张 维，陈丽蕊，时孟杰，刘 欢，范丽颖

（长春理工大学生命科学技术学院，吉林长春 130022）

榛子是我国继油茶、核桃和长柄扁桃后的重要木本油料作物，是发展木本油料产业的重要代表之一[1]。榛子油含量占有榛仁质量的60%，主要含有油酸、亚油酸和亚麻酸等不饱和脂肪酸，具有软化血管、抗氧化和提高免疫力等功能，是一种高端优质食用油[2−3]。但是榛子油在自然环境下极易受到环境因素的影响而氧化变质，造成油料资源的浪费。使用微胶囊技术将液态油脂制成固体粉末，既能保护油脂的质量，延长储藏期，也可以扩大榛子油的应用范围。

微胶囊技术是将固体颗粒、液滴或者气体（统称为芯材）用一种或几种天然或合成的成膜物质（统称为壁材）将其包埋形成粉末状颗粒的技术[4]。壁材的成分主要有蛋白质、糖类和胶体等，经微生物分解多糖降解得到的低聚糖（如α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精）在实际生产中应用广泛[5−6]。其中β-环糊精（βcyclodextrin,β-CD）的圆筒形结构可以与多种有机或无机分子结合形成稳定的固体包合物，同时具有无毒、价格便宜等特点，近年来在食品和医药领域发展迅速。

目前，对于榛子油微胶囊的研究报道较少且方法单一，李延辉等[7]和Fatih等[8]利用喷雾干燥法制备粉末化榛子油，得到粉末状颗粒油脂的粒度为16.7 μm。杨春瑜等[9]采用乳液聚合法制备榛子油粉末油脂，得到的微胶囊为圆球形，直径在5 μm以内，囊壁较为完整。以上研究主要集中在对微胶囊的工艺条件优化上且对实验设备的要求较高，同时对其理化性质的研究较少。本研究以β-CD为壁材，采用超声波辅助分子包埋法制备榛子油微胶囊，简化了微胶囊的制备工艺，并通过响应面法优化了最佳工艺参数，同时对其表征、微观结构、热稳定性和氧化稳定性等理化性质进行测定，以期延长榛子油的货架期，扩大其应用范围。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

平欧杂交榛 辽宁铁岭，脱壳粉碎，置于-18 ℃冰箱密封保存备用；β-CD 食品级，河南华悦有限公司；无水乙醇 北京化工厂；石油醚（60~90 ℃） 天津天泰化工；溴化钾 天津红岩试剂厂；试剂均为国产分析纯。

BCD-260WDGW低温冰箱 海尔公司；SB25-12DTD超声波清洗机 宁波新芝科技；RE-3000A旋转蒸发器 上海亚荣仪器厂；Biofuge Stratos低温高速离心机 北京昊诺斯科技公司；BSA124S电子分析天平 北京赛多利斯公司；XL-30扫描电子显微镜 荷兰Philips-FEI公司；IRA ffinity-1S傅里叶红外光谱仪 日本岛津制作所；STA449F3 Jupiter同步热分析仪 德国耐驰仪器；D8-Advance X-射线衍射仪 德国Bruker AXS公司。

1.2 实验方法

1.2.1 榛子油的提取 参考杨青珍等[10]的方法，称取一定质量的榛子粉，按液料比10 mL/g添加石油醚（60~90 ℃），超声（240 W）10 min，静置0.5 h。取上清液，离心（5000 r/min）10 min，再取上清液，旋转蒸发，真空干燥（60 ℃）至恒重，4 ℃冷藏备用。

1.2.2 榛子油微胶囊的制备 参考刘星等[11]的方法，称取一定量的β-CD，加入蒸馏水，搅拌溶解得到壁材溶液。称取适量的榛子油，加入等量无水乙醇，振荡溶解得到芯材溶液。将芯材缓慢滴加至壁材溶液，60 ℃下超声1 h，超声功率240 W（频率40 kHz），待冷却至室温，低温（4 ℃）冷藏12 h。抽滤，用30%乙醇溶液洗涤微胶囊2次，干燥（50 ℃）至恒重，即得到微胶囊产品，计算包埋率和产率。

