包埋率的影響Fig.3 Effect of emulsification temperature on embedding rate of olive oil microcapsule

2.1.4 均質(zhì)時(shí)間對(duì)橄欖油微膠囊包埋率的影響 由圖4可知,均質(zhì)時(shí)間對(duì)橄欖油微膠囊包埋率的影響不顯著(P>0.05),隨著均質(zhì)時(shí)間增加,微膠囊的包埋率先增加后減小,當(dāng)時(shí)間為2 min時(shí)包埋率達(dá)最大值70.9%,可能是均質(zhì)2 min后乳狀液乳化狀態(tài)穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到最佳狀態(tài),當(dāng)時(shí)間繼續(xù)增加,剪切作用過(guò)大會(huì)破壞原有的穩(wěn)定體系,導(dǎo)致包埋效果降低。總體來(lái)看,均質(zhì)時(shí)間在2 min左右較為適宜。

圖4 均質(zhì)時(shí)間對(duì)橄欖油微膠囊包埋率的影響Fig.4 Effect of homogenization time on embedding rate of olive oil microcapsule

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2,包埋率R1、載率R2、產(chǎn)率R3通過(guò)方差分析可知,各模型差異均顯著(P<0.05),失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.05),可用于模糊綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算中,再以模糊綜合評(píng)價(jià)值為最終指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型。

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算

由模糊矩陣A和權(quán)重V經(jīng)模糊變換后得到綜合評(píng)價(jià)子集B,其隸屬值b即綜合評(píng)價(jià)值,見(jiàn)表3。由Design-expert對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,獲得回歸方程為:

表3 模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值及模糊綜合評(píng)價(jià)值Table 3 The membership degree of fuzzy comprehensive evaluation index and the value of fuzzy comprehensive evaluation

表4 回歸方程的方差分析Table 4 Variance analysis of regression equation

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)值的響應(yīng)面分析

通過(guò)Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行分析,得到響應(yīng)面曲線,各因素及其交互作用可以直觀的反應(yīng)出來(lái)。各因素對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)值具有協(xié)同作用,包埋時(shí)3個(gè)因素對(duì)微膠囊包埋效果影響順序?yàn)楸谛颈?復(fù)配壁材中魔芋膠含量>乳化溫度。

由圖5可以看出,乳化溫度和壁芯比一定時(shí),隨著壁材中魔芋膠含量增大,微膠囊包埋效果模糊綜合評(píng)價(jià)值先增大后減小,這可能是因?yàn)樵诘蜐舛认?當(dāng)魔芋膠與阿拉伯膠結(jié)合氫鍵的穩(wěn)定性得到了改善,阿拉伯膠含量越低,薄膜的力學(xué)性能越好。由圖6可以看出,壁材中魔芋膠含量和壁芯比的交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響較明顯,整個(gè)曲面較陡,等高線接近于橢圓形且密集,與表4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。由圖7可看出,乳化溫度和壁芯比的交互作用對(duì)響應(yīng)值幾乎沒(méi)有影響,3D面較平滑等高線圖接近于半圓形,與表4中分析一致。利用最佳包埋工藝參數(shù)得到的最佳工藝條件為:壁材中魔芋膠含量74.26%、阿拉伯膠含量25.74%、乳化溫度40.16 ℃、壁芯比5.72∶1,模型預(yù)測(cè)值為包埋率64.2819%,載量13.3755%,產(chǎn)率94.339%。為方便實(shí)驗(yàn)對(duì)工藝條件進(jìn)行調(diào)整,取壁材中魔芋膠含量74%、阿拉伯膠含量26%、乳化溫度40 ℃、壁芯比5.7∶1,在此條件下做驗(yàn)證試驗(yàn),重復(fù)三次,得平均微膠囊包埋率64.8%±1.4%,載量為13.3%±0.3%,產(chǎn)率為94.0%±0.6%。實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差較小,表明響應(yīng)面法分析優(yōu)化所得的工藝參數(shù)可信,具有實(shí)用價(jià)值。

圖5 壁材中魔芋膠含量和乳化溫度的相互作用Fig.5 Interaction between konjac gum content and emulsion temperature

圖6 壁材中魔芋膠含量和壁芯比的相互作用Fig.6 Interaction between konjac gum content and wall-core ratio

圖7 乳化溫度和壁芯比的相互作用Fig.7 The interaction between emulsion temperature and wall-core ratio

2.5 掃描電鏡的觀察結(jié)果

冷凍干燥后的橄欖油微膠囊在電鏡下的形態(tài)如圖8所示,觀察到微膠囊微粒呈圓形,較為飽滿,大小均勻,較為聚集,直徑約為0.2～0.3 μm。微膠囊顆粒清晰完整,表明橄欖油包埋效果較好。

圖8 橄欖油微膠囊微觀形態(tài)Fig.8 Morphology of microcapsules by electron microscopy注:A、B的放大倍數(shù)分別為10000、15000。

3 結(jié)論