多不飽和脂肪酸油脂微膠囊的工藝優(yōu)化

桂正杰 熊友鵬 黃啟東 周 緒 楊 潔,2,3

(1. 武漢東湖學(xué)院護理與健康管理學(xué)院〔生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院〕，湖北 武漢 430212；2. 武漢東湖學(xué)院生物醫(yī)用材料創(chuàng)新研究所，湖北 武漢 430212；3. 華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

多不飽和脂肪酸(PUFA)指雙鍵個數(shù)≥2且碳鏈長度在18～22的直鏈脂肪酸，根據(jù)雙鍵在碳鏈中的位置可分為n-3系列(如亞麻酸、DHA和EPA)和n-6系列(如亞油酸和花生四烯酸)。PUFA具有促進細胞生長、增強記憶和思維能力、參與免疫調(diào)節(jié)、改善血液微循環(huán)、減少心血管系統(tǒng)疾病、抗炎抗癌等多種功效[1-3]。以亞油酸為例，亞油酸作為人體必需脂肪酸，產(chǎn)品類型多為油劑，由于多不飽和鍵化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在空氣中易氧化變質(zhì)，導(dǎo)致營養(yǎng)價值降低[4-5]，且油劑不溶于水，人體不易消化吸收，生物利用率低，因此，工業(yè)上常采用微膠囊化方法，將有效成分包埋，制成粉末微膠囊，可提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，有助于人體吸收和生物利用。

據(jù)調(diào)查[6]，油劑中含PUFA亞油酸最高的是紅花籽油，達69%～79%，葵花籽油、核桃油、棉籽油、芝麻油中含量也很高，在40%～70%，花生油和橄欖油中較低，僅25%左右。由于油劑穩(wěn)定性差，生物利用度低，采用粉末制劑可有效改善以上缺陷，但是當(dāng)前的粉末制劑中PUFA含量非常低，一般在7%～15%。若制備高濃度的PUFA油脂微膠囊(含量在20%以上)明顯有更高的營養(yǎng)價值，且輔料少、成本低，并延長了油脂的貯藏期，便于運輸和貯藏，具有更廣闊的應(yīng)用前景，然而當(dāng)前國內(nèi)外鮮有針對高濃度的PUFA油脂微膠囊生產(chǎn)技術(shù)的報道。周愛梅等[7]以含PUFA為32.43%的藍圓鲹魚油為芯材，以明膠、阿拉伯膠和海藻糖為復(fù)合壁材制備微膠囊，優(yōu)化后的魚油微膠囊制備工藝的包埋率達91.56%，包埋過程中芯材魚油含量為30%，最終微膠囊中PUFA含量為8.9%。劉成祥等[8]研制的牡丹籽油微膠囊、葛雙雙等[9]研制的余甘子核仁油微膠囊都有提到芯材含有高濃度的PUFA，但并未單獨對微膠囊中PUFA的含量進行研究。

當(dāng)前油脂微膠囊的制備方法主要有復(fù)合凝聚法[10]、包合法[11]、噴霧干燥法[12-14]等。由于噴霧干燥制備法的研究甚多，包埋率高，制得的微膠囊質(zhì)量穩(wěn)定，貯藏期長，因此研究采用該法制備微膠囊。

葵花籽油作為常用食用植物油，含有大量的PUFA亞油酸，一般為66%左右，寒冷地區(qū)生產(chǎn)的葵花籽油中亞油酸含量可達70%以上。因此，綜合考慮以上制備方法和原料特點，研究選擇以高含量PUFA的葵花籽油為芯材，以β-環(huán)糊精為壁材的主體成分，與具有良好成型能力的明膠構(gòu)成復(fù)合壁材，再加入少量的乳化劑，采用噴霧干燥法將其制成PUFA油脂微膠囊，通過單因素試驗和響應(yīng)面試驗優(yōu)化制備工藝，并用透射電子顯微鏡(TEM)對制備的微膠囊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形態(tài)進行觀察，以期為進一步制備高濃度的PUFA微膠囊技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葵花籽油(PUFA含量67%)：食用油，益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；

