不同搅拌速率下的明胶_阿拉伯胶复合凝聚橘油微胶囊在制备过程中的形态变化_图文

1、不同搅拌速率下的明胶 -阿拉伯胶复合凝聚 橘油微胶囊在制备过程中的形态变化董志俭,张新羽,李吉振,马 勇,吕长鑫,孟良玉,张丽华(渤海大学化学化工与食品安全学院,辽宁 锦州 121000摘要:研究不同搅拌速率下的明胶 -阿拉伯胶复合凝聚橘油微胶囊在制备过程中的形态变化以及载量对释放性质的 影响。结果表明:在复合凝聚阶段,当搅拌速率由 200r/min 增加到 600r/min时,微胶囊具有球状多核的结构, 粒径逐渐减小;当搅拌速率不超过 400r/min 时,微胶囊在凝胶化和固化阶段仍保持球状多核结构,而高速搅拌其 形态会变得不规则。搅拌速率增加,微胶囊的载量提高,高载量和小粒径使微胶囊的释放

2、速率增加。制备具有良 好缓释性能的复合凝聚球状多核微胶囊的最佳搅拌速率是 400r/min。 关键词:微胶囊;复合凝聚;橘油;形态;释放Morphology Change of Coacervated Orange Oil Microcapsules during Preparation with Different Stirring SpeedsDONG Zhi-jian , ZHANG Xin-yu , LI Ji-zhen , MA Yong , LU Chang-xin , MENG Liang-yu , ZHANG Li-hua(College of Chemistry, Chemi

3、cal Engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121000, ChinaAbstract :In this paper, the effect of stirring speed on morphology change of coacervated orange oil microcapsules duringpreparation process was investigated. Meanwhile, the effect of loading amount of microcapsules on release r

4、ate was alsoexplored. The results showed that the coacervated microcapsules possessed spherical multinuclear structure and the particle sizeexhibited a gradual decrease with increasing stirring speed from 200 to 600 r/min. The coacervated microcapsules remainedspherical and multinuclear structure at

5、 a stirring speed 400 r/min during gelation and hardening phases. Otherwise, theirregular coacervated microcapsules were observed at higher stirring speed. As the stirring speed rose, the loading amount ofmicrocapsules also exhibited an obvious increase and the particle size revealed an obvious redu

6、ction, thus resulting in the decrease inrelease rate of the coacervated microcapsules. Therefore, the optimal stirring speed was 400 r/min for coacervated spherical multinuclearorange oil microcapsules during the preparation process, which could provide excellent slow-released characteristics.Key wo

7、rds :microcapsule ; coacervation ; orange oil ; morphology ; release中图分类号:R944.5 文献标识码:A 文章编号:1002-6630(201111-0056-04收稿日期:2010-08-19作者简介:董志俭 (1977 ,男,讲师,博士,研究方向为功能性食品。 E-mail :dongzhijian97橘油是一种天然的精油,由许多小分子质量的挥发 性组分构成,被广泛地应用于食品和香精香料工业。然 而橘油具有很强的挥发性,加工和贮藏稳定性较差。微 胶囊化技术可提高橘油稳定性,降低橘油挥发性、氧 化性,赋予橘油控制释放的特

8、性。喷雾干燥、环糊精 包埋、流化床、挤压技术以及复合凝聚等已被广泛应 用于天然精油的微胶囊化。复合凝聚法是其中具有优良 控制释放特性的一种微胶囊技术,已被应用到风味油 1-2、 维生素 3、酪蛋白水解物 4、细菌 5和药物 6的包埋中。水不溶性复合凝聚微胶囊具有高的载量和良好的耐 热性,控制释放性能最好 7。加工工艺和参数显著影响到复合凝聚微胶囊的形态和载量,进而影响微胶囊的释 放。根据其内部结构,复合凝聚微胶囊可以分为单核 微胶囊和多核微胶囊 8-10,多核微胶囊又可分为球状多 核和不规则形态。与单核微胶囊相比,多核微胶囊具 有更大的粒径和更好的控制释放特性 9,11;而球状多核微 胶囊相比

