檸檬精油β－環(huán)糊精微膠囊制備工藝的優(yōu)化

付羅莎

(渭南師范學(xué)院，陜西 渭南714099)

精油產(chǎn)自芳香植物，一般可從植物的花、莖、葉中提取得到。精油不但具有芳香功能，能夠舒緩人的神經(jīng)系統(tǒng)，有些精油還可以作為藥物對一些疾病起到治療的作用。檸檬精油是柑橘類精油里除臭效果最好的一種精油，主要成分是檸檬烯［1］，并且具有一定的抗菌性。但是因其極易揮發(fā)，致使應(yīng)用受到很大限制，因此對精油進(jìn)行微膠囊化，可以延緩釋放時(shí)間，從而使其發(fā)揮更好的作用。

微膠囊化始于20世紀(jì)30年代，是指將固體、液體或氣體用天然或合成的高分子化合物包覆起來而不改變被包覆物原有的化學(xué)性質(zhì)。通過物理機(jī)械作用使壁材破裂，從而讓芯材再次呈現(xiàn)出來發(fā)揮其應(yīng)有的作用。β－環(huán)糊精生物兼容性好并且無毒副作用［2］，其特殊的空腔結(jié)構(gòu)和性質(zhì)能夠與一系列的有機(jī)物，如精油、色素、維生素等形成絡(luò)合物［3］。將β－環(huán)糊精包覆檸檬精油，不僅能夠利用其自身的結(jié)構(gòu)吸附臭味氣體，還可以有效地控制精油的揮發(fā)達(dá)到芳香抗菌的目的，從而為精油在紡織品行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)造條件。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

藥品:β－環(huán)糊精(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，化學(xué)純);檸檬精油(廣東卓之悅香精香料有限公司);無水乙醇(天津市富宇精細(xì)化工有限公司，分析純)。

儀器:BS2202S型電子天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司);DF－101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司);SHB－III型循環(huán)水式多用真空泵(上?？坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司);GZX－9070MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠);UV－5200型號的紫外可見分光光度計(jì)(上海元析儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

以β－環(huán)糊精為壁材、檸檬精油為芯材，采用包埋法來制備檸檬精油β－環(huán)糊精微膠囊［4］。在室溫條件下稱取一定量的β－環(huán)糊精，將其溶解在定量的去離子水中并充分?jǐn)嚢?，制備成飽和的環(huán)糊精水溶液。再稱取少量檸檬精油，按一定比例將它溶解在酒精中。將溶解好的精油勻速地緩緩倒入環(huán)糊精飽和溶液中，在45℃左右溫度下對其進(jìn)行攪拌。4 h左右將其取出，冷至室溫后，將其放入5℃的冰箱中靜置24 h。取出后對其進(jìn)行真空抽濾，用50℃干燥箱烘干至恒重，得到的白色粉末狀物質(zhì)即為檸檬精油微膠囊。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素結(jié)果分析

2．1．1 芯壁比對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

(1)芯壁比對包埋率和產(chǎn)率的影響

表1 不同芯壁質(zhì)量比下微膠囊的包埋率和產(chǎn)率

由表1可知，不同的芯壁比對微膠囊的包埋結(jié)果是有一定影響的。微膠囊的芯壁比在1∶10時(shí)，其包埋率和產(chǎn)率最好，分別為76．51%、63．29%。當(dāng)芯壁比小于1∶10時(shí)，微膠囊的包埋率隨壁材的增加而增加。當(dāng)芯壁比超過1∶10時(shí)，微膠囊的包埋率開始下降。這很有可能是因?yàn)楫?dāng)β－環(huán)糊精的用量過高時(shí)，芯材與壁材的比例失衡，檸檬精油不足以填滿其空腔結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致其包埋率下降［5－8］。同時(shí)，隨著包埋率的下降，微膠囊的產(chǎn)率也受到一定影響。當(dāng)芯壁比大于1∶10時(shí)，由于很多精油未被環(huán)糊精包埋，所以，產(chǎn)率開始下降。

