草魚魚油微膠囊芯材釋放條件及緩釋特性研究

劉曉麗 魏長慶 夏文水

(1.江南大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；3.江蘇省食品安全與質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122；4.石河子大學新疆植物藥資源利用教育部重點實驗室，新疆 石河子 832003；5.石河子大學食品學院，新疆 石河子 832003)

淡水魚魚腹中富含亞麻酸、二十二碳六烯酸(DHA)、亞油酸、二十碳五烯酸(EPA)、花生四烯酸等人體所需必需脂肪酸，研究[1-3]表明這些必需脂肪酸具有降低血清膽固醇含量、提高視力、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)等功能。但在加工、貯藏和運輸過程中，一部分多不飽和脂肪酸容易發(fā)生氧化酸敗，不僅造成產(chǎn)品營養(yǎng)成分含量降低，還會產(chǎn)生具有刺激氣味的酮類、醛類等物質(zhì)，進一步降低產(chǎn)品營養(yǎng)價值[4-5]，魚油氧化產(chǎn)生的自由基等甚至會誘發(fā)諸如腦溢血、高血壓等疾病[6]。利用多糖及蛋白包裹魚油形成微膠囊技術(shù)，可以阻隔魚油與空氣的接觸，達到保護芯材的目的，從而提高魚油貯藏穩(wěn)定性，拓展魚油在生產(chǎn)和加工中的應用范圍[7-8]。

常見的微膠囊芯材釋放動力學模型有零級[9-10]、一級釋放動力學方程[11-12]、Avrami’s模型、Higuchi模型[13-15]等。在實際貯藏過程中，芯材的釋放受溫度、濕度、光照、pH等諸多因素的影響，因此大部分芯材釋放動力學模型為幾種動力學的綜合。Solomon等[16]研究發(fā)現(xiàn)香茅油微膠囊在貯藏10 h后，有70%的釋放量，可控制釋放過程；劉斯博等[17]研究表明亞麻籽油微膠囊具有較好的耐高溫性，但受濕度的影響較顯著。

目前國內(nèi)外的研究[5,18-19]主要集中于微膠囊的制備工藝、理化性能，以及針對微膠囊芯材的釋放過程，有關(guān)魚油微膠囊釋放動力學的研究卻鮮有報道。試驗擬利用殼聚糖和大豆分離蛋白為壁材，草魚魚油為芯材，在前期制備出魚油微膠囊的基礎(chǔ)上，應用Avrami’s公式對微膠囊在不同貯藏條件下芯材的釋放率進行擬合，同時對釋放動力學、釋放速率常數(shù)和釋放機制參數(shù)進行分析；研究體外模擬消化道環(huán)境對微膠囊芯材的緩釋行為和粒徑大小的影響，以期為魚油微膠囊的貯藏與加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

