納米SiO2/大豆分離蛋白為壁材的核桃油微膠囊特性

畢會敏，范方宇，楊宗玲，李晗，羅林，陳喬穩

(西南林業大學 生命科學學院，云南 昆明，650224)

核桃，胡桃科植物，果仁營養豐富，富含蛋白質、脂肪、碳水化合物等人體必需營養成分，油脂含量占65%～70%，不飽和脂肪酸高達90%[1]。核桃油中含有豐富的不飽和脂肪酸，在貯藏過程中易受光、O2和溫度等因素影響而氧化酸敗，破壞油脂營養，降低產品的感官品質和貨架期[2]。目前，核桃油微膠囊化是核桃油保存的常用方法之一，研究的主要內容是工藝優化，提高油脂包埋率，分析油脂特性、氧化穩定性等[3-4]。壁材作為芯材的重要屏障，在生產高包埋率、高穩定性微膠囊中起著至關重要的作用[5]。有學者以混合壁材制備油脂微膠囊，提高了包埋率和油脂的氧化穩定性[6]。能否考慮用新型材料改性微膠囊壁材，提高壁材性能，進而提高微膠囊芯材穩定性，是本研究的重點。

納米SiO2可作為一種常用的可食性膜改良劑。納米SiO2表面羥基含量高，比表面積大，量子隧道效應和體積效應使其產生游滲作用，可與高分子化合物以化學鍵結合，賦予高分子材料特殊性能，如提高復合材料的機械性、透水、透氣性等[7-8]。國內外研究中，納米SiO2以改性殼聚糖、大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)為主，分析改性復合膜特性，其在涂膜保鮮或可食性包裝袋中的應用效果良好,能明顯提高保鮮效率[9-12]。納米SiO2可與SPI通過共混的方式形成一層復合膜，復合膜中的硅氧鍵可調節內外水蒸氣、CO2和O2交換量，并增加復合膜的機械性能、熱穩定性。且納米SiO2的加入使SPI與納米SiO2之間形成氫鍵和配位鍵，分子間結構更致密，空間縮小，氣體通過復合膜的遷移路徑被延長，復合膜綜合性能增強。微膠囊技術的原理即在芯材表面形成一層保護膜，壁材與芯材共同形成核殼結構，壁材性能優劣決定芯材能否被較好地保護起來。制備微膠囊的壁材包括天然或者半合成材料。SPI具有成本低、成膜性好、氣體屏障性能好和可降解等優點成為制備微膠囊首選的壁材[13]。但SPI水敏性和力學性能較差，使其應用受到限制[14]。將納米SiO2應用于微膠囊壁材改性，目前已在相變微膠囊中使用[15]，納米SiO2復合粒子可吸附在油-水界面上，形成一層或多層固體顆粒膜，使微膠囊體系穩定[16]。

基于此，采用納米SiO2改性微膠囊壁材，利用SiO2特有的比表面積大、表面羥基多等優點，強化微膠囊壁材性質，進而制備性能優越的微膠囊產品。研究以納米SiO2改性SPI為壁材，核桃油為芯材，制備納米SiO2/SPI為壁材的核桃油微膠囊，分析納米SiO2添加量對核桃油微膠囊性質和貯藏穩定性，納米為SiO2改性微膠囊壁材制備微膠囊技術提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

核桃油，自制；納米SiO2(20～30 nm)，舟山明日納米科技材料有限公司；SPI、麥芽糊精、單甘脂，均為食品級。

乙醚、石油醚(30～60 ℃沸程)、無水乙醇、三氯甲烷、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)、冰醋酸、硫代硫酸鈉、可溶性淀粉、碘化鉀，均為分析純。

1.2 儀器與設備

B-290噴霧干燥器，瑞士Buchi公司；DHG-9140A電熱恒溫干燥箱，上海恒科儀器有限公司；HSP-80B恒溫恒濕培養箱，上海坤天實驗室儀器有限公司；FJ200-SH數顯高速分散均質機，上海滬析實業有限公司；TGL16M臺式冷凍高速離心機，上海赫田科學儀器有限公司；SC-80色差儀，北京康光有限公司；Hydro 2000Mu激光粒度儀，英國MAL ERN儀器有限公司；JRA-650超聲波細胞破碎儀，無錫杰瑞安儀器設備有限公司；SC-4800掃描電鏡，日本日立；DSC204F1差示量熱掃描儀，德國耐馳。

