紫苏籽油微胶囊的制备及理化指标

于佳新，张炜环，王晗，孙辉，李冲伟

（1黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨 150500；2黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080；3桦南农盛园食品有限公司，黑龙江佳木斯 154400）

0 引言

紫苏[Perilla frutescens(L.)Britt]是中国卫生部颁布的首批药食同源植物，是目前发现的α-亚麻酸含量最高的植物品种。在紫苏籽油中，α-亚麻酸含量高达53.6%～64.5%[1]，在体内经脱氢和碳链延长合成EPA、DHA等代谢产物。DHA是构成大脑脑磷脂及神经细胞膜磷脂的重要成分，也是促进和维持神经系统细胞生长的主要成分。在整个生命周期，DHA都发挥着不可替代的作用，特别是对早产儿、婴幼儿及儿童时期认知功能的发育具有重要作用[2]。在1993 年，联合国卫生组织(WHO)和世界粮农组织(FAO)就提出了人体日常生活中专项补充α-亚麻酸的建议[3]。然而，紫苏籽油中α-亚麻酸等不饱和脂肪酸，极易受到外界环境因素的影响，在加工和贮存过程中易发生氧化变质，这严重限制了紫苏籽油产品的开发[4]。

微胶囊化技术是采用一种或多种壁材将油脂包裹制成微小颗粒的方法[5]。该技术可以保护芯材免受环境的破坏，保护芯材生物活性和改善芯材表面特性等作用，使互不相溶的化合物混合均匀并达到有效释放，近年来，该技术在食品工业生产中应用广泛[6]。在微胶囊制备中，壁材选择至关重要，它不仅影响微胶囊的物理、化学和形态特性，而且影响芯材的封装率、保质期和保护程度。钟迪颖等[7]研究表明，与其他树胶相比，阿拉伯胶“高浓低粘”的特性，会形成稳定的乳液，保留住挥发性物质，具有无色、无臭且热稳定性好的特性，在成膜性和乳化性方面表现出独特的优势[8]。从营养学角度看，阿拉伯胶更是不会被人体消化吸收的水溶性膳食纤维，能够促进小肠的蠕动[9]。Krishnan等[10]利用麦芽糊精、阿拉伯胶和改性淀粉分别对豆蔻科油脂进行包埋，贮藏性能测试表明，阿拉伯胶对芯材的保护作用优于其他2 种壁材。Shaikh 等[11]对黑胡椒油脂包埋试验发现，阿拉伯胶对黑胡椒油脂的保护效果显著优于改性淀粉。阿拉伯胶作为壁材具有许多方面的优势，但鉴于其稳定性及价格较高，因此考虑将阿拉伯胶与其他壁材混合使用。

本研究以阿拉伯胶和β-CD为复合壁材，以单硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯为乳化剂，采用喷雾干燥法制备紫苏籽油微胶囊。通过测定紫苏籽油微胶囊的水分含量、脂肪酸组成、粒径分布、包埋率和热处理稳定性，为紫苏籽油微胶囊工业化生产奠定理论基础，对于改进产品质量和开发新产品具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验材料

紫苏籽油由哈尔滨美苏生物科技开发有限公司提供；蔗糖脂肪酸酯，单硬脂酸甘油酯，阿拉伯胶，β-CD（均为食品级）。

SU8020场发射扫描电子显微镜，日本日立有限公司；ZS90 激光粒度仪，美国赛默飞有限公司；IS1O 红外光谱仪，美国尼高力有限公司；STA499热重分析仪，德国耐驰公司；TA Q200差示扫描量热仪，美国耐驰公司；Trace 1310-ISQ 7000气质联用仪，美国赛默飞有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 微胶囊制备取适量无菌水分别溶解阿拉伯胶和β-CD，按1:2混合得到壁材溶液；将单甘酯和蔗糖酯混合物(6:4)加入到紫苏籽油中，得到芯材溶液。将壁材溶液和芯材溶液以3:1 混合，高速分散器(3000 r/min，15 min)进一步乳化，得到乳化液。

