紫蘇油微膠囊的性質(zhì)與體外模擬消化研究

馬明月， 姜宏宇， 張 華,2

(延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院食品與生物科學(xué)系1，延吉 133002) (東北寒區(qū)肉?？萍紕?chuàng)新教育部工程研究中心；延邊大學(xué)2，延吉 133002)

紫蘇油是一種含高度不飽和脂肪酸的天然油脂，PUFA質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)98%，所含主要成份為α-亞麻酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)50%～70%，是目前所發(fā)現(xiàn)的所有天然植物油中這種脂肪酸含量最高的[1]。成人攝入脂肪后，在胃中由胃脂肪酶消化5%～30%，在小腸中由膽囊和胰腺分泌物的協(xié)調(diào)作用消化和吸收30%～75%[2]。為保留其功能特性，降低在胃環(huán)境下的損失，將PUFA以結(jié)構(gòu)上和功能上完整的形式遞送到小腸再釋放出來進(jìn)行消化吸收，利用微膠囊技術(shù)，讓壁材對(duì)油脂進(jìn)行包埋，在其表面形成保護(hù)層，可以有效避免這些敏感性成分直接與外界的光、氧、水以及酸堿性物質(zhì)接觸，保留PUFA和其他親脂成分的結(jié)構(gòu)和功能，增強(qiáng)它們的消化，吸收和生理利用能力[3，4]。

制備微膠囊的方法有噴霧干燥和復(fù)凝聚法等。噴霧干燥法是將芯材分散在壁材溶液中，在高溫氣流中將芯材、壁材的混合溶液霧化，使溶液中的溶劑迅速蒸發(fā)，最終使壁材固化而得到微膠囊產(chǎn)品[5]。復(fù)凝聚法是先將芯材均勻地分散在帶相反電荷的混合壁材溶液中，通過調(diào)節(jié)體系的溫度、pH或濃度，使壁材發(fā)生靜電作用，壁材在相互吸引的過程中，將芯材包裹住，凝聚成微膠囊[6]。復(fù)凝聚法必須選用2種或以上帶有正負(fù)不同電荷的高分子化合物作為復(fù)合壁材，當(dāng)改變?nèi)芤后w系pH至臨界值時(shí)，作為兩性電解質(zhì)的蛋白質(zhì)攜帶著正電荷，與攜帶著負(fù)電荷的碳水化合物間因靜電作用力而形成復(fù)合凝聚物，從而將芯材包埋形成微膠囊[7]。相比于其他微膠囊技術(shù)如噴霧干燥，它最主要的優(yōu)點(diǎn)是具有極高的包埋率和緩釋性能，并且所需條件溫和，不涉及高溫。因此，在這個(gè)過程中可以避免芯材的活性物質(zhì)和風(fēng)味損失或揮發(fā)。

海藻酸鈉是從海藻中提取的一種天然多糖類化合物，具有良好的穩(wěn)定性、絮凝性、成膜性、增稠性和螯合性[8]。明膠是一種從動(dòng)物(豬、牛、馬、魚等)的皮膚、骨骼、筋腱等含膠原蛋白的組織中經(jīng)過一系列化學(xué)處理以后部分水解的多肽和蛋白質(zhì)的混合物，具有良好的成膜性、乳化性、水溶性、生物相容性和可生物降解能力，并且無毒害、成本低[9，10]。宋雙居等[11]以明膠和海藻酸鈉為壁材，利用體外釋放實(shí)驗(yàn)測試微膠囊的釋放特性。結(jié)果表明：合成的明膠-海藻酸鈉微膠囊對(duì)啶蟲脒有良好的緩釋作用。因此，它們是一種制備微膠囊的理想包埋材料。Dong等[12]以明膠-阿拉伯樹膠為壁材，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶為固化劑，采用復(fù)凝聚法制備薄荷油微膠囊。得知薄荷油微膠囊的釋放分別遵循熱水一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)模型和高溫烘箱零級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)模型；譚睿等[13]以明膠分別與阿拉伯膠、果膠、羧甲基纖維素鈉組合為壁材，采用復(fù)凝聚法制備綠咖啡油微膠囊，包埋率達(dá)到85%以上；Yang等[14]以殼聚糖為壁材，采用復(fù)凝聚法制備香草精油微膠囊。結(jié)果表明該微膠囊具有較長的殘留作用和較高的熱穩(wěn)定性，可作為一種優(yōu)質(zhì)食品香料。

