橘皮精油微膠囊的制備及其穩(wěn)定性研究

王 芳 淡小艷 鄧 剛 萬(wàn)國(guó)棟

(浙江師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院1，金華 321004)

(浙江師范大學(xué)行知學(xué)院2，金華 321004)

柑橘屬蕓香科類(lèi)植物，產(chǎn)量居我國(guó)果品之首。橘皮中含有2%～3%的精油，柑橘精油是橘皮的主要附加產(chǎn)品之一，也是世界上應(yīng)用最為廣泛的香精香料之一，其主要成分是檸檬烯［1］，具有解熱、鎮(zhèn)痛、抗病毒、抑菌和抗氧化等多種生理功能［2－4］。橘皮精油是低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的物質(zhì)，使其應(yīng)用受到了很大的限制，因此對(duì)精油進(jìn)行微囊化包埋，使液體的精油轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)，控制其活性成分的釋放［5－6］，能夠延長(zhǎng)其應(yīng)用的有效壽命，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

微膠囊化是指通過(guò)特殊的方法，利用天然或合成的高分子材料包埋固體、液體甚至是氣體物質(zhì)，制成有囊壁的微型膠囊以保留或截留其他物質(zhì)的微粒，從而達(dá)到保護(hù)、控釋等效果［7－8］。β － 環(huán)糊精(β－CD)是由7個(gè)葡萄糖殘基以α－1，4－糖苷鍵連接而成的環(huán)狀化合物，具有親水的外圍及疏水的內(nèi)腔，在溶液中可與多種有機(jī)物形成特殊的包絡(luò)物［9－10］。

近年來(lái)β－CD已廣泛被用于醫(yī)藥、食品、化學(xué)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)［11－16］，但在橘皮精油方面的應(yīng)用還鮮見(jiàn)報(bào)道，本研究以β－CD為壁材，探討其對(duì)橘皮精油的包埋工藝，以期得到包埋效率高且穩(wěn)定性好的微膠囊產(chǎn)物。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

柑橘:浙江金華農(nóng)貿(mào)市場(chǎng);β－環(huán)糊精:華興生物化工有限責(zé)任公司。其它試劑均為分析純。

料理機(jī):九陽(yáng)股份有限公司;DZF－9140B型真空干燥箱:上海一恒科學(xué)儀器有限公司;BT224s型電子天平:德國(guó)賽多利斯公司;SC－5A超級(jí)恒溫槽:寧波海曙億恒儀器有限公司;蒸餾裝置:姜堰市沈高夏南生化器械廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 橘皮精油的提取

稱(chēng)取一定量粉碎后的新鮮橘皮于水蒸氣蒸餾裝置中，以質(zhì)量濃度為3%的NaCl溶液作為提取溶劑，料液比1∶12(橘皮∶NaCl溶液)，蒸餾1 h后收集所提精油，加無(wú)水Na2SO4脫水，于精油瓶中4℃保存。

1.2.2 橘皮精油微膠囊的制備［17］

稱(chēng)取大約10 g β－CD，用50 mL去離子水在60℃溶解，取一定量的橘皮精油，按1∶20(g∶mL)的比例用無(wú)水乙醇溶解后，按一定比例逐滴加入到β－CD水溶液中。一定溫度下包合一定時(shí)間后取出，待溶液冷至室溫后將其放在5℃冰箱中靜置24 h，真空抽濾后于50℃干燥箱中干燥至恒重，得微膠囊產(chǎn)物。

1.2.3 包埋率的測(cè)定

取2 mL精油于有500 mL蒸餾水的蒸餾瓶中，蒸餾1 h，收集所得精油(體積V0)，用一定量的β－CD包埋2 mL精油所得的包合物至蒸餾瓶中，蒸餾1 h收集所得精油(體積V1)，根據(jù)下列公式計(jì)算包埋率。

1.2.4 包埋得率的測(cè)定

取2 mL精油精確稱(chēng)其質(zhì)量為m1，用一定量(質(zhì)量為m2)的β－CD包埋這2 mL精油，所得包合物質(zhì)量為m3，根據(jù)下列公式計(jì)算包埋得率。

1.2.5 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box－Behnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，分別選擇芯壁材比(X1)，包埋溫度(X2)，包埋時(shí)間(X3)作為自變量，橘皮精油包埋率作為響應(yīng)值設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，因素和水平取值見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面法設(shè)計(jì)因素和水平

1.3 橘皮精油微膠囊穩(wěn)定性測(cè)定

1.3.1 橘皮精油揮發(fā)性測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)量10.0 g橘皮精油于潔凈培養(yǎng)皿中(不加蓋，暴露于空氣中)，放置于20℃的電熱鼓風(fēng)箱中進(jìn)行恒溫儲(chǔ)存，每2 h取樣，用恒重法測(cè)定其揮發(fā)性。

