DHA乳状液制备工艺优化及氧化稳定性的研究

梁井瑞 杜 健 高秀华 王 森 李 伟 王 剑 冯晓慧

(枣庄学院食品科学与制药工程学院，枣庄 277160)

作为婴幼儿配方奶粉的重要成分之一，二十二碳六烯酸(Docose Hexaenoie Acid，DHA)可促进婴儿大脑发育， 提高记忆力[1-4]。微藻油是DHA的主要来源之一[5]，因结构简单易吸收而得到广泛应用[6]。但DHA含有多个双键，极易因氧化而变质[7]，丧失生理功效，产生对人体有害的反式脂肪酸和令人反感的腥异味，严重影响了其在食品中的应用[8, 9]。通过一定的方式将DHA微胶囊化，可以有效隔绝外界环境，防止其氧化变质[10, 11]。

微胶囊化是预防油脂氧化的主要措施。微胶囊化是将壁材与DHA油脂混合制成乳状液，利用喷雾干燥等方法，将DHA油脂液滴包裹成的毫米级微小粒子[12]的过程。微胶囊产品质量与乳状液稳定性紧密相关[13]。

DHA乳状液是一种典型的食品水包油(O/W)型，属于热力学不稳定体系[14, 15]。体相溶液中通过机械力使界面形变，从而形成液滴。界面形变过程受到由表面张力引起的拉普拉斯压力(Laplace pressure)的反作用[16, 17]。液滴过大，与外界环境有较大接触面，DHA油脂易被氧化变质[18]。在液滴形成的过程中需要施加外力，使周围液滴间的黏性力超过拉普拉斯压力，才能打碎大液滴，形成较小液滴。在制备乳状液时，应使用胶体磨、高压均质机等仪器，采用剧烈搅拌的方式来打碎液滴，其过程需要消耗大量能量，才能得到较小的液滴。液滴粒径越小，乳状液越稳定[18]，拉普拉斯压力越大。但是，液滴过小，制备过程中剧烈的工艺，如较高的温度等会显著影响DHA油脂性质，致其氧化变质。因此，在乳状液制备过程中，合理的工艺条件对乳状液稳定性及后续微胶囊产品质量有非常大的影响。

制备DHA微藻油乳状液多选择加入表面活性剂、乳化剂等提高乳状液的稳定性，造成流程过程较为复杂，乳状液的制备成本较高。本研究选用高浓度辛烯基琥珀酸淀粉与麦芽糊精为壁材[19-21]，在不添加任何稳定剂的条件下，利用胶体磨、高压均质机制备乳状液，以期得到制备成本较低的高稳定性乳状液。以乳状液稳定性和表面张力为综合评价指标，在单因素试验基础上，采用正交试验优化乳状液制备的工艺条件，旨在制备得到氧化稳定性较强的微胶囊产品。通过对工艺优化前后微胶囊产品氧化稳定性进行分析，为进一步研究高质量的DHA微藻油微胶囊产品提供支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

DHA微藻油(DHA>38%)；辛烯基琥珀酸酯化淀粉(Octenyl Succinic Anhydride Modified Starch, OSA淀粉)、麦芽糊精：食品级；十二烷基硫酸钠(SDS)、重铬酸钾、乙醚、乙醇、氨水：分析纯。

1.2 仪器与设备

DJM50L实验型胶体磨、HP-60-60型高压均质机、YC-015实验型喷雾干燥器、Lambda 25紫外可见分光光度计、DDS-11C电导率仪、BZY-1型全自动表面张力仪。

1.3 方法

1.3.1 乳状液制备

以前期研究结果设定DHA乳状液的配方[22]。将壁材(OSA 淀粉∶麦芽糊精= 2∶3)与水按照固液比为1∶3进行混合，40 ℃水浴搅拌10 min。加入20%的DHA微藻油，在40 ℃水浴中继续搅拌5 min后取出。将预乳液倒入胶体磨中研磨一段时间后取出，倒入高压均质机进行均质，均质完成后得到乳状液。

1.3.2 乳状液稳定性的测定1.3.2.1 透射光浊度法

在时间/外力作用下，乳状液液滴大小发生变化，光的透过率也会随之发生变化，以此来衡量乳状液的稳定性。采用0.2 mol/L的重铬酸钾溶液作为参照，利用紫外可见分光光度计在固定波长下，选取已制备的乳状液，测定其透光度t的变化来确定乳状液的稳定性，则乳状液稳定性参数(ESIt)如式(1)所示。

(1)

1.3.2.2 电导率法

在25 ℃下，利用电导率仪测量乳状液的电导率κ。则乳状液稳定性参数如式(2)所示。

(2)