草魚魚油：實驗室精制；

殼聚糖(CTS)：40 kDa，脫乙酰度80%～90%，BR級，實驗室自制；

大豆分離蛋白(SPI)：BR級，源葉生物科技股份有限公司；

胃蛋白酶(>250 U/mg)、胰蛋白酶(3 000～3 500 U/g)：北京索萊寶科技有限公司；

其余試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

高速剪切機：Ultraturrax T-10b型，德國IKA公司；

電子精密天平：JB5374-91型，美國Mettler Toledo公司；

pH計：FE20K型，美國 Mettler Toledo公司；

數(shù)控超聲波清洗器：KQ-500 DE型，昆山舒美超聲儀器有限公司；

粒度儀：NanoBrook Omni型，美國布魯克海文有限公司；

噴霧干燥機：GZ-5型，無錫市陽光干燥設(shè)備廠；

粒度儀：NanoBrook Omni型，美國布魯克海文有限公司；

恒溫恒濕培養(yǎng)箱：SPX-80B，北京市恒諾利興科技有限公司；

噴霧干燥機：GZ-5型，無錫市陽光干燥設(shè)備廠。

1.2 方法

1.2.1 魚油微膠囊的制備 根據(jù)前期[20]制備方法，將一定量的溶于1%醋酸溶液的CTS、SPI溶液與魚油混勻后，6 000 r/min剪切乳化5 min，調(diào)pH至6.5，40 ℃下超聲均質(zhì)10 min，在加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(18 U/g SPI)固定化的同時低速攪拌1 h，靜置分層，過濾，噴霧干燥，得魚油微膠囊產(chǎn)品[19-20]。其中，芯材與壁材(質(zhì)量比)1∶2，包埋率77%，得率80%。

1.2.2 不同貯藏條件下的釋放行為 每3 d取適量樣品計算芯材保留率，采用Avrami’s公式進行擬合，建立微膠囊釋放動力學模型，分析不同貯藏條件下芯材的釋放規(guī)律。

(1)貯藏溫度：恒溫恒濕培養(yǎng)箱相對濕度32%、光照強度0 lx，將樣品分別置于4，25，35，50 ℃特定溫度下貯藏21 d。

(2)相對濕度：恒溫恒濕培養(yǎng)箱光照強度0 lx、溫度4 ℃，將樣品分別置于32%，54%，76%，92%相對濕度下貯藏21 d。

(3)光照強度：恒溫恒濕培養(yǎng)箱溫度4 ℃、相對濕度32%，將樣品分別置于0，4 000，6 000，10 000 lx光照強度下貯藏21 d。

1.2.3 保留率及釋放率計算 分別按式(1)、(2)計算芯材保留率及釋放率。

(1)

r=1-R1，

(2)

式中：

R1——保留率，%；

Q1——總油含量，g；

Q0——即時表面含油量，g；

Q2——表面含油量，g；

r——釋放率，%。

1.2.4 釋放動力學模型 Avrami’s公式如式(3)所示。

R2=exp[-(kt)n]，

(3)

式中：

R2——釋放率，%；

k——釋放速率常數(shù)；

t——貯藏時間，d；

n——釋放機制參數(shù)。

對式(3)取兩次對數(shù)得：

ln(-lnR2)=n(lnk+lnt)。

(4)

以lnt、ln(-lnR2)分別為橫、縱坐標擬合方程，從而求解出n和k值。

1.2.5 體外模擬人體消化道環(huán)境對魚油微膠囊芯材釋放的影響

(1)人體口腔唾液(SOS)：參照劉斯博等[17]的方法配制SOS溶液。

(2)胃液(SGF)：分別準確稱取0.32 g胃蛋白酶和0.2 g 氯化鈉，加入100 mL水溶解后，調(diào)節(jié)pH至2.0，配制成SGF溶液。

(3)腸液(SIF)：分別稱取1.0 g胰蛋白酶和0.68 g磷酸氫二鉀，加入100 mL水溶解后，調(diào)節(jié)pH至6.8，配制成SIF溶液。

將魚油微膠囊樣品依次置于現(xiàn)配的SOS(0～10 min)、SGF(10～120 min)和SIF(120～270 min)中，(37±1)℃下水浴并以100 r/min攪拌一定時間，模擬人體消化道的消化功能，測量不同時間下的芯材保留率。

1.2.6 微膠囊粒徑變化 將體外模擬人體消化道試驗過程中不同時間點的樣品置于水中分散均勻后，用粒度儀測定樣品粒徑分布，并分析其變化。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理 所有試驗數(shù)據(jù)均為3次測定的平均值，采用SPSS 18.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多重比較及差異顯著性檢驗分析，利用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 貯藏溫度對芯材保留率的影響