9、于不规则形态的多核微胶囊,则具有更好的流 动性质,可以减少黏壁、结块等现象的发生。复合凝 聚微胶囊化过程可分为 4个阶段,分别是乳化、复合凝 聚、凝胶化和固化 12。研究表明加工工艺参数对复合凝 聚薄荷油微胶囊的形态、粒径、载量和释放性质都具 有重要的影响 10,然而对于复合凝聚微胶囊在复合凝. .聚、凝胶化和固化阶段形态的连续变化过程仍然缺乏系 统研究,通过对复合凝聚微胶囊制备过程中的形态变化 研究,将有助于理解复合凝聚球状多核微胶囊的形成机理。本实验主要研究了不同搅拌速率下的复合凝聚橘油 微胶囊在制备过程中的形态变化,明确了复合凝聚球状 多核微胶囊以及不规则形态的复合凝聚多核微胶囊的形 成

10、机理,并进一步探讨了微胶囊的结构、载量对其在 热水中释放性质的影响。 1材料与方法 1.1材料明胶 国药集团上海化学试剂有限公司;阿拉伯胶 泰安市鼎力胶业有限公司;橘油 浙江黄岩中兴香精香料 有限公司;转谷氨酰胺酶 泰州一鸣生物技术有限公司。 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; Motic BA-300数码显微镜 日本麦克奥迪。 1.3方法1.3.1明胶 -阿拉伯胶复合凝聚橘油微胶囊的制备方法1 乳化:分别制备 1%明胶、阿拉伯胶溶液各 1000mL , 混

11、合后加入 20g 橘油,在 10000r/min下乳化 3min 。 2 复 合凝聚:乳状液被转移到三口烧瓶中,在 40的水浴 及 200、 400、 600r/min的搅拌速率下,滴加 10%的乙 酸溶液,将乳状液的 pH 值调整到 4.0,搅拌 10min 。 3 凝胶化:上述微胶囊悬浮液的温度被冷却到 10进行凝 胶化处理。 4 固化:微胶囊悬浮液的 pH 值被调整到 6.0, 以转谷氨酰胺酶 (TG,酶活为 60U/g为固化剂固化微胶 囊,加入量为 15U/g 明胶。固化 6h 后,悬浮液被过 滤、洗涤,得到湿复合凝聚橘油微胶囊。 1.3.2复合凝聚橘油微胶囊形态的观察分别取一滴复合凝

12、聚、凝胶化及固化阶段的复合凝 聚橘油微胶囊悬浮液,将其放在载玻片上 (固化后的复 合凝聚微胶囊悬浮液需加盖玻片 ,用数码显微镜观察 并 拍 照 。 1.3.3复合凝聚橘油微胶囊产率的测定方法取一定量的 1.3.1节得到的湿复合凝聚橘油微胶囊放 入烧杯中,用少量的水分散后倒入 1000mL 圆底烧瓶中, 加 500mL 蒸馏水,水蒸汽蒸馏,待烧瓶中溶液澄清且 油柱高度恒定为止,读取油柱的体积,按式 (1 计算 产 率 。V 1 V1×m1/%=×100=×100 (1 ×V m 1×V式中:1为复合凝聚微胶囊的产率 /%; m 为得到 的湿复合凝

13、聚微胶囊的总质量 /g; V 为反应加入的橘油 的总体积 /mL; m 1为水蒸汽蒸馏取用的湿复合凝聚微胶 囊的质量 /g; V 1为将质量为 m 1的湿复合凝聚微胶囊蒸 馏后所得油的体积 /mL。 1.3.4复合凝聚橘油微胶囊含水率的测定方法从 1.3.1 节制备的湿复合凝聚橘油微胶囊中取两份质 量均为 m 1的湿微胶囊。一份通过水蒸气蒸馏法测得其油 体积为 V 1,另一分放在铝盒中,置于 200的烘箱中加 热 1h ,残余的干燥的微胶囊块 (m 2 通过药勺取出、破 碎,水蒸气蒸馏 4h ,得到体积为 V 2橘油。湿复合凝 聚微胶囊中的含水率通过公式 (2确定。(m 1-m 2 -(V 1

