乳脂是乳中主要成分之一,约占总乳质量的3%~5%,主要以脂肪球形式存在于乳中[1]。乳脂中含有人体所需脂肪酸和脂溶性维生素等有效成分,其短链脂肪酸含量较高,且挥发性脂肪酸含量可达14.9%。因此,乳脂香味浓厚,口感绵密,易被人体消化,并可以参与机体代谢[2-3]。研究证明,羊奶乳脂中的油酸可以加速胆固醇代谢,提高脂肪酸流动性[4-5]。乳脂中的一些成分还可以预防肠道疾病,且具有免疫调节作用[6]。乳脂常被用作奶油、蛋糕、面包、饮料等产品原料,但其含有约30%的不饱和脂肪酸,易发生氧化产生自由基,引起乳脂氧化腐败,降低产品品质[7],致使乳脂利用受到限制。因此,需要进行乳脂优化保存[8]。
微胶囊技术通过均质作用将壁材连续包裹在芯材周围,保护芯材中的活性物质和敏感物质,提高芯材的热稳定性、氧化稳定性和保质期[9]。壁材对乳脂的保护效果主要取决于壁材的组成及芯材与壁材之间的结合能力。因此,选择合适的壁材是乳脂微胶囊制备过程中的一个重要环节。碳水化合物和蛋白质类物质常被用作壁材原料。大豆分离蛋白(soybean protein isolate,SPI)具有良好的稳定性、水溶性和乳化特性,被视为优良的微胶囊壁材[10]。SPI表面活性高,在微胶囊制备过程中可以促进乳脂分散,使体系在斥力作用下形成稳定的乳液[11]。麦芽糊精(maltodextrin, MD)作为常用壁材,具有溶解性高、黏度低、含糖量低等特点,但其在乳化过程中的成膜性和乳化稳定性较差,可能使得到的微胶囊包埋率不高[12-13]。为解决单一壁材制备微胶囊的弊端,常使用复合壁材制备微胶囊以提升芯材的包埋效果。有研究表明,MD和其他壁材混合使用时,微胶囊表面的平整度和光滑感都有所改善,且形成的微胶囊强度和致密性增大[14]。目前,羊乳脂(goat milk fat, GMF)仍缺乏较好的保存方法,易发生氧化腐败,造成乳脂浪费,降低产品品质。因此,探索有效的GMF包埋和干燥技术对其优化保存非常必要。
本研究以GMF、SPI和MD为材料,在充分乳化条件下,采用真空冷冻干燥技术制备不同壁材质量比的GMF微胶囊,并对不同壁材比微胶囊进行包埋率测试,明确微胶囊乳液粒度与包埋率之间的关系,探索最优包埋条件下GMF微胶囊的基本物理特性、微观表征、结构和储藏稳定性,为制备高包埋率的GMF微胶囊提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
鲜羊奶购于陕西省西安市奶山羊养殖户并用冰盒运回,在4 ℃、7 500 r/min条件下离心20 min,获得羊乳脂,作为GMF芯材。
大豆分离蛋白(食品级),临沂山松生物制品有限公司;麦芽糊精(食品级),河南宏益生物有限公司;冰乙酸、碘化钾、石油醚(30~60 ℃沸程)、可溶性淀粉、硫代硫酸钠、溴化钾等均为分析纯,天津市天力化学试剂有限公司。
1.2 主要仪器
Nicolet iS10傅里叶红外光谱分析仪,美国赛默飞世尔科技公司;Bruker D8 Advance粉末X射线衍射仪,德国布鲁克公司;NanoBrook 90Plus PALS型激光粒度Zeta电位仪,美国布鲁克海仪器公司;TM3030台式扫描电子显微镜,日本日立公司;NS800色差仪,深圳三恩驰科技有限公司;TGL-16gR离心机,上海安亭科学仪器厂;ULTRA-TURRAX®型匀浆机,德国IKA集团;HD-5型智能水分活度测量仪,无锡市华科仪器仪表有限公司。
1.3 GMF微胶囊的制备
分别按照1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的质量比称取SPI和MD,混合后每组添加0.5 g单硬脂酸甘油酯作为乳化剂,用超纯水配置成质量分数30%的壁材溶液,充分混匀后于4 ℃过夜水化。分别称取一定质量的GMF,加入35 mL壁材溶液,在24 000 r/min条件下均质10 min,制备好的乳化液真空冷冻干燥48 h,得到GMF微胶囊粉末。
1.4 不同壁材质量比微胶囊包埋率测定
GMF微胶囊包埋率的测定参考陈欣[15]的方法。
1.4.1 表面油测定(W1)
