响应面优化辛烯基琥珀酸淀粉酯稳定藻油乳液的工艺研究

甄天元 慕鸿雁

(青岛农业大学食品科学与工程学院，青岛 266109)

裂壶藻油(Schizochytriumsp.oil)是原中华人民共和国卫生部批准的以生产DHA为主的新资源食品。该藻油来源天然、安全绿色，含有丰富的多不饱和脂肪酸，其中二十二碳六烯酸(DHA)的含量高达35%～55%，是一种不可多得的功能性油脂资源，被用作保健食品、婴儿食品、乳制品和营养调和油的基料[1-3]。但由于裂壶藻油的高度不饱和特性，其极容易被氧化降解，将其添加到食品中导致产品易酸败、产生异味，且本身所具有的腥味也严重降低食品的感官品质，因而严重制约了在食品中的应用[4]。采用适当的包埋方式对藻油进行包埋，可以有效地避免藻油的氧化损失，对于扩大裂壶藻油在食品乃至保健品中的进一步应用、提高食品基质的营养水平，具有重要的意义。

通常的脂质包埋体系包括乳液、微胶囊和脂质体等。乳液体系是一种商业价值较高的脂质输送系统，由于具有颗粒小、比表面积大、操作简便、与物质在生物体内的吸收模式更相似等特性而被广泛采用[5-7]。在制备乳液时选择乳化性能好的乳化剂是形成稳定的乳液体系、提高活性组分稳定性和生物利用度的关键所在[8]。辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSA-淀粉)由淀粉与辛烯基琥珀酸酐酯化而成，分子上所含有的羟基和羧基具亲水性，长碳链又呈疏水性，因而带有亲水亲油的双重特性，具有较强的表面活性[9，10]；且OSA-淀粉能够形成较厚的界面膜，使得乳液载油率和隔氧性均显著提高[11]。

本实验以OSA-淀粉为乳化剂，研究不同条件对裂壶藻油乳液性质的影响，并探讨其在储存过程中的氧化稳定性，为提高藻油等功能性脂质的稳定性、拓展乳油基功能性脂质的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与试剂

OSA淀粉(Hi-cap 100)、维生素E、DHA藻油；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

RE-52旋转蒸发仪，SB25-12DTS超声波多频清洗器，PHS-3C精密pH计，SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵，ZEN-3690Malvern纳米激光粒度分析仪，HH-4J恒温磁力搅拌水浴锅，TU-1810DASPC紫外可见光光度计，Neofuge18R高速冷冻离心机，T-25高速分散机。

1.3 方法

1.3.1 乳液的制备

准确称取一定质量的OSA淀粉，按照一定比例加入去离子水中，在40 ℃充分搅拌1 h，使其成为均匀透明的溶液，静置过夜以使其充分水化。按一定的比例称取藻油，逐滴加入OSA-淀粉溶液中，使得最终溶液的总体积为100 mL。在相同温度下继续搅拌30 min。将混合液冷却至室温后，以10 000 r/min分散2 min，经超声处理一定时间得到藻油乳液，之后加入0.01%的叠氮化钠以抑菌防腐。

1.3.2 藻油乳液性质的测定1.3.2.1 离心法[12]

取适量的OSA-淀粉-藻油乳液于50 mL离心管，以4 000 r/min离心15min，量取上层液中油相的体积，计算乳液的稳定性：

ESI=(V-V0)/V×100%

式中：V表示乳液的总体积，V0指离心后油相体积。

1.3.2.2 粒径、电位

取适量OSA-淀粉-藻油乳液，用超纯水稀释100倍后在冰温下超声20 min使之充分分散，以动态光散射仪测定其平均粒径、多分散指数(PDI)和电位。藻油和水的折射率分别设为1.46和1.33。测粒径时每个样品测定11次，每次测量时间为20 s，平衡120 s；所有测试均在(25±1)℃进行。

1.3.3 单因素实验

以藻油乳液的粒径及电位为考察指标，分别探讨OSA-淀粉质量分数(4%、6%、8%、10%、12%)、藻油质量分数(2%、4%、6%、8%、10%)、超声功率(240、300、360、420、480 W)及超声时间(10、15、20、25、30 min)对乳液及其稳定性的影响。

1.3.4 响应面优化实验

在单因素实验结果的基础上，选取OSA-淀粉质量分数(A)、藻油质量分数(B)、超声功率(C)及超声时间(D)4个因素为自变量，ESI、平均粒径为响应值，进行四因素三水平的Box-Behnken Design实验。因素及水平如表1所示。

