乙基纤维素微胶囊化膨化小麦麸皮粉品质评价和应用

王旭成，周柏玲，许效群

（1.山西农业大学 食品科学与工程学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学 山西功能食品研究院，山西 太原 030031）

在国内小麦是主要的粮食作物之一，每年小麦的产量和使用量是一个庞大的数字[1]。完整的小麦籽粒由皮层、胚乳和胚芽3个部分组成[2]，传统加工小麦的方式主要是制粉，麸皮是小麦加工面粉过程中得到的主要副产品，一般占小麦籽粒总质量的15%，在过去几十年中，常常用作畜牧业养殖中的饲料[3]，在传统观念中，其经济价值并不高，但通过近年来的研究发现，麸皮还有许多价值尚未被大众熟知，其深加工潜力较大[4]。

由于微胶囊化加工技术能够改变形态、缓释、掩盖不良气味，对微胶囊化目标物有着良好的保护，使其在日用品、医药、畜牧养殖、食品、化学材料等领域得以广泛应用。郝佳等[5]介绍了微胶囊技术在食品工业中的应用，主要用于酶、益生菌、营养素和食品添加剂。武伟等[6]介绍了微胶囊的控制释放作用在食品工业中的应用，主要用于香料、风味剂和多种活性物质。空气悬浮法（流化床包衣法）作为一种常见的制备方法，其通过物理机械方法制备微胶囊[7]。空气悬浮法适用于固体颗粒的包埋，且由于其运行过程的连续性，便于工厂流水线批量作业，在食品工业中应用广泛。

乙基纤维素（EC）作为一种被医药领域广泛应用的缓控释包衣材料，其有着良好的成膜性、疏水性和热稳定性，在低温下仍能保持挠曲性，有极强的抗生物性能，无毒[8]。陈磊等[9]介绍了EC在缓控释药物制剂中的应用，包括骨架型缓控释制剂、膜控型缓控释制剂和渗透泵控释制剂。常翠等[10]介绍了EC的包衣适用性，包括喷速、雾滴大小、黏度、软化温度和成膜时间等。

目前关于微胶囊化膨化小麦麸皮粉的研究鲜有报道。在食品工业领域，主流的微胶囊化技术为喷雾干燥法，这一方法对芯材的溶解度有较高的要求，且成本较高。基于空气悬浮法对固体颗粒包埋的适用性，故本试验采用空气悬浮法制备微胶囊。

本试验基于前期研究，采用膨化小麦麸皮粉（部分可溶）为芯材，不同质量分数EC溶液为壁材溶液，使用空气悬浮法，制得对应的微胶囊样品，研究不同质量分数EC溶液微胶囊化膨化小麦麸皮粉产品品质的差别，通过对比微胶囊样品之间的相关指标，对微胶囊样品的产品品质、抗氧化性和成本进行综合考虑，选出微胶囊化膨化小麦麸皮粉的最适EC溶液质量分数，旨在为小麦麸皮深加工提供一种可行思路和参考方向，也为其提供理论依据和实践基础。

1 材料和方法

1.1 材料

供试材料为小麦麸皮挤压膨化产物（根据前期研究，以小麦麸皮粉为原料，使用双螺杆挤压膨化机，物料水分为40%，末端温度为130℃，螺杆转速为50 r/min，制得相应膨化产物）。

1.2 试剂与仪器

乙基纤维素（分析纯，成都市科龙化工试剂厂）；海藻酸钠（分析纯，天津市大茂化学试剂厂）；乙醇、氢氧化钾、酚酞（均为分析纯，天津市致远化学试剂有限公司）。

2200型不锈钢磨粉机（北申兴盛有限公司）；FDV超微粉碎机（佑崎有限公司）；101-OA电热鼓风干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；BSA 224S-CW电子天平（赛多利斯科学仪器有限公司）；DZKW-4电热恒温水浴锅（北京中兴伟业仪器有限公司）；LBF-5型旋转流化床制粒包衣机（常州奇琪干燥制粒设备有限公司）；LXJ-IIB低速大容量离心机（上海安亭科学仪器厂）；BT-2001激光粒度分布仪、BT-901干法分散进样系统（丹东百特仪器有限公司）；Helios G4 UC等线聚焦离子束-电子束双束电镜（Thermo Fisher Scientific公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 膨化麸皮粉的制备 使用不锈钢磨粉机将小麦麸皮挤压膨化产物初步粉碎，转速为1 500 r/min，再使用超微粉碎机将其进一步粉碎，转速为22 000 r/min，制得膨化麸皮粉。

1.3.2 膨化麸皮微粒的制备 向膨化麸皮粉中加入样品总质量1.00%的海藻酸钠，混匀，再加入样品总质量8.00%的蒸馏水，再次混匀，将混匀后的样品过孔径为0.425 mm网筛，收集筛下样品，收集物即制得的膨化麸皮微粒[11]。

