复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊的释放动力学及应用

董志俭，汪 羽，夏书芹，贾承胜，张晓鸣,*，许时婴

(1. 渤海大学生物与食品科学学院，辽宁 锦州 121000；2. 江南大学食品学院，江苏 无锡 214112 )

复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊的释放动力学及应用

董志俭1，汪 羽2，夏书芹2，贾承胜2，张晓鸣2,*，许时婴2

(1. 渤海大学生物与食品科学学院，辽宁 锦州 121000；2. 江南大学食品学院，江苏 无锡 214112 )

制备球状多核结构的复合凝聚薄荷油微胶囊，并且研究其释放动力学以及在曲奇中的应用效果。结果表明：复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在热水中的释放符合一级释放动力学，释放动力学速率常数随着芯壁质量比的增大而增加；而在烘箱中的释放符合零级释放动力学，释放动力学速率常数随温度的升高而增加。感官评定的结果表明二次包埋能够增强复合凝聚薄荷油微胶囊的包埋效果，二次包埋复合凝聚微胶囊在曲奇中的应用效果与环糊精相当。

微胶囊；复合凝聚；薄荷油；释放动力学

复合凝聚微胶囊是一种具有优良控制释放特性的特殊微胶囊，这种微胶囊经固化后，囊壁形成稳定的三维网状结构，能够在高温、高湿的加工环境中保持稳定的结构，很好地保护内部芯材。复合凝聚微胶囊芯材的释放一般是在内外浓度差或压力差的作用下，通过扩散的方式进行。释放速率是由芯材组分在壁材中的溶解度和通过壁材的扩散共同决定。常用的释放动力学模型有零级释放动力学方程、一级释放动力学方程、Higuchi 方程[1-2]和Weibull方程[3]。

复合凝聚微胶囊由于长期以来使用甲醛等有毒化学物质作为固化剂[4-5]，其安全性存在问题，因而在食品中的应用还仅限于实验研究，如Graf等[6]采用复合凝聚法，以甲醛作为固化剂，生产耐高温的葱油微胶囊，并将这种葱油微胶囊用于烘焙食品。本实验前期通过复合凝聚法制备了具有很强耐热性的球状多核薄荷油微胶囊[7-8]，由于采用转谷氨酰胺酶替代常用的甲醛作为固化剂[9]，这种微胶囊是安全的、可食用的，有望在口香糖、饮料、汤料等食品中获得广泛应用，尤其是在焙烤食品、烟草等需要热加工的产品中将会取得更好的效果。

本实验研究复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在高温烘箱中以及热水中的释放动力学，并且将这种微胶囊应用于焙烤食品。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

明胶 国药集团上海化学试剂有限公司；阿拉伯胶上海润创食品有限公司；薄荷素油 南通薄荷油厂；转谷氨酰胺酶 泰州一鸣生物技术有限公司；全统酥油强冠企业股份有限公司；高级面包粉 中粮面业(秦皇岛)鹏泰有限公司。

1.2 仪器与设备

RW20.N悬臂式搅拌器 广州仪科实验室技术有限公司；PHS-2C型精密酸度计 上海精密科学仪器有限公司；FJ-200高速分散器 上海标本模型厂；TS100/ TS100-F倒置显微镜 日本Nikon公司；GZX-GF101-3-S电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗机械厂；GZ-150高速离心喷雾干燥机 无锡阳光干燥设备厂；和面机 上海早苗有限公司；SM-603T型电烤箱 新麦机械无锡有限公司。

1.3 方法

1.3.1 复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊的制备

分别制备质量分数1%的明胶、阿拉伯胶溶液各1000mL，混合后加入80、40、20g或10g薄荷油，在10000r/min下乳化3min。乳状液被转移到三口烧瓶中，在40℃的水浴及400r/min的搅拌速度下，滴加10%的乙酸溶液，将乳状液的pH值调整到4.0。10min后，将微胶囊悬浮液的温度冷却到15℃。接着将悬浮液的pH值调整到6.0，同时加入转谷氨酰胺酶(15U/g明胶)固化微胶囊。在固化6h后，微胶囊悬浮液在脱除少量水后，进行喷雾干燥(进风温度195℃，出风温度95℃)，得到复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊；或者向固化好的微胶囊悬浮液中加入60g的麦芽糊精，再进行喷雾干燥得到二次包埋的复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊。

