魚油微粉的制備及其穩定性分析

曹少謙，李沖沖，王正東，戚向陽, ，楊 華

（1.浙江萬里學院生物與環境學院，浙江寧波 315100；2.寧波市農產品加工技術重點實驗室，浙江寧波 315100；3.寧波裕天海洋生物科技有限公司，浙江寧波 315100）

魚油中富含ω-3多不飽和脂肪酸DHA（二十二碳六烯酸）和EPA（二十碳五烯酸），DHA與EPA具有多種生理功能，食用富含DHA、EPA的魚油能減少血清膽固醇的含量，防止心血管疾病，具有抗凝血、消炎、抗癌的功效[1-3]。魚油廣泛應用于飼料、藥品、功能性食品、焙烤食品、蛋類制品中，然而魚油中DHA、EPA等不飽和脂肪酸含有多個雙鍵，對氧氣、光和熱極為敏感，易發生氧化，產生過氧化物和異味，不僅嚴重降低了產品品質，而且使產品保質期縮短。而微膠囊化技術具有保持活性物質的穩定性，控制活性物質的釋放，掩蓋味道與氣味等特點[4-5]，是魚油穩態化的有效措施[6]。干燥微膠囊化魚油是一種加工適應性較好的粉末產品，粉末魚油已被添加到許多食品中，如面包、餅干、嬰兒配方奶粉、酸奶、糖果等[7-11]。

根據囊壁形成的機制和條件，微膠囊化方法有噴霧干燥法、噴霧冷凝/冷卻法、擠壓法、流化床包衣法、凝聚法、脂質體包封法等[12-14]。其中噴霧干燥法工藝簡單，得到的產品粒徑小且溶解性好，壁材選擇性多，對包埋物的適用性強。通過噴霧干燥法對富集魚油進行微膠囊化，能夠有效防止魚油氧化變質[15]，保持DHA和EPA的生理功能，并且使其粉末化，提高分散度，便于食品加工與保存。研究表明，噴霧干燥參數和進料壁材的組成對微膠囊產品的質量具有重要影響[16-20]，復合壁材的組合效應對噴霧干燥微膠囊產品質量的影響是研究的熱點之一。本文旨在利用噴霧干燥制備魚油微粉，在選取合適壁材的基礎上，考察固形物濃度、芯壁材比例、乳化溫度、進風溫度、進料流量及噴霧壓力等因素對包埋效果的影響，通過響應面優化實驗確定魚油微粉的最佳制備工藝條件，并分析其微觀結構、溶解性和熱穩定性，以期為魚油微粉的制備工藝及其產業化生產提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魚油 實驗室自制，由魚粉加工壓榨液制得，魚油POV值1.24 mmol/kg，酸價0.18 mg KOH/g，碘值為210.05 gI/100 g。混合脂肪酸甲酯標品 美國Supelco公司；明膠、阿拉伯樹膠粉、β-環糊精、石油醚（30～60 ℃）、無水乙醇 國藥集團化學試劑有限公司；玉米糖漿 環宇國輝（北京）國際貿易有限公司；蔗糖脂肪酸酯、大豆水解蛋白 廣州食品添加劑有限公司。

R-3型旋轉蒸發儀 瑞士Buchi公司；SD-06A型噴霧干燥機 英國Labplant公司；NDJ-5S型數字式粘度計 上海尼潤智能科技有限公司；IUL型均質器 上海德計行發展有限公司；Trace1300型GCMS 美國熱電公司；S-4800型場發射掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魚油微膠囊化工藝 按一定比例稱取壁材，加入蒸餾水100 mL，在80 ℃恒溫水浴鍋中加熱，攪拌使其溶解；同時稱取一定量魚油，加入1.0% 蔗糖脂肪酸酯，在一定溫度恒溫水浴鍋中加熱，緩慢加入壁材溶液，攪拌5 min；將混合液高壓均質（30 MPa，2次），形成乳化液，然后在一定進風溫度、進料流量及噴霧壓力條件下進行噴霧干燥，收集微膠囊產品。以粘度、乳化穩定性和包埋率為指標，確定魚油微粉制備的工藝。

