乳清蛋白-甜橙油包合物的制备及其性质研究

杨晓飞，梅林，薛秀恒，王志耕*

1(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 合肥，230036) 2(安庆市食品药品稽查支队，安徽 安庆，246001)

风味是食品的重要特征之一，是消费者评价食品品质的一个重要指标[1-2]。香精香料是现代食品工业不可或缺的材料[2-3]。随着食品工业的发展，消费者对食品风味的要求不断提高，例如要求食品风味圆润、柔和、可持续释放等。同时天然香精香料也越来越受到广大消费者的青睐[4]。为此，新型风味剂的开发是食品新材料创新研究的重要领域之一。

甜橙油风味特征鲜明，口感柔和，在食品工业中被广泛应用。但甜橙油具有不溶于水、易挥发、持续释放性能较差等缺陷[1,3-4]。目前技术多采用β-环糊精、麦芽糊精或阿拉伯胶等作为甜橙油的添加载体，将甜橙油制成微胶囊或包合物，以扩展甜橙油在食品工业中的应用范围[1-3,5-6]。研究表明，蛋白质分子带有许多双亲基团,具有良好的结合风味物质的能力[7]。在水溶液中，蛋白质的疏水基团能够通过以疏水相互作用为主要动力吸附在油溶性的液滴表面，形成一层蛋白质膜，将油滴包裹形成包合物，或者将油性液滴吸附固定在蛋白质疏水空穴内，而亲水基团通过氢键与水分子相互作用，从而形成稳定的包合物乳液并使包合物具有良好的水溶性[4,8-13]。乳清蛋白来源于牛乳，同时又具有大量的双亲基团以及疏水空穴[10,12-13]。本文采用正交试验对高压均质制备乳清蛋白-甜橙油包合物工艺参数进行优化，并系统地分析了乳清蛋白-甜橙油包合物的性质，以期为甜橙油新材料的应用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

WPC-80乳清蛋白粉,美国Glanbia公司；甜橙油(0.84 mg/mL),广州日化化工有限公司；Na2CO3、K2SO4、NaCl、石油醚(60～90 ℃)、无水乙醇和正己烷，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

智能水分活度仪(HD-3A型)，无锡市华科仪器仪表有限公司；紫外分光光度计(Lambda 35),美国Perkin Elmer公司；超高压纳米均质机(APV-2000型)，北京同和友德科技有限公司；真空冷冻干燥机(Christ L-1)，德国Martin-Christ公司；数控超声波清洗器(KQ3200DE型)，昆山市超声仪器有限公司；气相色谱仪(7890A)，安捷伦科技有限公司；质谱仪(5975c)，安捷伦科技有限公司；激光粒度分析仪(MS2000)，英国马尔文仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 甜橙油-乳清蛋白包合物的制备

1.2.1.1 包合物的制备方法

配制100 g/L乳清蛋白溶液，边搅拌边加入甜橙油，然后再边搅拌边经超高压纳米均质机均质，得到纳米包合物乳液。将50 mL包合物乳液置于直径150 mm的培养皿中，于-80 ℃条件下预冷冻4 h，再经真空冷冻干燥30 h得到乳清蛋白-甜橙油包合物固体，粉碎，经80目筛过滤，得包合物粉末。

1.2.1.2 甜橙油包合率的测定

分别取1.0、0.8、0.6、0.4、0.2、0.1、0.05、0 mL甜橙油于100 mL容量瓶中，用石油醚定容，混匀，制备质量浓度为8.40、6.72、5.04、3.36、1.68、0.84、0.42、0 mg/mL的甜橙油石油醚标准溶液，在307 nm波长处测定其吸光度。甜橙油的石油醚溶液的质量浓度在0～8.40 mg/mL范围内时，浓度(X1)和吸光度(Y1)呈现良好的线性关系，其线性方程为：Y1=0.206 2X1+0.018 0(R2=0.999 4)。以同样的方法配制甜橙油无水乙醇标准溶液，测定其在317 nm波长处的吸光度，当甜橙油的无水乙醇溶液质量浓度在0～8.40 mg/mL范围内时，浓度(X2)和吸光度(Y2)之间也呈现良好的线性关系，其线性方程为Y2=0.198 7X2-0.004 1(R2=0.999 3)。

