奇亚籽油微胶囊的制备

罗文涛，王姿颐，彭彬倩，沈晓芳

(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122)

奇亚籽(chia seed)是1年生草本植物芡欧鼠尾草(SalviahispanicaL.)的种子，原产于危地马拉北部和墨西哥南部地区，主要生长在热带和亚热带气候的山区，能够很好地适应干旱和半干旱气候[1-4]。营养全面且丰富，是油脂、膳食纤维和蛋白质的绝佳来源，同时还富含生育酚、甾醇、多酚类等多种抗氧化活性化合物[5-7]。奇亚籽含油率为20%～35%，油中多不饱和脂肪酸含量极高，特别是α-亚麻酸的含量，高达68%，远高于亚麻籽油、大豆油、葵花籽油[8-13]。由于奇亚籽油中不饱和脂肪酸含量高，不饱和键较多，在光照、热、氧气存在的情况下不稳定，极易氧化变质。为解决这一问题，除了传统的改变储藏环境、添加脱氧剂和抗氧化剂等方法以外，微胶囊技术作为一种新的解决方案，即将油脂包埋起来，减少油脂受外部不良环境的影响，达到保护和防止氧化的目的[14-15]。同时将液态的油转化为固态的粉末油脂，拓宽了其应用范围，而且有利于储藏和运输，并在某种程度上能够实现控制释放。

本实验以大豆分离蛋白(soy protein isolate，SPI)和麦芽糊精(maltodextrin，MD)为壁材、奇亚籽油为芯材、单硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯为乳化剂，利用喷雾干燥技术制备奇亚籽油微胶囊，以微胶囊包埋率作为评价指标，研究包埋工艺。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 原料与试剂

奇亚籽(Naturkost de Mexico，原产地墨西哥)；大豆分离蛋白、麦芽糊精、单硬脂酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯，均为BR级，上海源叶生物科技有限公司；石油醚(60～90 ℃)，AR级，国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 仪器与设备

三柱A型液压榨油机，天津市伺达机械制造有限公司；BSA124S分析天平，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；GC-2030 气相色谱仪，日本岛津公司；RV8旋转蒸发仪，德国IKA工业设备；T18数显型分散机，德国IKA工业设备；ATS AH-2010 高压均质机，安拓思纳米技术(苏州)有限公司；SD-1500喷雾干燥机，上海沃迪智能装备股份有限公司；su1510扫描电子显微镜，日本日立株式会社；D2 PHASER X射线衍射仪，德国布鲁克AXS有限公司；IS10傅里叶变换红外光谱仪，美国Nicolet公司；TGA2热分析系统，梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 奇亚籽油的制备

将奇亚籽样品置于电热鼓风干燥箱内，60 ℃下烘烤2 h，而后置于干燥器内冷却备用。采用液压法压榨制备奇亚籽油样，所得油样于3 000 r/min 离心15 min，取上清油样密封避光保存，并于4 ℃储藏直至使用。

1.2.2 奇亚籽油基本理化指标的测定

酸价参考《食品中酸价的测定》(GB 5009.229—2016)冷溶剂指示剂滴定法；过氧化值参考《食品中过氧化值的测定》(GB 5009.227—2016)中滴定法；皂化值参考《动植物油脂 皂化值的测定》(GB/T 5534—2008)；水分及挥发物含量参考《动植物油脂 水分及挥发物的测定》(GB 5009.236—2016)、脂肪酸含量参考《食品中脂肪酸的测定》(GB 5009.168—2016)。

1.2.3 奇亚籽油微胶囊的制备

将复配乳化剂[m(单硬脂酸甘油酯)∶m(蔗糖脂肪酸酯)=1∶4，HLB=12.76]溶解在70 ℃蒸馏水中，完全溶解后，称取一定量的复配壁材(SPI与MD)溶于蒸馏水中，恒温搅拌至完全溶解，接着逐滴加入奇亚籽油，室温下搅拌30 min。

将上述溶液置于高剪切分散机中进行乳化，以10 000 r/min的速度剪切5 min，而后通过高压均质机，调整均质压力至60 MPa，均质5次，制得均匀分散的O/W型乳液。

通过喷雾干燥对O/W型乳液进行干燥，设置进风口温度为180 ℃，出风口温度为85 ℃，蠕动泵转速600 mL/h，撞针时间为1 s，撞针间隔为4 s。将制得的均匀分散的O/W型乳液通过蠕动泵进样，待干燥完成后，在收集瓶中收集微胶囊样品。

