壳聚糖食品微胶囊的制备及其控制释放

刘成圣,胡 莉,范 冰,孟祥红,陈西广

(中国海洋大学海洋生命学院,山东青岛 266003)

壳聚糖食品微胶囊的制备及其控制释放

刘成圣,胡 莉,范 冰,孟祥红,陈西广

(中国海洋大学海洋生命学院,山东青岛 266003)

壳聚糖是天然的生物材料,具有独特的阳离子性质和优良的成膜性,可单独作为微胶囊化壁材,也可与小分子表面活性剂或大分子聚电解质发生静电相互作用,形成双层界面保护膜。综述了壳聚糖食品微胶囊的制备方法、影响因素及其对物质的控制释放作用,为壳聚糖在食品微胶囊化中的研究和应用提供理论基础。

壳聚糖,食品微胶囊化,制备,控制释放

在壳聚糖食品微胶囊化中,由于化学交联剂有毒以及加入凝聚剂容易造成破乳,导致包埋率低,因而这两种方法的应用受到限制。由于 CS具有良好的成膜性和容易结合阴离子物质的特性,可在芯材外形成稳定的 CS膜或复合膜,干燥后往往能形成通透性、稳定性和包埋率都良好的微胶囊。其中,喷雾干燥法因其工艺简单、生产能力高、重复连续性好以及对热敏物质影响相对较小等优点而在实际应用中备受青睐。

2 壳聚糖食品微胶囊膜的分类

2.1 壳聚糖

CS具有优良的成膜性,可单独作为壳材料包裹在芯材外,形成一层保护膜,使芯材免受外界环境影响。Kosaraju等以 1%CS为壁材,经喷雾干燥制备的橄榄叶提取物 (Olive leaf extract,OLE)微胶囊,呈球形,表面光滑,粒径较均一。经红外光谱 (FTI R)和差示扫描热量(DSC)分析,尽管 OLE中有少量多酚类化合物会与 CS相互作用,但不会影响其活性[4]。Weerakody等也得出类似的结果,大多数α-硫辛酸与 CS都只存在物理上的包埋关系[5]。可见,单独使用 CS溶液与生物活性物质混合制备微胶囊时,CS分子上的氨基不会影响物质活性。

表 1 不同制备方法对壳聚糖微胶囊性能的影响

2.2 壳聚糖与小分子表面活性剂

壳聚糖分子上带呈正电性的氨基基团,可通过静电吸引沉积至以十二烷基磺酸钠 (sodium dodecyl sulfonate,SDS)、卵磷脂 (Lecithin,Le)等阴离子表面活性剂稳定的粒子上,形成双层界面膜,此过程称为静电逐层沉积技术[6]。

2.2.1 SDS与 CS SDS对人体有害,并非食品乳化剂。之所以选用 SDS与 CS反应进行研究,是基于SDS与食品级阴离子表面活性剂如溶血卵磷脂、脂肪酸盐等性质相似,又是高纯度化合物,实验分析更简单易行。随着在 SDS与油脂混合的乳液中逐渐添加 CS(pH=3.0),乳化液滴表面的 Zeta-电位逐渐由负值变为正值[7],说明 CS分子通过静电作用吸附在SDS分子上,等温滴定量热法和表面活性剂选择电极研究表明此过程为高度放热反应[8]。Thanasukarn等在 SDS-CS乳液中,加入带负电的果胶,可形成三层界面膜乳液,当果胶浓度大于 2%,在冻融过程中,乳液更稳定,不会发生聚集和絮凝[9]。

2.2.2 Le与 CS Le也可与 CS相互作用,在油脂外形成一个相对厚和高密度电荷的双层界面,增加液滴间的静电排斥和空间排斥,降低液滴聚集程度,形成稳定的乳液体系[10-11]。Shaw等在稳定的Le-CS乳液中,添加 20%的玉米糖浆为填充剂,经喷雾干燥可形成物化稳定性良好的微胶囊[12],其制备过程见示意图(图 1)。扫描电镜(SEM)观察可见其表面有皱缩和孔隙,内部芯材以小液滴形式分散在壁材中,与干燥前液态乳液中的分散相液滴相似[13]。由于Le-CS比Le单层乳化体系在芯材外形成一层更厚的阳离子物理屏障,使物质对热处理和冻融循环稳定性更高[14],还可通过静电排斥有效地抑制体系中促氧化剂金属(如铁)与脂质的相互作用,从而降低脂氧化。