根据文献[14-15]中的方法并略作改进，称取0.5 g样品于50 mL离心管中，加入10 mL石油醚，轻微振荡1 min，然后3000 r/min离心1 min，倾出石油醚相，再向沉淀中加入10 mL石油醚，重复上述操作2次，合并石油醚相，经0.22 μm有机滤膜过滤后，在307 nm处测定吸光度；根据线性方程Y1=0.206 2X1+0.018 0计算包合物表面甜橙油含量。

根据文献[15-16]中的方法并略作改进，称取0.5 g样品于50 mL离心管中，加入10 mL无水乙醇，30 ℃、90 W超声提取10 min，3 000 r/min下离心1 min，倾出无水乙醇相，再向沉淀中加入10 mL无水乙醇，重复上述操作3次，合并无水乙醇相，经0.22 μm有机滤膜过滤后，在317 nm处测其吸光度；根据线性方程Y2=0.198 7X2-0.004 1计算包合物载有甜橙油总量。

包合率是指反应体系中实际被有效包合的甜橙油的质量与加入的甜橙油的总质量之比。

(1)

M2=M1×M

(2)

(3)

式中：m1，包合物含有甜橙油总量，g；m2，包合物表面甜橙油含量，g；m，包合物质量，g；M1，单位质量蛋白包合的甜橙油含量，g/g；M2，反应体系中蛋白包合的甜橙油的总量，g；M，反应体系中蛋白的总质量，g；V，反应体系中加入的甜橙油体积，mL；ρ，甜橙油密度，0.84 g/mL。

1.2.1.3 包合物制备工艺的正交试验优化

以均质次数、均质压力和乳清蛋白的质量与甜橙油的体积比为因素，以包合率为指标，设计3因素3水平的正交试验优化制备工艺，对结果进行直观分析和方差分析，确定最佳制备条件。因素水平编码表如表1所示。

表1 正交设计试验因素水平编码表Table 1 Factors and levels of orthogonal design

1.2.2 包合物的性质研究

1.2.2.1 紫外-可见光光谱分析

利用紫外分光光度计测定甜橙油、乳清蛋白、甜橙油和乳清蛋白的物理混合物以及包合物的石油醚溶液和无水乙醇溶液在200～400 nm范围内的吸收光谱[14,17]。分别将甜橙油和乳清蛋白溶于石油醚溶液和无水乙醇溶液中，扫描溶液在200～400 nm范围内的吸收光谱。再用石油醚洗涤物理混合物和包合物，测定洗脱液在200～400 nm范围内的吸收光谱，直至洗脱液在307 nm处的吸光度接近0并且恒定不变，然后再用无水乙醇提取沉淀物中的甜橙油，扫描提取液在200～400 nm范围内的吸收光谱。

1.2.2.2 包合物中甜橙油组分分析

根据文献[1,18]中的方法并略作改进，对甜橙油原油和包合物中的甜橙油进行组成成分分析。将0.1 mL甜橙油溶于20 mL正己烷中，混匀。然后再将2 g包合物悬浮于20 mL正己烷中，密封，在90 W、30 ℃条件下超声波处理提取30 min，再将超声波处理后的悬浮液在3 000 r/min下离心1 min，收集正己烷提取液。将甜橙油的正己烷溶液和包合物的正己烷提取液经0.22 μm有机滤膜过滤后进行GC-MS分析。

