糜子殼油微膠囊工藝優化及其理化特性分析

苗欣月, 朱立斌, 朱 丹, 顏飛翔, 牛廣財, 魏文毅, 徐瑞航

(黑龍江八一農墾大學食品學院1，大慶 163319) (黑龍江省農產品加工工程技術研究中心2 ，大慶 163319) (黑龍江八一農墾大學生命科學技術學院3，大慶 163319)

糜子(PanicummiliaceumL.)屬禾本科黍屬，其籽粒脫皮后稱黃米，廣泛分布在亞洲和歐洲等一些發展中國家[1]。糜子是一種重要的糧食來源，人們通常食用的是糜米，而糜子殼得不到充分利用，常被丟棄。糜子殼油是從糜子殼中提取得到的油脂，含有亞油酸、油酸、棕櫚酸、亞麻酸和花生一烯酸5種脂肪酸，其不飽和脂肪酸質量分數為91.21%[2]。不飽和脂肪酸可有效降低心血管疾病的患病風險，還具有降血脂、治療干眼癥、預防癌癥等作用[3-7]。但糜子殼油中的不飽和脂肪酸易受光、氧氣等外界因素的干擾發生酸敗變質，從而降低了糜子殼油的品質及營養價值。采用微膠囊技術對油脂進行包埋，不僅能夠保護油脂的營養和功能成分，還可以提升其抗氧化性、水溶性和保質期[8]。功能性油脂是市場研發新型保健食品的重要成分及首要添加的材料之一，采用微膠囊技術對功能性油脂微膠囊化，可有效避免油脂與外界環境直接接觸，從而降低了油脂的氧化速率，最大限度地保證其生物活性[9]。

噴霧干燥技術是一種常見的微膠囊制備技術，具有干燥速度快，營養成分損失少，生產成本低等優點[10]。在微膠囊的制備過程中，芯材、壁材的選擇和占比、固形物質量分數、乳化劑添加量均會影響產品的包埋效果和產品質地。辛相余等[11]確定了噴霧干燥法制備大扁杏杏仁油微膠囊的最佳參數為：芯材與固形物質量比0.35∶1、大豆分離蛋白(SPI)與麥芽糊精(MD)質量比0.30∶1、固形物質量濃度0.28 g/mL、大豆卵磷脂質量濃度0.04 g/mL，此最佳工藝條件下，微膠囊包埋率達89.98%，且制成的產品含水量為2.46%，溶解度為94.35%，具有一定的流動性。常明等[12]以酪蛋白酸鈉與麥芽糊精(質量比為1∶1)為復合壁材，以蔗糖酯和單甘酯(質量比為2∶1)為乳化劑，在壁芯比為2∶1、乳化劑添加質量為固形物質量的3%、固形物的質量濃度為20 g/100 mL的條件下，通過噴霧干燥制得的沙棘籽油微膠囊包埋率為97.32%。且該產品的含水量為3.43%，溶解度為92.22%，休止角為36.34°，具有良好的組織狀態，質地較好。

本研究擬采用乳清分離蛋白(WPI)和麥芽糊精(MD)為壁材，糜子殼油為芯材，司盤60和吐溫60作為復配乳化劑，采用噴霧干燥法制備糜子殼油微膠囊。以包埋率為指標，在單因素實驗的基礎上，采用響應面法優化糜子殼油微膠囊的配方制備工藝，并分析其含水量、堆積密度、休止角、白度等理化指標，并對其粒徑分布進行分析，為后續糜子殼油及其功能性油脂的開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糜子殼油：采用超聲波輔助提取技術自制，不飽和脂肪酸質量分數為91.21%；乳清分離蛋白(WPI)；麥芽糊精(MD)；司盤60；吐溫60；氨水、石油醚、無水乙醇、乙醚，均為分析純。

1.2 儀器與設備

KH-500DE型超聲波清洗器，79-1型磁力加熱攪拌器，LE203E/02電子天平，RE-2000B旋轉蒸發儀，101-2AB型電熱鼓風干燥箱，APV-2000 型均質機，ADL311-A噴霧干燥機，百特2000激光粒度分析儀，CR-400美能達色差儀。