1.3 改性納米SiO2的制備

取1.00 g納米SiO2(20～30 nm)加入到200 mL、質量分數0.70%的SDS溶液中，調pH值4.0，攪拌6 h，過濾，蒸餾水反復洗滌至中性、55 ℃干燥，研磨，得到改性納米SiO2。后續研究均采用改性納米SiO2為原料，為使文章簡化，文中直接稱之為納米SiO2。

1.4 納米SiO2/SPI為壁材的核桃油微膠囊的制備

以納米SiO2/SPI為壁材，單甘脂為乳化劑，麥芽糊精為助干劑，核桃油為芯材，采用噴霧干燥法制備納米SiO2/SPI為壁材的核桃油微膠囊。噴霧干燥條件：固形物質量分數17%，液體流量9 mL/min，進料溫度50～60 ℃，進風溫度170 ℃，出風溫度70～80 ℃。根據文獻，并進行一定修改添加不同比例的芯材、壁材[4,17]。具體步驟為：

利用超聲波細胞破碎儀將不同添加量的納米SiO2分散到100 mL去離子水中，在功率650 W的條件下分散2 h，制備納米SiO2分散液。分散液中加入6.32 g SPI，80 ℃、500 r/min攪拌30 min；然后加入6.00 g麥芽糊精、0.20 g單甘脂、6.98 g核桃油，繼續80 ℃、500 r/min攪拌30 min。混合液用高速分散器以1 400 r/min剪切乳化分散4 min，備用。

為研究納米SiO2對后續制備核桃油微膠囊的影響，納米SiO2添加量分別為SPI的0.00%、1.00%、3.00%、5.00%、7.00%、9.00%(質量分數,下同)。

1.5 微膠囊性質的測定

1.5.1 含水量

采用直接干燥法，參考GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》。

1.5.2 吸水率

將烘干至恒重的微膠囊樣品(m0)放入恒溫恒濕培養箱中(溫度20 ℃，相對濕度50%)，吸水至恒重(m1)。樣品吸水率按公式(1)計算:

(1)

1.5.3 溶解性

參照國標GB 5413.29—2010《食品安全國家標準 嬰幼兒食品和乳品中溶解性的測定》測定核桃油微膠囊溶解性。

1.5.4 色澤測定

采用SC-80色差儀測定核桃油微膠囊粉末色澤。

1.5.5 粒徑測定

將核桃油微膠囊在乙醇介質中稀釋分散均勻，采用激光粒度儀測定樣品粒徑。

1.5.6 熱穩定性

采用差示掃描量熱儀(differential scanning calorimeter,DSC)分析核桃油微膠囊熱穩定性。取5～10 mg樣品于鋁制坩堝中，空鋁坩堝為空白對照，掃描溫度為50～250 ℃，升溫速度為10 ℃/min，氮氣流速為20 mL/min。

1.5.7 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)分析核桃油微膠囊形態。將樣品粘結在含導電膠的觀測臺表面，樣品噴金。噴金后觀察微膠囊形態結構，放大倍數3 000倍。

1.5.8 包埋率

表面油測定[17-18]：取約1.00 g核桃油微膠囊粉末于錐形瓶中，加入30 mL石油醚，振蕩1 min后過濾，然后用10 mL石油醚清洗過濾器上固體殘渣，反復3次，合并濾液。將濾液蒸發，剩余油在105 ℃的烘箱中干燥至恒重，稱重，采用差減法得核桃油微膠囊表面油質量m表。總油測定：參照文獻[17]提取核桃油微膠囊總油m總。核桃油微膠囊包埋率參照公式(2)計算:

(2)

1.5.9 過氧化值測定

核桃油微膠囊油脂過氧化值(peroxide alue,PO )按國標GB 5009.227—2016《食品安全國家標準 食品中過氧化值的測定》。

1.5.10 貯藏穩定性

將核桃油微膠囊置于60 ℃的培養箱中進行加速氧化試驗，每2 d定時測微膠囊包埋率和PO 。通過分析油脂包埋率、PO 變化評價納米SiO2強化壁材后微膠囊貯藏性[19]。