近年來，隨著微膠囊技術(shù)的成熟，在制備紫蘇油微膠囊的工藝研究部分較為集中，但對(duì)于紫蘇油微膠囊在人體胃腸道內(nèi)的消化吸收研究較少。因此，本研究通過以明膠和海藻酸鈉為壁材，采用復(fù)凝聚法制備紫蘇油微膠囊，并測定微膠囊的理化特性、抗潮性、耐熱性以及在模擬胃腸道條件下的消化吸收能力，為深入研究紫蘇油微膠囊在胃腸道內(nèi)的消化吸收能力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇油、海藻酸鈉、明膠B型、轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，均為食品級(jí)；胃蛋白酶(豬源)、胰蛋白酶。

1.2 儀器與設(shè)備

FK-FSH-2A型高速分散均質(zhì)機(jī)，F(xiàn)D-1C-50型真空冷凍干燥機(jī)，DK-2型可調(diào)式電沙浴，DCY-SY12型恒溫水浴氮吹儀，HWS-50B型恒溫恒濕箱，GC-2010plus型氣相色譜儀。

1.3 方法

1.3.1 紫蘇油微膠囊的制備

分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的明膠和海藻酸鈉溶液(明膠與海藻酸鈉的質(zhì)量比為4∶1[15])，先取8 mL的紫蘇油加入海藻酸鈉溶液，再加入0.04 mL的乳化劑司班80，開始進(jìn)行第1次均質(zhì)乳化，然后加入明膠溶液進(jìn)行第2次均質(zhì)乳化得到水包油乳液，2次均質(zhì)速度均為10 000 r/min。使用10%的冰乙酸溶液調(diào)節(jié)乳液pH為4.25時(shí)進(jìn)行復(fù)凝聚反應(yīng)，反應(yīng)條件為45 ℃、600 r/min，9 min。復(fù)凝聚反應(yīng)結(jié)束后將體系降溫至10 ℃以下維持20 min進(jìn)行凝膠，每5 min攪拌1次。凝膠結(jié)束后，去除上清液并加入去離子水洗滌，再用10%氫氧化鈉溶液逐滴加入調(diào)節(jié)pH為6，加入1.28 g的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(TG酶)低溫固化處理，固化溫度為15 ℃，固化時(shí)間為2 h。固化結(jié)束后，經(jīng)過真空冷凍干燥得到微膠囊。

真空冷凍干燥：將所得的微膠囊液倒入凍干物料盤中，厚度不超過1 cm，放入-80 ℃冰箱中預(yù)冷12 h后經(jīng)真空冷凍干燥機(jī)(-50 ℃、1 Pa)冷凍干燥得到紫蘇油微膠囊產(chǎn)品。

1.3.2 紫蘇油微膠囊的含水量測定

準(zhǔn)確稱取3 g微膠囊樣品，在105 ℃的烘箱中干燥3 h，取出置于干燥器中冷卻稱重。重復(fù)上述干燥操作，直到最后2次所測的樣品質(zhì)量差小于1 mg，所得到的稱重前后微膠囊產(chǎn)品的質(zhì)量差即為含水量。每一樣品進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 紫蘇油微膠囊的堆積密度測定

準(zhǔn)確稱取3 g微膠囊樣品，緩慢地裝入有刻度的量筒中，并將量筒水平勻速晃動(dòng)使微膠囊粉末自然下沉，測定體積，并計(jì)算單位體積微膠囊的質(zhì)量即微膠囊的堆積密度。每一樣品進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。