图 1 喷雾干燥法制备卵磷脂-壳聚糖-玉米糖浆微胶囊过程示意图

2.2.3 其它 除阴离子表面活性剂外,CS也可吸附在以非离子型表面活性剂吐温-80乳化的液滴表面,形成稳定的乳化体系[15]。以 CS和这些表面活性剂为材料制备微胶囊时,应注意控制 CS与表面活性剂的添加比值,尽量避免聚集或絮凝,否则不能准确评价乳液的理化性质。另外,干燥形成的微胶囊也易发生结团,其形态和其它理化性质都难以达到要求。

2.3 壳聚糖与大分子化合物

聚阳离子物质 CS能与聚阴离子电解质如海藻酸钠 (Alginate,Al)、乳清分离蛋白 (Whey protein isolate,WPI)等发生静电相互作用,在芯材外形成双层复合膜。

2.3.1 Al与 CS Al是存在于褐藻类海洋生物中的线性阴离子天然多糖,在离子移变作用下能与 CaCl2反应形成海藻酸钙微球。但形成的微球往往表面孔径大,食品成分易泄漏。若将微球浸入 CS溶液中,由于Al上的羧基与 CS上的氨基发生静电相互作用形成一层非共价复合囊膜,能有效封闭海藻酸钙微球上的孔隙[16],显著提高物质包埋率。为了进一步提高Al-CS膜的保护功能,Han等用棕榈酰氯分别将Al和 CS酰基化,制备棕榈酰Al-棕榈酰 CS微胶囊,由于酰基化修饰能增加Al和 CS层间的疏水性,较之未酰基化的 Al-CS微胶囊结构更加致密,吸水率和水蒸气透过率降低,同时膜的弹性也降低[17]。另有学者 Jiang等模拟生物矿化过程,将含钙离子的CS液滴滴加到含磷酸的Al溶液中,可在Al-CS薄膜外,形成一层坚硬的磷酸钙沉淀,赋予微胶囊表面更加致密的结构,较未矿化的微胶囊更能有效阻止酶的泄漏,保护其活性,使之具有更高的循环利用稳定性和贮存稳定性[18]。

2.3.2 WPI与CS WPI的蛋白含量通常高于 90%,这就使得暴露的氨基酸上的负电基团与壳聚糖分子上的氨基发生相互作用,形成界面复合膜。将 CS和WPI以一定条件混合包埋卡诺拉油[19-20],两者相互作用能共同吸附在油水界面,制备成较稳定的乳液。尽管将WPI和 CS以 1∶1混合[21],经超声雾化和冷冻干燥可制得颗粒形态好,包埋率高的鱼油微胶囊,但目前尚未有关于WPI-CS微胶囊对油脂保护作用的报道。

2.3.3 其它 黄原胶、明胶等聚阴离子电解质也能通过静电相互作用与 CS反应形成复合物[22-23]。另外, CS也可与麦芽糊精、蔗糖等非聚电解质物质混合形成复合膜[24],对食品物质进行多层包埋,提高包埋率。

3 影响壳聚糖食品微胶囊的主要因素

3.1 壳聚糖的分子量和脱乙酰度

分子量 (Molecular weight,Mw)和脱乙酰度(Degree of deacetylation,DD)是衡量 CS质量的两个最重要的指标,对微胶囊的形成和性质都有一定的影响。例如：随着 CS的Mw增大,分子晶形结构增多,造成膜柔韧性和通透性降低,但抗拉强度增加。而DD越高,分子上所带氨基增加,形成更多的分子内氢键,分子间的缠结减少,刚性越强。因而在食品微胶囊化中,常使用中等Mw和DD为 75%～90%的CS。Laplante等以 0.5%的WPI和 0.1%的不同Mw与DD的CS混合,发现随着Mw和DD降低,CS与WPI的共吸附效率降低,液滴聚集或絮凝几率增加,乳液稳定性下降[25]。

3.2 壳聚糖的浓度

随着 CS浓度的增加,壁材的厚度增加,网状结构更加致密,对食品的保护作用增强。但同时乳液粘度也会增加,喷雾干燥时微胶囊易发生粘连,造成结团或表面聚集,影响其粒径的均匀分布[26],故合适的CS添加量一般为0.1%～2%。

乳化层中吸附在液滴外的 CS量(CSL)的多少对乳化液的稳定性有重要影响。CSL可根据以下公式计算：

式(1)中：CSt是乳化液中加入的 CS总量;CSf是浆相层中未吸附的CS量。

Mun等用数字振荡 U型管密度计测出 SDS-CS乳液下层浆相的密度,根据已知 CS浓度 VS.密度标准曲线,求出 CSf[27]。Laplante等则用吲哚测定法测得WPI/CS乳化液浆相层中的 CSf后[25],根据式 (1)求得CSL值。

