响应面优化山桐子油微胶囊喷雾干燥工艺

李 凯, 马立志,2,3, 常云鹤,2,3, 冯红霞,2,3, 邹 康,2,3, 尚祖飞,2,3, 陈大龙

(贵阳学院食品与制药工程学院1,贵阳 550005)(贵州省果品加工工程技术研究中心2,贵阳 550005)(贵州省果品加工、贮藏与安全控制协同创新中心3,贵阳 550005)(贵州初好农业科技开发有限公司4,六盘水 553000)

山桐子又称水冬桐是大风子科落叶乔木植物,生长快、适应能力强,山桐子有“树上的油库”美誉,可作为木材和油料两用的树种[1],广泛分布于云南、广西、四川、贵州等地[2],在贵州省主要分布于六盘水市和遵义市等。其果肉占果实总质量的62.3%,种子占37.6%[3],其果实含油率为36.71%(质量分数)[4],山桐子油营养丰富,含有大量的油酸和亚油酸[5]等,山桐子油中的不饱和脂肪酸能增强人体的抗氧化和免疫的能力[6-8];山桐子作为木本油料运用比较广泛,目前对山桐子油微胶囊产品的开发鲜有研究。

因为食用油脂不易分散在食品体系中,把生理活性、加工性能限制了[9]。山桐子油含有丰富的亚油酸,使其储存稳定性较差,运用面变窄。通过微胶囊技术对山桐子油进行包埋,使其转化粉末油脂,即山桐子微胶囊。粉末油脂方便运输、储藏,可增加油脂的使用面,而油脂微胶囊化可防止油脂的氧化酸败[10,11]。

研究使用喷雾干燥法制备山桐子油微胶囊,通过控制壁材与芯材质量比、麦芽糊精与大豆分离蛋白的壁材复配质量比、水与壁材质量比[12]等因素进行响应面分析优化工艺条件,制备山桐子油微胶囊。测试山桐子微胶囊包埋率、观察外观特征、测定氧化稳定性,为山桐子油微胶囊提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山桐子果:来源于贵州省仁怀市山桐子种植基地;麦芽糊精、大豆分离蛋白等级为食品级;单硬脂酸甘油酯、正己烷、石油醚纯度为分析纯。

1.2 仪器与设备

ZYJ908型螺旋榨油机,LPG-5高速离心喷雾干燥机,FA2004分析天平,RV10DS96旋转蒸发仪,KY-D500高剪切乳化分散机,APV200 实验型高压均质机,JF14112油脂氧化稳定性分析仪器,LSM 900AS2激光共聚焦显微镜。

1.3 方法

1.3.1 山桐子油的榨取

参考宋明发等[13]方法,将筛选后山桐子果经烘箱烘干后,在螺旋榨油机内压榨,取毛油经精炼后得到成品油。其精炼主要步骤为脱胶、脱酸、脱色、脱臭。脱胶:温度60 ℃,EDTA-2Na溶液浓度0.14 mol/L,SDS溶液浓度0.06 mol/L,水添加量8%,脱胶时间15 min,柠檬酸添加量0.16 g/mL;脱酸:NaOH质量浓度为0.15 g/mL、超碱量为0.25%、碱炼温度为35 ℃、碱炼时间为45 min;脱色:活性白土添加量17%、温度94 ℃、搅拌时间94 min;脱臭:选择脱臭温度185 ℃,脱臭时间100 min。

精炼后山桐子油的酸价(KOH)为0.95 mg/g、过氧化值0.03 g/100 g、碘值129.48 g/100 g、皂化值210.34 mg/g。

1.3.2 山桐子油微胶囊的制备

常见喷雾干燥制备油脂微胶囊大多数采用β-环状糊精、大豆分离蛋白作为壁材,单硬脂酸甘油酯作为乳化剂,再添加芯材油脂乳化混匀后进行喷雾干燥制得粉末油脂,喷雾干燥时进风温度170 ℃以上。实验选择以麦芽糊精[14]、大豆分离蛋白作为复配壁材,麦芽糊精具有具有黏性大、增稠性强、溶解性好、速溶性佳、载体性好、发酵小、吸潮性低、无异味等特点,单硬脂酸甘油酯作为乳化剂,乳化剂以芯材的2%质量分数添加,将山桐子油滴在溶液中进行搅拌制得乳液,用均质机将初乳液均质4次,然后用喷雾干燥机在温度165 ℃下进行喷雾干燥制得微胶囊。

