乙基纖維素對油脂中維生素A體外消化釋放速率的影響

方超逸 傅 紅，3 顏亞真 傅彥君 張 虹 鄭 超

(福州大學生物科學與工程學院1，福州 350108) (豐益(上海)生物技術研發中心有限公司2，上海 200137) (福州大學酶工程研究所3，福州 350108)

乙基纖維素對油脂中維生素A體外消化釋放速率的影響

方超逸1傅 紅1，3顏亞真1傅彥君1張 虹2鄭 超2

(福州大學生物科學與工程學院1，福州 350108) (豐益(上海)生物技術研發中心有限公司2，上海 200137) (福州大學酶工程研究所3，福州 350108)

以乙基纖維素EC100作為油脂質構劑添加到起酥油樣品中，研究其控制性釋放脂溶性維生素A的特性。體外模擬消化試驗表明EC100具有顯著的緩釋作用，隨著EC100質量分數的增加(0%～6%)，起酥油樣品消化2 h時VA的累積釋放率由20.52% 降低至3.62%。Ritger-Peppas 方程式擬合得到維生素A溶出參數n為0.45～0.89，顯示VA的釋放速率受化合物自身擴散和骨架溶蝕雙重控制。擴散系數的測定結果驗證了VA的濃度梯度是擴散的驅動力，且隨著油脂中EC100質量分數的增加(0%～6%)，VA在有機凝膠劑中的擴散系數呈降低趨勢；侵蝕試驗結果表明,當貯藏時間越長、貯藏溫度越低及EC100添加量越大時，有機凝膠劑樣品的侵蝕常數降低，并且添加乳化劑分子蒸餾單甘酯(DMG)的有機凝膠樣品受侵蝕的程度較小。

乙基纖維素 維生素A 控制釋放 體外消化

有機凝膠劑具有固定植物油等疏水性液體成分和類似于固體流變學特性的基本屬性，在構建脂類超分子結構方面發揮越來越重要的作用，是食品、化妝品和藥品領域迅速發展起來的新型分子功能材料[1]。Dey等[2]和Laredo等[3]發現了高聚物乙基纖維素能夠有效地用于油脂凝膠化，當添加量為2% 時即可形成凝膠網絡結構，并具有長期的物理穩定性[4-5]；羅淑玲等[6]研究發現在不同黏度等級EC油凝膠中，EC100的油凝膠網絡強度、硬度等物理性質最佳。然而，有機凝膠劑在食用油脂中的營養生理學特性很少被研究，它們可能對脂溶性營養素的釋放起到控制作用。例如Hughes等[7]的研究表明，β-胡蘿卜素強化脂通過添加12-HSA形成有機凝膠從而減緩β-胡蘿卜素在體外胃模型中的釋放速率；Duffy等[8]的研究顯示β-谷甾醇和Γ-谷維素按一定的比例添加到食用油中，所形成的有機凝膠化產品也影響了脂類的消化。

VA是人體必不可少的脂溶性營養元素，具有維護人體正常生長、發育等重要生理功能，但食品基質等因素會影響其生物利用率。因此，如何使VA在體內緩慢釋放并被最大程度地利用是一個具有科學意義和應用前景的課題。本研究以EC100作為有機凝膠劑，采用體外模擬消化的方法，對含有VA的有機凝膠化起酥油樣品進行了體外釋放性能的測定。此外通過測定擴散系數和侵蝕常數對乙基纖維素的緩釋機理進行了初步的探討，以確定其在油脂中形成有機凝膠體系后對VA在體外模型中的釋放特性的作用。

1 材料與方法

1.1 試劑與原料

大豆油：市售；棕櫚硬脂：上海豐益有限公司；乙基纖維素EC100(特性黏度值90～110 mPa·s)：阿拉丁試劑有限公司；分子蒸餾單甘酯(DMG)、司盤60、三聚甘油單硬脂酸酯(PGE)、單雙硬脂酸甘油酯(GMS)：河南奧尼斯特食品有限公司；豬胰脂酶(純度≥30 u/mg)、VA油(純度≥30%)：合肥博美生物科技有限公司；牛磺膽酸納(純度≥97%)：源葉生物科技有限公司；氯化鈣、磷酸二氫鉀、氫氧化鈉、石油醚、三氯甲烷、乙酸酐、正己烷均為分析純：國藥集團化學試劑有限公司；氯化銻(分析純)：上海麥克林生物有限公司。