3.3 pH

CS的 pKa值一般为 6.5左右,在酸性条件下,CS分子上的氨基质子化而呈阳性,微胶囊化过程中,体系 pH一般控制在 3～6之间,例如：在酸性食品体系中,pH通常为 3。在 pH＜ 3的极端条件下,CS分子降解,形成的囊膜遭到破坏;随着 pH接近 CS的 pKa值,其电离度和溶解度下降,当 pH＞ 7以后,氨基去质子化,大量 CS分子沉淀出来,整个体系也随之瓦解。

3.4 离子强度

离子强度的大小在一定程度上影响着壳聚糖微胶囊的制备及其理化性质。随着离子强度的增加,静电屏蔽作用加强,引起电荷中和絮凝。当没有盐存在时,液滴表面静电排斥作用强,聚电解质链在液滴表面呈伸展状形成薄膜;加入盐后,由于聚合物链以更加致密的构象排列以及电解质与液滴表面间的静电吸引减弱,导致聚电解质层厚度增加[28]。

4 壳聚糖食品微胶囊中芯材成分的释放

4.1 挥发性物质的释放

香精、香料等易挥发性物质在煎炸、烘焙等高温条件下易受热挥发,导致风味丧失,加工成本升高,因而选用一种适宜的材料将风味物质密封在微胶囊内,抑制其挥发,减少在食品加工中的损失,是解决这一问题的有效途径。CS具有受热收缩性,我们可以根据 CS的这一特性,改变 CS壁膜分子间的孔隙,控制物质进出。以 0.5%CS、1.0%NaOH制备的挥发性香茅油微胶囊,当外界温度为 40℃和 60℃时,香茅油逐渐缓慢释放,但当温度升高至 80℃,开始时香茅油释放速率缓慢,50min后挥发性物质几乎不再释放[29]。这是因为 CS膜高温收缩导致孔隙几乎完全封闭,所以挥发性物质不能释放出来。根据上述特性,可以通过温度调节来达到控制挥发性物质释放速率的目的。

4.2 非挥发性物质的释放

一部分酶、油脂和生物活性成分等非挥发性物质易受外界环境 (如光、热、氧等)的影响而失活,以CS为囊膜包埋上述物质,可在芯材外形成一层致密的网状结构,防止物质泄漏,提高其对高温和酸性条件等不良环境的耐受力,有效控制物质的释放。以Al-CS复合物制备巴拉圭茶提取物微胶囊[30],发现微胶囊在高温和酸性条件下,其壳结构保持稳定。若将该微胶囊浸入柠檬酸钠溶液中,由于 Al-CS凝胶网状结构中的 Ca2+被 Na+置换而遭到破坏,活性成分得以释放。释放过程分为两个阶段,开始时释放迅速,一段时间后物质释放速率达到稳定。

5 壳聚糖食品微胶囊在体内和体外的释放

5.1 体外释放

Al-CS微胶囊具有良好的生物相容性、可降解性和较高的稳定性,适宜于体外模拟胃肠环境中微胶囊的释放研究。研究发现Al-CS微胶囊对物质具有明显的缓释作用[17,31],大致可分为两个阶段。首先,在 pH为 2,胃蛋白酶存在的条件下,4h内仅有少量物质缓慢释放,这种在模拟胃液中良好的耐受性,一方面是由于形成的 Al-CS外层稳定地包围着芯材,另一方面是由于 Al在酸性条件下是不溶解的。当微胶囊进入 pH7.5,胰酶存在的模拟肠液中,此多糖复合物经酶消化降解,微胶囊壳逐渐被瓦解,物质迅速释放,一段时间后,释放达平衡。可见,Al-CS微胶囊有利于包埋酶、生物活性多肽或蛋白等易受胃环境影响的物质。

5.2 体内释放

CS膜在体内因受到 pH和壳聚糖酶、溶菌酶等多方面因素影响而遭到破坏。释放的食品物质经消化吸收后,难以测定其含量,因而关于 CS食品微胶囊体内释放的研究比较少。Park等分别用Le、CS和Le-CS乳化大豆油,与基础饮食混合喂食小鼠 2周,测其粪便中的脂肪含量,尽管 Le-CS微胶囊中油脂的萃取率较低,但肝中十三酸水平分析与其他组相比较无显著差异,表明 CS包埋油脂不会影响其体内消化和吸收[32]。

