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牡丹籽油微胶囊的制备及特性研究

发布日期:2018-01-19 中国油脂网

刘成祥1,王 力1,苏建辉1,寇兴然1 ,王洪新1,2,高传忠3,聂荣京3
(1. 江南大学 食品学院, 江苏 无锡 214122; 2.江南大学 国家功能食品工程技术研究中心,江苏 无锡 214122;
3.铜陵瑞璞牡丹产业发展有限公司,安徽 铜陵 244000)


摘要:研究以阿拉伯胶和β-环糊精为壁材,牡丹籽油为芯材,采用喷雾干燥法制备牡丹籽油微胶囊,并对其制备工艺及特性进行研究。结果表明:牡丹籽油微胶囊的最佳制备工艺条件为复合壁材阿拉伯胶与β-环糊精质量比1∶ 2、芯材与壁材质量比1∶ 2、乳化液总固形物含量20%;在最佳制备工艺条件下制得的牡丹籽油微胶囊产品颗粒圆整、大小分布均匀、囊壁表面平整光滑,包埋率可达86.32%;牡丹籽油微胶囊在常规的热加工处理过程中结构仍然完整,具有良好的热稳定性;牡丹籽油微胶囊化对牡丹籽油的主要功能成分α-亚麻酸的含量基本没有影响。
关键词:牡丹籽油;微胶囊;喷雾干燥;制备;特性
中图分类号:TS225.6;TQ051.7   文献标识码:A

文章编号:1003-7969(2016)11-0012-05
 

Preparation and property of peony seed oil microcapsule 
LIU Chengxiang1,WANG Li1,SU Jianhui1,KOU Xingran1, WANG Hongxin 1,2,
GAO Chuanzhong3,NIE Rongjing3
(1.School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu, China;
     2. National Engineering Research Center for Functional Food,
Jiangnan University, Wuxi 214122, Jiangsu,China;
3.Anhui Tongling Ruipu Peony Industry Development Co.,Ltd.,Tongling 244000,Anhui, China)


Abstract:With gum arabic and β-cyclodextrin as wall materials and peony seed oil as core material, the peony seed oil microcapsule was prepared by spray drying method and its preparation process and properties were studied. The results showed that the optimal preparation process conditions were obtained as follows: mass ratio of compound wall material gum arabic to β-cyclodextrin 1∶ 2, mass ratio of core material to wall material 1∶ 2, total solid content of emulsion 20%. Under these conditions, the peony seed oil microcapsule had the items of round particle, uniform granular and smooth cystic wall surface, and the embedding rate reached 86.32%. In conventional process of thermal processing, the structure of peony seed oil microcapsule was complete, and it had good thermal stability. The content of the major functional component α-linolenic acid had no significant change after microencapsulation. 
Key words:peony seed oil; microcapsule; spray drying; preparation; property