1.3.2 环糊精微胶囊的制备

将1000mL食用乙醇与水配成1:2的乙醇水溶液并加热至55℃，将30gβ-环糊精溶于其中，在搅拌状态下缓慢加入薄荷油的乙醇溶液 (4.0g薄荷油溶于40mL乙醇)，停止加热，继续搅拌4min，停止搅拌，4℃过夜，离心，将沉淀在65℃的真空烘箱中干燥10h，即得所需产品。

1.3.3 复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊形态的观察

取一滴固化后的复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊悬浮液，将其放于载玻片上，用倒置显微镜观察并拍照。

1.3.4 复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在热水中的释放曲线

取5个烧杯，每个装有300mL、2%复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊悬浮液(含油V1)，再放置于80℃下的水浴中，在200r/min下搅拌，每隔20min取出一个过滤，并用一定量的蒸馏水洗涤，收集过滤后的微胶囊，测量其含油量为V2，并计算释放率η1，式中V1、V2均采用水蒸汽蒸馏法测得。

式中：η1为微胶囊在热水中的释放率/%；V1为最初悬浮液中微胶囊的含油量/mL；V2为加热一段时间后悬浮液中微胶囊的含油量/mL。

1.3.5 干燥复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在高温下烘箱中的释放曲线

取5份喷干后的复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊(每份含油V3)放置于表面皿中，至于一定温度的烘箱中，每隔10min取出一份，测量残余微胶囊的含油量为V4，并计算微胶囊的释放率η2，式中V3、V4均采用水蒸汽蒸馏法测得。

式中：η2为微胶囊在烘箱中的释放率/%；V3为放入烘箱前的每份干燥微胶囊的含油量/mL；V4为在高温烘箱中放置一段时间后微胶囊的含油量/mL。

1.3.6 曲奇的制备

曲奇饼干的基本配方为面粉500g、糖225g、黄油350g、鸡蛋125g、水100g，制作工艺为：黄油与糖称质量后加入和面机，于三级速度下搅打15min，再添加占总用料量0.015%的薄荷油，或含等量薄荷油的微胶囊继续搅打5～10min，而后在二级速度下搅打并加入鸡蛋和水保持5min，再在一级速度慢慢加入面粉并搅拌均匀，用挤花袋制备曲奇饼干胚，并将其置于烤盘中，进入烤箱于上火160℃、下火160℃烘烤约20min，室温下冷却后保藏。

1.3.7 曲奇的感官评定方法

挑选10名熟悉薄荷风味的感官评价员对添加了微胶囊化薄荷油的曲奇饼干进行感官评定，分别以薄荷风味强度及可接受程度作为考核指标，采用评分检验法进行记分[10]。薄荷风味强度计分为：薄荷风味很弱计1分，较弱计2分，稍弱计3分，一般计4分，稍强计5分，较强计6分，很强计7分；可接受程度计分为：非常厌恶计1分，一般厌恶计2分，稍微厌恶计3分，既不喜欢也不厌恶计4分，稍微喜欢计5分，一般喜欢计6分，非常喜欢计7分。

1.3.8 数据的统计分析

数据测3次取平均值，通过Origin软件计算标准偏差，并模拟释放动力学方程。

2 结果与分析

图1 芯壁质量比对复合凝聚微胶囊形态的影响Fig.1 Effect of the core/wall ratio on the shape of microcapsules by coacervation

2.1 复合凝聚薄荷油微胶囊的形态复合凝聚微胶囊根据其内部结构可以分为单核微胶囊和多核微胶囊。单核微胶囊是由单个油滴被复合凝聚物包埋形成；而多核微胶囊是由大量的单核微胶囊相互聚集，形成具有多芯结构的微胶囊。多核微胶囊的形态受工艺参数的影响比较显著，由图1可知，芯壁质量比为4:1的复合凝聚多核微胶囊的形态很不规则，这种微胶囊在喷雾干燥时很容易黏壁，并且流动性很差；而芯壁质量比为1:2、1:1和2:1的复合凝聚多核微胶囊具有球状的结构，微胶囊具有良好的流动性和控制释放特性，适合在食品工业中应用。

2.2 复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在热水中的释放动力学

图2 不同芯壁质量比的复合凝聚微胶囊在80℃水中的释放曲线Fig.2 Release curve of coacervation microcapsules with different core/ wall weight ratio in 80 ℃ water

