以改性魔芋胶为主要壁材的核桃油微胶囊制备

胡志红，严 成，*，何 淋，陈 琴，李永学

(1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳621010;2.北川丰煜食品综合加工进出口有限公司，四川绵阳622750)

核桃(JuglansLegiaLinn.)为核桃科(Jugladaceac)核桃属(Juglans)植物，干核桃仁中油脂含量 65%～74%［1－2］，核桃油中含有丰富的不饱和脂肪酸，其中，油酸含量约为22.9%，亚油酸含量约为52.4%，亚麻酸含量约为15.2%［3］。不饱和脂肪酸有助于改善血脂、减少心血管疾病等危害［4］。核桃油中含有大量不饱和脂肪酸，在贮藏过程中易受光照、氧气和温度等因素的影响而氧化酸败。油脂微胶囊化是用天然的或合成的高分子化合物作为成膜材料将油脂包裹在5～200μm的小胶囊中，形成一种封闭的小球状微粒［5］。通过此技术形成的产品不仅能防止核桃油的氧化，而且使液态油脂形成粉末状，更加便于贮存、运输及使用。目前国内外学者对核桃油微胶囊的制备进行了相关研究，但大多数用的是传统的壁材来制备微胶囊，且很多壁材因其成本过高而在工业化生产中受到限制［6－7］。天然高分子多糖魔芋胶，具有稳定性好、成膜性好及成本低廉等特点，适宜于用作微胶囊壁材，但其溶于水后粘度太大，无法直接大量使用。本研究通过酶法对魔芋胶进行改性，适度降低魔芋胶表观粘度，将改性产物与传统壁材复配制备核桃油微胶囊，旨在提高微胶囊包埋率和包埋效果的同时开拓微胶囊壁材研究的新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

核桃油 四川金土地有限公司;魔芋胶 葡甘聚糖含量＞85% 北川丰煜食品有限公司;β－甘露聚糖酶(酶活≥6×104u/g) 江苏锐阳生物有限公司;麦芽糊精(MD=18)、大豆分离蛋白(SPI) 市售，食品级;单硬脂酸甘油酯 上海大沪化工有限公司;其它试剂 均为分析纯。

DF－101S恒温加热磁力搅拌器 郑州长城科工贸有限公司;NDJ－9S数显粘度计 上海精密科学仪器有限公司;BILON－6000Y喷雾干燥器 上海比朗仪器有限公司;Evo18扫描电子显微镜 德国蔡司公司;SLS－60－70高压均质机 上海申鹿均质机有限公司;真空冷冻干燥机 美国Thermo Electron公司;索氏提取器等。

1.2 实验方法

1.2.1 改性魔芋胶的制备 精确称取0.0500g β－甘露聚糖酶定容至1000mL，得酶液Ⅰ，按照酶液Ⅰ∶水=1∶9比例量取酶液Ⅰ和蒸馏水配制酶液Ⅱ，将一定量的魔芋胶加入到酶液Ⅱ中，40℃下酶解1.5h，取出立即在沸水中灭酶10min，冷却，冷冻干燥得改性魔芋胶，测定表观粘度。

1.2.2 核桃油微胶囊的制备 以核桃油为芯材，改性魔芋胶、大豆分离蛋白和麦芽糊精为复合壁材，单甘酯为乳化剂，乳液总固形物含量为20%(w/w)。称取配方含量的改性魔芋胶，大豆分离蛋白和麦芽糊精，分别溶于45、55、30℃温水中，搅拌使其完全溶解，冷却后，将三种壁材混合，补足余量的水，制得复合壁材。加入一定量的核桃油及单甘酯，磁力搅拌20min，将乳液高压均质3次，均质压力35MPa，均质后的配料液在进风温度180℃，出风温度90℃条件下喷雾干燥。

1.2.3 核桃油微胶囊配方单因素实验 根据预实验，固定乳液总固形物含量为20%，考察各因素对核桃油微胶囊包埋率的影响。

1.2.3.1 核桃油含量对微胶囊包埋率的影响 固定改性魔芋胶含量25%，大豆分离蛋白含量14%，单甘酯含量1%，核桃油含量设计为20%、25%、30%、35%、40%，余量为麦芽糊精，探讨不同含量核桃油对微胶囊包埋率的影响。