1.2.1.1 壁材對魚油微膠囊化效果的影響 以阿拉伯膠、β-環糊精、玉米糖漿、大豆水解蛋白、酪蛋白、明膠為壁材，分別考察不同組合壁材（阿拉伯膠/β-環糊精/玉米糖漿、阿拉伯膠/β-環糊精/大豆水解蛋白、阿拉伯膠/酪蛋白/玉米糖漿、阿拉伯膠/酪蛋白/大豆水解蛋白、明膠/酪蛋白/玉米糖漿，質量比1:1:1）微膠囊化效果。按照1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比（魚油和壁材的比例）20%，40 ℃下乳化后，在進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa、進料流量300 mL/h條件下進行噴霧干燥。分別在乳化后測定乳化液粘度、乳化穩定性，噴霧干燥收集微粉后測定包埋率。在此基礎上選擇效果較好的復合壁材，進而考察其復配比例對微膠囊化的影響。

1.2.1.2 固形物濃度對魚油微膠囊化效果的影響按照1.2.1的方法，芯壁比20%，固形物濃度分別為5%、10%、20%、30%、40%，40 ℃下乳化后，在進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa、進料流量300 mL/h條件下進行噴霧干燥。分別在乳化后測定乳化液粘度、乳化穩定性，噴霧干燥收集微粉后測定包埋率。

1.2.1.3 芯壁比對魚油微膠囊化效果的影響 按照1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比分別為20%、30%、40%、50%、60%，40 ℃下乳化后，在進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa、進料流量300 mL/h條件下進行噴霧干燥。分別在乳化后測定乳化液粘度、乳化穩定性，噴霧干燥收集微粉后測定包埋率。

1.2.1.4 乳化溫度對魚油微膠囊化效果的影響 按照1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比20%，分別在不同溫度（40、50、60、70、80 ℃）下乳化后，在進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa、進料流量300 mL/h條件下進行噴霧干燥。分別在乳化后測定乳化液粘度、乳化穩定性，噴霧干燥收集微粉后測定包埋率。

1.2.1.5 進風溫度對魚油微膠囊化效果的影響 按1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比20%，40 ℃下乳化后，固定噴霧壓力為20 Mpa、進料流量300 mL/h的條件下，分別考察不同進風溫度（170、180、190、200、210 ℃）對包埋率的影響。

1.2.1.6 進料流量對魚油微膠囊化效果的影響 按1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比20%，40 ℃下乳化后，固定進風溫度190 ℃、噴霧壓力20 Mpa的條件下，分別考察不同進料流量（300、500、700、900、1100 mL/h）對包埋率的影響。

1.2.1.7 噴霧壓力對魚油微膠囊化效果的影響 按1.2.1的方法，固形物濃度20%，芯壁比20%，40 ℃下乳化后，固定進風溫度190 ℃、進料流量300 mL/h的條件下，分別考察不同噴霧壓力（15、20、25、35、45 MPa）對包埋率的影響。

1.2.1.8 魚油微粉制備工藝的優化 根據前面實驗的結果，選擇固形物濃度、芯壁比、乳化溫度、進風溫度4個因素為自變量，以包埋率為響應值，設計4因素3水平的響應面優化試驗（表1）。

表1 設計因素及水平表Table 1 Factors and levels for experimentation design

1.2.2 乳化液粘度的測定 乳化液粘度采用旋轉粘度計測定。

1.2.3 乳化穩定性的測定 取乳化液一定體積于15 mL離心管中，50 ℃水浴，分層，冷卻后在2500 r/min離心5 min，根據乳化層體積計算乳化穩定性。

乳化穩定性（%）=（乳化層體積/乳液總體積）×100

1.2.4 包埋率的測定 參考車馨子等[21]的方法，分別測定微膠囊總含油量和表面含油量。總油含量測定如下：稱取一定量樣品（w1，g）加入100 mL鹽酸溶液（pH1），60 ℃下使其充分溶解，再加入石油醚/正己烷（1:1，v/v）充分萃取后取上液，萃取液蒸干溶劑，殘留物總量記為w2（g），總含油量（%）=w2/w1×100。表面含油量測定如下：稱取一定量樣品（w1，g）加入30 mL石油醚振蕩2 min后靜置10 min，濾紙（經石油醚浸泡且恒重）過濾，殘渣用石油醚清洗3次后干燥至恒重，殘渣重量記為w3（g），表面含油量（%）=（w1-w3）/w1×100。

包埋率（%）=（1-微膠囊表面油含量/微膠囊總油含量）×100

1.2.5 魚油微粉表面形態的觀察 參照江連洲等[22]的方法，將魚油微粉撒在貼了雙面膠的樣品平臺上，壓實后吹去多余粉末，然后放置于離子濺射儀中于10 mA電流下噴金，使材料表明鍍上一層鉑膜，用掃描電鏡觀察魚油微粉表面形態。