1.2.4 单因素实验

1.2.4.1 芯壁比

在复配壁材比[m(SPI)∶m(MD)]为1∶2、乳化剂添加量为1.0%(质量分数，以下相同)、固形物含量为20%(质量分数)的条件下，分别制备芯壁比(芯材与壁材质量比)为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的微胶囊，并测定奇亚籽油微胶囊的包埋率。

1.2.4.2 壁材复配比

在m(芯材)∶m(壁材)=1∶2、乳化剂添加量为1.0%(质量分数)、固形物含量为20%(质量分数)的条件下，分别制备复配壁材比为2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4的微胶囊，并测定奇亚籽油微胶囊的包埋率。

1.2.4.3 乳化剂添加量(质量分数)

在m(芯材)∶m(壁材)=1∶2、m(SPI)∶m(MD)=1∶2、固形物含量为20%(质量分数)的条件下，分别制备乳化剂添加量为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(质量分数)的微胶囊，并测定奇亚籽油微胶囊的包埋率。

1.2.4.4 固形物含量(质量分数)

在m(芯材)∶m(壁材)=1∶2、m(SPI)∶m(MD)=1∶2、乳化剂添加量为1.0%(质量分数)的条件下，分别制备固形物含量为15%、20%、25%、30%、35%(质量分数)的微胶囊，并测定奇亚籽油微胶囊的包埋率。

1.2.5 正交设计

在单因素实验的基础上，对芯壁比、壁材复配比、乳化剂添加量、固形物含量4个因素进行优化，以奇亚籽油微胶囊的包埋率为指标，通过正交试验对奇亚籽油微胶囊的制备工艺进行优化，实验因素和水平表见表1。

表1 正交实验因素水平表Table 1 The orthogonal experimental factors and levels

1.2.6 包埋率的测定

1.2.6.1 总含油率的测定

总含油率的测定采用索氏抽提法。称取1～2 g奇亚籽油微胶囊产品放入滤纸筒内，将滤纸筒置于抽提管中，抽提管下部连接接收瓶，上部连接冷凝管，加入石油醚至接收瓶中，并将接收瓶置于电热套中加热，使石油醚不断回流抽提，抽提8 h后取下接收瓶，利用旋转蒸发仪回收溶剂，最后置于105 ℃烘箱中干燥至恒重，即可计算微胶囊总含油率。

1.2.6.2 表面含油率的测定

称取1～2 g奇亚籽油微胶囊产品于锥形瓶中，加入20 mL石油醚振荡30 s，紧接着使用滤纸过滤，并用10 mL石油醚洗涤滤渣数次，合并滤液，利用旋转蒸发仪回收溶剂，而后置于105 ℃烘箱中蒸干溶剂。将称量瓶转移至干燥器中，待其冷却后称重，即可计算出微胶囊表面含油率。

1.2.6.3 包埋率的计算

奇亚籽油微胶囊包埋率的计算如公式(1)所示：

(1)

式中：EE，包埋率；TO，总含油率；SO，表面含油率。

1.2.7 奇亚籽油微胶囊水分的测定

水分的测定参考《GB 5009.3—2016 食品中水分的测定》中的直接干燥法。

1.2.8 奇亚籽油微胶囊溶解性的测定

精确称取2～3 g已知水分含量的奇亚籽油微胶囊样品于离心管中，加入20 mL蒸馏水，涡旋2 min使样品溶解，然后以4 000 r/min速度离心10 min，弃上清液，同样地添加20 mL蒸馏水于离心管中，重复上述涡旋、离心、去上清液步骤，最后将下相的沉淀转移至干燥的玻璃培养皿中，置于105 ℃烘箱中，使其干燥至恒重。

1.2.9 奇亚籽油微胶囊堆积密度的测定

精确称取质量m的奇亚籽油微胶囊样品，将其缓慢加入具塞量筒中，将量筒竖直放置，左右晃动量筒使堆积面平整，待其稳定测定体积，根据公式(2)计算奇亚籽油微胶囊的堆积密度：

(2)

式中：ρ，堆积密度，g/cm3；m，样品质量，g；V，样品体积，cm3。

1.2.10 奇亚籽油微胶囊的微观结构

取少量干燥的奇亚籽油微胶囊粉末，均匀地散涂在导电双面胶上，将多余的样品轻轻吹去，并进行喷金处理，设置加速电压为5 kV，使用扫描电子显微镜观察样品的微观结构，调节至合适的视野观察并拍照。

