不同pH復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊在熱水中的釋放

張新羽，高珊珊，孫麗平，董志儉，勵(lì)建榮

（渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧錦州121000）

不同pH復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊在熱水中的釋放

張新羽，高珊珊，孫麗平，董志儉*，勵(lì)建榮

（渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧錦州121000）

以明膠和阿拉伯膠為壁材，甜橙油為芯材，采用復(fù)合凝聚法制備球狀多核微膠囊。研究了pH對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊的形態(tài)、粒徑、產(chǎn)率、載量及釋放率的影響。結(jié)果表明：當(dāng)pH由4.3降到3.7時(shí)，復(fù)合凝聚微膠囊具有球狀多核的結(jié)構(gòu)，粒徑逐漸增加，但產(chǎn)率、載量變化不明顯；在80℃熱水中復(fù)合凝聚微膠囊逐漸溶脹，粒徑變大，芯材通過擴(kuò)散的方式緩慢地釋放；pH4.3時(shí)，微膠囊在熱水中的釋放最為緩慢，60min僅釋放6.0%。

微膠囊，復(fù)合凝聚，甜橙油，釋放

復(fù)合凝聚微膠囊化方法是指兩種帶有相反電荷的高分子電解質(zhì)在水溶液中發(fā)生相互作用形成復(fù)合凝聚物，復(fù)合凝聚物沉積在乳狀液滴的周圍，再經(jīng)凝膠化、固化后形成穩(wěn)定的微膠囊[1]。這項(xiàng)技術(shù)能夠允許微膠囊大小和載量的較大變化，具有高的包埋產(chǎn)率。微膠囊經(jīng)固化處理后囊壁形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠耐受高溫、高濕的加工環(huán)境，具有優(yōu)良的控制釋放特性[2]。復(fù)合凝聚微膠囊主要是通過擴(kuò)散的方式釋放內(nèi)部芯材。芯材在濃度梯度的作用下擴(kuò)散通過囊壁，從微膠囊的外表面蒸發(fā)出去。釋放速率是由芯材組分在壁材中的溶解度和通過壁材的擴(kuò)散共同控制的。芯材通過壁材的傳質(zhì)速率則取決于很多因素，包括微膠囊的粒徑大小、橋聯(lián)度、孔隙度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、芯材分子的極性、溫度、水分含量等[3]。pH對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊的粒徑、形態(tài)和載量具有顯著的影響[4]，而微膠囊的粒徑、載量又是決定其釋放的重要因素[5]，因此研究不同pH的復(fù)合凝聚微膠囊在高溫環(huán)境中的釋放機(jī)理，探索影響釋放的主要因素，將會(huì)促進(jìn)微膠囊控制釋放理論的發(fā)展以及復(fù)合凝聚耐高溫微膠囊技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

明膠 國(guó)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑有限公司；阿拉伯膠 上海潤(rùn)創(chuàng)食品有限公司；甜橙油 廣東博盈貿(mào)易有限公司；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶 泰州一鳴生物技術(shù)有限公司。

RW20.N懸臂式攪拌器 廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司；FJ-200高速分散器 上海標(biāo)本模型廠；Motic BA300數(shù)碼顯微鏡 麥克奧迪（MOTIC）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊的制備 稱量3g的阿拉伯膠和3g的明膠于600mL的蒸餾水中，加熱攪拌使其溶解，加入7.14mL的甜橙油（0.84g/mL），并用高速分散均質(zhì)機(jī)進(jìn)行乳化3min，之后倒入三口燒瓶里，在40℃水浴中400r/min攪拌，滴入冰醋酸使pH降到4.3（4.0、3.7、3.4），進(jìn)行復(fù)合凝聚反應(yīng)。10min后加冰降溫到15℃以下，然后用10%的NaOH溶液調(diào)整pH到6.0，加入一定量轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶進(jìn)行固化處理，反應(yīng)2h后停止攪拌，靜止過夜后將溶液抽濾，得一定含水量的濕復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊。

1.2.2 明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊形態(tài)的觀察 取一滴復(fù)合凝聚微膠囊懸浮液，將其放在載玻片上，用數(shù)碼顯微鏡觀察并拍照。

