甲基纖維素/殼聚糖/海藻酸鈉茶樹油微膠囊的制備及穩(wěn)定性

陳 娟，尹學瓊，王旭裕，陳俊華，朱 莉

(海南大學 海南省精細化工工程技術研究中心, 海南 ?？?570228)

甲基纖維素/殼聚糖/海藻酸鈉茶樹油微膠囊的制備及穩(wěn)定性

陳 娟，尹學瓊，王旭裕，陳俊華，朱 莉

(海南大學 海南省精細化工工程技術研究中心, 海南 ?？?570228)

以甲基纖維素、殼聚糖及海藻酸鈉作為復合壁材，采用噴霧干燥法制備了茶樹精油微膠囊，確定最佳的噴霧干燥條件為：進風溫度220 ℃，通針為2 s/次，蠕動泵55r/h.以精油含量為指標，采用正交實驗法獲得微膠囊的最佳制備條件為：甲基纖維素0.6 g/100 mL H2O，茶樹精油0.4 mL, 殼聚糖0.6 g/50 mL H2O, 海藻酸鈉3 g/50 mLH2O，含油率為13.4%, 該工藝條件所得的精油微膠囊重現(xiàn)性好.其茶樹油微膠囊呈球形，表面光滑，顆粒較均勻，對精油具有較好的緩釋效果，它在空氣中存放2周后，其粒徑有所增加，且其表面出現(xiàn)細小裂紋.

茶樹油； 微膠囊； 制備； 穩(wěn)定性

茶樹油是從桃金娘科白千層屬植物中通過蒸餾提取的純天然植物精油，學名為互葉白千層油，為無色至淡黃色液體，其中約含有100種化學組分[1].茶樹油具有良好的抗真菌活性，對于治療許多創(chuàng)傷和疾病有很大幫助，如切傷、擦傷、昆蟲咬傷、粉刺、燒傷、皮膚感染及皮癬等，目前已被廣泛用于日用洗護用品及化妝品、食品、醫(yī)用、家庭清潔用品等[2].茶樹油的揮發(fā)性強，在空氣中易發(fā)生氧化反應，產生容易引起過敏的對異丙基甲苯和1,4-過氧對孟烯[3]，因此，合理貯存茶樹油對保證茶樹油的質量及安全使用至關重要.

微膠囊化是將芯材(液體、氣體或固體小微粒)包埋在壁材(通常為能形成薄膜或殼的高分子物質)里的過程，通過微膠囊技術，可實現(xiàn)液體/氣體固化、降低芯材揮發(fā)性、隔離保護活性成分、提高芯材的穩(wěn)定性以及對芯材進行緩控釋放[4].自上世紀50年代至今，微膠囊技術已在醫(yī)藥、農藥、食品、日化、紡織、化妝品等諸多領域獲得廣泛應用，微膠囊技術也已廣泛用于精油的保護與緩釋[5].精油微膠囊的制備及緩釋效果已有較多報道，但對精油微膠囊的貯存穩(wěn)定性還鮮有報道[6-7].由于精油為酯溶性物質，在精油微膠囊的制備中，為了形成穩(wěn)定的乳液，通常需添加表面活性劑，如Tween、Span等，增加精油與壁材的相容性[8].使用表面活性劑不僅使微膠囊制備工藝更復雜，還對精油品質及安全性存在潛在危害，選用合適的壁材以避免表面活性劑的使用，將擴大精油微膠囊的應用領域.此外，壁材的環(huán)境穩(wěn)定性對精油微膠囊的穩(wěn)定及安全性也具有重要影響.

本文選用兩親性甲基纖維素為微膠囊內壁以增加精油與壁材的相容性，以天然高分子多糖殼聚糖和海藻酸鈉為外壁制備復合型微膠囊，采用噴霧干燥法制備茶樹油微膠囊，研究了微膠囊的最佳噴霧干燥條件和微膠囊的最佳制備條件，并通過形貌表征、粒度分析及含油量測試對茶樹油微膠囊的貯存穩(wěn)定性進行了研究.

