奇亚籽油微胶囊贮藏稳定性及缓释动力学

常馨月，罗惟，陈程莉，董全

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

奇亚籽(SalviahispanicaL.)，为芡欧鼠尾草的种子，属唇形科，原产于墨西哥和危地马拉等地区，目前主要种植于墨西哥、玻利维亚、厄瓜多尔及危地马拉等地[1-2]。奇亚籽油的主要成分为不饱和脂肪酸，特别是ω-3亚麻酸(54%～67%)和ω-6亚油酸(12%～21%)[3]。研究表明，高浓度的ω-3多不饱和脂肪酸可预防心血管、神经系统方面的疾病、炎症以及癌症[4-5]。虽然奇亚籽油对人体健康有积极的影响，但因多不饱和脂肪酸含量丰富，使其受环境中的水分、光、热以及氧气等影响，容易发生脂质氧化，导致营养价值下降[6]。微胶囊技术通过在奇亚籽油周围形成由壁材组成的保护层[7]，减少外部环境对奇亚籽油的破坏，防止其在储存和加工的不良反应，且能有效控制奇亚籽油在存放期间风味的释放，提升产品消化吸收率，从而延长货架期[8]。在实际生产中，氧化稳定性对油脂微胶囊的品质至关重要，同时芯材的释放性能也对产品的贮藏稳定性有着极大的影响，而不同的贮藏条件会得到不一样的芯材释放性能和动力学方程[9]。

现阶段国内的研究主要集中于微胶囊的制备工艺及理化性质，而国外主要探究微胶囊芯材的释放过程，有关奇亚籽油微胶囊的氧化动力学及释放性能的研究鲜少报道。本试验拟利用酪蛋白酸钠和D-乳糖-水合物为壁材，奇亚籽油为芯材，在前期制备出的奇亚籽油微胶囊的基础上，通过测定65 d贮藏期内产品的过氧化值(peroxide value, POV)，运用Arrhenius 经验方程和 Vant’Hoff 经验公式，对产品进行氧化动力学研究及货架期预测。同时，通过Avrami’s公式拟合不同条件下的芯材保留率，探究微胶囊产品在不同温度、湿度和pH条件下的动力学，考察微胶囊产品在模拟胃肠道环境下的体外释放情况，以期为奇亚籽油微胶囊的贮藏与加工提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

奇亚籽油，西安明朗生物技术有限公司；酪蛋白酸钠、D-乳糖-水合物(食品级)，山东西亚化学工业有限公司；胃蛋白酶，重庆九德生物科技有限公司；胰蛋白酶，上海颖心实验室设备有限公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司；胶体磨，温州昊星机械设备制造有限公司；集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；电热鼓风干燥箱，天津赛得利斯试验分析仪器制造厂；DHP-600型电热恒温培养箱，北京市永光明医疗仪器厂；THZ-82恒温振荡器，常州智博瑞仪器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 奇亚籽油微胶囊的制备

根据前期的制备方法，按壁材比m(酪蛋白酸钠)∶m(D-乳糖-水合物)=1.1∶1、固形物质量分数31.32%、壁芯比(质量比)2.34∶1计算并称量所需的原材料。将复合壁材与水混合，将壁材溶解混匀后，加入准确称取的奇亚籽油，利用恒温磁力搅拌器在一定温度下乳化30 min，进入胶体磨均质后进行冷冻干燥，得到奇亚籽油微胶囊，其包埋率达90.65%。

1.3.2 奇亚籽油微胶囊贮藏稳定性研究

1.3.2.1 奇亚籽油及其微胶囊POV的测定

设置恒温培养箱温度为25和45 ℃，将制备好的奇亚籽油微胶囊样品分别置于培养箱中存放65 d，并以 25 ℃储藏条件下奇亚籽油作为对照组，每隔5 d测定一次样品的POV，来考察微胶囊样品在常温和较高温度条件下POV的变化。其中过氧化值的测定方法参照GB 5009.227—2016《食品中过氧化值的测定》。