1.3.4 紫蘇油微膠囊的流動(dòng)性測定

準(zhǔn)確稱取5 g微膠囊樣品倒入漏斗，使微膠囊通過漏斗自然下落，在水平圓板上堆積。每一樣品進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。測量粉堆高度H及粉堆覆蓋半徑，按公式求出休止角，休止角θ越大散落性越好，休止角θ越小散落性越差。休止角公式如下：

θ=tan-1(H/R)

式中：H為粉堆高度/mm；R為粉堆覆蓋半徑/mm。

1.3.5 紫蘇油微膠囊溶解度的測定

已知微膠囊的含水量B，準(zhǔn)確稱量微膠囊質(zhì)量為W。倒入50 mL的燒杯中，量取38 mL蒸餾水，水溫控制在25～30 ℃，多次溶解后轉(zhuǎn)入50 mL離心管中。將上述離心管置于離心機(jī)中，以4 000 r/min離心10 min，傾去上清液，重復(fù)此步驟至沉淀物不再溶解為止，用少量水將沉淀移入已知質(zhì)量的蒸發(fā)皿中，至于105 ℃烘箱中烘至恒重。

溶解度={1-(W2-W1)/[(1-B)×W]}×100%

式中：W為樣品質(zhì)量/g；W1為稱量皿質(zhì)量/g；W2為稱量皿和不溶物質(zhì)量/g；B為樣品含水量。

1.3.6 紫蘇油微膠囊包埋率測定

包埋率是指微膠囊所包埋芯材的量與總芯材的量之比，是判斷微膠囊包埋芯材效果的關(guān)鍵指標(biāo)[16]。

包埋率=(樣品總油含量-表面油含量)/樣品總油含量×100%

1.3.6.1 表面含油量測定

精確稱取0.5 g微膠囊樣品(m0)于干燥的裝有濾紙的漏斗中，將100 mL石油醚分5次加入過濾至干燥的旋蒸瓶(m1)。在50 ℃水浴中用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干溶劑，65 ℃烘箱中烘干至恒重，冷卻稱重(m2)。每一樣品進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。微膠囊表面油含量的計(jì)算公式為：

表面油含量=(m2-m1)/m0×100%

1.3.6.2 樣品總油含量測定

索氏抽提法[17]：按照GB/T 5009.6—2016《食品中脂肪的測定》的第一法執(zhí)行，并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

稱取0.5 g微膠囊樣品(m0)，充分研磨10 min，全部移入濾紙筒內(nèi)(m1)。以無水乙醚作溶劑開始進(jìn)行索氏抽提。抽提結(jié)束以后，將濾紙包取出，65 ℃烘箱中烘干至恒重，稱質(zhì)量(m2)。每一樣品進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。微膠囊樣品總油含量的計(jì)算公式為：

樣品總油含量=(m2-m1)/m0×100%

1.3.7 紫蘇油微膠囊的抗潮性實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取微膠囊產(chǎn)品10 g左右，放在25 ℃，80%相對(duì)濕度的恒溫恒濕箱中，測定一定時(shí)間內(nèi)微膠囊產(chǎn)品增加的質(zhì)量，計(jì)算其增重率。每一樣品進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。

1.3.8 紫蘇油微膠囊的囊壁耐熱性實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取微膠囊產(chǎn)品1 g，用錫紙包裹，分別置于50、100、150、200、250、300、350 ℃的恒溫沙浴鍋中保持1 h，測定其包埋率，用來檢驗(yàn)微膠囊囊壁的耐熱性。

1.3.9 紫蘇油微膠囊的模擬消化吸收實(shí)驗(yàn)1.3.9.1 模擬胃液的制備[18]

取2.0 g NaCl與7 mL 36%的HCl添加在900 mL的去離子水中，隨后再放入3.2 g含量的胃蛋白酶，用0.1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)溶液的pH為1.2，定容到1 000 mL，并放在4 ℃下存儲(chǔ)。溶液必須保證現(xiàn)用現(xiàn)配，防止酶發(fā)生失活的情況，影響最終實(shí)驗(yàn)效果。