1.2.11 奇亚籽油微胶囊的红外光谱分析

称取少量的奇亚籽油微胶囊样品，加入经干燥处理的KBr，质量比为1∶50～1∶100，将二者混合并充分研磨，取少量混合样品用压片机制成透明薄片，设置红外光谱仪扫描范围为650～4 000 cm-1。分别测定奇亚籽油、空微胶囊(不含奇亚籽油)和奇亚籽微胶囊的红外光谱。

1.2.12 奇亚籽油微胶囊的X射线衍射分析

X射线衍射以Cu-Kα射线作为激发源，测定麦芽糊精、大豆分离蛋白和奇亚籽油微胶囊的晶体衍射数据，设置测试范围为3～60°，步长为0.05°。

1.2.13 奇亚籽油微胶囊的热重分析

采用热分析系统对奇亚籽油微胶囊进行热重分析，设置升温范围为30～600 ℃，升温速率为10 ℃/min，氮气流速为30 mL/min。

2 结果与讨论

2.1 奇亚籽油的理化指标

奇亚籽油的理化指标见表2，均满足国家对食用油的标准要要求。其中所含有的亚油酸、α-亚麻酸，作为人体必需脂肪酸，对人体健康至关重要，是预防和治疗癌症、心血管疾病和代谢疾病的基础[13, 16]。

表2 奇亚籽油的理化指标Table 2 Physicochemical properties of chia seed oil

注：表中数值为平均值±标准偏差(n=3)

2.2 单因素实验

2.2.1 芯壁比对包埋率的影响

由图1-a可知，随着芯壁比的减小，奇亚籽油微胶囊的包埋率先增加，而后减小，当m(芯材)∶m(壁材)=1∶4时，包埋率最高。当芯壁比较大时，即奇亚籽油的含量较高时，壁材不足以包埋芯材，造成较多的芯材露在表面，同时内部的芯材容易泄露，包埋率较低；当芯壁比逐渐减小，即奇亚籽油的含量逐渐降低，此时壁材成膜性好，膜厚，包埋完全，包埋率高；当芯壁比继续减小，壁材含量过高，导致乳液体系黏度增加，乳化不完全，包埋率降低。

2.2.2 壁材复配比对包埋率的影响

由图1-b可知，随着壁材复配比的减小，奇亚籽油微胶囊的包埋率先增加，而后减小，当m(SPI)∶m(MD)=1∶2时，包埋率最高。随着壁材复配比的增加，SPI含量也在增加，由于其具有一定的乳化性能，使得奇亚籽油与SPI形成的乳液稳定性提高，因而包埋率增加；壁材复配比进一步增加，导致SPI含量过高，MD的含量过低，使得SPI和MD的接枝度降低，不利于喷雾干燥过程中成型，导致壁材稳定性下降，包埋率降低。这与黄雨洋等[17]对核桃油微胶囊化得研究结果一致。

2.2.3 乳化剂添加量对包埋率的影响

由图1-c可知，随着乳化剂添加量的增加，奇亚籽油微胶囊的包埋率先增加后减小，添加量为1.0%时，包埋率最高。当乳化剂添加量的逐渐增加时，乳液体系的总体乳化能力增加，微胶囊的包埋率显著增加，当达到1.0%时，继续增加乳化剂添加量不会进一步提高微胶囊的包埋效果，同时还会增加乳液的黏度，造成搅拌不均匀，乳化不完全，包埋率降低。

2.2.4 固形物含量对包埋率的影响

由图1-d可知，随着固形物含量的增加，奇亚籽油微胶囊的包埋率先增加后略微降低，固形物含量为25%(质量分数)时，包埋率最高。这可能是因为固形物含量较低时，体系中含水量过高，喷雾干燥时间过长，影响囊壁的形成。增加体系的固形物含量，促使微胶囊形成致密的囊壁，包埋率增加；当固形物含量继续增加，造成体系黏度过大，乳化不彻底，均质不完全，包埋率降低，还容易造成喷嘴堵塞。这与刘斯博等[18]的研究结果相符合。

a-芯壁比；b-壁材复配比；c-乳化剂添加量；d-固形物含量图1 实验条件对包埋率的影响Fig.1 The influence core-wall ratio, different wall material ratio, emulsifier content, solid content on the encapsulation efficiency注：不同小写字母表示差异显著

2.3 正交设计

由表3可知，4个因素对奇亚籽油微胶囊包埋率影响程度为：芯壁比>乳化剂添加量>复配壁材比>固形物含量。由表4可知，芯壁比、壁材复配比、乳化剂添加量对奇亚籽油微胶囊包埋率的影响具有显著差异(P<0.01)，而固形物含量对包埋率的影响不显著(P>0.05)。由正交实验结果可知，制备奇亚籽油微胶囊的最佳工艺组合为A1C2B2D2，即：芯壁比m(芯材)∶m(壁材)=1∶3，乳化剂添加量为1.0%(质量分数)，复配壁材比m(SPI)∶m(MD)=1∶2，固形物含量为30%(质量分数)。

