摘要
元宝枫种仁营养丰富，其油脂富含不饱和脂肪酸、神经酸等营养分子，被誉为二十一世纪最具潜力的营养保健油脂，为了更加高效的保护油脂内部的营养成分，提高油脂的氧化稳定性，最大限度的利用其生物价值，本实验以元宝枫油脂为芯材，β-环糊精（β-DE）和大豆分离蛋白(SPI)为壁材，单硬脂酸甘油酯(GMS)为乳化剂，采用喷雾干燥技术，分别考察了元宝枫油脂微胶囊的包埋率受壁芯比、复配壁材比例、料液比的影响，采用正交试验优化实验研究。研究发现：实验因素中极为显著影响因素是壁芯比与复配壁材比例；最佳工艺参数为壁芯比为4:1，复配壁材（β-DE：SPI）比例为3:2，以及料液比为1:7；在此工艺条件下，元宝枫油脂微胶囊的包埋率可以达到（56.90±0.52）%。研究结果表明微胶囊的壁材可以有效地保护芯材，对油脂的保护作用较为显著，较液态油脂相比，粉末油脂具有良好的抗氧化能力，产品保质保存期可以得到有效延长；并且通过扫描电镜的镜像图对比发现，在较优条件下制备的微胶囊粉末油脂颗粒饱满，油滴丰富，微胶囊粉末颗粒基本完整，表面无裂纹，产品性状优良。
关键词：元宝枫油脂；喷雾干燥；扫描电镜；理化分析
引言
元宝枫是我国特有树种，其种仁出油率高，油脂富含不饱和脂肪防酸、生育酚、维生素E和神经酸等高价值营养物质，食用、药用价值极高。微胶囊油脂是一种健康的固体粉末油脂，其中芯材中的生物成分易受光、热、氧气等环境因素的影响，故其易被氧化酸败，而微胶囊的壁材可以较好的包埋芯材，从而对芯材进行保护，提高了液态油脂的流动性、分散性、溶解性等特点。本文根据正交试验分方法获得元宝枫油脂微胶囊粉末制备的最佳工艺条件并对产品的超微观结构进行分析观察。通过微胶囊技术包埋元宝枫油脂能够拓展元宝枫油脂的深加工领域，体高附加值，对元宝枫产业的发展具有积极意义。
1文献综述
1.1元宝枫及其油脂综述
元宝枫是是槭树科植物，是我国特有树种，因其种子的叶翅性状与金元宝极为相似，故被命名为元宝枫。元宝枫作为一种新资源多功能产油木本树种，被广泛种植于我国的东北、华北和陕西等地区，可耐极端天气环境。早在二十一世纪一十年代中期，王性炎教授等人发表的有关元宝枫油的论文引起了国内外学者的广泛关注，元宝枫油脂进入了国内外市场，其价值是近些年来广大学者的热门研究对象。在2011年，我国卫生部首次将元宝枫籽油批准列为新资源食品，这大力促进了元宝枫产业的发展[1-5]。
元宝枫种仁的食用价值很高，曾被当地人们直接炒制食用。元宝枫种子的含油率可达42%，出油率可高达35%及以上，富含不饱和脂肪酸（高达92%）和脂溶性维生素E（是花生油的2倍以上），尤其是含有独特的成分神经酸（含量可达5.52%），其药用、食用价值更是突出。基于这些丰富的营养成分，元宝枫籽油在抗氧化、延缓衰老、促进大脑发育、改善记忆、预防脑疾病等方面具有良好的作用，此外，元宝枫油脂还具有良好的抑菌作用，可以作为天然无公害防腐剂[6~9]。Zhu等[10]人研究发现元宝枫油脂可以有效缓解骨骼肌氧化应激障碍。王性炎教授[11]研究发现，元宝枫籽油对S180肉瘤细胞具有明显的抑制作用。Peng Hu等[12-13]人研究发现元宝枫油脂有着令人极为满意的生育酚含量和氧化稳定性，并指出该油脂在改善人们健康的功能性食品的研发应用中有较高的生物潜力。梁婵华教授等[14]研究发现元宝枫籽油可以较为有效的缓解小鼠肠道内的炎症反应，并且可以对发炎组织进行修复。安玉红等[15]人研究发现具有提高新陈代谢和维持肠道健康的作用。程敏[16]分析了油脂精炼过程中的元宝枫籽油的理化性质，发现油脂精炼能够明显提高油脂的品质，且对油脂本身的有益营养成分，例脂肪酸、植物甾醇、生育酚等成分没有明显的影响。
