榛子油微膠囊的制備及其穩定性研究

張 維，陳麗蕊，時孟杰，劉 歡，范麗穎

（長春理工大學生命科學技術學院，吉林長春 130022）

榛子是我國繼油茶、核桃和長柄扁桃后的重要木本油料作物，是發展木本油料產業的重要代表之一[1]。榛子油含量占有榛仁質量的60%，主要含有油酸、亞油酸和亞麻酸等不飽和脂肪酸，具有軟化血管、抗氧化和提高免疫力等功能，是一種高端優質食用油[2?3]。但是榛子油在自然環境下極易受到環境因素的影響而氧化變質，造成油料資源的浪費。使用微膠囊技術將液態油脂制成固體粉末，既能保護油脂的質量，延長儲藏期，也可以擴大榛子油的應用范圍。

微膠囊技術是將固體顆粒、液滴或者氣體（統稱為芯材）用一種或幾種天然或合成的成膜物質（統稱為壁材）將其包埋形成粉末狀顆粒的技術[4]。壁材的成分主要有蛋白質、糖類和膠體等，經微生物分解多糖降解得到的低聚糖（如α-環糊精、β-環糊精和γ-環糊精）在實際生產中應用廣泛[5?6]。其中β-環糊精（βcyclodextrin,β-CD）的圓筒形結構可以與多種有機或無機分子結合形成穩定的固體包合物，同時具有無毒、價格便宜等特點，近年來在食品和醫藥領域發展迅速。

目前，對于榛子油微膠囊的研究報道較少且方法單一，李延輝等[7]和Fatih等[8]利用噴霧干燥法制備粉末化榛子油，得到粉末狀顆粒油脂的粒度為16.7 μm。楊春瑜等[9]采用乳液聚合法制備榛子油粉末油脂，得到的微膠囊為圓球形，直徑在5 μm以內，囊壁較為完整。以上研究主要集中在對微膠囊的工藝條件優化上且對實驗設備的要求較高，同時對其理化性質的研究較少。本研究以β-CD為壁材，采用超聲波輔助分子包埋法制備榛子油微膠囊，簡化了微膠囊的制備工藝，并通過響應面法優化了最佳工藝參數，同時對其表征、微觀結構、熱穩定性和氧化穩定性等理化性質進行測定，以期延長榛子油的貨架期，擴大其應用范圍。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

平歐雜交榛 遼寧鐵嶺，脫殼粉碎，置于-18 ℃冰箱密封保存備用；β-CD 食品級，河南華悅有限公司；無水乙醇 北京化工廠；石油醚（60~90 ℃） 天津天泰化工；溴化鉀 天津紅巖試劑廠；試劑均為國產分析純。

BCD-260WDGW低溫冰箱 海爾公司；SB25-12DTD超聲波清洗機 寧波新芝科技；RE-3000A旋轉蒸發器 上海亞榮儀器廠；Biofuge Stratos低溫高速離心機 北京昊諾斯科技公司；BSA124S電子分析天平 北京賽多利斯公司；XL-30掃描電子顯微鏡 荷蘭Philips-FEI公司；IRA ffinity-1S傅里葉紅外光譜儀 日本島津制作所；STA449F3 Jupiter同步熱分析儀 德國耐馳儀器；D8-Advance X-射線衍射儀 德國Bruker AXS公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 榛子油的提取 參考楊青珍等[10]的方法，稱取一定質量的榛子粉，按液料比10 mL/g添加石油醚（60~90 ℃），超聲（240 W）10 min，靜置0.5 h。取上清液，離心（5000 r/min）10 min，再取上清液，旋轉蒸發，真空干燥（60 ℃）至恒重，4 ℃冷藏備用。

1.2.2 榛子油微膠囊的制備 參考劉星等[11]的方法，稱取一定量的β-CD，加入蒸餾水，攪拌溶解得到壁材溶液。稱取適量的榛子油，加入等量無水乙醇，振蕩溶解得到芯材溶液。將芯材緩慢滴加至壁材溶液，60 ℃下超聲1 h，超聲功率240 W（頻率40 kHz），待冷卻至室溫，低溫（4 ℃）冷藏12 h。抽濾，用30%乙醇溶液洗滌微膠囊2次，干燥（50 ℃）至恒重，即得到微膠囊產品，計算包埋率和產率。