橘皮精油揮發(fā)量=(1－某時(shí)刻橘皮精油質(zhì)量/初始橘皮精油質(zhì)量)×100%

1.3.2 微膠囊含油率測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)量10.0 g微膠囊樣品于揮發(fā)油測(cè)定器中進(jìn)行水蒸氣蒸餾，收集所得精油(體積V0)。

準(zhǔn)確稱(chēng)量10.0 g微膠囊樣品平鋪于潔凈培養(yǎng)皿中(不加蓋，暴露于空氣中)，分別放置于20、60和80℃的電熱鼓風(fēng)箱中進(jìn)行恒溫儲(chǔ)存。打開(kāi)烘箱的鼓風(fēng)裝置，模擬動(dòng)態(tài)釋放的條件，熱處理一定時(shí)間后取出，采用揮發(fā)油測(cè)定器進(jìn)行水蒸氣蒸餾，收集所得精油(體積V1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 芯壁材比

分別取2 mL橘皮精油，按照芯壁材比(mL∶g)為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6 在 60 ℃包合1.5 h，不同芯、壁材比例對(duì)包合效果的影響見(jiàn)圖1。橘皮精油(芯材)與β－CD(壁材)的比例大小直接影響到包埋效果，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，增加壁材的含量，可以提高包埋效果。包埋率和包埋得率隨著芯壁材比的增大而增大，在芯壁材比為1∶5時(shí)包埋率達(dá)到52.4%，隨后呈下降的趨勢(shì);在芯壁材比為1∶4時(shí)包埋得率達(dá)到68.8%，隨后呈下降的趨勢(shì)，這可能是由于壁材含量過(guò)高，β－CD的分子的空腔就不能被充分利用，包埋效果反而會(huì)下降［17］。

圖1 芯壁材比對(duì)包埋效果的影響

2.1.2 包埋溫度

按照芯壁材比(mL∶g)為1∶5分別在溫度為30、40、50、60和70℃的條件下以β－CD包埋2 mL橘皮精油1.5 h，研究包埋溫度對(duì)包埋效果的影響。由圖2可知，隨著溫度升高包埋率和包埋得率逐漸增大，50℃時(shí)包埋率達(dá)到最大值64.3%，60℃時(shí)包埋得率達(dá)到最大值85.4%，隨著溫度的繼續(xù)升高包埋率和包埋得率開(kāi)始下降。溫度升高，可以促進(jìn)橘皮精油向β－CD空腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)，也能增加β－CD的通透性且降低橘皮精油的黏度，使之滲透擴(kuò)散能力增強(qiáng)，包埋效率增大。但溫度過(guò)高，精油更傾向于向β－CD空腔外運(yùn)動(dòng)，從而降低了包埋效率［17－19］。

圖2 包埋溫度對(duì)包埋效果的影響

2.1.3 包埋時(shí)間

按芯壁材比(mL∶g)為1∶5將2 mL橘皮精油在50 ℃溫度下分別包埋 0.5、1、1.5、2、2.5 h，結(jié)果(圖3)顯示，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，包埋率和包埋得率隨著包埋時(shí)間的增大而增大，在1.5 h時(shí)包埋率達(dá)到最大為58.4%，隨后呈下降趨勢(shì);在2 h時(shí)包埋得率達(dá)到最大為83.2%，隨后趨于平緩。在理論上，時(shí)間短，包埋不充分;時(shí)間越長(zhǎng)，過(guò)程越接近平衡，微膠囊化效率就會(huì)越高;但隨著包埋時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品在制備時(shí)所需的較高的溫度不利于已經(jīng)包埋好的包合物穩(wěn)定，又呈下降趨勢(shì)［19］。

圖3 包埋時(shí)間對(duì)包埋效果的影響

2.2 響應(yīng)面法確定β－CD包埋橘皮精油的最佳條件

2.2.1 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)Box－Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了3因素3水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，以芯壁材比(X1)、包埋溫度(X2)和包埋時(shí)間(X3)為自變量，以橘皮精油包埋率和包埋得率作為響應(yīng)值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 響應(yīng)面及等高線分析

用Design Expert 7.0軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到二次回歸方程響應(yīng)面圖。圖4～圖6直觀反映了各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，比較可知，壁芯材比和包埋溫度的交互作用對(duì)包埋率的影響較為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡;而壁芯材比和包埋時(shí)間以及包埋溫度和包埋時(shí)間的交互作用次之，表現(xiàn)為曲線較為平滑。

圖7～圖9直觀反映了各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，比較可知，包埋溫度和包埋時(shí)間的交互作用相比壁芯材比和包埋溫度以及壁芯材比和包埋時(shí)間的交互作用較為顯著。

