喷雾干燥法制备乳脂微胶囊及其特性的研究

陈 欣 王志耕 梅 林 薛秀恒

（安徽农业大学茶与食品科技学院；安徽省农产品加工工程实验室；安徽省乳制品工程技术中心，合肥 230036）

喷雾干燥法制备乳脂微胶囊及其特性的研究

陈 欣 王志耕 梅 林 薛秀恒

（安徽农业大学茶与食品科技学院；安徽省农产品加工工程实验室；安徽省乳制品工程技术中心，合肥 230036）

运用响应面分析法，优化乳脂微胶囊喷雾干燥法制备工艺参数，并对其基本理化指标、形态特征及其抗潮性、热稳定性、氧化稳定性和贮藏稳定性进行测定分析。结果表明：喷雾干燥法制备微胶囊的最佳工艺参数为：进风温度178℃、出风温度80℃、均质压力43 MPa，其微胶囊乳脂包埋率为93.14%、含水量3.12%、灰分2.07%、蛋白质18.56%、溶解度67.01 g／100 g、密度0.45 g／cm3，粒径分布在4～90 μm。产品加工应用适宜温度在220℃以下，具有抗氧化稳定性好，易吸水、不耐高温的特性。

乳脂 微胶囊 喷雾干燥

乳脂是乳中最重要的营养成分之一，质地柔软，香味浓郁，含有人体必需的多种脂肪酸、脂溶性维生素及磷脂类等［1］，具有良好的消化性［2］，是一种高质量的天然脂肪，但因其饱和脂肪酸和胆固醇含量相对较高，越来越多的人选择脱脂牛奶，造成乳脂的大量剩余，这为乳脂的开发利用提供了良好的基础。同时，乳脂易受外界因素影响，在光、氧气、温度、金属离子的作用下都会氧化产生刺激性气味［3］，限制了其在食品加工中的应用。微胶囊化处理是延缓脂肪氧化、延长保质期、拓展脂肪在食品加工中应用的有效技术手段。目前，喷雾干燥法已成功实现汉麻籽油、鱼油的微胶囊化应用［4］。

本研究以乳清蛋白和麦芽糊精为壁材，通过响应面分析，优化乳脂微胶囊化喷雾干燥工艺参数，并对微胶囊乳脂的特性进行分析，为乳脂微胶囊的开发运用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

乳脂：新西兰安佳公司；浓缩乳清蛋白WPC80、麦芽糊精DE值15～20：国药集团化学试剂有限公司；蒸馏单硬脂酸甘油酯：广州嘉德乐生化科技有限公司。

1.2 主要仪器与设备

FLUKO高速分散器：上海弗鲁克流体机械制造有限公司；超高压纳米均质机：德国APV 2000；沃迪SD-1500喷雾干燥机：上海沃迪自动化装备股份有限公司；Hitachi S-4800场发射扫描电镜：日本日立公司；Malvern激光粒度仪：英国MASTERSIZER 2000；OXITEST油脂氧化分析仪：意大利VELP公司；同步热分析仪STA449F3：德国耐驰公司。

1.3 试验方法

1.3.1 乳脂微胶囊的制备

乳清蛋白+麦芽糊精+去离子水→加热溶解→加入单甘酯和无水乳脂两相混合→高速分散→均质→乳化液→喷雾干燥→乳脂微胶囊粉末。

通过单因素试验及响应面试验得知乳脂微胶囊的最佳配方，当壁材配比（乳清蛋白与麦芽糊精的质量比）为1∶2.6、芯壁比为1∶3，乳化剂添加量为3%，固形物浓度为23.5%，微胶囊化乳脂的包埋率可达93%。本试验在前期试验的基础上，优化了喷雾干燥法制备乳脂微胶囊的工艺参数。

固形物浓度为23.5%的微胶囊乳化液的配制：按1∶2.6称取乳清蛋白和麦芽糊精溶于500 mL去离子水中制成复合壁材溶液，60℃水浴搅拌使其充分溶解，再按芯壁比为1∶3加入无水乳脂和3%单甘酯，用高速分散器将溶液混合均匀，再用超高压纳米均质压力在35～50 MPa、183 mL／min的流速条件下均质2次，得到稳定的乳脂微胶囊乳化液，然后将其进行喷雾干燥，得到乳脂微胶囊粉末。

1.3.2 喷雾干燥法工艺参数的优化

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken设计，选取进风温度、出风温度及均质压力为因素，以乳脂包埋率为响应值，利用响应面分析法优化干燥工艺参数。因素水平编码见表1。

