以魔芋胶为复配壁材的玉米胚芽油微胶囊制备、表征和效果研究

杨 田，刘 莹，柏婷梅，陈 洪

（四川农业大学食品学院，四川 雅安 625014）

玉米胚芽油（corn germ oil）是从玉米胚芽中提炼出的油脂，常用于烹炒和煎炸[1]。玉米胚芽油的营养价值较高，其维生素E和植物甾醇含量高于大多数植物油，油酸、亚油酸等多不饱和脂肪酸含量也高达80%以上[2-3]。多不饱和脂肪酸被认为能降低血液中甘油三酯和胆固醇含量，降低血液黏度，提高记忆力和思维活力[4]。然而，这些多不饱和脂肪酸在加工储藏过程中易氧化变质导致玉米胚芽油保质期缩短；同时玉米胚芽油的油溶性，也使其应用受限。微胶囊是利用天然或合成的高分子材料包裹固体、液体或气体形成的微小囊状物，具有提高被包埋物质稳定性、延长货架期和控制释放的优点[5]。近年来，油脂的微胶囊化研究较为广泛，例如核桃油、鱼油和某些挥发油等已形成了较为系统的研究，然而对玉米胚芽油的微胶囊化研究较少[6-9]。

微胶囊化油脂使用的壁材应具有乳化性、稳定性和成膜性等特点[10]。作为一种天然高分子多糖，魔芋胶（Konjac gum，KGM）具有较好的稳定性和成膜性，关于应用KGM作微胶囊壁材的研究已有报道[11-14]。KGM是由魔芋块茎制成的精粉溶于水而成的胶体[15]，但其溶解后黏度太高，需与其他壁材复配才可使用。大豆分离蛋白（soy protein isolated，SPI）是一种常用的微胶囊壁材，然而其乳化性受到高分子量的限制，在酸、碱溶液中不稳定，导致其单独使用时包埋效果不理想[16]。丁金龙等[17]研究表明SPI与KGM作用后乳化性能提高，且SPI的黏度低于KGM，通过调节SPI与KGM的比例可以形成适宜黏度的乳化液。因此将这两种物质共同作为壁材，可能有助于提高微胶囊包埋率。在油脂微胶囊中已有关于改性KGM和SPI作微胶囊壁材的研究，对于天然KGM和SPI作壁材的研究还有待进一步深入。

本研究以KGM和SPI为壁材采用微胶囊技术包裹玉米胚芽油，通过工艺优化和稳定性研究，达到延缓玉米胚芽油氧化劣变的目的。微胶囊化将液体油加工成固体粉末，有利于改善玉米胚芽油的储存、运输，拓宽其在食品中的应用，例如在方便食品中作调味品、代替黄油等制作冷食等，为玉米胚芽油的使用前景提供有益参考。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

玉米胚芽油购于超市、大豆分离蛋白购自河北润物科技有限公司（蛋白含量≥95%）、魔芋胶由金堂县成都晗晨生物科技有限公司提供。

氢氧化钠、正己烷、碘化钾溶液（成都市科隆化学品有限公司）；所有试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

FD-1C-50真空冷冻干燥机（北京博医康试验仪器有限公司）、NicoletIS10傅里叶变换红外光谱仪（赛默飞世尔科技中国有限公司）、Q200MDSC差示量热扫描仪（美国TA公司）。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