1.3.3 不同质量分数EC溶液的制备 配制0、2.00%、2.75%、3.50%、4.25%和5.00%质量分数的EC溶液。分别称取对应质量EC，采用无水乙醇为溶剂，使用恒温水浴锅于50℃加热溶解，备用。

1.3.4 不同质量分数EC溶液微胶囊样品的制备本试验采用膨化麸皮微粒为芯材，不同质量分数EC溶液为壁材溶液，使用旋转流化床制粒包衣机进行包衣，包衣方式选择为底喷，气源压强为0.45 MPa，气密压强为0.3 MPa，壁材流量为2 mL/min，进风温度为50℃，出风温度为30℃，床温为40℃，包衣时间为120 min。制得的样品，于4℃环境下保存备用[12-14]。

1.3.5 水分含量的测定 称取5 g待测样品，放置于已干燥至恒质量的铝盒中，使用烘箱进行干燥，温度为105℃，时间为5 h，完成干燥后取出，铝盒加盖，放置于干燥皿中冷却至室温，取出，称质量。重复上述操作，直至2次称质量之间的质量差小于1 mg，记录此次称质量数据。使用公式（1）对待测样品的水分含量（X）进行计算[15]。

式中，m0为干燥至恒质量的铝盒质量（g）；m1为烘干前待测样品与铝盒的总质量（g）；m2为烘干后待测样品与铝盒的总质量（g）。

1.3.6 溶解度的测定 称取5 g待测样品，放置于50 mL的小烧杯中，量取40 mL蒸馏水，水温在25～30℃，蒸馏水少量多次加入小烧杯中，使待测样品中的可溶成分溶解于蒸馏水中，将悬浊液转移到50 mL的离心管，使用离心机进行离心，转速为4 000 r/min，时间为10 min，离心结束后弃去上清液，重复上述操作3次。将剩余沉淀用蒸馏水洗出至已干燥至恒质量的称量皿中，使用烘箱进行干燥，温度为105℃，时间为5 h，完成干燥后取出，放置于干燥皿中冷却至室温，完成冷却后取出，称质量。重复上述操作，直至2次称质量之间的质量差小于1 mg，记录此次数据。使用公式（2）对待测样品的溶解度（Y）进行计算[16]。

式中，a为待测样品质量（g）；a1为称量皿质量（g）；a2为烘干后称量皿与沉淀的总质量（g）。

1.3.7 容积密度的测定 将待测样品倒入笔直放置的10 mL刻度试管中，刻度试管已干燥至恒质量，称质量，记录此次数据。使用公式（3）对待测样品的容积密度（ρ）进行计算[17]。

式中，b0为干燥至恒质量的刻度试管质量（g）；b1为待测样品与刻度试管的总质量（g）；V为待测样品在刻度试管所占的体积（mL）。

1.3.8 流动性的测定 于水平桌面放置1块平板，在其上方固定1个玻璃漏斗，精确称取10 g待测样品置于漏斗中，让样品自由通过漏斗，于平板上自然堆积，测定粉堆的高度与覆盖半径。使用公式（4）对待测样品的休止角（θ）进行计算[18]。

式中，h为待测样品自然堆积粉堆的高度（cm）；r为待测样品自然堆积粉堆的覆盖半径（cm）。

1.3.9 包含率的测定 称取5 g的待测样品，按1.3.5中方法测定其水分含量（X）。使用公式（5）对待测样品的干物质含量进行计算。芯材干物质的含量与微胶囊样品含量的比值为包含率，使用公式（6）对待测样品的包含率（A）进行计算。

式中，Z为样品干物质含量（%）；Z0为芯材干物质含量（%）。

1.3.10 粒径分布的测定 采用干法粒径分布测定体系，使用干法分散进样系统和激光粒度分布仪，对待测样品的粒径分布进行测定[19]。

1.3.11 感官评价 邀请10人组成感官品评小组，组员情况男女各半且经过专业培训，对刚制得的待测样品进行评定并打分，评价项目包括色泽、组织结构、质地和气味，各项评分细则标准如表1所示，满分为100分，90分以上为优秀，80～90分为良好，60～80分为合格，60分以下为差。

表1 感官评价标准Tab.1 Sensory evaluation criteria

1.3.12 样品表面形态结构的观察 使用导电双面胶将待测样品固定于样品平台上，真空中喷涂钯金，使用双束电镜以2.00 kV电子束观察待测样品的表面形态结构，选择观察清晰且分布较均匀的视野进行拍照[20]。

1.3.13 加速储藏条件下样品脂肪酸值变化的测定 将待测样品置于烘箱中进行储藏，温度为60℃，储藏期为30 d，每隔3 d取样，按GB/T 15684—2015测定样品的脂肪酸值[21]，标定物为KOH。