1.3.5 氧化稳定性

将乳液置于棕色瓶密封，避光室温储存1周，根据GB/T 5009.37—2003测其氧化稳定性。过氧化值(POV)按公式计算：

POV=(V2-V1)×C×0.126 9×78.8/w

式中：POV表示试样的过氧化值/meq/kg；V1，V2分别表示试样和空白消耗的Na2S2O3的体积/mL；C表示Na2S2O3的摩尔浓度/mol/L；w表示样品质量/g。

1.3.6 数据统计与分析

每个实验至少重复3次，结果以平均值±标准偏差表示。采用SPSS 17.0对数据进行显著性分析(P<0.05表示显著，P<0.01为极显著)；采用Origin 9.0作图；采用Design-Expert软件进行响应面数据及方差分析。

2 结果与分析

2.1 OSA-淀粉-藻油乳液的制备

2.1.1 OSA-淀粉质量分数对乳液性质的影响

保持裂壶藻油在乳液中的质量分数2%，混合温度40 ℃，pH 7.0，超声功率420 W，超声时间10 min，探讨OSA淀粉质量分数对乳液性质的影响。乳液的乳化稳定性、粒径和电位结果如图1所示。

提高OSA-淀粉浓度有利于提高乳液的乳化稳定性。当OSA-淀粉质量分数为10%时，ESI为(91.33±0.53)%，乳液的稳定性达到最佳。但当OSA-淀粉添加量超过10%时，乳液稳定性下降。这与梁井瑞等[13]的结果一致。在一定范围内，提高OSA-淀粉的浓度可显著降低乳液的粒径。这是因为增加淀粉浓度使得空间位阻增大，免于液滴团聚。但当OSA-淀粉含量进一步提高时，OSA-淀粉在液滴表面的附着量增加，乳液粒子液膜厚度增加，反而使表观粒径增大。

由图1可知，OSA-淀粉乳液中的电位呈电负性，随着OSA-淀粉含量增加，其负电荷数增加。当OSA-淀粉含量超过10%时，电位变化不显著，表明OSA-淀粉在该乳液中达到了饱和状态。在实验浓度范围内，随着OSA-淀粉质量分数的增加，乳液颗粒粒径分布指数PDI呈逐步减小趋势，说明提高OSA-淀粉浓度有助于形成均一的乳化体系。但当OSA-淀粉含量质量分数高于10%时，PDI则呈上升趋势。Sharif等[10]的研究认为OSA-淀粉在水溶液中有自发形成胶束的特性，且其胶束粒径随着浓度增加而增加，这也是导致PDI增加的原因。综合乳液稳定性、粒径和电位结果，选择OSA-淀粉的质量分数为10%。

图1 OSA-淀粉质量分数对乳液性质的影响

2.1.2 藻油质量分数对乳液性质的影响

由图2可知，提高藻油的质量分数可使单位体积的乳液载油量增加、体系的黏度增加，因而提高乳化稳定性，但是当增加至一定程度时，OSA-淀粉不足以充分乳化油脂，且油脂浓度的增加致使乳液的总界面面积增加，OSA-淀粉所形成的乳化界面膜厚度降低，因而造成乳化稳定性下降。

图2 藻油质量分数对乳液性质的影响

随着藻油添加量的增加，粒径显著增加，且PDI指数也显著升高。这是因为乳化剂含量不足而无法在油滴表面形成致密的吸附层，反而乳化剂之间的氢键等相互作用形成架桥，促进了油滴的聚集。当藻油质量分数为4%时，粒径、PDI指数较低，说明该浓度下能够形成稳定性较好的乳液。在实验浓度范围内，乳液的电位变化不显著，说明添加藻油并未显著影响乳液电位。综合分析，选择藻油的质量分数为4%(w/v)。

2.1.3 超声功率对乳液性质的影响

采取合理的乳化手段是促进乳液各相均匀分配和保持乳液颗粒一致性的关键。超高压均质乳化虽然可充分实现上述目标，但是由于PUFA的热敏性，在均质过程中易发生热解反应，因此并不是制备富PUFA油乳液的最佳选择[14]。超声均质利用高速剪切所产生的低频空化效应，可以在较低温度下有效分散液滴并使之细化。为了减少热效应，实验在超声过程中加入冰温水以保持低温环境，探讨超声功率对乳液性质及乳化稳定性的影响，结果如图3所示。

