藍圓鲹魚油微膠囊穩定性分析及其貨架期預測模型的建立與評價

王淑惠，楊小斌，羅旭洸，劉靜宜，周愛梅,*

（1.華農（潮州）食品研究院有限公司，廣東 潮州 521000；2.華南農業大學食品學院，廣東省功能食品活性物重點實驗室，廣東 廣州 510642）

魚油含有的多不飽和脂肪酸二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸對人的視網膜、神經系統和大腦起著重要作用，但卻極易受到氧化發生酸敗[1]。將魚油進行微膠囊化處理可以保護不飽和脂肪酸免受環境條件（光、溫度、氧氣、濕度）引起的氧化和其他不良反應的影響，掩蓋不愉快的魚腥味，提高其ω-3脂肪酸的穩定性和輸送能力，并延長貯藏貨架期，提高產品的商業價值[2-4]。食品貨架期是指食品在推薦的貯藏條件下一段時間內保持消費者所期待的感官、理化及微生物性質，其所含營養物質與標簽內容一致的食用安全期[5]。大量研究表明，以理化、微生物或感官指標作為評定食品品質變化的自變量而建立的動力學模型可反映食品品質的變化情況，進而可有效預測食品的貨架期[6-8]。溫度是影響微膠囊食品貯藏品質的重要因素之一，而Arrhenius方程是用以描述氧化過程的溫度函數[9]，與零級或一級動力學方程結合后被廣泛應用于預測食品貨架期，從而達到實時監控其品質特性的目的[10-11]。石燕等[12]將草魚魚油微膠囊貯藏在60 ℃條件中，以過氧化值（peroxide value，POV）為評價指標，分別比較了一級與零級動力學模型結合Arrhenius方程構建草魚魚油微膠囊的貨架期模型，結果得出一級動力學模型結合Arrhenius方程在擬合精度和預測準確性方面更具有優勢，微膠囊化魚油與未微膠囊化魚油相比，貨架期從127 d延長至203 d，同時證明微膠囊化能有效延長草魚魚油的貯藏穩定性。耿鵬飛[13]將鳀魚油微膠囊和精煉鳀魚油貯藏在25 ℃條件下，以POV為評價指標，得出兩者的氧化動力學反應均為一級動力學，且得出貯藏在25 ℃的鳀魚油微膠囊和精煉鳀魚油的貨架期分別為201 d和97 d，證明了微膠囊化可有效延長鳀魚油的貯藏貨架期。姚翾等[14]以POV和硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）值為評價指標，研究微膠囊化對寶石魚油貯藏穩定性的影響，結果發現寶石魚油微膠囊的POV和TBA值都低于未微膠囊化的寶石魚油，顯著地延長了寶石魚油的貨架期。鐘春梅等[15]將鳡魚油和鳡魚油微膠囊貯藏在15 ℃條件下，以POV為評價指標，根據Arrhenius方程預測出微膠囊化處理可使鳡魚油的貯藏時間由32 d延長至256 d。

近年來，為了提高藍圓鲹（Decapterus maruadsi）的利用價值，越來越多學者致力于其研究中，但主要集中在其功能蛋白質方面，如生物活性蛋白水解物和蛋白膜[16-20]，而關于藍圓鲹魚油及其微膠囊化的研究仍比較少。基于此，本實驗在前期所獲藍圓鲹魚油微膠囊的基礎上，以吸濕性和芯材（魚油）保留率為指標研究了藍圓鲹魚油微膠囊在不同相對濕度（relative humidity，RH）下的貯藏穩定性，并比較了不同貯藏溫度下藍圓鲹魚油微膠囊的POV和TBA值及感官特征的變化，分析兩個指標的相關性，在此基礎上對不同溫度條件下的藍圓鲹魚油微膠囊的貨架期進行預測，以期為藍圓鲹魚油微膠囊在生產、貯藏、運輸和銷售過程中的品質監控提供一定的理論指導。因此，構建不同貯藏溫度下藍圓鲹魚油微膠囊的氧化預測模型，對預測其貨架期和提高安全穩定性具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮藍圓鲹購于廣州市天河區長湴市場；阿拉伯膠、海藻糖和明膠均為市售食品級；氯化鎂、硝酸鎂、碳酸鈉、硝酸鉀、冰醋酸、氯仿、碘化鉀、碘酸鉀、磷酸氫二鉀、丙二醛、三氯乙酸和TBA等均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