1.2.3 榛子油微膠囊單因素實驗 按照1.2.2的方法制備榛子油微膠囊，以包埋率為主要指標，根據控制變量法分別研究壁材濃度（H2O/β-CD）、壁芯比、包埋時間和包埋溫度對包埋率和產率的影響，確定單因素的最佳水平。因素梯度水平見表1。

表1 單因素水平設計Table 1 Factors and levels of single factor

1.2.4 響應面分析法優化榛子油微膠囊工藝 結合單因素實驗利用軟件Design Expert 8.0.6中的箱式設計法（Box-Behnken Design，BBD）建立數學模型，以壁材濃度（H2O/β-CD）、壁芯比、包埋時間和包埋溫度為自變量，包埋率Y（%）為響應值，設計四因素三水平試驗，優化榛子油微膠囊的制備工藝。試驗因素、代碼和變化水平見表2。

表2 響應面試驗因素與水平編碼值Table 2 Response surface test factors and level code values

1.3 微膠囊包埋率與產率的測定

1.3.1 包埋率的測定 表面油測定[13]：準確稱取微膠囊（w）于錐形瓶，加入20 mL石油醚，搖勻3 min，過濾，用石油醚洗滌錐形瓶和濾紙3次，收集濾液于旋轉瓶（w1），旋轉蒸發溶劑，干燥至恒重（w2）。表面油的計算公式為：

式中：Y為微膠囊表面油含量，%；w2為榛子油與旋轉瓶總質量，g；w1為旋轉瓶質量，g；w為微膠囊質量，g。

總油含量的測定：采用GB 5009.6-2016索氏抽提法測定總油含量。

包埋率的計算：

式中：EE為微膠囊包埋率，%；T為總油含量，%；Y為表面油含量，%。

1.3.2 產率的測定

式中：EY為微膠囊產率，%；m為微膠囊質量，g；m1為初微膠囊壁材質量，g；m2為微膠囊芯材質量，g[14?15]。

1.4 榛子油微膠囊理化性質的研究

1.4.1 基本理化性質 感官評定：采用QB/T 4791-2015中的感官要求測定榛子油微膠囊的感官性質。粒徑測定：取少量榛子油微膠囊用蒸餾水稀釋，使之分散均勻，再取一部分分散液，通過激光粒度儀測定[16]。密度測定：準確稱取10 g榛子油微膠囊，加入有刻度的量筒中，輕敲量筒，上下振動至微膠囊的體積恒定，讀取微膠囊體積，計算單位體積微膠囊的質量，即為微膠囊的密度。含水量測定：微膠囊中水分的測定參考GB 5009.3-2016中的直接干燥法。

1.4.2 溶解度 準確稱取含水量為A的榛子油微膠囊m于燒杯，室溫條件下分數次加入38 mL（25 ℃）蒸餾水，攪拌使之溶解。然后以5000 r/min離心10 min，去除上清，重復以上加水及之后的操作至沉淀不再溶解。最后用蒸餾水將剩余不溶物質洗至蒸發皿m1，干燥至恒重[17]。溶解度的計算公式為：

式中：S為微膠囊溶解度，%；m2為蒸發皿和不溶物的質量，g；m1為蒸發皿質量，g；A為微膠囊含水量，%；m為微膠囊質量，g。

1.4.3 休止角 固定好鐵架臺和漏斗，漏斗下放置一個圓平皿，從漏斗上方加入微膠囊，自然下沉于圓平皿上形成錐體（錐體底部需鋪滿平皿），測量錐體的高度[18]，休止角的計算公式為：

式中：F為微膠囊休止角，°；h為微膠囊錐體高度，cm；d為圓平皿直徑，cm。

1.4.4 表面結構觀察 取少量干燥的榛子油微膠囊和β-CD，撒于帶有雙面膠的樣品臺，除去多余粉末后噴金，用掃描電鏡觀察樣品的表面結構。

1.4.5 X-射線衍射（X-ray diffraction, XRD） 稱取少量干燥的榛子油微膠囊和β-CD并對其進行XRD測定。測定條件[19]：室溫，采用銅靶（Cu），Kα射線（λ=0.154 nm），維持管電流40 mA，掃描范圍4°~30°，掃描速率4°/min，步長0.02°。

