牡丹籽油粉末油脂的噴霧干燥工藝優化及結構分析

鄒丹陽，王中江

(東北農業大學食品學院，哈爾濱 150030)

生物解離油料萃取技術會產生大量的副產物——水解液[1-2]。水解中含有大量的水解蛋白[3]，具有高溶解性、高乳化性、高抗氧化活性等[4]，根據這些特性，已有研究以水解液為原料制備了粉末油脂微膠囊，這不僅充分利用了水解后蛋白的加工特性，也使水解液中的水分經濟效益最大化[5]?？赏ㄟ^微膠囊技術包埋不飽和脂肪酸含量較高的油脂，如牡丹籽油等[6-7]，能夠減緩其自氧化進程，保持油脂品質，延長貨架期[8]。選取適當的壁材、表面活性劑，可以有效提高包封效率，從而提高經濟效益[9]。在粉末油脂制備的過程中，不僅物料配比會影響產品質量，干燥工藝對粉末油脂的品質也起到了決定性作用[10-11]。在制備微膠囊的干燥技術中，噴霧干燥技術由于其干燥速度快、時間短；原料受熱破壞而失活的程度較低；干燥后產品經連續排料，在后處理上結合冷凝器和氣力輸送，可組成連續生產作業線，適于工業化生產，是較為理想的粉末油脂干燥方式，適當調控噴霧干燥的參數，可有效改善粉末油脂顆粒表觀形態，提高包封率[12]。本研究將水解液體系用作粉末油脂微膠囊的乳液成分，制備經物料配比優化后的牡丹籽油粉末油脂乳液，在此條件，通過調控進料溫度、蠕動泵轉速、出風溫度，設計了以粉末油脂包封率為單位響應值的噴霧干燥工藝參數優化試驗。通過傅里葉變換紅外光譜對粉末油脂結構進行分析，DSC差式量熱掃描測定其玻璃化轉變溫度，最后利用電子掃描顯微鏡對其固體顆粒表觀形態進行表征分析，以及激光共聚焦顯微鏡對顆粒復溶后的結構進行觀察，以期為生物解離水解液的增值利用提供有效解決辦法，為生物解離粉末油脂微膠囊的噴霧干燥法制備提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

市購大豆；Alcalase 2.4 L 堿性內切蛋白酶(AU)，杰能科(中國)生物工程有限公司；卡拉膠、β-環狀糊精，北京索萊寶生物科技有限公司；大豆卵磷脂，上海楷洋生物技術有限公司；尼羅藍、尼羅紅，美國Sigma 公司，其他試劑均為分析純。

YP-201N 型電子分析天平，江蘇天翊儀器有限公司；PHS-25 型數顯臺式酸度計，上海雷磁儀器廠；精密增力電動攪拌器，金壇市大地自動化儀器廠；HH-4 數顯電熱恒溫水浴鍋，金壇市城東新瑞儀器廠；Sigma 3-16KL 型冷凍離心機，德國 Sigma 公司；K-436 型快速消解儀、K-370 型自動凱氏定氮儀，瑞士步琦有限公司；高速剪切乳化機，上海昂尼儀器儀表有限公司；DSC-200-F3 差示量熱掃描儀，德國耐馳公司；萬能高速粉碎機，浙江紅景天工貿有限公司；SP-1500 試驗型噴霧干燥機，上海順儀試驗設備有限公司；UV2600 紫外分光光度計，日本島津公司；MAGNA-IR560傅立葉變換紅外光譜系統，美國尼高力公司；SU8020 型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本 Hitachi 公司；TCS SP2 激光共聚焦顯微鏡(CLSM)，德國 Leica 公司。

1.2 方法

1.2.1 基本化學成分測定方法 粗脂肪質量分數，依據 GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的測定》進行測定；粗蛋白質量分數，依據GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》進行測定；灰分質量分數，依據 GB/T 5009.4—2016《食品中灰分的測定》進行測定，總固形物含量根據烘箱法進行測定。