AL104萬分之一電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；DHG-970鼓風干燥箱 上海齊心科學儀器有限公司；3 L低溫連續相變萃取裝置 珠海共同機械有限公司；DF-101S數顯電熱恒溫水浴鍋 鞏義予華儀器有限公司；DHP-9162電熱恒溫培養箱 上海仁灝儀器設備有限公司；UV3010紫外分光光度計 日本日立高科技公司。

1.3 方法

1.3.1 藍圓鲹魚油的提取及微膠囊的制備

根據課題組前期的研究方法[21]采用低溫連續相變萃取技術提取藍圓鲹魚油，并選取明膠、阿拉伯膠及海藻糖作為壁材，通過噴霧干燥制備藍圓鲹魚油微膠囊，得到的魚油微膠囊得率為（72.49±2.59）%，包埋率為（91.56±0.75）%，水分質量分數為（3.57±0.41）%，平均粒徑約為5 μm。通過掃描電子顯微鏡觀察到藍圓鲹魚油微膠囊的外形圓潤光滑、致密、無裂痕，且貯藏穩定性好，可以較大程度地保護魚油功能活性成分[22]。

1.3.2 吸濕性和芯材保留率的測定

將一定量的藍圓鲹魚油微膠囊分別與不同RH的MgCl2（RH 34%）、Mg(NO3)2（RH 58%）、Na2CO3（RH 76%）、KNO3（RH 93%）飽和溶液在20 ℃恒溫培養箱中避光貯存，每隔24 h測定一次魚油微膠囊的質量和包封率[23]，按式（1）、（2）分別計算魚油微膠囊的吸濕率及芯材保留率。

1.3.3 氧化指標的測定

均勻稱取等量藍圓鲹魚油微膠囊，采用0.1 mm聚對苯二甲酸乙二醇酯/鋁箔/聚乙烯（PET/AL/PE）復合材料封裝，貯藏在RH 76%，溫度分別為-20、4、30 ℃和60 ℃條件下，每隔3 d進行取樣，測定魚油微膠囊芯材的POV和TBA值。

1.3.3.1 POV的測定

POV的測定參照Chang等[24]的方法并稍作修改。將15 mL乙酸-氯仿溶液（3∶2，V/V）與0.5 g藍圓鲹魚油微膠囊充分混合以破壞微膠囊，再加入0.05 mL飽和KI溶液，持續搖動1 min，補充30 mL蒸餾水。然后用0.01 mol/L的Na2S2O3溶液緩慢滴定，劇烈搖晃直到黃色幾乎消失。隨后，加入0.05 mL質量分數1%淀粉溶液繼續滴定，至藍色消失，表明所有的I2已從CHCl3層釋放，停止滴定。根據式（3）計算POV。

式中：V表示消耗Na2S2O3溶液的體積/mL；c表示Na2S2O3的濃度/（mol/L）；m表示藍圓鲹魚油微膠囊的質量/g。

1.3.3.2 TBA值的測定

TBA值的測定參照潘文龍等[8]的方法并稍作修改。將5.0 g藍圓鲹魚油微膠囊與50 mL體積分數10%三氯乙酸混合后均質30 min，然后4 000 r/min離心10 min。將15 mL上清液與15 mL 0.02 mol/L TBA溶液在封閉試管中混合，并在沸水浴中反應15 min。迅速冷卻至室溫后，4 000 r/min離心5 min，取上清液在532 nm波長處測定吸光度。以蒸餾水取代濾液為空白樣，TBA值以每千克魚油微膠囊中丙二醛（malondialdehyde，MDA）的質量表示，單位mg/kg。根據式（4）計算TBA值。