1.3.2.2 氧化动力学分析及货架期的预测

利用 Arrhenius 和 Vant’Hoff 经验公式对奇亚籽油微胶囊产品的氧化稳定性进行分析。其中Arrhenius 经验公式为：

K=Ae-E/RT

(1)

式中：K,速度常数；A,频率因子；E,活化能,kJ/mol；R,气体常数1.987(卡度/克分子)；T,温度,℃。

Vant’Hoff 经验公式为：

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

(2)

式中：Q,食品货架期；T，食品储藏温度，℃。据 Vant’Hoff 经验公式表明，当贮藏温度升高10 ℃，产品货架期减少1/2，因此通过不同温度的加速氧化试验，由公式推导至室温，得出产品在室温下的货架期[10]。

1.3.3 不同环境条件下芯材的释放行为

每2 d 取适量样品计算芯材保留率，采用 Avrami′s 公式进行拟合，建立微胶囊释放动力学模型，分析不同贮藏条件下芯材的释放规律。

1.3.3.1 不同温度对奇亚籽油微胶囊释放的影响

配制饱和MgCl2溶液，保持相对湿度为32%，设置恒温培养箱的温度为4、25和 45 ℃(即低温、室温和高温)，将奇亚籽油微胶囊样品分别置于上述培养箱中储存16 d。

1.3.3.2 不同湿度对奇亚籽油微胶囊释放的影响

配制饱和MgCl2、Mg(NO3)2和KCl溶液，分别代表相对湿度为32%、54%和85%，将微胶囊产品放入装有以上饱和盐溶液的密闭容器内，并放入25 ℃的恒温培养箱中避光存放16 d。

1.3.3.3 不同 pH值对奇亚籽油微胶囊释放的影响

分别在pH 3.0～9.0之间均匀取点，配制不同pH的溶液，将适量微胶囊溶于不同pH值的溶液中，恒温振荡10 min 后，测量并计算不同 pH 值在不同时间点下的芯材保留率。

1.3.3.4 奇亚籽油微胶囊中芯材保留率的测定

芯材保留率的测定如公式(3)所示:

(3)

1.3.4 释放动力学模型

Avrami′s 公式如下[11]：

R=exp-(kt)n

(4)

式中：R,芯材保留率；k,释放速率常数；n,释放机理参数；t,释放时间(d)。对公式(4)取对数后进行线性方程拟合，用来分析奇亚籽油微胶囊在不同环境下的释放规律。

1.3.5 体外模拟人体消化道环境对奇亚籽油微胶囊芯材释放的影响

1.3.5.1 模拟胃液(simulated gastric fluid,SGF)中的释放

准确称取0.2 g NaCl溶解于90 mL蒸馏水中，用1.0 mol/L的HCl精确调节pH至1.2，加入 0.32 g 胃蛋白酶，用蒸馏水定容到100 mL的容量瓶中，得到SGF溶液。取 2 g 微胶囊样品溶解在50 mL新制备的SGF溶液中，准确调节pH至1.2，置于37 ℃水浴中消化，在100 r/min下搅拌一定时间，消化过程中用 0.2 mol/L的NaOH溶液使体系pH一直维持在1.2，30 min后记录一次NaOH溶液的消耗量[12]。

1.3.5.2 模拟肠液(simulated intestinal fluid, SIF)中的释放

准确称取 0.68 g K2HPO4溶解于90 mL蒸馏水中，用0.1 mol/L的NaOH精准调节pH至7.5，加入 1.0 g胰蛋白酶，用蒸馏水定容到100 mL的容量瓶中，得到SIF溶液。取2 g 微胶囊样品溶解在50 mL新制备的SIF中，准确调节pH至7.5，置于37 ℃水浴中消化，在100 r/min下搅拌一定时间，消化过程中用0.2 mol/L的NaOH溶液使体系pH一直维持在7.5，30 min后记录一次NaOH溶液的消耗量。

1.3.5.3 游离脂肪酸释放率的测定[7]