1.2 主要儀器與設備

SHP-1500低溫生化培養箱：上海精宏實驗設備有限公司；可見-紫外分光光度計：北京普析通用儀器股份有限公司；CF16RX-Ⅱ日立高速冷凍離心機：天美(中國)科學儀器有限公司；LGJ-10真空冷凍干燥機：北京松源華興科技發展有限公司；BK-POLR偏光顯微鏡：重慶奧特光學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 起酥油樣品的制備

以大豆油和棕櫚硬脂為基料油，向其中添加不同質量分數的EC100，按照國標規定的最大添加量加入VA(8 000 μg/kg)，再經過乳化、急冷、捏合過程制成含乙基纖維素有機凝膠劑的起酥油樣品。

1.3.2 起酥油的體外模擬消化

按照國標規定配制模擬腸道消化液[9]。取15 g起酥油樣品，依次加入100 mL消化液、25 mL 5 g/L?；悄懰峒{和10 mL濃度為1.98 mol/L的氯化鈣溶液。在30 s內完成上述操作，并將燒杯放入(37±0.5)℃恒溫水浴進行消化[10]。待體外模擬消化結束后，將消化后的乳狀液倒入分液漏斗使其靜置分層，分離出水層，往水層中加20 mL石油醚萃取VA，在轉速4 000 r/min條件下離心10 min，取上清液10 mL于平底燒瓶，將石油醚旋蒸干凈，剩余物用三氯甲烷定容至10 mL容量瓶中[11]。

1.3.3 維生素濃度變化的測定

三氯化銻顯色法測定水層中VA濃度[12]：用三氯甲烷對VA進行定容，在510 nm處用三氯化銻顯色法測其吸光值，繪制標準曲線，計算出其濃度。

1.3.4 釋放動力學參數的測定

樣品中VA釋放速率用Ritger-Peppas 方程式(1)進行擬合。

Mt/M∞=ktn

(1)

式中：Mt/M∞為t時刻VA累積釋放分數；t為釋放時間/h；K為釋放動力學常數，其大小表示釋放速率的快慢；n為溶出參數，是釋放機制的特征參數。當n<0.45 時為擴散控制；當0.450.89 時，為溶蝕控制[13]。

1.3.5 有機凝膠中維生素擴散系數的評價研究

維生素在有機凝膠中的擴散系數是根據Upadrashta等[14]的方法進行測定。制備EC100質量分數分別為0%～6%的起酥油樣品(不含維生素)，將樣品注入塑料注射器中。在該注射器一端切面上均勻涂上VA，然后放置在37 ℃生化培養箱中進行擴散。7 d后，取出注射器，油基質被切成1.5 mm的切片(如圖1)，加入正己烷萃取，測量上清液在325 nm處的吸光值。

圖1 每個凝膠切片中VA濃度的測定

對照標準曲線，計算每個切片中的維生素含量，凝膠中物質的擴散遵循菲克定律，按公式(2)進行計算[14]。

(2)

式中：Ci為I切片中的VA濃度；C0為有機凝膠邊界的VA濃度；erf為誤差函數；x為從有機凝膠邊界到I切片中心的距離；Di為擴散系數；t為時間。誤差函數如公式(3)所示，通過查誤差函數表，得到Z值，再通過Z值的大小計算出擴散系數Di。

(3)

1.3.6 有機凝膠侵蝕速率的測定

添加EC100的凝膠型起酥油樣品被稱重后，將其置于37 ℃條件下的模擬腸道消化液中進行消化反應。消化2 h后，取出未被消化的有機凝膠樣品，并置于真空下冷凍干燥12 h。起酥油樣品消化之前和消化之后的重量分別被測定，按照公式(4)來計算侵蝕速率常數[15]。

(4)

式中：Wd和Wi分別為有機凝膠型起酥油樣品消化之后和之前的質量;k為侵蝕常數;t是消化的時間。

1.3.7 顯微鏡觀察分析晶型

取適量樣品于載玻片上，蓋上蓋玻片，輕壓成透明薄片，用偏光顯微鏡(PLM)觀察樣品的結晶形態。選擇具有代表性的區域拍照3次，取其中較清晰的圖片進行比較。

2 結果與討論

2.1 釋放特性的研究

2.1.1 EC100的質量分數對維生素A釋放速率的影響

由圖2可知，添加EC100的起酥油樣品，其VA釋放率都會隨著消化時間的增加而呈上升的趨勢。在空白對照樣品中，VA被迅速釋放，其他質量分數EC100的有機凝膠中VA的釋放速率顯著下降。當EC100的添加量依次為1%～6%時，消化2 h VA的累積釋放量分別為18.92%、16.39%、11.41%、5.69%、5.25%、3.62%；通過縱向對比可知，當消化時間相同時，VA的釋放率會隨著EC100添加量的增加而呈現下降的趨勢。以上結果可能是由于乙基纖維素這類長碳鏈聚合物作為油脂的質構劑，在不飽和油脂分子簇中表現出較強的氫鍵密度，從而產生更強的凝膠性能，其表觀黏度和硬度均會隨著乙基纖維素質量分數的增加而增加，這與羅淑玲等[6]的研究結果相一致。VA分子通過EC100形成的大分子纏結狀網絡結構，緩慢向外擴散而釋放，因此乙基纖維素具有控制釋放脂溶性維生素的潛力。