1.4 數據統計分析處理

2 結果與分析

2.1 RH對藍圓鲹魚油微膠囊吸濕率和芯材保留率的影響

圖1為藍圓鲹魚油微膠囊貯藏在RH分別為34%、58%、76%、93%環境中吸濕率和芯材保留率隨時間的變化。從圖1a可以看出，在不同RH條件下，藍圓鲹魚油微膠囊的吸濕率整體呈上升趨勢，且RH越高，吸濕率越高，吸濕速率也越快；貯藏15 d后，RH 34%、58%、76%、93%條件下藍圓鲹魚油微膠囊吸濕率分別由第3天的0.71%、0.95%、1.42%、2.47%上升至3.24%、3.95%、4.66%、4.73%。同一貯藏時期，RH 34%的吸濕速率明顯低于其他3 組；在貯藏第6天時，RH 93%的吸濕率達到4.27%，明顯高于RH 34%的吸濕率（1.65%），且比RH 34%貯藏15 d（3.24%）的吸濕率還要高31.79%。噴霧干燥顆粒很容易吸收周圍環境中的水分，從而導致其在貯存過程中產生黏性并結塊[25]。在實際觀察中也發現，在不同RH條件下貯藏的藍圓鲹魚油微膠囊，其結塊速率與RH成正比，在高RH環境（RH 93%）下，藍圓鲹魚油微膠囊很快就變為具有黏性的流體狀態。食品中水分含量的多少與其貨架期長短有必然的聯系，魚油微膠囊的壁材吸水后其強度減弱甚至發生破壞，通透性增加，包裹在內部的魚油芯材失去了壁材的保護作用而更容易與外界接觸，迅速發生氧化酸敗，因而會大幅縮短其貨架期[26]；此外，在較高的RH下，微膠囊壁材從玻璃態轉變為具有高分子遷移率的無定形橡膠態，導致原本裝封的魚油在貯存期間釋放出來，魚油保留率不斷下降，最終使魚油微膠囊的品質下降并且縮短貨架期[25]。因此，藍圓鲹魚油微膠囊應盡量在干燥的環境中貯藏。

由圖1b可知，隨著貯藏時間的延長，藍圓鲹魚油微膠囊芯材的保留率出現不同程度下降，且RH越大芯材保留率下降也越快；貯藏14 d后，RH由小到大條件下藍圓鲹魚油微膠囊芯材保留率由初始值（以100%計算）分別下降至90.63%、80.00%、48.42%、35.28%。在整個貯藏過程中，RH 93%芯材保留率下降速率最快，第4天（87.31%）就與其他3 組（均在95%以上）產生明顯差異。該結果與吸濕率結果一致，再次說明貯藏于高RH環境的藍圓鲹魚油微膠囊吸水量增多后導致壁材發生溶解，微膠囊結構被破壞，芯材釋放出來，并與外界環境發生氧化作用，降低了微膠囊的包埋效果，導致芯材保留率下降。

圖1 RH對藍圓鲹魚油微膠囊吸濕率和芯材保留率的影響Fig. 1 Effect of humidity on moisture absorption and core material retention of round scad oil microcapsules

2.2 溫度對藍圓鲹魚油微膠囊POV和TBA值的影響

脂質自氧化是自由基通過鏈反應發生的一種化學變化反應，過氧化物是這種反應開始時產生的主要產物，然后降解為其他產物，如醇類、酮類、醛類和揮發性化合物，能導致食物產生不愉快的異味[2,27]。圖2a表明，藍圓鲹魚油微膠囊在不同貯藏溫度下，其POV（初始值均為6.66 meq/kg）均有不同程度的增加，溫度越高，POV增加越快。貯藏在60 ℃下，藍圓鲹魚油微膠囊的POV增加最快，第3天就已明顯高于同一時期其他3 組的POV，貯藏30 d后的POV高達86.43%；貯藏在4 ℃和20 ℃下的藍圓鲹魚油微膠囊POV變化不明顯，直到30 d時的POV分別只有7.62 meq/kg和8.42 meq/kg，且兩者在同一時期的POV無明顯差異；貯藏在40 ℃時，藍圓鲹魚油微膠囊的POV變化幅度介于20 ℃和60 ℃之間，隨時間延長緩慢上升，POV到第30天為36.95 meq/kg，約為60 ℃貯藏條件下的一半。根據本課題組的前期研究[22]，將藍圓鲹魚油和藍圓鲹魚油微膠囊同時置于60 ℃條件下進行加速氧化反應6 d，結果發現處于同時期的藍圓鲹魚油微膠囊POV明顯低于未經過微膠囊化魚油的POV，說明藍圓鲹魚油經過微膠囊壁材包裹之后，減少了與空氣接觸的機會，氧化速率降低，從而達到提高藍圓鲹魚油貯藏穩定性的效果。但若貯藏溫度過高，藍圓鲹魚油微膠囊的POV上升速度加快，可能是因為微膠囊的壁材在較高的溫度和長時間作用下其物理性質發生了變化，原有的致密結構被破壞，有部分油脂滲出，失去了微膠囊壁材的保護，油脂快速被氧化[28]。因此，藍圓鲹魚油微膠囊適于低溫貯藏，應該避免長時間處于高溫環境從而導致微膠囊破壁而喪失對芯材的保護能力。