1.2.6 魚油微粉水分含量及產品溶解性的測定 采用GB 5009.3-2016[23]測定魚油微粉中水分含量。取魚油微粉3 g于燒杯中，加入30 mL的水，分別放在20、30、40、50、60 ℃使其溶解。抽濾取濾液，取沒有溶解的微囊，放在干燥箱中干燥，然后稱殘留物重量，計算溶解度。

溶解度（%）=（1-殘留物重量/魚油微粉總重量）×100

1.2.7 魚油微粉貯藏穩定性分析 分別稱取5 g魚油微粉平鋪于表面皿中，置于不同溫度下（5、25、45、65 ℃），每隔48 h取樣，采用SC/T3505-2006中方法測定其POV值[24]，同時采用GB 5009.168-2016中方法測定EPA、DHA含量[25]，計算其EPA、DHA保留率。

DHA (EPA) 保留率（%）=[貯存一定時間后樣品中DHA(EPA)含量/貯存前樣品中DHA(EPA)含量]×100

分別稱取5 g未加抗氧化劑魚油、未加抗氧化劑魚油微粉、添加抗氧化劑魚油（維生素E，添加量為1 g/kg）及添加抗氧化劑的魚油微粉放入燒杯中，在常溫下密封貯藏，每隔48h取樣，提取微膠囊中的魚油，采用SC/T3505-2006中方法測其POV值[24]。

1.3 數據處理

所有數據采用Microsoft Excel與SPSS軟件進行處理和分析。其中，方差分析采用Anova過程，顯著性分析采用Duncan檢驗，P＞0.05判定為無顯著變化，P＜0.05判定為變化顯著。所有數據均取3次平行測量的平均值。

2 結果與分析

2.1 魚油微膠囊化工藝的研究

2.1.1 壁材對魚油微膠囊化效果的影響 以阿拉伯膠、β-環糊精、玉米糖漿、大豆水解蛋白、酪蛋白、明膠為壁材，不同組合壁材微膠囊化效果如表2所示，阿拉伯膠、β-環糊精和玉米糖漿組成的復合壁材粘度較小，乳化穩定性較好，包埋率最高，因此選擇阿拉伯膠/β-環糊精/玉米糖漿為微膠囊壁材。

阿拉伯膠/β-環糊精/玉米糖漿復配比例對微膠囊效果的影響見表3和表4。固定玉米糖漿在壁材中質量比為2:3，改變阿拉伯膠和β-環糊精的比例，當阿拉伯膠和β-環糊精的質量比為2:1時，乳化液粘度適中，乳化穩定性較好，魚油的包埋效果最好，當阿拉伯膠含量繼續增加時，乳化液粘度過大會增加噴霧的難度，出粉減少。當阿拉伯膠/β-環糊精（質量比2:1）與玉米糖漿質量比1:2時乳化穩定性適中，包埋效率高。繼續增大玉米糖漿的濃度，粘度變大，包埋效果差。因此，適宜的復合壁材為阿拉伯膠/β-環糊精/玉米糖漿質量比2:1:6。

表2 壁材種類對魚油微膠囊化效果的影響Table 2 Effect of wall materials on fish oil microcapsulation

表3 阿拉伯膠和β-環糊精比例對魚油微膠囊化效果的影響Table 3 Effect of the ratio of Arabic gum and β-cyclodextrin wall materials on fish oil microcapsulation

表4 阿拉伯膠、β-環糊精和玉米糖漿比例對魚油微膠囊化效果的影響Table 4 Effect of the ratio of Arabic gum, β-cyclodextrin and corn syrup on fish oil microcapsulation

2.1.2 固形物濃度對魚油微膠囊化效果的影響 由表5可知，隨著固形物含量增加，乳化液粘度逐漸增大，乳化穩定性也相應升高。但固形物濃度過高可能會導致粘度太大，影響噴霧干燥的進行，固形物濃度30%為宜，此時包埋率也較其他濃度高。

表5 固形物濃度對魚油微膠囊化效果的影響Table 5 Effect of the solids concentration on fish oil microcapsulation

2.1.3 芯壁比對魚油微膠囊化效果的影響 由表6可知，芯壁比對微膠囊化效果有顯著影響（P＜0.05）。隨著芯壁比的上升，粘度逐漸下降，乳化液的穩定性降低，可能是因為一定量的壁材只能包埋一定量的魚油，過量的魚油導致乳化不充分，易分層且粘度變小[26]。當芯壁比30%時，包埋率最大，乳化穩定性最高。