图2是不同芯壁质量比的复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在80℃水相环境中的释放曲线。芯壁质量比为1:2的微胶囊前期的释放速率较快，在40min时释放率为16%，随后释放速率明显下降，60min时释放率仅增加了4%。增加芯壁质量比，微胶囊的释放速率随之增加，这是由于随着芯壁质量比的增加，微胶囊的载量显著增加，微胶囊壁对芯材的保护性下降[7]。

表1 不同芯壁质量比的复合凝聚微胶囊在80℃水中的释放动力学方程拟合结果比较Table 1 Ffitting equations of release modeling for coacervation microcapsules with different core/wall weight ratio in 80 ℃ water

由表1可知，不同芯壁质量比的复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在热水环境中的释放符合一级释放动力学，均具有较高的拟合度。随着芯壁质量比的增加，复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊的一级释放动力学速率常数由0.021 增加到0.035，表明壁材的保护性下降。3种微胶囊的无限时间释放百分率是相同的，均为31%，说明了进一步延长加热时间，微胶囊的释放将更为缓慢，微胶囊对余下的芯材具有更好的保护作用。这可能是由于随着芯材的不断释放，悬浮液中薄荷油在微胶囊内外的浓度差下降，释放的驱动力减小所致。

2.3 复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在高温烘箱中的释放动力学

图3 复合凝聚微胶囊在不同温度下的释放曲线Fig.3 Release curve of dried coacervation microcapsules in oven of different temperatures

图3是芯壁质量比为1:2的复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在不同温度烘箱中的热释放曲线。在不同温度下微胶囊均以恒定速率释放内部芯材，且随着温度的增加，释放速率有所加快。在160℃下加热40min时，微胶囊的释放率为9.7%，升温到180℃和200℃时，微胶囊的释放率分别增加至13.1% 和15.7%。

由表2可知，与在水相环境中的释放规律不同，在高温烘箱中复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊的释放符合

零级释放动力学。微胶囊以恒定速率，很缓慢地释放内部芯材，释放动力学速率常数随着温度增加而明显提高，由0.21增加至0.46。在烘箱中复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在内外压力差的作用下，以恒定的速率释放内部芯材，符合零级释放动力学；而在水相环境中，微胶囊在内外浓度差的作用下释放芯材，在开始阶段由于水相中的薄荷油含量较低，芯材的释放速度较快，随着水相中芯材浓度的增加，释放的驱动力减小，微胶囊的释放速率降低，因此遵循一级释放动力学。

表2 复合凝聚微胶囊在不同温度下的释放动力学方程的拟合结果比较Table 2 Fitting equations of release modeling for dried coacervation microcapsules in oven of different temperatures

2.4 薄荷油与薄荷油微胶囊在曲奇饼干的应用效果比较了薄荷油中的一些亲水性较强成分的损失，而且还在复合凝聚微胶囊的表面形成了一层玻璃态的囊壁结构，增强了对薄荷油的保护性效果。二次包埋后微胶囊在薄荷油风味强度方面变化不大；但是在可接受性方面，含有二次包埋微胶囊的曲奇明显高于含有复合凝聚微胶囊的曲奇，而与环糊精的使用效果相当。

表3 添加薄荷油或薄荷油微胶囊的曲奇饼干的感官评定结果Table 3 Sensory evaluation of biscuits with addition of peppermint oil and its microcapsules

由表3可知，添加环糊精微胶囊的曲奇薄荷风味强度明显高于直接添加薄荷油的曲奇的风味强度；而添加芯壁质量比为1:2的复合凝聚微胶囊的曲奇的薄荷风味强度与添加环糊精的较为接近，这是由于复合凝聚微胶囊在曲奇加工过程中能够保持完整的结构，缓慢地释放内部芯材。在风味接受程度方面，3种曲奇都是可接受的。而含有环糊精微胶囊的曲奇的风味接受程度明显高于含有复合凝聚微胶囊的曲奇，这是由于复合凝聚微胶囊的生产是在水相中进行的，对于一些亲水性较强的薄荷油成分具有较差的包埋效果，导致了这些成分的损失，使得风味接受性下降。

为了提高复合凝聚微胶囊的风味可接受性，采用麦芽糊精为壁材，对复合凝聚微胶囊进行了二次包埋[11]。二次包埋时，由于加入了大量的麦芽糊精，不但减少

3 结 论

3.1 芯壁质量比对微胶囊的形态具有较大的影响，芯壁质量比为1:2、1:1和2:1时，复合凝聚薄荷油微胶囊呈球状、多核结构。

3.2 不同芯壁质量比的复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在热水中的释放符合一级释放动力学，方程具有较高的拟合度，释放动力学速率常数随芯壁质量比的增加而增加；复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊在高温烘箱中的释放均符合零级释放动力学，释放动力学速率常数随温度的增加而显著提高。