TBA法一般用于檢測脂質氧化過程中多不飽和脂肪酸降解產生的MDA含量[29]。二次氧化產物（如MDA）的鑒定對于測定人類食用油的氧化程度很重要，因為二次氧化產物通常具有氣味活性，而一次氧化產物無色無味[30]。由圖2b可知，藍圓鲹魚油微膠囊的TBA值的變化趨勢與POV類似，溫度越高，TBA值（初始值均為0.12 mg/kg）增加越快、越明顯。貯藏在4 ℃和20 ℃下，藍圓鲹魚油微膠囊的TBA值上升趨勢比較平緩，貯藏30 d后的TBA值分別為0.16、0.23 mg/kg，均與初始值無明顯差異，說明藍圓鲹魚油微膠囊的氧化程度較低，且氧化速率較慢；而貯藏在40、60 ℃下，TBA值隨時間延長而明顯增加；在60 ℃貯藏3 d后，藍圓鲹魚油微膠囊的TBA值已明顯高于同期其他3 組的TBA值，且氧化速率不斷加速上升，在30 d時TBA值高達7.90 mg/kg，約為4 ℃和20 ℃貯藏條件下的40 倍。這可能是因為溫度升高既激發了自由基的產生，又促進了氫過氧化物的分解和聚合，從而造成魚油微膠囊快速氧化[31]。綜上所述，高溫可能致使藍圓鲹魚油微膠囊結構破壞，加速氧化反應，不利于其貯藏。

圖2 溫度對藍圓鲹魚油微膠囊POV和TBA值的影響Fig. 2 Effect of temperature on POV and TBA values of round scad oil microcapsules

2.3 藍圓鲹魚油微膠囊品質動力學分析和貨架期模型的建立

2.3.1 動力學參數及反應常數確定

在食品加工和貯藏過程中，大多數食品的品質變化都符合零級或一級反應動力學方程[6,32]。為研究貯藏溫度和藍圓鲹魚油微膠囊氧化穩定性之間的關系，分別采用零級反應動力學方程和一級反應動力學方程對貯藏在不同溫度下藍圓鲹魚油微膠囊的POV和TBA值變化進行曲線方程擬合，其方程分別如式（5）、（6）所示。

式中：A0、A分別為樣品的初始指標值和t時間后的指標值；k為反應速率常數；t為魚油微膠囊貯藏時間/d。

將實驗數據分別代入公式（5）、（6），計算得到不同貯藏溫度下魚油微膠囊POV和TBA值在不同級數下的反應速率常數k與其線性回歸決定系數R2（表1）。

表1 藍圓鲹魚油微膠囊在不同貯藏溫度下品質變化的動力學模型參數Table 1 Kinetic model parameters for quality changes of round scad oil microcapsules during storage at different temperatures

由表1可知，不同貯藏溫度下由POV和TBA值建立的一級回歸方程的決定系數R2均大于0.9，R2越大表明總體線性相關性和擬合精度越好[33]。此外，各方程決定系數之和ΣR2的大小也可用于確定食品品質變化的級別，ΣR2越大，說明其擬合精度越高[34]。POV和TBA值一級動力學回歸的決定系數之和ΣR2均較零級動力學大，說明其有較高的擬合精度。因此，選擇一級反應動力學方程描述藍圓鲹魚油微膠囊POV與TBA值在不同溫度下隨貯藏時間的變化規律。

2.3.2 貯藏期間藍圓鲹魚油微膠囊POV和TBA值Arrhenius方程的建立

Arrhenius方程可用于反映反應速率與溫度的關系[35-36]，利用不同貯藏溫度下藍圓鲹魚油微膠囊POV及TBA值隨時間變化規律得到的數據進行回歸擬合動力學方程，并在Arrhenius方程（式（7））的基礎上通過給定評定終點對應的指標值以及某一貯藏溫度下藍圓鲹魚油微膠囊的貯藏時間t，進而預測不同溫度下的貨架期[37]。

對式（7）兩邊取對數得到式（8）。

由公式（6）～（8）推導得到式（9）。

根據式（9）可以得出預測模型貨架期（shelf life，SL），如公式（10）所示。

式（7）～（10）中：k為食品品質變化速率常數；SL為貨架期；t為食品的貯藏時間/d；A0為食品的初始品質指標值；A為食品貯藏t時刻的品質指標值；k0為指前因子；Ea為活化能/（J/mol）；T為絕對溫度/K；R為氣體常數，8.314 4 J/（mol·K）。