1.3.9.2 模擬腸液的制備[18]

取800 mL的去離子水，然后把6.8 g K2HPO4溶于其中，再取77 mL的0.2 mol/L的NaOH與10 g胰蛋白酶，保持在4 ℃環(huán)境溫度下攪拌，隨后擱置一夜，用0.1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH為6.8，定容到1 000 mL，并放在4 ℃下存儲(chǔ)。溶液必須保證現(xiàn)用現(xiàn)配，防止酶發(fā)生失活的情況，影響最終實(shí)驗(yàn)效果。

1.3.9.3 模擬消化吸收實(shí)驗(yàn)[19]

取1 g紫蘇油微膠囊加到100 mL模擬胃液中，使用磁力攪拌器在(37±0.5) ℃、100 r/min的條件下攪拌，每20 min過濾取出微膠囊進(jìn)行稱重，2 h后，再過濾加到100 mL模擬腸液中，使用磁力攪拌器在(37±0.5)℃、100 r/min的條件下攪拌，每30 min過濾取出微膠囊進(jìn)行稱重。每一樣品進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。

1.3.10 紫蘇油微膠囊釋放率的測定

釋放油脂的提取方法[20]：間隔0.5 h取混合均勻消化液，將酶滅活，將消化過的樣品溶液轉(zhuǎn)入分液漏斗中，加入25 mL正己烷，混合萃取，重復(fù)3次后，合并有機(jī)相，55 ℃旋蒸除去正己烷，用99.9%的氮?dú)獬埩舻娜軇?，得到消化過程中釋放的油脂含量，釋放率(Q)根據(jù)以下公式計(jì)算：

釋放率=消化后油脂釋放總量/微膠囊總油含量×100%

1.3.11 微膠囊化前后紫蘇油的脂肪酸組成分析1.3.11.1 紫蘇油微膠囊破壁提油

準(zhǔn)確稱取5 g紫蘇油微膠囊樣品于干燥的研缽中，充分研磨20 min后，轉(zhuǎn)移到干燥的錐形瓶中，加入200 mL石油醚使溶解，超聲震蕩1 h，過濾。用60 mL石油醚分3次加入洗滌濾渣，每次均充分震蕩，過濾并合并濾液于干燥的旋蒸瓶中。在40 ℃水浴中用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸干絕大部分溶劑，再使用氮吹儀將殘余溶劑完全蒸發(fā)。

1.3.11.2 紫蘇油甲酯化方法

稱取30 mg樣品，加入1.5 mL 0.5 mol/L氫氧化鈉-甲醇溶液，充分混合后在沸水中反應(yīng)3 min，冷卻；再加入2 mL體積分?jǐn)?shù)14%的三氟化硼-甲醇溶液，充分混合后繼續(xù)在沸水中反應(yīng)2 min，冷卻；再加入1 mL飽和氯化鈉和2 mL異丙醇，充分混合后，超速離心，3 000 r/min反應(yīng)2 min；取上層脂肪酸甲酯，經(jīng)過無水硫酸鈉干燥后用于氣相(GC)分析。

1.3.11.3 氣相色譜分析條件

檢測器：氫離子火焰檢測器(FID)，260 ℃；色譜柱：HP-5毛細(xì)管柱(TR-TRACE-FAME，25 m×0.32 mm×0.50 μm)；進(jìn)樣口溫度：250 ℃：進(jìn)樣量：1 μL：分流比：30∶1；程序升溫：140 ℃，保持5 min，以 3 ℃/min 升至 240 ℃，保持65 min；載氣：高純氦氣，流速 34 mL/min。

1.3.12 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

所有實(shí)驗(yàn)做3次平行，使用Origin 2018繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫蘇油微膠囊基本理化指標(biāo)