  牡丹(Paeonia suffruticosa),属毛茛科(Ranunculaceae)芍药属(Paeonia)[1],别名木芍药、百两金、花王、白术、鹿韭[2]。据统计,我国牡丹籽年产量约4万t,含油率为20%~25%[3],其中α-亚麻酸含量约40%[4]。α-亚麻酸属于ω-3系多不饱和脂肪酸,摄入体内后可转变为EPA、DHA和DPA等,是ω-3系多不饱和脂肪酸的前体,具有降血糖、降血脂、预防心血管疾病、增强免疫力、抗肿瘤及延缓衰老等作用[5]。
     目前,对于牡丹籽油的研究主要集中在提取及其功能特性上。易军鹏[6]采用超临界CO2萃取法提取牡丹籽油并对工艺进行优化;董振兴等[7]的研究表明牡丹籽油对高脂饲料引起的小鼠脂代谢紊乱具有很好的调节作用。然而,由于牡丹籽油富含多不饱和脂肪酸,在生产及储存过程中极易氧化酸败,导致油脂品质下降、货架寿命缩短。为解决此问题,常采用微胶囊化技术来延缓功能性脂肪酸的氧化,如冷冻干燥法、喷雾干燥法、化学交联法、复凝聚法等微胶囊化技术。其中喷雾干燥法是微胶囊化技术中一种成本较低、工艺简单并且不需要有机溶剂的方法。目前,关于牡丹籽油微胶囊的研究仍然较少,且主要集中在牡丹籽油微胶囊的制备工艺上[8],尚未见有关牡丹籽油微胶囊性能表征的研究报道。
     本研究以阿拉伯胶、β-环糊精为壁材,采用喷雾干燥法制备牡丹籽油微胶囊并进行相应的工艺优化,同时对微胶囊特性进行研究,以期得到具有优良品质的牡丹籽油微胶囊,为牡丹籽油的深入开发和利用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
1.1.1 原料与试剂
     牡丹籽油:由安徽铜陵瑞璞牡丹产业发展有限公司提供;阿拉伯胶粉:上海纪宁实业有限公司;β-环糊精:曲阜市鸿宇商贸有限公司;分子蒸馏单甘酯:浙江物美生物科技有限公司;蔗糖酯:杭州金鹤来食品添加剂有限公司;正己烷、甲醇为色谱纯,其他试剂均为分析纯。
1.1.2 仪器与设备
     HH.S21-Ni4恒温水浴锅;Q/QANN电子天平;NS1001高压均质机:意大利尼鲁索尔维公司;Mobile Minor尼鲁喷雾干燥机:北京霍尔斯生物科技有限公司;S3500激光粒度分析仪:美国麦奇克公司;SIGMA 2-16P高速台式离心机:德国Sigma公司;SU1510扫描电子显微镜:日本日立株式会社;Q2000差示扫描量热仪:美国TA仪器公司;IS10傅里叶红外光谱仪:美国Nicolet公司;TRACE MS/GC 气相色谱质谱联用仪:英国菲尼根公司。
1.2 实验方法
1.2.1 牡丹籽油微胶囊制备的工艺流程
     称取一定量的复合壁材(阿拉伯胶和β-环糊精),溶解在50~60 ℃的蒸馏水中→恒温搅拌20 min→加入2.0%复配乳化剂(单甘酯与蔗糖酯的复配HLB值为11)及牡丹籽油→搅拌5 h形成初乳液→高压均质(40 MPa,2次)→喷雾干燥(进风温度180 ℃,出风温度80 ℃,进料速度20 mL/min)→牡丹籽油微胶囊产品。
1.2.2 包埋率的测定
     采用文献[9]的方法进行牡丹籽油微胶囊的包埋率测定。
1.2.3 牡丹籽油微胶囊的粒径分布测定
     将准备好的待测牡丹籽油微胶囊稀释至一定倍数,用激光粒度分析仪进行粒度分析,得到微胶囊的粒径分布,并绘制颗粒大小分布曲线图。
1.2.4 牡丹籽油微胶囊的扫描电子显微镜结构观察
     将一定量的牡丹籽油微胶囊撒于贴有双面胶的样品台上,吹去过量的微胶囊粉末,并进行喷金处理。用扫描电子显微镜进行微胶囊的结构观察,加速电压为30 kV。
1.2.5 微胶囊的差示扫描量热分析[10]
     称取一定质量的样品,置于铝盒中,封口后放入差示扫描量热仪中进行分析,扫描温度范围为-20~250 ℃,升温速率为 10 ℃/min,氮气的流速为 20 mL/min。
1.2.6 牡丹籽油微胶囊的红外光谱分析
     称取一定量样品,按照样品与溴化钾的质量比为1∶ 50~1∶ 200与溴化钾混合,在研钵中充分磨细,取出少量压制成透明薄片。在400~4 000 cm-1的范围内对样品进行红外光谱扫描,并对测定结果进行分析[11]。
1.2.7 牡丹籽油微胶囊的脂肪酸组成分析 
     采用1.2.2测定包埋率的方法提取微胶囊中的牡丹籽油。采用文献[12]方法测定牡丹籽油的脂肪酸组成。
2 结果与分析
2.1 牡丹籽油微胶囊制备的工艺优化
     在喷雾干燥法制备微胶囊过程中,壁材的选择、壁材配比、芯材与壁材的配比、乳化液总固形物含量等因素都会影响产品质量。经过预实验,选择影响牡丹籽油微胶囊形成的主要因素壁材配比(阿拉伯胶与β-环糊精质量比)(A)、芯材与壁材质量比(B)、乳化液总固形物含量(C)为考察因素,以包埋率作为评价指标,采用L9(34)正交实验对牡丹籽油微胶囊的制备进行工艺优化。正交实验因素与水平见表1。
    

表1 正交实验因素与水平


水平 A B C/%
1 1∶ 1 1∶ 1 15
2 2∶ 3 2∶ 3 20
3 1∶ 2 1∶ 2 25
  正交实验设计与结果见表2。
    

表2 正交实验设计与结果


实验号 A B C 包埋率/%
1 1 1 1 66.13
2 1 2 2 72.34
3 1 3 3 73.79
4 2 1 2 73.78
5 2 2 3 76.97
6 2 3 1 80.02
7 3 1 3 79.73
8 3 2 1 82.45
9 3 3 2 86.32
k1 70.75 73.21 76.20  
k2 76.92 77.25 77.48  
k3 82.83 80.04 76.83  
R 12.08 6.83 1.28  
 