6 结语

CS来源广泛,价格低廉,是天然的碱性多糖,具有良好的成膜性和酸溶特性,适合应用于酸性食品体系。由于其独特的阳离子性质,可与带负电荷的化合物相互作用,在被包裹物质周围结合成双层界面膜,使囊膜厚度增加且更加致密,乳化体系更加稳定。CS微胶囊的形成及其性质受 CS的Mw、DD和浓度以及乳液的 pH和离子强度的影响。形成的 CS层能阻止促氧化金属离子氧化脂质,尤其适合包埋油脂和生物活性材料如鱼油等易氧化物质。此外, CS膜对高温和酸性环境具有一定的耐受性,可有效防止物质的挥发和泄漏。特别值得一提的是,Al-CS膜在胃环境中稳定,且具有良好的肠溶性,在生物活性多肽和蛋白等物质的微胶囊化应用中有明显的优势。但 CS分子量不均一,目前市售的 CS的低浓度溶液具有高粘度,难于操作和处理,通常添加量较低,限制了它在微胶囊化技术中的大规模应用。近年来,随着食品微胶囊化复合壁材的广泛应用以及对壳聚糖分子量降解技术和其他性质的深入研究,用合适分子量的壳聚糖与其它物质结合形成复合物,充分发挥其阳离子特性,成为食品微胶囊化领域的一个新的研究热点。

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Preparation of chitosan microcapsules and its release

L IU Cheng-sheng,HU L i,FAN B ing,M ENG Xiang-hong,CHEN Xi-guang
(College ofMarine Life Science,Ocean University of China,Qingdao 266003,China)

Chitosan is one of the exce llentwa llm a te ria ls of m ic roencap sula tion.The form a tion of m ic rocap sules was affec ted by：m olecula r we ight,deg ree of deace tyla tion,concentra tion of chitosan,pH and ionic s treng th of the em uls ion.Chitosan m em b rane can avoid the oxida tion of oil and control re lease of ac tive m a te ria ls effec tive ly due to its unique ca tionic p e rform ance and favorab le fi lm-form ing p rop e rty.

chitosan;food m ic roencap sula tion;p rep a ra tion;control re lease

TS206.4

A

1002-0306(2010)02-0334-05

微胶囊 (也称为微球)是由涂层薄膜或壳材料(称为壁材)包埋微小的固体颗粒、液滴或气体 (称为芯材),形成的具有保护芯材和控制其释放等作用的半透或密封囊膜粒子,直径通常为 1～1000μm。微胶囊化技术应用于食品工业始于 20世纪 50年代,主要用于包埋生物活性物质、营养强化剂、食品添加剂和食品配料等[1-2]。壳聚糖 (chitosan,CS)由甲壳素经脱乙酰化反应脱去 50%以上乙酰基制备而成,甲壳素则是由N-乙酰氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接的不分支的链状高分子化合物,广泛存在于节肢动物的外壳或真菌和酵母的细胞壁中。CS具有良好的生物相容性、生物可降解性以及无毒、无副作用,用于废水处理、药物载体、医用组织材料以及食品保鲜和抗菌等[3]。由于 CS具有天然的聚阳离子特性、优良的成膜性以及酸溶特性,使之成为制备微胶囊的理想材料。随着近年来微胶囊化技术的迅速发展,推动了它在食品尤其是酸性食品,如酸性乳制品、酸性饮料中的应用。

1 壳聚糖食品微胶囊的制备

CS在稀盐酸或醋酸溶液中膨胀形成凝胶,可覆盖在芯材表面,形成具有一定柔软性和弹性的保护膜。固化 CS膜,形成微胶囊的方法主要有三种：a.直接干燥法：采用风干、烘干、冻干或喷雾干燥等方法除去 CS膜间的水分,得到通透性良好的微胶囊。b.化学交联法：由于 CS上的氨基能跟醛基发生缩合反应,可加入戊二醛、甲醛等物质与 CS进行化学交联,经离心、洗涤或蒸发除去有机溶剂得到表面硬度大、稳定性高的微胶囊。c.凝聚法：加入乙醇、NaOH等凝聚剂或加入另一种聚阴离子化合物,使 CS的溶解度下降发生凝聚,包裹在芯材液滴周围,经分离干燥得到微胶囊。不同制备方法得到的 CS微胶囊的部分特性比较见表 1。

2009-06-16

刘成圣(1967-),男,高级工程师,博士,从事海洋生物材料与药物缓释材料研究工作。

国家自然科学基金资助项目(40876065)。