色谱试验条件：色谱柱，HP-5毛细管柱30 m×0.25 mm×0.25 μm；载气，高纯氦气99.999%，流速0.8 mL/min；进样量1 μL，分流比1∶10；进样口温度250 ℃；检测器温度300 ℃，TIC；升温程序，起始温度69 ℃保温1 min,以1 ℃/min升温至80 ℃，80 ℃保温2 min，再以10 ℃/min升温至200 ℃，200 ℃保温1 min，280 ℃保温1 min。

MS条件：电子轰击离子源，电子能量70 eV；四极杆温度150 ℃，EM电压2 165 V，接口温度250 ℃，溶剂延迟3 min，质量范围40～550 u。

1.2.2.3 粒径分析

采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定包合物的粒径大小。以水作为分散介质，将包合物的水溶液逐渐加入分散介质中至激光强度为6%～10%。吸收率为0.001，乳清蛋白和水的折射率分别取1.350和1.330[19]。包合物的粒径大小采用粒度分布曲线体积加权平均直径D[4,3]和表面积加权平均直径D[3,2]表示。每个样品测定3次，测定结果取3次测定值的平均值。

1.2.2.4 含水率和水分活度分析

按照食品安全国家标准GB 5009.3—2010[20]测定包合物中的水分含量。称取10 g(精确到0.001 g)包合物于105 ℃的烘箱中干燥，每隔1 h称量1次，干燥至恒重(前后2次质量差不超过0.04 g)，准确记录干燥后包合物的质量，并测定干燥后包合物中的甜橙油含量，每个样品测定3次。按照公式(4)[21]计算包合物的含水率：

(4)

式中：φ,包合物的含水率，%；m3和m4,干燥前和干燥后包合物的质量,g；m5和m6,干燥前和干燥后包合物中甜橙油的质量,g。

包合物的水分活度采用H-3A型水分活度仪进行测定，测定温度18 ℃，测定时间 10 min，每个样品测定3次。

1.2.2.5 吸湿能力的测定

在25 ℃条件下，将Na2CO3、NaCl和K2SO4饱和溶液分别置于干燥器中模拟相对湿度为43%、75%、97%的环境[22]。将一定质量的包合物置于干燥器中，每隔一段时间测定1次包合物的质量，并根据公式(5)计算包合物的吸湿率：

(5)

式中：Ra,包合物的吸湿率，%；W0和Wn分别是包合物放入干燥器前后的质量，g。

1.2.2.6 贮藏特性分析

将制得的包合物密封包装后在25 ℃温度下贮藏，分别贮藏1、2、3、4、5、6、7、8、9、10周后测定结合物中甜橙油的含量，计算包合物中的甜橙油保留率。包合物中甜橙油保留率的计算公式：

(6)

式中：λ,包合物中甜橙油保留率,%；m7,包合物中甜橙油含量,mg/g；m8,贮藏一段时间后包合物中甜橙油的含量,mg/g。

1.2.3 数据分析

所有试验均设3次重复，将得到的试验结果利用Microsoft Excel和正交设计助手Ⅱ专业版进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 包合物制备条件的优化

正交试验结果、结果的方差分析及效应曲线图分别如表2、表3和图1所示。

表2 正交试验结果Table 2 The result of orthogonal experiments

由表2中各因素的极差大小可知，各因素对甜橙油包合率的影响大小顺序为C(乳清蛋白的质量与甜橙油的体积比)>B(均质压力)>A(均质次数)。由表3可知，均质压力和乳清蛋白的质量与甜橙油的体积比对甜橙油包合率的影响均较显著(P<0.05)，结合图1可知，这2个因素应分别选择40 MPa和1∶0.75作为最佳水平，而均质次数对包合率影响不显著，为减少生产中的工作量和仪器的损耗，均质次数选择3次最佳。

表3 正交试验结果的方差分析Table 3 The analysis of variance of the result oforthogonal experiments