50℃温水溶解大豆分离蛋白→加入玉米胚芽油→磁力搅拌20 min→加入魔芋精粉→均质（3 000 r/min）→调节pH→冷冻→真空冷冻干燥→粉碎，得微胶囊。

1.3.2 单因素试验

以壁材浓度、魔芋精粉浓度、芯壁比和均质时间为探讨对象，以微胶囊包埋率为指标，分析最佳壁材浓度、芯壁比、魔芋精粉添加量以及均质时间。

1.3.2.1 壁材浓度对包埋效果的影响

壁材浓度（m/v）分别为6%、8%、10%、12%和14%时，其他条件为魔芋精粉添加量为0.2%，芯壁比为1∶6，均质时间5 min，考察其对包埋率的影响。

1.3.2.2 魔芋精粉添加量对包埋效果的影响

魔芋精粉（m/v）分别按0%、0.2%、0.4%和 0.6%添加，壁材浓度为10%，均质时间为5 min，按芯壁比为1∶6加入玉米胚芽油，考察其对包埋率的影响。

1.3.2.3 芯壁比对包埋效果的影响

以 1∶2、1∶4、1∶6、1∶8 和 1∶10 为芯壁比。以壁材浓度为10%，按照比例加入玉米胚芽油，魔芋精粉添加量为0.2%，均质时间为5 min，考察其对包埋率的影响。

1.3.2.4 均质时间对包埋效果的影响

均质时间分别为3、4、5、6和 7 min时，其他条件为壁材浓度为10%，魔芋精粉添加量为0.2%，芯壁比为1∶6，考察其对包埋率的影响。

1.3.3 正交实验

根据1.3.2单因素实验结果选取对包埋率影响较大的因素，设计正交实验，以包埋率为评价指标。

1.3.4 微胶囊包埋率测定

称取0.5 g左右（精确至0.001 g）玉米胚芽油微胶囊产品于50 mL锥形瓶中，加入10 mL正己烷，轻微震动浸提30 s，过滤至已恒重的玻璃平板中，于50℃下水浴蒸干溶剂，放置干燥箱中烘干至恒重，计算玻璃平板前后质量差即为微胶囊表面油含量[18]。

1.3.5 微胶囊性质测定

通过单因素和正交试验获得最佳工艺，制得该条件下玉米胚芽油微胶囊，并测定下列指标。

1.3.5.1 乳化粒径测定

取玉米胚芽油微胶囊于粒度仪容器内，以蒸馏水为分散剂，进行超声波分散，测定粒径。

1.3.5.2 微胶囊水分含量测定

根据GB 5009.3食品中水分的测定[19]。

1.3.6 微胶囊表征

1.3.6.1 扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）

采用扫描电子显微镜观察微胶囊的表面形貌时，具体操作如下：在样品台上贴上一层导电胶，将微胶囊粉末轻轻地撒在上面并用洗耳球吹去多余的粉末，喷金后在高真空模式下观察样品表面形貌，电子枪加速电压为3 kV。选择具有代表性的视野进行拍照。

1.3.6.2 傅里叶红外光谱分析

采用傅里叶红外转换光谱仪对大豆分离蛋白、魔芋胶、玉米胚芽油微胶囊及玉米胚芽油进行红外光谱测试，测试光谱范围为 4 000～400 cm-1。

1.3.7 微胶囊稳定性研究

1.3.7.1 加热氧化试验

试验中将经优化配方和工艺的玉米胚芽油微胶囊和未经加工的玉米胚芽油分别于60℃培养箱中放置一定时间，然后测定其过氧化值。称取2 g左右微胶囊于50 mL小烧杯中，加入25 mL三氯甲烷超声波振荡粉碎4 min后过滤。在低于40℃的水浴中，用旋转蒸发仪减压蒸干溶剂，残留物即为待测试样[20]。过氧化值的测定依据《GB 5009.227-2016食品中过氧化值的测定》进行[21]。

1.3.7.2 差示扫描量热分析（differential scanning calorimetry，DSC）

玉米胚芽油微胶囊粉末及壁材的热分析利用差示热扫描分析仪进行。取6 mg玉米胚芽油微胶囊粉末加到DSC铝盒中，以空白铝盒为对照，以10℃/min的速率从20℃加热至220℃，升温速率为5℃/min，氮气的流速为20 mL/min，在氮气的保护下记录加热过程中的图谱。

1.4 数据统计与分析

使用Excel和Origin 8.0对数据进行整理和作图。采用SPSS软件对数据进行方差分析，P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 单因素实验分析

