椰子油納米微膠囊的性質(zhì)表征及體外緩釋分析

闞金濤，弓淑芳，王媛媛，宋菲，沈曉君*

1(中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院椰子研究所，海南 文昌，571339)2(海南省椰子深加工工程技術(shù) 研究中心，海南 文昌，571339)3(椰子國家工程研究中心，海南 文昌，571339)

椰子產(chǎn)品是海南省的一大區(qū)域特色，海南省椰子加工企業(yè)近700家，全產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)從業(yè)人員達(dá)200多萬，產(chǎn)值超200億元[1]。椰子產(chǎn)品主要有椰子汁、椰子糖、椰奶、椰子油、椰子酒、椰子醬和椰子系列烘焙產(chǎn)品等[2-3]。由于加工工藝、設(shè)備和成本等原因，椰子產(chǎn)品椰香味并不明顯，需要額外添加椰子增香劑。常用的椰香味添加劑有椰子香精和椰奶香精，均以椰子醛作為主體香料，加入不同配比的香料調(diào)配制成的[4]。此類椰香味添加劑香味單一，具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，香味難以持久，對光、熱、氧敏感，易與其他組分反應(yīng)，香型失真，消費(fèi)者對化學(xué)類椰香味添加劑接受度不高[5]。這些問題限制了化學(xué)香精在椰子加工產(chǎn)品中的進(jìn)一步應(yīng)用。因此尋找一種天然、椰香味豐富、性質(zhì)穩(wěn)定椰香味添加劑是非常有必要的。初榨椰子油具有非常濃郁的椰香味，由醇類、酸類、酮類、酯類、醛類、烴類6種化合物構(gòu)成椰子油特有的風(fēng)味[6]。椰子油香味濃厚，直接作為食品增香劑在食品熱加工過程中易與水分、氧氣反應(yīng)產(chǎn)生少量具有異味的物質(zhì)，且其揮發(fā)性物質(zhì)在熱加工過程中大量逸失[7]，因此需要尋找一種在熱加工過程中防止椰子油氧化、香氣揮發(fā)的方法。

納米微膠囊技術(shù)具有改變物質(zhì)性態(tài)，保護(hù)敏感成分，隔離活性物質(zhì)，降低揮發(fā)性等優(yōu)點[8-9]。微膠囊技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于食品增香劑中，壁材通過在口腔中溶解破裂釋放香精，產(chǎn)生特殊風(fēng)味[10]，因此將椰子油進(jìn)行微膠囊化后能夠很好地解決椰子油作為椰香味添加劑的瓶頸問題。本實驗將椰子油進(jìn)行膠囊化，并對椰子油微膠囊進(jìn)行理化性質(zhì)表征以及體外緩釋性能分析，以期為健康椰子產(chǎn)品增香添加劑提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

椰子油,中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院椰子研究所中試加工廠。明膠、阿拉伯膠，上海麥克林生化科技有限責(zé)任公司；NaOH、HCl、正己烷、胃蛋白酶、胰蛋白酶、KH2PO4，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。以上藥品均為分析純。

HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市精達(dá)儀器廠；FA2004B電子分析天平，上海越平科學(xué)儀器有限公司)；ZNC-BS-T型恒溫磁力攪拌器，河南愛博科技儀器有限公司；NS1001 L2K高壓均質(zhì)機(jī)，意大利尼魯索爾維公司；ZN48超聲振蕩儀，上海易凈超聲波儀器公司；TU-1901紫外-可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；Zetasizer Nano ZS90納米粒度電位儀，英國馬爾文儀器有限公司；Sirion200掃描電子顯微鏡，F(xiàn)EI香港有限公司；TGA 2熱重分析儀，梅特勒-托利多儀器有限公司；DSC 131 EVO差示掃描量熱儀，法國塞塔拉姆有限公司；傅里葉紅外Nicolet iS 50光譜儀，美國熱電尼高力儀器有限公司；892油脂氧化穩(wěn)定分析儀，瑞士Metrohm公司；T 25 digital ULTRA-TURRAX?高剪切混合器，艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 微膠囊的制備

稱取質(zhì)量比為6∶1的麥芽糊精和阿拉伯膠粉末，放入燒杯并加入適量雙蒸水，麥芽糊精和阿拉伯膠粉與雙蒸水質(zhì)量比為11∶9，在50 ℃水浴下加熱至完全溶解后作為壁材原料。將芯材椰子油與壁材按質(zhì)量比為1∶2.5混合，在10 000 r/min條件下高速剪切分散5 min；水浴加熱至40 ℃，以600 r/min的速度持續(xù)攪拌2 h使復(fù)凝聚反應(yīng)完全。