1.3.3 扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)观察

在扫描电子显微镜样品台上贴上一层双面胶，将少许微胶囊产品撒在双面胶上，吹去多余的粉末，样品喷金，加速电压为15 kV。在观察过程中尽量缩短时间，避免电子束造成的微胶囊产品损伤。

1.3.4 表面张力测定

量取一定体积的乳状液，在室温条件下，放置于表面张力仪的玻璃皿中，测定其表面张力值。

1.3.5 油脂过氧化值(POV)的测定

1.3.5.1 微胶囊中油脂的提取

准确称取10 g微胶囊样品置于500 mL 具塞三角瓶中，加入50 mL蒸馏水，搅拌溶解；加入50 mL乙醇，30 mL乙醚以及30 mL石油醚，振荡2 min，转入分液漏斗，静置分层；取下层液体，用20 mL石油醚萃取2次，合并滤液，转移至已恒重的250 mL圆底烧瓶中；使用旋转蒸发仪45 ℃下蒸干，得到即为微胶囊中的油脂。

1.3.5.2 过氧化值的测定

参考国标法GB/T 5009.37—2003。将破壁提取的油脂(mL)置于250 mL碘瓶中，加入30 mL三氯甲烷-冰醋酸(2∶3)混合液，使得试样完全溶解；加入1 mL饱和碘化钾溶液，紧密塞好瓶盖，并轻轻振摇0.5 min，然后在暗处放置3 min；取出后加入100 mL水，摇匀，立即用硫代硫酸钠标准滴定溶液滴定，至淡黄色时，加1 mL淀粉指示液，继续滴定至蓝色消失为终点；在同样条件下用水和Na2S2O3标准滴定溶液做空白实验，试样过氧化值POV按式(3)计算。

(3)

式中：POV为试样的过氧化值/mmol/kg；V1为试样消耗硫代硫酸钠标准滴定溶液体积/mL；V2为试剂空白消耗硫代硫酸钠标准滴定溶液体/mL；c为硫代硫酸钠标准滴定溶液的浓度/mol/L；0.126 9为与1.00 mL硫代硫酸钠标准滴定溶液[c(Na2S2O3)=1.000 mol/L]相当的碘的质量/g；39.4为换算因子。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 预乳化时间

液滴的膜越薄，其吉布斯弹性值越高。当吉布斯弹性值达到一定程度时，液滴的排液才受阻碍，有利于乳状液的形成。由于膜延伸和表面活性剂的存在，液膜中最薄部分将有最高的吉布斯弹性值，对延伸阻力最大[23]。因此，界面张力梯度对乳状液的形成很重要。液滴在界面膜以较低速度被拉伸时形成比较容易，因此在初始乳化阶段，搅动的速度越慢越有利。高压均质制备乳状液之前，需采用较低速率的胶体磨进行预乳化。

实验室用胶体磨转速约6 000 r/min，破碎粒度3～20 μm，其通过电机带动转齿，与相配的定齿做相对高速旋转。被加工的物料通过本身的重量和旋转，产生螺旋向下的冲击作用力，在定、转齿间隙间的如剪切力、摩擦力和高频振动等强大作用力下，物料被有效的乳化、分散、破碎，从而使物料得到超细粉碎及较好乳化。由于胶体磨的破碎强度小于高压均质机，故使用其为高压均质工序制备乳状液提供预乳化液，相当于预乳化阶段，其时间长短影响加工得到的乳状液稳定性。

图1 预乳化时间对乳状液稳定性的影响

如图1所示，使用胶体磨加工物料的时间，即预乳化时间对后续得到的乳状液稳定性有较为明显的影响。采用两种方式评价乳状液的稳定性，其变化趋势基本相同。随着预乳化时间的增长，乳状液的稳定性显著提高。预乳化时间超过2 min后，制备得到的乳状液稳定性基本没有差异。预乳化时间需合理选择，防止时间过长导致芯材受外界环境影响而发生变质。

2.1.2 乳化温度

乳化温度对乳状液稳定性的影响见图2，随着温度的增加，乳状液稳定性可以得到显著提高。当乳化温度从30 ℃上升到40 ℃时，ESIt从27.0%降低至5.2%，ESIκ从22.3%降低至18.0%，乳状液稳定性提升显著。当从40 ℃上升到80 ℃时，ESIt从5.2%降低至4.0%，ESIκ从18.0%降低至16.0%。可见，温度高于40 ℃后，温度对乳状液稳定性基本没有影响。

图2 乳化温度对乳状液稳定性的影响

温度对乳状液稳定性的影响与壁材的溶解性紧密相关。在本研究中，采用OSA淀粉与麦芽糊精的复合材料做壁材。麦芽糊精可以完全溶解于水，故壁材的溶解性取决于OSA淀粉的溶解性。