乳化液采用喷雾干燥法进行干燥，基于课题组前期研究，设定进风温度181℃，进料温度60℃，进料速度15 mL/min，将制备的微胶囊粉末密封备用。

1.2.2 微胶囊基本理化性质的测定

（1）含水量：含水量对于维持食品的感官性状，保障食品货架期起着至关重要的作用[12]。微胶囊样品水分含量的测定，参考国标GB 5009.3—2016 食品中水分的测定方法。

（2）微胶囊化效率。微胶囊化效率是微胶囊中芯材与原乳液中芯材的比值[13]。用石油醚洗涤紫苏籽油微胶囊样品，缓慢搅拌，重复3 次，收集石油醚于平底烧瓶（质量为M0）。挥干溶剂，60℃烘干至恒重(M1)。将紫苏籽油微胶囊样品溶解于石油醚，超声震荡25 min 后，过滤收集石油醚，再用石油醚充分洗涤滤渣，合并石油醚于平底烧瓶（质量为M2），挥干溶剂，60℃烘干至恒重(M3)。微胶囊化效率计算公式见式(1)。

（3）堆积密度。称取紫苏油微胶囊样品Mg 于量筒中，水平匀速振荡，直至高度不变。记录堆积体积V，计算微胶囊堆积密度ρ，见式(2)。

（4）休止角。休止角(θ)衡量粉末流动性，是产品品质的重要表征参数[14]。休止角为30°～45°，说明产品具有良好的流动性[15]。使微胶囊样品置于漏斗中自然下落，堆积在水平圆板上，测量粉堆高度(H)及粉堆覆盖半径(R)。休止角计算见式(3)。

（5）溶解度。溶解度反映微胶囊的溶解性，是产品外观形态的重要影响指标。溶解度测定参考国标GB 5413.29—2010 婴幼儿食品和乳品中溶解性的测定。

（6）粒径。取适量微胶囊样品配成5%的均匀液体，利用ZS 90激光粒度仪测定微胶囊的粒径，绘制微胶囊粒径分布图，具体参考Cao等[16]的方法。

（7）微观结构。利用扫描电子显微镜(SEM)，分别在500倍和3000倍放大倍数下观察紫苏籽油微胶囊表面微观结构，具体参考Juul等[17]的方法。

1.2.3 微胶囊红外光谱将微胶囊样品与溴化钾按比例进行混合(1:200)，压制成透明薄片，在2～10 μm波长范围内进行红外光谱扫描，取阿拉伯胶、β-CD 和紫苏籽油做空白对照。

1.2.4 脂肪酸测定从紫苏籽油微胶囊中提取油脂，将油脂甲酯化，利用GC-MS测定微胶囊和紫苏籽油中脂肪酸的成分及相对含量，具体参考王姝杰[18]的测定方法。

1.2.5 热重分析热重分析(TG)是测定样品质量与温度的相互关系，间接反映样品受热后挥发程度[19]。将微胶囊和紫苏籽油分别放入热重分析仪中，在50～600℃范围内程序升温，设定升温速率10℃/min，N2流速30 mL/min，测定微胶囊和紫苏籽油热处理下质量变化，具体参考Hasier等[20]的方法。

1.2.6 差式扫描量热分析差式扫描量热仪(DSC)通过测量样品和参考物的热量差来分析样品物理性质与温度关系的热分析技术。玻璃化转变温度是物质形态变化的重要参数，对设定产品贮藏温度具有指导作用[21]。取适量微胶囊和紫苏籽油分别放入坩埚，密封，置于差示扫描量热仪的样品池中，以10℃/min 的速度升温，升温范围为27～250℃，观察微胶囊和紫苏籽油的热值变化，具体参考邓姣等[22]的方法。

1.2.7 微胶囊贮藏稳定性测定POV 为油脂及脂肪酸等被氧化程度的指标，表明其质量变质的程度。TBA指的是不饱和脂肪酸的氧化产物醛类与硫代巴比妥酸生成有色化合物，表明不饱和脂肪酸的氧化程度。将紫苏籽油及微胶囊在60℃的烘箱中分别放置4、8、12、16、20和24 d，测定紫苏籽油微胶囊的POV和TBA，评价紫苏籽油微胶囊的热贮藏性能，具体参考毕会敏等[23]的测定方法。