1.3 方法

1.3.1 糜子殼油微膠囊乳化液的制備

按設定好的芯壁比和固形物質量分數稱取所需質量的糜子殼油、復配乳化劑(司盤60/吐溫60為3∶7)復配壁材(MD和WPI)和去離子水，將復配壁材按一定比例溶解在50 ℃的去離子水中，置于超聲波清洗器中，50 ℃超聲20 min，磁力加熱攪拌器恒溫攪拌30 min，使壁材充分溶解，得到壁材溶液。向糜子殼油中加入復配乳化劑(司盤60/吐溫60為3∶7)，50 ℃攪拌10 min，制得芯材溶液。將芯材溶液緩慢加入壁材溶液中，恒溫50 ℃攪拌30 min后，在均質壓力40 MPa條件下均質20 min，制得乳化液。然后在進風溫度為150 ℃，出風溫度為75 ℃，進料溫度為50 ℃，進料速度為11.3 mL/min的條件下噴霧干燥，即可得到糜子殼油微膠囊。

1.3.2 乳化液穩定性的測定方法

采用侯欽帥[13]的方法，離心轉速設為8 000 r/min，離心10 min。將一定量的乳化液裝入帶有刻度的離心管中，離心，并讀取游離水層體積，計算乳液體系的穩定性。乳化液穩定性按式(1)計算。

(1)

1.3.3 糜子殼油微膠囊包埋率的測定

1.3.3.1 微膠囊表面油測定方法

參照張敏[14]的方法并稍加修改，采用離心法得到上清液，并用旋轉蒸發儀蒸發濾液，得到糜子殼油。稱取2.000 g(m0)制得的糜子殼油微膠囊置于50 mL具塞試管中，加入30 mL石油醚(沸程 30～60 ℃)，渦旋振蕩2 min，在5 000 r/min條件下離心20 min，取上清液，再加入15 mL石油醚清洗底部殘渣，離心，收集上清液，重復此操作。合并上清液置于已恒定質量的旋轉蒸發瓶(m1)中進行旋轉蒸發。后轉移至(105±1) ℃烘箱中干燥至質量恒定(m2)。每一樣品進行3次平行實驗。微膠囊表面油含量按式(2)計算。

(2)

1.3.3.2 微膠囊總油與包埋率測定方法

參照張玲云[15]的方法并稍加修改。稱取2 g(精確到0.001，m0)糜子殼油微膠囊置于燒杯中，加入60 ℃熱水10 mL ，攪拌使樣品充分溶解，加入1.25 mL氨水混勻，60 ℃水浴10 min后，趁熱振蕩2 min，加10 mL 無水乙醇搖勻，涼水冷卻，加入20 mL乙醚振搖30 s，再加入20 mL 石油醚振搖30 s，置于分液漏斗中，靜置分層，收集上清液置于已恒定質量的旋轉蒸發瓶(m1)中進行旋轉蒸發。后轉移至(105±1) ℃烘箱中干燥至質量恒定(m2)。每一樣品進行3次平行實驗。微膠囊總油含量與包埋率按式(3)和式(4)計算。

(3)

(4)

1.3.4 糜子殼油微膠囊乳化液配方制備的單因素實驗

1.3.4.1 乳化劑添加量對乳化液穩定性和包埋率的影響

在壁芯比為3∶1，壁材比為2∶1，固形物質量分數20%條件下，考察乳化劑添加質量分數分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%時，對糜子殼油乳化液穩定性及糜子殼油微膠囊包埋率的影響。

1.3.4.2 壁芯比對乳化液穩定性和包埋率的影響

在壁材比為2∶1，固形物質量分數為20%，乳化劑添加質量分數為2.0%條件下，考察壁芯比分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1時，對糜子殼油乳化液穩定性及糜子殼油微膠囊包埋率的影響。

1.3.4.3 壁材比對乳化液穩定性和包埋率的影響

在壁芯比為3∶1，乳化劑添加質量分數為2.0%，固形物質量分數為20%條件下，考察壁材比分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1時，對糜子殼油乳化液穩定性及糜子殼油微膠囊包埋率的影響。

1.3.4.4 固形物質量分數對乳化液穩定性和包埋率的影響

在壁芯比為3∶1，乳化劑添加質量分數為2.0%，壁材比為2∶1，考察固形物質量分數分別為5%、10%、15%、20%、25%時，對糜子殼油乳化液穩定性及糜子殼油微膠囊包埋率的影響。