1.4.6 紅外光譜 稱取干燥的榛子油微膠囊1.5 mg于瑪瑙研缽，按質量比1:100加入高純溴化鉀，研磨，壓片，紅外光譜儀掃描，作圖并分析[20]。條件：掃描次數20次、分辨率2 cm?1，掃描范圍400~4000 cm?1。

1.4.7 熱穩定性 稱取5 mg干燥的榛子油微膠囊于鋁盒，用同步熱分析儀對其進行熱重分析。控制氮氣流速30 mL/min，以10 ℃/min的升溫速率從25 ℃升到500 ℃結束，繪制熱失重曲線[21]。

1.4.8 氧化穩定性 稱取適量的榛子油及其微膠囊于錐形瓶，密封避光，置于60 ℃烘箱中18 d，每3 d檢測一次過氧化值（Peroxide value, POV），方法參照GB 5009.227-2016中食品過氧化值的測定。

1.5 數據處理

每組實驗重復三次，結果以平均值±標準差（Mean±SD）表示。采用OriginPro 8.0和Design Expert 8.0.6對數據進行作圖和分析，方差分析使用SPSS Statistics 25，P<0.05為具有顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 榛子油微膠囊的單因素實驗

2.1.1 壁材濃度對榛子油微膠囊包埋率和產率的影響 如圖1所示，壁材濃度對包埋率和產率的影響顯著（P<0.05），隨著壁材濃度的降低，微膠囊的包埋率和產率先增加后降低。當壁材濃度（H2O/β-CD）為16:1時，包埋率和產率達到最大。這是由于β-CD溶液由過飽和溶液趨向飽和溶液再被稀釋的過程中，油脂分子逐漸取代β-CD的非極性基團中原來水分子的位置，有效包埋物逐漸增加，包埋率和產率也逐漸升高，但因進一步稀釋后水分子重新占據非極性空腔，無效包埋物增加，導致包埋率和產率降低[22?23]。綜合微膠囊的包埋率與產率，選擇最佳壁材濃度為16:1。

圖1 壁材濃度對微膠囊包埋率和產率的影響Fig.1 Effects of β-CD/H2O on microcapsule embedding rate and yield

2.1.2 壁芯比對榛子油微膠囊包埋率和產率的影響如圖2所示，壁芯比對包埋率也影響顯著（P<0.05），微膠囊的包埋率隨著壁材量的增大先增加后降低，在壁芯比為5:1時包埋率達到最大。這是因為β-CD的分子空腔用限，隨著壁材量的增加，芯材可以穩定的包埋于足夠的β-CD內腔中，包埋率達到最大。隨著壁材量的進一步增大，過多的β-CD相互堆積，不參與油脂的包埋，包埋率隨之降低[24]。整個梯度溶液中，微膠囊產率因β-CD溶液達到飽和而變化不顯著（P>0.05）。綜合微膠囊的包埋率與產率，選擇最佳壁芯比為5:1。

圖2 壁芯比對微膠囊包埋率和產率的影響Fig.2 Effects of hazelnut oil/β-CD on microcapsule embedding rate and yield

2.1.3 包埋時間對榛子油微膠囊包埋率和產率的影響 如圖3所示，隨著時間的延長，微膠囊的包埋率先增加，在60 min時達到最大，然后隨時間的繼續延長而逐漸降低。這是由于微膠囊的形成是油脂分子進入β-CD空腔以疏水作用和氫鍵形成包合物的結合過程，時間較短，包合反應不完全；繼續延長包埋時間，包合物中的氫鍵發生斷裂且疏水作用也被破壞，油脂又回到溶液中，導致包埋率降低[25]。整個梯度中，微膠囊產率因β-CD溶液達到飽和而變化不顯著（P>0.05）。綜合微膠囊的包埋率與產率，選擇最佳包埋時間為60 min。

