沙棘籽油微胶囊化的乳化工艺

刘鑫，朱丹，牛广财*，魏文毅，杨楠，曹荣安

1. 黑龙江八一农垦大学食品学院（大庆 163319）；2. 沈阳市食品药品检验所（沈阳 110000）3. 黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院（大庆 163319）

沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）为胡颓子科沙棘属的灌木，又名醋柳、酸刺子。沙棘籽为沙棘加工果汁后的副产物。沙棘籽油中不饱和脂肪酸高达74.16%～90.7%，具有高含量的亚油酸与亚麻酸[1-2]。沙棘籽油具有增强人体免疫力，抗炎、抗氧化、预防心脑血管疾病以及美容护肤等疗效[3-5]。但是，高含量的不饱和脂肪酸对氧、光照、高温等环境敏感，容易发生氧化，不利于储藏[6]。目前，可通过加入天然或人工合成抗氧化剂及制备微胶囊来延缓油脂的氧化。

微胶囊技术是在一定的条件下，通过特定的壁材（天然或者合成的高分子材料）将芯材（固体、液体或者气体）包裹形成一种微型胶囊，从而达到保护或者控制芯材释放的技术[7]。这种技术能够减少外界环境例如空气和光照等对芯材化学性质带来的改变，也能掩蔽芯材的不良味道和色泽，以实现便于运输、保存和更好应用的目的[8]。目前，国内外已经成功地对山苍子油、鱼油、坚果油、亚麻籽油、燕麦胚芽油等油脂的微胶囊化工艺进行了优化[9-10]，其中，喷雾干燥法是最常用的一种微胶囊制备方法。但是，在喷雾干燥之前一般要用乳化剂将油脂乳化制成稳定的乳化液，制备良好稳定性的乳化液体系是成功制作微胶囊产品的重要环节[11]，即乳化工艺条件对壁材在微胶囊过程中达到最好的包埋性能十分重要。由于乳化液液滴粒径大小和分布是反映乳化液稳定性的一个重要参数，因此，试验选用乳液粒径大小及分布作为沙棘籽油微胶囊化乳化工艺效果的评价指标。

迄今为止，尚未见关于沙棘籽油乳化的研究报道，试验选用山嵛酸甘油酯为乳化剂，大豆分离蛋白和β-环糊精为壁材，以乳液粒径大小及分布为评价指标，制备沙棘籽油乳化液，为进一步将乳液喷雾干燥制得沙棘籽油微胶囊提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

沙棘籽：采于黑龙江九三农场的深秋红大果沙棘，制汁后干燥的沙棘籽。

大豆分离蛋白，郑州谷神生物科技集团有限公司；β-环状糊精，上海蓝季生物；蔗糖酯，杭州金鹤来食品添加剂有限公司；山嵛酸甘油酯，广州天润药业；乙醇为分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

SHZ-DⅢ型真空泵，攻义市予华仪器有限责任公司；RE-2000B旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；XH-300A型超声波-微波协同萃取仪，北京祥鹄科技发展有限公司；HWS24型电热恒温水浴锅，上海一恒科技有限公司；SONICSVCX150型超声波细胞破碎仪，美国SONICS公司；DF-1集热式搅拌器，金坛虹盛仪器厂；高压均质机，GEA高压均质机，意大利Niro Soavi公司；101-2AB电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；AR2140电子天平，奥豪斯国际贸易（上海）有限公司；激光粒度分布仪，丹东市百特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 沙棘籽油的制备

沙棘籽粉碎经60目筛过滤后，取沙棘籽粉末加入萃取溶剂正己烷，将其置于超声波-微波协同萃取仪中，经超声波-微波协同作用萃取得到沙棘籽油，其不饱和脂肪酸含量为88.93%，其中，亚油酸占39.60%，亚麻酸占32.60%。

1.3.2 沙棘籽油乳化液的制备

采用同时乳化法分别制备油相与水相，选取β-环糊精与大豆分离蛋白作为微胶囊壁材，按照一定质量配比加入到水相中，并在水相中加入1.5%蔗糖酯作为表面活性剂。将水相置于70 ℃的集热式恒温搅拌器中加热使其完全溶解；将作为乳化剂的山嵛酸甘油酯和油相沙棘籽油置于平底烧瓶中，并加入2%的无水乙醇便于油脂的溶解，将平底烧瓶置于集热式恒温搅拌器中，连接空气冷凝管，在70 ℃条件下加热溶解10 min使油相完全溶解。保持油相高速搅拌的条件下快速加入同温的水相后继续乳化10 min。所制备的初乳液经超声波细胞破碎仪的超声作用，使得油脂进一步分散于水相中，然后经40 MPa的高压均质3次得到稳定的沙棘籽油乳状液。