精确称取1 g GMF微胶囊粉末(m1)于烧杯中,加入30 mL乙醚,摇床振荡5 min,提取结束后进行过滤,将滤液放置在恒重的锥形瓶(m2)中,50 ℃水浴挥发有机溶剂后,将残留物105 ℃烘干至恒重(m3),利用公式(1)计算表面油:
W1= ×100%。
1.4.2 总油测定(W2)
精确称取1 g GMF微胶囊粉末(m4)于烧杯中,加入30 mL V无水乙醇∶V石油醚∶V乙醚=2∶1∶1的混合溶液,摇床振荡15 min,总油提取结束后过滤,将滤液放置在恒重锥形瓶(m5)中,50 ℃水浴挥发有机溶剂后,将残留物105 ℃烘干至恒重(m6),利用公式(2)计算总油:
W2= ×100%。
微胶囊包埋率根据公式(3)进行计算:
包埋率= ×100%。
1.5 GMF微胶囊乳液粒度测定
取适量样品稀释100倍,使用激光粒度Zeta电位仪进行粒度测定,各处理组样品重复测定3次。测定条件设置为:温度27 ℃,平衡时间60 s,测量时间120 s。
1.6 GMF微胶囊物理特性测定
1.6.1 水分含量测定
GMF微胶囊水分含量参考《食品安全国家标准食品中水分的测定》(GB 5009.3-2016)进行测定。
1.6.2 水分活度测定
GMF微胶囊水分活度使用智能水分活度测量仪进行检测。
1.6.3 溶解度测定
GMF微胶囊溶解度测定参考常馨月[16]的方法。
1.6.4 色泽测定
GMF微胶囊色度值使用色差仪进行测定。仪器经过黑白板矫正后进行色泽测定并记录L*(亮度)、a*(红度)、b*(黄度)值。
1.7 扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)观察
取少量样品放置在贴有导电胶的样品台上,喷金后使用SEM在15 kV电压下观察GMF微胶囊的结构。
1.8 傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)测定
样品FTIR测定参考Karrar等[8]的方法。分别将GMF、SPI、MD、微胶囊与溴化钾以1∶200的质量比混合,充分研磨后压片,进行FTIR测定。测定条件设置为:波数范围4 000~400 cm-1,分辨率2 cm-1,扫描次数30次。
1.9 X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)测定
样品XRD测定参考Adsare等[17]的方法。用粉末X射线衍射仪分别测定GMF、SPI、MD、微胶囊粉末的物相组成。测定条件设置为:扫描衍射角度5°~50°,扫描速度5(°)/min。
1.10 吸湿性测定
微胶囊吸湿性测定参考Lin等[10]的方法,并稍作改进。精确称取一定质量的微胶囊,放置在90%湿度的恒温恒湿培养箱中,每隔一定时间称重,计算样品的增重率。
1.11 过氧化值(peroxide value,POV)测定
微胶囊过氧化值的测定参考《食品安全国家标准食品中过氧化值的测定》(GB 5009.227-2016)进行。精确称取1 g样品于碘量瓶中,加入15 mL三氯甲烷-冰乙酸混合液(V三氯甲烷∶V冰乙酸=2∶3)充分混合,加1 mL饱和碘化钾溶液,充分混合振荡,黑暗静置3 min,加入50 mL水,摇匀后用0.01 mol/L的硫代硫酸钠滴定至淡黄色,加入0.5 mL 1%淀粉指示剂后溶液变蓝,继续滴定至蓝色消失为终点,并做空白对照。分别测定25 ℃室温条件和4 ℃冷藏条件下微胶囊储藏0、7、14、21、30 d的POV。
1.12 数据处理
样品指标测定结果用平均值±标准差的形式进行表示,使用IBM SPSS Statistics 20进行单因素方差分析,使用Origin 2018对得到的数据进行绘图。
2 结果与分析
2.1 不同壁材质量比的乳液粒度和微胶囊包埋率
如图1B所示,随着mSPI∶mMD的增大,微胶囊包埋率显著上升(P<0.05),当mSPI∶mMD=1∶4时,微胶囊包埋率达到最大,为92.5%±1.3%,之后微胶囊包埋率又显著降低(P<0.05)。可以看出,不同壁材质量比的乳液粒度和微胶囊包埋率呈相反变化趋势,二者负相关。
2.2 微胶囊的基本物理特性