3.3 含有环糊精微胶囊、复合凝聚球状多核微胶囊、二次包埋复合凝聚球状多核微胶囊的3种曲奇在风味强度方面较为接近，均明显高于直接加入薄荷油的曲奇；含有二次包埋复合凝聚球状多核微胶囊的曲奇的可接受性明显高于含有复合凝聚球状多核微胶囊的曲奇，而与含有环糊精微胶囊的曲奇效果相当。

[1]WAGNER J G. Interpretation of percent dissolved-time plots derived from in vitro testing of conventional tablets and capsules[J]. Journal of Pharmaceutical Sciences, 1969, 58(10): 1253-1257.

[2]LANGENBUCHER F. Linearization of dissolution rate curves by the weibull distribution[J]. Journal of Pharmacy and Pharmacology, 1972, 24(12): 978-981.

[3]HIGUCHI T. Rate of release of medicaments from ointment bases containing drugs in suspension[J]. Journal of Pharmaceutical Sciences, 1961, 50(10): 874-875.

[4]DONG Cunji, ROGERS J A. Acacia-gelatin microencapsulated liposomes: preparation, stability, and release of acetylsalicylic acid[J]. Pharmaceutical Research, 1993, 10(1): 141-146

[5]WEINBRECK F, MINOR M, DEKRUIF C G. Microencapsulation of oils using whey protein/gum arabic coacervates[J]. Journal of Microencapsulation, 2004, 21(6): 667-679

[6]GRAF E, SOPER J C. Flavored flour containing allium oil capsules and method of making flavored flour dough product: US, 5536513[P]. 1996-07-16.

[7]DONG Zhijian, TOURE A, JIA Chengsheng, et al. Effect of processing parameters on the formation of spherical multinuclear microcapsules encapsulating peppermint oil by coacervation[J]. Journal of Microencapsulation, 2007, 24(7): 634-646.

[8]董志俭, 张晓鸣, 许时婴, 等. 复合凝聚球状多核薄荷油微胶囊的耐热性研究[J].食品科学, 2009, 30(5):120-123.

[9]DONG Zhijian, XIA Shuqin, HUA S, et al. Optimization of crosslinking parameters during production of transglutaminase-hardened spherical multinuclear microcapsules by complex coacervation[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces, 2008, 63(1): 41-47.

[10]HARRY T, LAWLES S, HILDEGARDE H.食品感官评价原理与技术[M]. 王栋, 李崎, 华兆哲, 译.北京: 中国轻工业出版社, 2001.

[11]PORZIO M A, MADSEN M G. Double encapsulation process and flavorant compositions prepared thereby:US, WO/1997/013416[P]. 1997-04-17.

Release Kinetics and Application of Spherical Multinuclear Peppermint Oil Microcapsules Prepared by Complex Coacervation

DONG Zhi-jian1，WANG Yu2，XIA Shu-qin2，JIA Cheng-sheng2，ZHANG Xiao-ming2,*，XU Shi-ying2
(1. College of Biotechnology and Food Science, Bohai University, Jinzhou 121000, China；2. School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214112, China)

Spherical multinuclear peppermint oil microcapsules were prepared by complex coacervation and their release kinetics and application in biscuits were investigated. The results showed that the release of the microcapsules by coacervation followed the first order release kinetics in hot water and its releasing constant increased with the ratio of core/wall, while their release followed zero order release kinetics in oven and its releasing constant increased with the temperature. The sensory evaluation indicated that double encapsulating could strengthen the encapsulating effectiveness of microcapsules by coacervation. The effectiveness of coacervation microcapsules by double encapsulation in the biscuit was the same as cyclodextrin.

microcapsule；oacervation；peppermint oil；release kinetics

R944.5

A

1002-6630(2010)23-0006-04

2010-01-25

“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD27B04)

董志俭(1977—)，男，讲师，博士，研究方向为功能性食品配料与添加剂。E-mail：dongzhijian97@yahoo.com.cn

*通信作者：张晓鸣(1965—)，男，教授，博士，研究方向为食品化学。E-mail：xmzhang@jiangnan.edu.cn