1.2.3.2 改性魔芋胶含量对微胶囊包埋率的影响固定大豆分离蛋白含量14%，单甘酯含量1%，核桃油含量参照前面实验结果，改性魔芋胶含量设计为15%、20%、25%、30%、35%，余量为麦芽糊精，探讨不同含量改性魔芋胶对微胶囊包埋率的影响。

1.2.3.3 大豆分离蛋白含量对微胶囊包埋率的影响固定单甘酯含量1%，核桃油、改性魔芋胶含量参照前面实验结果，大豆分离蛋白含量设计为8%、11%、14%、17%、20%，余量为麦芽糊精，探讨不同含量大豆分离蛋白对微胶囊包埋率的影响。

1.2.3.4 单甘酯含量对微胶囊包埋率的影响 核桃油、改性魔芋胶、大豆分离蛋白含量参照前面实验结果，单甘酯含量设计为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，余量为麦芽糊精，探讨不同含量单甘酯对微胶囊包埋率的影响。

1.2.4 核桃油微胶囊配方响应面实验设计 采用Box－Behnken方法，根据单因素实验结果，以核桃油、改性魔芋胶、大豆分离蛋白及单甘酯含量(w/w)四个因子为自变量，分别以 X1、X2、X3、X4表示，各因素取值范围分别确定为30%～40%、25%～35%、14%～20%、0.5%～1.5%，按照方程 xi=(Xi－X0)/ΔX 对自变量进行编码，式中，xi为自变量编码值，Xi为自变量真实值，X0为实验中心点处自变量真实值，ΔX为自变量变化步长，以包埋率(Y)为响应值，建立二次多项式数学模型:

式中，Y为预测响应值，β0为常数项，βi为线性系数，βii为二次项系数，βij为交互项系数。

表1 BBD实验因素水平表Table 1 Factors and levels of Box－Behnken design

1.2.5 核桃油微胶囊化的效果评定 包埋率是评价微胶囊包埋效果重要指标。包埋率越高，表明被包埋的核桃油越多，产品稳定性越好。

包埋率(%)=(1－微胶囊表面油含量/微胶囊总油含量)×100

微胶囊总油含量测定，微胶囊破碎后，用无水乙醚作溶剂，索氏抽提法测定微胶囊总油含量。

微胶囊表面油含量测定［8］:用沸程30～60℃的石油醚作为溶剂，称取2g微胶囊产品，将40mL石油醚分3次加入，每次均振荡，过滤，合并滤液，将滤液在50℃水浴中加热，蒸出石油醚，称重，得油的质量即微胶囊表面油含量。

1.2.6 核桃油微胶囊货架寿命预测 将经优化配方的核桃油微胶囊和未微胶囊化的核桃油分别置于60℃(60℃下贮藏1d相当于20℃室温下贮藏16d［9］)培养箱中进行加速氧化实验，定时取样，根据GB/T5009.37－2003 法［10］测定二者的过氧化值(POV)。货架寿命以油脂在贮藏过程中POV达到国家标准允许最大值［11］所用天数来计。

油脂氧化在反应动力学上属于一级反应［12］，反应方程为:

lnP=kt+lnP0

式中，P:过氧化值(meq/kg);k:反应速度常数;t:反应时间(d);P0:样品起始过氧化值。

1.2.7 核桃油微胶囊扫描电镜观察 在电镜进样台上贴上导电胶，将少许微胶囊粉末撒于胶面上，吹去多余的粉末，喷金后用扫描电子显微镜观察微胶囊的表面结构及粒径，加速电压为5kV。

2 结果与分析

2.1 改性魔芋胶表观粘度的测定

参照 GB/T18104－2000 方法［13］，测得改性魔芋胶的表观粘度平均值为0.2Pa·s，此粘度下的魔芋胶有利于微胶囊喷雾干燥造粒，适宜用作壁材［14］。