2.1.1 壁材浓度对微胶囊包埋效果的影响

由图1分析可知，微胶囊的包埋率随着壁材量的增加呈先增加后减少趋势。当壁材浓度为12%时，包埋率达到最大。低浓度时包埋率与SPI浓度成正比，这可能是由于单位体积内对玉米胚芽油的包裹面积增大而造成的。更多的壁材分子能均匀地分布在芯材的周围，在调节pH形成SPI沉淀时，包埋量也增加。然而当SPI浓度增加到一定量时，由于其溶液黏度过大导致乳化液均质不完全，形成的乳液存在聚集团，同时也造成了芯材的分布不均，因此降低了微胶囊的包埋率。李晓娣[22]使用SPI凝聚法包裹德氏乳杆菌时，包埋率同样是呈现先增加后减小的趋势。

图1 壁材浓度对包埋率的影响Figure 1 Effect of wall material concentration on embedding rate

2.1.2 魔芋精粉添加量对微胶囊包埋效果的影响

由图2分析得出，包埋率随着KGM添加量的增加而升高。添加了KGM的微胶囊包埋率较不添加KGM时的包埋率显著增高。当KGM为0%时，乳状液分层明显，这可能是由于SPI单独做壁材时，部分SPI沉入底部不参与微胶囊形成而导致乳状液分层[23]。KGM具有良好的成膜性和乳化性，随着其含量的增加，乳状液几乎不分层，表明KGM具有改善SPI乳化和提高乳液稳定性的作用[24]。但当KGM含量增加到一定量时，乳液中结块增多。可能是由于KGM的黏度随着浓度的增大呈几何倍数增长，致使魔芋精粉溶解时迅速凝结[25]。当KGM添加量为0.8%时，由于黏度实在过大导致此条件下试验不能进行。推测当魔芋精粉添加量持续升高时，由于其影响微胶囊的形成，可能会导致包埋率的下降。但低浓度范围内的魔芋精粉添加量都说明了微胶囊包埋率与魔芋精粉的添加量成正比。林好等[26]的研究也表明KGM在壁材复配比例中少量的增加，包埋率也随之增加。

图2 魔芋精粉添加量对包埋效果的影响Figure 2 Effect of konjac powder on embedding effect

2.1.3 芯壁比对对微胶囊包埋效果的影响

由图3分析可知，当壁材含量一定时，随着芯材比例的减小，包埋率逐渐升高。当芯壁比为1∶10时，显示较高的包埋率。当其为1∶4和1∶6时，包埋率无显著差异。在张正周等[27]的研究中，芯壁比对微胶囊的影响也出现了随着芯材含量增加包埋率逐渐减小的变化趋势。壁材的包覆能力是有限的，当油含量过高时会残留在壁材表面，使乳液分散状态被破坏并有聚集的趋势，进而使得包埋率下降[28]。有研究表明，芯壁比固定时，适当提高壁材浓度，可以减少表面油含量，提高包埋率[29]。如果再增加壁材的含量，包埋率可能会增加，但此时芯材含量已较少，壁材含量的增多可能会造成其浪费。

图3 芯壁比对包埋效果的影响Figure 3 Effect of core wall ratio on embedding effect

2.1.4 均质时间对微胶囊包埋效果的影响

均质是影响乳化液直径和分散性的重要原因之一。均质时间的延长促进玉米胚芽油的分散和乳液直径的减小，提高稳定性和包埋率[30]。均质时间对微胶囊包埋率的影响如下图所示。由图4可知，随着均质时间的增加，包埋率有上升的趋势但并不明显，其对微胶囊包埋的影响不是显著的（P＞0.05）。可能是由于考虑到仪器的工作时间，设置的间隔较小，导致差异不明显。其次，SPI和KGM溶解后混合液的黏度增加，对均质造成一定的阻碍，较短的均质时间不足以使混合物完全分散。在潘艳、王赛赛等[30-31]的研究中也发现了类似的结果，均质时间的增加引起包埋率的变化并不显著。在本研究中，当均质时间为6或7 min时，包埋率都较高。综合考虑，以6 min均质时间为最佳。

