奇亞籽油微膠囊貯藏穩定性及緩釋動力學

常馨月，羅惟，陳程莉，董全

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

奇亞籽(SalviahispanicaL.)，為芡歐鼠尾草的種子，屬唇形科，原產于墨西哥和危地馬拉等地區，目前主要種植于墨西哥、玻利維亞、厄瓜多爾及危地馬拉等地[1-2]。奇亞籽油的主要成分為不飽和脂肪酸，特別是ω-3亞麻酸(54%～67%)和ω-6亞油酸(12%～21%)[3]。研究表明，高濃度的ω-3多不飽和脂肪酸可預防心血管、神經系統方面的疾病、炎癥以及癌癥[4-5]。雖然奇亞籽油對人體健康有積極的影響，但因多不飽和脂肪酸含量豐富，使其受環境中的水分、光、熱以及氧氣等影響，容易發生脂質氧化，導致營養價值下降[6]。微膠囊技術通過在奇亞籽油周圍形成由壁材組成的保護層[7]，減少外部環境對奇亞籽油的破壞，防止其在儲存和加工的不良反應，且能有效控制奇亞籽油在存放期間風味的釋放，提升產品消化吸收率，從而延長貨架期[8]。在實際生產中，氧化穩定性對油脂微膠囊的品質至關重要，同時芯材的釋放性能也對產品的貯藏穩定性有著極大的影響，而不同的貯藏條件會得到不一樣的芯材釋放性能和動力學方程[9]。

現階段國內的研究主要集中于微膠囊的制備工藝及理化性質，而國外主要探究微膠囊芯材的釋放過程，有關奇亞籽油微膠囊的氧化動力學及釋放性能的研究鮮少報道。本試驗擬利用酪蛋白酸鈉和D-乳糖-水合物為壁材，奇亞籽油為芯材，在前期制備出的奇亞籽油微膠囊的基礎上，通過測定65 d貯藏期內產品的過氧化值(peroxide value, POV)，運用Arrhenius 經驗方程和 Vant’Hoff 經驗公式，對產品進行氧化動力學研究及貨架期預測。同時，通過Avrami’s公式擬合不同條件下的芯材保留率，探究微膠囊產品在不同溫度、濕度和pH條件下的動力學，考察微膠囊產品在模擬胃腸道環境下的體外釋放情況，以期為奇亞籽油微膠囊的貯藏與加工提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

奇亞籽油，西安明朗生物技術有限公司；酪蛋白酸鈉、D-乳糖-水合物(食品級)，山東西亞化學工業有限公司；胃蛋白酶，重慶九德生物科技有限公司；胰蛋白酶，上海穎心實驗室設備有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

冷凍干燥機，北京松源華興科技發展有限公司；膠體磨，溫州昊星機械設備制造有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；旋轉蒸發儀，上海亞榮生化儀器廠；電熱鼓風干燥箱，天津賽得利斯試驗分析儀器制造廠；DHP-600型電熱恒溫培養箱，北京市永光明醫療儀器廠；THZ-82恒溫振蕩器，常州智博瑞儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 奇亞籽油微膠囊的制備

根據前期的制備方法，按壁材比m(酪蛋白酸鈉)∶m(D-乳糖-水合物)=1.1∶1、固形物質量分數31.32%、壁芯比(質量比)2.34∶1計算并稱量所需的原材料。將復合壁材與水混合，將壁材溶解混勻后，加入準確稱取的奇亞籽油，利用恒溫磁力攪拌器在一定溫度下乳化30 min，進入膠體磨均質后進行冷凍干燥，得到奇亞籽油微膠囊，其包埋率達90.65%。

1.3.2 奇亞籽油微膠囊貯藏穩定性研究

1.3.2.1 奇亞籽油及其微膠囊POV的測定

設置恒溫培養箱溫度為25和45 ℃，將制備好的奇亞籽油微膠囊樣品分別置于培養箱中存放65 d，并以 25 ℃儲藏條件下奇亞籽油作為對照組，每隔5 d測定一次樣品的POV，來考察微膠囊樣品在常溫和較高溫度條件下POV的變化。其中過氧化值的測定方法參照GB 5009.227—2016《食品中過氧化值的測定》。