1.3.5 糜子殼油微膠囊制備的響應面優化實驗

在單因素實驗的基礎上，選取A乳化劑添加量、B壁芯比、C 壁材比、D固形物質量分數等4個因素，以糜子殼油微膠囊包埋率為響應值，采用Box-Behnken設計，對糜子殼油微膠囊的制備工藝進行優化實驗，其因素水平見表1。

表1 響應面實驗因素水平編碼表

1.3.6 糜子殼油微膠囊基本理化指標的測定

1.3.6.1 微膠囊含水量的測定

用樣品盤(質量為m0)精確稱取2.000 g糜子殼油微膠囊樣品(樣品與樣品盤總質量為m1)，于105 ℃烘箱中干燥3 h后，置于干燥器中冷卻并稱質量，再次將微膠囊樣品于烘箱中干燥1 h，冷卻后稱質量，重復此操作，直至最后2次樣品的質量差小于0.001 g，記錄此時樣品與樣品盤的質量(m2)，含水量按式(5)計算。

(5)

1.3.6.2 微膠囊堆積密度的測定

電子分析天平精確稱取質量為3.000 g的糜子殼油微膠囊，通過漏斗緩慢勻速地裝入到標有刻度的具塞量筒中，在實驗臺上將量筒水平晃動30次，使糜子殼油微膠囊自然下沉，樣品堆積面水平后讀取體積，計算單位體積樣品的質量即為糜子殼油微膠囊的堆積密度。每份樣品平行測定3次。

1.3.6.3 微膠囊流動性的測定

準確稱取10 g糜子殼油微膠囊樣品于漏斗中，使樣品通過漏斗自然下落到水平圓板上，堆積成一定的高度，測量此時粉堆的高度H和粉堆覆蓋半徑R，休止角θ按式(6)計算。

θ=arctan(H/R)

(6)

1.3.6.4 微膠囊白度的測定

將制備好的微膠囊樣品倒入平皿中，平鋪至一定的厚度，色彩色差儀校正后，測定微膠囊樣品的L*，a*，b*色值，白度按式(7)計算。

(7)

式中:L*為亮度；a*為紅-綠度；b*為黃-藍度。

1.3.7 微膠囊粒徑分布的測定

取少量微膠囊，加入一定量蒸餾水，攪拌使其充分溶解，用激光粒度分析儀測定微膠囊的粒徑分布，繪制粒徑大小分布曲線圖。

1. 4 數據處理

采用Design-Expert 8.0.6進行響應面實驗設計及分析，應用SPSS 25.0和Origin 8.5軟件對數據進行統計分析和作圖，每組實驗重復3次，實驗數據以平均值±標準差表示。

圖1 乳化劑添加量對乳化液穩定性和微膠囊包埋率的影響

2 結果與分析

2.1 糜子殼油微膠囊乳化液配方制備的單因素實驗

2.1.1 乳化劑添加量對乳化液穩定性和微膠囊包埋率的影響

由圖1可知，乳化劑添加質量分數在0.5%～1.5%范圍內，乳化穩定性上升較快，而繼續增加乳化劑用量，乳化穩定性上升不大。這是因為乳化劑用量在1.5%時已達到了臨界膠束濃度，乳化劑可以完全附著在被乳化的糜子殼油微粒表面，降低了油水界面張力，乳化穩定性迅速提高，此時微膠囊的包埋率也達到最大值，為86.94%。而繼續增加乳化劑用量，多余的乳化劑則以膠團的形式存在溶液中，并不會再繼續降低油水的界面張力，穩定性變化緩慢[16]，這與Dickinson等[17]的結果一致，即當適量的乳化劑包裹在液滴表面時，多余的乳化劑增量可能會導致液滴尺寸變大，進一步發生聚結。過多的乳化劑也會增加乳化液黏度，不利于芯材與壁材結合，使包埋率下降。所以選擇最適乳化劑質量分數為1.5%。

2.1.2 壁芯比對乳化液穩定性和微膠囊包埋率的影響

由圖2可知，隨著壁芯比升高，乳化穩定性呈上升趨勢，包埋率先上升后降低。壁芯比為3∶1時，包埋率最高為86.67%，原因是適當增加壁材含量，微膠囊囊壁的厚度增加，可有效抑制芯材的釋放。當繼續增加壁材用量，乳化穩定性變化不大，且因囊壁過厚使噴霧干燥過程中芯材與壁材中的水分難以揮發而形成囊壁空洞，造成芯材的損失，降低包埋率[18]。所以選擇最適壁芯比為3∶1。

