桂正杰 熊友鹏 黄启东 周 绪 杨 洁,2,3

(1. 武汉东湖学院护理与健康管理学院〔生命科学与化学学院〕，湖北 武汉 430212；2. 武汉东湖学院生物医用材料创新研究所，湖北 武汉 430212；3. 华中科技大学生命科学与技术学院，湖北 武汉 430074)

多不饱和脂肪酸(PUFA)指双键个数≥2且碳链长度在18～22的直链脂肪酸，根据双键在碳链中的位置可分为n-3系列(如亚麻酸、DHA和EPA)和n-6系列(如亚油酸和花生四烯酸)。PUFA具有促进细胞生长、增强记忆和思维能力、参与免疫调节、改善血液微循环、减少心血管系统疾病、抗炎抗癌等多种功效[1-3]。以亚油酸为例，亚油酸作为人体必需脂肪酸，产品类型多为油剂，由于多不饱和键化学性质不稳定，在空气中易氧化变质，导致营养价值降低[4-5]，且油剂不溶于水，人体不易消化吸收，生物利用率低，因此，工业上常采用微胶囊化方法，将有效成分包埋，制成粉末微胶囊，可提高产品的稳定性，有助于人体吸收和生物利用。

据调查[6]，油剂中含PUFA亚油酸最高的是红花籽油，达69%～79%，葵花籽油、核桃油、棉籽油、芝麻油中含量也很高，在40%～70%，花生油和橄榄油中较低，仅25%左右。由于油剂稳定性差，生物利用度低，采用粉末制剂可有效改善以上缺陷，但是当前的粉末制剂中PUFA含量非常低，一般在7%～15%。若制备高浓度的PUFA油脂微胶囊(含量在20%以上)明显有更高的营养价值，且辅料少、成本低，并延长了油脂的贮藏期，便于运输和贮藏，具有更广阔的应用前景，然而当前国内外鲜有针对高浓度的PUFA油脂微胶囊生产技术的报道。周爱梅等[7]以含PUFA为32.43%的蓝圆鲹鱼油为芯材，以明胶、阿拉伯胶和海藻糖为复合壁材制备微胶囊，优化后的鱼油微胶囊制备工艺的包埋率达91.56%，包埋过程中芯材鱼油含量为30%，最终微胶囊中PUFA含量为8.9%。刘成祥等[8]研制的牡丹籽油微胶囊、葛双双等[9]研制的余甘子核仁油微胶囊都有提到芯材含有高浓度的PUFA，但并未单独对微胶囊中PUFA的含量进行研究。

当前油脂微胶囊的制备方法主要有复合凝聚法[10]、包合法[11]、喷雾干燥法[12-14]等。由于喷雾干燥制备法的研究甚多，包埋率高，制得的微胶囊质量稳定，贮藏期长，因此研究采用该法制备微胶囊。

葵花籽油作为常用食用植物油，含有大量的PUFA亚油酸，一般为66%左右，寒冷地区生产的葵花籽油中亚油酸含量可达70%以上。因此，综合考虑以上制备方法和原料特点，研究选择以高含量PUFA的葵花籽油为芯材，以β-环糊精为壁材的主体成分，与具有良好成型能力的明胶构成复合壁材，再加入少量的乳化剂，采用喷雾干燥法将其制成PUFA油脂微胶囊，通过单因素试验和响应面试验优化制备工艺，并用透射电子显微镜(TEM)对制备的微胶囊产品结构形态进行观察，以期为进一步制备高浓度的PUFA微胶囊技术提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葵花籽油(PUFA含量67%)：食用油，益海嘉里金龙鱼粮油食品股份有限公司；