表6 芯壁比對魚油微膠囊化效果的影響Table 6 Effect of the propotion of core material to wall material on fish oil microcapsulation

2.1.4 乳化溫度對魚油微膠囊化效果的影響 由表7可知，乳化溫度對乳化液粘度、包埋率均有顯著影響，對乳化穩定性則無顯著影響。適當的降低乳化溫度可以提高乳化穩定性，但如果溫度太低，粘度會過大，顆粒間阻力過大，反而不易混合乳化。50 ℃時乳化液粘度適中，包埋率較高，乳化穩定性最高。

表7 乳化溫度對魚油微膠囊化效果的影響Table 7 Effect of the emulsifying temperature on fish oil microcapsulation

2.1.5 進風溫度對魚油微膠囊化效果的影響 進風溫度對微膠囊顆粒的形成及其大小有重要的影響。當溫度過高時，不僅可能產生焦粉現象，而且還會加快壁材的濃縮成膜，導致模殼內水分蒸發減慢，使得液滴內壓力上升，膠囊破裂[27-28]。若溫度過低，干燥速度減慢，液滴還沒完成干燥，就已落入塔底或接觸塔壁，從而出現潮粉或粘壁現象，致使噴霧干燥包埋率變低。由圖1可知，進風溫度升高，包埋率顯著增加，但當溫度達到210 ℃時，微粉呈焦黃色，且較多附著在玻璃壁表面，凝聚成團且得率較低，故選用200 ℃作為進風溫度較合適。

圖1 進風溫度對魚油微膠囊化效果的影響Fig.1 Effect of inlet air temperature on fish oil microcapsulation

2.1.6 進料流量對魚油微膠囊化效果的影響 加大進料流量可增大微囊的粒度和松密度，但進料過快不利于干燥，會造成微囊含水量高、濕粉黏壁等問題[29-30]。由圖2可知，隨著進料速度的增大，包埋率顯著下降（P＜0.05），因此選擇進料流量為300 mL/h。

2.1.7 噴霧壓力對魚油微膠囊化效果的影響 當噴霧壓力增加時，物料的噴出速度提高，霧化液滴的粒徑減小，比表面積增加，微粒與熱空氣接觸后，水分迅速蒸發，致使跑粉現象嚴重，但當噴霧壓力過低時，霧化液滴粒徑太大，比表面積減小，干燥速度減緩，易造成粘塔或潮粉現象[29]。由圖3可知，隨著噴霧壓力的增大，產品包埋率隨之上升，當壓力大于35 MPa時，包埋率下降，因此，選擇噴霧壓力為35 MPa。

圖2 進料流量對魚油微膠囊化效果的影響Fig.2 Effect of feed flow rate on fish oil microcapsulation

圖3 噴霧壓力對魚油微膠囊化效果的影響Fig.3 Effect of spray pressure on fish oil microcapsulation

2.1.8 魚油微膠囊工藝的優化 根據前面實驗的結果，乳化液的制備會影響噴霧干燥效果，噴霧干燥進風溫度對微粉品質影響較大，因此選取四個因素：固形物濃度（A）、芯壁比（B）、乳化溫度（C）和進風溫度（D），對魚油微囊工藝進行優化，結果見表8。

采用Design-expert7.0對上述實驗結果進行分析，建立數學回歸模型，并根據模型方程得出最佳實驗配方。得到的回歸方程為：

從方差分析結果（表9）可知，模型在P＜0.01時水平差異顯著，說明總體回歸方程差異極顯著，因變量與所有自變量之間的決定系數R2=0.9645，說明該數學回歸模型能夠較好地描述試驗結果，回歸方程的一次項、二次項都顯著，說明響應值的變化復雜，試驗因子對響應值的影響不是簡單的線性關系，失擬項F值較小，說明方程對試驗的擬合情況好，試驗誤差小，可利用此方程進一步確定最佳條件。通過對Y的回歸系數的檢驗可知，各因素對包埋率影響的大小順序為：固形物濃度（A）＞進風溫度（D）＞芯壁比（B）＞乳化溫度（C）。

結合回歸模型的數學分析，確定配方組合水平為A=-1、B=0.40、C=0.40、D=0.59，換算后可得魚油微膠囊產品最佳工藝配方：固形物濃度25%，芯壁比32%，乳化溫度52 ℃，進風溫度206 ℃，在此條件下微膠囊包埋率的理論值為93.24%。驗證試驗顯示包埋率為92.66%，實驗值與回歸方程預測值吻合良好，依據模型數據可有效的指導實驗。