注：F0.05(2,2)=19.00

图1 正交试验效应曲线图Fig.1 Effect chart of orthogonal experiments

在最佳制备条件下制备包合物，结果表明，此条件下制备的包合物中甜橙油包合率为84.11%，RSD为3.06%，包合物中甜橙油的有效含量为346.36 mg/g。

2.2 包合物的性质分析

2.2.1 紫外-可见光光谱分析

由图2可以看出，甜橙油的石油醚溶液和无水乙醇溶液分别在307 nm处和317 nm处有特征吸收峰，

而乳清蛋白的石油醚溶液和无水乙醇溶液在307 nm和317 nm处均无吸收峰，表明乳清蛋白不会影响甜橙油含量的测定。物理混合物经石油醚洗脱后，其无水乙醇提取液在317nm处没有出现特征吸收峰，表明物理混合物中的甜橙油完全被石油醚洗脱，而包合物的无水乙醇提取液在317 nm处出现明显的特征吸收峰，表明包合物能很好的保护甜橙油。

1-乳清蛋白的石油醚溶液；2-乳清蛋白的无水乙醇溶液；3-甜橙油的石油醚溶液；4-甜橙油的无水乙醇溶液；5-包合物无水乙醇提取液；6-物理混合物无水乙醇提取液图2 甜橙油,乳清蛋白,甜橙油/乳清蛋白物理和包合物的紫外-可见光吸收光谱Fig.2 UV-visible absorption spectra of sweet orange oil,whey protein, sweet orange oil/whey protein physical mixture and inclusion complex

2.2.2 包合物中甜橙油组成成分分析

甜橙油在被包合前后组成成分如表4所示。

表4 甜橙油包合前后组成成分表Table 4 Profile of original and microencapsulated sweet orange oil

续表4

No组成成分甜橙油原油各组分相对百分比/%包合后的甜橙油各组分百分比/%20Carveol0.050.06213,7-dimethyl-2,6-Octadienal0.06ND22D-Carvone0.160.1823Octane, 1,1-diethoxy-0.050.08242,6-Octadien-1-ol, 3,7-dimethyl-, acetate, (Z)-0.210.3725Copaene0.100.1326Geranyl acetate0.090.24271H-Cyclopenta[1,3]cyclopropa[1,2]benzene,octahydro-7-methyl-3-methylene-4-(1-methylethyl)-0.070.0828Cyclohexane, 1-ethenyl-1-methyl-2,4-bis(1-methylethenyl)-0.090.1229Caryophyllene0.230.29301,6-Cyclodecadiene,1-methyl-5-methylene-8-(1-methylethyl)-0.090.1231Bicyclo[3.1.1]hept-2-ene,2,6-dimethyl-6-(4-methyl-3-pentenyl)-0.290.4132Humulene0.030.0733cis-β-Farnesene0.040.0734Naphthalene0.330.4435α-Bisabolene0.370.5736Phenol, 2,4-bis(1,1-dimethylethyl)-0.080.0637Hexadecanoic acid, methyl ester0.050.06

从表4可以看出，包合前后，甜橙油的组成成分种类变化不大，甜橙油原油中含有37种成分，包合物中的甜橙油含有36种成分。其中甜橙油中的蒎烯、月桂烯、柠檬烯、芳樟醇、癸醛和巴伦西亚橘烯等[18]特征风味成分在原油中的相对百分比分别为5.58%、1.96%、83.15%、0.35%、0.20%、0.33%，在被包合后这些特征风味物质的相对百分比分别为5.18%、1.84%、81.42%、0.39%、0.04%、0.44%，只有癸醛相差较大，这可能是因为在原油中癸醛的含量较少，检测时误差较大引起的。结果表明，在包合前后甜橙油的各组成成分保留效果较好，各组成成分的相对百分比没有发生明显的变化，可保持甜橙油特征风味。

