牛初乳免疫球蛋白IgG微膠囊的制備及其釋放性能

王璐怡，李云飛,2,*，劉臨潔，肖 菲

(1.上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院食品科學與工程系，上海 200240；2.上海交通大學陸伯勛食品安全研究中心，上海 200240)

牛初乳含有大量的免疫因子，具有多種生物活性。其中免疫球蛋白(immunoglobulin G，IgG)在免疫和生理調(diào)節(jié)過程中起著重要作用，是免疫系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的物質(zhì)之一，已成為功能性食品添加劑的研發(fā)熱點[1-3]。然而IgG易受外界不良環(huán)境因素影響而變性降解，因此提高IgG的穩(wěn)定性對于有效發(fā)揮其生理活性顯得尤為重要[4]。

微膠囊技術(shù)已被廣泛應用于醫(yī)藥、食品、化妝品、農(nóng)藥等多個領域。通過微膠囊化能保護敏感物質(zhì)免于不良反應，顯著提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和貨架期，有效控制芯材釋放，并擴大芯材的使用范圍[5-6]。食品微膠囊的制備方法很多，其中乳化/噴霧法具有制備條件溫和、操作簡便、包埋率高等特點，在不穩(wěn)定活性蛋白微膠囊化的大規(guī)模生產(chǎn)方面極具潛力[7-8]。

采用微膠囊技術(shù)包埋免疫球蛋白能增加其對外界環(huán)境的抵抗力，提高其到達腸道的生理活性[9-10]，但傳統(tǒng)的微膠囊在制備過程中常加入有機溶劑。為了得到性能良好且安全無毒的微膠囊，本實驗以大豆油作為油溶性介質(zhì)[11]，選擇具有良好乳化性質(zhì)的阿拉伯膠(arabic gum，GA)和麥芽糊精(maltodextrin，MG)作為復合壁材和穩(wěn)定劑[12-13]，研究IgG微膠囊乳化-噴霧法制備工藝、理化性質(zhì)及體外釋放性能。在提高IgG穩(wěn)定性的同時，也為延長相應產(chǎn)品的貯藏期提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牛初乳乳清：初乳由光明乳業(yè)集團奶牛場提供，均為母牛產(chǎn)犢后7d內(nèi)產(chǎn)的初乳，原料經(jīng)均質(zhì)、脫脂、滅菌后冷凍保存，每次實驗取同一批次初乳，二次均質(zhì)并去酪蛋白后得到乳清；福臨門一級大豆油 中糧食品營銷有限公司。

阿拉伯膠、麥芽糊精、胃蛋白酶、胰蛋白酶(均為分析純) 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

88-1型定時恒溫磁力攪拌器 上海司樂儀器有限公司；APV 1000均質(zhì)機 丹麥APV有限公司；JY92-IID超聲波細胞粉碎儀 上海比朗儀器有限公司；GPW 120-Ⅱ型微型噴霧干燥機 山東天力干燥設備有限公司；EQUINOX 55傅里葉紅外光譜分析儀 德國布魯克光譜儀器公司；Nano 230型低真空超高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡 美國FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 IgG微膠囊的制備

將Span-85按比例溶解于大豆油中，制成油相。在乳清溶液中加入麥芽糊精與阿拉伯膠以及適量吐溫-60，均質(zhì)后制成水相。按一定的油水體積比將水相邊攪拌邊滴加到油相中，進行初步乳化后于細胞粉碎儀上超聲12次(8s/次，間歇5s)制成乳狀液[14-15]，隨后進行噴霧干燥，速率設定為15mL/min。將噴霧干燥制得的樣品裝袋、密封并置于冰柜中貯存待用。

1.3.2 包埋率測定

取0.5 g 微膠囊溶于1 0 m L 磷酸鹽緩沖溶液(內(nèi)含0.01g/100mL酯酶、0.5g/100mL膽堿)中，振蕩混勻，于37℃放置2h后取樣測定溶液中IgG的含量，用式(1)計算IgG包埋率[16]。