1.2.2 生物解離水解液的制備 水解液的提取參考Li等[2]優化的提油工藝稍加修改，將大豆清理后粉碎，過60目篩網，將大豆粉與蒸餾水按1∶5(m∶v)比例充分混合并加熱至50 ℃，用2 mol/L的NaOH調節溶液pH至8.5，加入2%(v/v)堿性蛋白酶Alacase 2.4 L，以及0.02%(m/v)疊氮化鈉以防細菌滋生，攪拌酶解3 h后，于100 ℃加熱滅酶5 min。所得液相中含游離油、乳狀液、水解液及殘渣，在4 ℃條件下9 000 g離心20 min分離得到水解液，于4 ℃冷藏備用。

1.2.3 粉末油脂的制備 向水解液中添加一定比例(m/v)的卵磷脂、β-環狀糊精及卡拉膠，恒溫攪拌30 min使物料充分混合后，加入一定比例(m/v)牡丹籽油，經高速混勻后經高壓均質處理1次得到粉末油脂微膠囊乳液。以包封率和乳化穩定性為響應值，通過響應面分析法聯合求解所得粉末油脂乳化液的最佳工藝參數為卵磷脂添加量2.7%、β-環狀糊精添加量5.4%、卡拉膠添加量0.26%，牡丹籽油添加量3.8%、均質壓力100 MPa。在此條件下，分別調控進料溫度(35～60 ℃)、蠕動泵轉速(13～18 r/min)及出風溫度(160～180 ℃)對粉末油脂乳液噴霧干燥處理。

1.2.4 表面含油率的測定 參考Wang等[13]的方法稍加修改，用分析天平準確稱取2.0 g樣品并與15 mL正己烷混合，在室溫下250 r/min磁力攪拌2 min后抽濾，并用正己烷沖洗樣品3次每次20 mL，將濾液倒入平底燒瓶中，用索氏提取法除去濾液中的正己烷，最后將平底燒瓶置于烘箱中烘至恒重。表面含油率公式如式(1)：

(1)

式(1)中，m0為樣品質量；m1為平底燒瓶質量；m2為烘干至恒重后平底燒瓶質量。

包封率計算公式如式(2)：

(2)

1.2.5 試驗設計 (1)單因素試驗：單因素試驗分別選取進料溫度35～60 ℃、蠕動泵轉速13～18 r/min、出風溫度160～180 ℃，以粉末油脂包封率為指標預測最佳噴霧干燥工藝參數。(2)響應面試驗：設計以Box-Behnken為原理的響應面優化試驗，進料溫度(X1)、蠕動泵轉速(X2)、出口溫度(X3)，以包封率作為響應值(R)(表1)。

表1 Box-Behnken 試驗因素編碼

1.2.6 傅里葉變換紅外光譜 參考田少君等[14]的方法稍加修改，分別準確稱取各樣品，加入溴化鉀后壓片處理，在4 000～400 cm-1譜段、分辨率4 cm-1、精度0.01 cm-1、環境溫度25 ℃條件下進行紅外波譜掃描，并對測定結果進行分析。

1.2.7 DSC差式量熱掃描 參考李楊等[15]的方法稍加修改，用分析天平準確稱取10 mg樣品，置入坩堝中于DSC中測定。DSC升溫速率為5 ℃/min，掃描溫度范圍為20～200 ℃，氮氣流速為20 mL/min，每個樣品重復測定3次取平均值為最終結果。

1.2.8 激光共聚焦顯微鏡 參考畢爽等[16]的方法稍加修改，用異丙醇分別配置濃度為0.1%(m/v)的尼羅藍染液與0.01%(m/v)的尼羅紅染液。稀釋粉末油脂微膠囊乳液(或粉末油脂微膠囊復溶液)后，取10 mL樣品溶液于試管中，用移液槍準確加入400 μL尼羅紅、400 μL尼羅藍后充分振蕩混勻，并用錫紙包裹避光染色30 min。染色結束后取1 μL乳液于載玻片上，采用CLSM觀測粉末油脂微膠囊乳液的顯微結構。

1.2.9 掃描電子顯微鏡 參考Foerster等[17]的方法稍加修改，采用5 kV電子束的場致發射掃描電子顯微鏡對粉末油脂微膠囊顆粒的表觀形態進行分析。將粉末油脂微膠囊涂抹在導電膠上，用洗耳球吹去表面粉末后進行噴金處理，并觀察。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗分析