根据记录的NaOH体积，可得到游离脂肪酸释放率(free fatty acids, FFAs)，计算如公式(5)所示：

(5)

式中：VNaOH,消耗掉NaOH的体积，L；cNaOH,NaOH 的浓度，mol/L；W奇亚籽油,奇亚籽油的摩尔质量，g/mol；m奇亚籽油,2 g微胶囊粉末中油脂的质量，g。

1.4 数据统计与分析

2 结果与分析

2.1 奇亚籽油微胶囊的贮藏稳定性

2.1.1 奇亚籽油微胶囊在储藏期间的POV变化

POV会影响油脂品质的好坏，由图1可知，奇亚籽油及其微胶囊的初始 POV为0.73、1.17 mmol/kg。主要的原因是微胶囊在初期制备时受外部环境影响导致，例如恒温磁力搅拌、胶体磨均质以及冷冻干燥等,均能使部分奇亚籽油发生氧化。在贮藏前期，奇亚籽油及其微胶囊的POV均变化缓慢，随着贮藏时间的延长，氧化速度逐渐加快。可能是因为奇亚籽油中含有多种抗氧化活性物质(如甾醇、生育酚、槲皮素、多酚等)[13]，因此在贮藏初期可有效抑制奇亚籽油的氧化。一旦贮藏期延长，奇亚籽油及其微胶囊的POV均增大，同时高温对奇亚籽油微胶囊的影响显著，从图1可以看到，在第65天时，45 ℃的奇亚籽油微胶囊的POV为25.19 mmol/kg，比25 ℃的奇亚籽油微胶囊高出22.56 mmol/kg。由此可见，奇亚籽油微胶囊对高温环境非常敏感，在贮藏时需注意避免温度过高。

图1 奇亚籽油及其微胶囊在贮藏中的POV变化Fig.1 Changes in POV of chia seed oil and its microcapsule during storage

通过对比25℃的奇亚籽油及其微胶囊，可以发现25 ℃微胶囊的POV明显低于25 ℃奇亚籽油，说明微胶囊外部的壁材对芯材起到了很好的包埋作用，有效降低了奇亚籽油的氧化速率。

2.1.2 奇亚籽油微胶囊POV的氧化动力学研究及货架期分析

分别用零级方程式C=C0-kt和一级反应方程式LnC0=LnC-kt对奇亚籽油及其微胶囊的POV变化进行线性回归分析，结果见图2、图3。

图2 零级反应线性回归分析Fig.2 Zero order reaction linear regression analysis

图3 一级反应线性回归分析Fig.3 First order reaction linear regression analysis

从表1可知，奇亚籽油及其微胶囊的零级反应的回归系数均比一级反应的回归系数小，即零级氧化反应的拟合效果低于一级氧化反应，说明奇亚籽油及其微胶囊的氧化反应更适合一级氧化动力学反应。根据GB 2716—2018中规定植物油的POV≤20.0 mmol/kg，通过Arrhenius 经验方程，将20.0 mmol/kg 代入表1所得的动力学一级反应线性回归方程中，可得出产品的货架期。

表1 加速贮藏试验的线性回归分析Table 1 Linear regression analysis of accelerated storage test

经计算，得到常温(25 ℃)条件下奇亚籽油及其微胶囊的货架期分别为105、219 d，高温(45 ℃)下奇亚籽油微胶囊的货架期为55 d。根据Vant’Hoff 经验公式，若微胶囊在45 ℃条件下贮藏1 d，则在25 ℃条件下能贮藏4 d。奇亚籽油微胶囊在45 ℃条件下可储藏 55 d，则产品在25 ℃条件下可储藏220 d，这与 25 ℃奇亚籽油微胶囊储藏219 d基本相符。