1.4 数据分析

以上所有的试验至少重复3次，试验所得数据均采用“平均值±标准偏差”表示，采用Origin 8.0软件进行绘图，采用SPSS 18.0软件进行方差统计分析，并采用Duncan进行两两比较，显著性水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 样品的基础指标分析

由表2可知，不同质量分数EC溶液对样品基础指标影响较大。就样品水分含量和溶解度而言，水分含量最大差值为2.29%，溶解度最大差值为1.78%，随着EC溶液质量分数升高，样品水分含量下降，溶解度下降。由于EC有较强的疏水性且不溶于水，当样品颗粒表面包裹有EC膜时，对样品吸水性和水中的溶解性有影响，进而导致样品水分含量下降和水中的溶解度下降。就样品容积密度和休止角而言，容积密度最大差值为0.037 2 g/mL，休止角最大差值为26.99°，随着EC溶液质量分数升高，样品容积密度下降，休止角下降，即流动性上升。对于样品流动性而言，休止角低于30°时，样品的流动性良好；休止角在30°～45°时，样品的流动性较好；休止角大于45°时，样品的流动性较差。故3.50%、4.25%和5.00%质量分数微胶囊样品流动性良好，2.00%和2.75%质量分数微胶囊样品流动性较好，质量分数为0的微胶囊样品流动性较差。由于EC溶液黏度较高，EC溶液黏度与其质量分数成正比。高质量分数EC溶液会加剧包衣过程中样品颗粒之间的黏连问题，导致样品中黏合物比例提高，使得样品颗粒粒径提高以及均匀度下降，进而导致样品容积密度下降和流动性上升。就样品包含率而言，包含率最大差值为2.38%，随着EC溶液质量分数升高，包含率下降，由于EC溶液质量分数的升高，使得单位质量内干物质比例下降，即芯材比例下降，进而导致样品包含率下降。

表2 麸皮系列样品基础指标Tab.2 Basic indexes of ser ies of bran samples

2.2 样品粒径分布

由图1可知，0～5.00%质量分数微胶囊样品图谱都存在3个峰，即样品区间分布集中在3.162～4.328、24.34～49.33、180.0～220.0μm粒径区间处，样品均匀度较差，符合2.1中得出的结论，即EC溶液质量分数升高，均匀度下降；在200.0μm处存在样品最高峰，说明EC溶液微胶囊化麸皮微粉，会将粒径较小的颗粒聚合包埋至粒径200.0μm左右。

从图1还可看出，质量分数为0的微胶囊样品累积量超过90%在79.01～85.47μm处，质量分数2.00%的微胶囊样品的累积量超过90%在200.0～300.0μm处，质量分数5.00%的微胶囊样品累积量超过90%在300.0～400.0μm处。结果表明，随着EC溶液质量分数的升高，样品累积量超过90%所在的上下限粒径值越大，说明EC溶液微胶囊化麸皮微粉会提高样品颗粒粒径，且随着EC溶液质量分数的升高，样品颗粒粒径提高幅度增大，符合2.1中得出的结论，即EC溶液质量分数升高，样品颗粒粒径提高。

从表3可以看出，随着EC溶液质量分数升高，对应样品的D50和D98提高，符合2.1中得出的结论，即EC溶液质量分数的升高，样品颗粒粒径提高。就样品平均粒径和比表面积而言，根据上述结论推断，随着EC溶液质量分数的升高，样品平均粒径应呈现上升趋势，比表面积应呈现下降趋势，但结合数据，虽样品数据总体走向符合这一推论，但个别数据存在偏差，推测是由于样品均匀度较差导致。

表3 麸皮系列样品粒径分布数据Tab.3 Par ticle size distribution data of ser ies of br an samples

2.3 感官评价

由表4可知，0、2.00%和2.75%质量分数微胶囊样品评价为合格，3.50%、4.25%和5.00%质量分数微胶囊样品评价为良好。就样品色泽而言，总体呈棕黄色，有些许白色掺杂其中，由于EC膜为白色，随着EC溶液质量分数的升高，样品色泽分值应随之下降，但结合数据，不符合这一推断，说明EC膜自身色泽对样品色泽影响较小。就样品组织结构而言，随着EC溶液质量分数的升高，根据2.1中得出的结论，EC溶液质量分数的升高，样品颗粒粒径提高，均匀度下降，结合数据，符合这一推断。就样品质地而言，由于EC溶液自身黏性的影响，样品中多为黏合物，2.00%～5.00%质量分数微胶囊样品质地的差值较小，但与质量分数为0的微胶囊样品差值较大，结合数据，符合这一推断。就样品气味而言，膨化麸皮粉存在不良气味，根据上述结论推断，随着EC溶液质量分数的升高，样品气味分值应随之上升，结合数据，EC溶液到达3.50%以上的样品气味的分值趋于稳定，说明掩蔽膨化麸皮粉气味，需EC溶液质量分数达到3.50%以上。综合感官评价各项分值，3.50%质量分数EC溶液微胶囊化样品为最优。