胡鹏[5]认为元宝枫油脂的开发和应用主要集中在①神经酸的分离纯化；②保健功能的开发应用这两个主要方面。王琨等[17]人基于WOS数据库以及CNKI数据库的信息，元宝枫在研发高附加值神经酸含量及价值的产品、高效生产制油提纯方法,这两方面是中国最为重要的元宝枫产业定位。近年来,在健康产业中加入元宝枫油以提高其功能性等作用的发明专利也已被公布,如上海蓝微资本管理公司等申报的发明专利CN106665887A、上海王性炎教授等申报的CN107125699A等。但笔者仍相信,元宝枫作为新型资源油料作物,其产业的普及和高附加值产业的开发、引进与使用将会是未来更有价值的元宝枫产业的主要研究方向,特别是其所含有的神经酸及其在医药应用领域中的研发利用。
1.2微胶囊综述
微胶囊是把小颗粒或小液滴涂层包围或者嵌入介质中，从而形成微小粉末的技术。微胶囊技术是一种新型食品加工技术，兴起于上世纪30年代，经过近百年的发展，该技术已经广泛应用于医药加工、食品加工、生物化工等各个领域。目前在食品行业，微胶囊技术主要应用于①营养素的固定：提高营养成分的贮藏稳定性，例氨基酸、维生素等；②添加剂和防腐剂：改善其挥发甚至变性的现象；③功能性食品：增强人体免疫力、预防或舒缓疾病等功能，例益生菌、功能性蛋白质等。微胶囊的壁材对包埋效果起关键性作用，按照壁材的化学特性,它可以简单地被分为三大类，即蛋白质类的壁材材料(例如SPI、WP、NaCas等)、糖类的壁材材料(例变性淀粉、麦芽糊精、β-CD等)、胶体类的壁材材料(例黄原胶、阿拉伯胶、卡拉胶等)三大部分。科学研究已证明,壁材复配再利用的效果往往比单一品种的壁材表现出更佳的包埋法率以及稳定性[18-21]。
粉末状油脂是微胶囊油脂的统称，优质的高质量动植物油脂含有大量的不饱和脂肪酸，然而，在生产过程中，某些不良的环境等条件会使其不饱和物质发生氧化和降解。从而降低油脂品质，甚至导致健康问题。经过一定的微胶囊化，液态油变成固体粉末状油，不仅便于储存运输，粉末油脂的壁材还可以隔绝空气，提高芯材的抗氧化能力，防止芯材的的氧化劣变，从而提高油脂的品质[22-24]。
微胶囊制取的方式也有许多,对不同技术的微胶囊都有研究,涉及生化技术、物理化学和物理力学等。目前,最长使用的微胶囊制取的方式主要是喷雾干燥法、冷冻干燥法和复合凝聚法。相比于其他的干燥技术,喷雾干燥技术主要因为其①干燥速率较快;②产品质量优异;③以干燥设备先进及操作条件实用性强等优势脱颖而出。喷雾干燥技术来源于一百五十多年前的北美洲,而中国也于20世纪50年代引入了这门科学技术,目前喷雾干燥技术在中国已发展有大约零点五个多世纪的历史了。在发展之初,喷雾干燥技术应用于乳制品的加工，即奶粉的加工，随着社会的进步、科技的发展与创新，该技术目前被广泛应用于医药加工、食品加工、化学产业、催化剂生产等多行多业[25-27]。
Copado Claudia N等[28]人采用多层微胶囊化工艺对木犀油进行保护和传递，结果表明各种微胶囊在贮存后都显示出了较低的抗氧化程度,特别是三层体系。Jia Caihua等[29]人采用壁材为辛烯基琥珀酸淀粉酯和麦芽糊精，芯材为深海鱼油，通过喷雾干燥制取微胶囊，其研究结果表明,壁材复合物能有效缓解鱼油的氧化劣化程度,也有利于核心材料在肠道条件下的生物利用程度。
2材料与方法
2.1材料、试剂、仪器
2.1.1材料与试剂
2.1.2试剂配制
表2试剂配制及方法
2.1.3实验仪器
表3实验仪器
2.2实验流程
研究流程如图1所示
图1研究流程图
2.3实验方法
2.3.1元宝枫籽油的提取
本研究采用超声波辅助的方法提取元宝枫籽油，参照吴隆坤[30]等方法，元宝枫籽经过手工脱壳后于粉碎机内进高速剪切粉碎，得到较为细腻的元宝枫籽粉末，采用正己烷为浸提液，于料液比2：9（g/ml）进行料液的混合。超声清洗机提前加热至40℃，将锥形瓶密封，将其置于超声波清洁器中，经60 min的超声波浸提。在超声波处理完毕后，利用抽滤泵将滤渣残留物分离，滤液于73(±2）℃下进行旋转蒸馏，收集元宝枫籽油备用，并对正己烷试剂进行回收处理。