2.2 核桃油微胶囊配方单因素实验

2.2.1 核桃油含量对包埋率的影响 如图1所示，包埋率随着核桃油用量的增加而逐渐增大，但随着芯材继续增加，壁材无法对芯材进行充分包埋，微胶囊表面油含量增加，导致包埋率降低。结果表明，适宜的核桃油含量为35%。

图1 核桃油含量对微胶囊包埋率的影响Fig.1 Effect of walnut oil content on microencapsulation efficiency

2.2.2 改性魔芋胶含量对包埋率的影响 由图2可知，随着改性魔芋胶含量增加，包埋率也随着增大，但当改性魔芋胶含量超过30%时，包埋率反而下降，这可能是由于改性魔芋胶的成膜性较好，添加一定量时有利于囊壁的形成，添加过多时易堵塞喷雾口，反而使包埋率降低。故改性魔芋胶含量控制在30%为宜。

图2 改性魔芋胶含量对微胶囊包埋率的影响Fig.2 Effect of modified konjac gum content on microencapsulation efficiency

2.2.3 大豆分离蛋白含量对包埋率的影响 如图3所示，随着大豆分离蛋白含量增加，包埋率也增大，但当其含量达到17%时，继续增加其添加量，包埋率略有降低。大豆分离蛋白虽成膜性、乳化性优良，但其成本相对较高，在不影响包埋率的同时，力求找出最小使用量。综合上述分析，大豆分离蛋白用量为17%较佳。

图3 大豆分离蛋白含量对微胶囊包埋率的影响Fig.3 Effect of SPI content on microencapsulation efficiency

2.2.4 单甘酯含量对包埋率的影响 如图4所示，包埋率随着单甘酯含量的增加先增大后降低，当单甘酯含量为1%时达到最大值。乳化剂用量直接影响产品质量，过高的乳化剂用量会使产品口感不佳，且提高成本［15］。结合产品口感及成本考虑，单甘酯用量1%为宜。

图4 单甘酯含量对微胶囊包埋率的影响Fig.4 Effect of glycerin monostearate content on microencapsulation efficiency

2.3 核桃油微胶囊配方的响应面优化实验结果与分析

2.3.1 回归方程模型的建立、显著性检验及方差分析 根据表1的实验设计进行了29次实验，实验值及预测值见表2，使用Design Expert7.0版软件对表2的实验数据进行回归分析，得二次多元回归方程(模型)为

Y=89.66－0.54X1－1.70X2+3.05X3+0.55X4－0.88X1X2－0.39X1X3－2.27X1X4+0.51X2X3+0.61X2X4－0.44X3X4－15.16X12－4.21X22－3.84X32－2.59X42

表2 Box－Behnken实验设计及结果Table 2 Box－Behnken design and experimental results

该模型的回归分析见表3。该模型的 p＜0.0001，表明模型极其显著，能够比较好地描述各因素与响应值之间的真实关系。由表3可知，X1、X2、X3、X4、X1X2、X1X4、X2X3、X2X4、X12、X22、X32和X42具有统计学意义(p＜0.05)，失拟项p=0.7190＞0.05表

表3 回归分析结果Table 3 Variance analysis for the fitted regression model

2.3.2 配方的响应曲面分析及优化 由图5～图7可知，随着核桃油含量不断增大，包埋率也逐渐增大;当核桃油含量约为35%时，包埋率达到最大值。当核桃油含量继续增大时，壁材无法对芯材进行充分包埋，且囊壁越来越薄，导致包埋率降低。

为了凑够每天一万多步,往常吃肉喝酒的傍晚,现在变成了在街头徒步。饥饿如期而至,沿街的小餐馆里飘出各种菜的香味。在一家馆子的门口,我甚至嗅出了几道菜的味道:蒜薹肉丝,火爆腰花……这是很大的折磨,双脚也开始不听使唤起来,步履变得沉重。但是,这种饥饿的感觉又让我感到欣喜,因为我能够确信,自己的行动正在产生价值。

图5 核桃油和改性魔芋胶含量对微胶囊包埋率影响的响应曲面Fig.5 Response surface graph of walnut oil and modified konjac gum content on microencapsulation efficiency

图6 核桃油和大豆分离蛋白含量对微胶囊包埋率影响的响应曲面Fig.6 Response surface graph of walnut oil and SPI content on microencapsulation efficiency