1.2.3 榛子油微胶囊单因素实验 按照1.2.2的方法制备榛子油微胶囊，以包埋率为主要指标，根据控制变量法分别研究壁材浓度（H2O/β-CD）、壁芯比、包埋时间和包埋温度对包埋率和产率的影响，确定单因素的最佳水平。因素梯度水平见表1。

表1 单因素水平设计Table 1 Factors and levels of single factor

1.2.4 响应面分析法优化榛子油微胶囊工艺 结合单因素实验利用软件Design Expert 8.0.6中的箱式设计法（Box-Behnken Design，BBD）建立数学模型，以壁材浓度（H2O/β-CD）、壁芯比、包埋时间和包埋温度为自变量，包埋率Y（%）为响应值，设计四因素三水平试验，优化榛子油微胶囊的制备工艺。试验因素、代码和变化水平见表2。

表2 响应面试验因素与水平编码值Table 2 Response surface test factors and level code values

1.3 微胶囊包埋率与产率的测定

1.3.1 包埋率的测定 表面油测定[13]：准确称取微胶囊（w）于锥形瓶，加入20 mL石油醚，摇匀3 min，过滤，用石油醚洗涤锥形瓶和滤纸3次，收集滤液于旋转瓶（w1），旋转蒸发溶剂，干燥至恒重（w2）。表面油的计算公式为：

式中：Y为微胶囊表面油含量，%；w2为榛子油与旋转瓶总质量，g；w1为旋转瓶质量，g；w为微胶囊质量，g。

总油含量的测定：采用GB 5009.6-2016索氏抽提法测定总油含量。

包埋率的计算：

式中：EE为微胶囊包埋率，%；T为总油含量，%；Y为表面油含量，%。

1.3.2 产率的测定

式中：EY为微胶囊产率，%；m为微胶囊质量，g；m1为初微胶囊壁材质量，g；m2为微胶囊芯材质量，g[14−15]。

1.4 榛子油微胶囊理化性质的研究

1.4.1 基本理化性质 感官评定：采用QB/T 4791-2015中的感官要求测定榛子油微胶囊的感官性质。粒径测定：取少量榛子油微胶囊用蒸馏水稀释，使之分散均匀，再取一部分分散液，通过激光粒度仪测定[16]。密度测定：准确称取10 g榛子油微胶囊，加入有刻度的量筒中，轻敲量筒，上下振动至微胶囊的体积恒定，读取微胶囊体积，计算单位体积微胶囊的质量，即为微胶囊的密度。含水量测定：微胶囊中水分的测定参考GB 5009.3-2016中的直接干燥法。

1.4.2 溶解度 准确称取含水量为A的榛子油微胶囊m于烧杯，室温条件下分数次加入38 mL（25 ℃）蒸馏水，搅拌使之溶解。然后以5000 r/min离心10 min，去除上清，重复以上加水及之后的操作至沉淀不再溶解。最后用蒸馏水将剩余不溶物质洗至蒸发皿m1，干燥至恒重[17]。溶解度的计算公式为：

式中：S为微胶囊溶解度，%；m2为蒸发皿和不溶物的质量，g；m1为蒸发皿质量，g；A为微胶囊含水量，%；m为微胶囊质量，g。

1.4.3 休止角 固定好铁架台和漏斗，漏斗下放置一个圆平皿，从漏斗上方加入微胶囊，自然下沉于圆平皿上形成锥体（锥体底部需铺满平皿），测量锥体的高度[18]，休止角的计算公式为：