1 材料和設備

1.1 材料茶樹油，非凡精油廠；甲基纖維素(粘度400mPa·s)，阿拉丁試劑(上海)有限公司；殼聚糖，濟南海德貝海洋生物工程有限公司；無水乙醇，廣州化學試劑廠.

1.2 設 備AL204電子天平：賽多利斯科學儀器(北京)有限公司；JJ-1型機械攪拌器：上海機械儀器公司；FJ200-S均質機：杭州精細設備廠；YC-015型噴霧干燥器：上海雅程儀器設備有限公司；Lambda 750s紫外-近紅外可見分光光度計：美國PE公司；S-3000N掃描電子顯微鏡：日本日立公司；Zetasizer Nano S90激光粒度和Zeta電位分析儀：英國馬爾文儀器有限公司.

2 實 驗

2.1 噴霧干燥法制備茶樹精油微膠囊稱取0.4 g甲基纖維素溶于100 mL的去離子水中(表示為0.4 g/100 mL H2O，其余類同)，待攪拌均勻后進行均質(10 000 r/min，10 min)，在均質的過程中緩慢滴加入茶樹精油；將0.3 g的殼聚糖溶解于50 mL水溶液中，攪拌均勻后均質(10 000 r/min，10 min)，均質后緩慢滴加至上述甲基纖維素-茶樹精油混合液中；最后將3.0 g的海藻酸鈉溶解于50 mL去離子水中，攪拌均勻后進行均質(10 000 r/min，10 min)，均質完成后滴加入精油-甲基纖維素-殼聚糖的混合溶液中.將所制得的上述混合液在預先調試好的條件下進行噴霧干燥，噴霧干燥產物即為茶樹油微膠囊.

2.2 茶樹精油微膠囊中精油含量的測定[9]

2.2.1 紫外標準曲線的繪制 準確稱取0.2 g的茶樹精油置于50 mL的容量瓶中，用無水乙醇稀釋并定容至刻度搖勻.分別量取此標準溶液1，2，3，4，5，6 mL，加入到10 mL容量瓶中，用無水乙醇定容至刻度線后搖勻，并在最大吸收峰264 nm處讀取不同濃度的吸光度值.以濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制標準曲線，得線性回歸方程：y=503.7x-0.232，R2=0.999.

2.2.2 微膠囊含油量的測定 稱取一定量的精油微膠囊放入20 mL無水乙醇中，超聲1 h后抽濾，并用20 mL無水乙醇洗滌，再使用10 mL的無水乙醇洗滌之后進行抽濾.測試濾液的吸光度，通過紫外標準曲線計算其含油量.

其中：y—所測吸光度；b—-0.232；k—503.7；x—精油微膠囊的質量.

2.3 茶樹精油微膠囊形貌及粒徑分布[10]茶樹油微膠囊的粒徑分布采用激光粒度儀進行測試.測試方法為：稱取50mg茶樹精油微膠囊，并將其分散于4mL的無水乙醇中，超聲1h后進行測試.測試條件為：取上述溶液1mL置于可拋棄型石英四通光比色皿；平衡時間為60s；每個樣品測試兩次；測試溫度為室溫.

采用掃描電鏡(S-3000N掃描電子顯微鏡)觀察茶樹油微膠囊的表面形貌，將制備好的精油微膠囊用雙面膠粘貼于樣品臺上后進行噴金.噴金條件：抽真空至壓力小于10Pa，并持續(xù)3～4min；控制電流量在15mA以上；噴金時間為120s.掃描電鏡條件為：電壓為10kV，樣品放置高度為15mm.