2.3.2元宝枫油脂微胶囊的制备
本实验壁材选择为β-环糊精（β-DE）和大豆分离蛋白（SPI），即碳水化合物类与蛋白质类壁材复配，芯材为元宝枫油脂，乳化剂为单硬脂酸甘油酯(GMS)。水浴锅提前加热至60℃，无离子水加热至60℃时，按照预先设定的比例添加复配壁材，搅拌至壁材完全溶解，添加乳化剂搅拌均匀，缓慢向乳化液中滴加元宝枫籽油，用玻璃棒搅拌十分钟左右，采用高速分散机进行进一步搅拌，即在15000r/min下对其进行10min左右的处理加工，获得具有均匀分布的初乳液，均质机压设定在27～30 MPa之间,在该压力下对初乳液进行2次均匀化，每次10分钟左右，均质后的乳化液没有分层现象，水油混合比较均匀，便于喷雾干燥处理。
2.3.3元宝枫油脂微胶囊包埋率的测定
参考李福祥等[31]的方法，按照如下公式对元宝枫油脂微胶囊的包埋率进行计算。式中：H1为表面含油量，%。粉末油脂用石油醚浸泡搅拌，过滤而后烘干计算。
H2为总油，%。粉末油脂用适量正己烷浸泡，采用超声处理，破坏掉胶囊外壳，溶出被包埋的油脂过滤，最后烘干正己烷，计算总油。
2.3.4单因素实验设计
参照汪鸿[32]的研究方法，将喷雾干燥机器的参数设定为：进风温度设定170℃，出风温度设定80℃，压力设定0.1 MPa，通针设定1.0，风机50，蠕动泵400,探究壁芯比（g/g）、复配壁材比例（β-CD：SPI）(g/g)、料液比(g/mL)这三个实验因素对元宝枫油脂微胶囊包埋率的影响并进行数据分析。
2.3.4.1壁芯比对元宝枫油脂微胶囊包埋率的影响
设置料液比为1:7，复配壁材（β-CD：SPI）比例为3:2，乳化剂GMS添加量为2%，温度170℃下，分别以3:1、4:1、5:1、6:1、7:1的壁芯比加入无离子水中，进行喷雾干燥制备元宝枫油脂微胶囊粉末。
2.3.4.2复配壁材比例对元宝枫油脂微胶囊包埋率的影响
设置料液比为1:7，壁芯比为4:1，乳化剂GMS添加量为2%，在170℃的温度下，分别考察复配壁材比例（β-CD：SPI）为2:1，3:2，5:4，1:1，4:5时对微胶囊粉末油脂包埋率的影响。
2.3.4.3料液比对元宝枫油脂微胶囊包埋率的影响
设置壁芯比为4:1，复配壁材比例（β-CD：SPI）为3:2，乳化剂GMS添加量为2%，在170℃的温度下，考察料液比分别为1:5，1:6，1:7，1:8，1:9时对元宝枫油脂微胶囊包埋率的影响。
2.3.5正交实验设计
根据单因素实验结果，选用三因素三水平的正交试验，即L9（33），确定最佳因素水平，得出元宝枫油脂微胶囊的最高包埋率，因素水平表如下表4。
图4油脂微胶囊包埋率的因素水平表
2.3.6理化性质研究
根据国家标准，严格按照法规的各项要求对元宝枫油脂原油进行各项生化理化指标的检验，具体法规见表5。其中：油脂酸价应该低于3.0 mg/g；原油的不溶性杂质应该≤0.50%，成品油应该≤0.10%。
图5理化分析参考国标
2.3.7超微观结构观察
采用扫描电镜，观察元宝枫油脂微胶囊的超微观结构，比较粉末颗粒的产品外观、破裂、褶皱等情况，并进行品质分析。检测方法为：首先在SEM的进样台上均匀的粘涂一层导电胶带,然后选取1.0g左右的粉末油脂式样，将试样均匀的撒于胶表面，稍微压紧，最后去掉剩余的粉，采用喷金手段以增加样品的导电性能，将样品放置于仪器的式样腔内，并设置SEM的加速电压为5.0 kV，观察分析元宝枫油脂微胶囊粉末的超微观分子结构。
3结果与分析
3.1单因素试验分析
3.1.1壁芯比对油脂包埋率的影响及分析