1.2.2 微膠囊粒度分布測定

室溫下，準(zhǔn)確稱取1 g椰子油微膠囊分散于800 mL去離子水中，超聲2 min后使用激光粒度儀測定其粒徑大小及其分布，重復(fù)3次。

1.2.3 傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)分析

分別稱量50 mg阿拉伯膠、麥芽糊精與150 mg KBr充分研磨混合均勻后壓片、烘干，于4 000～400 cm-1進(jìn)行掃描。椰子油、微膠囊樣品經(jīng)液體測量池測定。

1.2.4 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)分析

將樣品均勻分布在貼有雙面膠的硅片上，并放置干燥箱內(nèi)烘干；經(jīng)離子濺射儀在樣品表面進(jìn)行噴金處理，抽真空后，對樣品臺進(jìn)行觀測，并保存需要的圖像。加速電壓5 kV。

1.2.5 透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)測定

取少量微膠囊樣品，置于去離子水中超聲1 min，用移液槍滴于銅網(wǎng)上面，待干燥后進(jìn)行TEM測定。

1.2.6 熱重分析測定

分別稱取10 mg微膠囊樣品、椰子油、阿拉伯膠、麥芽糊精放入坩堝內(nèi)，升溫速率為10 ℃/min，N2流速20 mL/min，溫度為30～600 ℃，測定微膠囊的熱分解曲線。

1.2.7 差示量熱掃描(differential scanning calorimetry，DSC)分析

取2 mg微膠囊樣品于鋁坩堝中壓緊，測定樣品的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(Tg)。檢測條件：處理溫度-20～220 ℃，以空坩堝為參照，記錄樣品的起始溫度、峰值溫度、終止溫度和熱焓。

1.2.8 椰子油微膠囊貨架期的預(yù)測

利用Hasenhuettl經(jīng)驗公式對椰子油微膠囊產(chǎn)品的氧化穩(wěn)定性進(jìn)行分析[11]。利用油脂氧化穩(wěn)定分析儀測定微膠囊在100、110、120 ℃的誘導(dǎo)期，測定條件：樣品用量8 g；空氣進(jìn)樣量20 L/h，溫度達(dá)到設(shè)定值開始測量油脂氧化誘導(dǎo)期。

Hasenhuettl經(jīng)驗公式如公式(1)所示：

(1)

式中：Q，食品貨架期；T，貯藏溫度，℃。

1.2.9 體外緩釋性能實驗

參照梁博等[12]的方法測定微膠囊的體外緩釋累計釋放率。采用紫外-可見分光光度計在214 nm下測定體積分?jǐn)?shù)分別為4、5、10、15、20 μL/L的椰子油正己烷溶液吸光度，建立椰子油濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。制備模擬胃液：將pH為1.5的HCl溶液加入1 g胃蛋白酶，混勻后，用孔徑為0.2 μm的微孔濾膜過濾除菌。制備模擬腸液：將6.8 g KH2PO4溶于500 mL水，用0.1 moL/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至6.8，加入10 g胰蛋白酶，定容至1 000 mL，用孔徑為0.2 μm的微孔濾膜過濾除菌。微膠囊體外緩釋實驗：將2 g椰子油微膠囊加入100 mL模擬胃液或腸液中，在37 ℃恒溫下以200 r/min的速率攪拌。每隔4 min取樣5 mL,過濾后用正己烷萃取濾液中的椰子油。實驗重復(fù)3次。椰子油微膠囊在模擬胃液或模擬腸液中的累積釋放率(Q)的計算如公式(2)所示：

(2)

式中：φ，胃腸液中椰子油的體積分?jǐn)?shù)，μL/L；V，胃腸液中的總體積，mL；m，微膠囊中椰子油的總質(zhì)量,mg。

1.2.10 體外緩釋機(jī)理探究

椰子油微膠囊緩釋動力學(xué)可以利用表1中3個緩釋動力學(xué)模型對微膠囊在胃腸液中的釋放數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，探究最佳的釋放模型[13-14]。

表1 體外緩釋動力學(xué)模型Table 1 Sustained release kinetic model

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌分析

圖1-a、圖1-b顯示微膠囊為多球形不規(guī)則結(jié)構(gòu)，含有少許的孔洞，可加快微膠囊的釋放[15]。圖1-c、圖1-d所示微膠囊呈現(xiàn)多核無定邊結(jié)構(gòu)，芯材被分為多個部分封裝在壁材中。綜合可知，較小粒徑的微膠囊聚集在一起并被封裝再由壁材形成較大的多核微膠囊[16]。根據(jù)以上結(jié)論，芯材椰子油已成功地嵌入到壁材中，壁材為芯材提供保護(hù)作用。

a,b-SEM;c,d-TEM圖1 微膠囊SEM及TEM掃描圖像Fig.1 SEM and TEM scanning images of microcapsules