2.1.1 進料溫度 如圖1所示，在蠕動泵轉速15 r/min、出風溫度170 ℃條件下，隨著進料溫度的增加，粉末油脂的包封率呈先上升后下降趨勢。水解液是由大豆粉經50 ℃酶解處理3 h所得，含有大量的水解蛋白以及低聚糖，經長時間的低溫加熱會使得二者發生緩慢的美拉德反應，研究發現，經糖基化反應的蛋白質，由于引入了含有親水集團的糖鏈，使得蛋白可以更加有效地附著在油水界面，提高乳化性[18]。通過褐變程度可以間接評價美拉德反應程度[19]，而使物料升溫至目標溫度且噴霧干燥所需時間較短，期間由于低溫加熱幾乎沒有改變的褐變程度(數據并未給出)，因此排除由于升溫而導致水解蛋白與低聚糖之間發生相互作用的影響。此外，不僅蛋白的乳化性隨著溫度升高而增大[20]，β-環狀糊精的溶解度也隨溫度的升高而提高，二者共同作用促使乳液乳化穩定性提高，可以認為溫度的改變間接影響了包封率。趙巍等[21]在制備山葡萄籽油粉末油脂時發現，溫度會使粉末油脂乳液乳化穩定性提高，但過高溫度會使蛋白發生嚴重熱變性，蛋白結構被破壞，導致功能性質降低，從而使包封率降低。綜上，在優化進料溫度時，選取50 ℃為中心點。

圖1 進料溫度對包封率的影響

2.1.2 蠕動泵轉速 如圖2所示，在進料溫度15 ℃、出風溫度170 ℃條件下，噴霧干燥的原理是將物料霧化并與熱空氣接觸，使水分迅速蒸發從而干燥產品，主要包含進樣量與出風溫度2個重要參數，蠕動泵的轉速等同于樣品進樣量，而進樣量決定了單位時間內噴霧干燥樣品的體積。隨著蠕動泵轉速的增加，粉末油脂的包封率呈先上升后下降趨勢。這是由于進樣量過少時，樣品中的水分過度蒸發，導致粉末油脂表面出現裂痕或氣孔，降低包封率，同時熱空氣的作用還會使芯材迅速氧化，降低油脂品質；而進樣量過量時，噴霧干燥機無法及時處理樣品，樣品附著在槍頭附近并由于高溫糊在槍頭處，堵塞槍頭，并產生大量未噴霧的廢液，使噴霧干燥的出粉率、效率與粉末油脂包封率大幅度降低。綜上，在優化蠕動泵轉速時，選取15 r/min為中心點。

圖2 進料速度對包封率的影響

2.1.3 出風溫度 如圖3所示，在蠕動泵轉速15 r/min、進料溫度15 ℃條件下，在進料速度一定時，出風溫度實際決定了單位體積樣品中水分的干燥時間，粉末油脂的質量包括結構形態、水分含量等都與出風溫度有關。隨著出風溫度的升高，粉末油脂的包封率也呈先上升后下降趨勢。這是由于當出風溫度升高時，在噴霧干燥過程中粉末油脂形成速率加快，水分含量降低，包埋率提高；但過高的溫度會導致表面壁材受熱變性，出現裂痕與凹陷，導致壁材包埋效果下降，并影響產品成色，降低產品質量[22]。綜上，在優化出風溫度時，選取170 ℃為中心點。

圖3 出風溫度對包封率的影響

2.2 響應面試驗結果與試驗分析

在單因素試驗基礎上，設計以Box-Behnken為原理的響應面優化試驗(表2)。通過Design-Expert V 8.0.5軟件采用中心組合設計對表1中數據進行多元回歸擬合，得到包封率(R)對進料溫度(A)、蠕動泵轉速(B)、出風溫度(C)的回歸模型為式(3)：

表2 Box-Behnken試驗設計及結果

(3)

表3顯示，所得回歸模型極顯著，失擬項不顯著，模型R2=0.998 2，說明試驗擬合效果較好，通過數據分析結果表明，各參數對包封率的影響并非簡單的線性關系，具有一定的交互作用，可以利用該模型對實際工藝參數進行預測。由F值檢驗得到各因子對包封率的影響排序依次為蠕動泵轉速>出風溫度>進料溫度。