表1 响应面试验因素水平编码表

1.3.3 乳脂微胶囊包埋率的测定

包埋率＝（1-微胶囊表面油含量／微胶囊总油含量）×100%

微胶囊表面油的测定：准确称取2 g微胶囊粉末于干燥恒重的锥形瓶m1中，用30 mL石油醚为溶剂提取5 min，用已知重量的滤纸m2过滤，并用石油醚洗涤2次。再将滤纸与锥形瓶于烘箱中烘至恒重m3

［5］。

表面油含量＝（2+m1+m2-m3）／2×100%

微胶囊总油的测定：准确称取2 g微胶囊粉末于干燥恒重的锥形瓶中，少量热水溶解后，加入无水乙醇、无水乙醚及石油醚（2∶1∶1）混合溶剂充分提取10 min，将萃取液移至旋转蒸发瓶m1中，萃取2次，合并萃取液，将溶剂蒸干后于烘箱中烘至恒

总油含量＝（m2-m1）／2×100%

1.3.4 乳脂微胶囊保留率的测定

保留率%＝（A1-B1）／（A-B）×100%

式中：A为乳脂微胶囊总油含量；B为乳脂微胶囊表面油含量；A1为贮藏一段时间后微胶囊总油含量；B1为贮藏一段时间后微胶囊表面油含量。

1.3.5 乳脂微胶囊的成分与特性分析

1.3.5.1 微胶囊含水量的测定

按照GB／T 5528—2008测定微胶囊中的水分含量。

1.3.5.2 微胶囊灰分含量的测定

按照GB／T 5009.4—2010测定微胶囊中的灰分含量。

1.3.5.3 微胶囊蛋白质含量的测定

按照GB／T 5009.5—2010测定微胶囊中的蛋白质含量。

1.3.5.4 微胶囊溶解度的测定

准确称取5 g含水量为C的乳脂微胶囊粉末于50 mL离心管中，在室温下用38 mL的蒸馏水分2次将样品溶解，在4 000 r／min条件下离心10 min，小心取出上层悬浮物于另一50 mL离心管中，再用38 mL蒸馏水溶解，再于4 000 r／min离心10 min，将上层悬浮物置于蒸发皿m1中于105℃烘箱中干燥至恒重

溶解度＝［（m2-m1）／（1-C）m］×100%

式中：m为样品质量／g；m1为蒸发皿质量／g；m2为蒸发皿质量+不溶物质量／g；C为样品含水量／%。

1.3.5.5 微胶囊密度的测定

将一定质量乳脂微胶囊粉末置于量筒中，计算单位体积乳脂微胶囊的质量［8］。

1.3.5.6 微胶囊粒径分析

取少量乳脂微胶囊，以纯水为分散剂，采用Malvern激光粒度仪测定微胶囊的粒径分布。

1.3.5.7 微胶囊抗潮性的测定

准确称取10 g乳脂微胶囊粉末于称量皿中，在室温、相对湿度为80%的条件下，每隔6 h称重，测定其含水量变化。

1.3.5.8 微胶囊形态观察

在电镜进样台上贴上一层双面胶，将少许微胶囊样品撒于胶面上，稍压实，吹去表面多余粉末，用扫描电子显微镜观察乳脂微胶囊样品微观结构，加速电压为1.0 kV。

1.3.5.9 微胶囊热稳定性测定

使用热重分析仪对乳脂微胶囊产品进行分析，氮气流量为20 mL／min，升温速率为10℃／min，扫描温度范围从20℃升温至600℃［9］。

1.3.5.10 微胶囊氧化稳定性测定

使用油脂氧化分析仪对乳脂微胶囊产品进行分析，压力为0.6 MPa、温度为90℃时，观察乳脂和乳脂微胶囊的氧化稳定性。

1.3.5.11 微胶囊贮藏稳定性的测定

将乳脂微胶囊置于密闭容器中，再分别置于温度为10、20、30、40℃的恒温培养箱中贮藏，每隔6 d测定微胶囊的表面油及总油，分析其保留率的变化［10］。

2 结果与分析

2.1 喷雾干燥工艺参数优化结果及分析

优化试验设计及结果见表2，用Design-Expert8.0.5软件对试验数据进行回归分析，得到以包埋率为目标函数的二次多项回归方程：

Y＝93．89+0．57A+0．20B+0．25C-0．23AB-0．32AC+0．043BC-1．63A2-0．58B2-1．03C2

由表3可知，所建立的二次回归方程具有极显著性（P＜0.01），失拟项0.153 7＞P0.05，不显著。此模型的相关系数R2为94.61%，调整后R2为91.25%，说明该模型拟合程度较好，试验误差较小。可以用此模型对喷雾干燥工艺参数进行分析和预测。