1.2.3 明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊粒徑的測(cè)定 復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊粒徑是由數(shù)碼顯微鏡手動(dòng)測(cè)定的。隨機(jī)選取50個(gè)1.2.2中所拍的復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊，測(cè)量其直徑，最后取平均值。

1.2.4 明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊產(chǎn)率的測(cè)定方法 取一定量的1.2.1中得到的濕復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊（m1）放入燒杯中，用少量的水分散后倒入2000mL圓底燒瓶中，加一定量水，水蒸氣蒸餾4h，得到v2甜橙油。按下式計(jì)算產(chǎn)率：

式中：η1：復(fù)合凝聚微膠囊的產(chǎn)率（%）；m：反應(yīng)得到的濕復(fù)合凝聚微膠囊的總質(zhì)量（g）；v：反應(yīng)加入的甜橙油的總體積（mL）；m1：水蒸氣蒸餾取用的濕復(fù)合凝聚微膠囊的質(zhì)量（g）；v1：將質(zhì)量為m1的濕復(fù)合凝聚微膠囊蒸餾后所得橙油的體積（mL）。

1.2.5 明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊含水率的測(cè)定方法 取一定量的1.2.1中得到的濕復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊（m1），放在蒸發(fā)皿中，置于180℃的烘箱中加熱1h。殘余的干燥微膠囊塊（m2）經(jīng)藥匙取出、破碎后，水蒸氣蒸餾4h，得到v2甜橙油。按下式計(jì)算含水率：

式中：η2：復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊的含水率（%）；ρ：甜橙油的密度（g/mL）；（m1－m2）：烘干過程釋放出的水和甜橙油的總質(zhì)量（g）；ρ（v1－v2）：烘干過程中釋放出的甜橙油的質(zhì)量（g）。

1.2.6 復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊載量的測(cè)定方法

式中：η2：復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊的含水率（%）；η3：復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊的載量（%）；m1：稱取的濕復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊的質(zhì)量（g）；v1：將質(zhì)量為m1的濕復(fù)合凝聚微膠囊蒸餾后所得甜橙油的體積（mL）；ρ：甜橙油的密度（g/mL）。

1.2.7 明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊釋放率的測(cè)定方法 從1.2.1中取五份相同質(zhì)量的濕復(fù)合凝聚橙油微膠囊分別放入燒杯中，加入400mL蒸餾水，進(jìn)行3min乳化分散，將所得懸浮液在80℃水浴、300r/min條件下進(jìn)行攪拌。分別于5、10、20、40、60min取出一份過濾，并用一定量的蒸餾水洗滌，收集過濾后的微膠囊，測(cè)量其含油量為v4，并計(jì)算釋放率η4：

式中：η4：復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊的釋放率（%）；v3：每份濕復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊的含油量（mL）；v4：每份濕復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊經(jīng)過加熱釋放后的含油量（mL）。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH對(duì)復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊形態(tài)和粒徑的影響

由圖1和圖2可知，在復(fù)合凝聚階段，pH由4.3降到3.7時(shí)，形成的復(fù)合凝聚多核微膠囊呈球狀，并且微膠囊的平均粒徑逐漸增大，由27.3μm增加到34.7μm，但微膠囊囊壁逐漸變薄；當(dāng)pH降到3.4時(shí)，球狀多核微膠囊變得不規(guī)則，粒徑逐漸減小，為32.4μm；因此制備復(fù)合凝聚球狀多核微膠囊的最適pH為3.7～4.0。

當(dāng)pH由4.3降到3.7時(shí)，復(fù)合凝聚物的產(chǎn)量變化不大[6]，所以粒徑增大不是由復(fù)合凝聚物增加所導(dǎo)致。pH下降過程中，明膠所帶正電荷顯著增加，明膠與阿拉伯膠發(fā)生強(qiáng)烈的靜電相互作用，形成高粘度復(fù)聚物[7]。由于體系具有較高的粘度，因此，多核微膠囊相互間也容易發(fā)生碰撞，形成粒徑更大的球狀多核微膠囊。

圖1 pH對(duì)復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊形態(tài)的影響Fig.1 Effect of pH on the morphology of coacervate microcapsules encapsulating sweet orange oil