OSA淀粉的溶解性良好[24]。淀粉通过溶胀和水合作用溶解在水中，淀粉的无定形区的直链淀粉聚集程度较弱，是溶解发生的主要区域[25]。此外，淀粉的无定形区容易发生酯化反应，酯化之后淀粉分子内加入了亲水基团，使淀粉的亲水性增强，造成更多的水分向淀粉颗粒内部渗透，增强淀粉颗粒的溶胀性[24]。

随着乳化温度的增加，OSA淀粉颗粒发生水合作用，溶胀加强，促使溶解在水中的OSA淀粉质量分数增加。提高了乳状液的界面上的吸附量，界面层加厚，有利于乳状液的稳定。当乳化温度提高到一定程度(40 ℃)，OSA淀粉的溶解度增加较小或不再增加，则制备形成的乳状液的稳定性基本不发生变化。但是温度过高不仅会造成工艺成本的增加，而且会导致乳状液中的DHA油脂受热氧化变质。

2.1.3 均质压力

采用高压均质机对物料进行均质，其工作原理是以高压为驱动力，利用往复泵为动力，把物料传递及输送至工作阀(分为一级和二级均质阀)部分。通过工作阀时，待处理的物料被高压下产生的强烈的撞击、剪切和空穴作用粉碎、超微细化[26]。将均质压力设置为10～50 MPa，其对乳状液稳定性的影响如图3所示，通过两种方式衡量乳状液的稳定性，其趋势基本一致。

当均质压力从10 MPa上升到20 MPa时，以透射光浊度为指标，ESIt从39.6%下降到7.3%，表明乳状液稳定性得到显著提升。当均质压力上升到40 MPa时， ESIt下降至1.8%，此时乳状液最为稳定。均质压力提高对乳状液稳定性的影响与乳化体系的均一性密切相关。提高均质压力，形成的液滴小而均匀，乳化体系的均一性提高，不易出现絮凝、聚结等破坏现象，从而有效的提高了乳状液稳定性[27]。而且乳状液体系越均一稳定，喷雾干燥微胶囊化时，油滴粒子从雾化液滴内部向表面迁移的几率越低，喷雾干燥得到的微胶囊产品的品质越高。

均质压力为50 MPa时，ESIt上升至6.2%，乳状液稳定性下降。这与均质压力过高破坏了OSA淀粉的结构相关。通过非对称垂直流流场分割(asymmetrical flow filed-flow fraction，AsFlFFF)和多角度激光散射法(a multi-angle light scattering detector，MALS)研究显示，高压均质产生的湍流湍动会造成OSA淀粉大分子结构的破坏，从而影响其对乳状液体系的空间稳定作用、静电作用以及增稠作用[25, 28]。但是均质压力越高，能耗越大，产生的热能越大，影响芯材的质量，故选择合适的均质压力，对乳状液的稳定性有较大影响。

2.1.4 均质级数

高压均质操作处理是为了使芯材与壁材能高度分散形成均一稳定的乳化体系，以便于喷雾干燥微胶囊化操作。在乳状液制备过程中，反复几次高压均质操作可促进其形成更为稳定的乳状液。设置均质压力为15 MPa，均质级数对乳状液稳定性的影响如图4所示，当高压均质操作两次时，对比没有经过高压均质的乳状液，以透射光浊度衡量，ESIt从59.2%下降至5.0%，表明其稳定性显著提高。设定恒定的均质压力，均质设备对物料的撞击力、剪切力以及空穴作用保持恒定。增加一定的均质级数，液滴经过工作阀的次数增加，有利于形成均一稳定的液滴，从而使得乳状液体系的稳定性增加。

图4 均质级数对乳状液稳定性的影响

当均质级数达到4次时，乳状液稳定性参数值均有所上升，ESIt从3.9%提高到6.5%，ESIκ从15.6%提高到18.1%，表明乳状液稳定性下降。这是由于均质级数过多，壁材中的OSA淀粉结构遭到破坏，乳化能力下降。而且，均质压力恒定，增加均质级数，能耗升高，产生的热量增多，会影响DHA芯材性质，也会显著影响乳状液稳定性。

2.2 DHA乳状液制备工艺正交优化试验

在单因素试验基础上，选取乳化温度、均质压力、预乳化时间及均质次数作为自变量，以乳状液稳定性和表面张力为评价指标，设计L9(34)正交试验，采用双目标优化，因素与水平见表1。正交实验结果与方差分析分别见表2与表3。