由公式（8）可知，lnk與1/T呈線性關系，將在277、293、313 K和333 K溫度下得到藍圓鲹魚油微膠囊的POV和TBA值的反應速率常數k用Arrhenius方程在不同溫度下進行線性擬合（圖3），得到回歸方程并求出k0及Ea（表2）。從表2中可知，一級動力學模型針對于兩種指標的擬合度都比較高（R2＞0.93），充分表明其可很好地預測不同貯藏溫度下藍圓鲹魚油微膠囊隨時間變化而發生的品質特性改變狀況。

圖3 藍圓鲹魚油微膠囊POV和TBA值變化的Arrhenius曲線Fig. 3 Arrhenius curves showing temperature-dependent changes in POV and TBA values of round scad oil microcapsules

表2 藍圓鲹魚油微膠囊氧化指標反應速率常數k對不同溫度Arrhenius方程擬合結果Table 2 Arrhenius equations for reaction rate constant k for oxidation indicators of round scad oil microcapsules at different temperatures

2.3.3 藍圓鲹魚油微膠囊貨架期模型的建立

將不同溫度下得到的指前因子（k0）與活化能（Ea）帶入公式（10），可以得到在不同貯藏溫度下以POV、TBA值為品質指標的化學動力學貨架期預測模型。

藍圓鲹魚油微膠囊關于POV建立的貨架期模型如式（11）所示。

藍圓鲹魚油微膠囊關于TBA值建立的貨架期模型如式（12）所示。

式中：APOV、ATBA分別為貯藏t時間后POV和TBA值；A0POV、A0TBA分別為POV和TBA值初始值；T為絕對溫度/K；R為氣體常數，8.314 4 J/mol。

2.3.4 貨架期預測模型的驗證與評價

根據SC/T 3505—2006《微膠囊化魚油水產行業標準》[38]中規定，魚油微膠囊的POV以12 meq/kg、TBA值以1 mg MDA/kg作為可接受的最高限值。為考察預測模型的準確性，以便更好地應用于實際生產、生活，需要根據不同貯藏溫度下藍圓鲹魚油微膠囊各個指標的實際測定值來驗證模型的準確性。

表3 藍圓鲹魚油微膠囊貨架期的預測時間與實測時間Table 3 Predicted and actual shelf life of round scad oil microcapsules

從表3中可以看出，在4、20、40、60 ℃貯藏溫度下，藍圓鲹魚油微膠囊以POV和TBA值為指標建立的貨架期預測模型的預測值與實測值的相對誤差均在10%內，說明藍圓鲹魚油微膠囊的實際貨架期與建立模型后預測的貨架期較為接近，具有較高的可信度[33]。從POV模型來看，在4、20、40 ℃和60 ℃貯藏條件下，魚油微膠囊的貨架期分別可達到190.09、71.02、23.81 d和6.32 d；從TBA值模型來看，在上述溫度的貯藏條件下，魚油微膠囊的貨架期可達到195.56、83.45、23.86 d和7.87 d。由圖4可知，POV與TBA值模型預測值的決定系數為0.996 4，兩個不同指標預測的貨架期具有較高的相關性，POV模型和TBA值模型可以很好地預測藍圓鲹魚油微膠囊的貨架期；另一方面，溫度越高，貯藏時間越短。因此，藍圓鲹魚油微膠囊應貯藏在低溫環境。

圖4 以POV與TBA值為指標建立的貨架期模型預測值的相關性Fig. 4 Correlation between model predictions for shelf life based on POV and TBA

3 結 論

藍圓鲹魚油微膠囊應貯藏在RH低的環境中，RH越高，魚油微膠囊越容易吸潮，導致芯材保留率低，感官品質下降，嚴重影響魚油微膠囊的貯藏穩定性。不同貯藏溫度下，藍圓鲹魚油微膠囊的POV和TBA值隨溫度升高而增加，且溫度越高氧化越明顯。利用一級動力學模型結合Arrhenius方程建立的氧化指標貨架期預測模型具有很好的準確度和相關性，預測值與實測值之間的相對誤差都低于10%，POV與TBA值模型預測值的決定系數高達0.996 4，可以迅速且準確地預測4～60 ℃條件下藍圓鲹魚油微膠囊的貨架期。綜合分析，藍圓鲹魚油微膠囊應貯藏在低溫低濕環境中，防止吸潮和氧化過快而導致其感官品質下降。本研究結果得出的貨架期預測模型可為預測和控制不同溫度下藍圓鲹魚油微膠囊的合理貯藏及品質鑒定提供一定的理論參考。