1.3.3 单因素试验

在山嵛酸甘油酯添加量为2%，固形物含量为10%，芯材添加量为40%的条件下，考察大豆分离蛋白/β-环糊精在1∶1，1∶2，1∶3，1∶4和1∶5等不同的配比条件下，对沙棘籽油乳化液粒径大小的影响。

在山嵛酸甘油酯添加量为2%，固形物含量为10%，大豆分离蛋白与β-环糊精质量比为1∶3的条件下，考察芯材添加量（表示占乳化液总干物质的比重）分别为10%，20%，30%，40%和50%时，对沙棘籽油乳化液粒径大小的影响。

在固形物含量为10%，芯材添加量为40%，大豆分离蛋白/β-环糊精在1∶3配比的条件下，考察山嵛酸甘油酯添加量分别为1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%时，对沙棘籽油乳化液粒径大小的影响。

在乳化剂添加量为2%，芯材添加量为40%，大豆分离蛋白/β-环糊精在1∶3配比的条件下，考察固形物含量分别为8%，10%，12%，14%和16%时，对沙棘籽油乳化液粒径大小的影响。

1.3.4 响应面优化试验

根据单因素试验结果，选取沙棘籽油乳化液粒径的大小作为响应值，A大豆分离蛋白与β-环糊精质量比、B芯材添加量、C乳化剂添加量及D总固形物含量作为考察因素，采用Box-Behnken设计对沙棘籽油微胶囊化的乳化工艺进行响应面优化试验，因素水平如表1所示。

1.4 乳液粒径的测定

乳化液的粒径采用激光粒径分布仪进行测定，介质为蒸馏水，颗粒折射率为1.520，介质折射率为1.333，分析模式为通用。采用体积平均直径D4,3表征乳化液颗粒大小[12]，将样品均质后立即测定，每个样品重复3次。

1.5 数据处理

所有试验组均重复3次，试验结果采用Microsoft Excel 2013软件计算平均值与标准差并进行制图。

表1 因素水平表

2 结果与分析

2.1 大豆分离蛋白与β-环糊精质量比对沙棘籽油乳化液粒径的影响

如图1所示，随着β-环糊精含量的增加，乳化液粒径呈现先减小后增加的趋势。大豆分离蛋白含量的减少有助于乳化液稳定性增加，其原因可能是大豆分离蛋白溶液本身在遭遇pH降低、温度升高等外界环境会导致其溶解性的降低，影响乳化液的稳定性[13]。而作为“内疏水、外亲水”分子结构的β-环糊精，不仅有助于油脂的包埋，还可以增强大豆分离蛋白的溶解性及乳化液的乳化性[14]。因此，确定大豆分离蛋白/β-环糊精的最适配比为1∶3。

图1 大豆分离蛋白与β-环糊精质量比对乳化液粒径的影响

2.2 芯材添加量对沙棘籽油乳化液粒径的影响

由图2可知，随着芯材添加量的不断增加，乳化液粒径呈现先减小而后增加的现象。当壁材用量过多时，导致乳化液粒径增加的原因可能是此时体系黏度过大，进而影响了乳化液的稳定性[15]。当芯材添加量为40%时，乳化液粒径达到最小；而芯材油相浓度继续增加时，由于其颗粒过于密集，乳化液粒径呈现上升趋势。所以，确定芯材的最适添加量为40%。

2.3 乳化剂添加量对沙棘籽油乳化液粒径的影响

山嵛酸甘油酯是一种极长碳链的脂肪酸，其形态结构可更多容纳油脂，作为油脂的载体具有较好的相容性和包封的效果，是一种理想的油脂乳化剂。由图3可知，随着乳化剂添加量的增加，体系的界面张力不断减小，使得乳化液的粒径不断减小，在乳化剂添加量为1.5%时乳化液稳定性最高，粒径达到最小；当乳化剂添加量继续增加，体系表面张力继续减小，形成更小的小液滴，但同时其碰撞合并的几率增大，且乳化剂添加量的增加会导致体系黏度的增加，故而引起乳化液粒径的变大[16]。因此，乳化剂山嵛酸甘油酯最适添加量为1.5%。