表3 響應面結果方差分析

在回歸方程的基礎上，對各變量及變量間的交互作用對包封率的影響進行降維分析，由圖4可知，包封率均隨蠕動泵轉速、出風溫度、進料溫度呈先上升后下降趨勢，與單因素試驗結果基本吻合，且曲面開口向下能在圖中觀測到中心點，說明預測范圍存在最佳噴霧干燥參數使包封率最大。

圖4 變量對包封率影響的響應曲面

最后，通過Design-Expert軟件對包封率(R)進行分析，得到粉末油脂的最佳噴霧干燥工藝參數為進料溫度50.2 ℃、蠕動泵轉速14.82 r/min、出風溫度169.65 ℃，考慮到實際操作因素，將參數修正為進料溫度50 ℃、蠕動泵轉速15 r/min、出風溫度170 ℃，在此條件下進行3次平行試驗，所得粉末油脂的包封率為84.63%，幾乎等同于預測值(84.77%)，說明此次工藝優化條件可靠，具備參考價值。

2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

傅里葉變換紅外光譜主要用于研究物質分子的結構和化學鍵，也可以作為表征和鑒別化學物種的方法[23]。為進一步驗證粉末油脂微膠囊結構的形成，利用紅外光譜對其芯材、壁材及最佳工藝參數制備的粉末油脂進行分析(圖5)。牡丹籽油的不飽和脂肪酸[24]中含有大量C=C雙鍵，因此可以在3 009 cm-1處觀察到=C-H的振動伸縮峰，而粉末油脂中未出現明顯振動伸縮；粉末油脂和牡丹籽油在1 743、2 853 cm-1處分別出現了C-O、C-H2的伸縮振動峰，并未在其余壁材的紅外譜圖中出現，推測以上三峰為牡丹籽油的特征峰，而這些特征峰在粉末油脂紅外譜圖中吸收強度有所降低或未出現，可能是由于壁材的包埋作用，導致其特征峰信號減弱[25]。壁材中均可觀測到3 300 cm-1附近均有較強的-OH吸收峰，其中β-環狀糊精最強，同樣在粉末油脂中也可以觀察到該特征峰；壁材中僅水解蛋白含有氨基，因此可以在1 518 cm-1處觀察到N-H的彎曲振動峰；粉末油脂、牡丹籽油、β-環狀糊精及卡拉膠在2 922 cm-1處出現了-CH3的振動伸縮峰，而水解蛋白的譜圖中并不明顯。粉末油脂的與β-環狀糊精的紅外光譜較為相似，并可以發現水解蛋白的特征峰，因此推測，粉末油脂的紅外光譜主要由β-環狀糊精與水解蛋白疊加而成。此外，在粉末油脂的紅外光譜上未觀測到水解蛋白、β-環狀糊精、卡拉膠及牡丹籽油中的特殊峰，說明干燥噴霧的過程僅發生物理相互作用，包埋效果良好。

圖5 樣品的紅外圖譜

2.4 差示量熱掃描分析

差示量熱掃描法是一種快速和可靠的熱分析方法，可以用來測定物質的玻璃化轉變溫度(Tg)，通過Tg可判斷物質的化學反應速率，并對其穩定性進行預測[26-27]。響應面分析法得出，蠕動泵轉速對包埋率的貢獻因子遠大于出風溫度，而蠕動泵轉速和出風溫度共同決定了噴霧干燥的效率，微調出風溫度可對噴霧干燥效率進行微調。因此試驗在進料溫度50 ℃、蠕動泵轉速15 r/min條件下，測定了不同出風溫度下所制粉末油脂的玻璃化轉變溫度，并選取差異較大的3個溫度指標(160、170、180 ℃)進行分析比較。圖6(a)、(b)、(c)分別對應出風溫度160、170、180 ℃條件下制備的粉末油脂的DSC分析圖。160 ℃時Tg值為102.5 ℃，170 ℃時Tg值為124.2 ℃，180 ℃時Tg值為114.6 ℃，可以發現，170 ℃時玻璃化轉變溫度最高，說明此溫度下樣品的穩定性最好，而且Tg值遠超出常溫，說明該工藝條件下粉末油脂貯藏時均處于玻璃態，粉末油脂具有很好的貯藏穩定性，同時佐證了響應面優化工藝具有一定參考價值。