由图2分析可得，在复配壁材比例（β-CD：SPI）为3:2，料液比为1:7，乳化剂GMS添加量为2%的条件下，随着壁材的不断增加，元宝枫油微胶囊包埋率呈现出先上升后下降的趋势，即在3:1到4:1的阶段,油脂包埋率率呈上升趋势，在4:1到7:1阶段油脂包埋率逐渐递减。当壁芯比小于4:1时，芯材相对丰富，大量富足的元宝枫油脂除了扩散进入壁材外，还有大量的油脂游离在壁材分子的间隙，导致最终喷雾干燥得到的粉末表面含油量增加，从而降低了包埋率。随着壁材的逐渐增加，油脂可以更好的扩散进入壁材的孔状结构中，从而提高了包埋率，随着壁材的继续增加，大量的壁材空隙无法被有限的油脂填充，导致部分粉末中心空洞，降低了包埋率。研究结果表明，在次试验因素下壁芯比为4:1时，包埋效果最佳。
图2壁芯比对油脂包埋率影响曲线
3.1.2复配壁材比例对油脂包埋率的影响及分析
图3复配壁材比例对油脂包埋率影响曲线
由图3分析可得，在壁芯比为4:1，料液比为1:7，乳化剂GMS添加量为2%的条件下，在复配壁材比例（β-CD：SPI）由2：1增加到4：5的过程中包埋率呈现出先上升后下降的趋势，即在2：1到3：2阶段呈现上升趋势，在3：2到4:5呈下降阶段。在2：1到3：2阶段由于大豆分离蛋白的增加，蛋白质的乳化效果使得使溶液的乳化性能得到提高，油脂的流动性提高，元宝枫油脂可以更好地扩散渗透进入壁材的多孔的内部，从而提高了包埋率。当大豆分离蛋白增加到一定程度时，其增稠效果占主体地位，乳化液的黏度不断增加，元宝枫油脂的流动性相对下降，油滴颗粒的分散性大打折扣，难以在有限时间内扩散进入壁材的结构中，直接导致被包埋的油脂颗粒减少，从而使得包埋率下降。当β-CD：SPI的质量比为4:5时，乳化液的粘度过大，无论再怎样调节压力泵，溶液都无法被顺利的吸收进入喷雾干燥机器，无法进行干燥处理。研究结果表明，在此条件下，复配壁材比例（β-CD：SPI）为3:2时，包埋效果最佳。
3.1.3料液比对油脂包埋率的影响及分析
由图4分析可得在壁芯比为4:1，复配壁材比例（β-CD：SPI）为3:2，乳化剂GMS添加量为2%时，随着壁材的不断被稀释，包埋率呈现出先增加后减少的趋势，即在料液比为1:5到1:7阶段呈现出上升趋势，在1:7到1:9阶段呈现出下降趋势。在1:5到1:7阶段，随着无离子水的逐渐增加，乳状液的流动性逐渐增加，液体的扩散速度也相对增加，元宝枫油脂可以在有限的时间内更好地扩散进入壁材内，相对较高的壁材浓度意味着无离子水含量相对较低，即壁材可以在短时间内能够迅速形成胶囊外壳，使元宝枫油脂无法扩散到粉末颗粒外面，油滴被紧紧的束缚在胶囊中心，从而提高了包埋率。此外，浓度越大，黏度也相对增加，减少油脂分子的相对运动，即油滴一旦进入壁材分子的孔状结构中则难以溶出，故包埋效果较好。随着物料的逐渐稀释，无离子水的浓度增加，水油难容，乳状液的稳定性相对较差，油脂分子与壁材的混合效果也相对减低，故包埋效果不佳。研究结果表明，在此条件下，料液比为1:7时，包埋效果最佳。
图4料液比对油脂包埋率的影响曲线
3.2正交实验分析
正交试验设计与结果见表6，由表5分析可得：R3>R1>R2，即复配壁材比例对包埋率的影响作用最大，其次是壁芯比，料液比对包埋率的影响作用最小，且对元宝枫油脂包埋率实验均具有统计学意义，其中壁芯比、复配壁材比例的影响极为显著(P<0.01)，而壁材浓度得影响相对较为显著(P<0.05)。通过L9（33）正交实验的最佳组合，为A2B2C2，即壁芯比为4:1，料液比为1:7，复配壁材比例（β-CD：SPI）为3:2，在此条件下，元宝枫油脂微胶囊包埋率最高，最高包埋率为56.38%，复验包埋率为57.42%。
表6正交试验设计与结果
3.3扫描电镜结果分析