1.3.3 山桐子油微胶囊包埋率测定

参照李福祥等[15]、杨艳红等[16]、付红军等[17]的方法并稍作修改。

山桐子油微胶囊未包埋的游离油的测定:称取山桐子油微胶囊10 g放入烧杯中,先用50 mL石油醚加入至烧杯中振荡5 min过滤到事先称好质量的烧瓶中,记空烧瓶质量为m瓶,再将150 mL的石油醚分多次加入烧杯中,每次润洗烧杯后再振荡5 min进行过滤到烧瓶里,将烧瓶接入旋转蒸发仪蒸发并回收溶剂,将烧瓶置于烘箱中50 ℃烘干5 min,烧瓶和油的总质量记为m瓶油,未包埋油质量记为m1。

m1=m瓶油-m瓶

山桐子油微胶囊总油测定:称取山桐子油微胶囊10 g加入80 mL正己烷进行超声振荡处理40 min,然后过滤到已经称质量的烧瓶中,然后用120 mL正己烷清洗滤渣过滤到烧瓶中进行真空抽滤,将烧瓶接入旋转蒸发仪蒸发并回收溶剂,将烧瓶置于烘箱中50 ℃烘干5 min,得出总油质量m2。

山桐子油微胶囊包埋率记为E。

E= (1-m1/m2)×100%

式中:m1为山桐子油微胶囊表面油质量/g;m2为山桐子油微胶囊总油质量/g。

1.4 山桐子油微胶囊工艺研究

1.4.1 微胶囊化单因素实验

取初乳液500 mL,以壁材与芯材质量比为4.5∶1.0,麦芽糊精与大豆分离蛋白的壁材复配质量比为4.5∶1.0,水与壁材体积质量比为7.5∶1.0的条件下进行单因素实验[12],观察各因素对山桐子油微胶囊包埋率的影响,实验设计见表 1。

表1 山桐子油微胶囊包埋因素水平表

1.4.2 响应面优化实验

根据单因素实验结果,以山桐子微胶囊包埋率[18]为响应值,利用Box-Behnken响应面方法进行3因素3水平响应面实验设计。

以单因素的实验结果设计响应面对工艺优化,设计表见表3。

表2 响应面因素与水平表

表3 响应面设计实验与结果

1.5 山桐子油微胶囊激光共聚焦显微镜观察

将少许山桐子油微胶囊粉末置于观察片上,放入激光共聚焦显微镜进行观察山桐子微胶囊样品的微观结构。

1.6 氧化稳定性测定

将山桐子油和山桐子油微胶囊常温储藏7 d和30 d,使用氧化稳定性指数法(OSI)测试山桐子油和山桐子油微胶囊OSI值,运用油脂氧化稳定性分析仪测出油脂的OSI值,OSI值可以表示山桐子油的氧化稳定性[19],通过常温存放的山桐子油和山桐子油微胶囊测出OSI值并记录,同时在等条件下测试出山桐子油和山桐子油微胶囊的酸价和过氧化值进行对比,参考行业标准LS/T 3258—2018《山桐子油》酸价(KOH)≤3 mg/g;过氧化值≤0.25 g/100 g从而推导出保质期。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 壁材与芯材质量比对山桐子油微胶囊包埋率的影响

由图1可见,在水的体积与壁材的质量比为7.5∶1.0,麦芽糊精质量与大豆分离蛋白的质量比4.5∶ 1.0,在温度165 ℃下进行喷雾干燥得山桐子油微胶囊,随着山桐子油所占比例降低,山桐子油微胶囊包埋率先增高后下降,壁材与芯材质量比为5.5∶1.0时山桐子油微胶囊包埋率达到最高。在壁材与芯材质量比低于5.5∶1.0时,山桐子油含量高,麦芽糊精和大豆分离蛋白只能包埋少部分山桐子油;当麦芽糊精和大豆分离蛋白质量与山桐子油质量比高于5.5∶1.0时,山桐子油在乳化液体系中扩散不均匀,使浓度降低,从而被包埋的山桐子油脂含量降低,使山桐子油微胶囊的包埋率降低。