圖2 pH對(duì)復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊粒徑的影響Fig.2 Effect of pH on the particle size of coacervate microcapsules encapsulating sweet orange oil

當(dāng)pH由3.7下降到3.4時(shí)，壁材明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚物中明膠分子間的靜電排斥作用超過了明膠、阿拉伯膠間的靜電吸引作用，使得少量明膠分子被從壁材復(fù)合凝聚物中排斥出去，壁材復(fù)合凝聚物的組成、性質(zhì)都發(fā)生顯著的變化，最終導(dǎo)致微膠囊的形態(tài)不規(guī)則。

2.2 pH對(duì)復(fù)合凝聚球狀多核甜橙油微膠囊產(chǎn)率和載量的影響

由圖3可知，當(dāng)pH為4.3時(shí)，微膠囊的產(chǎn)率和載量分別為92.4%和70.2%，降低pH對(duì)復(fù)合凝聚球狀多核微膠囊的產(chǎn)率和載量影響不大。pH的下降使得壁材復(fù)合凝聚物具有高粘度，微膠囊間相互碰撞形成更大的微膠囊，但芯材并沒有從復(fù)合凝聚物中移出，因此產(chǎn)率和載量基本保持不變。

圖3 pH對(duì)復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊產(chǎn)率和載量的影響Fig.3 Effect of pH on the productivity and loading of coacervate microcapsules encapsulating sweet orange oil

2.3 復(fù)合凝聚球狀多核甜橙油微膠囊在熱水中的釋放

2.3.1 不同pH的復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊在熱水中形態(tài)和粒徑變化 如圖4和圖5，pH為4.3的微膠囊在80℃熱水中加熱5min時(shí)粒徑為27.3μm，60min時(shí)粒徑為29.3μm，粒徑變化不大，沒有出現(xiàn)明顯的溶脹現(xiàn)象；而當(dāng)pH為4.0和3.7時(shí)，隨著在熱水中釋放時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合凝聚微膠囊粒徑明顯增大，芯材甜橙油液滴呈向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，油滴之間的距離加大，溶脹十分顯著。這可能是由于pH的下降使得微膠囊的粒徑增大，被酶固化的表面積減小，因此在熱水中吸水溶脹的程度增加[8]。

圖4 不同pH復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊在80℃水中的形態(tài)Fig.4 Morphology of coacervate sweet orange oil microcapsules prepared at different pH after incubation in 80℃hot water

復(fù)合凝聚微膠囊經(jīng)固化后，微膠囊壁中明膠分子間通過共價(jià)鍵相互聯(lián)接，形成了三維網(wǎng)狀的剛性囊壁結(jié)構(gòu)，因此這種微膠囊能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部芯材僅是通過擴(kuò)散的方式緩慢地釋放。而噴霧干燥微膠囊的囊壁為玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)，在高溫、高濕的環(huán)境下很容易吸水溶脹，微膠囊壁破裂，快速地釋放內(nèi)部芯材，緩釋效果差。因此復(fù)合凝聚微膠囊具有優(yōu)良的緩釋性、耐熱性，更適合于應(yīng)用到高溫、高濕的加工環(huán)境中。

圖5 不同pH復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊在80℃水中的粒徑變化Fig.5 Particle size of coacervate sweet orange oil microcapsules prepared at different pH after incubation in 80℃hot water

2.3.2 不同pH復(fù)合凝聚球狀多核甜橙精油微膠囊在熱水中的釋放曲線 由圖6可知，不同pH的復(fù)合凝聚甜橙精油微膠囊的釋放曲線呈現(xiàn)兩個(gè)不同的階段，開始階段微膠囊中甜橙精油的釋放率呈線性增加，在20min時(shí)釋放率達(dá)到最大，而后釋放率保持恒定。pH為4.3時(shí)，微膠囊的釋放最為緩慢，在80℃水中加熱60min時(shí)釋放速率僅為6.0%，表現(xiàn)出優(yōu)良的緩釋特性；pH由4.3降到4.0，微膠囊的芯材釋放速率變化不大，耐熱性質(zhì)也較為接近，繼續(xù)降低pH至3.7時(shí)，芯材的釋放速率明顯提高。當(dāng)pH降到3.7時(shí)，明膠分子間的靜電排斥作用顯著增加，少量明膠分子被從壁材復(fù)合凝聚物中排斥出，盡管此時(shí)微膠囊仍保持球狀結(jié)構(gòu)，但囊壁顯著孔徑增大，微膠囊釋放增強(qiáng)；同時(shí)微膠囊的粒徑增大，囊壁厚度減小，被酶固化的囊壁面積減小，也使得對(duì)芯材的保護(hù)性變差。