2.2.3 包合物的粒径

在饮料加工工业中，为了提升饮料的稳定性和品质，原料的粒径及其溶解性至关重要，小粒径的原料更受青睐，因此包合物的粒径是包合物的一个重要性质参数[23]。乳清蛋白-甜橙油包合物在水溶液中粒径分布如图3所示。

图3 包合物在水溶液中的粒径分布曲线Fig.3 Curve of particle size of the inclusion complex in the water

由图3可知，包合物颗粒大小分布均匀，粒径主要分布在100～600 nm，包合物的表面平均直径D[3,2]为(180±8)nm，体积平均直径D[4,3]为(333±5) nm。只有少量包合物的粒径较大，粒径在600～2 000 nm，这些粒径较大的包合物可能是因为溶解过程中部分包合物聚集形成，但仍小于大多数原料的粒径，所以该包合物的粒径大小适合应用于饮料加工。

2.2.4 含水率及水分活度

包合物的含水率和水分活度分别为(4.59±0.46)%和0.211±0.037。一些研究表明，当食品的水分活度低于0.3时微生物不再繁殖[24]，且当包合物的含水率在低于5%时有利于产品的贮藏稳定性[25]。因此，该包合物的含水率和水分活度有利于包合物的贮藏。

2.2.5 吸湿能力分析

在相对湿度为43%、75%和97%的环境下乳清蛋白-甜橙油包合物的吸水率随时间变化如图4所示。当相对湿度为97%时，包合物在起始阶段可快速吸水，放置8 h时吸水率即可达到8.73%，此时包合物已经由粉末状凝结成块状，表明包合物具有较强的吸湿性。当相对湿度为75%时，包合物在放置16 h后吸水率达到8.41%，但当相对湿度为43%时包合物在放置32 h后吸水率仅1.48%，包合物仍呈干燥的粉末状。结果表明包合物具有较强的吸湿性能，应置于相对湿度在43%以下的环境下保存。

图4 不同相对湿度环境下包合物的质量变化Fig.4 The weight of inclusion complex at different relative humidity condition

2.2.6 贮藏特性分析

贮藏过程中包合物中甜橙油的保留率如图5所示。在贮藏的起始阶段，随着贮藏时间的延长，包合物中的甜橙油的保留率逐渐减少，这可能是因为包合物表面的甜橙油在贮藏过程中挥发引起的。当贮藏时间达到9周后，甜橙油的保留率趋于稳定，保存10周时甜橙油的保留率为93.74%，说明包合物对甜橙油具有较好的保护作用，可长期贮藏。

图5 贮藏过程中包合物中甜橙油的保留率Fig.5 The retention rate of sweet orange oil in the inclusion complex during the storage

3 结论

(1)通过正交试验优化出乳清蛋白包合甜橙油的最佳条件为均质次数3次、均质压力40 MPa、乳清蛋白的质量与甜橙油的体积比1∶0.75(g∶mL)，在此条件下甜橙油的包合率可达84.11%，RSD为3.06%，包合物中甜橙油的有效含量为346.36 mg/g。

(2)紫外-可见光光谱分析表明乳清蛋白-甜橙油包合物已形成。经GC-MS分析可知，被包合后的甜橙油中蒎烯、月桂烯、柠檬烯、芳樟醇、癸醛和巴伦西亚橘烯等特征风味成分保留较好，且各组分的相对百分比与甜橙油原油相似，包埋过程对甜橙油的风味影响较小，可保留甜橙油的天然风味。

(3)包合物的粒径分布均匀，主要在100～600 nm之间，表面积平均直径为D[3,2]为(180±8) nm，体积平均直径D[4,3]为(333±5) nm，适用于饮料加工。包合物的含水率和水分活度分别为(4.59±0.46)%和0.211±0.037，适于贮藏，但包合物易吸湿，所以应放置于相对湿度在43%以下的环境下保存。

(4)在25 ℃温度下，包合物密封贮藏10周时甜橙油的保留率为93.74%，包合物对甜橙油的保护效果较好，可长期贮藏。