微胶囊的基本物理特性结果如表1所示。以SPI和MD为壁材,通过真空冷冻干燥得到的乳脂微胶囊样品的水分含量为4.5%±0.4%,水分活度为0.174%±0.002%,说明样品在冷冻干燥时乳液中的水分充分挥发,达到了微胶囊产品水分含量所需标准,有利于微胶囊储藏。微胶囊样品的L*=85.41±0.40,a*=0.12±0.03,b*=9.05±0.10,说明微胶囊样品的颜色呈现米白色。上述乳液的粒径为1 019.22±78.25 nm,而微胶囊的粒径为954.20±11.35 nm,表明微胶囊在经过冷冻干燥后由于水分流失而发生皱缩,粒度变小。复合壁材的GMF包埋率较高,为92.5%±1.3%。微胶囊的溶解度较好,为73.02%±2.90%。
表1 微胶囊的基本物理特性Tab.1 The physical properties of the microcapsule |
| 基本物理特性 | 结果 |
|---|---|
| 水分含量/% | 4.5±0.4 |
| 水分活度/% | 0.174±0.002 |
| L* | 85.41±0.40 |
| a* | 0.12±0.03 |
| b* | 9.05±0.10 |
| 粒径/nm | 954.20±11.35 |
| 包埋率/% | 92.5±1.3 |
| 溶解度/% | 73.02±2.90 |
2.3 微胶囊的结构
微胶囊粉末的SEM结果如图2a所示,可以看出,经过冷冻干燥后,微胶囊形状不规则,外部比较粗糙,微胶囊之间成块状黏连在一起,表面小孔清晰可见。取视野的一部分结果放大观察,微胶囊呈片状,比较疏松地黏连在一起,表面有片状和球形物质,从微胶囊切口和表面处可以看到密集的小孔。
GMF、SPI、MD和微胶囊的FTIR测定结果如图2b所示。在SPI的FTIR光谱中,3 296.18 cm-1处的峰代表-OH的振动,2 929.32 cm-1处的峰代表-CH的拉伸,1 647.69 cm-1(酰胺Ⅰ)处观察到的峰是C=O基团的伸缩振动[18],1 530 cm-1(酰胺Ⅱ)处的峰是N-H的振动,1 397.18 cm-1处的峰是—CN的拉伸[19]。MD在3 380 cm-1和2 920 cm-1处的峰是多糖中-OH基团和-CH基团的典型峰,1 632 cm-1处的峰代表C=O的伸缩,1 365 cm-1处的吸收峰是-CH3基团发生振动引起的[20-21]。GMF中的-OH基团在3 306.19 cm-1处表现出吸收峰,-CH基团在2 918.98 cm-1和2 852.93 cm-1处可以进行强烈的拉伸振动,1 744.51 cm-1处较强的吸收峰是C-O基团拉伸振动引起的,1 163.36 cm-1处表现出C-O-C基团的拉伸,1 657 cm-1处的峰代表C=O的振动,1 466 cm-1处的吸收峰是-CH2变形引起的[19,21-22]。微胶囊中3 290 cm-1、2 923 cm-1和2 852 cm-1处的峰为-OH和-CH的特征峰,在GMF中出现的C-O键在微胶囊粉末中消失,1 657 cm-1、1 466 cm-1和1 370 cm-1处的吸收峰强度减小,C=O和-CH2的强度在微胶囊中减弱,说明GMF被壁材包裹。SPI中N-H键在微胶囊中消失,主要是因为微胶囊在包裹过程中N-H键的振动削弱。
GMF、SPI、MD和微胶囊的XRD测定结果如图2c所示。GMF在2θ为20°和23.5°处出现明显特征峰,且在20°处的特征峰比较宽,在23.5°处的特征峰狭窄尖锐;SPI和MD分别在19°和17.5°处出现明显特征峰,而且特征峰较宽;微胶囊在19.5°和21°处出现明显特征峰,2处特征峰狭窄且尖锐。该结果表明复合壁材和GMF在均质过程中结合形成了新的结晶相,复合壁材成功包埋了GMF,GMF微胶囊形成。
2.4 微胶囊的吸湿性
微胶囊的吸湿性测定结果如图3所示。微胶囊增重率在前12 h显著升高(P<0.05),其中,1~3 h和3~12 h分别以大速率和较大速率增加,1 h时微胶囊的增重率为4.73%±0.37%,微胶囊表面发生团聚现象,12 h时微胶囊增重率达到10.92%±0.34%,团聚现象加剧,且容器表面可以观察到油状物质。12 h以后微胶囊增重率较前12 h减小,42 h后微胶囊增重率趋于稳定,吸湿性稳定在11%~12%。
2.5 微胶囊储藏期间的POV