式中：F为微胶囊休止角，°；h为微胶囊锥体高度，cm；d为圆平皿直径，cm。

1.4.4 表面结构观察 取少量干燥的榛子油微胶囊和β-CD，撒于带有双面胶的样品台，除去多余粉末后喷金，用扫描电镜观察样品的表面结构。

1.4.5 X-射线衍射（X-ray diffraction, XRD） 称取少量干燥的榛子油微胶囊和β-CD并对其进行XRD测定。测定条件[19]：室温，采用铜靶（Cu），Kα射线（λ=0.154 nm），维持管电流40 mA，扫描范围4°~30°，扫描速率4°/min，步长0.02°。

1.4.6 红外光谱 称取干燥的榛子油微胶囊1.5 mg于玛瑙研钵，按质量比1:100加入高纯溴化钾，研磨，压片，红外光谱仪扫描，作图并分析[20]。条件：扫描次数20次、分辨率2 cm−1，扫描范围400~4000 cm−1。

1.4.7 热稳定性 称取5 mg干燥的榛子油微胶囊于铝盒，用同步热分析仪对其进行热重分析。控制氮气流速30 mL/min，以10 ℃/min的升温速率从25 ℃升到500 ℃结束，绘制热失重曲线[21]。

1.4.8 氧化稳定性 称取适量的榛子油及其微胶囊于锥形瓶，密封避光，置于60 ℃烘箱中18 d，每3 d检测一次过氧化值（Peroxide value, POV），方法参照GB 5009.227-2016中食品过氧化值的测定。

1.5 数据处理

每组实验重复三次，结果以平均值±标准差（Mean±SD）表示。采用OriginPro 8.0和Design Expert 8.0.6对数据进行作图和分析，方差分析使用SPSS Statistics 25，P<0.05为具有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 榛子油微胶囊的单因素实验

2.1.1 壁材浓度对榛子油微胶囊包埋率和产率的影响 如图1所示，壁材浓度对包埋率和产率的影响显著（P<0.05），随着壁材浓度的降低，微胶囊的包埋率和产率先增加后降低。当壁材浓度（H2O/β-CD）为16:1时，包埋率和产率达到最大。这是由于β-CD溶液由过饱和溶液趋向饱和溶液再被稀释的过程中，油脂分子逐渐取代β-CD的非极性基团中原来水分子的位置，有效包埋物逐渐增加，包埋率和产率也逐渐升高，但因进一步稀释后水分子重新占据非极性空腔，无效包埋物增加，导致包埋率和产率降低[22−23]。综合微胶囊的包埋率与产率，选择最佳壁材浓度为16:1。

图1 壁材浓度对微胶囊包埋率和产率的影响Fig.1 Effects of β-CD/H2O on microcapsule embedding rate and yield

2.1.2 壁芯比对榛子油微胶囊包埋率和产率的影响如图2所示，壁芯比对包埋率也影响显著（P<0.05），微胶囊的包埋率随着壁材量的增大先增加后降低，在壁芯比为5:1时包埋率达到最大。这是因为β-CD的分子空腔用限，随着壁材量的增加，芯材可以稳定的包埋于足够的β-CD内腔中，包埋率达到最大。随着壁材量的进一步增大，过多的β-CD相互堆积，不参与油脂的包埋，包埋率随之降低[24]。整个梯度溶液中，微胶囊产率因β-CD溶液达到饱和而变化不显著（P>0.05）。综合微胶囊的包埋率与产率，选择最佳壁芯比为5:1。

图2 壁芯比对微胶囊包埋率和产率的影响Fig.2 Effects of hazelnut oil/β-CD on microcapsule embedding rate and yield

2.1.3 包埋时间对榛子油微胶囊包埋率和产率的影响 如图3所示，随着时间的延长，微胶囊的包埋率先增加，在60 min时达到最大，然后随时间的继续延长而逐渐降低。这是由于微胶囊的形成是油脂分子进入β-CD空腔以疏水作用和氢键形成包合物的结合过程，时间较短，包合反应不完全；继续延长包埋时间，包合物中的氢键发生断裂且疏水作用也被破坏，油脂又回到溶液中，导致包埋率降低[25]。整个梯度中，微胶囊产率因β-CD溶液达到饱和而变化不显著（P>0.05）。综合微胶囊的包埋率与产率，选择最佳包埋时间为60 min。