2.2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Design Expert 7.0軟件對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合后得到X1、X2、X3的二次多項(xiàng)回歸模型為:

對(duì)優(yōu)化后回歸包埋率模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。包埋率模型是顯著的(P=0.021 7)。方差分析中一次項(xiàng)X1對(duì)包埋率模型影響極顯著，交互項(xiàng)X1X2對(duì)包埋率模型影響也達(dá)到顯著，二次項(xiàng)X12對(duì)包埋率模型影響極顯著，X22對(duì)包埋率模型影響也達(dá)到顯著。對(duì)優(yōu)化后回歸包埋得率模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。包埋得率模型是極顯著的(P=0.004 1)。方差分析中一次項(xiàng)X1對(duì)包埋得率模型影響極顯著，二次項(xiàng)X32對(duì)包埋得率模型影響極顯著。

表3 對(duì)精油的包埋率模型方差分析

表4 對(duì)精油的包埋得率模型方差分析

響應(yīng)面對(duì)包埋率模型分析為:芯壁材比為1∶5.42，包埋溫度為47.50 ℃，包埋時(shí)間為2 h。此條件下β－CD對(duì)橘皮精油的包埋率理論值為68.0%，包埋得率理論值為88.1%;響應(yīng)面對(duì)包埋得率模型分析為:芯壁材比為 1∶5.70，包埋溫度為 47.13 ℃，包埋時(shí)間為1.69 h，此條件下β－CD對(duì)橘皮精油的包埋率理論值為66.7%，包埋得率理論值為88.4%。可以看出2種所得包埋率和包埋得率相接近，其工藝的參數(shù)中，芯壁材比和包埋溫度比較接近?？紤]到包埋時(shí)間對(duì)包埋率的影響較小，因此選擇1.69 h為較合理的包埋時(shí)間。包埋得率模型比包埋率模型的顯著性強(qiáng)，因此，橘皮精油微膠囊制備的最佳工藝組合選擇包埋得率模型分析結(jié)果，即芯壁材比為1∶5.70，包埋溫度為47.13 ℃，包埋時(shí)間為 1.69 h。為了操作方便，橘皮精油微膠囊制備的最佳工藝組合修正為:芯壁材比為1∶5.7，包埋溫度為47℃，包埋時(shí)間為1.7 h，此條件下β－CD對(duì)橘皮精油的包埋率理論值為66.7%，包埋得率理論值為88.4%。以此工藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)得其包埋率為65.7%，包埋得率為88.5%，和理論值分別相差1.5%和0.1%，表明該模型較好，所得橘皮精油微膠囊為白色粉末，有橘皮精油清新淡雅的香味，放置一段時(shí)間由于精油的慢慢釋放，剛打開(kāi)存放容器時(shí)其香味較濃。

2.3 微膠囊的穩(wěn)定性研究結(jié)果

圖10表明，液態(tài)橘皮精油在20℃的電熱鼓風(fēng)箱中貯存24 h，其質(zhì)量損失高達(dá)97.9%，揮發(fā)損失嚴(yán)重。圖11表明，橘皮精油制備為微膠囊之后，同樣條件下，精油揮發(fā)量?jī)H為33.4%，質(zhì)量損失降低了65.9%，即便在80℃電熱鼓風(fēng)箱的惡劣條件下放置24 h，微膠囊中的精油損失也僅為41.3%，說(shuō)明橘皮精油微膠囊化之后，控釋效果明顯，穩(wěn)定性較好。同時(shí)，由圖12可知，橘皮精油微膠囊在鼓風(fēng)箱中貯存24 h，60℃和80℃分別較20℃條件下精油損失增加了10.7%和23.9%，進(jìn)一步證明了本工藝制備的橘皮精油微膠囊的穩(wěn)定性較好，同時(shí)說(shuō)明較低溫度更利于其保存和使用。

圖12 不同貯藏溫度下微膠囊的含油率

3 結(jié)論

橘皮精油微膠囊制備的最佳工藝為:芯壁材質(zhì)量比(橘皮精油∶β － 環(huán)糊精)為 1∶5.7、包埋溫度47℃、包埋時(shí)間1.7 h，此條件下β－CD對(duì)橘皮精油的包埋率為65.7%，包埋得率為88.5%。所得橘皮精油微膠囊為白色粉末，有橘皮精油清新淡雅的香味，放置一段時(shí)間由于精油的慢慢釋放，剛打開(kāi)存放容器時(shí)其香味較濃。其穩(wěn)定性研究表明，貯存期間微膠囊化后精油的揮發(fā)率明顯下降，穩(wěn)定性明顯提高，說(shuō)明所得橘皮精油微膠囊具有很好的控釋效果。

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