圖6 不同pH復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊在80℃水中的釋放曲線Fig.6 Releaseprofileofcoacervatesweetorangeoilmicrocapsules prepared at different pH after incubation in 80℃hot water

3 結(jié)論

制備復(fù)合凝聚球狀多核甜橙油微膠囊的最適pH為3.7～4.0。pH對(duì)復(fù)合凝聚球狀多核甜橙油微膠囊的產(chǎn)率和載量影響不大。復(fù)合凝聚甜橙油微膠囊在熱水中是通過擴(kuò)散的形式緩慢地釋放內(nèi)部芯材，微膠囊的結(jié)構(gòu)對(duì)釋放具有顯著的影響。

[1]Gouin S.Microencapsulation：industrial appraisal of existing technologies and trends[J].Trends in Food Scienceamp;Technology，2004，15（7/8）：330-347.

[2]Dong Z J，Xia SQ，Hua S，et al.Optimization of cross-linking parameters during production of transglutaminase-hardened spherical multinuclear microcapsules by complex coacervation [J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2008，63（1）：41-47.

[3]Soper J C，Thomas M T.Enzymatically protein encapsulating oil particles by complex coacervatio[P].US 6039901.2000-03-21.

[4]Dong Z J，Toure A，Jia C S，et al.Effect of processing parameters on the formation ofsphericalmultinuclearmicrocapsules encapsulating peppermint oil by coacervation[J].Journal of Microencapsulation，2007，24（7）：634-646.

[5]Dong Z J，Ma Y，Hayat K，et al.Morphology and release profile of microcapsules encapsulating peppermint oil by complex coacervation[J].Journal of Food Engineering，2011，104（3）：455-460.

[6]董志儉，夏書芹，賈承勝，等.pH對(duì)復(fù)合凝聚薄荷油微膠囊形態(tài)及復(fù)合凝聚物性質(zhì)的影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2010，36（6）：57-61.

[7]Weinbreck F，Wientjes R H W.Rheological properties of whey protein/gum Arabic coacervates[J].Journal of Rheology，2004，48：1215-1228.

[8]Takenaka H，Kawashima Y，Lin S Y.The effect of wall thickness and amount hardening agent on the release characteristics of sulfamethoxazole microcapsule prepared by gelatin-Acacia complex coacervation[J].Chemical and Pharmaceutical Bulletin，1979，27（12）：3054-3060.

Release of sweet orange oil microcapsules prepared by complex coacervation at different pH in hot water

ZHANG Xin-yu，GAO Shan-shan，SUN Li-ping，DONG Zhi-jian*，LI Jian-rong
（College of Chemistry，Chemical Engineering and Food Safety，Key Laboratory for Food Safety of Liaoning Province，Bohai University，Jinzhou 121000，China）

Spherical multinuclear microcapsules encapsulating sweet orange oil were prepared by complex coacervation using gelatin and gum Arabic as wall material.Effect of pH on the morphology，particle size，productivity，loading and release of coacervate microcapsules was investigated.The results showed that：with the decrease of pH from 4.3 to 3.7，coacervate microcapsules possessed spherical multinucleate structure，particle size of microcapsules gradually increased but yield and loading changed very little；coacervate microcapsules gradually swelled in 80℃hot water，particle size of microcapsules increased and core material was slowly released by diffusion；when pH was 4.3，the release rate of microcapsules was the slowest in hot water and the release rate was only 6.0%at 60min.

microcapsule；complex coacervation；sweet orange oil；release

TS201.2

A

1002-0306（2012）01-0125-04

2011－09－08 *通訊聯(lián)系人

張新羽（1986-），女，碩士研究生，研究方向：水產(chǎn)品貯藏加工。

渤海大學(xué)科研基金項(xiàng)目（BSQD2009028）。