图3 包埋时间对微胶囊包埋率和产率的影响Fig.3 Effects of time on microcapsule embedding rate and yield

2.1.4 包埋温度对榛子油微胶囊包埋率和产率的影响 如图4所示，温度对包埋率的影响较大（P<0.05），随着温度的升高，微胶囊的包埋率增加明显，60 ℃后随后随着温度的继续增加而迅速下降。这是因为随着温度的升高，β-CD溶解度增加，分子间碰撞加剧，油脂分子进入β-CD分子空腔的可能性增加；当温度继续增加，分子间运动过于剧烈，会破坏油脂分子与β-CD之间的疏水作用力，芯材与壁材分离，导致包埋率降低[26]。整个梯度中，微胶囊产率因β-CD溶液达到饱和而变化不显著（P>0.05）。综合微胶囊的包埋率与产率，选择最佳包埋温度为60 ℃。

图4 包埋温度对微胶囊包埋率和产率的影响Fig.4 Effects of temperature on microcapsule embedding rate and yield

2.2 榛子油微胶囊工艺的响应面试验优化

2.2.1 响应面试验设计与结果 按照表2的因素水平表，利用箱式设计法（BBD）处理数据并分析，结合本实验的4个单因素，共设计了29个试验点，其中有5个中心试验点，24个分析因子，结果如表3所示。

表3 响应面分析结果Table 3 Design and result of response surface experiments

2.2.2 模型的建立与显著性分析 利用箱式设计法（BBD）法对响应面结果进行二次多项回归拟合，得到包埋率（Y）对自变量壁材浓度（X1）、壁芯比（X2）、包埋时间（X3）和包埋温度（X4）的多元回归拟合方程：

回归方程方差分析如表4所示。从表4中的P值中可知，此多元回归模型极显著（P<0.01），失拟项不显著（P>0.05），这两种结果都表明，此多元回归模拟拟合方程能够较好地拟合实际预测值的变化，理论误差值较小。此外，表中的复相关系数（R2=0.9878）和校正决定系数（R2adj=0.9756）也表明此模型能够较合理解释响应值的变化，试验重复性好，模型较为可靠。

从方差分析的显著性可知，多项式中的一次项均差异极显著（P<0.01），表明这4个单因素对包埋率的影响均极显著。交互项中X1X2、X1X3、X2X3和X3X4交互作用不显著（P>0.05），X1X4交互作用显著（P<0.05），X2X4交互作用极显著（P<0.01）。二次项的影响均极显著（P<0.01）。此外，由表4中F值可知各个因素的影响程度：壁材浓度<壁芯比<包埋时间<包埋温度。

表4 回归模型方差分析结果Table 4 Analysis of variances for the created regression model

2.2.3 响应面交互作用分析 为直观反映出两个因素对微胶囊包埋率的影响，由回归方程绘制出其响应面3D图，结果如图5所示。响应面坡度越陡峭，表明两因素的交互作用对包埋率的影响越显著，反之平缓则不显著[27−28]。由图5可知，在图5A~5B、图5D和图5F响应面图中各因素的坡度相似，表明壁材浓度与壁芯比、壁材浓度与包埋时间、壁芯比与包埋时间和包埋时间与包埋温度的交互作用对包埋率的影响不显著；从图5C和图5E响应面图中坡度的陡峭程度可以看出，壁材浓度和包埋温度、壁芯比和包埋温度对包埋率的影响影响显著。温度可以促使分子运动加快，增加壁材溶解度，提高包埋率。此外，从图5A~5B和图5F响应面图中可以看出，壁芯比、包埋时间和包埋温度对包埋率的影响也显著。以上结果也验证了2.2.2中方差分析的结论。

图5 各因素交互作用对包埋率影响的响应面图Fig.5 Response surface diagrams of the interaction of two factors