3 結果與討論

3.1 噴霧干燥的最優(yōu)化條件本文采用甲基纖維素-殼聚糖-海藻酸鈉為壁材，茶樹油為芯材，通過噴霧干燥法制備茶樹油微膠囊.針對甲基纖維素0.4g/100mLH2O，茶樹精油0.4mL, 殼聚糖0.6g/50mLH2O, 海藻酸鈉3.0g/50mLH2O體系，通過調節(jié)噴霧干燥器的操作條件(包括進風溫度、通針速率、蠕動泵速率)，觀察噴霧干燥器干燥室內料液霧化情況、底部接受瓶中是否有料液以及產品接受瓶中所得微膠囊是否干燥等，確定本體系的最佳噴霧干燥條件.多次調試，調試結果如表1所示.

表1 噴霧干燥條件與對噴霧效果的影響結果

從表1可見，噴霧干燥條件對微膠囊的干燥效果具有重要影響，當溫度過低時，霧化不完全，易形成液滴；當通針速率過快時，一次進入霧化室的液體過多，霧化不完全，易形成液滴；蠕動泵進樣過快時，進入噴嘴的乳液過多，乳液未完全霧化，易形成液滴.當噴霧干燥條件為：進風溫度210 ℃、通針為2s/次，蠕動泵為55r/min以及進風溫度215 ℃、通針為2s/次，蠕動泵為55r/min時，進樣完全.但是當進風溫度越高，噴霧干燥時揮發(fā)的精油量越多.因此，實驗時選擇的噴霧干燥條件為：進風溫度210 ℃、通針為2s/次，蠕動泵為55r/min.

3.2 精油微膠囊的重現(xiàn)性實驗采用甲基纖維素0.4g/100mLH2O，茶樹精油0.4mL, 殼聚糖0.6g/50mLH2O, 海藻酸鈉3.0g/50mLH2O配方體系，將該配方重復進行3次實驗(如表2)，對比含油率，可見含油率差異很小，說明該實驗方案重復性較好，噴霧干燥法實驗較為穩(wěn)定，可行性高.

表2 精油微膠囊重現(xiàn)性實驗結果

3.3 正交實驗方案與數(shù)值計算結果[11]在前期實驗基礎上，采用正交實驗確定最佳精油微膠囊制備條件，選擇甲基纖維素(0.2g，0.4g，0.6g)、殼聚糖(0.3g，0.6g，0.9g)和海藻酸鈉(2.8g，3g，3.2g)這三個因素為考察因素，每個因素選擇3個水平，采用(L933)正交實驗，正交實驗因素水平表如表3所示，正交實驗結果如表4所示.

表3 正交實驗因素水平表

表4 正交實驗結果

續(xù)表

由表4可知，甲基纖維素用量對微膠囊的含油量影響較大，各因素作用的主次順序依次為甲基纖維素>海藻酸鈉>殼聚糖.由此可見，在形成精油微膠囊時所采用的甲基纖維素對含油量影響最大，當甲基纖維素用量合適時，對精油增容效果明顯，可將更多精油包埋在甲基纖維素膜內部[12].海藻酸鈉和殼聚糖在甲基纖維素外部，起到進一步保護作用，殼聚糖通過氫鍵作用與甲基纖維素形成復合膜，海藻酸鈉的羧基再與殼聚糖的氨基通過靜電作用形成精油微膠囊最外層，海藻酸鈉和殼聚糖合適的配比有利于形成穩(wěn)定的膜結構，因此，本實驗條件下茶樹油微膠囊的最佳制備條件為：甲基纖維素0.6g/100mLH2O，茶樹精油0.4mL, 殼聚糖0.6g/50mLH2O, 海藻酸鈉3g/50mLH2O體系，所得微膠囊含油率為13.4%.

