以大豆分离蛋白为壁材制备α-亚麻酸乙酯微胶囊的工艺研究

2014-03-27陈伟伟梁少华梅国栋

河南工业大学学报（自然科学版） 2014年2期

陈伟伟，梁少华*，梅国栋，沈密

（1.河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450001；2.华南理工大学，广东广州 510641）

0 引言

我国是世界亚麻主要生产国之一.亚麻籽的主要成分是油脂和蛋白质，占亚麻籽质量的一半以上.亚麻籽油含有较多的n-3 脂肪酸（如α-亚麻酸），具有预防冠心病、心脑血管病，降低胆固醇，抗血栓，降血压，提高动脉系统柔性的功能，极具开发价值[1-2].但长期以来，我国的亚麻籽主要以在产地榨取食用油自我消化为主，亚麻籽的潜在价值远没有被充分开发利用[3-4].

微胶囊技术起源于20 世纪30 年代，美国的Wurster 用物理方法制备了微胶囊.现已经扩展到了医药、食品、日用化学品、化工等诸多领域[5].其制备方法多达200 余种，主要包括静电沉积法、界面聚合法、喷雾干燥法以及冷冻干燥法等[6].

将α-亚麻酸乙酯制备成微胶囊，即制成粉末状α-亚麻酸乙酯制品，可以使α-亚麻酸乙酯与外界不良因素隔绝，既提高了其氧化稳定性，又弥补了液态α-亚麻酸乙酯的不足之处，这种新型微胶囊制品不仅能适应现代化工业生产，而且贮存、运输和使用均相当方便[7].

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆分离蛋白：山东嘉华保健品股份有限公司；α-亚麻酸乙酯：自制.

单硬脂酸甘油酯、吐温-20、石油醚、氢氧化钾、盐酸、无水乙醇、95%乙醇溶液、三氯甲烷、冰乙酸、碘化钾、硫代硫酸钠、酚酞指示剂、淀粉指示剂，均为分析纯.

1.2 仪器与设备

HZT-A2000 电子天平：中国康州HZ 电子科技有限公司；Sartorius BSA224S 型分析天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司；Kjeltec 2300 自动定氮仪：福斯特卡托公司（瑞典）；WGL-125B 电热鼓风干燥箱：天津市泰斯特仪器有限公司；SG-高剪切乳化机：流体设备有限公司；Mini Spray Dryer B-290：瑞士步琪有限公司；G2 飞纳台式扫描电子显微镜：复纳科学仪器（上海）有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1 α-亚麻酸乙酯理化指标分析

酸价的测定：按照GB/T 5530—2005 方法测定.

过氧化值的测定：按照GB/T 5538—2005 方法测定.

皂化值的测定：按照GB/T 5534—2008 方法测定.

1.3.2 大豆分离蛋白组成成分分析

挥发物的测定：按照GB/T 9696—2008 方法测定.

氮含量的测定：按照GB/T 5511—2008 方法测定.

氮溶解指数的测定：称取5.00 g 研磨碎的大豆分离蛋白试样于带塞锥形瓶中，加水200 mL 并摇匀，然后在25～30 ℃条件下于恒温振荡箱中振荡2 h，取出后转移至250 mL 容量瓶中定容，静置1～2 min 后取上层清液，以1 500 r/min 离心10 min，再将离心液用快速滤纸过滤，滤液即为样品水溶性蛋白质的测定液.用移液管移取5 mL 该液体用Kjeltec 2300 自动定氮仪测定其水溶性蛋白含量[8].

1.3.3 喷雾干燥法制备微胶囊

选取3 个单因素：固形物含量（6%、8%、10%、12%、14%）、芯壁比（1∶1、2∶3、1∶2、2∶5、1∶3）和喷雾干燥进口温度（150、160、170、180、190 ℃），进行响应面优化试验.

将复配乳化剂吐温-20 和单硬脂酸甘油酯（1∶1）与大豆分离蛋白混匀，并加入适量的70 ℃的水，搅拌使之溶解.加入α-亚麻酸乙酯，搅拌均匀.然后水浴加热至70 ℃，再用高速（10 000 r/min）剪切乳化机乳化4 min，得到乳化液.

乳化液进行雾干燥即得到微胶囊产品.