1.3.3 單因素試驗設計

在噴霧干燥進風溫度130℃、GA與MD總添加量為5%，且兩者質(zhì)量比1：1的條件下，考察不同油水體積比對微膠囊化效果的影響。

在噴霧干燥進風溫度130℃、油水體積比3：4、GA與MD總添加量5%的條件下，考察兩種壁材不同質(zhì)量配比對微膠囊化效果的影響。

在噴霧干燥進風溫度130℃、油水體積比3：4、GA與MD質(zhì)量比1：2的條件下，考察不同GA與MD添加量對微膠囊化效果的影響。

在油水體積比3：4、GA與MD總添加量為4%，且兩者質(zhì)量比為1：2的條件下，考察不同干燥進風溫度對微膠囊化效果的影響。

1.3.4 乳化條件及噴霧干燥工藝的確定

通過的單因素試驗，選擇體系油水體積比、壁材配比(阿拉伯膠與麥芽糊精)、壁材添加量及進風溫度4個考核因素，研究其對IgG包埋率的影響。為獲得最佳微膠囊化條件，設計L9(34)正交試驗。

1.3.5 微膠囊表面形態(tài)的觀察

將適量最佳條件下制備得到的微膠囊樣品均勻黏附于導電膠上，表面噴金后，用掃描電鏡(scanning electron microscopy，SEM)，加速電壓500kV，觀察其形貌特征。

1.3.6 微膠囊結(jié)構(gòu)的表征

采用K B r 壓片的方法對微膠囊進行紅外光譜分析。紅外光譜分析條件為：透射模式，掃描波數(shù)4000～400cm-1。

1.3.7 微膠囊體外釋放性能的測定

將微膠囊樣品分別置于不同的釋放介質(zhì)中，(37±0.2)℃恒溫水浴，在轉(zhuǎn)速為100r/min的條件下定時取樣0.5mL，并立即補充等量等溫介質(zhì)。由式(2)求得各時間點的累積釋放率[17]。實驗中3種不同的釋放體系分別為：含1g/100mL胃蛋白酶的鹽酸溶液，pH2.0的模擬胃液(SGF)、含1g/100mL胰蛋白酶的磷酸緩沖液，pH6.8的模擬腸液(SIF)以及pH7.4的磷酸鹽溶液。

式中：ρn為第n個時間點所取樣品中IgG質(zhì)量濃度/(mg/mL)；V為釋放介質(zhì)總體積/mL；Vi為第i個時間點的取樣體積/mL；ρi為第i個時間點所取樣品中IgG質(zhì)量濃度/(mg/mL)；m為微膠囊樣品中總IgG質(zhì)量/mg。

1.3.7 統(tǒng)計學分析

2 結(jié)果與分析

2.1 微膠囊制備的單因素試驗結(jié)果

表1 微膠囊單因素試驗結(jié)果Table 1 Scheme and results of single factor design in the preparation of microencapsulation

由表1可知，當油水體積比為7：10～4：5時包埋效果較好。究其原因可能是當油相含量過高時，壁材容易黏聚反而不利于包埋，從而使包埋率降低；當水相含量過高時，油相不能完全包埋水相，同樣不利于包埋。

當GA與MD的質(zhì)量比為1：1～1：2時包埋效果較好。究其原因可能是當GA比例過高時，易造成料液黏度過大，不利于水相分子與油相分子間的充分分散和接觸，導致離心噴霧時霧滴難以形成，從而降低包埋率。而MD成膜性差，若比例過高，形成的膠囊囊壁疏松，也會降低包埋率。

GA與MD添加量為4%～6%時包埋效果較好。但當添加量為6%時，乳狀液的黏度達到62.59mPa·s(25℃)，不利于乳狀液進料和噴霧，且添加量為3%或4%時，包埋率沒有顯著性差異(P＞0.05)。此外，由于GA價格較高，所以在保持較高包埋率的基礎上，選擇盡可能低的壁材含量。因此，將選擇兩者添加量為3%～5%進行下一步優(yōu)化實驗。

進風溫度為120～140℃時微膠囊化效果較好。究其原因可能是較高的進風溫度有利于霧化后的液滴快速形成表面致密結(jié)構(gòu)，有利于芯材的保留。此外，進風溫度過低(110℃)時產(chǎn)品含水率高，流動性不好，易黏壁，包埋效果不好，不利于收集；進風溫度過高(150℃)時，水分散失速度過快，影響產(chǎn)品的包埋效果，并且在高溫下芯材易失活。