表4 麸皮系列样品感官评价Tab.4 Sensory evaluation of series of bran samples 分

2.4 样品表面形态结构

由图2-A可知，同质量分数为0的微胶囊样品相比，2.00%～5.00%的微胶囊样品颗粒大小不太均一，样品多数为不规则的团状聚合物，部分样品中还出现细长状事物。

由图2-B可知，质量分数为0的微胶囊样品表面凹凸不平，整体形状不规则；2.00%和2.75%的微胶囊样品表面较为光滑，但存在较多褶皱；3.50%和4.25%的微胶囊样品表面较为光滑，褶皱较少；5.00%的微胶囊样品表面较为光滑，存在壁材多次包裹情况。

由图2-C可知，质量分数为0的微胶囊样品存在裂纹与空洞；2.00%和2.75%的微胶囊样品表面褶皱较为明显，说明EC膜已包裹样品，但并未达到完全包裹的效果；3.50%、4.25%和5.00%的微胶囊样品表面褶皱较少，EC膜总体较为光滑，微胶囊化效果较为理想。

综合样品不同放大倍数扫描电镜图进行分析，EC溶液微胶囊化膨化麸皮粉，当EC溶液质量分数达到3.50%以上时，微胶囊样品成型效果好，且不会出现未完全包裹的情况，符合2.3中得出的结论，即当EC溶液质量分数达到3.50%以上时，可以达到较好的掩蔽效果。随着EC溶液质量分数上升，微胶囊样品均一度明显下降，结合2.1得出的结论，高浓度的EC溶液会加剧样品中的黏连情况，使得样品均一度下降。

2.5 加速储藏条件下样品脂肪酸值变化

由图3可知，麸皮系列样品脂肪酸值都随储藏时间的延长而增加，在加速储藏条件下，随着EC溶液质量分数升高，样品30 d内脂肪酸值增加量越小，即壁材对芯材的封闭效果越明显，推测是由于随着EC总量的增加，对芯材的包裹更加完整，可以达到更好的保护作用。

使用EC溶液包埋膨化麸皮粉，可以减缓其脂肪酸值增长速率。其中，3.50%、4.25%和5.00%的微胶囊样品同2.00%和2.75%的微胶囊样品相比，减缓幅度较为明显，且效果相近，说明EC溶液微胶囊化膨化麸皮粉，当EC溶液质量分数达到3.50%以上时，即可达到良好的封闭效果，符合2.4中得出的结论，当EC溶液质量分数达到3.50%以上时，微胶囊样品成型效果好，且不会出现未完全包裹的情况。

3 结论与讨论

本试验选用不同质量分数EC溶液为壁材，采用空气悬浮技术，对膨化小麦麸皮粉进行包埋。通过比较样品之间的指标，对微胶囊样品的产品品质、抗氧化性和成本进行综合考虑，EC溶液微胶囊化膨化小麦麸皮粉的最佳质量分数为3.50%，样品水分含量为4.25%，溶解度为16.64%，容积密度为0.476 9 g/mL，休止角为29.51°，包含率为98.03%，粒径分布均匀，结构完整，表面光滑且无裂纹，无不良气味。此外，在加速储藏条件下，30 d内脂肪酸值增加量较小，增长速率较低，表明该质量分数EC溶液在膨化麸皮胚芽粉表面形成的EC膜对原料粉有良好的保护作用。彭志刚等[22]在分析影响微胶囊包封率的因素时，认为包封率会随着EC黏度的增大而增大，但随着黏度增大到一定程度时，微胶囊产物黏连情况加重，包封率却无明显提升，与本试验结果相符。杨辉等[23]在分析影响微胶囊包埋率的因素时，认为包埋率会随着EC在壁材中占比提高而提高，但随着占比提高到一定程度时，包埋率达到最大值，过高的EC占比易形成较大结块，不利于微胶囊形成，这也与本试验结果相符。康小珍[24]在分析影响微胶囊成品品质的因素时，认为EC壁材溶液浓度太大时不利于囊心的分散和乳滴的形成，会使微胶囊粒径分布不均且发生黏连，溶液浓度太小会影响芯材的包埋和释放，与本试验结果相符。考虑到本试验中高质量分数EC溶液制得的微胶囊样品均匀度较低，本试验仍需对微胶囊制备工艺进一步优化。本研究结果可为小麦麸皮深加工提供一种可行思路和参考方向，也为其提供理论依据和实践基础。