1.3.4 微胶囊制品包埋率的测定[9]

微胶囊化α-亚麻酸乙酯产品的表面油的测定：称取2 g 左右微胶囊制品（W1）置于干燥的带磨口三角瓶中，加入20 mL 石油醚，提取3 min，其间不断振荡.用滤纸过滤样品，滤液置于已知恒重（W2）的圆底烧瓶中，然后再分别用10 mL 石油醚重复上述操作两次.用旋转蒸发仪对圆底烧瓶进行蒸馏，将圆底烧瓶中的石油醚蒸干，然后将圆底烧瓶放入烘箱中烘至恒重（W3），重复此操作3 次，取平均值.则所称取微胶囊制品表面油含量=W3-W2.

微胶囊化α-亚麻酸乙酯产品的总油的测定：根据所称取微胶囊制品的质量以及芯材与壁材的比例即可计算出来所称取微胶囊制品总油含量.

1.4 响应面试验设计

根据固形物含量、芯壁比、进口温度3 个单因素试验所确定的水平范围，使用Design-Expert 7.1软件设计响应面试验，以微胶囊制品的包埋率为响应值，试验因素与水平见表1.

表1 因素与水平

2 结果与分析

2.1 α-亚麻酸乙酯主要理化指标（表2）

表2 α-亚麻酸乙酯主要理化指标

2.2 大豆分离蛋白主要组成成分（表3）

表3 大豆分离蛋白主要组成成分

2.3 单因素试验

2.3.1 固形物含量对微胶囊制品包埋率的影响

采用在芯壁比为1∶2，喷雾干燥进口温度为170 ℃和喷雾干燥进料量为30%的条件下，分别控制固形物含量为6%、8%、10%、12%和14%，测得微胶囊制品的包埋率变化如图1 所示.

图1 固形物含量对微胶囊制品包埋率的影响

由图1 可以看出，随着固形物含量的增大，微胶囊制品的包埋率逐步增加，当固形物含量达到12%时，包埋率达到最大.当固形物含量高于12%时，包埋率呈现下降趋势.因此，在固形物含量为12%时，微胶囊制品的包埋率最高.

乳状液中的固形物含量是影响包埋率的重要因素.因为固形物含量会影响到乳状液的黏度；固形物含量越高，乳状液的黏度就会越大，从而影响产品的包埋率、流动性、粒度等[10]；微胶囊乳化液中固形物含量直接关系到对芯材的持留能力，固形物含量越高，在干燥时越易形成壁膜，从而对芯材物质持留能力越好.另一方面，由于体系黏度的增加，减少了芯材向壁材表面的扩散迁移，从而使微胶囊制品的包埋率增加.但是如果固形物含量过大，体系的黏度超过一定限度，会给喷雾干燥带来困难，所以在确定固形物含量时应兼顾高固形物含量和低黏度的要求[11].

2.3.2 芯壁比对微胶囊制品包埋率的影响

采用在固形物含量为12%，喷雾干燥进口温度为170 ℃和喷雾干燥进料量为30%的条件下，分别控制芯壁比为1∶1、2∶3、1∶2、2∶5 和1∶3，测得微胶囊制品的包埋率变化如图2 所示.

图2 芯壁比对微胶囊制品包埋率的影响

由图2 可以看出，随着芯壁比的减小，微胶囊制品的包埋率不断增加，当芯壁比为1∶2 时，包埋率达到最大.当芯壁比低于1∶2 时，包埋率呈现下降趋势.因此，在芯壁比为1∶2 时，微胶囊制品的包埋率最高.

在适当范围内随着芯壁比的增加，包埋率增加，因为随着芯壁比的增加，芯材的加入量增加，所形成的乳状液滴的浓度就越大，液滴越易相互聚集，形成的微胶囊粒径就越大，从而使微胶囊能够包裹更多的芯材，使得微胶囊制品的包埋率增加.但是，如果芯壁比过大，则芯材过多，壁材不足以更好地包埋芯材，而且芯材自身也会降低乳状液的稳定性，不利于形成均一稳定的微胶囊产品[12].

2.3.3 喷雾干燥时进口温度对微胶囊制品包埋率的影响

在固形物含量为12%，芯壁比为1∶2 和喷雾干燥进料量为30%的条件下，分别控制喷雾干燥进口温度为150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃和190 ℃，测得微胶囊制品的包埋率变化如图3 所示.

由图3 可以看出，随着进口温度的增大，微胶囊制品的包埋率不断增加，当进口温度达到170 ℃时，包埋率达到最大.当进口温度继续升高时，包埋率呈现下降趋势.因此，在进口温度为170 ℃时，微胶囊制品的包埋率最高.