1.3.2.2 氧化動力學分析及貨架期的預測

利用 Arrhenius 和 Vant’Hoff 經驗公式對奇亞籽油微膠囊產品的氧化穩定性進行分析。其中Arrhenius 經驗公式為：

K=Ae-E/RT

(1)

式中：K,速度常數；A,頻率因子；E,活化能,kJ/mol；R,氣體常數1.987(卡度/克分子)；T,溫度,℃。

Vant’Hoff 經驗公式為：

Q[T]/Q[T+10]=2

(2)

式中：Q,食品貨架期；T，食品儲藏溫度，℃。據 Vant’Hoff 經驗公式表明，當貯藏溫度升高10 ℃，產品貨架期減少1/2，因此通過不同溫度的加速氧化試驗，由公式推導至室溫，得出產品在室溫下的貨架期[10]。

1.3.3 不同環境條件下芯材的釋放行為

每2 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律。

1.3.3.1 不同溫度對奇亞籽油微膠囊釋放的影響

配制飽和MgCl2溶液，保持相對濕度為32%，設置恒溫培養箱的溫度為4、25和 45 ℃(即低溫、室溫和高溫)，將奇亞籽油微膠囊樣品分別置于上述培養箱中儲存16 d。

1.3.3.2 不同濕度對奇亞籽油微膠囊釋放的影響

配制飽和MgCl2、Mg(NO3)2和KCl溶液，分別代表相對濕度為32%、54%和85%，將微膠囊產品放入裝有以上飽和鹽溶液的密閉容器內，并放入25 ℃的恒溫培養箱中避光存放16 d。

1.3.3.3 不同 pH值對奇亞籽油微膠囊釋放的影響

分別在pH 3.0～9.0之間均勻取點，配制不同pH的溶液，將適量微膠囊溶于不同pH值的溶液中，恒溫振蕩10 min 后，測量并計算不同 pH 值在不同時間點下的芯材保留率。

1.3.3.4 奇亞籽油微膠囊中芯材保留率的測定

芯材保留率的測定如公式(3)所示:

(3)

1.3.4 釋放動力學模型

Avrami′s 公式如下[11]：

R=exp-(kt)n

(4)

式中：R,芯材保留率；k,釋放速率常數；n,釋放機理參數；t,釋放時間(d)。對公式(4)取對數后進行線性方程擬合，用來分析奇亞籽油微膠囊在不同環境下的釋放規律。

1.3.5 體外模擬人體消化道環境對奇亞籽油微膠囊芯材釋放的影響

1.3.5.1 模擬胃液(simulated gastric fluid,SGF)中的釋放

準確稱取0.2 g NaCl溶解于90 mL蒸餾水中，用1.0 mol/L的HCl精確調節pH至1.2，加入 0.32 g 胃蛋白酶，用蒸餾水定容到100 mL的容量瓶中，得到SGF溶液。取 2 g 微膠囊樣品溶解在50 mL新制備的SGF溶液中，準確調節pH至1.2，置于37 ℃水浴中消化，在100 r/min下攪拌一定時間，消化過程中用 0.2 mol/L的NaOH溶液使體系pH一直維持在1.2，30 min后記錄一次NaOH溶液的消耗量[12]。

1.3.5.2 模擬腸液(simulated intestinal fluid, SIF)中的釋放

準確稱取 0.68 g K2HPO4溶解于90 mL蒸餾水中，用0.1 mol/L的NaOH精準調節pH至7.5，加入 1.0 g胰蛋白酶，用蒸餾水定容到100 mL的容量瓶中，得到SIF溶液。取2 g 微膠囊樣品溶解在50 mL新制備的SIF中，準確調節pH至7.5，置于37 ℃水浴中消化，在100 r/min下攪拌一定時間，消化過程中用0.2 mol/L的NaOH溶液使體系pH一直維持在7.5，30 min后記錄一次NaOH溶液的消耗量。

1.3.5.3 游離脂肪酸釋放率的測定[7]