表1 L9(34)正交实验因素水平表

由表2可知，在DHA乳状液制备的过程中，对乳状液稳定性的影响因素依次是均质级数>预乳化时间>均质压力>乳化温度。由表3可知，均质级数、预乳化时间和均质压力对乳状液稳定性的影响显著。而影响乳状液表面张力大小的各因素的主次关系为：均质级数>均质压力>预乳化时间>乳化温度。方差分析结果表明，均质压力和均质级数对乳状液稳定性的影响显著。

表2 DHA乳状液制备的正交试验设计与结果

表3 方差分析

乳状液制备是喷雾干燥进行油脂微胶囊化的前提，其目的是制备高品质微胶囊产品，即高DHA包埋率、较低的表面油及浸出率。微胶囊技术的初衷即包埋DHA油脂，保护DHA免受光、热、氧等外部环境的影响，避免其氧化变质。较高的均质压力、较多的均质级数、较高的乳化温度以及较长的预乳化时间均会提高DHA氧化变质的可能。但过于剧烈的制备条件易导致DHA油脂氧化变质。综合考虑，选择最优均质压力30 MPa，预乳化时间3 min，经过2级均质操作。虽然均质温度对乳状液稳定性和表面张力均无显著影响，但极差仍较大，结合正交试验结果和单因素试验结果综合考虑，选择乳化温度 50 ℃。在此条件下制备得到DHA乳状液，透射光浊度法测定得到乳状液稳定性为8.75%，表面张力为20.5 mN/m。乳状液在较温和的条件下，制备所得的乳状液具有较好的稳定性与表面张力，预期能有效的提高DHA微胶囊产品质量。

2.3 乳状液制备微胶囊的氧化稳定性

选择优化后的工艺(乳化温度50 ℃、均质压力30 MPa、预乳化时间3 min，2级均质)制备DHA乳状液，制备后进行微胶囊包埋。作为对照，选择未经微胶囊包埋的DHA油脂和未优化乳状液制备工艺的微胶囊。测定三种DHA油脂产品的过氧化值评价其氧化稳定性，结果见图5。

图5 微胶囊化前后DHA微藻油的过氧化值(POV)

较高的油脂氧化稳定性，即较低的过氧化值有利于延长DHA油脂微胶囊的货架期[29]。从图5可知，未经过微胶囊包埋的DHA微藻油的过氧化值为0.09 mmol/kg，略低于微胶囊包埋后油脂的过氧化值(0.20 mmol/kg和0.19 mmol/kg)。这是由于经过微胶囊化之后，未被包埋的表面油脂的表面积大大增加，微胶囊表面油快速氧化，导致其氧化稳定性下降[30]。是否工艺优化对初始DHA油脂的氧化稳定性没有显著影响。在贮存初期(1 d)，所有样品的过氧化值均有小幅上升，证明其氧化稳定性降低。且未微胶囊化后油脂的过氧化值上升的更为明显，贮藏1 d后的过氧化值提高至0.36 mmol/kg，氧化稳定性低于微胶囊化后的DHA油脂。而经过乳状液制备工艺优化后DHA油脂的过氧化值上升幅度最小，贮藏1 d后的过氧化值为0.21 mmol/kg，氧化稳定性高于其他两种DHA油脂。经过3 d的贮藏后，DHA油脂的过氧化值均显著上升，未微胶囊化的DHA油脂过氧化值从第3天的1.64 mmol/kg提高至第5天的4.38 mmol/kg，而经过微胶囊化后，DHA过氧化值在第5天不超过2.39 mmol/kg。这是由于微胶囊可以有效的防止氧气的渗透，从而显著减少了油脂的氧化。经过了7 d(168 h)的存储后，利用优化后工艺制备DHA乳状液所得微胶囊的过氧化值为1.78 mmol/kg，显著低于工艺优化前的DHA油脂(3.16 mmol/kg)。可见，乳状液的制备工艺经过优化后，能够有效的提高油脂的氧化稳定性，延长DHA油脂的贮存期。

3 结论

本研究以DHA微藻油为研究对象，建立其在乳状液制备过程中的最佳工艺条件为乳化温度50 ℃、预乳化时间3 min、均质压力30 MPa、经过2级均质。在此条件下制备得到DHA乳状液，透射光浊度法测定得到乳状液稳定性为8.75%，表面张力为20.5 mN/m。乳状液在较温和的条件下，制备所得的乳状液具有较好的稳定性及较低的表面张力，预期有效的延长DHA微胶囊的保质期。

经过工艺优化后制备所得的DHA乳状液，在微胶囊化之后的贮藏稳定性得到显著提高。经过较长时间贮藏之后，其过氧化值显著低于对比未工艺优化和工艺优化但未微胶囊包埋的DHA油脂，表明其氧化稳定性得到显著提高。