由表1可知，在以明膠、海藻酸鈉為壁材，通過復(fù)凝聚法制備得到的紫蘇油微膠囊產(chǎn)品的含水量較低，為3.91%。這說明產(chǎn)品在冷凍干燥過程中水分充分蒸發(fā)，達(dá)到了所需的干燥狀態(tài)，有利于產(chǎn)品的貯藏。休止角是衡量粉末產(chǎn)品流動(dòng)性的重要指標(biāo)，一般來說，當(dāng)休止角≤30°時(shí)，產(chǎn)品的流動(dòng)性很好；休止角為30°～45°時(shí)，產(chǎn)品流動(dòng)性良好；休止角為45°～60°時(shí)，產(chǎn)品流動(dòng)性一般；而休止角≥60°時(shí)則流動(dòng)性差[21]。本實(shí)驗(yàn)所得的紫蘇油微膠囊休止角為44.47°，這是因?yàn)槔鋬龈稍锏奈⒛z囊產(chǎn)品表面存在褶皺，并不光滑，因此產(chǎn)品的流動(dòng)性勉強(qiáng)接近良好。微膠囊的溶解度很低，幾乎不溶于水，這是由于該微膠囊外壁選用復(fù)合材料，因此在單純的水中經(jīng)過凝聚固化的復(fù)合壁材很難溶解，起到了對(duì)芯材的保護(hù)作用。

表1 紫蘇油微膠囊基本理化指標(biāo)

2.2 紫蘇油微膠囊抗潮性分析

由圖1可知，紫蘇油微膠囊在初始階段水分增重較快，這是因?yàn)楸诓奈镔|(zhì)明膠和海藻酸鈉吸水性良好，隨著其吸水能力逐漸飽和，微膠囊的增重也逐漸緩慢，最終趨向恒定。食品中含水量的大小與其貨架期密切相關(guān)。對(duì)于油脂微膠囊產(chǎn)品來說，壁材吸水后其韌性減弱甚至發(fā)生損壞，失去對(duì)芯材的保護(hù)作用；芯材易于跟壁材吸收的水分接觸，容易發(fā)生氧化酸敗，這樣會(huì)縮短產(chǎn)品的貨架期，影響微膠囊產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，微膠囊產(chǎn)品應(yīng)盡量置于干燥的環(huán)境中保存。

圖1 紫蘇油微膠囊抗潮性曲線

2.3 紫蘇油微膠囊的囊壁耐熱性分析

由圖2可知，在剛開始階段，微膠囊在50 ℃下，包埋率僅下降了1.3%，幾乎沒有損失；隨著溫度的升高，在50～150 ℃期間，包埋率開始緩慢下降，這可能是壁材受熱發(fā)生微小變化或者部分分解，或者表面水分蒸發(fā)等，使囊壁結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致部分芯材被釋放出來從而降低了包埋率。在溫度為150～250 ℃期間，曲線迅速下降，包埋率降低了60%，這可能是明膠和海藻酸鈉間由于靜電力作用形成的共價(jià)鍵遭到破壞，發(fā)生了熱分解，被包埋的紫蘇油隨著壁材的破壞而大量釋放。當(dāng)溫度超過250 ℃后，曲線開始趨于平緩，這是由于微膠囊結(jié)果破損嚴(yán)重，芯材已經(jīng)損失殆盡，包埋率變化波動(dòng)變小。

圖2 不同溫度下紫蘇油微膠囊包埋率的變化

因此，在紫蘇油微膠囊的儲(chǔ)存過程，短暫的夏季高溫對(duì)其質(zhì)量影響不大，但應(yīng)盡量置于陰涼處；而將紫蘇油微膠囊作為食品原輔料進(jìn)行加工的時(shí)候則需注意，溫度應(yīng)該控制200 ℃以下，且盡可能縮短加工時(shí)間，以減少高溫對(duì)紫蘇油微膠囊?guī)淼牟焕绊憽?/p>