由圖1可知，芯材保留率隨貯藏時間的增加逐漸下降；同一時間下，貯藏溫度越高，芯材保留率越低。4 ℃下貯藏21 d可達93%的芯材保留率，而50 ℃下貯藏21 d后，有大部分芯材被釋放，保留率降至58%，且顯著低于25，35 ℃下的(P<0.05)。相同條件下，芯材保留率隨貯藏時間的延長逐漸降低，是因為較高的溫度下，壁材膨脹使其所形成的保護結(jié)構(gòu)被破壞，囊膜孔徑增大、通透性增強，甚至出現(xiàn)裂縫，對芯材的阻力變小，使芯材加速逸出和釋放[21-22]；另一方面，高溫環(huán)境能促使芯材分子加速運動，使其動能增大，加快芯材的釋放速率[23]。因此，高溫會對芯材、壁材都造成影響，樣品應盡量貯藏在溫度較低的環(huán)境中。

由表1可知，R2>0.97說明擬合性較好，可對其釋放規(guī)律進行較好的解釋[24]；釋放機理參數(shù)n<1，表明該釋放過程介于擴散限制動力學與一級動力學之間；k值隨貯藏溫度的增加而顯著增加(P<0.05)。綜上可知，魚油微膠囊的釋放為非穩(wěn)態(tài)的動力學過程，貯藏溫度對魚油微膠囊芯材保留率具有顯著影響(P<0.05)，4 ℃下貯藏可以有效阻止或延緩其釋放。

圖1 魚油微膠囊在不同貯藏溫度下的芯材保留率及Avrami’s回歸分析

Figure 1 Core material retention and Avrami’s regression analysis of fish oil microcapsules at different storage temperatures

表1 不同貯藏溫度下的芯材釋放機理參數(shù)及釋放速率常數(shù)

Table 1 Release mechanism parameters and release rate constants at different storage temperatures

貯藏溫度/℃釋放機理參數(shù)n釋放速率常數(shù)kR240.9743.04×10-30.994250.98814.44×10-30.985350.96813.72×10-30.976500.84723.79×10-30.996

2.2 相對濕度對芯材保留率的影響

由圖2可知，芯材保留率隨相對濕度和貯藏時間的增加而大幅下降，相對濕度92%下貯藏21 d后，魚油微膠囊芯材保留率僅為47%，顯著低于相對濕度34%下的(P<0.05)。

由表2可知，R2>0.97說明擬合程度較好；k值隨相對濕度的增加而增加；n>1(相對濕度32%除外)說明該釋放過程超過一級反應動力學參數(shù)。因此，當環(huán)境中相對濕度增加，水分子在使壁材發(fā)生吸水的同時，還可以通過微膠囊表面進入其內(nèi)部，使膜滲透性、機械強度、致密度等下降，進一步加快芯材釋放速度[25]，故貯藏環(huán)境應盡量保持低相對濕度。

圖2 魚油微膠囊在不同相對濕度下的芯材保留率和Avrami’s回歸分析

Figure 2 Core material retention and Avrami’s regression analysis of fish oil microcapsules at different storage humidity

表2 不同相對濕度下的芯材釋放機理參數(shù)及釋放速率常數(shù)

Table 2 Release mechanism parameters and release rate constants at different storage humidity

相對濕度/%釋放機理參數(shù)n釋放速率常數(shù)kR2320.9442.33×10-30.979541.54417.43×10-30.997761.06019.29×10-30.991921.00836.65×10-30.996