圖3 包埋時間對微膠囊包埋率和產率的影響Fig.3 Effects of time on microcapsule embedding rate and yield

2.1.4 包埋溫度對榛子油微膠囊包埋率和產率的影響 如圖4所示，溫度對包埋率的影響較大（P<0.05），隨著溫度的升高，微膠囊的包埋率增加明顯，60 ℃后隨后隨著溫度的繼續增加而迅速下降。這是因為隨著溫度的升高，β-CD溶解度增加，分子間碰撞加劇，油脂分子進入β-CD分子空腔的可能性增加；當溫度繼續增加，分子間運動過于劇烈，會破壞油脂分子與β-CD之間的疏水作用力，芯材與壁材分離，導致包埋率降低[26]。整個梯度中，微膠囊產率因β-CD溶液達到飽和而變化不顯著（P>0.05）。綜合微膠囊的包埋率與產率，選擇最佳包埋溫度為60 ℃。

圖4 包埋溫度對微膠囊包埋率和產率的影響Fig.4 Effects of temperature on microcapsule embedding rate and yield

2.2 榛子油微膠囊工藝的響應面試驗優化

2.2.1 響應面試驗設計與結果 按照表2的因素水平表，利用箱式設計法（BBD）處理數據并分析，結合本實驗的4個單因素，共設計了29個試驗點，其中有5個中心試驗點，24個分析因子，結果如表3所示。

表3 響應面分析結果Table 3 Design and result of response surface experiments

2.2.2 模型的建立與顯著性分析 利用箱式設計法（BBD）法對響應面結果進行二次多項回歸擬合，得到包埋率（Y）對自變量壁材濃度（X1）、壁芯比（X2）、包埋時間（X3）和包埋溫度（X4）的多元回歸擬合方程：

回歸方程方差分析如表4所示。從表4中的P值中可知，此多元回歸模型極顯著（P<0.01），失擬項不顯著（P>0.05），這兩種結果都表明，此多元回歸模擬擬合方程能夠較好地擬合實際預測值的變化，理論誤差值較小。此外，表中的復相關系數（R2=0.9878）和校正決定系數（R2adj=0.9756）也表明此模型能夠較合理解釋響應值的變化，試驗重復性好，模型較為可靠。

從方差分析的顯著性可知，多項式中的一次項均差異極顯著（P<0.01），表明這4個單因素對包埋率的影響均極顯著。交互項中X1X2、X1X3、X2X3和X3X4交互作用不顯著（P>0.05），X1X4交互作用顯著（P<0.05），X2X4交互作用極顯著（P<0.01）。二次項的影響均極顯著（P<0.01）。此外，由表4中F值可知各個因素的影響程度：壁材濃度<壁芯比<包埋時間<包埋溫度。

表4 回歸模型方差分析結果Table 4 Analysis of variances for the created regression model

2.2.3 響應面交互作用分析 為直觀反映出兩個因素對微膠囊包埋率的影響，由回歸方程繪制出其響應面3D圖，結果如圖5所示。響應面坡度越陡峭，表明兩因素的交互作用對包埋率的影響越顯著，反之平緩則不顯著[27?28]。由圖5可知，在圖5A~5B、圖5D和圖5F響應面圖中各因素的坡度相似，表明壁材濃度與壁芯比、壁材濃度與包埋時間、壁芯比與包埋時間和包埋時間與包埋溫度的交互作用對包埋率的影響不顯著；從圖5C和圖5E響應面圖中坡度的陡峭程度可以看出，壁材濃度和包埋溫度、壁芯比和包埋溫度對包埋率的影響影響顯著。溫度可以促使分子運動加快，增加壁材溶解度，提高包埋率。此外，從圖5A~5B和圖5F響應面圖中可以看出，壁芯比、包埋時間和包埋溫度對包埋率的影響也顯著。以上結果也驗證了2.2.2中方差分析的結論。

圖5 各因素交互作用對包埋率影響的響應面圖Fig.5 Response surface diagrams of the interaction of two factors