2 結果與分析

2.1 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊性質的影響

由表1可知，納米SiO2添加量對核桃油微膠囊的含水率影響甚微，其含水率均小于4.0%，符合粉末食品的相關要求。吸水率隨添加量的增加呈輕微增加的趨勢，這與納米SiO2表面的羥基基團有關。納米SiO2表面有大量羥基，親水性強，與環境中的水蒸氣接觸吸收少量水在膠囊表面[11]。因納米SiO2添加量少，所有微膠囊粉末吸水率低，不影響核桃油微膠囊的貯藏穩定性。微膠囊溶解性隨納米SiO2的增加逐漸降低，這可能是因納米SiO2與SPI之間產生強烈的氫鍵和范德華力[11]，使不溶性沉淀增多。當納米SiO2添加量為9.00%時，溶解性僅有93.56%，不適用于粉末食品。納米SiO2添加量不超過3.00%時，核桃油微膠囊包埋率高于空白對照樣；當超過3.00%后，包埋率明顯降低。這可能是少量的納米SiO2使納米SiO2/SPI復合壁材膜機械性能好，斷裂伸長率高，噴霧干燥形成的壁材阻油脂透過性好，對芯材有保護作用；當過量添加后，因納米SiO2團聚，復合壁材膜斷裂伸長率下降，復合膜中有少量微孔，油脂膜透過性增大，包埋率降低[20]。性質分析可見，納米SiO2添加量以1.00%、3.00%比較適宜。

表1 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊性質的影響 單位：%

2.2 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊色澤的影響

由表2可知,納米SiO2的添加使核桃油微膠囊的L*范圍增加，值為70.18～71.86，比未添加納米SiO2微膠囊的L*(65.42)值高，說明納米SiO2使核桃油微膠囊整體顏色更白，色澤更好。添加量的多少對白度無明顯影響，整體處于穩定水平。納米SiO2的核桃油微膠囊a*值比未加納米SiO2核桃油微膠囊更小，顏色偏綠；b*值比未加納米SiO2核桃油微膠囊值更大，顏色偏黃。分析可見，納米SiO2的添加使核桃油微膠囊色澤更好，具有一定的增白作用。納米SiO2添加量對核桃油微膠囊色澤影響較小。

表2 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊色澤的影響Table 2 Effects of nano-SiO2 addition on the color of walnut oil microcapsules

2.3 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊粒徑的影響

由圖1可知，納米SiO2添加量分別為0.00%、1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%時，微膠囊的平均粒徑分別為8.48、11.65、11.34、9.86、8.62和11.30 μm。隨著壁材納米SiO2含量增加，微膠囊粒徑逐漸減小，樣品小粒徑體積含量增加，大粒徑體積含量減小。添加納米SiO2的核桃油微膠囊比未添加的微膠囊平均粒徑大，但規律不明顯。粒徑變大的原因可能是添加納米SiO2后，溶液整體黏度變大，噴霧時霧滴增大，產品粒徑變大。但是有趣的現象是，納米SiO2添加量7.00%時，粒徑與空白對照樣粒徑差別不大。

圖1 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊粒徑的影響Fig.1 Effects of nano-SiO2 addition on the particle size of walnut oil microcapsules

2.4 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊熱穩定性的影響

由圖2可知，納米SiO2添加量為0.00%、1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%時，所對應的核桃油微膠囊的熔融溫度分別為124.8、153.5、164.4、168.2、156.4和165.4 ℃。添加納米SiO2顯著提高了核桃油微膠囊的熱穩定性。納米SiO2添加量為3.00%和5.00%時，熔融溫度比未添加納米SiO2的核桃油微膠囊溫度提高了39.6和43.4 ℃。納米SiO2添加量超過5.00%后，熔融溫度先下降，后增高。這主要是納米SiO2與SPI產生氫鍵，破壞氫鍵需要更多的外部能量；此外，納米SiO2顆粒小，可填充于SPI的中空結構，使微膠囊外殼更堅固[11,21]。當增加納米SiO2添加量時，納米SiO2易團聚，不易均勻的分散在壁材中[22]，壁材結構減弱，熔融溫度降低。包埋率實驗結果中，納米SiO2添加量為5.00%時，包埋率最低，這在一定程度上也影響了熔融溫度。熱穩定性的提高，對于芯材的貯藏可以起到積極的作用，分析表明納米SiO2添加量為3.00%、5.00%比較適宜。

圖2 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊熱穩定性的影響Fig.2 Effects of nano-SiO2 addition on the thermal stability of walnut oil microcapsules