β-環(huán)糊精：食品級，北京鴻潤保順科技有限公司；

明膠：分析純，國藥集團國瑞藥業(yè)有限公司；

羧甲基纖維素鈉：食品級，河北科隆多生物科技有限公司；

其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

電子分析天平：AUY120型，日本島津公司；

恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，河南鞏義予華儀器有限公司；

小型噴霧干燥機：LANYI-6000Y型，上海蘭儀實業(yè)有限公司；

高速分散均質(zhì)機：FJ200-SH型，上海標(biāo)本模型廠；

透射電子顯微鏡：Tecnai G2 20 U-Twin 型，美國FEI公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 微膠囊的制備 將明膠加入到55 ℃適量去離子水中，恒溫攪拌30 min，使完全溶解，再加入β-環(huán)糊精加熱攪拌使溶解，隨后再加入乳化劑羧甲基纖維素鈉，加熱使溶解后，邊攪拌邊緩慢加入芯材葵花籽油，攪勻，得粗乳液。改變固形物含量、復(fù)合壁材(β-環(huán)糊精/明膠)的配比、芯壁配比和乳化劑的用量，探討乳化條件對微膠囊包埋率的影響。將攪勻后的粗乳液置于高速分散均質(zhì)機中在12 000 r/min轉(zhuǎn)速下均質(zhì)10 min，然后于1 000 r/min 均質(zhì)30 min，得到大小均一液體為終乳液，將終乳液在進風(fēng)溫度為180 ℃下進行噴霧干燥，收集，得油脂微膠囊產(chǎn)品。試驗過程中為了減緩PUFA成分的氧化，需盡量減少葵花籽油在空氣中、高溫下的停留時間。

1.3.2 PUFA油脂微膠囊制備工藝條件優(yōu)化

(1) 單因素試驗： 在研究某一單因素影響時，其他條件為固定值，分別為固形物含量25%，復(fù)合壁材配比(mβ-環(huán)糊精∶m明膠)7∶1，乳化劑含量1.0%，芯壁材配比(m葵花籽油∶m復(fù)合壁材)1∶2。以微膠囊包埋率為指標(biāo)，分別考察固形物含量(15%，20%，25%，30%，35%)、復(fù)合壁材配比(mβ-環(huán)糊精∶m明膠分別為4∶1，5∶1，6∶1，7∶1，8∶1)、乳化劑含量(0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%)、芯壁材配比(m葵花籽油∶m復(fù)合壁材分別為1∶1，2∶3，1∶2，2∶5，1∶3)對包埋率的影響。

(2) 響應(yīng)面試驗：綜合分析單因素試驗結(jié)果，選取固形物含量、復(fù)合壁材配比、芯壁材配比為影響因素，以微膠囊包埋率為響應(yīng)值，采用BOX-Behnken試驗設(shè)計優(yōu)化制備PUFA油脂微膠囊的工藝條件。

1.3.3 包埋率及PUFA含量的測定

(1) 油脂微膠囊包埋率：參照文獻[15]，按式(1)計算油脂微膠囊包埋率。

(1)

式中：

C——微膠囊包埋率，%；

ms——微膠囊表面油質(zhì)量，g；

mt——微膠囊總油質(zhì)量，g。

(2) PUFA含量：稱取2.0 g制備好的樣品于燒杯中，取10 mL正己烷洗滌樣品，均勻振蕩，重復(fù)以上操作5次，合并洗液轉(zhuǎn)移至已質(zhì)量恒定的茄形瓶(m1)中減壓旋轉(zhuǎn)濃縮回收正己烷后，繼續(xù)蒸發(fā)除去水分，烘干至質(zhì)量恒定，冷卻稱重(m2)，按式(2)計算PUFA含量。

(2)

式中：

Y——PUFA含量，%；

m——樣品質(zhì)量，g；

m1——干燥至質(zhì)量恒定茄形瓶質(zhì)量，g；

m2——干燥至質(zhì)量恒定的表面油及茄形瓶質(zhì)量，g；

67%——金龍魚葵花籽油PUFA標(biāo)示含量。

1.3.4 透射電子顯微鏡(TEM)觀察 將少量油脂微膠囊粉末懸浮在水相中，取微量做成薄層涂片，用透射電子顯微鏡(TEM)觀察，分別在不同放大倍數(shù)下觀察微膠囊粉末的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 單因素試驗采用Origin 8.0繪圖，整理數(shù)據(jù)；響應(yīng)面試驗采用Design Expert 10.0.7 進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

由圖1可知，各因素的最優(yōu)結(jié)果分別為固形物含量25%，復(fù)合壁材配比(mβ-環(huán)糊精∶m明膠)6∶1，乳化劑用量1.0%，芯壁材配比(m葵花籽油∶m復(fù)合壁材)1∶2。由于乳化劑用量在0.5%～1.5%內(nèi)微膠囊的包埋率變化不大，因此，固定乳化劑的用量為1.0%，選用固形物含量、復(fù)合壁材配比、芯壁材配比三因素進行響應(yīng)面試驗。