圖6 樣品的紅外圖譜

2.5 顯微結構分析

粉末油脂微膠囊的一系列性質受其結構形態的影響[28]，本研究中3種工藝參數對粉末油脂包封率的影響雖然都可以以數據的形式間接表達，但通過顯微結構的表征分析，更能直觀、充分地觀察到噴霧干燥效率對粉末油脂形態結構的影響。在進料溫度為50 ℃、蠕動泵轉速15 r/min條件下，選取差異較大的3個溫度指標(160、170、180 ℃)進行比較分析。

2.5.1 CLSM 分析 圖7(a)、(b)、(c)分別對應出風溫度160、170、180℃條件下制備的粉末油脂復溶后的CLSM顯微圖。經染色后，被包埋的牡丹籽油呈紅色，表面附著的綠色物質為水解蛋白，并可以觀察到水解蛋白不但分布在液滴中央，在液滴周圍也形成了一層完整的界面膜。圖7(a)中液滴形態近似圓形，包封率相對較低，可明顯觀察到有大量小液滴粘附在液滴周圍，這可能是由于出風溫度較低時，乳液液滴局部受熱不均所致；圖7(b)中液滴形態基本呈圓球狀，此時包封效率最佳，微小液滴的數量也明顯減少；圖7(c)中液滴形狀奇特，液滴周圍幾乎無小液滴，這可能是由于出風溫度過高，水分蒸發過快，破壞了壁材的包埋結構導致形態出現了變化，且此時包封率最低。通過對比3種溫度下粉末油脂復溶后的微觀形態發現，液滴規則越趨近球狀，小液滴數量越少，包埋率越高，進而佐證了在進料溫度為50 ℃、蠕動泵轉速15 r/min、出風溫度170 ℃條件為最佳噴霧干燥參數。

圖7 激光共聚焦顯微鏡觀察粉末油脂

2.5.2 SEM分析 圖8(a)、(b)、(c)分別對應出風溫度160、170、180 ℃條件下制備的粉末油脂固體顆粒的SEM顯微結構圖。圖8(a)中單個粉末油脂表面雖光滑平整呈球狀，但顆粒表面附著細碎小顆粒，與CLSM顯微鏡下觀察結果一致，顆粒大小分布極其不均勻且部分顆粒表面出現氣孔，極可能由于噴霧溫度過低局部受熱不均，導致液滴中的水分不能充分蒸發所致。圖8(b)中單個粉末油脂表面非常平整光滑，無氣孔、裂紋與凹陷及小顆粒附著，且顆粒分布大小均一、形態完整，說明壁材包封狀態較好。圖8(c)中單個粉末油脂出現了凹陷、褶皺與裂紋，且顆粒形態各異、無規則，與CLSM顯微鏡下觀察結果一致，這是由于過度加熱使水分迅速蒸發，壁材受熱結構遭到破壞所致。

圖8 掃描電子顯微鏡觀察粉末油脂

3 結論

(1)在單因素試驗的基礎上，建立了進料溫度、蠕動泵轉速、出風溫度對牡丹籽油粉末油脂包封率影響的模型。通過響應面分析所得最佳工藝參數為進料溫度50.2 ℃、蠕動泵轉速14.82 r/min、出風溫度169.65 ℃，此條件下制備所得粉末油脂包封率為84.63%。(2)通過傅里葉變換紅外光譜對粉末油脂的結構進行了分析，發現粉末油脂包埋狀態良好，其紅外光譜主要由水解蛋白和β-環狀糊精的紅外譜圖疊加而成，且噴霧干燥過程中物質間并未發生化學反應。(3)通過差式量熱掃描、激光共聚焦顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察分析得出結論：噴霧干燥效率會對包封率的影響極大，并驗證了響應面優化參數的可靠性。在最佳參數條件下制備的粉末油脂玻璃化轉變溫度最高且遠超常溫，說明其貯藏穩定性較好；其復溶液液滴性質呈規則圓球形，小液滴較少；其固體顆粒形狀規則、表面光滑、無氣孔、凹陷、褶皺與裂紋，包封狀態良好。