2.2 粒徑分布

椰子油納米微膠囊粒徑分布如圖2所示，微膠囊粒徑大小主要集中在220.2～531.17 nm，3次測定粒徑分別為373.0、383.2、378.0 nm，平均粒徑為378.07 nm。粒徑分布曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布特征，且粒徑分布范圍相對較窄，表明微膠囊顆粒均勻[17]。

圖2 椰子油微膠囊粒徑分布圖Fig.2 Particle size distribution of coconut oil microcapsules

2.3 椰子油微膠囊的表征與性能測定

麥芽糊精、阿拉伯膠、椰子油、椰子油納米微膠囊的紅外光譜數(shù)據(jù)如圖3所示。椰子油納米微膠囊在波數(shù)3 278.44、2 925.39、1 640.76、1 149.20、1 078.44、1 015.99、927.84 cm-1處有很強(qiáng)的吸收峰，最小透過率為24.23%。麥芽糊精在波數(shù)3 417.10、2 929.15、1 608.58、1 075.22 cm-1處的特征峰與微膠囊所對應(yīng)的峰值非常接近，最小透過率為46.53%。阿拉伯膠在波數(shù)3 389.12、2 927.94、1 643.87、1 022 cm-1處的特征峰與微膠囊所對應(yīng)的峰值吻合，最小透過率為34.14%。椰子油在波數(shù)2 922.96、2 853.95、1 742.89、1 152.49 cm-1處的特征峰與微膠囊所對應(yīng)的峰值相符，最小透過率為36.2%。說明微膠囊中含有壁材和芯材，且椰子油微膠囊中沒有出現(xiàn)除麥芽糊精、阿拉伯膠、椰子油外的其他特征峰，說明以麥芽糊精-阿拉伯膠為壁材的椰子油納米微膠囊通過復(fù)凝聚法制備成功。

a-麥芽糊精；b-椰子油；c-阿拉伯膠；d-椰子油微膠囊圖3 麥芽糊精、阿拉伯膠、椰子油和椰子油微膠囊FTIR譜圖Fig.3 FTIR spectra of gelatin, gum Arabic, coconut oil and coconut oil microcapsules

2.4 熱重分析

麥芽糊精、阿拉伯膠、椰子油、椰子油微膠囊的熱重曲線如圖4所示。麥芽糊精在167.42～492.16 ℃階段迅速分解，質(zhì)量損失為69.47%。阿拉伯膠的熱重分析曲線表明，在第一失重階段(30.92～151.09 ℃)少量分解，失重16.66%，這主要是阿拉伯膠的水分蒸發(fā)引起的；在第二失重階段(162.49～473.98 ℃)，曲線斜率較大，失重為58.11%，這是由于阿拉伯膠分解造成的。椰子油在227.81～439.17 ℃迅速分解，質(zhì)量損失為99.46%。椰子油微膠囊在74.68 ℃之前有1%左右的損失量，這可能是微膠囊表面殘留及吸附空氣中少量的水分導(dǎo)致的,在第一失重階段(74.68～180.97 ℃)內(nèi)較快分解，失重為17.58%，這可能是椰子油和壁材脫離造成椰子油釋放導(dǎo)致的。第二階段(183.75～340.57 ℃)大量分解，失重為45.80%，可能是中間產(chǎn)物進(jìn)一步裂解炭化引起的。第三階段(342.73～429.00 ℃)少量分解，失重為15.62%，已完全炭化分解。壁材、芯材之間的靜電作用、物質(zhì)間氫鍵的存在提高了微膠囊的熱穩(wěn)定性[18]，說明復(fù)合壁材的存在明顯提高芯材的熱穩(wěn)定性。這與梁博等[12]的研究結(jié)果一致。

a-麥芽糊精；b-阿拉伯膠；c-椰子油；d-椰子油微膠囊圖4 麥芽糊精、阿拉伯膠、椰子油、椰子油微膠囊的熱重曲線Fig.4 Thermal decomposition curves of maltodextrin, gum arabic, coconut oil, and coconut oil microcapsules

2.5 差示掃描量熱分析

玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)是衡量微膠囊熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[16]。由圖5可知，阿拉伯膠、麥芽糊精、椰子油、椰子油微膠囊的Tg分別為64.26、62.38、24.00、113.85 ℃，熔解焓分別為287.0、401.1、121.4、393.4 J/g。椰子油微膠囊的Tg和熔解焓均比壁材、芯材要高，這可能是在形成微膠囊的過程中壁材阿拉伯膠、麥芽糊精之間形成靜電作用黏合，從而提高了椰子油納米微膠囊的Tg和熔解焓[19]。此外，微膠囊DSC分析曲線(圖5-d)出現(xiàn)的峰數(shù)同微膠囊熱分解次數(shù)(圖4-d)是相對應(yīng)的。微膠囊滿足在常規(guī)熱加工中熱穩(wěn)定性的要求。