由该模型可知，进风温度和均质压力的影响极显著（P＜0.01），出风温度的影响显著（P＜0.05）；交互项中进风温度和出风温度交互作用显著（P＜0.05），进风温度和均质压力交互作用极显著（P＜0.01），出风温度与均质压力交互作用不显著（P＞0.05）；二次项均达极显著水平（P＜0.01）。

表2 乳脂微胶囊Box-Benhnken试验设计及结果

表3 回归方程方差分析表

由图1可知，进风温度与均质压力交互作用极显著。进风温度一定，随着均质压力的增加，包埋率提高，随后逐渐降低。这是由于均质压力增加，乳化液中的固形物在强烈的撞击、剪切作用下被超微细化［11］，芯材与壁材混合更加充分，乳化液更加均匀稳定，微胶囊包埋率得到提高。均质压力继续增大，乳化液体积膨胀，导致乳化液的黏度降低，微胶囊囊壁的形成受到影响，包埋率降低。均质压力一定，进风温度对包埋率的影响也呈先上升后下降的变化规律。随着进风温度的提高，液滴中的水分蒸发速率加快，有利于形成致密性良好、强度一定的微胶囊囊壁，包埋率增加。进风温度过高，微胶囊壁材形成过快，阻碍了膜内剩余水分的蒸发，液滴内压力升高，导致微胶囊囊壁表面破裂，包埋率降低［12］。图1的等高线呈椭圆形，说明进风温度与均质压力交互作用显著。等高线沿进风温度方向变化比沿均质压力方向密集，说明进风温度对乳脂微胶囊包埋率的影响比均质压力大，这与表3统计结果一致。

图1 进风温度与均质压力对包埋率影响的响应面及等高线图

由图2可知，进风温度与出风温度交互作用显著。等高线呈椭圆形，说明进风温度约在166～177℃、出风温度约在72.5～89.5℃之间时，存在最大交互区间。微胶囊喷雾干燥过程包括恒速干燥和减速干燥［12］，随着进风温度的提高，样品恒速干燥时间减少，水分蒸发速率加快，有利于致密性囊壁的形成，提高包埋率。但进风温度过高时，则会因水分蒸发速率过快，囊壁结构的均匀性、完整性变差，导致包埋率降低。另外，进风温度过高时，使干燥室内已脱水的产品较长时间地处于高温环境中，加速褐变影响品质。出风温度升高能减少微胶囊粉末的减速干燥时间，减少乳脂渗出，降低了表面油的含量，包埋率提高。

图2 进风温度与出风温度对包埋率影响的响应面及等高线图

优化得到的喷雾干燥法制备乳脂微胶囊的最佳工艺参数为：进风温度177.53℃、出风温度80.21℃、均质压力42.52 MPa。考虑到操作的便利性，将此条件归整为：进风温度178℃、出风温度80℃、均质压力43 MPa。按此条件，对预测值进行3次验证试验，得到平均包埋率93.14%，与预测值接近。

2.2 乳脂微胶囊的基本理化指标

乳脂微胶囊粉末色泽较白，颗粒均匀。由表4可知，乳脂微胶囊水分含量较低，溶解性良好。

表4 乳脂微胶囊的基本理化指标测定结果

2.3 乳脂微胶囊的粒径分析

由图3可知，乳脂微胶囊的粒径基本呈正态分布，粒径分布主要集中在4～90 μm，还有一小部分集中在0.1～4 μm，这小部分可能是未形成微胶囊的乳清蛋白和麦芽糊精，这些小颗粒吸附在大颗粒表面。微胶囊粒径越小，其溶解度越大，故所得乳脂微胶囊具有良好的溶解性能。

图3 乳脂微胶囊粒径分布

2.4 乳脂微胶囊的抗潮性

贮藏试验中乳脂微胶囊水分含量变化如图4所示，在初始阶段，微胶囊增重较快，呈线性变化规律，可能是因为微胶囊壁材为乳清蛋白和麦芽糊精，吸湿性较好［13］。微胶囊水分含量增加，导致囊壁轻微溶解，强度减弱，可能会使乳脂释放，影响其品质，所以乳脂微胶囊应在干燥的环境中贮藏。