2.3 验证试验

根据响应面模型预测的最佳工艺为：壁材浓度（H2O:β-CD）15.73:1、壁芯材比5.23:1、包埋时间62.39 min、包埋温度59.29 ℃。在此条件下，理论包埋率可达69.34%。考虑到实际操作条件，将最佳工艺参数调整为壁材浓度（H2O:β-CD）16:1，壁芯材比5:1，包埋时间62 min，包埋温度59.3 ℃，在此条件下进行三次重复独立试验，包埋率达到69.18%±0.72%，产率达到59.74%±0.37%。结果与理论值相差较小，说明响应面分析法优化的结果是可行的。

2.4 榛子油微胶囊理化性质的研究结果

2.4.1 基本理化性质 从表5可知，榛子油微胶囊为乳白色、略带清香的疏松状粉末颗粒，平均粒径880.4±10.42 nm，小于1 μm，较适合于食品辅料用作工业生产。水分含量较为适中，说明在干燥的过程中水分基本蒸发完全，产品较为干燥，油脂不易析出而氧化，有利于储藏。常温下产品溶解度良好，具有一定的冲调性，可用作食用辅料做进一步的开发。微胶囊的休止角42.49°±0.53°，表明微胶囊产品黏度小，流动性和分散性好，实用价值较高。

表5 榛子油微胶囊基本理化性质Table 5 Basic physical and chemical properties of hazelnut oil microcapsules

2.4.2 扫描电子显微镜观察 从图6A看出β-CD粉末为大小不均一的块状和不规则的片状，而且表面附着有很多的小颗粒；从图6B看出微胶囊大多为不均一的柱状和菱形片状，表面较光滑，基本无裂缝且体积较大。说明微胶囊在冷藏析出结晶时，一方面形成包埋榛子油的单晶体，另一方面还与其它包合物以层状、柱状或球状的方式堆积形成不同形状的包埋物[29]。此外，β-CD分子在包埋和析出的过程中通过与水分子间氢键的作用也生成多种晶形的包合物。

图6 β-环糊精与微胶囊扫描电镜图（500×）Fig.6 Scanning electron micrograph of β-CD and microcapsules（500×）

2.4.3 X射线衍射（XRD）分析 如图7所示，β-CD在2θ为9.06°、12.82°、13.42°和18.73°处有较明显的衍射峰；微胶囊在2θ为9.56°、12.87°、13.47°和18.23°处有很强的衍射峰，即两种物质都有各自的特征衍射峰，表明这两种物质都是具有规则、定形结构的晶体化合物，有较完整的结晶形态[30−31]。通过比较β-CD和微胶囊的衍射图谱发现，β-CD包埋榛子油后形成的微胶囊衍射峰相比于β-CD多处存在明显变化，部分峰消失，部分峰有不同程度的减弱或位移，还有部分峰强度加强，这就表明微胶囊化后β-CD分子晶体结构已发生改变，有新的物相生成，榛子油微胶囊形成。

图7 榛子油微胶囊与β-CD的X-射线衍射图谱Fig.7 X-ray diffraction patterns of hazelnut oil microcapsule and β-CD

2.4.4 傅里叶变换红外光谱分析 通过扫描物质得到的红外光谱，可以发现其不同成分的分子结构和化学键[32]。如图8所示：β-CD和微胶囊在3600~3000 cm−1处都有极强且宽的吸收峰，这主要是因为β-CD分子内有大量-OH的伸缩振动。β-CD、榛子油和微胶囊在2925 cm−1处都有较强的伸缩振动峰，说明这三种物质都含有较多的饱和C-H键。从榛子油的光谱图中看到3100~2800 cm−1处有较强的伸缩振动峰，这是C=C的特征峰，表明榛子油不饱和程度高，含有较多的油酸和亚油酸。这一特征峰在微胶囊中也有出现，只是强度减弱，说明榛子油已被壁材较好的包埋。榛子油在1746 cm−1附近也有较强的C=O吸收峰，微胶囊在此处只有较弱的吸收峰而β-CD中没有此吸收峰，表明壁材把芯材包埋在内部使之伸缩振动不明显，进而表示微胶囊结构已形成。