图3 进口温度对微胶囊制品包埋率的影响

进风温度涉及到干燥速度和干燥能力，同时又影响到产品的颗粒结构、吸湿性和热敏性成分的稳定性[13].试验表明，当喷雾干燥进风温度低于160 ℃时，微胶囊含水量大，流动性不好，干燥速度慢，易粘壁；但进风温度高于180 ℃时，水分散失速度过快，囊壁表面凹陷，会使胶囊过热出现裂缝，同时还会使壁材变性，降低其溶解性，降低产品质量.因此，微胶囊化宜采用的进风温度为170℃，此温度有利于微胶囊颗粒的干燥，可迅速地形成完整致密的微胶囊结构，降低产品的含水率[14].

2.4 微胶囊调制条件优化中心组合试验

2.4.1 模型的建立

对α-亚麻酸乙酯微胶囊工艺条件进行响应面优化研究，在单因素试验的基础上，以固形物含量（A）、芯壁比（B）、喷雾干燥进口温度（C）3 因素为自变量，微胶囊制品的包埋率为响应值，分析方案及结果见表4.

2.4.2 方差分析

由Design-Expert 软件对17 个试验点的包埋率进行回归分析得出二次模型方差分析，见表5.

由表5 可知，固形物含量（p=0.013 9＜0.05）和芯壁比（p=0.024 2＜0.05）对微胶囊制品的包埋率影响较为显著.失拟项不显著（p=0.101 5＞0.05），而模型的p 值为0.007 2，小于0.01，表明模型高度显著.从表5 还可以看出，交互项（AB、AC、BC）对结果影响不显著（p＞0.05）.

以包埋率为响应值，根据表4 的试验结果，利用Design-Expert 7.1 统计分析软件进行多元回归分析后得到模型的二次多项回归方程为：

2.4.3 响应面分析

分别固定固形物含量12%，芯壁比1∶2 和喷雾干燥进口温度170 ℃，形成了6 组响应面图，见图4—图6.

由图4 可知，在喷雾干燥进口温度170 ℃下，当芯壁比固定不变时，随着固形物含量的降低，微胶囊制品的包埋率下降.当固形物含量固定不变时，随着芯壁比的变化，包埋率先升高再下降，在芯壁比为1∶2 时达到最大值.

表4 响应面分析试验结果

表5 包埋率响应面二次模型方差分析

由图5 可知，在芯壁比为1∶2，当进口温度固定不变时，随着固形物含量的降低，微胶囊制品的包埋率下降.当固形物含量固定不变时，随着进口温度的升高，包埋率先升高再下降，在进口温度为170 ℃时达到最大值.

由图6 可知，在固形物含量为12%时，当进口温度固定不变时，随着芯壁比的变化，包埋率先升高再下降，在芯壁比为1∶2 时达到最大值.当芯壁比固定不变时，随着进口温度的升高，包埋率先升高再下降，在进口温度为170 ℃时达到最大值.

2.4.4 最优条件的求解及验证

为进一步求得各因素的最优条件，对回归方程进行求偏导，求得优化的包埋工艺条件为：固形物含量10%、芯壁比1∶2、喷雾干燥进口温度168℃.在此条件下进行两次验证性平行试验，测得的微胶囊的包埋率为52.62%.

2.5 微胶囊制品的扫描电镜观察

图7 为经优化工艺后制成的α-亚麻酸乙酯微胶囊在扫描电镜下放大3 000 倍所观察到的微胶囊颗粒表面结构图.由图7 可以看出，由喷雾干燥法所得到的α-亚麻酸乙酯微胶囊颗粒致密，大部分为球型，平均粒径分布在2～6 μm 之间，但是部分微胶囊制品表面有凹陷.凹陷产生的原因可能是由于颗粒在干燥过程中，微胶囊表面水分蒸发迅速，产生不均匀收缩.凹陷是喷雾干燥微胶囊化产品普遍具有的特征[15].

3 结论

图4 响应面法（固形物含量、芯壁比对包埋率的影响）立体分析图和相应等高线图

在单因素试验基础上，通过响应面法优化大豆分离蛋白包埋α-亚麻酸乙酯制备微胶囊的最佳工艺条件，建立了α-亚麻酸乙酯微胶囊制备的回归模型.响应面试验分析优化得到微胶囊包埋的最佳工艺条件为：固形物含量10%，芯壁比1∶2，喷雾干燥进口温度168 ℃.在此工艺条件下，α-亚麻酸乙酯微胶囊的包埋率为52.62%.

图5 响应面法（固形物含量、进口温度对包埋率的影响）立体分析图和相应等高线图

图6 响应面法（芯壁比、进口温度对包埋率的影响）立体分析图和相应等高线图

图7 α-亚麻酸乙酯微胶囊制品的电镜照片

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