2.3 光照強度對芯材保留率的影響

由圖3可知，芯材保留率隨光照強度和貯藏時間的增加逐漸下降，說明光照強度可促使魚油中游離基的產(chǎn)生，進一步發(fā)生自由基鏈反應[26]。

由表3可知，R2>0.98說明擬合程度較好；k值隨光照強度的增加逐漸增加；n>1說明該釋放過程超過一級反應動力學參數(shù)，故應盡量避光貯藏魚油微膠囊。

2.4 體外模擬人體消化道環(huán)境對芯材釋放的影響

由圖4可知，樣品在SOS、SGF和SIF模擬體外試驗中表現(xiàn)出了良好的緩釋及控制釋放行為。0～10 min為模擬口腔釋放過程，其釋放率僅為4.7%，大部分進入下一階段中釋放；10～120 min在SGF的酸性環(huán)境中緩慢釋放，120 min時的釋放率僅為22.9%，可能是殼聚糖與大豆分離蛋白所形成的壁材具有較好的機械強度，模擬體外口腔消化液及胃液對壁材的消化能力有限，只有一部分多糖被消化，因此無法完全破壞壁材使芯材完全釋放出來[26-27]。120 min后進入SIF溶液中，芯材釋放率明顯增加，270 min時釋放率達80.6%，說明堿性環(huán)境的改變和胰蛋白酶的分解作用同時破壞了多糖和蛋白質(zhì)之間的相互交聯(lián)，打破了共價鍵，進一步溶解蛋白，使微膠囊骨架結(jié)構(gòu)的致密度降低、快速降解，甚至在壁材表面出現(xiàn)一定的空隙，使芯材逐漸釋放擴散[28]。因此，大豆分離蛋白和殼聚糖復合壁材具有較強的抗消化能力，可以使微膠囊中的芯材在整個模擬體外消化道環(huán)境防止芯材立即釋放，起到緩釋作用[29]。

圖3 魚油微膠囊在不同光照強度下的芯材保留率和Avrami’s回歸分析

Figure 3 Core material retention and Avrami’s regression analysis of fish oil microcapsules at different light intensities

表3 不同光照強度下的芯材放機理參數(shù)及釋放速率常數(shù)

Table 3 Release mechanism parameters and release rate constants at different light intensities

光照強度/lx釋放機理參數(shù)n釋放速率常數(shù)kR201.2404.47×10-30.99240001.35710.64×10-30.98360001.02212.83×10-30.986100001.01016.06×10-30.993

圖4 魚油微膠囊在SOS、SGF及SIF中芯材的釋放率

2.5 體外模擬人體消化道環(huán)境中微膠囊粒徑的變化

由圖5可知，0～120 min，平均粒徑由15.82 μm減小至5.67 μm，減少了64%，而此時的芯材釋放率僅為22.9%；120～270 min平均粒徑減小至2.98 μm。當微膠囊在SGF溶液中時，雖然壁材在胃蛋白酶及酸性環(huán)境的作用下逐漸溶解，但整個結(jié)構(gòu)仍然保持完整，芯材不能立即釋放，起到緩釋作用；而當微膠囊進入SIF溶液中時，由于環(huán)境的改變使得壁材結(jié)構(gòu)快速瓦解，最終有80.6%的芯材被釋放。

圖5 魚油微膠囊在SOS、SGF及SIF環(huán)境中的平均粒徑

3 結(jié)論

在前期研究的基礎(chǔ)上，對通過復合壁材制備的魚油微膠囊產(chǎn)品在不同貯藏溫度、相對濕度和光照強度下芯材的釋放性能進行測定，并采用Avrami’s公式進行擬合，其中R2>0.97，說明擬合程度良好。通過分析釋放機制參數(shù)和釋放速率常數(shù)，明確了不同貯藏條件下的釋放類型：當貯藏溫度4～50 ℃，相對濕度34%時，n<1，說明介于擴散限制動力學和一級釋放動力學之間；當相對濕度54%～92%，光照強度0～10 000 lx時，n>1，說明屬于一級釋放動力學。通過對模擬消化道中的釋放情況進行研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)270 min后，微膠囊釋放率達80.6%，表明微膠囊在模擬消化道中有緩釋行為，而微膠囊相應的粒徑從起始的15.82 μm經(jīng)模擬消化道環(huán)境后減小至2.98 μm，表明該種微膠囊產(chǎn)品能夠順應人體腸道的消化吸收功能。體外模擬試驗中對于壁材的耐酸性要求更高，后期可復配一些耐酸的物質(zhì)達到更好的緩釋效果。