1.2.8 数据统计分析采用SPSS 21.0 软件对各单因素进行独立样本t 检验，采用Duncan 检验分析单因素的差异性，结果以平均值±标准差(Mean±SD)表示。每组实验重复3次，显著性水平P<0.05为显著差异，P<0.01为极显著差异。

2 结果与分析

2.1 微胶囊的理化性质

由表1 可知，紫苏籽油微胶囊水分含量仅为2.17%，水分含量低，能够保障产品货架期；堆积密度为0.43 g/cm3，处于低堆积密度(0.10～0.20 g/cm3)和高堆积密度(0.50～0.65 g/cm3)之间，且溶解度为74.65%±0.34%，表明该微胶囊溶解性好；休止角为36.27°±0.17°，处于30°～45°之间，表明该微胶囊粘度较小、表面光滑、易于流动；微胶囊粒径大小均匀，为(17.52±1.86)μm，分布相对集中；微胶囊化包埋率为86.5%，表明该方法微胶囊化成功。

表1 微胶囊的理化指标

图1是扫描电子显微镜观察到的紫苏籽油微胶囊表面微观形态，由图1可见，微胶囊外观呈球形或椭球形，且形态大小均匀。进一步放大发现，颗粒表面存在一些褶皱和凹陷，但没有裂纹及孔洞出现，有一些微小颗粒附着于微胶囊表面，这可能是由于液滴在雾化过程中相互挤压导致粘连，或是干燥过程中受到液滴水分迁移及表面张力的影响。若微胶囊壁材于热气流所造成的膨胀前固化，也会导致壁材收缩从而出现凹陷或褶皱现象，这种现象的发生与壁材中碳水化合物的含量有关[24-25]。

图1 微胶囊表面微观结构

2.2 微胶囊红外光谱扫描

由图2 可知，紫苏籽油微胶囊红外光谱图主要是由阿拉伯胶、β-CD 与紫苏籽油的红外光谱峰叠加而成。在2.99 μm时阿拉伯胶和β-CD的羟基伸缩振动，紫苏油中不含羟基，在此处无振动；在8.33～10 μm 为阿拉伯胶和β-CD吡喃环醚键C-O-C的伸缩振动。

图2 微胶囊的红外光谱

紫苏籽油中亚麻酸和亚油酸的C=C 在3.57～3.23 μm 处形成3 个强振动峰，在5.72 μm 的振动峰是紫苏籽油中脂肪酸的C=O振动引起的，紫苏籽油和微胶囊均具有这4 个吸收峰，但紫苏籽油吸收峰强度明显高于微胶囊，表明微胶囊里紫苏籽油的对应基团的振动较弱，说明壁材对芯材起到了很好的包裹作用。

2.3 微胶囊脂肪酸组成及相对含量

由表2 可知，微胶囊和紫苏籽油中脂肪酸组成完全一致，主要含有12种脂肪酸，碳链长度为C14～C22，不饱和脂肪酸含量丰富，包括单不饱和脂肪酸，如油酸、二十碳酸和棕榈油酸，多不饱和脂肪酸，如亚麻酸和亚油酸。微胶囊中，仅肉豆蔻酸、十五烷酸和硬脂酸相对含量高于紫苏籽油，差异显著(P<0.05)，其余脂肪酸相对含量无显著差异(P>0.05)。

表2 微胶囊化前后脂肪酸组成及相对含量

2.4 微胶囊热稳定性

由图3 中TG 曲线可知，随着温度的升高，紫苏籽油质量一直维持不变，300℃开始急剧下降，475℃蒸发完全，基本无剩余。微胶囊从升温开始有少量的质量损失，到100℃趋于平稳，可能是由于微胶囊表面水分蒸发引起的，260℃开始急剧下降，在260～500℃内存在2 个质量损失阶段，分别是微胶囊壁材的热降解和紫苏籽油的脂肪酸降解引起的质量损失，500℃热重曲线趋于平缓，与紫苏籽油相比，还存在一些残余物。由DTG曲线可知，微胶囊第一阶段分解速率仅为每分钟1.08%，对应其水分挥发阶段，第二阶段和第三阶段分解速度分别为每分钟9.82%和3.13%；紫苏籽油第一阶段无分解，第二阶段和第三阶段分解速度分别为每分钟11.51%和5.83%，都显著高于微胶囊。