图3 超声功率对乳液性质的影响

随着超声功率从240 W增加到420 W，乳液的粒径显著降低(P<0.05)，说明超声功率对于控制乳液的粒径具有极其显著的作用，这是因为提高超声功率增加了超声空化的气泡数量，增强了气泡周围的能量，更有利于液滴的分散[15，16]。当超声功率超过420 W时，粒径略有增加，但对粒径的影响不显著(P>0.05)。有研究认为超声频率过高，高强度剪切力产生的破坏作用促使乳液液滴聚集[17]。乳液的乳化稳定性在实验功率范围内呈先上升后降低的趋势，在360 W时乳化稳定性最优，增大功率稳定性降低。这是由于进一步提高超声功率带来了过处理效应[18]，导致空化泡的振幅增大，耐受温度和压力均降低，因而乳化稳定性也随之降低。综上，选择超声功率360～420 W为宜。

2.1.4 超声时间对乳液性质的影响

延长超声时间，有利于液滴充分分散、提高乳液的乳化稳定性。由图4可知，当超声时间由10 min延长到15 min时，乳化稳定性由(90.79±0.82)%提高至(93.78±0.56)%，继续延长超声时间，乳液的乳化稳定性呈降低趋势。超声15 min后乳液的粒径显著降低(P<0.01)，为(271.3±3.1)nm，此时PDI为0.249±0.023，Zeta-电位为(-32.5±0.12)mV，继续延长时间对粒径、PDI影响不大，且进一步延长时间还可能导致OSA-淀粉解聚的可能性增加，使得油滴释放，促进乳液中油脂的氧化作用，因此选择超声时间15～20 min为宜。

图4 超声时间对乳液性质的影响

2.2 响应面优化实验

表2 实验设计及结果

表3 回归与方差分析表

表4 回归与方差分析表

对回归模型进行优化分析后，得到最佳的响应结果：OSA淀粉质量分数10.53%，藻油质量分数3.40%，超声功率375.75 W，超声时间20.06 min。在此条件下ESI理论值为96.26%，粒径为234.06 nm。在OSA-淀粉质量分数10.50%、藻油质量分数3.50%、超声功率375 W、超声时间20 min条件下进行验证实验，实测值分别为96.10%和238.12 nm。故确定的最佳制备工艺条件为OSA-淀粉质量分数10.50%、藻油质量分数3.50%、超声功率375 W、超声时间20 min。

2.3 氧化稳定性

氢过氧化物是脂质氧化初期的代表性产物，因此以过氧化值的变化来表征乳液初期的氧化程度是一种行之有效的方法。乳液在4 ℃和25 ℃下存放14 d后过氧化值的变化结果如图5所示。

图5 在4 ℃和25 ℃下储存乳液的过氧化值变化

由图5可知，样品在实验初期POV无显著差异，不添加生育酚的乳液POV值略有增加，说明乳化过程促进了脂质的氧化。有研究指出，乳液所具有的较大的比表面积使得其与原料油相比，氧化速度更快[19]。储存温度对乳液中脂质的氧化具有显著影响。在4 ℃和25 ℃各储存2周，藻油的氧化程度最高；而添加OSA-淀粉形成的乳液氧化程度最低，储存2周后2个温度下的POV分别为(1.51±0.03)mmol/kg和(4.16±0.03)mmol/kg。LS/T 3243-2015中规定藻油最高允许限量为3.75 mmol/kg，说明低温有利于延缓乳液中脂质的氧化，添加OSA-淀粉形成的乳液的稳定性显著优于藻油。这是因为OSA-淀粉的大分子结构及其双亲特性使其在油水界面形成厚度较大的界面膜，其可以有效阻止促氧化成分通过膜而进入脂质中，因而有效降低氧化程度。

3 结论

考察不同因素对乳液乳化稳定性、粒径和电位的影响，通过单因素实验和响应面优化实验确定了乳液的最佳制备工艺条件：OSA淀粉质量分数10.53%，藻油质量分数3.40%，超声功率375.75 W，超声时间20.06 min。在此条件下ESI理论值为96.26%，粒径为234.06 nm；实测值为96.10%和238.12 nm，理论值与实测值无明显差异。与藻油以及未添加OSA-淀粉的乳液相比，OSA-淀粉能够有效提高藻油的氧化稳定性。该研究可为功能性脂质的稳态化提供参考。