图7 核桃油和单甘酯含量对微胶囊包埋率影响的响应曲面Fig.7 Response surface graph of walnut oil and glycerin monostearate content on microencapsulation efficiency

由图5、图8～图9可知，微胶囊的包埋率随着改性魔芋胶含量增加显著增大。当改性魔芋胶含量达到30%时达到最大值，随着改性魔芋胶含量继续增大包埋率逐渐降低。这可能是由于改性魔芋胶成膜性较好，干燥过程中能在液滴的表面形成一层光滑薄膜，有助于喷雾造粒，但改性魔芋胶不具有乳化性且粘度相对较高，过量地添加于微胶囊中，会堵塞雾化器喷头，不利于喷雾干燥过程的迅速脱水。

图8 改性魔芋胶和大豆分离蛋白含量对微胶囊包埋率影响的响应曲面Fig.8 Response surface graph of modified konjac gum and SPI content on microencapsulation efficiency

图9 改性魔芋胶和单甘酯含量对微胶囊包埋率影响的响应曲面Fig.9 Response surface graph of modified konjac gum and glycerin monostearate content on microencapsulation efficiency

同样，如图10所示，大豆分离蛋白和单甘酯含量对包埋率的影响也呈现先增加后减小的趋势，当大豆分离蛋白含量达到18%、单甘酯含量为1%时，包埋率较大，这也说明在油脂微胶囊制备过程中，并非乳化性物质含量越大，微胶囊包埋率越高。

图10 大豆分离蛋白和单甘酯含量对微胶囊包埋率影响的响应曲面Fig.10 Response surface graph of SPI and glycerin monostearate content on microencapsulation efficiency

2.3.3 验证实验 根据响应曲面优化结果选出最优配方，为方便起见以核桃油含量34.9%，改性魔芋胶含量29.1%，大豆分离蛋白含量18.2%，麦芽糊精含量16.8%，单甘酯含量1%，进行三次平行实验，核桃油平均包埋率为90.48%，与理论最大值90.41%非常接近，因此采用响应面法得到的核桃油微胶囊配方工艺，准确可靠，具有实用价值。

2.4 微胶囊的货架寿命预测

核桃油微胶囊和未微胶囊化的核桃油在60℃贮藏7d，过氧化值变化如图11所示，由图11可以看出，核桃油经微胶囊化后，其氧化速率明显低于未经微胶囊化的核桃油，这是因为，油脂被壁材包裹之后可大大减少与空气中氧气接触，从而延长其贮藏期。

图11 60℃贮藏条件下微胶囊及核桃油的过氧化值变化Fig.11 Peroxide value change of microcapsule and walnut oil storage at 60℃

由以上方程可知:当 P=20meq/kg［11］时，t1=4.336;相当于常温状态下保存69d;t2=11.802;相当于常温状态下保存189d;

由以上分析可知，微胶囊化的核桃油的货架寿命显著高于未微胶囊化的核桃油。

2.5 核桃油微胶囊微观结构

图12(A)可以看出，优化配方后的核桃油微胶囊大多数呈圆形，但也有少许的颗粒表面呈凹凸不平状，这可能是由于在喷金过程中抽真空所致。微胶囊的大小较均一，直径在15～20μm之间，图12(B)是核桃油微胶囊在扫描电镜下放大10000倍的表面形貌图，可以看出，颗粒表面光滑，无裂纹和孔隙。可以推测，本研究中，所选用的复合壁材对核桃油具有较好的包埋效果。

图12 核桃油微胶囊电镜照片Fig.12 Walnut oil microcapsule SEM photos

3 结论

用喷雾干燥法以改性魔芋胶、大豆分离蛋白、麦芽糊精为壁材，单甘酯为乳化剂制备了核桃油微胶囊，响应曲面分析结果表明:核桃油微胶囊最佳配方是核桃油含量34.9%，改性魔芋胶含量29.1%，大豆分离蛋白含量18.2%，麦芽糊精含量16.8%，单甘酯含量1%，微胶囊包埋率达到90.48%，微胶囊化后的核桃油货架寿命明显延长。

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