β-环糊精：食品级，北京鸿润保顺科技有限公司；

明胶：分析纯，国药集团国瑞药业有限公司；

羧甲基纤维素钠：食品级，河北科隆多生物科技有限公司；

其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

电子分析天平：AUY120型，日本岛津公司；

恒温加热磁力搅拌器：DF-101S型，河南巩义予华仪器有限公司；

小型喷雾干燥机：LANYI-6000Y型，上海兰仪实业有限公司；

高速分散均质机：FJ200-SH型，上海标本模型厂；

透射电子显微镜：Tecnai G2 20 U-Twin 型，美国FEI公司。

1.3 试验方法

1.3.1 微胶囊的制备 将明胶加入到55 ℃适量去离子水中，恒温搅拌30 min，使完全溶解，再加入β-环糊精加热搅拌使溶解，随后再加入乳化剂羧甲基纤维素钠，加热使溶解后，边搅拌边缓慢加入芯材葵花籽油，搅匀，得粗乳液。改变固形物含量、复合壁材(β-环糊精/明胶)的配比、芯壁配比和乳化剂的用量，探讨乳化条件对微胶囊包埋率的影响。将搅匀后的粗乳液置于高速分散均质机中在12 000 r/min转速下均质10 min，然后于1 000 r/min 均质30 min，得到大小均一液体为终乳液，将终乳液在进风温度为180 ℃下进行喷雾干燥，收集，得油脂微胶囊产品。试验过程中为了减缓PUFA成分的氧化，需尽量减少葵花籽油在空气中、高温下的停留时间。

1.3.2 PUFA油脂微胶囊制备工艺条件优化

(1) 单因素试验： 在研究某一单因素影响时，其他条件为固定值，分别为固形物含量25%，复合壁材配比(mβ-环糊精∶m明胶)7∶1，乳化剂含量1.0%，芯壁材配比(m葵花籽油∶m复合壁材)1∶2。以微胶囊包埋率为指标，分别考察固形物含量(15%，20%，25%，30%，35%)、复合壁材配比(mβ-环糊精∶m明胶分别为4∶1，5∶1，6∶1，7∶1，8∶1)、乳化剂含量(0%，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%)、芯壁材配比(m葵花籽油∶m复合壁材分别为1∶1，2∶3，1∶2，2∶5，1∶3)对包埋率的影响。

(2) 响应面试验：综合分析单因素试验结果，选取固形物含量、复合壁材配比、芯壁材配比为影响因素，以微胶囊包埋率为响应值，采用BOX-Behnken试验设计优化制备PUFA油脂微胶囊的工艺条件。

1.3.3 包埋率及PUFA含量的测定

(1) 油脂微胶囊包埋率：参照文献[15]，按式(1)计算油脂微胶囊包埋率。

(1)

式中：

C——微胶囊包埋率，%；

ms——微胶囊表面油质量，g；

mt——微胶囊总油质量，g。

(2) PUFA含量：称取2.0 g制备好的样品于烧杯中，取10 mL正己烷洗涤样品，均匀振荡，重复以上操作5次，合并洗液转移至已质量恒定的茄形瓶(m1)中减压旋转浓缩回收正己烷后，继续蒸发除去水分，烘干至质量恒定，冷却称重(m2)，按式(2)计算PUFA含量。

(2)

式中：

Y——PUFA含量，%；

m——样品质量，g；

m1——干燥至质量恒定茄形瓶质量，g；

m2——干燥至质量恒定的表面油及茄形瓶质量，g；

67%——金龙鱼葵花籽油PUFA标示含量。

1.3.4 透射电子显微镜(TEM)观察 将少量油脂微胶囊粉末悬浮在水相中，取微量做成薄层涂片，用透射电子显微镜(TEM)观察，分别在不同放大倍数下观察微胶囊粉末的结构形态。

1.3.5 数据处理 单因素试验采用Origin 8.0绘图，整理数据；响应面试验采用Design Expert 10.0.7 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

由图1可知，各因素的最优结果分别为固形物含量25%，复合壁材配比(mβ-环糊精∶m明胶)6∶1，乳化剂用量1.0%，芯壁材配比(m葵花籽油∶m复合壁材)1∶2。由于乳化剂用量在0.5%～1.5%内微胶囊的包埋率变化不大，因此，固定乳化剂的用量为1.0%，选用固形物含量、复合壁材配比、芯壁材配比三因素进行响应面试验。