2.4 紫蘇油微膠囊在模擬消化吸收過程中的釋放性能分析

2.4.1 紫蘇油微膠囊在模擬消化吸收過程中的累積釋放率分析

0～2 h為紫蘇油微膠囊進(jìn)行體外人工模擬胃液消化階段，由圖3可知，體外人工模擬胃液消化后，微膠囊釋放率為13.25%。表明以明膠—海藻酸鈉為壁材制得的微膠囊，其囊壁外殼具備耐胃液消化分解的能力。2～5 h為紫蘇油微膠囊進(jìn)行體外人工模擬腸液消化階段，由顯著升高的曲線可以看出，紫蘇油微膠囊在腸液中，囊壁迅速崩解，將包裹的芯材釋放在腸道中。體外人工模擬腸液消化后，微膠囊釋放率為33.02%。表明該微膠囊能夠保護(hù)PUFA和其他親脂性成分順利完整的到達(dá)小腸再釋放出來進(jìn)行消化吸收。因此，紫蘇油微膠囊在消化吸收過程中具有較好的釋放率。

圖3 紫蘇油微膠囊在模擬消化吸收過程中的累積釋放率

2.4.2 紫蘇油微膠囊在模擬消化吸收過程中釋放性能分析

將紫蘇油微膠囊在模擬胃液環(huán)境和腸液環(huán)境中的釋放數(shù)據(jù)進(jìn)行零級(jí)釋放模型、Higuchi 模型和Ritger-Peppas模型擬合[22]，擬合曲線如圖4、圖5，擬合結(jié)果如表2。

圖4 紫蘇油微膠囊在模擬胃液中的釋放擬合曲線

圖5 紫蘇油微膠囊在模擬腸液中的釋放擬合曲線

由圖4、圖5可知，紫蘇油微膠囊在胃液中2 h時(shí)，累積釋放率為 13.25%；紫蘇油微膠囊在腸液中5 h時(shí)，累積釋放率達(dá)到33.02%。可知紫蘇油微膠囊在胃液中釋放較慢，大部分在腸道中釋放。

表2 紫蘇油微膠囊在模擬消化吸收過程中的釋放模型擬合結(jié)果

通過比較表2中模擬胃液環(huán)境中的擬合系數(shù)R2可知，Ritger-Peppas模型>零級(jí)模型>Higuchi模型，因此紫蘇油在胃液中的釋放最符合Ritger-Peppas模型，擬合系數(shù)R2為0.998 5。Ritger-Peppas方程的釋放參數(shù)n=0.66，當(dāng)0.45

2.5 微膠囊化前后對(duì)紫蘇油脂肪酸成分的影響

由表3可知，微膠囊化之前，紫蘇油的主要功能性成分α-亞麻酸和γ-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60.14%和27.25%；經(jīng)過微膠囊化之后，α-亞麻酸和γ-亞麻酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為59.82%和27.29%；其他脂肪酸含量雖然有少量變化，但基本保持不變。由此可見，采用溫和的復(fù)凝聚法和冷凍干燥制備微膠囊，對(duì)紫蘇油的脂肪酸營養(yǎng)價(jià)值并未造成破壞，對(duì)芯材起到了很好的保護(hù)作用。

表3 微膠囊化前后紫蘇油脂肪酸成分的變化

3 結(jié)論

本研究對(duì)紫蘇油微膠囊進(jìn)行理化特性、模擬胃腸道條件下的消化吸收能力分析以及微膠囊化前后紫蘇油脂肪酸成分進(jìn)行分析。結(jié)果表明，紫蘇油微膠囊含水量較低，易于產(chǎn)品的貯藏；產(chǎn)品的黏度較小，流動(dòng)性較好；包埋率為87.747%。模擬消化吸收實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，釋放機(jī)理符合Ritger-Peppas模型，紫蘇油微膠囊具有良好的釋放性，并且在模擬消化吸收過程中的釋放擴(kuò)散是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的過程。微膠囊化前后紫蘇油的脂肪酸成分分析結(jié)果表明，脂肪酸含量基本無變化，營養(yǎng)價(jià)值未受到破壞，對(duì)芯材起到了很好的保護(hù)作用。采用復(fù)凝聚法對(duì)紫蘇油實(shí)現(xiàn)良好包埋，微膠囊化后樣品達(dá)到功能性油脂在小腸內(nèi)有效消化吸收的目的。