2.6 貨架期預(yù)測

貨架期加速試驗是通過提高食品的貯藏溫度，在短時間內(nèi)加速食品劣變過程來預(yù)測食品的貨架期的，可比較各物質(zhì)間的氧化穩(wěn)定性。分別測定100、110、120 ℃條件下椰子油微膠囊的氧化誘導(dǎo)期，微膠囊的誘導(dǎo)期(ln) 與溫度存在線性關(guān)系。ln(誘導(dǎo)期)與溫度的方程為y=-0.082x+12.82，R2=0.956。根據(jù)方程式外推出椰子油納米微膠囊在25 ℃的預(yù)測貨架期為5.43年。而椰子油在常溫下的貨架期為4.16年[20]，間接證明芯材椰子油已成功地嵌入到壁材中，壁材為芯材提供保護(hù)作用，延長了芯材的貨架期。

a-阿拉伯膠；b-麥芽糊精；c-椰子油；d-椰子油微膠囊圖5 阿拉伯膠、麥芽糊精、椰子油、椰子油微膠囊的DSC曲線Fig.5 DSC curves of maltodextrin, gum arabic, coconut oil, and coconut oil microcapsules

2.7 體外緩釋性能分析

椰子油正己烷溶液在波長214 nm的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為Y=0.037 6x+0.351(R2=0.997)。椰子油微膠囊體外緩釋累計釋放率如圖6所示。

圖6 椰子油納米微膠囊在模擬胃液、模擬腸液 中的緩釋擬合曲線Fig.6 Fitting results of the slow-release model of ccoconut oil microcapsules in the simulated gastric juice and simulated intestinal juice

椰子油微膠囊在模擬腸液的累計釋放率高于其在胃液的釋放率，這可能是胰蛋白酶在偏堿性的模擬腸液中作用于壁材氨基酸的羧基肽鍵，破壞壁材結(jié)構(gòu)，使得椰子油能夠被快速釋放[21]。微膠囊在模擬腸胃液的釋放過程一般持續(xù)4～60 h[22-23]，而椰子油微膠囊15 min內(nèi)在模擬胃腸液中就已釋放65%以上芯材，說明微膠囊具有短時釋放的特點，這可能是在37 ℃下壁材中的麥芽糊精和阿拉伯膠在水溶劑中有較大的溶解度并在攪拌的情況下快速溶解釋放出椰子油造成的。

椰子油微膠囊緩釋模型擬合結(jié)果如表2所示，從模擬胃液消化模型的相關(guān)性R2得出，Peppas釋放模型>Higuchi 釋放模型>零級釋放模型，椰子油微膠囊在胃液中符合Ritger-Peppas[12,24]釋放模型，相關(guān)性R2為0.959，參數(shù)n為0.39，說明椰子油微膠囊釋放為Fickian自由擴(kuò)散機(jī)制，在35 min內(nèi)，累計釋放率為89.23%。從腸液的消化模擬模型的相關(guān)性R2可知，椰子油微膠囊在腸液中符合Huguchi釋放模型，相關(guān)性R2為0.965，為凝膠層擴(kuò)散和骨架溶蝕釋放機(jī)制。從R2可以看出微膠囊的釋放與零級釋放模型和Huguchi釋放模型同樣密切相關(guān)，實際上微膠囊芯材釋放過程復(fù)雜，芯材的釋放過程也與壁材降解和胃腸液中微膠囊含量有關(guān)[25]。

表2 椰子油微膠囊釋放動力學(xué)擬合結(jié)果Table 2 The release kinetics fitting results of coconut oil microcapsule

3 結(jié)論

本實驗以阿拉伯膠和麥芽糊精為壁材，初榨椰子油為芯材，利用復(fù)凝聚法制備椰子油納米微膠囊作為椰香添加劑。FTIR結(jié)果表明微膠囊制備成功，SEM、粒度分析表明微膠囊呈多球形不規(guī)則、多核無定邊結(jié)構(gòu)，平均粒徑約為378.07 nm。熱重分析、差示熱量掃描分析以及貨架期預(yù)測結(jié)果表明椰子油微膠囊有較好的熱穩(wěn)定性，貨架期為5.43年。體外緩釋性能分析表明，芯材具有短時快速釋放的特點，椰子油納米微膠囊在胃液的釋放為Fickian自由擴(kuò)散機(jī)制，在腸液中符合Huguchi釋放模型，為凝膠層擴(kuò)散和骨架溶蝕釋放機(jī)制。理化性質(zhì)和體外緩釋表明，該實驗制備的椰子油納米微膠囊具有開發(fā)應(yīng)用的前景，可以為椰子產(chǎn)品加工在天然、健康的椰香味添加劑方面提供更為健康的選擇。