根據記錄的NaOH體積，可得到游離脂肪酸釋放率(free fatty acids, FFAs)，計算如公式(5)所示：

(5)

式中：VNaOH,消耗掉NaOH的體積，L；cNaOH,NaOH 的濃度，mol/L；W奇亞籽油,奇亞籽油的摩爾質量，g/mol；m奇亞籽油,2 g微膠囊粉末中油脂的質量，g。

1.4 數據統計與分析

2 結果與分析

2.1 奇亞籽油微膠囊的貯藏穩定性

2.1.1 奇亞籽油微膠囊在儲藏期間的POV變化

POV會影響油脂品質的好壞，由圖1可知，奇亞籽油及其微膠囊的初始 POV為0.73、1.17 mmol/kg。主要的原因是微膠囊在初期制備時受外部環境影響導致，例如恒溫磁力攪拌、膠體磨均質以及冷凍干燥等,均能使部分奇亞籽油發生氧化。在貯藏前期，奇亞籽油及其微膠囊的POV均變化緩慢，隨著貯藏時間的延長，氧化速度逐漸加快。可能是因為奇亞籽油中含有多種抗氧化活性物質(如甾醇、生育酚、槲皮素、多酚等)[13]，因此在貯藏初期可有效抑制奇亞籽油的氧化。一旦貯藏期延長，奇亞籽油及其微膠囊的POV均增大，同時高溫對奇亞籽油微膠囊的影響顯著，從圖1可以看到，在第65天時，45 ℃的奇亞籽油微膠囊的POV為25.19 mmol/kg，比25 ℃的奇亞籽油微膠囊高出22.56 mmol/kg。由此可見，奇亞籽油微膠囊對高溫環境非常敏感，在貯藏時需注意避免溫度過高。

圖1 奇亞籽油及其微膠囊在貯藏中的POV變化Fig.1 Changes in POV of chia seed oil and its microcapsule during storage

通過對比25℃的奇亞籽油及其微膠囊，可以發現25 ℃微膠囊的POV明顯低于25 ℃奇亞籽油，說明微膠囊外部的壁材對芯材起到了很好的包埋作用，有效降低了奇亞籽油的氧化速率。

2.1.2 奇亞籽油微膠囊POV的氧化動力學研究及貨架期分析

分別用零級方程式C=C0-kt和一級反應方程式LnC0=LnC-kt對奇亞籽油及其微膠囊的POV變化進行線性回歸分析，結果見圖2、圖3。

圖2 零級反應線性回歸分析Fig.2 Zero order reaction linear regression analysis

圖3 一級反應線性回歸分析Fig.3 First order reaction linear regression analysis

從表1可知，奇亞籽油及其微膠囊的零級反應的回歸系數均比一級反應的回歸系數小，即零級氧化反應的擬合效果低于一級氧化反應，說明奇亞籽油及其微膠囊的氧化反應更適合一級氧化動力學反應。根據GB 2716—2018中規定植物油的POV≤20.0 mmol/kg，通過Arrhenius 經驗方程，將20.0 mmol/kg 代入表1所得的動力學一級反應線性回歸方程中，可得出產品的貨架期。

表1 加速貯藏試驗的線性回歸分析Table 1 Linear regression analysis of accelerated storage test

經計算，得到常溫(25 ℃)條件下奇亞籽油及其微膠囊的貨架期分別為105、219 d，高溫(45 ℃)下奇亞籽油微膠囊的貨架期為55 d。根據Vant’Hoff 經驗公式，若微膠囊在45 ℃條件下貯藏1 d，則在25 ℃條件下能貯藏4 d。奇亞籽油微膠囊在45 ℃條件下可儲藏 55 d，則產品在25 ℃條件下可儲藏220 d，這與 25 ℃奇亞籽油微膠囊儲藏219 d基本相符。