在最佳工艺组合条件下，重复实验3次进行验证，最终测得奇亚籽油微胶囊的包埋率为(93.79±0.16)%，表明正交实验可行。

表3 微胶囊制备工艺正交实验结果Table 3 The orthogonal experimental results ofmicroencapsulation process

注：包埋率的结果为3次重复试验的平均值

表4 正交结果方差分析Table 4 The results of analysis of variance

注：*,在P<0.05水平上显著，**,在P<0.01水平上显著

2.4 奇亚籽油微胶囊的理化性质

奇亚籽油微胶囊为白色粉末状，颗粒规则，分布均匀，总含油率为21.44%，表面含油率为1.33%，包埋率为93.79%，初步认定奇亚籽油微胶囊包埋效果良好，其水分含量为1.65%，产品干燥，利于储藏；堆积密度为0.36 g/cm3，溶解度为87.31%，溶解性好，利于冲调。

2.5 微观结构分析

图2是奇亚籽油微胶囊的电子显微图。可以看出，微胶囊的散布较为均匀，只有少量颗粒粘连在一起，其粒径大部分小于10 μm，外观呈球形，结构致密，但表面有些许凹陷和裂痕，这可能与喷雾干燥时水分的蒸发有关。

图2 奇亚籽油微胶囊的扫描电子显微图Fig.2 Scanning electron microscopy of chia seed oilmicrocapsule

2.6 红外光谱分析

图3 奇亚籽油、微胶囊及空囊(不含油)的红外谱图Fig.3 Infrared spectra(FT-IR) chia seed oil microcapsule,blank (non-oil) and chia seed oil

2.7 X射线衍射分析

由图4可知，MD和SPI的主要特征峰位于18.3°和19.6°，而奇亚籽油微胶囊在18.9°具有主要衍射峰，与MD和SPI不同，同时衍射强度增加，说明微胶囊中存在新的结晶相，证明奇亚籽油微胶囊的合成。

图4 麦芽糊精、大豆分离蛋白和奇亚籽油微胶囊的X-射线衍射图Fig.4 X-ray diffractograms of maltodextrin, soy proteinisolate and chia seed oil microcapsule

2.8 热重分析

热重分析是在程序升温过程中，通过热分析系统中精密天平所记录样品的质量变化，分析其分解过程，从而实现对样品热稳定性的评价[20]。由图5可知，在升温过程中，奇亚籽油微胶囊的质量损失主要分为3个阶段:温度低于200 ℃时，主要是水分和挥发性物质的损失，由于二者含量低，质量损失较少；当温度高于200 ℃时，微胶囊开始裂解，MD发生糊化，SPI开始变性，化学键断裂，导致质量迅速降低；当温度高于450 ℃时，微胶囊分解完全，整个样品被碳化，质量变化曲线趋于平稳。由此可知，奇亚籽油微胶囊在200 ℃以下具有一定的热稳定性，可以应对一般的食品加工过程。

图5 奇亚籽油微胶囊的热重分析图Fig.5 Thermogravimetric analyses for the chia oilmicrocapsule

3 结论

本实验以SPI和MD作为复配壁材、单硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯为复配乳化剂，对奇亚籽油进行微胶囊化。对工艺条件进行了优化：m(芯材)∶m(壁材)=1∶3，m(SPI)∶m(MD)=1∶2，乳化剂添加量(质量分数)1.0%，固形物含量30%(质量分数)，此条件下制备的奇亚籽油微胶囊包埋率为93.79%，包埋效果良好。

而后对奇亚籽油微胶囊的基本理化性质进行测定，所制备的微胶囊水分含量低，产品较干燥；微胶囊形态较为规则，呈球形，颗粒大小及分布较为均匀，胶囊表明有一些褶皱；奇亚籽油微胶囊的红外光谱图具有芯材和壁材的特征峰，同时奇亚籽油的特征峰在微胶囊中有所减弱，表明壁材对奇亚籽油的包埋较好；X-射线衍射图表明了奇亚籽油微胶囊的形成，热重分析显示其具有一定的热稳定性。奇亚籽油的微胶囊化，将液态的奇亚籽油转化为固态的粉末油脂，改变了流动性与溶解性，拓宽了其在食品加工领域的应用。