圖1 各工藝參數(shù)對包埋率的影響Figure 1 Effects of process parameters on embedding rate

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

在單因素優(yōu)化試驗的基礎(chǔ)上，以固形物含量、復(fù)合壁材配比、芯壁材配比為自變量，以油脂微膠囊包埋率為響應(yīng)值，進行Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計，各因素和水平見表1，響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

采用Design-Expert 10.0.7 軟件對表2數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到油脂包埋率的回歸方程為：

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Design and results of response surface experiment

Y=89.76+1.26A+6.74B-2.95C-0.98AB+1.3AC+1.2BC-3.94A2-4.79B2-5.42C2。

(3)

表3 回歸模型方差分析?Table 3 Analysis of variance of regression model

由圖2可知，固形物含量與復(fù)合壁材配比、固形物含量與芯壁材配比、復(fù)合壁材配比與芯壁材配比兩兩交互圖均呈橢圓形，且3D圖形有極值，交互作用影響顯著，說明各交互因素對油脂微膠囊包埋率結(jié)果有很大影響[16]。通過Design-Expert 10.0.7軟件建立的模型分析得到的最佳工藝條件為：固形物含量25.22%，復(fù)合壁材配比(mβ-環(huán)糊精∶m明膠)6.67∶1，芯壁材配比(m葵花籽油∶m復(fù)合壁材)0.51∶1，此條件下的包埋率為92.34%。為了便于操作，將最佳工藝條件修正為：固形物含量25.2%，復(fù)合壁材配比(mβ-環(huán)糊精∶m明膠)6.7∶1，芯壁材配比(m葵花籽油∶m復(fù)合壁材)1∶2。按照最佳工藝條件進行了3次重復(fù)實驗，包埋率分別為91.87%，92.65%，94.33%，平均包埋率達92.95%，其RSD為1.26%，與理論值誤差小于1%，表明該模型可較好地應(yīng)用于油脂微膠囊的工藝條件優(yōu)化。此外，重復(fù)實驗最高包埋率達94.33%，微膠囊中PUFA含量>20%，符合高濃度的PUFA油脂微膠囊的要求。

圖2 各因素交互作用對PUFA油脂微膠囊包埋率響應(yīng)分析圖Figure 2 Response analysis of the interaction of various factors on the embedding rate of PUFA oil microcapsules

2.3 微膠囊粉末的結(jié)構(gòu)形態(tài)

圖3為微膠囊分別放大6 000倍和15 000倍的結(jié)構(gòu)形態(tài)。微膠囊透射后大多呈不規(guī)則圓形，可能是噴霧干燥過程溶劑蒸發(fā)后所形成的皺縮球狀結(jié)構(gòu)，在囊的中心還可以清晰地看到包埋的油相。膠囊粒徑分布比較均勻，粒徑大多集中在50～100 nm，按粒徑劃分應(yīng)為納米級微膠囊。此外，還有少量未包埋的壁材和芯材游離在微膠囊周圍。

圖3 葵花籽油微膠囊TEM圖Figure 3 TEM images of sunflower seed oil microcapsule

2.4 產(chǎn)品質(zhì)量性狀

按照最佳工藝條件制備的葵花籽油粉末微膠囊中葵花籽油相含量32.53%，其中PUFA高達21.73%，符合高濃度的PUFA油脂微膠囊的要求，水分含量小于4%，產(chǎn)品呈乳白色，不結(jié)塊，在熱水中溶解性好，有良好的流散性，微膠囊在低溫干燥后在4 ℃貯藏，具有良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

采用噴霧干燥法制備高濃度PUFA油脂微膠囊，以高含量PUFA的葵花籽油為芯材，β-環(huán)糊精/明膠為復(fù)合壁材，羧甲基纖維素鈉為乳化劑，先以單因素試驗考察了固形物含量、復(fù)合壁材配比、乳化劑用量、芯壁材配比等因素對微膠囊包埋率的影響，再在此基礎(chǔ)上通過響應(yīng)面試驗優(yōu)化油脂微膠囊制備工藝條件，最佳工藝參數(shù)為：固形物含量為25.2%，復(fù)合壁材配比(mβ-環(huán)糊精∶m明膠)6.7∶1，乳化劑用量1.0%，芯壁材配比(m葵花籽油∶m復(fù)合壁材)1∶2。在此條件下獲得的產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)，油脂微膠囊經(jīng)透射后結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則圓形，粒徑均勻，包埋率高達94.33%，微膠囊中葵花籽油相含量為32.53%，其中PUFA含量為21.73%。