14、-V 22/%=×100 (2m 1式中:2为复合凝聚微胶囊的含水率 /%; 为 橘油的密度 /(g/mL; (m 1-m 2 为烘干过程释放出的水和 油的总质量; (V 1-V 2 为烘干过程中释放出油的质量。 1.3.5复合凝聚橘油微胶囊载量的测定方法V 13/%=×100 (3m 1(1-2式中:3为复合凝聚微胶囊的载量 /%; 2为复合凝聚微胶囊的含水率 /%; m 1为称取的湿复合凝聚微 胶囊的质量 /g; V 1为将质量为 m 1的湿复合凝聚微胶囊 蒸馏后所得油的体积 /mL; 为橘油的密度 /(g/mL。 1.3.6复合凝聚橘油微胶囊的释放曲线将 5个分别装有

15、 300mL 、质量分数 2%的复合凝聚 橘油微胶囊悬浮液的烧杯放置在 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,测量其油体 积 V 4,并计算释放率 4。V 44/%=(1- ×100 (4V 3式中:4为球状多核微胶囊在热水中的释放率 /%; V 3为最初悬浮液中微胶囊的油体积 /mL; V 4为加热一段 时间后的悬浮液中的微胶囊的油体积 /mL。 2结果与分析2.1复合凝聚过程中搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊的 形态的影响由图 1可知,在复合凝聚阶段,随着搅拌速率的 增加,微胶囊的粒径减小,但均具有球

16、状多核的结构。 当搅拌速率是 200r/min时,不同粒径球状多核微胶囊中m 1m含油量的差别是十分显著的,大粒径的球状多核微胶囊 含油量很高,而一些粒径相对较小的微胶囊则含油少甚 至不含有橘油液滴。原因是在低的搅拌速率下,乳状 液不稳定,含油量大的的乳状液滴比重小,易于上浮, 聚集成具有大粒径、高含油量的球状多核微胶囊。而 体相中含油量小的乳状液滴则相应下降,在缓慢搅拌 下,复合凝聚物能够充分沉积在乳状液滴的表面,形 成粒径相对较小,含油量较低的球状多核微胶囊。当 搅拌速率增加到 400r/min时,球状多核微胶囊的含油量 的差别是较小,乳状液的稳定性增强。当搅拌速率增 加到 600r/mi

17、n时,由于剧烈的搅拌,使得复合凝聚物 沉积到微胶囊表面的速度降低,形成的球状多核微胶囊 的 粒 径 较 小 ,比 较稳 定 。2.2凝胶化过程中搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊形态的影响态的多核微胶囊。其他的研究者也证实在高的搅拌速率 下,微胶囊的形态会变得不规则 2, 13。 2.3固化过程中搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊的形态 的影响固化是桥联剂在壁材明胶中分子间形成化学键,易 导致微胶囊黏连,形成大的微胶囊聚集体。由图 3可 知, 3种微胶囊在固化阶段形态均无明显的变化,没有出现不同微胶囊间的黏连。 Saeki 等 12采用明胶 -阿拉伯 胶 -羧甲基纤维素为壁材制备复合凝聚微胶囊化,当单 独

18、以戊二醛作为固化剂且其用量低于明胶用量的 5%时, 在固化期间出现微胶囊聚集、结块,悬浮液变黄的现 象。在本实验中,固化阶段并未出现复合凝聚微胶囊 聚集、黏连的现象。 Saeki 等 12的实验结论与本实验是 不同的,原因可能是他们制备的是小粒径的单核微胶 囊,而本实验制备的是粒径较大的多核微胶囊,固化 剂难于多核微胶囊间产生黏连。 2.4搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊载量的影响a. 200r/min; b. 400r/min; c. 600r/min。图 1 复合凝聚阶段搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊形态的影响(×100Fig.1 Effect of stirring speed on