  由表2可知,各因素对微胶囊包埋率的影响主次顺序为A>B>C,各因素的最优水平为A3B3C2,即正交实验所得到的牡丹籽油微胶囊的最佳制备工艺条件为:阿拉伯胶与β-环糊精质量比1∶ 2,芯材与壁材质量比1∶ 2,乳化液总固形物含量20%。在最佳制备工艺条件下,包埋率达86.32%。
     壁材的选择是影响微胶囊产品质量的重要因素。本研究选择阿拉伯胶、β-环糊精作为复合壁材。阿拉伯胶具有优良的乳化性、成膜性、较低的黏度以及良好的抗氧化效果,在各种壁材中一直占主导地位;β-环糊精也是喷雾干燥生产粉末油脂的一种常见壁材,能够通过分子相互作用力将芯材分子包裹在其疏水空穴中,形成稳定的分子络合物,对芯材油脂起到很好的保护作用[13]。阿拉伯胶、β-环糊精的复配比例直接影响到微胶囊的产品性质。本实验确定阿拉伯胶与β-环糊精质量比1∶ 2为最佳水平。芯材与壁材的配比也是影响微胶囊包埋率的一个重要因素,通常随着芯材与壁材比例的增大,表面油含量降低,包埋率相应增加。这主要是因为壁材含量增加,壁材在干燥过程中的成膜速率也相应增加,壁材能在芯材表面快速地成膜,降低破漏的几率,从而提高产品的包埋率[14]。本实验确定芯材与壁材质量比1∶ 2为最佳水平。在一定范围内,乳化液总固形物含量的提高有利于喷雾干燥过程中囊壁的形成及其致密度的提高,同时黏度的增加可以减少芯材向壁材表面的扩散作用。但乳化液总固形物含量过高,液滴不易雾化反而不利于油滴的包埋,本实验确定乳化液总固形物含量20%为最佳水平。
2.2 牡丹籽油微胶囊的粒径分布
     牡丹籽油微胶囊的粒径分布见图1,牡丹籽油微胶囊的粒径积分分布见表3。由图1可知,牡丹籽油微胶囊的粒径分布呈现正态分布。由表3可知,1 μm以下的微胶囊约占30%,粒径分布为1~10 μm的微胶囊约占65%。由此可见,所制备的牡丹籽油微胶囊的粒径分布均匀且集中。
    

QQ截图20180119150538

图1 牡丹籽油微胶囊的粒径分布
  

表3 牡丹籽油微胶囊的粒径积分分布


粒径/μm 体积/% 粒径/μm 体积/%
0.468 10.00 2.272 60.00
0.712 20.00 2.887 70.00
0.995 30.00 3.780 80.00
1.343 40.00 5.730 90.00
1.763 50.00 9.580 95.00
 
2.3 牡丹籽油微胶囊的扫描电镜结构观察
     牡丹籽油微胶囊扫描电镜图见图2。

QQ截图20180119150611

a                    b

注:a.表面结构图(2 500×);b.内部结构图(5 000×)。

图2 牡丹籽油微胶囊扫描电镜图
  由图2a可知,牡丹籽油微胶囊产品外形呈球形或者椭球形,颗粒大小、形态分布较为均一,囊壁表面较为光滑。有些颗粒表面存在褶皱及凹陷现象,一些微小的颗粒附在大颗粒的表面,但没有出现裂缝、孔洞或裂缝现象。这可能是因为液滴在雾化过程中相互挤压,粘连所致;也可能是由于干燥过程中液滴水分的迁移及液滴表面张力的影响[15],特别是在冷却阶段,若壁材的固化先于热气流造成的微胶囊膨胀,导致壁材收缩从而形成凹陷或褶皱。也有研究表明微胶囊表面出现的典型褶皱或凹陷现象与壁材中碳水化合物的含量有关[16]。
     在制备切片过程中破坏微胶囊颗粒得到破碎的微胶囊,可以看到微胶囊颗粒的内部结构。由图2b可知,微胶囊囊壁结构致密,厚度均匀,为0.5~1.0 μm。微胶囊内部中心是一个大的空腔,为容纳脂质的空间。由牡丹籽油微胶囊扫描电镜图可知,牡丹籽油微胶囊具有良好的表面和内部结构,这表明产品有较高的微胶囊囊化效率,能够对芯材起到很好的保护作用,预示着良好的储藏稳定性。
2.4 牡丹籽油微胶囊的差示扫描量热分析
     牡丹籽油微胶囊的DSC曲线见图3。由图3可知,牡丹籽油微胶囊在152.52 ℃发生玻璃态转变,在该温度下,微胶囊产品中一些成分的刚度和黏度开始下降,弹性增加。随着体系温度的继续升高,反应的速率也相应的增加,此时有序的晶体结构向无序的非晶体转变,牡丹籽油微胶囊发生热熔解,熔解的峰值为164.81 ℃,熔解焓为21.42 J/g。因此,在常规的热加工处理过程中,牡丹籽油微胶囊的结构仍然完整,具有良好的热稳定性。
    