图4 均质时间对包埋效果的影响Figure 4 Effect of homogenization time on embedding effect

2.2 正交实验结果分析

根据单因素实验结果得出均质时间对包埋率的影响并不显著，故选择壁材浓度（A）、芯壁比（B）、魔芋精粉添加量（C）设计如下三因素三水平的正交实验L9（33）。结果如下表所示。

由表1和表2可知，影响微胶囊包埋率的因素主次顺序为：KGM添加量＞芯壁比＞壁材浓度，即对包埋率影响最大的是KGM添加量，其次是芯壁比，最后是壁材浓度。最佳水平组合为A1B3C3，即壁材浓度为10%、芯壁比1∶10、KGM添加量为0.6%，此时包埋率达到最大。

表1 正交实验结果Table 1 Results of orthogonal experiment

表2 正交试验结果方差分析Table 2 Analysis of variance of orthogonal array design

2.3 微胶囊性质

2.3.1 微胶囊粒径分布

微胶囊粒度分布如图5所示。从图中可观察出，微胶囊粒径分布图为正态分布，平均粒径为164.74～180.88 μm。

图5 微胶囊粒径分布图Figure 5 Particle size distribution of microcapsules

2.3.2 微胶囊含水量

按照国标方法测得微胶囊含水量为5%。参照农业农村部发布的《鱼油微胶囊》标准[32]，本试验制得的玉米胚芽油微胶囊含水量符合标准，能有效地长时间保存。

2.4 微胶囊表征

2.4.1 扫描电镜

冻干微胶囊样品扫描电镜图如下所示。从图6（A）中可观察到微胶囊表面不光滑，存在凸起，但孔隙较少，说明微胶囊的包埋较好，能有效地防止光和氧等物质进入微胶囊内部，减少与芯材的反应。图6（B）和（C）展示的是一个较为完整呈不规则球形的微胶囊，明显改善了单独使用SPI凝聚法制作的微胶囊表面出现气孔和裂纹的情况[33]。这可能是由于加入了KGM的原因。KGM具有良好的成膜性，改善了SPI单独作为壁材包埋时不稳定、表面孔隙的问题。但从图6（D）来看，在胶囊周围存在较多的薄片联结在一起，这可能是由于KGM溶于水形成的凝胶与SPI混合后形成叠层的网络结构，冷冻干燥之后粉碎过度导致薄片出现。C.N.Copado等[34]在冻干微胶囊之后同样出现了许多碎片。

图6 玉米胚芽油微胶囊SEM图Figure 6 SEM diagram of corn germ oil microcapsules

2.4.2 红外光谱分析

红外光谱是根据分子内化学键和基团的不同振动形式而出现的各种吸收谱带，KGM、SPI和微胶囊等的红外光谱图如图7所示。KGM红外谱图中，在3 343 cm-1出现OH的复杂振动拉伸，这与分子内、分子间氢键有关。SPI红外光谱图中，OH振动吸收峰出现在3 600～3 200 cm-1，呈现一条较宽的吸收谱带。1 650 cm-1是C=O伸缩振动引起的蛋白质酰胺Ⅰ带吸收峰；1 535 cm-1是N-H的弯曲振动峰，为蛋白质的酰胺Ⅱ带吸收峰；1 240～1 245 cm-1为蛋白质酰胺Ⅲ带吸收峰，由C-N的伸缩振动和N-H的弯曲振动引起。玉米胚芽油红外光谱中，3 008 cm-1是不饱和碳链的C-H伸缩振动峰；饱和碳链C-H的伸缩振动引起2 925 cm-1和2 854 cm-1的吸收峰；1 740 cm-1附近为C-O的伸缩振动峰，1 160 cm-1附近为甘油三酯中C-O的伸缩振动峰，722 cm-1为碳链骨架的振动峰。