19、 the morphology of coacervated orangeoil microcapsules during coacervation phase (× 100abc50m 50m50ma. 200r/min; b. 400r/min; c. 600r/min。 图 2 凝胶化阶段搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊形态的影响 (×100 Fig.2 Effect of stirring speed on the morphology of coacervated orangeoil microcapsules during gelation phase (×

20、; 100abc50m 50m 50ma. 200r/min; b. 400r/min; c. 600r/min。图 3 固化阶段搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊形态的影响 (×100 Fig.3 Effect of stirring speed on the morphology of coacervated orangeoil microcapsules during hardening phase (× 100abc50m 50m 50m微胶囊的粒径越大稳定性越差。在降温凝胶化过程 中,由于体系的黏度增加,更容易碰撞聚集,形态变 得不规则。搅拌速率为 200r/min的复

21、合凝聚微胶囊具有 大的粒径,然而在凝胶化过程中,微胶囊的形态和粒 径均无明显的变化 (图 1a 和图 2a ,这是由于在低的搅 拌速率下,悬浮液转动平稳,大的球状多核微胶囊之 间不容易发生相互碰撞,能保持较好的球形度。当搅 拌速率增加到 400r/min时,微胶囊的形态在凝胶化的过 程中也无明显的变化 (图 1b 和图 2b ;当搅拌速率增加到 600r/min时,尽管复合凝聚阶段形成的小粒径球状多核 微胶囊比较稳定,然而在剧烈的搅拌下,球状多核微 胶囊容易相互碰撞,发生黏连或变形,形成不规则形图 4 搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊载量的影响Fig.4 Effect of stirring sp

22、eed on the loading amount of coacervated orange oil microcapsules807060504030载 量 /%搅拌速率 /(r/min200400600由图 4可知,随着搅拌速率的增加,微胶囊载量 明显增加,当搅拌速率由 200r/min增加到 400r/min时, 微胶囊的载量由 58.3%增加到 72.6%,载量增加可能是 由于高的搅拌速率使得沉积在乳状液滴表面的复合凝聚 物的量减少所致。 2.5搅拌速率对复合凝聚橘油微胶囊释放速率的影响 由图 5可知,随着搅拌速率的增加,微胶囊的释 放速率明显增加。搅拌速率的增加导致了微胶囊的粒径

23、变小,载量增加。小粒径的微胶囊具有更大的比表面积,释放速率加快;而高的载量使得囊壁复合凝聚物的 含量降低,微胶囊的保护性变差,芯材橘油的释放速 率增加。 Lee 等 14的研究表明同小粒径的微胶囊相比, 大的或中等粒径的微胶囊具有更好的控制释放性质14,而 Bayomi 等 15的研究显示出载量增加,微胶囊的保护 性变差,释放速率增加,这与实验结论是一致的。不 同搅拌速率的复合凝聚橘油微胶囊在热水中的释放均呈 现出两个不同的阶段,开始阶段微胶囊中橘油的释放率 呈线性增加,在 20min 时释放率达到最大,而后释放率 保持恒定。 Prata 等 16的研究也表明复合凝聚精油微胶囊 的释放呈现两个

24、不同的阶段,开始快速释放内部芯材, 随后释放十分缓慢。参 考 文 献 :1WEINBRECK F, MINOR M, de KRUIF C G. Microencapsulation ofoils using whey protein/gum arabic coacervatesJ. Journal of Microencapsulation, 2004, 21(6: 667-679.2XING F B, CHENG G X, YANG B X, et al. Microencapsulation ofcapsaicin by the complex coacervation of gelat

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