图3 微胶囊热重图

由图4 中DSC 曲线可知，在50℃以下微胶囊能够保持稳定的固体形态，92.85℃微胶囊形态开始发生转变，随着温度的升高，微胶囊进一步熔解，晶体结构转变为非晶态，熔解峰值为133.37℃。可见，室温热处理不会改变微胶囊的形态结构。

图4 微胶囊差示扫描量热图

将微胶囊和紫苏籽油在60℃的烘箱中分别放置4、8、12、16、20和24 d，测定紫苏籽油微胶囊的POV和TBA，结果如图5所示。由图5可知，微胶囊初始POV值为3.93 mmol/kg，紫苏籽油初始POV 值为3.77 mmol/kg。从第4 天开始，随着贮存时间的增加，微胶囊和紫苏籽油的POV 都开始升高，但紫苏籽油POV值上升很快，微胶囊POV值上升速度低于紫苏籽油，差异极显著(P<0.01)，表明微胶囊壁材减缓了芯材的过氧化反应。

图5 不同贮藏时间微胶囊POV值

由图6可知，从第4天开始，随着贮存时间的增加，微胶囊和紫苏籽油的TBA值都开始升高，但紫苏籽油TBA值上升很快，微胶囊TBA值上升速度低于紫苏籽油，差异极显著(P<0.01)，表明微胶囊壁材减缓了芯材的氧化进程。

图6 不同贮藏时间微胶囊TBA值

3 讨论

3.1 微胶囊的理化性质

微胶囊的理化性质包括微胶囊产品密度、平均粒径、溶解性、含水量、流散性以及微观结构，高质量的微胶囊产品必须具有含水率低、稳定性高、流散性好、颗粒均匀、粒度大小适中和溶解性好等特性。Ogrodowska等[26]以麦芽糖糊精，瓜尔豆胶和乳清蛋白浓缩物为壁材，采用喷雾干燥法和冷冻干燥法分别对苋菜油进行包埋，结果发现，与冷冻干燥法(55.20%)相比，喷雾干燥法(81.70%)的微胶囊化效率更高。Lv等[27]制备杜香油微囊时以明胶和阿拉伯胶为壁材，并采用复凝聚法进行制备，平均包埋率为79.62%。Kang等[28]以阿拉伯胶和麦芽糊精为壁材，采用喷雾干燥法对叶绿素进行包埋，包埋率为77.19%。Fang 等[29]以明胶和海藻酸钠为壁材制备的虾青素微胶囊含水量为4.72%±0.01%，休止角为41.20°±0.42°。王月月等[30]以阿拉伯胶和β-CD，通过喷雾干燥制备洋葱精油微胶囊，含水率为3.69%，堆积密度为0.786g/cm3。由表1 可知，本方法以单甘脂/蔗糖酯(6:4)为复合乳化剂，以阿拉伯胶/β-CD(1:2)为壁材，壁材/芯材比为3:1，制备的紫苏籽油微胶囊水分含量仅为2.17%，说明喷雾干燥过程中的微胶囊水分蒸发较充分，有利于产品的储藏和货架期的延长。溶解度为74.65%，堆积密度为0.43 g/cm3，保证了产品具有易溶于水的性能。根据休止角与产品流动性的对应关系可知，休止角30°～45°表明流动性较好，本方法制备的紫苏籽油微胶囊休止角为36.27°±0.17°，表明产品粘度低，流动性较好。微胶囊的粒径分析说明，微胶囊粒径大小均匀，呈正态分布，主要集中在(17.52±1.86)μm。通过SEM观察发现，微胶囊颗粒圆整，囊壁表面平整光滑，无孔洞或破裂现象。

由表2 可知，喷雾干燥后紫苏油的PUFAs 相对含量略微下降，而MUFAs 和SFAs 的相对含量与喷雾干燥前相比略微增加。这是因为在喷雾干燥过程中，紫苏油中极少部分的PUFAs 向MUFAs 和SFAs 转变所致。在喷雾干燥后，微胶囊紫苏籽油的不饱和脂肪酸仍然非常丰富，高达70.85%，其中功能性成分α-亚麻酸和亚油酸分别为36.14%和19.49%。由此可见，采用喷雾干燥法制备紫苏油微胶囊虽然经过瞬间高温，但未对紫苏籽油不饱和脂肪酸的营养成分造成破坏。