2.5 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊形態的影響

由圖3可知，從核桃油微膠囊SEM的微觀結構中可見，納米SiO2的添加對核桃油微膠囊的微觀結構并無明顯影響，所有微膠囊均具有較好的完整顆粒結構。微膠囊表面凹陷，這是因樣品制備過程中，助干劑麥芽糊精填充導致的凹陷，以及干燥時壁材膜失水而產生不均衡的收縮，造成微膠囊表面凹陷，不光滑，不圓整，形態顯現出差異。

圖3 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊形態的影響Fig.3 Effects of nano-SiO2 addition on the morphology of walnut oil microcapsules

2.6 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊的貯藏穩定性

2.6.1 對核桃油微膠囊包埋率的影響

隨貯藏時間的延長，核桃油微膠囊在貯藏過程中受環境中水分、O2、溫度等因素影響，壁材致密性逐漸破壞或變疏松，內部油緩慢釋放到微膠囊表面，包埋率降低[23-24]。由圖4可知，所有核桃油微膠囊隨貯藏時間的延長，包埋率下降，貯藏8 d內，包埋率下降幅度小；繼續延長貯藏時間(12 d)，核桃油微膠囊包埋率急劇下降。不同納米SiO2添加量的核桃油微膠囊包埋率有明顯區別。貯藏12 d后，未添加納米SiO2的核桃油微膠囊包埋率從84.12%下降到30.09%，下降了64.23%。添加1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%的納米SiO2的核桃油微膠囊包埋率分別下降了55.41%、24.71%、26.91%、25.00%和37.98%。數據分析可見，添加納米SiO2后，核桃油微膠囊芯材釋放緩慢，尤其在添加納米SiO2為3.00%、5.00%和7.00%后，其釋放速率不及對照樣一半。原因為原料納米SiO2僅為20～30 nm，在壁材固化過程中，納米SiO2與SPI形成強氫鍵和填補SPI中的空隙，增大結合力，使微膠囊形成的“壁膜”結構致密，阻止了空氣、水、油脂之類物質在微膠囊的內外交流，確保了核桃油微膠囊貯藏過程中包埋率的穩定性。同時由圖2可知，添加了納米SiO2的微膠囊熱穩定性高，壁材更穩定，芯材不易釋放。貯藏期包埋率研究結果表明，納米SiO2添加量為3.00%、5.00%和7.00%時，核桃油微膠囊貯藏時包埋率效果更好。

圖4 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊包埋率的影響Fig.4 Effects of nano-SiO2 addition on the embedding rate of walnut oil microcapsules

2.6.2 對核桃油微膠囊PO 的影響

圖5為納米SiO2添加量對核桃油微膠囊在60 ℃貯藏期間PO 變化圖。貯藏時，采用加速氧化試驗研究核桃油微膠囊芯材的貯藏穩定性。初始階段，所有樣品PO 值均低，核桃油PO 為3.86 mmol/kg，微膠囊PO 值為3.95～4.12 mmol/kg，比核桃油PO 略高，其值均小于GB 2716—2018《食品安全國家標準 植物油》標準0.25 g/100 g(9.86 mmol/kg)，可以滿足食用要求。經加速氧化12 d后，空白核桃油微膠囊PO 為24.54 mmol/kg，核桃油PO 為76.73 mmol/kg，比空白核桃油微膠囊PO 大212.67%。

圖5 納米SiO2添加量對核桃油微膠囊PO 的影響Fig.5 Effects of nano-SiO2 addition on the PO of walnut oil microcapsules

結果表明，油脂的微膠囊化，可使壁材阻隔芯材與外界環境中的O2、水蒸氣接觸，大大提高油脂的貯藏穩定性，這在很多研究中得到證實[25]。添加納米SiO2后核桃油微膠囊PO 發生明顯變化。添加納米SiO2為1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%的核桃油微膠囊PO 分別為15.44、10.24、10.87、12.35和18.3 mmol/kg，PO 僅為未添加納米SiO2的核桃油微膠囊的62.91%、41.72%、44.30%、50.33%和74.57%。其中納米SiO2添加量3.00%和5.00%的核桃油微膠囊PO 僅比國標食用油要求高0.38、1.01 mmol/kg。數據分析表明，添加納米SiO2可增強核桃油微膠囊的穩定性。結合納米SiO2在薄膜方面的研究，可將其解釋為納米SiO2與SPI通過共混的方式形成一層薄膜，即微膠囊壁材，壁材中的硅氧鍵可調節內外水蒸氣、CO2和O2交換量，同時增加壁材的機械性能、熱穩定性。壁材性能的強化使核桃油中的不飽和脂肪酸不易受到O2、光照、水分以及溫度等條件的影響而發生氧化酸敗，從而提高其穩定性。另外，在SPI基體中加入納米SiO2后，兩者間氫鍵和配位鍵的形成使分子間結構致密，空間縮小，氣體通過壁材膜的遷移路徑被延長，有利于延長芯材的儲藏時間。添加納米SiO2較少時(1.00%)，因壁材強化能力不夠，核桃油微膠囊的氧化穩定性僅有部分提高；當添加過量納米SiO2時(7.00%、9.00%)，可能因納米材料的分布不均，SPI基質與納米SiO2之間的氫鍵被破壞，壁材綜合性能較差，核桃油微膠囊的氧化穩定性下降。為保證核桃油微膠囊芯材的穩定性，比較適宜的納米SiO2添加量為3.00%、5.00%。