图4 乳脂微胶囊抗潮性试验结果

2.5 乳脂微胶囊的表面形态

由图5可以看出，微胶囊表面结构完整，有典型的皱褶及凹陷，这是在喷雾干燥的过程中，雾滴在高温下迅速干燥导致表面收缩产生，但未见破裂、孔洞现象，说明对芯材有较好的保护作用。

图5 乳脂微胶囊表面结构扫描电镜图

2.6 乳脂微胶囊的热稳定性

由图6可知乳脂微胶囊在100℃时开始出现失重，这是由于微胶囊壁材中水分蒸发而导致质量的减少。在温度升至220℃前，乳脂微胶囊没有明显的失重，这表明在这个温度范围内微胶囊囊壁没有发生明显的变性，微胶囊较为稳定。温度升至220℃左右时，乳脂微胶囊开始出现明显失重现象，这可能是随着温度的升高，麦芽糊精和乳清蛋白发生变性，囊壁破裂导致乳脂挥发而失重。当温度升到400℃时，失重曲线下降缓慢，在500℃时有18.31%残留。由此可知，在加工温度不超过220℃时，乳脂微胶囊化后一定程度上可以保持乳脂的稳定性。

图6 乳脂微胶囊的TG曲线

2.7 乳脂微胶囊的氧化稳定性

图7为OXITEST油脂氧化仪加速乳脂和乳脂微胶囊氧化过程的曲线，诱导期越长，氧化稳定性越高。由图可看出，乳脂的氧化诱导期为11 h，在前11 h内氧压略微变化，仅下降了0.15 bar，11 h开始急剧下降，47 h左右氧压降至并稳定在1.369 bar左右，乳脂基本被氧化。乳脂微胶囊的氧化基本呈线性变化，氧压均匀缓慢的下降。乳脂微胶囊的氧化诱导期为50 h，相同时间内的氧化速度要远远低于乳脂，氧化稳定性较高。表明，乳脂微胶囊化能有效减缓乳脂氧化，延长产品货架期。

图7 油脂氧化仪加速氧化乳脂和乳脂微胶囊的曲线

2.8 乳脂微胶囊的贮藏稳定性

由图8可知，随着贮藏时间的增加，贮藏温度越高，微胶囊保留率下降速率越大，经过60 d的贮藏，40℃下的乳脂微胶囊保留率仅为31.08%。这说明乳脂微胶囊的贮藏受环境温度的影响较大，温度越高，微胶囊囊壁越容易损坏。因此乳脂微胶囊应置于低温下保存。

图8 乳脂微胶囊在不同温度下的释放规律

3 结论

采用响应面分析法优化获得的喷雾干燥乳脂微胶囊的工艺参数为：进风温度178℃、出风温度80℃、均质压力43 MPa，包埋率达93%以上。乳脂微胶囊色泽较白，表面形态较好，溶解性良好，氧化稳定性大幅度提高。乳脂微胶囊产品应低温密封贮藏，加工用温度控制在220℃以下。

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The Preparation and Characterization of Milk Fat Microcapsules by Spray Drying Method

Chen Xin Wang Zhigeng Mei Lin Xue Xiuheng

（School of Tea and Food Science&Technology，Anhui Agriculture University；Engineering laboratory of agricultural products processing of Anhui；Wan Jiang Hefei Institute of Agricultural Products Processing，Heifei 230036）

Response surface methodology was used to optimize the spray drying conditions of preparing milk fat microcapsules，and measurement and analysis were carried out in basic physiochemical properties，the morphologicalcharacteristics，the moisture resistance，thermodynamic stability，oxidation stability and storage stability of the microcapsules.The results showed that the optimal technical parameters of preparation of microcapsules using spray drying method were obtained as follows：inlet temperature 178℃，outlet temperature 80℃ and homogenizing pressure 43 MPa.Under this condition，embedding rate could reach to 93.14%.The microcapsules had water content of 3.12%，ash content of 2.07%，protein content of 18.56%，solubility of 67.01 g／100 g and the bulk densityi was 0.45 g／cm3，and the range of its size was in 4～90 μm.The milk fat microcapsules showed good oxidation stability，easy water absorption and non high temperature resistance and other characteristics.The suitable processing temperature should below 220℃.

milk fat，microcapsule，spray drying

TS252.9

A

1003-0174（2017）01-0074-07

安徽省奶牛产业技术体系（AHCYTX-07）

2015-05-22

陈欣，女，1991年出生，硕士，食品科学

王志耕，男，1956年出生，教授，畜产品加工