(2)不同芯壁比對微膠囊粒徑分布的影響

不同的芯壁比對微膠囊粒徑的分布也有一定的影響。制備微膠囊的芯壁比為1∶4時(shí)，粒徑分布在10～100 μm之間，分布較差，粒徑在0～10 μm之內(nèi)的微膠囊占10%;當(dāng)芯壁比為1∶7時(shí)，粒徑在10 μm以內(nèi)的微膠囊?guī)缀鯖]有。原因可能是當(dāng)壁材較少時(shí)，精油不能被完全包埋，而環(huán)糊精是很難溶于有機(jī)溶劑的［9］，在乙醇與水的共混體系中分散程度較差，壁材易團(tuán)聚，因此，制備出的微膠囊粒徑較大。當(dāng)芯壁比為1∶10時(shí)，粒徑分布非常均勻，粒徑在10 μm以內(nèi)的微膠囊占90%;當(dāng)芯壁比為1∶13時(shí)，微膠囊粒徑分布較佳，粒徑在10 μm以內(nèi)的微膠囊占90%，但是粒徑大小相對芯壁比為1∶10時(shí)，制備出的微膠囊整體上要稍大些。當(dāng)芯壁比為1∶16時(shí)，粒徑大小在10 μm以內(nèi)的微膠囊占60%，原因可能是因?yàn)榄h(huán)糊精過量，在包埋過程中存在一些未包覆精油的壁材，這些壁材在乙醇與水的共混體系中分散性降低，環(huán)糊精團(tuán)聚導(dǎo)致制備出微膠囊的粒徑分布不均勻。因此，當(dāng)微膠囊的芯壁比為1∶10時(shí)，粒徑分布較好。

2．1．2 乙醇與精油的體積比對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

(1)乙醇與精油的體積比對包埋率和產(chǎn)率的影響

表2 不同精油與乙醇的體積比下微膠囊的包埋率和產(chǎn)率

由表2可知，當(dāng)乙醇與精油的體積比為20∶1時(shí)，微膠囊的包埋效果最好，產(chǎn)率最高。也就是1 mL的精油在20 mL酒精中溶解程度達(dá)到最高，從而提高了精油的包埋率。而當(dāng)乙醇與精油的體積比大于或低于20∶1時(shí)，微膠囊的包埋效果逐漸降低。原因可能是因?yàn)楫?dāng)酒精的用量小于20 mL時(shí)，存在沒有溶解于乙醇中的精油，在微膠囊的制備過程中，精油分子會因不能在水與乙醇共混的連續(xù)相中很好分散而不能被環(huán)糊精很好地包覆，從而導(dǎo)致微膠囊的包埋率和產(chǎn)率降低。而當(dāng)酒精的用量大于20 mL時(shí)，精油的濃度較低，同時(shí)，β－環(huán)糊精在酒精與水溶液中的分散程度降低，導(dǎo)致包埋效果不是很好。這與楊波等人對苯乙醇香精包埋率的研究相一致［9］。因此，乙醇與精油的體積比大約在10∶1時(shí)，微膠囊的粒徑分布較好。

(2)乙醇與精油的體積比對微膠囊粒徑分布的影響

乙醇與精油的體積比對微膠囊粒徑的分布也是有很大影響的。當(dāng)乙醇與精油的體積比為10∶1時(shí)，芳香微膠囊的粒徑較小并且均一性好，粒徑在10 μm以內(nèi)的占90%以上。當(dāng)乙醇與精油的體積比為20∶1時(shí)，粒徑均一性不好，而且粒徑較大，粒徑在0～10 μm之內(nèi)的微膠囊占86%。原因是此環(huán)境下影響微膠囊顆粒大小的因素主要是環(huán)糊精在乙醇與水共混體系中的分散程度。此時(shí)乙醇的量已經(jīng)過多，而環(huán)糊精是不溶于乙醇的，因此，制備出的微膠囊的顆粒大小不一，一致性不好。同理，當(dāng)乙醇與精油的體積比為30∶1時(shí)，10 μm以下的微膠囊占60%，可能是因?yàn)榄h(huán)糊精在乙醇與水的混合溶液中分散程度降低，導(dǎo)致粒徑范圍變大而致。繼續(xù)增加乙醇的用量，當(dāng)乙醇與精油的體積比為40∶1、50∶1時(shí)，粒徑在10 μm以內(nèi)的微膠囊分別占80%和48%。原因可能是未分散在混合體系中的環(huán)糊精增加，分散性下降，因此制備出的微膠囊粒徑變大。綜合分析比較，確定將乙醇與精油的體積比定為10∶1。

2．1．3 包埋溫度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

(1)包埋溫度對微膠囊產(chǎn)率和包埋率的影響

表3 不同包埋溫度下微膠囊的包埋率和產(chǎn)率

從表3中可以看出，溫度對包埋結(jié)果也有一定的影響。包埋率及產(chǎn)率在低于50℃時(shí)隨溫度的升高而增加。在50℃時(shí)的包埋效果最好。原因可能是由于溫度過低，環(huán)糊精在水及酒精溶液中的分散程度較小，很難有較多分子狀態(tài)的β－環(huán)糊精與檸檬精油進(jìn)行包埋。其次，精油分子運(yùn)動(dòng)不劇烈，導(dǎo)致精油分子不能很好地進(jìn)入β－環(huán)糊精的空腔內(nèi)，所以環(huán)糊精微膠囊的包埋率較低。溫度在50℃左右時(shí)，溶液連續(xù)相的流動(dòng)性較好，使得環(huán)糊精在連續(xù)相中的分散程度增加。而溫度過高，精油則易揮發(fā)，大量的精油會損失，不能被壁材包住，同時(shí)，溫度過高不易使包埋過程向正方向進(jìn)行［10］，使得微膠囊的產(chǎn)率和包埋率同時(shí)下降。因此，綜合分析，最合適的包埋溫度為50℃。