圖2 壁芯比對乳化液穩定性和微膠囊包埋率的影響

圖3 壁材比對乳化液穩定性和微膠囊包埋率的影響

2.1.3 壁材比對乳化液穩定性和微膠囊包埋率的影響

由圖3可知，壁材比在2∶1時，乳化穩定性和包埋率均達最高值，這是因為WPI具有良好的成膜性和乳化性，較高含量的WPI有利于糜子殼油更好地被包裹起來。而當壁材比在2∶1～3∶1范圍時，乳化液穩定性和微膠囊包埋率均呈下降趨勢，這是因為WPI含量的減少，使乳化液的乳化能力下降，其乳化穩定性減弱，以致使糜子殼油微膠囊乳化液在噴霧干燥過程中的成膜性下降，從而降低了糜子殼油微膠囊的包埋率[19]。所以，選擇最適復合壁材比(壁材比)為2∶1。

2.1.4 固形物質量分數對乳化液穩定性和包埋率的影響

固形物質量分數在5%～20%范圍內，乳化液穩定性和微膠囊包埋率均顯著上升，這主要是因為固形物濃度增加，溶液黏度增大，分子的布朗運動減慢，從而使穩定性增強；固形物質量分數的增加，噴霧干燥過程中所需蒸發的水分減少，囊壁形成較快，厚度增加，因此包埋率逐漸上升。而當固形物質量分數繼續增加，乳化液穩定性變化緩慢，且因溶液黏度增加，導致液滴霧化不均，霧化效果減弱，使包埋率下降[16]。熊月琴等[20]也指出，當固形物濃度過高時，會降低噴霧干燥過程中的霧化速度，物料停滯時間延長，增加了低沸點物質的損失，導致包埋率降低。所以，選擇最適固形物質量分數為 20%。

圖4 固形物質量分數對乳化液穩定性和微膠囊包埋率的影響

2.2 糜子殼油微膠囊乳化液配方制備的響應面優化實驗

2.2.1 Box-Behnken實驗設計及結果

根據單因素實驗結果，選取糜子殼油微膠囊包埋率為響應值，采用Box-Behnken實驗設計對糜子殼油微膠囊乳化液制備工藝進行響應面優化實驗。選取A乳化劑添加量、B壁芯比、C壁材比、D固形物質量分數作為考察因素。Box-Behnken實驗設計及結果見表2。

根據Design - Expert 8.0.6 數據分析軟件，對響應面實驗結果進行回歸擬合，得到回歸擬合方程為：Y=86.71+2.48A+1.72B-4.29C+1.63D-0.17AB-2.38AC+3.12AD-0.80BC-0.80BD- 0.29CD-4.53A2-4.95B2-3.61C2-4.41D2。

2.2.2 響應面實驗方差分析

由表3可知，該回歸模型極顯著(P<0.01)，失擬項P=0.075 4>0.05不顯著。回歸系數R2為0.9738，表明模型相關度好，即回歸模型預測值與實際值能較好地吻合。模型中A、B、C、D、A2、B2、C2、D2、AC、AD影響極顯著(P<0.01)；BC、BD、CD、AB影響不顯著(P>0.05)。糜子殼油微膠囊包埋率影響大小順序依次為：壁材比>乳化劑添加量>壁芯比>固形物質量分數。

表2 Box-Behnken實驗設計及結果

表3 回歸模型方差分析

不同因素交互影響糜子殼油微膠囊包埋率的響應面圖與等高線圖，如圖5和圖6所示。由圖5可知，糜子殼油微膠囊的包埋率隨著乳化劑添加量的增加和壁材比比例的升高先上升后下降，曲面圖坡度陡峭，等高線圖呈橢圓形，說明乳化劑添加量和壁材比復配比的交互作用顯著。由圖6可知，當乳化劑

圖5 乳化劑添加量和壁材比對包埋率影響的響應面圖與等高線圖

圖6 乳化劑添加量和固形物質量分數對包埋率影響的響應面圖與等高線圖

添加量一定時，隨著固形物質量分數的增加，糜子殼油微膠囊的包埋率先升高后降低；當固形物質量分數一定時，隨著乳化劑添加量的增加，糜子殼油微膠囊的包埋率也呈現先升高后降低的趨勢，等高線呈橢圓形，說明兩因素的交互作用影響顯著。