图8 榛子油微胶囊及其组成成分的红外光谱图Fig.8 FT-IR spectra of hazelnut oil microcapsule and its composition contents

2.4.5 热重分析（TGA） 热重分析法（Thermogravimetric analysis, TGA）是通过在一定气氛下对样品的定速升温，经过仪器内部精密天平测量样品质量随温度的变化，记录物质质量随温度变化规律的技术[33]。TG曲线表示了样品随温度变化的失重累计量；TG曲线的一阶温度导数即DTG曲线，它表现了随温度的升高失重速率的变化关系[34]。从图9中的TG及DTG曲线看出，微胶囊质量随温度的变化主要分为三个阶段：第一阶段温度范围为50~100 ℃，主要是水分蒸发、易挥发性物质和部分小分子逸出。这个阶段样品质量减少9.2%，此过程DTG失重速率也与之对应并在69 ℃时达到最大值。第二阶段在280~350 ℃，为失重加速阶段，并在312.7 ℃速率最大。此阶段微胶囊质量损失了86.7%，主要是大部分壁材开始分解，β-CD分子中的化学键裂解产生CO2和CH4等气体，芯材也随之蒸发。第三阶段在350 ℃之后，主要是剩余微胶囊的完全碳化。综合三个阶段的结果表明，榛子油微胶囊在280 ℃以前结构比较稳定，热稳定性良好，适合于食品加工生产操作。

图9 榛子油微胶囊TG-DTG图谱Fig.9 TG-DTG spectra of hazelnut oil microcapsule

2.4.6 氧化稳定性分析 根据GB 2716-2018对食用植物油理化性质中过氧化值的要求，当POV大于0.25 g/100 g（9.85 mmol/kg）时油脂已不能食用[35]。由图10可知，储藏初期，微胶囊的POV稍稍大于榛子油，这里可能是微胶囊化过程中部分榛子油被氧化所致，随后榛子油氧化速度明显增长较快（P<0.05），表明榛子油的氧化稳定性显著低于其微胶囊产品。加速氧化过程中，榛子油与氧气的充分接触，其POV增加明显，储藏15 d后油脂的POV已经超过国标的要求。而微胶囊中的芯材在壁材保护下与氧气的接触机会减少，氧化速度减慢。表明微胶囊化可以有效减缓榛子油的氧化，保护营养成分，延长储藏期。

图10 储藏过程中榛子油及其微胶囊过氧化值的变化Fig.10 Changes in POV of hazelnut oil and its microcapsules during storage

3 结论

本研究通过单因素和响应面法优化了超声波辅助分子包埋法制备榛子油微胶囊的工艺条件：在壁材浓度（H2O:β-CD）为16:1，壁芯材比例为5:1，包埋时间为62 min，包埋温度为59.3 ℃时，微胶囊的包埋率达到69.18%，产率达到59.74%。微胶囊样品为乳白色、略带清香的疏松状粉末颗粒，平均粒径为880.4±10.42 nm，水分含量为2.85%±0.16%，溶解度为55.95%±0.70%，密度为0.57±0.06 g·cm−3，休止角为42.49°±0.53°。通过扫描电镜结果表明榛子油微胶囊为块状、菱形片状或不规则柱状结构。同时经过X射线衍射和红外光谱图分析表明微胶囊包埋物已形成。此外，热重分析结果表明榛子油微胶囊具有良好的热稳定性。加速氧化实验表明微胶囊化可以有效减缓榛子油的氧化速度，延长货架期。

本研究简化了榛子油微胶囊的制备工艺，避免高温引起的油脂氧化等问题，扩大了微胶囊技术在食品领域的应用范围。同时也较系统地测定了油脂微胶囊的理化性质，对其相关特性有较全面的了解，为微胶囊的质量评定及食品领域的深入开发和利用提供了参考价值。但是目前对微胶囊性质的研究还是不够全面，对微胶囊中芯材的释放及生理功能的应用有待进一步的研究。