最佳包埋率条件下的元宝枫油脂微胶囊扫描电镜如图a所示，在放大1100倍是时，可以观察到粉末油脂颗粒较为饱满，大部分呈球状或椭球状，但是粉末颗粒的大小、形状都有较为明显的差异，部分油脂颗粒表面有凹陷，这可能是由于粉末油脂颗粒在喷雾干燥的过程中经历170℃的高温，乳化液的无离子水在较短时间内迅速蒸干，水分的蒸发速率有差异，使空间区域出现不同的凝结效果，壁材在形成的瞬间受力不同，致使球体表面出现不同程度的凹陷。图b为较优条件下放大7000倍时元宝枫油脂微胶囊扫描电镜的放大图，可以清晰的观察到，油脂颗粒呈较为规则的球状，颗粒饱满，表面平整无破裂，壁材能够很好地包埋芯材，聚集油滴较多。
图c和图d是料液比为1:5时的粉末油脂的扫描电镜图，可以清晰地观察到，油脂颗粒四周出现凹陷的情况较为严重，粉末油脂的效果不理想。当料液比为1:5时，无离子水添加含量相对较少，乳状液粘稠度较高，导致元宝枫油脂的持水力不足，不仅油脂的包埋率较低，而且油脂颗粒干瘪，粉末颗粒的中心出现空洞，无法聚集相对较高含量的油脂，包埋效果较差。
对放置一段时间后的较优条件下元宝枫油脂微胶囊扫描镜像的聚集油滴质量与刚制取的相同条件下得到的油脂粉末通过放大图比较来看差异不大，粉末保持完好，微胶囊油脂的超微观结构没有明显的差异，进而表明采用喷雾干燥技术制备的元宝枫油脂微胶囊可以是提升产品保质期限的良好措施。
图5较优条件较下元宝枫油脂微胶囊的扫描电镜图c 1000倍d 10000倍
图6 1:5料液比条件下元宝枫油脂微胶囊的扫描电镜图
3.4元宝枫油脂理化性质
3.4.1原油理化性质
表7元宝油脂原油理化指标
元宝枫油脂原油的各项理化指标如表7所示，所有测试的项目内容均符合国家标准GB-T 37748-2019的要求。
3.4.2油脂氧化性分析
利用快速氧化实验，针对元宝枫油脂原油及微胶囊粉末油脂进行不同时间的氧化稳定性检验，研究结果如表8所示。在静置7d时，元宝枫油脂微胶囊的OSI无明显变化，OSI值仅下降0.11；自然存放的原油OSI值稍有下降（下降0.55），保质期较粉末油脂相比缩短近30d，差异相对不突出。在放置30d后，原油的OSI值下降较为显著，保存期限明显减短；微胶囊粉末油脂的OSI值虽有下降，但降幅不大，而且明显大于自然存放30d的油脂。粉末油脂的OSI值在存放初期下降相对较为明显，其原因可能是粉末油脂的表油在初期氧化劣变，基于壁材的保护作用，芯材能够得到较好的保护，微胶囊的保护作用在随着存放时间的延长效果更加明显。其检测结果可以表明：微胶囊技术可以有效延长油脂的保存期，其壁材可以明显隔绝空气，有效防止被包埋油脂的氧化，对油脂具有较为可观的保护效果，可以有效延缓油脂的品质劣变。
4结论
本实验以元宝枫油脂为芯材，β-环糊精和大豆分离蛋白为壁材，单硬脂酸甘油酯为乳化剂，通过利用喷雾干燥技术，分别考察了元宝枫油脂微胶囊的包埋率受壁芯比、复配壁材比例、料液比的影响，采用正交试验优化实验研究。研究发现：实验因素中极为显著影响因素是壁芯比与复配壁材比例；最佳工艺参数为壁芯比为4:1，复配壁材（β-DE：SPI）比例为3:2，以及料液比为1:7；在此工艺条件下，元宝枫油脂微胶囊的包埋率可以达到（56.90±0.52）%。研究发现微胶囊的壁材可以有效保护芯材，对油脂的保护作用较为显著，粉末油脂具有良好的抗氧化能力，产品保质保存期可以得到有效延长；并且通过扫描电镜的镜像图发现，较优条件下制备的微胶囊粉末油脂颗粒饱满，油滴丰富，更加有力的证明微胶囊技术在制备新型稳定状态油脂产品具有良好的市场前景。
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致谢
在本文完成之际，谨向我的导师致以衷心的感谢，本论文是在老师的精心指导和关怀下完成的，从论文的选题、方案设计，到论文的撰写和修改，都倾注了老师的心血和汗水，在学习期间，言传身教将使我终生受益，他认真严谨的治学态度、豁达宽广的胸怀、平易近人的处事风格是我一生的楷模，值此提交论文之时，在此向导师表达衷心的感谢。
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