QQ截图20180119150622

图3 牡丹籽油微胶囊的DSC曲线
2.5 牡丹籽油微胶囊的红外光谱分析
     牡丹籽油及牡丹籽油微胶囊的红外光谱图见图4。由图4可知,牡丹籽油在2 800~3 100 cm-1处有较强的CC键的伸缩振动峰,这是牡丹籽油中丰富的亚麻酸和亚油酸所致,这间接说明牡丹籽油的不饱和程度高。而牡丹籽油微胶囊样品中此处吸收峰较弱,这是因为牡丹籽油被壁材很好地包裹,使CC键的伸缩振动减弱。在1 745 cm-1附近牡丹籽油和微胶囊都有尖锐的CO吸收峰,但微胶囊的峰相对于牡丹籽油的峰减弱,而两种壁材在此处的吸收峰都较弱,从而可以初步证明微胶囊结构的形成。

QQ截图20180119150635

注:a.牡丹籽油;b.牡丹籽油微胶囊。

图4 牡丹籽油及牡丹籽油微胶囊的红外光谱图
2.6 喷雾干燥对牡丹籽油脂肪酸成分的影响
     喷雾干燥前与喷雾干燥后牡丹籽油脂肪酸成分的变化见表4。由表4可知,喷雾干燥前后牡丹籽油的脂肪酸组成未发生明显变化。由此可见,采用喷雾干燥法制备牡丹籽油微胶囊虽然经过瞬间高温,但未对牡丹籽油的脂肪酸营养价值造成破坏,对芯材起到了很好的保护作用。
    

表4 喷雾干燥前与喷雾干燥后牡丹籽油脂肪酸
成分的变化


脂肪酸
相对含量/%
喷雾前 喷雾后
肉豆蔻酸C14∶ 0 0.040 0.050
棕榈酸C16∶ 0 5.410 5.548
棕榈油酸C16∶ 1 0.098 0.086
硬脂酸C18∶ 0 1.547 1.832
油酸C18∶ 1 23.564 23.760
亚油酸C18∶ 2 29.169 29.019
α-亚麻酸C18∶ 3 39.811 39.341
花生酸C20∶ 0 0.076 0.107
二十碳烯酸C20∶ 1 0.204 0.244
山嵛酸C22∶ 0 0.009 0.012
ΣSFA 7.082 7.549
ΣMUFA 23.866 24.090
ΣPUFA 68.980 68.360
3 结 论
     以阿拉伯胶和β-环糊精为壁材、牡丹籽油为芯材制备牡丹籽油微胶囊,并通过正交实验对牡丹籽油微胶囊的制备工艺进行优化,得到的最佳工艺条件为:复合壁材阿拉伯胶与β-环糊精质量比1∶ 2,芯材与壁材质量比1∶ 2,乳化液总固形物含量20%。在最佳制备工艺条件下制得的牡丹籽油微胶囊的包埋效果良好,包埋率可达到86.32%。
     通过激光粒度分析仪分析和扫描电子显微镜观察,发现牡丹籽油微胶囊大小、形态分布均匀,颗粒圆整,囊壁表面光滑。红外光谱结果测出微胶囊中牡丹籽油的特征峰减弱,表明复合壁材对牡丹籽油起到了很好的包裹作用。差示扫描量热仪分析结果表明,在常规的热加工处理过程中,牡丹籽油微胶囊的结构仍然完整。对喷雾干燥前后牡丹籽油的脂肪酸成分进行分析,发现喷雾干燥后牡丹籽油的脂肪酸成分基本不变,喷雾干燥法并未对牡丹籽油的脂肪酸营养价值造成破坏。
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