表8 實驗設計及結果Table 8 Experimentation design and test results

2.2 魚油微粉的超微結構

微膠囊產品的大多數性質都與其結構有關，微膠囊對包埋物的保護作用也與其結構狀態有關。如圖4所示，魚油經微膠囊化后顆粒表面較光滑，囊壁完整性較好，表面有典型性皺褶及凹陷，但未見破裂、孔洞，能夠將芯材與外界環境隔絕，避免不良因素影響。顆粒表面出現的皺褶及凹陷，是由于霧滴高溫下迅速干燥致使表面收縮形成的，有研究表明囊壁凹陷可能與壁材組成有關[18,31]。

2.3 魚油微粉水分含量及溶解性

測得魚油微粉的水分含量為2.45%±0.02%，處于較低的水平，易于保存。對微膠囊產品，含水率是一個重要的理化指標，水分過多易使產品結塊、霉變，微膠囊產品的含水率通常要求控制在2%～5%。當溶解度達到100%時，表明微膠囊產品全部溶解，表10表明魚油微粉能夠很好的溶解于水中，良好的溶解性大大增加了魚油的應用范圍。

2.4 魚油微粉的貯藏穩定性

由于魚油富含多不飽和脂肪酸，極易被氧化，貯藏穩定性是魚油微粉重要的評價指標。圖5可以看出，在65 ℃下貯藏12 d，魚油微粉POV值仍保持在較低水平（＜3.5 mmol/kg），可見其耐熱性能較好，但溫度越高魚油微粉POV值上升速度越快，較高的溫度不僅使油脂氧化加速，對微膠囊壁材也起著一定的破壞作用，使其對芯材的保護作用減弱，因此在貯藏過程中應盡量避免高溫環境。

表9 響應面回歸模型方差分析Table 9 ANOVA for response surface quadratic model analysis of variance table

不同貯藏溫度對魚油微粉中DHA和EPA保留率的影響如表11所示，隨溫度升高DHA和EPA保留率快速下降，5 ℃時保存12 d，二者保留率均大于99.5%，而65 ℃時保存12 d二者保留率下降至66%左右。研究表明溫度對促進油脂氧化起著重要的作用，溫度每提高10 ℃，油脂的氧化速度加快一倍。此外，芯材的分子布朗運動隨溫度升高而加快，從而提高了芯材逸出囊壁的速度，同時溫度越高對壁材的破壞程度越大，可導致囊壁孔徑變大、產生裂縫等，加快芯材的釋放速度[31-32]。

表10 魚油微粉的溶解度Table 10 The solubility of fish oil micropowder

圖5 不同溫度下魚油微粉POV值的變化Fig.5 POV values change of fish oil micropowder at different temperatures

由圖6可知，25 ℃下貯藏，未加抗氧化劑的魚油隨著貯存時間的延長，POV值上升明顯，添加抗氧化劑的魚油POV上升相對較緩慢，而添加抗氧化劑的微膠囊魚油POV隨時間的延長總體變化不大。未加抗氧化劑的魚油微粉25 ℃下貯藏14 d時POV值為3.11±0.09 mmol/kg，而添加抗氧化劑的魚油微粉則為2.88±0.06 mmol/kg，顯著低于前者（P＜0.05），且未經微膠囊化處理的無抗氧化劑的魚油POV值為6.53±0.18 mmol/kg，顯著高于微膠囊化處理魚油（P＜0.05）。試驗表明微膠囊化能較好的防止魚油氧化，且添加抗氧化劑的微膠囊魚油具有更好的抗氧化能力。

表11 不同溫度下的微膠囊產品EPA和DHA保留率變化Table 11 Changes of the retention rate of EPA and DHA in microcapsules at different temperatures

圖6 常溫下貯藏樣品的POV變化Fig.6 POV values change of the samples at room temperature

3 結論

噴霧干燥制備魚油微粉工藝中，選擇阿拉伯膠/β-環糊精/玉米糖漿（質量比2:1:6）為復合壁材，微膠囊化效果較好。乳化液的制備和噴霧干燥工藝參數對魚油微膠囊的形成有重要的影響，固形物濃度25%、芯壁比32%、乳化溫度52 ℃、進風溫度206 ℃、噴霧壓力35 MPa、進料流量300 mL/h為噴霧干燥制備魚油微粉的最佳工藝條件，在此條件下包埋率為92.66%，微粉水分含量為2.45%，溶解性好，微膠囊顆粒表面光滑，無破裂或孔洞，同時具有較好的熱穩定性。