不同储藏条件下微胶囊粉末的POV结果如图4所示。在4 ℃冷藏条件下,随着储藏时间的增加,前21 d微胶囊的POV显著增加(P<0.05),21 d后微胶囊的POV变化无显著差异(P>0.05)。在25 ℃室温条件下,POV的变化趋势与冷藏条件下的变化趋势相似。室温条件下微胶囊的POV增长速度总体高于冷藏条件下微胶囊的POV增长速度,因此冷藏条件下更有利于微胶囊的储藏。
3 讨论
本研究使用SPI和MD作为壁材,采用真空冷冻干燥技术制备GMF微胶囊。研究首先探究了不同壁材质量比的乳液粒度和微胶囊包埋率的变化。不同壁材质量比乳液中,随着MD含量的增加,乳液粒度和微胶囊包埋率呈负相关变化。乳液的粒度越小,微胶囊的包埋率越高,这可能是由于该包埋壁材与GMF形成了较小的微粒,微胶囊稳定性较强,致使微胶囊包埋率增大[16]。
通过测定最高包埋率微胶囊的基本物理指标、结构以及储藏条件下的POV,评价微胶囊的综合性能。微胶囊的水分含量应保持在2%~5%,本实验测定的微胶囊水分含量为4.5%±0.4%,符合微胶囊水分含量正常范围[23]。微胶囊的水分活度为0.174%±0.002%,结合水分含量测定结果,说明微胶囊比较容易储藏。微胶囊的颜色呈米白色,因为微胶囊的颜色以包裹在GMF外部的壁材颜色为主。微胶囊的包埋率与粒度有密切关系,通过测定微胶囊粒度发现微胶囊可以达到纳米级别。所制备的微胶囊具有较好的溶解度(73.02%±2.90%),这是由于复合壁材中大部分成分是MD,其水溶性好,与SPI结合后,MD的特性被充分展现出来,体现出较好的微胶囊溶解性。
SEM、FTIR和XRD测定结果反映出微胶囊具有较好的包埋效果。对微胶囊进行SEM观察发现,微胶囊聚集并黏连在一起,表面有皱缩,这可能是因为在真空冷冻干燥过程中压力突然降低,水分挥发造成了微胶囊表面的皱缩和黏连[24]。经过冷冻干燥后的微胶囊表面会出现小孔,这是因为乳液中被冻结的水经冻干被去除,该过程使得微胶囊表面产生密集小孔[25]。FTIR可检测样品的基团和结构,通过FTIR测定发现,GMF中C-O的强度较大,但在微胶囊粉末中C-O消失,且GMF中某些吸收峰的强度减弱,表明壁材和GMF在均质过程中形成了新的化学键,较强的特征峰覆盖了乳脂中较弱的特征峰[26]。XRD特征峰的宽度表示样品的结晶程度,样品的XRD特征峰宽度越宽表明样品的结晶度越低,无定形结构越多。GMF、SPI、MD的XRD图谱中有比较宽的特征峰,而微胶囊的特征峰在较宽的特征峰上出现窄而尖锐的特征峰,说明GMF微胶囊中形成有新晶体,且晶体强度较大,GMF可以被有效包埋。
为探究微胶囊储藏的适宜条件,测定微胶囊的吸湿性和不同温度下微胶囊储藏过程中的POV。较低的吸湿性更有利于微胶囊保存,不会引起粉末团聚,还能延长产品保质期[27]。在高湿度环境中,水分子会向微胶囊表面迁移,而GMF会向微胶囊壳层的固-气相迁移,引发微胶囊团聚,降低微胶囊的稳定性[28]。此外,微胶囊水分含量越低,越容易吸水[29]。本研究测得的微胶囊水分含量为4.5%±0.4%,吸湿性较强。油脂的POV在某种程度上反映油脂的新鲜程度,可以评价油脂的氧化稳定性。GMF经过包埋后,能在一定程度上抑制腐败。本研究测定了冷藏和室温条件下微胶囊的POV,结果发现0~21 d POV显著升高,这是因为随着储藏时间的延长,油脂氧化程度加剧,致使POV迅速升高;21 d后油脂氧化程度接近饱和,POV趋于稳定。储藏时间相同时,微胶囊室温条件下的POV大于冷藏条件下的POV,这是因为温度过高会加速油脂氧化,致使油脂过氧化值增大[30]。微胶囊的POV随着储藏时间的延长而增大也可能是因为在储藏过程中,微胶囊的包埋作用下降,乳脂暴露在外部被氧化所致[13]。可见,微胶囊需要在低温干燥的条件下进行保存。
4 结论
本研究采用不同壁材质量比制备GMF微胶囊乳液,并采用真空冷冻干燥技术制备微胶囊样品,探究了微胶囊粒度和包埋率的变化及微胶囊品质。制备的微胶囊包埋率较高且粒度较小,呈米白色,水分含量小,溶解度较高;FTIR分析发现GMF的特征峰在微胶囊中被弱化,XRD分析发现微胶囊形成有新的结晶,说明微胶囊包埋效果较好。吸湿性和储藏稳定性分析表明,微胶囊需要在干燥、低温条件下进行储藏。