圖1 茶樹精油微膠囊掃描電鏡圖片

3.4 茶樹油微膠囊的結構表征圖1是當甲基纖維素0.2g/100mLH2O，茶樹精油0.4mL, 殼聚糖0.3g/50mLH2O, 海藻酸鈉2.8g/50mLH2O時，噴霧干燥所制的茶樹油微膠囊的掃描電鏡圖，其中圖(a)和(b)為剛制備好的茶樹油微膠囊，圖(c)和(d)是在常溫環(huán)境中放置2周之后的精油微膠囊.從圖1可以看出，a、b兩種茶樹油微膠囊均呈球形且表面光滑，有部分顆粒因干燥過程中水分快速揮發(fā)出現(xiàn)凹陷，b樣品中的細小顆粒間有少許團聚產生[13].從圖c、d可以看出，在常溫環(huán)境中放置2周后精油微膠囊表面均出現(xiàn)細小裂紋，但沒有明顯的破裂現(xiàn)象產生[14].由于外層壁材為親水性海藻酸鈉和殼聚糖，貯存中吸收水分會導致壁材溶脹，使微膠囊表面出現(xiàn)裂紋.

將上述微膠囊在空氣環(huán)境中放置兩周，其單位含油量由9.3%下降至8.6%，含油率的下降率約為7.3%，而將茶樹油密封放置于空氣環(huán)境中時，5h后精油已完全揮發(fā).在微膠囊化后，精油被包裹在壁材形成的高分子膜中，精油通過擴散滲透穿過壁材，實現(xiàn)對精油的緩慢釋效[15].在放置兩周后，精油含量下降率達7.3%，這對精油長期存放仍然是一個挑戰(zhàn)，降低外層壁材的親水性以及嚴格控制貯存環(huán)境的濕度，可減少環(huán)境對高分子膜孔隙的影響，降低釋放率.

3.5 精油微膠囊的粒徑分析

表5 微膠囊的平均粒徑 nm

采用激光粒度儀對正交實驗制備的微膠囊(即表4中的1～9組別微膠囊)進行粒徑分析，包括剛制備好時的茶樹油微膠囊以及在常溫空氣中放置兩周后的茶樹油微膠囊，結果如表5所示.由表5可見，新制備的精油微膠囊粒徑分布較為均勻，粒徑分布范圍在400～600nm之間.放置兩周后，精油微膠囊的粒徑均有所變大，約增加了8～42nm.海藻酸納和殼聚糖均為天然高分子多糖，具有良好親水性，在貯存過程中會吸附空氣的水分，導致微膠囊溶脹、粒徑變大，此結果與掃描電鏡觀察到的現(xiàn)象一致.

4 結 論

本文以甲基纖維素為精油增容劑及內壁，通過噴霧干燥制備了甲基纖維素/殼聚糖/海藻酸鈉茶樹油微膠囊，確定了最佳微膠囊制備條件(甲基纖維素0.6g/100mLH2O，茶樹精油0.4mL, 殼聚糖0.6g/50mLH2O, 海藻酸鈉3g/50mLH2O)及噴霧干燥條件(進風溫度210 ℃，通針為2s/次，蠕動泵55r/h).所得茶樹油微膠囊顆粒較均勻，表面光滑，賦有茶樹油香味，微膠囊對茶樹油存在一定緩釋作用.甲基纖維素的兩親性避免了小分子表面活性劑的使用，增加了精油微膠囊的安全性，簡化了微膠囊制備工藝.外層壁材的親水性對微膠囊的貯存穩(wěn)定性具有重要影響，降低外層壁材的親水性以及環(huán)境濕度將有助于延長精油微膠囊的保質期.

[1]KwiecińskiJ,EickS,WójcikK.Effectsofteatree(Melaleuca alternifolia)oilonStaphylococcusaureusinbiofilmsandstationarygrowthphase[J].InternationalJournalofAntimicrobialAgents, 2009, 33(4): 343-347.

[2] 靜瑋, 蘇子鵬, 朱德明, 等. 茶樹油熏蒸處理對香蕉采后炭疽病害的影響[J]. 農業(yè)工程學報, 2011, 27(5): 378-384.

[3] 李娟, 李小瑞. 茶樹油的性質及其應用[J]. 日用化學工業(yè), 2003, 33(5): 323-325.

[4]GoshK.Functionalcoatingsandmicroencapsulation:ageneralperspective[J].Ch, 2006, 1:12.