2.2 不同环境对芯材保留率的影响

2.2.1 温度对奇亚籽油微胶囊中芯材保留率的影响

从图4可知，芯材保留率随贮藏时间的增加呈降低的趋势；同一贮藏时间下，温度越高，芯材保留率降低速率越快。16 d贮藏期结束后，4 ℃条件下芯材保留率变化最缓慢，达96.53%，明显高于25及45 ℃条件下的芯材保留率(85.99%、58.72%)。由此可见，随着贮藏时间的增加，奇亚籽油微胶囊的包埋率也随时间的延长呈现不同的变化，当产品贮藏环境温度越高，其芯材释放越快。这主要是因为当贮藏温度较高，壁材对芯材的保护层结构遭到破坏，使形成的囊壁破裂的可能性增大，产生的囊壁孔隙会增加芯材的渗出损耗[14]。另外，高温条件能促进芯材分子加速运动，使其动能增大，从而加快释放速率[15]。因此，高温对奇亚籽油微胶囊的影响较大，在贮藏时应尽量将产品放置在较低温度环境中。

图4 不同温度下奇亚籽油微胶囊的芯材保留率Fig.4 Core material retention of chia seed oil microcapsules at different temperatures注：不同小写字母表示差异显著(P<0.05)(下同)

2.2.2 Avrami′s 公式对不同温度下微胶囊的释放过程分析

Avrami′s 公式对不同温度下的拟合曲线见图5。而从表2可知，得到的回归方程中R2均在0.98以上，表明芯材释放过程与 Avrami′s 公式拟合性较好，因此采用 Avrami′s 公式对芯材释放规律的解释是可行的[16]。采用不同的贮藏温度得到的微胶囊的释放机理参数也各不相同：在4 ℃下其释放机理参数小于1，表明低温下的释放过程介于扩散限制级和一级动力学之间；而25 ℃和45 ℃的释放机理参数均大于1，即25～45 ℃下的释放过程超过一级反应动力学。综上，奇亚籽油微胶囊在不同温度下的的释放为非恒速，非稳态的动力学过程，低温条件(4 ℃)可有效降低芯材的释放。

图5 Avrami′s 回归分析Fig.5 Avrami′s regression analysis

表2 不同贮藏温度下的芯材释放机理参数及释放速率常数Table 2 Release mechanism parameters and release rateconstants at different storage temperatures

注：n,释放机理参数；k,释放速率常数(下同)

2.2.3 不同湿度下奇亚籽油微胶囊中的芯材保留率

由图6可知，随着相对湿度(relative humidity, RH)的增大，芯材保留率急速下降。经过16 d的贮藏期，在RH为32%的条件下，芯材保留率达到96.87%，此条件下的芯材释放相对较为缓慢；在RH为85%条件下，产品芯材保留率仅为56.04%。同一贮藏时间下，相对湿度越大，芯材保留率越低。相对湿度越大，更易促进微生物的繁殖，增加脂肪水解的同时让水分子进入微胶囊内部,导致壁材吸水，从而降低膜的渗透性和致密度，破坏壁材对芯材形成的保护结构，加快芯材的渗透和释放[17]，故在贮藏时应选择较低的湿度环境。

图6 不同湿度下奇亚籽油微胶囊的芯材保留率Fig.6 Core material retention of chia seed oil microcapsules at different humidity

2.2.4 Avrami′s 公式对不同湿度下微胶囊的释放过程分析

Avrami′s 公式对不同湿度下的拟合曲线见图7。从表3可知，回归方程中R2均在0.99以上，表明芯材释放过程与 Avrami′s 公式拟合性较好，因此采用 Avrami′s 公式对芯材释放规律的解释是可行的。随着相对湿度的增大，释放速率常数(k)迅速增大。当RH 32%时，其k<1，表明该湿度下的释放过程属于扩散限制动力学及一级动力学之间，而RH为54%和85%的k>1，超过一级反应动力学参数。同时，RH为85%的k值比RH为32%时高出21倍，因此相对湿度对奇亚籽油微胶囊的影响显著。

图7 Avrami′s 回归分析Fig.7 Avrami′s regression analysis

表3 不同湿度下的芯材释放机理参数及释放速率常数Table 3 Release mechanism parameters and releaserate constants of core material at different humidity