3.2 微胶囊的热加工稳定性

紫苏籽油含有丰富的不饱和脂肪酸，通过微胶囊包埋技术，避免高温处理和长时间储藏而发生氧化作用，达到保护紫苏籽油的营养物质，扩大紫苏籽油的应用范围[31]。

由图3 和图4 可知，在100～260℃持续升温过程中，紫苏籽油微胶囊几乎无质量损失；在260～500℃范围内，发生了2个阶段的质量损失，分别是由于紫苏油微胶囊壁材的热降解以及紫苏油的脂肪酸降解和断裂所造成的质量损失。紫苏籽油微胶囊在92.85℃发生玻璃态转变，微胶囊的部分成分的刚度和粘度开始下降，弹性增加，随着加热温度的继续升高，此时有序的晶体结构向无序的非晶体转变，紫苏油微胶囊逐渐发生热熔解，熔解的峰值温度为133.37℃。可见，在常规的热加工处理过程中，紫苏油微胶囊的结构仍能保持完整。

据国标GBT 1534—2017，压榨成品花生油质量指标中，POV值要求≤6 mmol/kg。将微胶囊和紫苏籽油在60℃放置24 d，探究不同贮藏时间微胶囊紫苏油的氧化程度。由图5 可知，60℃条件下储存4 d 时，紫苏籽油微胶囊POV 值仍符合标准，而紫苏籽油POV 值已超标，表明微胶囊壁材减缓了芯材的过氧化反应。Winne等[32]研究了红毛丹提取物在加速条件下对葵花籽油稳定性的影响，将葵花籽油置于60℃条件下储存24天，每6 d检测一次TBA值。第24天，100 ppm的粗提物显示TBA 值为11.98 mg/kg，粗提物200 ppm 为(9.19±0.59) mg/kg，300 ppm 的粗提物显示TBA 值为(8.20±0.81) mg/kg。由图6 可知，紫苏籽油第24 天时TBA 值为26.18 mg/kg，经包埋过的紫苏籽油微胶囊TBA 值为7.93 mg/kg，结果表明微胶囊壁材减缓了芯材的氧化进程。综上所述，微胶囊POV 值和TBA 值的上升速度要显著低于紫苏籽油(P<0.01)，说明复合壁材对紫苏籽油起到了良好的保护作用，形成的致密囊壁结构有效阻止氧气的渗透率，减缓芯材油脂的氧化速度，保障了微胶囊产品的质量，扩大了产品的应用范围。

4 结论

微胶囊的物理特性与其未来开发和应用前景有密切关系。本试验以阿拉伯胶和β-CD 为壁材，以单甘酯-蔗糖酯复配物为乳化剂，通过喷雾干燥法制备紫苏籽油微胶囊。本方法制备的紫苏籽油微胶囊休止角为36.27°±0.17°，表明产品粘度低，流动性较好。微胶囊粒径大小均匀，呈正态分布，主要集中在(17.52±1.86)μm，表明产品颗粒均匀，粒度大小适中。紫苏籽油微胶囊水分含量仅为2.17%，说明喷雾干燥过程中的微胶囊水分蒸发较充分，有利于产品的储藏和货架期的延长。溶解度为74.65%，堆积密度为0.43 g/cm3，保证了产品具有易溶于水的性能。在喷雾干燥后，微胶囊紫苏籽油的不饱和脂肪酸仍然非常丰富，高达70.85%，可见采用喷雾干燥法制备紫苏油微胶囊虽然经过瞬间高温，但未对紫苏籽油不饱和脂肪酸的营养成分造成破坏。从紫苏籽油微胶囊的物理特性及热加工稳定性方面来看，该产品具有流散性好、稳定性高、含水率低、颗粒均匀、粒度大小适中和溶解性好等特性，耐热性好，可以作为热饮品的添加剂，并且延长了紫苏油产品的货架期。该结果为紫苏籽油微胶囊化提供了一种新的方法，为扩大紫苏籽油的应用范围提供了重要参考价值。