2.6.3 核桃油微膠囊氧化動力學

核桃油微膠囊氧化動力學采用零級反應方程(公式3)和一級反應方程(公式4)進行線性回歸[26-27]。

c=c0-kt

(3)

lnc=lnc0-kt

(4)

式中:c,貯藏t時刻樣品PO ，mmol/kg；c0,樣品初始PO ，mmol/kg；k,釋放速率，d-1；t,貯藏時間，d。

圖6、圖7為零級和一級反應的線性回歸，表3為零級和一級反應釋放速率常數及反應方程。由表3可知，除了在納米SiO2添加量為7.00%時，其余添加納米SiO2的一級反應線性回歸的R2大于零級反應線性回歸的R2。此外，一級反應R2中除納米SiO2添加量7.00%時為0.893，其余R2>0.94，擬合效果好。結果表明，樣品的PO 變化趨勢更符合一級反應線性回歸。由圖6可知，核桃油微膠囊化后，油脂的氧化速率遠低于核桃油樣品；添加納米SiO2的核桃油微膠囊，氧化速率低于未添加納米SiO2的核桃油微膠囊，其中添加量為3.00%和5.00%的微膠囊最低，兩者差別不明顯。氧化動力學分析表明，納米SiO2的添加能提高核桃油微膠囊的穩定性，降低核桃油微膠囊在儲藏過程中的PO 值，減緩核桃油的氧化速度，延長貨架期，適宜的納米SiO2添加量為3.00%、5.00%。

圖6 核桃油微膠囊PO 零級反應線性回歸分析Fig.6 Linear regression analysis of zero-order reaction of walnut oil microcapsules PO

圖7 核桃油微膠囊PO 一級反應線性回歸分析Fig.7 Linear regression analysis of first-order reaction of walnut oil microcapsules PO

表3 核桃油微膠囊PO 零級和一級反應機理參數Table 3 Zero-order and first-order reaction mechanism parameters of walnut oil microcapsule PO

3 結果與討論

研究制備了納米SiO2/SPI的微膠囊壁材，采用噴霧干燥法制備了核桃油微膠囊，分析了SPI中分別添加1.00%、3.00%、5.00%、7.00%和9.00%的納米SiO2對核桃油微膠囊含水率、吸水率、溶解性、包埋率、色澤、粒徑、熱穩定性、形態的影響，采用加速氧化試驗研究了微膠囊貯藏過程中的包埋率、PO 變化，利用零級和一級反應研究了核桃油微膠囊的氧化動力學。結果表明：納米SiO2添加量對含水率、吸水率、形態沒有明顯影響；1.00%、3.00%的添加量可以提高微膠囊包埋率；低于5.00%的添加量可以維持較好的溶解性；添加納米SiO2的微膠囊粒徑略微增大；納米SiO2添加量3.00%、5.00%可以提高熔融溫度39.6和43.4 ℃；納米SiO2添加量3.00%、5.00%和7.00%時，核桃油微膠囊貯藏12 d后仍維持較好的包埋率；納米SiO2添加量3.00%、5.00%時，核桃油微膠囊貯藏12 d后PO 為10.24和10.87 mmol/kg，僅為空白樣微膠囊的41.72%、44.30%；PO 動力學研究表明，核桃油微膠囊氧化動力學適用于一級反應。綜合數據表明，納米SiO2添加量為SPI的3.00%時，可獲得性能優良的核桃油微膠囊，維持良好的貯藏穩定性。