2.2 不同環境對芯材保留率的影響

2.2.1 溫度對奇亞籽油微膠囊中芯材保留率的影響

從圖4可知，芯材保留率隨貯藏時間的增加呈降低的趨勢；同一貯藏時間下，溫度越高，芯材保留率降低速率越快。16 d貯藏期結束后，4 ℃條件下芯材保留率變化最緩慢，達96.53%，明顯高于25及45 ℃條件下的芯材保留率(85.99%、58.72%)。由此可見，隨著貯藏時間的增加，奇亞籽油微膠囊的包埋率也隨時間的延長呈現不同的變化，當產品貯藏環境溫度越高，其芯材釋放越快。這主要是因為當貯藏溫度較高，壁材對芯材的保護層結構遭到破壞，使形成的囊壁破裂的可能性增大，產生的囊壁孔隙會增加芯材的滲出損耗[14]。另外，高溫條件能促進芯材分子加速運動，使其動能增大，從而加快釋放速率[15]。因此，高溫對奇亞籽油微膠囊的影響較大，在貯藏時應盡量將產品放置在較低溫度環境中。

圖4 不同溫度下奇亞籽油微膠囊的芯材保留率Fig.4 Core material retention of chia seed oil microcapsules at different temperatures注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2.2 Avrami′s 公式對不同溫度下微膠囊的釋放過程分析

Avrami′s 公式對不同溫度下的擬合曲線見圖5。而從表2可知，得到的回歸方程中R2均在0.98以上，表明芯材釋放過程與 Avrami′s 公式擬合性較好，因此采用 Avrami′s 公式對芯材釋放規律的解釋是可行的[16]。采用不同的貯藏溫度得到的微膠囊的釋放機理參數也各不相同：在4 ℃下其釋放機理參數小于1，表明低溫下的釋放過程介于擴散限制級和一級動力學之間；而25 ℃和45 ℃的釋放機理參數均大于1，即25～45 ℃下的釋放過程超過一級反應動力學。綜上，奇亞籽油微膠囊在不同溫度下的的釋放為非恒速，非穩態的動力學過程，低溫條件(4 ℃)可有效降低芯材的釋放。

圖5 Avrami′s 回歸分析Fig.5 Avrami′s regression analysis

表2 不同貯藏溫度下的芯材釋放機理參數及釋放速率常數Table 2 Release mechanism parameters and release rateconstants at different storage temperatures

注：n,釋放機理參數；k,釋放速率常數(下同)

2.2.3 不同濕度下奇亞籽油微膠囊中的芯材保留率

由圖6可知，隨著相對濕度(relative humidity, RH)的增大，芯材保留率急速下降。經過16 d的貯藏期，在RH為32%的條件下，芯材保留率達到96.87%，此條件下的芯材釋放相對較為緩慢；在RH為85%條件下，產品芯材保留率僅為56.04%。同一貯藏時間下，相對濕度越大，芯材保留率越低。相對濕度越大，更易促進微生物的繁殖，增加脂肪水解的同時讓水分子進入微膠囊內部,導致壁材吸水，從而降低膜的滲透性和致密度，破壞壁材對芯材形成的保護結構，加快芯材的滲透和釋放[17]，故在貯藏時應選擇較低的濕度環境。

圖6 不同濕度下奇亞籽油微膠囊的芯材保留率Fig.6 Core material retention of chia seed oil microcapsules at different humidity

2.2.4 Avrami′s 公式對不同濕度下微膠囊的釋放過程分析

Avrami′s 公式對不同濕度下的擬合曲線見圖7。從表3可知，回歸方程中R2均在0.99以上，表明芯材釋放過程與 Avrami′s 公式擬合性較好，因此采用 Avrami′s 公式對芯材釋放規律的解釋是可行的。隨著相對濕度的增大，釋放速率常數(k)迅速增大。當RH 32%時，其k<1，表明該濕度下的釋放過程屬于擴散限制動力學及一級動力學之間，而RH為54%和85%的k>1，超過一級反應動力學參數。同時，RH為85%的k值比RH為32%時高出21倍，因此相對濕度對奇亞籽油微膠囊的影響顯著。

圖7 Avrami′s 回歸分析Fig.7 Avrami′s regression analysis

表3 不同濕度下的芯材釋放機理參數及釋放速率常數Table 3 Release mechanism parameters and releaserate constants of core material at different humidity