[5]PothaKamuryUR,Barbosa-CánovasGV.Fundamentalaspectsofcontrolledreleaseinfoods[J].TrendsinFoodScience&Technology, 1995, 6(12): 397-406.

[6]SmithRL,CohenSM,DoullJ,etal.Aprocedureforthesafetyevaluationofnaturalflavorcomplexesusedasingredientsinfood:essentialoils[J].FoodandChemicalToxicology, 2005, 43(3): 345-363.

[7]ReinecciusGA.FlavorEncapsulation[J].FoodReviewsInternational, 1989, 5(2): 147-176.

[8]Microencapsulation:methodsandindustrialapplications[M].CRCPress, 2005.

[9] 周凌華,張灝,鄭小平，等.共軛亞油酸紫外檢測方法的研究[J].乳業(yè)科學與技術,2007,30(5):267-270.

[10]AnwarSH,KunzB.Theinfluenceofdryingmethodsonthestabilizationoffishoilmicrocapsules:comparisonofspraygranulation,spraydrying,andfreezedrying[J].JournalofFoodEngineering, 2011, 105(2): 367-378.

[11] 周雪晴, 馮玉紅, 謝艷麗, 等. 超臨界CO2萃取-反相高效液相色譜測定海南對蝦殼中蝦青素的含量[J]. 海南大學學報(自然科學版), 2011, 29(1): 29-32.

[12]PalD,NayakAK.Development,optimization,andanti-diabeticactivityofgliclazide-loadedalginate-methylcellulosemucoadhesivemicrocapsules[J].AAPSPharmSciTech, 2011, 12(4): 1 431-1 441.

[13]HuiCL,WangWY,KanCW,etal.Preparationandcharacterizationofchitosan/sodiumalginate(CSA)microcapsulecontainingCortexMoutan[J].ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects, 2013, 434: 95-101.

[14]Guadarrama-LezamaAY,Dorantes-AlvarezL,Jaramillo-FloresME,etal.Preparationandcharacterizationofnon-aqueousextractsfromchilli(Capsicum annuumL.)andtheirmicroencapsulatesobtainedbyspray-drying[J].JournalofFoodEngineering, 2012, 112(1): 29-37.

[15]PothakamuryUR,Barbosa-CánovasGV.Fundamentalaspectsofcontrolledreleaseinfoods[J].TrendsinFoodScience&Technology, 1995, 6(12): 397-406.

Preparation and Stability of Tea Tree Oil Microcapsules Encapsulated by Methyl Cellulose/chitosan/alginate

Chen Juan, Yin Xueqiong, Wang Xuyu, Chen Junhua, Zhu Li

(Hainan Key Provincial Research Center of Fine Chemical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, methylcellulose, chitosan, and alginate were used as the wall materials and the spray drying method was performed to prepare the tea tree oil microcapsules. The optimized spray drying conditions were as follows: air inlet temperature 210℃, needling frequency 2s, pump flow rate 55r/h. The orthogonal experiments were performed to obtain the best preparation conditions, which were as follows: methyl cellulose 0.6g in 100mL H2O, 0.4mL tea tree oil, chitosan 0.6g in 50mL H2O, alginate 3g in 50mL H2O, and the highest oil content of microcapsules, 13.4%. The reproducibility of this technology was good. The microcapsules were spherical, and with smooth surface and relatively even diameters. Tea tree oil could be delayed released in the microcapsules. After being stored under room temperature in air for two weeks, small cracks appeared on the surface of the microcapsules and the diameter increased a little.

tea tree oil; microcapsules; preparation; stability

2015-03-02

國家自然科學基金(21466011)

陳娟(1988-)，女，江蘇泰興人，海南大學材料與化工學院2012級碩士研究生，E-mail：496131642@qq.com

尹學瓊(1975-)，女，四川射洪人，博士生導師，研究方向：生物資源的開發(fā)與利用，教授，E-mail:yxq@hainu.edu.cn

1004-1729(2015)04-0359-06

TS 653

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0063