图1 各工艺参数对包埋率的影响Figure 1 Effects of process parameters on embedding rate

2.2 响应面优化试验

在单因素优化试验的基础上，以固形物含量、复合壁材配比、芯壁材配比为自变量，以油脂微胶囊包埋率为响应值，进行Box-Behnken响应面设计，各因素和水平见表1，响应面试验设计及结果见表2。

表1 响应面试验因素和水平Table 1 Factors and levels of response surface experiment

采用Design-Expert 10.0.7 软件对表2数据进行多元回归拟合，得到油脂包埋率的回归方程为：

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Design and results of response surface experiment

Y=89.76+1.26A+6.74B-2.95C-0.98AB+1.3AC+1.2BC-3.94A2-4.79B2-5.42C2。

(3)

表3 回归模型方差分析†Table 3 Analysis of variance of regression model

由图2可知，固形物含量与复合壁材配比、固形物含量与芯壁材配比、复合壁材配比与芯壁材配比两两交互图均呈椭圆形，且3D图形有极值，交互作用影响显著，说明各交互因素对油脂微胶囊包埋率结果有很大影响[16]。通过Design-Expert 10.0.7软件建立的模型分析得到的最佳工艺条件为：固形物含量25.22%，复合壁材配比(mβ-环糊精∶m明胶)6.67∶1，芯壁材配比(m葵花籽油∶m复合壁材)0.51∶1，此条件下的包埋率为92.34%。为了便于操作，将最佳工艺条件修正为：固形物含量25.2%，复合壁材配比(mβ-环糊精∶m明胶)6.7∶1，芯壁材配比(m葵花籽油∶m复合壁材)1∶2。按照最佳工艺条件进行了3次重复实验，包埋率分别为91.87%，92.65%，94.33%，平均包埋率达92.95%，其RSD为1.26%，与理论值误差小于1%，表明该模型可较好地应用于油脂微胶囊的工艺条件优化。此外，重复实验最高包埋率达94.33%，微胶囊中PUFA含量>20%，符合高浓度的PUFA油脂微胶囊的要求。

图2 各因素交互作用对PUFA油脂微胶囊包埋率响应分析图Figure 2 Response analysis of the interaction of various factors on the embedding rate of PUFA oil microcapsules

2.3 微胶囊粉末的结构形态

图3为微胶囊分别放大6 000倍和15 000倍的结构形态。微胶囊透射后大多呈不规则圆形，可能是喷雾干燥过程溶剂蒸发后所形成的皱缩球状结构，在囊的中心还可以清晰地看到包埋的油相。胶囊粒径分布比较均匀，粒径大多集中在50～100 nm，按粒径划分应为纳米级微胶囊。此外，还有少量未包埋的壁材和芯材游离在微胶囊周围。

图3 葵花籽油微胶囊TEM图Figure 3 TEM images of sunflower seed oil microcapsule

2.4 产品质量性状

按照最佳工艺条件制备的葵花籽油粉末微胶囊中葵花籽油相含量32.53%，其中PUFA高达21.73%，符合高浓度的PUFA油脂微胶囊的要求，水分含量小于4%，产品呈乳白色，不结块，在热水中溶解性好，有良好的流散性，微胶囊在低温干燥后在4 ℃贮藏，具有良好的稳定性。

3 结论

采用喷雾干燥法制备高浓度PUFA油脂微胶囊，以高含量PUFA的葵花籽油为芯材，β-环糊精/明胶为复合壁材，羧甲基纤维素钠为乳化剂，先以单因素试验考察了固形物含量、复合壁材配比、乳化剂用量、芯壁材配比等因素对微胶囊包埋率的影响，再在此基础上通过响应面试验优化油脂微胶囊制备工艺条件，最佳工艺参数为：固形物含量为25.2%，复合壁材配比(mβ-环糊精∶m明胶)6.7∶1，乳化剂用量1.0%，芯壁材配比(m葵花籽油∶m复合壁材)1∶2。在此条件下获得的产品质量最优，油脂微胶囊经透射后结构呈不规则圆形，粒径均匀，包埋率高达94.33%，微胶囊中葵花籽油相含量为32.53%，其中PUFA含量为21.73%。