2.3 驗證試驗

根據響應面模型預測的最佳工藝為：壁材濃度（H2O:β-CD）15.73:1、壁芯材比5.23:1、包埋時間62.39 min、包埋溫度59.29 ℃。在此條件下，理論包埋率可達69.34%。考慮到實際操作條件，將最佳工藝參數調整為壁材濃度（H2O:β-CD）16:1，壁芯材比5:1，包埋時間62 min，包埋溫度59.3 ℃，在此條件下進行三次重復獨立試驗，包埋率達到69.18%±0.72%，產率達到59.74%±0.37%。結果與理論值相差較小，說明響應面分析法優化的結果是可行的。

2.4 榛子油微膠囊理化性質的研究結果

2.4.1 基本理化性質 從表5可知，榛子油微膠囊為乳白色、略帶清香的疏松狀粉末顆粒，平均粒徑880.4±10.42 nm，小于1 μm，較適合于食品輔料用作工業生產。水分含量較為適中，說明在干燥的過程中水分基本蒸發完全，產品較為干燥，油脂不易析出而氧化，有利于儲藏。常溫下產品溶解度良好，具有一定的沖調性，可用作食用輔料做進一步的開發。微膠囊的休止角42.49°±0.53°，表明微膠囊產品黏度小，流動性和分散性好，實用價值較高。

表5 榛子油微膠囊基本理化性質Table 5 Basic physical and chemical properties of hazelnut oil microcapsules

2.4.2 掃描電子顯微鏡觀察 從圖6A看出β-CD粉末為大小不均一的塊狀和不規則的片狀，而且表面附著有很多的小顆粒；從圖6B看出微膠囊大多為不均一的柱狀和菱形片狀，表面較光滑，基本無裂縫且體積較大。說明微膠囊在冷藏析出結晶時，一方面形成包埋榛子油的單晶體，另一方面還與其它包合物以層狀、柱狀或球狀的方式堆積形成不同形狀的包埋物[29]。此外，β-CD分子在包埋和析出的過程中通過與水分子間氫鍵的作用也生成多種晶形的包合物。

圖6 β-環糊精與微膠囊掃描電鏡圖（500×）Fig.6 Scanning electron micrograph of β-CD and microcapsules（500×）

2.4.3 X射線衍射（XRD）分析 如圖7所示，β-CD在2θ為9.06°、12.82°、13.42°和18.73°處有較明顯的衍射峰；微膠囊在2θ為9.56°、12.87°、13.47°和18.23°處有很強的衍射峰，即兩種物質都有各自的特征衍射峰，表明這兩種物質都是具有規則、定形結構的晶體化合物，有較完整的結晶形態[30?31]。通過比較β-CD和微膠囊的衍射圖譜發現，β-CD包埋榛子油后形成的微膠囊衍射峰相比于β-CD多處存在明顯變化，部分峰消失，部分峰有不同程度的減弱或位移，還有部分峰強度加強，這就表明微膠囊化后β-CD分子晶體結構已發生改變，有新的物相生成，榛子油微膠囊形成。

圖7 榛子油微膠囊與β-CD的X-射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction patterns of hazelnut oil microcapsule and β-CD

2.4.4 傅里葉變換紅外光譜分析 通過掃描物質得到的紅外光譜，可以發現其不同成分的分子結構和化學鍵[32]。如圖8所示：β-CD和微膠囊在3600~3000 cm?1處都有極強且寬的吸收峰，這主要是因為β-CD分子內有大量-OH的伸縮振動。β-CD、榛子油和微膠囊在2925 cm?1處都有較強的伸縮振動峰，說明這三種物質都含有較多的飽和C-H鍵。從榛子油的光譜圖中看到3100~2800 cm?1處有較強的伸縮振動峰，這是C=C的特征峰，表明榛子油不飽和程度高，含有較多的油酸和亞油酸。這一特征峰在微膠囊中也有出現，只是強度減弱，說明榛子油已被壁材較好的包埋。榛子油在1746 cm?1附近也有較強的C=O吸收峰，微膠囊在此處只有較弱的吸收峰而β-CD中沒有此吸收峰，表明壁材把芯材包埋在內部使之伸縮振動不明顯，進而表示微膠囊結構已形成。