(2)包埋溫度對環(huán)糊精微膠囊粒徑分布的影響

不同溫度對微膠囊粒徑的大小及分布的均一性有很大的影響。包埋溫度為30℃時(shí)，環(huán)糊精在共混體系中的分散程度較低，因此環(huán)糊精易團(tuán)聚，粒徑在10 μm以下的微膠囊?guī)缀鯖]有。隨著溫度的增加，當(dāng)包埋溫度在40℃左右時(shí)，粒徑較小，分布均一，10 μm以下粒徑的微膠囊占62%，原因可能是因?yàn)殡S著溫度的增加，體系中連續(xù)相的流動(dòng)性增加，環(huán)糊精與精油在體系中的分散性隨之增加，所以制備出的微膠囊分布均一性較好。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到50℃時(shí)，芳香微膠囊的粒徑在10 μm以下，分布情況最佳。但當(dāng)溫度高達(dá)60℃、70℃時(shí)，微膠囊的粒徑變大，粒徑在100 μm左右，可能是因?yàn)闇囟冗^高，導(dǎo)致精油、水的大量揮發(fā)，而水、乙醇、精油共混溶液也大大減少了環(huán)糊精的分散性，導(dǎo)致環(huán)糊精大量團(tuán)聚，因此制備出的微膠囊粒徑變大。綜上所述，包埋溫度為50℃左右時(shí)，微膠囊粒徑較小，分散均一性良好。

2．1．4 包埋時(shí)間對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

由表4可知，包埋時(shí)間對包埋效果也有明顯的影響。包埋時(shí)間為5 h時(shí)，包埋率和產(chǎn)率最高，分別為72．53%和60．18%。包埋時(shí)間若低于5 h，溶液中的連續(xù)相沒有足夠的時(shí)間流動(dòng)，導(dǎo)致環(huán)糊精很難較好地分散在共混溶液中，因此，芳香精油不能充分被環(huán)糊精包覆，導(dǎo)致包埋效果降低。同時(shí)，攪拌能夠提高精油在共混溶液中的分散程度［11］，也可以減小芯材粒度的大小，能夠使檸檬精油更容易進(jìn)入環(huán)糊精空腔內(nèi)，并且隨著時(shí)間的延長，包埋過程越接近于平衡［12］，即攪拌時(shí)間過短，包埋過程不能徹底進(jìn)行，但若時(shí)間過長，會造成精油的揮發(fā)，同時(shí)，很有可能使已經(jīng)完成包埋的包埋物脫離包埋狀態(tài)，這同樣導(dǎo)致微膠囊的產(chǎn)率和包埋率下降。因此，綜合考慮，將包埋時(shí)間定為5 h。

表4 不同包埋時(shí)間下微膠囊的包埋率和產(chǎn)率

不同的包埋時(shí)間也影響著微膠囊粒徑的分布情況。當(dāng)包埋時(shí)間為1 h時(shí)，粒徑分布不均勻，10 μm以下粒徑的微膠囊占78%。原因可能是因?yàn)榘駮r(shí)間過短，精油沒有充分被環(huán)糊精包埋，同時(shí)，共混體系的連續(xù)相流動(dòng)性較低，環(huán)糊精在乙醇與水的共混體系中分散程度降低，所以導(dǎo)致制備的微膠囊分布情況不好。芳香微膠囊的粒徑隨著包埋時(shí)間的增加，分布逐漸穩(wěn)定。當(dāng)包埋時(shí)間為3 h和5 h時(shí)，微膠囊粒徑的分布幾乎一致，10 μm以下粒徑分別占85%、83%。但當(dāng)時(shí)間為7 h時(shí)，10 μm以內(nèi)粒徑的微膠囊占80．5%，整體粒徑稍微偏大。包埋時(shí)間為9 h時(shí)，粒徑在10 μm以下的占70%，微膠囊粒徑顆粒較大。原因可能是時(shí)間過長，精油易揮發(fā)，環(huán)糊精在乙醇與水的共混體系中分散程度降低。從時(shí)間和物質(zhì)損耗等方面綜合考慮，芳香微膠囊的包埋時(shí)間選為5 h。