图7 KGM、SPI、微胶囊和玉米胚芽油红外光谱Figure 7 The FTIR spectra of KGM，SPI，microcapsules and corn germ oil

在微胶囊的红外图谱中，OH振动吸收峰和酰胺（C=O）些微向右偏移，酰胺Ⅱ（N-H）和酰胺Ⅲ（CN）处的吸收峰几乎无差异。玉米胚芽油中的特征峰3 008、2 925和2 854 cm-1在微胶囊红外光谱中减弱，表明形成微胶囊后油被壁材包裹，使得吸收峰变弱。在该红外图谱中，没有出现其他的特征吸收峰，即表明KGM与SPI之间没有形成化学键，是通过物理作用而结合。

2.5 微胶囊稳定性研究

2.5.1 加速热氧化试验

经过加速氧化试验，测得过氧化值变化如图8所示。从图中可以观察到的是，未包埋的玉米胚芽油和玉米胚芽油微胶囊的过氧化值随着加热时间的延长变化趋势相似。加热时间为0 h时，未包埋的玉米胚芽油和玉米胚芽油微胶囊的过氧化值（0.867 9 mmol/kg）数值几乎一致，并且都较低，符合玉米油一级油脂标准（≤5.0 mmol/kg），这能说明在微胶囊形成的过程中，乳化、包埋等操作几乎没有增加玉米胚芽油的过氧化值[35]。未包埋的玉米胚芽油过氧化值随时间变化明显，而微胶囊的过氧化值则随时间的延长变化较平稳，增幅不大。这可能是由于良好的密封性，减少了氧气的入侵，能有效地减少在储存过程中产生氢过氧化物，提高玉米胚芽油的氧化稳定性。

图8 微胶囊热氧化稳定性Figure 8 Thermal oxidation stability of microcapsules

2.5.2 差示扫描量热分析

差示扫描量热分析（DSC）是指测量输入样品与参比物的功率与温度关系的一种热分析方法。物质从低温到高温的过程中可能会经历玻璃态、高弹态和粘流态3种状态。玻璃态是物质从无序的非晶态转变成有序的晶态，而玻璃态转化温度（Tg）是指处于临界状态的温度，当温度超过Tg时，物质状态由玻璃态向高弹态和粘流态转变。因此当温度低于Tg时，物质处于有序的玻璃态，分子运动较少，因此高分子比较稳定[36]。通过DSC可以测得物质的玻璃态转化温度。微胶囊样品、大豆分离蛋白和魔芋精粉的DSC曲线如图9所示。

图9 SPI、KGM和微胶囊DSC曲线Figure 9 SPI，KGM and Microcapsule DSC curves

从图中可以看出，大豆分离蛋白的Tg为131.37℃，魔芋精粉的Tg为158.38℃，微胶囊的Tg为152.41℃。Tg温度高于一般储藏的温度（25℃），所以玉米胚芽油微胶囊在常温时处于玻璃态阶段，贮藏稳定性良好。

3 结论

本试验使用大豆分离蛋白、魔芋胶和玉米胚芽油进行包裹，形成微胶囊，并根据单因素实验和正交实验对工艺进行优化。得出最佳工艺为：壁材浓度为10%、芯壁比1∶10、KGM添加量为0.6%、均质时间为6 min，达到最高包埋率，为76.40%。此时，微胶囊含水量为5%，粒径介于164.74～180.88 μm之间。SEM图像显示经冻干形成的微胶囊表面较粗糙，孔隙少突起多，为不规则球形，能较好地包裹芯材。通过红外光谱分析，KGM与SPI之间通过物理作用结合，没有形成化学键。微胶囊稳定性研究表明相，微胶囊化玉米胚芽油相比于未处理的玉米胚芽油具有更高的稳定性和更长的储藏期，为其在食品中的广泛使用提供了理论参考。