圖2 不同質量分數EC100的起酥油樣品中VA的釋放率隨時間的變化

2.1.2 EC100有機凝膠的釋放動力學參數

將添加EC100的起酥油樣品的釋放速率用Ritger-Peppas 方程式(1)進行擬合，所得溶出參數n如表1所示。

表1 EC100形成的有機凝膠的溶出參數

由表1可知，任何EC濃度的起酥油樣品其溶出參數都落在0.45～0.89的范圍內，因此VA的釋放是以化合物自身擴散和骨架溶蝕協同作用為主。這和以12-HSA為質構劑形成的油凝膠不同，12-HSA形成的有機凝膠中親脂性化合物的擴散作用主要是受骨架溶蝕作用控制[16]。

2.2 VA擴散系數的測定

化合物釋放的機制一般分為擴散控制釋放體系和侵蝕控制釋放體系。前者通過降低基質中的化合物擴散速率來控制釋放速率。而后者的控制性釋放是通過水或酶等其他物質的侵蝕。本試驗對不同質量分數EC100構成的起酥油樣品中VA的擴散系數進行測定。各個切片中VA濃度與邊界的距離關系如圖3所示。

圖3 起酥油樣品切片中VA濃度與邊界距離的關系

由圖3可知，樣品切片中VA的濃度都會隨著離邊界距離的增加而減少。由此結果可知，有機凝膠劑中VA的濃度是擴散的驅動力。這與菲克定律所提出的擴散總是向低濃度的方向進行的理論一致。

有機凝膠中VA的擴散系數在表2中列出，結果表明在低、中、高3種VA濃度下，有機凝膠劑中VA的擴散系數均隨著EC100添加量的增加而呈現出減小的趨勢。這是因為隨著EC100添加量的增加，起酥油中所形成的液晶網絡結構更加穩定和致密，網絡強度和硬度更大阻礙了VA的擴散作用影響了其擴散的效率，這與前面釋放速率降低的結論相一致。因此，擴散控制是乙基纖維素緩釋功能的作用機制之一。

表2 有機凝膠劑中維生素A 的擴散系數

注：擴散系數Di1、Di2、Di3的VA濃度分別為低質量濃度0.5 g/mL、中質量濃度1 g/mL、高質量濃度1.5 g/mL。

2.3 EC100有機凝膠侵蝕常數的測定

2.3.1 EC100質量分數及貯藏時間對有機凝膠侵蝕常數的影響

貯藏時間分別為1個月、2個月、3個月的條件下，EC100質量分數不同的起酥油樣品其侵蝕常數的變化如圖4所示。

圖4 EC100質量分數及貯藏時間對有機凝膠劑侵蝕常數的影響

由圖4可知，在貯藏時間相同的條件下，凝膠的侵蝕常數則隨著EC100添加量的升高呈現減小，說明有機凝膠劑的濃度越高，所形成的網絡結構硬度越高致密性越高，樣品越難被侵蝕，這與相關研究結果一致。為了驗證貯藏時間對有機凝膠劑形成的網絡結構的影響，利用偏光顯微鏡對EC100添加量為3%而貯藏時間不同的樣品進行觀察，結果如圖5所示。

圖5 貯藏時間對樣品晶體形態的影響

由圖5可知，貯藏時間越長，所形成的晶體尺寸較大數目較多且排列更為致密。應用盒維數法分析樣品的三維結晶網絡，得出不規則碎片維數Db，結果如表3所示。影響不規則碎片維數Db值的因素主要有晶體大小、形態以及結晶面積等，通常Db值越大表明結晶網絡結構被填充的越緊密。表3中，隨著貯藏時間的延長，樣品的Db值也越大。這與偏光顯微鏡觀察結果一致。