2.2 微膠囊制備的正交試驗

正交試驗設計方案及試驗結(jié)果如表2所示，試驗結(jié)果的方差分析如表3所示。

表2 微膠囊制備正交試驗設計方案及結(jié)果Table 2 Scheme and results of orthogonal design in the preparation of microencapsulation

由表2可知，極差R由大到小的順序是C＞D＞A＞B，表明影響微膠囊包埋率的主要因素是壁材添加量，其次是進風溫度，然后是油水體積比，壁材的質(zhì)量配比對微膠囊化效果影響較小，篩選水平組合為A2B1C3D3。壁材添加量反映了乳狀液中的固形物含量，是影響包埋率的重要因素。此外，隨著油水體積比的增大，微膠囊的包埋率先增大后減小，表明體系內(nèi)水相體積偏大或偏小都會影響包埋率。而隨著mGA：mMD質(zhì)量比的減小，微膠囊的包埋率先減小后增大，通過方差分析可知，當GA與MD質(zhì)量比為1：1或1：2時，包埋率沒有顯著性差異(P＞0.05)，從經(jīng)濟角度考慮，選擇比例1：2，即選擇組合為：A2B3C3D3。由表3可知，微膠囊的包埋率隨著壁材添加量以及進風溫度的增加均呈現(xiàn)增大趨勢。

表3 正交試驗設計結(jié)果的方差分析Table 3 Variance analysis of test results of orthogonal design

綜合上述結(jié)果，選擇最佳因素水平組合：A2B3C3D3，即在油水體積比3：4、GA與MD的質(zhì)量比為1：2、壁材添加量為5%、進風溫度140℃的條件下進行驗證實驗。實驗結(jié)果表明在該條件下，微膠囊的包埋率達到(81.24±1.33)%。

2.3 最優(yōu)條件下制備的微膠囊的形貌特征

圖 1 IgG微膠囊的掃描電鏡圖Fig.1 SEM micrographs of IgG microcapsules

微膠囊顆粒的空隙及表面完整性影響著芯材的釋放，且顆粒外部表面形態(tài)與微膠囊產(chǎn)品的流動性密切相關(guān)，因此對微膠囊產(chǎn)品形態(tài)特征的研究顯得尤為重要[18]。由圖1可知，微膠囊外觀整體為球形，表面較為光滑致密，粒徑大小介于1～5μm。微膠囊顆粒表面有典型的褶皺以及凹陷，但并無空洞和破裂現(xiàn)象。壁材結(jié)構(gòu)具有較好的完整性和致密性，表明其對芯材具有良好的保護效果。當體系含有蛋白質(zhì)分子時，干燥過程中霧化液滴表面的失水收縮與蛋白質(zhì)分子的脫水緊密相關(guān)，因此微膠囊表面的凹陷主要是由于液滴不同部位的干燥速率差異以及蛋白脫水收縮等因素造成的應力不均所致[19]。此外，掃描預處理時的真空環(huán)境以及高溫處理導致膠囊表面部分水分蒸發(fā)，進而發(fā)生表面凹陷現(xiàn)象。有研究表明囊壁的凹陷可能與壁材中含有的碳水化合物含量較高有關(guān)[20]。微膠囊表面凹陷的存在不利于粉末的流動性與穩(wěn)定性[21]，但對產(chǎn)品的包埋率及產(chǎn)品特性無明顯的影響。