2.2.5 不同pH值對奇亞籽油微膠囊釋放的影響

由于pH可以通過影響離子強度從而改變壁材的溶解度，因此pH對微膠囊在體內的釋放意義重大。從圖8可知，芯材保留率隨pH的增加呈現先逐漸升高后持續下降的趨勢。pH在3.0～5.0 的強酸性環境下，芯材的保留率快速升高；當pH達到5.0時，芯材保留率達到最高為69.77%；當pH繼續增大，芯材保留率急劇下降；在pH 9.0時達到最低為32.52%。這表明奇亞籽油微膠囊芯材更適合在強酸或強堿條件下釋放，同時，偏堿性環境更有利于芯材釋放，這主要是因為復合壁材中的酪蛋白酸鈉在堿性條件下乳化力較大，且蛋白質在堿性環境中溶解度更高，容易破壞壁材的保護結構，增加芯材的釋放。

圖8 不同pH值奇亞籽油微膠囊的芯材保留率Fig.8 Core material retention of chia seed oil microcapsules at different pH values

2.3 體外模擬人體消化道環境對芯材釋放的影響

如圖9所示，微膠囊在體外模擬試驗中表現出良好的緩釋特性。整個消化過程中，微膠囊的釋放率達到81.73%。在120 min的SGF溶液中，微膠囊釋放了29.99%，主要是復溶后的酪蛋白酸鈉在酸性環境中發生了絮凝，阻止了胃蛋白酶與蛋白特異性位點的接觸，導致消化速率偏低[18]。隨后進入SIF溶液，芯材釋放速率顯著提高，微膠囊釋放率達到51.74%。這是因為在堿性條件下，SIF溶液中的胰蛋白酶會深度水解酪蛋白酸鈉和D-乳糖-水合物，破壞蛋白質和多糖之間的交聯作用，降低微膠囊結構的致密度，可能導致壁材表面出現一些空隙，增加芯材的滲出損耗[7, 19]。從圖中可知，微膠囊在腸液中的釋放率明顯更高，這是因為小腸是脂肪消化吸收的主要場所。這表明酪蛋白酸鈉和D-乳糖-水合物復合壁材具有較好的抗消化能力，能有效保護奇亞籽油直至腸液中釋放，提高了奇亞籽油在人體內的生物利用率。

圖9 奇亞籽油微膠囊在SGF和SIF中芯材的釋放率Fig.9 Release rate of core materials of chia seed oil microcapsules in SGF and SIF

3 結論

在前期研究的基礎上，對奇亞籽油微膠囊在貯藏期間的POV變化進行研究，結果表明，奇亞籽油微膠囊的POV變化速率明顯低于奇亞籽油。說明酪蛋白酸鈉和D-乳糖-水合物對奇亞籽油起到了良好的包埋效果，有效延緩了奇亞籽油微膠囊的氧化。對奇亞籽油微膠囊進行氧化動力學研究及貨架期預測的結果表明：奇亞籽油及其微膠囊的氧化反應更適合一級氧化動力學反應；奇亞籽油及其微膠囊在室溫下的貨架期分別為105和219 d，說明通過微膠囊技術可有效延長奇亞籽油的貨架期。微膠囊產品在不同溫度、濕度和pH條件下貯藏16 d，通過測定不同時間點的芯材保留率，結果表明，高溫高濕環境下不利于芯材的保留，強酸或強堿條件下更利于芯材的釋放。經 Avrami′s 公式擬合后，R2均大于0.98，表明擬合程度良好，通過分析釋放機制參數和釋放速率常數，明確了不同貯藏條件下的釋放類型：當貯藏溫度4 ℃，相對濕度32%時，n<1，介于擴散限制動力學和一級釋放動力學之間；當貯藏溫度25～45 ℃，相對濕度54%～85%時，n>1，屬于一級釋放動力學。模擬消化道中的釋放情況表明，整個消化過程里微膠囊的釋放率達81.73%，說明微膠囊在模擬消化道中具有緩釋行為；同時微膠囊在腸液中的釋放率明顯更高，確保了大部分奇亞籽油在腸道中的釋放，有效提高了奇亞籽油在人體內的生物利用率。