圖8 榛子油微膠囊及其組成成分的紅外光譜圖Fig.8 FT-IR spectra of hazelnut oil microcapsule and its composition contents

2.4.5 熱重分析（TGA） 熱重分析法（Thermogravimetric analysis, TGA）是通過在一定氣氛下對樣品的定速升溫，經過儀器內部精密天平測量樣品質量隨溫度的變化，記錄物質質量隨溫度變化規律的技術[33]。TG曲線表示了樣品隨溫度變化的失重累計量；TG曲線的一階溫度導數即DTG曲線，它表現了隨溫度的升高失重速率的變化關系[34]。從圖9中的TG及DTG曲線看出，微膠囊質量隨溫度的變化主要分為三個階段：第一階段溫度范圍為50~100 ℃，主要是水分蒸發、易揮發性物質和部分小分子逸出。這個階段樣品質量減少9.2%，此過程DTG失重速率也與之對應并在69 ℃時達到最大值。第二階段在280~350 ℃，為失重加速階段，并在312.7 ℃速率最大。此階段微膠囊質量損失了86.7%，主要是大部分壁材開始分解，β-CD分子中的化學鍵裂解產生CO2和CH4等氣體，芯材也隨之蒸發。第三階段在350 ℃之后，主要是剩余微膠囊的完全碳化。綜合三個階段的結果表明，榛子油微膠囊在280 ℃以前結構比較穩定，熱穩定性良好，適合于食品加工生產操作。

圖9 榛子油微膠囊TG-DTG圖譜Fig.9 TG-DTG spectra of hazelnut oil microcapsule

2.4.6 氧化穩定性分析 根據GB 2716-2018對食用植物油理化性質中過氧化值的要求，當POV大于0.25 g/100 g（9.85 mmol/kg）時油脂已不能食用[35]。由圖10可知，儲藏初期，微膠囊的POV稍稍大于榛子油，這里可能是微膠囊化過程中部分榛子油被氧化所致，隨后榛子油氧化速度明顯增長較快（P<0.05），表明榛子油的氧化穩定性顯著低于其微膠囊產品。加速氧化過程中，榛子油與氧氣的充分接觸，其POV增加明顯，儲藏15 d后油脂的POV已經超過國標的要求。而微膠囊中的芯材在壁材保護下與氧氣的接觸機會減少，氧化速度減慢。表明微膠囊化可以有效減緩榛子油的氧化，保護營養成分，延長儲藏期。

圖10 儲藏過程中榛子油及其微膠囊過氧化值的變化Fig.10 Changes in POV of hazelnut oil and its microcapsules during storage

3 結論

本研究通過單因素和響應面法優化了超聲波輔助分子包埋法制備榛子油微膠囊的工藝條件：在壁材濃度（H2O:β-CD）為16:1，壁芯材比例為5:1，包埋時間為62 min，包埋溫度為59.3 ℃時，微膠囊的包埋率達到69.18%，產率達到59.74%。微膠囊樣品為乳白色、略帶清香的疏松狀粉末顆粒，平均粒徑為880.4±10.42 nm，水分含量為2.85%±0.16%，溶解度為55.95%±0.70%，密度為0.57±0.06 g·cm?3，休止角為42.49°±0.53°。通過掃描電鏡結果表明榛子油微膠囊為塊狀、菱形片狀或不規則柱狀結構。同時經過X射線衍射和紅外光譜圖分析表明微膠囊包埋物已形成。此外，熱重分析結果表明榛子油微膠囊具有良好的熱穩定性。加速氧化實驗表明微膠囊化可以有效減緩榛子油的氧化速度，延長貨架期。

本研究簡化了榛子油微膠囊的制備工藝，避免高溫引起的油脂氧化等問題，擴大了微膠囊技術在食品領域的應用范圍。同時也較系統地測定了油脂微膠囊的理化性質，對其相關特性有較全面的了解，為微膠囊的質量評定及食品領域的深入開發和利用提供了參考價值。但是目前對微膠囊性質的研究還是不夠全面，對微膠囊中芯材的釋放及生理功能的應用有待進一步的研究。