2.4 微膠囊的紅外光譜

圖 2 IgG的紅外光譜Fig.2 FT-IR spectrum of IgG

圖 3 微膠囊化IgG的紅外光譜Fig.3 FT-IR spectrum of microencapsulated IgG

紅外光譜法已廣泛應用于蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)研究[22]。由圖2～3可知，牛初乳免疫球蛋白IgG的紅外特征峰主要是氨基及羰基的伸縮振動、氨基的彎曲振動以及某些混合振動所引起的吸收。酰胺Ⅰ帶的吸收區(qū)間為1700～1600cm-1，主要是氨基酸的—C=O伸縮振動、N—H變形振動和C—N伸縮振動的偶合，對二級結(jié)構(gòu)的變化非常敏感。酰胺Ⅱ帶的吸收區(qū)間為1600～1500cm-1，主要是C—N的伸縮振動和N—H的變形振動，對二級結(jié)構(gòu)變化的敏感度僅次于酰胺Ⅰ帶，主要揭示蛋白質(zhì)或多肽與周圍介質(zhì)的氫鍵締合情況。酰胺III帶的吸收區(qū)間為1325～1225cm-1，在一定程度上也能直觀反映蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的變化。IgG酰胺I帶、Ⅱ帶、Ⅲ帶的振動頻率分別為1634.75、1539.85cm-1和1237.42cm-1，這與文獻[23]報道相符。當微膠囊化后，IgG的3個酰胺帶分別移動至1646.44、1537.68cm-1和1240.03cm-1，譜帶峰形與相對強度也發(fā)生了變化。其中，酰胺Ⅱ帶發(fā)生的藍移現(xiàn)象與Leslie等[24]研究結(jié)果一致，即蛋白質(zhì)分子經(jīng)脫水作用后，酰胺Ⅱ帶的吸收向短波數(shù)方向移動。譜帶的變化說明碳水化合物與蛋白在微膠囊形成過程中可能存在氫鍵締合作用，減少了干燥脫水引起的界面膜或壁結(jié)構(gòu)的不均勻收縮，有利于IgG的包埋效果。同時，IgG微膠囊化后，所有的特征峰均存在，說明基本保持了芯材IgG原有的結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)價值。

2.5 微膠囊體外釋放動力學的研究

將IgG的動力釋放過程分別用零級釋放模型、一級釋放模型、Higuchi模型和Peppas模型進行擬合，結(jié)果見表4。

表4 微膠囊釋放模型的擬合結(jié)果及相關(guān)系數(shù)Table 4 Model fitting results and correlation coefficients for the release of microcapsuled IgG

由表4可知，在PBS溶液中，零級動力學模型最接近微膠囊的釋放行為；而在模擬腸液和模擬胃液兩種釋放介質(zhì)中，微膠囊的最佳擬合模型皆為一級動力學模型，說明IgG微膠囊的釋放主要是由于囊壁被蛋白酶消化和降解，因而釋放速度較快。符合Vueba的研究結(jié)果，即當微球中藥物的釋放是由擴散作用和微球的降解作用同時控制時，一級釋放動力學模型要比Higuchi模型更好地模擬藥物的釋放行為[25]。Peppas模型是將藥物釋放的擴散項與骨架溶蝕項相加得到的一個半經(jīng)驗指數(shù)方程[26]。其中n是表征釋放機制的特征參數(shù)，當n≤0.45時，釋放機制為Fick擴散(Fick Diffusion)；當0.45＜n＜0.89時，藥物釋放為Non-Fick擴散，釋放機制為擴散和骨架溶蝕二者的協(xié)同作用(即溶蝕-溶散-擴散協(xié)同作用)；當n≥0.89時，釋放機制為骨架溶蝕。在本實驗3種不同的釋放介質(zhì)中，微膠囊Peppas模型的釋放參數(shù)n均在0.45～0.89范圍內(nèi)，說明微膠囊的釋放機制為擴散和骨架溶蝕的共同作用。

3 結(jié) 論

通過正交試驗確定了IgG微膠囊的最佳工藝：油水體積比為3：4，GA與MD的質(zhì)量比為1：2且添加量為5%，進風溫度為140℃。在此條件下制備得到微膠囊產(chǎn)品的包埋率為81.24%。掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示微膠囊外觀整體為球形，表面較為光滑致密，粒徑大小在1～5μm，表明其對芯材具有良好的保護效果。

紅外光譜檢測結(jié)果表明，IgG酰胺Ⅰ帶、Ⅱ帶、Ⅲ帶的振動頻率分別為1634.75、1539.85、1237.42cm-1。當微膠囊化后，IgG的3個酰胺帶分別移動至1646.44、1537.68、1240.03cm-1，表面碳水化合物與蛋白在微膠囊形成過程中可能存在氫鍵締合作用，有利于提高IgG的包埋效果。同時，IgG微膠囊化后，所有的特征峰均存在，說明基本保持了芯材原有的結(jié)構(gòu)及營養(yǎng)價值。

微膠囊的釋放模型擬合結(jié)果表明，在PBS溶液中，零級動力學模型最接近微膠囊的釋放行為；而在模擬腸液和模擬胃液兩種釋放介質(zhì)中，微膠囊的最佳擬合模型皆為一級動力學模型。微膠囊的釋放機制為擴散和骨架溶蝕的共同作用。

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