表3 貯藏時間不同的樣品其不規則碎片維數Db值

2.3.2 貯藏溫度對EC100有機凝膠侵蝕速率的影響

樣品的貯藏溫度分別為4、25、37 ℃，溫度對有機凝膠侵蝕常數的影響如圖6所示。由圖6可知，EC100添加量相同的起酥油樣品，其侵蝕常數會隨著貯藏溫度的升高而變大，而在空白對照樣中，3種貯藏溫度下的侵蝕常數并沒有很大的差別，這是因為樣品中不含有機凝膠劑，不存在受溫度影響的液晶網絡結構。

圖6 貯藏溫度對有機凝膠劑侵蝕常數的影響

2.3.3 乳化劑對EC100有機凝膠侵蝕常數的影響

乳化劑作為表面活性劑對油脂的成核過程和晶型轉變都有一定的影響。本試驗選用4種不同的乳化劑：DMG、司盤60、PGE、GMS，研究乳化劑對有機凝膠侵蝕常數的影響。

由圖7可知，添加單雙硬脂酸甘油酯(GMS)的有機凝膠樣品其侵蝕常數最大，最易被侵蝕；其次是添加司盤60和三聚甘油單硬脂酸酯(PGE)的有機凝膠樣品；添加分子蒸餾單甘酯(DMG)乳化劑的有機凝膠樣品侵蝕常數最小，最不易受到侵蝕。

圖7 不同乳化劑對樣品侵蝕常數的影響

如圖8所示，添加不同乳化劑的乙基纖維素型起酥油樣品，其晶體形態不同。添加DMG乳化劑的樣品，晶體尺寸較大，結構更穩定，故侵蝕常數最小；添加GMS乳化劑的樣品，晶體尺寸最小，排列分散，形成的凝膠網絡結構不穩定，故最容易被侵蝕。各個樣品的Db值如表4所示，添加DMG的樣品Db值最大，添加GMS的樣品Db值最小，這與偏光顯微鏡的觀察結果一致。

表4 儲存第7天時不同乳化劑樣品的不規則碎片維數Db值

圖8 乳化劑對樣品晶體形態的影響

3 結論

體外模擬消化試驗結果表明EC100具有顯著的控制性釋放脂類生物活性物質的特性。VA的釋放速率用Ritger-Peppas 方程式進行擬合，得到的溶出參數n均為0.45～0.89，可知釋放VA的速率受化合物本身擴散和骨架溶蝕雙重控制。擴散系數的測定結果表明有機凝膠劑中VA的濃度梯度是擴散的驅動力，VA的擴散系數會隨著乙基纖維素添加量的增加而減少；當貯藏時間越長、貯藏溫度越低、EC100添加量越大，有機凝膠樣品的侵蝕常數降低，并且添加乳化劑DMG的有機凝膠樣品受侵蝕的程度較小。

志謝：本研究由豐益(上海)生物技術有限公司的金龍魚營養與安全研究基金資助。

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Effect of Ethyl Cellulose on Release Rate of Vitamin A of OilinVitroDigestion

Fang Chaoyi1Fu Hong1，3Yan Yazhen1Fu Yanjun1Zhang Hong2Zheng Chao2

(College of Biological Science and Engineering，Fuzhou University1，Fuzhou 350108) (Wilmar(Shanghai)Biotechnology Research & Development Center Co.Ltd.2，Shanghai 200137) (Enzyme Engineering Research Institute，Fuzhou University3，Fuzhou 350108)

Ethyl cellulose(EC100)was added to shortening sample as the grease enzyme，and its characteristic as a controlled release formulation for vitamin A was investigated.Invitrodigestion model test indicated that EC100 had significant sustained action for release rate of VA.When the shortening sample had been digested for 2 hours，the VA cumulative release rate reduced from 20.52% to 3.62% while the mass fractions of EC100 ranged from 0% to 6%.With being fitted by Ritger-Peppas equation，the dissolution parameters of VA appeared within the scope of 0.45～0.89，which implied the release rate of VA was controlled both by compounds diffusion and matrix erosion.The measurement results of the diffusion coefficient showed that the VA concentration gradient was the driving force of diffusion，while the diffusion coefficient of VA in organic gel tended to decrease as the mass fractions of EC100 increased from 0% to 6%.Meanwhile，the erosion experiment indicated that the erosion constant of organic gel sample decreased with the extension of storage time，fall of storage temperature and amount increase of EC.The erosion of organic gel sample was decreased after adding DMG.

ethyl cellulose，vitamin A，controlled release，invitrodigestion

2015-11-10

方超逸，女，1991年出生，碩士，食品科學

傅紅，女，1970年出生，教授，食品脂質開發與應用

TS221

A

1003-0174(2017)06-0079-06