2.2.3 糜子殼油微膠囊乳化液工藝優化的驗證實驗

經Design-Expert 8.0.6軟件分析后，得到糜子殼油微膠囊乳化液的最佳參數條件為：乳化劑質量分數為1.82%，壁芯比為3.2∶1，壁材比為1.16∶1，固形物質量分數為22.10%。經軟件分析，得到此條件下糜子殼油微膠囊包埋率的理論值為89.81%。考慮到實際操作的便利性，確定制備糜子殼油微膠囊乳化液工藝為：乳化劑質量分數為1.8%，壁芯比為3∶1，壁材比為1.2∶1，固形物質量分數為22%，在此條件下，重復3組實驗進行驗證，糜子殼油微膠囊的平均包埋率為(90.10±0.45)%，與預測值基本相符。同時，此條件下糜子殼油微膠囊的包埋率高于表2中響應面實驗的最大包埋率87.40%，表明模型正確，能夠適用于糜子殼油微膠囊乳化液工藝的優化。

2.3 糜子殼油微膠囊的理化指標

微膠囊的含水量、堆積密度、休止角及白度等會影響微膠囊產品的最終質量及其在存儲過程中的特性。當微膠囊的含水量低于5%時，環境中的不良微生物活動受到抑制，產品的貯藏性得到提高[21]；而當含水量較高時，則會發生霉變、結塊等現象，產品品質下降[22]。微膠囊具有較大的堆積密度，表明可以較大限量地存放在較小的空間里，降低顆粒間隙中的含氧量，減緩氧化[23]。休止角是衡量粉末產品流動性的重要指標，休止角越小的產品流動性越好。一般來說，休止角≤30°時粉末的流動性很好；休止角30°～45°時產品的流動性較好；休止角 45°～60°時產品的流動性一般；而休止角≥60°則產品的流動性差[13]。微膠囊的白度可以用來衡量微膠囊的包埋效果，白度值較高，說明油脂能較充分地被壁材包裹，表面油較少，較高的白度值也說明在噴霧干燥過程中，沒有因為溫度過高而導致油脂的氧化。本實驗中，糜子殼油微膠囊含水量為2.55%，與其他微膠囊粉末含水量基本相同，說明該微膠囊在噴霧干燥過程中水分蒸發較完全，產品得到了充分干燥，能有效抑制外界微生物的不良活動，提高其儲藏穩定性[24]。堆積密度為0.38 g/cm3，說明該產品可以減緩氧化。休止角為38.63°，表明該產品的流動性較好，方便使用。糜子殼油微膠囊的白度為81.63%，說明油脂經噴霧干燥后包埋效果較好。

2.4 糜子殼油微膠囊的粒徑分布

微膠囊的粒徑大小及分布狀態是微膠囊產品的重要參數。粒徑分布大小較為均勻的微膠囊，其分散性較好。從其應用角度看，微膠囊顆粒過大可能會造成口感不適，而粒徑小的微膠囊更易于人體吸收[25]。圖7為糜子殼油微膠囊的粒徑分布圖。分布曲線中累積分布為10%、50%、90%時的最大顆粒的等效直徑分別為DX(10) =0.559 μm、DX(50) =0.843 μm、DX(90) =1.407 μm，說明累計分布達90%的最大顆粒粒徑為1.407 μm。由圖7可知，糜子殼油微膠囊粒度分布呈現正態分布并且相對較為狹窄，粒徑大部分集中在為0.3～3 μm，僅在該粒徑范圍出現一個峰，其體積平均粒徑為0.892 μm。由此可見，所制備的糜子殼油微膠囊的粒徑分布均勻且集中。

圖7 糜子殼油微膠囊的粒徑分布

3 結論

本研究采用噴霧干燥法對糜子殼油進行微膠囊化包埋，確定了制備糜子殼油微膠囊的最佳條件：乳化劑質量分數1.8%，壁芯比3∶1，壁材比為1.2∶1，固形物質量分數22%，此條件下糜子殼油微膠囊包埋率達90.10%。同時，所制備的糜子殼油微膠囊的理化指標較好，其含水量為2.55%，堆積密度為0.38 g/cm3，休止角為38.63°，白度為81.63%，粒徑分布均勻且集中，其體積平均粒徑為0.892 μm。后續將進一步研究糜子殼油微膠囊的儲藏穩定性、模擬人體胃腸道的消化吸收特性及其在食品領域的具體應用。