图2 芯材添加量对乳化液粒径的影响

图3 乳化剂添加量对乳化液粒径的影响

2.4 总固形物含量对沙棘籽油乳化液粒径的影响

由图4可知，随着总固形物含量的增加，乳化液粒径不断增加，可能原因是体系浓度上升，液滴颗粒密集，颗粒的聚集使得粒径不断上升[17]；且总固形物的含量对体系黏度具有较大的影响，也可能是过高的黏度导致了乳化液粒径的增加，喷雾干燥法在将乳化液制备成微胶囊的过程中，乳化液黏度对喷雾干燥收集效率影响较大，总固形物含量较低时乳化液中水分含量较大，液滴的水分不能及时蒸发而不利于微胶囊致密外膜的形成，适当增加总固形物的含量，会增加微胶囊的收集效率[15]，因此，乳化液最适合的总固形物含量为10%。

2.5 响应面优化试验

根据单因素试验结果，选取沙棘籽油乳化液粒径的大小作为响应值，采用Box-Behnken设计对沙棘籽油微胶囊化的乳化工艺进行四因素三水平的响应面优化试验。选取大豆分离蛋白与β-环糊精质量比、芯材添加量、乳化剂山嵛酸甘油酯添加量及总固形物含量作为考察因素。Box-Behnken设计方案及试验结果如表2所示。

图4 总固形物含量对乳化液粒径的影响

表2 Box-Behnken试验设计及结果

采用Design-Expert 8.0.6数据分析软件，对响应面试验结果进行回归拟合，得到回归拟合方程为：Y=0.78-0.032A-0.23B-0.11C+0.067D+0.18AB-0.065AC-0.045AD+0.12BC+0.025BD+0.15CD+0.17A2+0.16B2+0.13C2+0.2D2。

该模型极显著（p＜0.01），失拟项不显著（p=0.181 5），回归系数R2=0.953 2，表明模型相关度好，即回归模型预测值与实测值能较好地吻合。

由表3该模型的方差分析结果可知，模型中一次项B、C、D影响均极其显著（p＜0.01），且对沙棘籽油乳化液粒径大小的影响顺序为因素B＞C＞D；交互项AB、BC、CD的影响极显著（p＜0.01）；A2、B2、C2、D2影响极显著（p＜0.01）。响应面与等高线图如图5～图7所示。

表3 回归方程的方差分析表

图5 芯材添加量与大豆分离蛋白与β-环糊精质量比的响应曲面图和等高线图

图6 乳化剂添加量与芯材添加量的响应曲面图和等高线图

图7 总固形物含量与乳化剂添加量的响应曲面图和等高线图

2.6 验证试验

经Design-Expert 8.0.6软件分析后，确定沙棘籽油微胶囊化的最优乳化工艺理论值为：大豆分离蛋白与β-环糊精质量比为1∶2.85，芯材添加量为43%，乳化剂添加量1.77%，总固形物含量为9.89%。此条件下乳化液的体积平均直径D4,3为0.721 μm。考虑实际操作条件的方便，将最优乳化工艺调整为：大豆分离蛋白与β-环糊精质量比为1∶3，芯材添加量为43%，乳化剂添加量1.8%，总固形物含量为10%，经3次验证试验，得到沙棘籽油微胶囊乳化液的体积平均直径D4,3的平均值为0.722 μm。实际值与模型预测值相近，该模型对沙棘籽油微胶囊乳化液体积平均直径的预测合理。验证试验条件下所得乳化液粒度频率分布曲线如图8所示，在最优条件下，沙棘籽油乳化液的中位径D50为0.415 μm，D90为1.388 μm，D4,3为0.722 μm。

图8 验证试验条件下所得乳化液粒度频率分布曲线

3 结论

经响应面优化试验确定沙棘籽油乳化液的工艺条件为：大豆分离蛋白与β-环糊精质量比为1∶3，芯材添加量为43%，乳化剂添加量1.8%，总固形物含量为10%，此时沙棘籽油微胶囊乳化液稳定性最好，经超声的分散及40 MPa高压均质作用后其乳化液的体积平均直径D4,3为0.722 μ m，中位径D50为0.415 μ m，D90为1.388 μm，该工艺所制备的乳化液粒径较小且大小较为均一。