图1 单因素实验图

2.1.2 麦芽糊精与大豆分离蛋白的壁材复配质量比对山桐子油微胶囊包埋率的影响

由图1可见,在水的体积与壁材的质量比为7.5∶1.0,壁材与芯材质量比4.5∶ 1.0,温度165 ℃下进行喷雾干燥得山桐子油微胶囊,山桐子油微胶囊包埋率随麦芽糊精与大豆分离蛋白的壁材复配质量比麦芽糊精所占比例升高,山桐子油微胶囊的包埋率先升高后降低,在麦芽糊精质量与大豆分离蛋白的质量比3.5∶1.0时山桐子油微胶囊包埋率达到最高,麦芽糊精质量与大豆分离蛋白的质量比低于3.5∶1.0时,乳化液黏度降低,麦芽糊精、大豆分离蛋白与山桐子油混合效果不理想,从而包埋率降低;麦芽糊精质量与大豆分离蛋白比高于3.5∶1.0时山桐子油乳化液体系就会变黏稠,山桐子油进入麦芽糊精和大豆分离蛋白孔隙中非常困难,山桐子油被麦芽糊精和大豆分离蛋白包埋得少,山桐子油微胶囊包埋率会呈下降趋势。

2.1.3 水与壁材质量比对山桐子油微胶囊包埋率的影响

由图1可见,在壁材与芯材质量比4.5∶1.0,麦芽糊精质量与大豆分离蛋白的质量比4.5∶1.0,温度165 ℃下进行喷雾干燥得山桐子油微胶囊,山桐子油微胶囊包埋率随水与壁材质量比水所占比例升高,山桐子油微胶囊的包埋率先升高后降低,在水与壁材质量比7.5∶1.0时,山桐子油微胶囊包埋率达到最高,当水与壁材质量比低于7.5∶1.0时,乳化液黏稠度不够,壁材对芯材包埋率降低;当水与壁材质量比高于7.5∶1.0时,壁材浓度降低,再加上纯净水和山桐子油难相溶,山桐子油与麦芽糊精和大豆分离蛋白混合不好,从而使山桐子油微胶囊包埋效果不佳。

2.2 响应面设计结果分析

根据因素水平表,利用Design-Expert.V8.0.6.1软件设计出实验组,结果见表3,通过软件对数据进行二次多项式回归拟合,山桐子油微胶囊包埋率(Y)回归方程:

Y=83.64-3.65A-5.19B-2.20C+1.89AB+0.23AC-1.37BC-9.35A2-6.43B2-4.80C2

为证明回归方程的有效性及三因素和因变量的影响,现对回归方程进行方差分析和显著性分析,详情见表4。

表4 山桐子油微胶囊包埋率方差分析及显著性结果

2.3 激光共聚焦LSM显微镜图

由图2a可知,山桐子油微胶囊在受热均匀条件下包埋油脂较多,颗粒饱满,形状规则;在图2b中,山桐子油微胶囊在喷雾干燥塔里停留时间长或者加热时间长时,导致微胶囊失水出现褶皱;在图2c中,山桐子油微胶囊在喷雾干燥塔里受热不均,微胶囊内部水分未均匀蒸发从而形成气孔导致微胶囊出现气孔凹陷,未包埋完全。

图2 激光共聚焦LSM显微镜图

2.4 氧化性实验

将山桐子油和山桐子油微胶囊常温储藏7 d和30 d,然后用油脂氧化稳定性分析仪器测出油脂的OSI值,然后与保质期进行对比,充分证明山桐子油微胶囊的制备对山桐子油具有保护作用,30 d后山桐子油微胶囊油的OSI及保质期限比常温存放的山桐子油要高,详情见表5。

表5 山桐子油OSI 值的变化表

3 结论

利用喷雾干燥技术,考察山桐子油微胶囊的包埋率受壁壁材与芯材质量比、麦芽糊精与大豆分离蛋白的壁材复配质量比、水与壁材质量比等条件的影响,在单因素试验的基础上,利用响应面中心组合方法优化山桐子油喷雾干燥制备微胶囊最佳工艺参数:壁材与芯材质量比为4.8∶1.0,麦芽糊精与大豆分离蛋白的壁材复配质量比为2.6∶1.0,水与壁材体积质量比为6.8∶1.0的条件下,山桐子油微胶囊包埋率达到84.22%。研究得出山桐子油微胶囊对油脂有保护作用,具有良好的抗氧化能力,货架保质期限较长。