2.2.5 不同pH值对奇亚籽油微胶囊释放的影响

由于pH可以通过影响离子强度从而改变壁材的溶解度，因此pH对微胶囊在体内的释放意义重大。从图8可知，芯材保留率随pH的增加呈现先逐渐升高后持续下降的趋势。pH在3.0～5.0 的强酸性环境下，芯材的保留率快速升高；当pH达到5.0时，芯材保留率达到最高为69.77%；当pH继续增大，芯材保留率急剧下降；在pH 9.0时达到最低为32.52%。这表明奇亚籽油微胶囊芯材更适合在强酸或强碱条件下释放，同时，偏碱性环境更有利于芯材释放，这主要是因为复合壁材中的酪蛋白酸钠在碱性条件下乳化力较大，且蛋白质在碱性环境中溶解度更高，容易破坏壁材的保护结构，增加芯材的释放。

图8 不同pH值奇亚籽油微胶囊的芯材保留率Fig.8 Core material retention of chia seed oil microcapsules at different pH values

2.3 体外模拟人体消化道环境对芯材释放的影响

如图9所示，微胶囊在体外模拟试验中表现出良好的缓释特性。整个消化过程中，微胶囊的释放率达到81.73%。在120 min的SGF溶液中，微胶囊释放了29.99%，主要是复溶后的酪蛋白酸钠在酸性环境中发生了絮凝，阻止了胃蛋白酶与蛋白特异性位点的接触，导致消化速率偏低[18]。随后进入SIF溶液，芯材释放速率显著提高，微胶囊释放率达到51.74%。这是因为在碱性条件下，SIF溶液中的胰蛋白酶会深度水解酪蛋白酸钠和D-乳糖-水合物，破坏蛋白质和多糖之间的交联作用，降低微胶囊结构的致密度，可能导致壁材表面出现一些空隙，增加芯材的渗出损耗[7, 19]。从图中可知，微胶囊在肠液中的释放率明显更高，这是因为小肠是脂肪消化吸收的主要场所。这表明酪蛋白酸钠和D-乳糖-水合物复合壁材具有较好的抗消化能力，能有效保护奇亚籽油直至肠液中释放，提高了奇亚籽油在人体内的生物利用率。

图9 奇亚籽油微胶囊在SGF和SIF中芯材的释放率Fig.9 Release rate of core materials of chia seed oil microcapsules in SGF and SIF

3 结论

在前期研究的基础上，对奇亚籽油微胶囊在贮藏期间的POV变化进行研究，结果表明，奇亚籽油微胶囊的POV变化速率明显低于奇亚籽油。说明酪蛋白酸钠和D-乳糖-水合物对奇亚籽油起到了良好的包埋效果，有效延缓了奇亚籽油微胶囊的氧化。对奇亚籽油微胶囊进行氧化动力学研究及货架期预测的结果表明：奇亚籽油及其微胶囊的氧化反应更适合一级氧化动力学反应；奇亚籽油及其微胶囊在室温下的货架期分别为105和219 d，说明通过微胶囊技术可有效延长奇亚籽油的货架期。微胶囊产品在不同温度、湿度和pH条件下贮藏16 d，通过测定不同时间点的芯材保留率，结果表明，高温高湿环境下不利于芯材的保留，强酸或强碱条件下更利于芯材的释放。经 Avrami′s 公式拟合后，R2均大于0.98，表明拟合程度良好，通过分析释放机制参数和释放速率常数，明确了不同贮藏条件下的释放类型：当贮藏温度4 ℃，相对湿度32%时，n<1，介于扩散限制动力学和一级释放动力学之间；当贮藏温度25～45 ℃，相对湿度54%～85%时，n>1，属于一级释放动力学。模拟消化道中的释放情况表明，整个消化过程里微胶囊的释放率达81.73%，说明微胶囊在模拟消化道中具有缓释行为；同时微胶囊在肠液中的释放率明显更高，确保了大部分奇亚籽油在肠道中的释放，有效提高了奇亚籽油在人体内的生物利用率。