2．1．5 攪拌時(shí)間對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

(1)攪拌速度對包埋率及產(chǎn)率的影響

表5 不同攪拌速度下微膠囊的包埋率和產(chǎn)率

表5中的結(jié)果顯示，攪拌速率也會對β－環(huán)糊精的包埋形成一定的影響。環(huán)糊精的空洞體積大約有2．6×10－8cm3。精油分子即使與壁材分子尺寸相配也要有外力才能使之進(jìn)入壁材［12］。因此，理論上講，攪拌速率越高，溶液連續(xù)相流動(dòng)程度就會越好，精油和環(huán)糊精的分散性就會隨之越好。力度越大，微膠囊的包埋效果就會越好。由表5可知:當(dāng)攪拌速度低于1 000 r/min時(shí)，攪拌速度越快，分散相即精油與環(huán)糊精分子越容易分散在流動(dòng)相中，因此微膠囊的產(chǎn)率、包埋率也就越高。但是當(dāng)攪拌速度大于1 000 r/min時(shí)，環(huán)糊精對精油的包埋率隨攪拌速度的增大而逐漸減小，原因可能是因?yàn)楫?dāng)攪拌速度過高時(shí)，精油的揮發(fā)量增加，同時(shí)環(huán)糊精也易分解［13］，因此制備的微膠囊的包埋率和產(chǎn)率都會下降。所以，當(dāng)攪拌速度為1 000 r/min左右時(shí)，微膠囊的包埋率相對較好。

(2)攪拌速度對微膠囊粒徑分布的影響

通過試驗(yàn)可以得出，當(dāng)攪拌速度為400 r/min時(shí)，微膠囊粒徑較大，粒徑在10 μ以下的占10%。原因可能是攪拌速度較慢時(shí)，環(huán)糊精微膠囊在水中的溶解程度較低，顆粒沒有被很好地分散開，檸檬精油也沒有被環(huán)糊精較好地包覆，同時(shí)較低的攪拌速度不能使微膠囊很好地分散在水中，導(dǎo)致環(huán)糊精團(tuán)聚，因此制成的微膠囊粒徑較大。當(dāng)攪拌速度增加到700 r/min時(shí)，微膠囊整體粒徑變小，粒徑在10 μm以下的微膠囊占29．75%;攪拌速度在1 000 r/min和1 300 r/min時(shí)，粒徑分布情況基本相同。10 μm以下的微膠囊占85%、83%。當(dāng)攪拌速度繼續(xù)增大到1 600 r/min時(shí)，粒徑在10 μm以下的微膠囊占73%，但是微膠囊粒徑分布不均勻。出現(xiàn)以上現(xiàn)象可能是因?yàn)樘岣邤嚢杷俣群螅B續(xù)相流動(dòng)性增加，黏度降低，增大了微膠囊在乙醇與水共混體系中的分散程度，使得微膠囊在連續(xù)相中團(tuán)聚程度減小，因此微膠囊的粒徑變小。當(dāng)繼續(xù)增大攪拌速度時(shí)，微膠囊出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這是因?yàn)榫蛽]發(fā)量增大，再一次導(dǎo)致一些環(huán)糊精的分散程度減小，分散相團(tuán)聚，使微膠囊的分布不均勻所致。因此，選擇的攪拌速度為1 000 r/min。

2.2 檸檬精油微膠囊制備工藝正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，得到了不同實(shí)驗(yàn)因素的最適水平，再以芯壁比、乙醇與精油的體積比、包埋溫度、包埋時(shí)間、攪拌速度為制備工藝的5個(gè)因素為條件，通過正交試驗(yàn)，可以得到檸檬精油β－環(huán)糊精微膠囊的最佳制備工藝(見表6)。因此，通過對得到的微膠囊產(chǎn)率、包埋率以及粒徑的分布情況進(jìn)行綜合分析，最終確定制備β－環(huán)糊精檸檬精油微膠囊的最佳工藝條件為:

A3芯壁比為1∶10;B2乙醇與精油的體積比為10∶1;C1包埋溫度為40℃;D2包埋時(shí)間為3 h;E1攪拌速度為900 r/min。

表6 正交試驗(yàn)因素和水平

3 結(jié)語

在單因素的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用正交試驗(yàn)得到了檸檬精油β－環(huán)糊精微膠囊的最佳制備工藝。在反應(yīng)過程中，包埋溫度和芯壁比對微膠囊的包埋效果有顯著影響。溫度太高，會導(dǎo)致精油的揮發(fā)和環(huán)糊精的分解，包埋率和產(chǎn)率就會降低。芯壁比大于1∶10時(shí)，精油不足以填滿其空腔結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致其包埋率下降。綜合分析，檸檬精油β－環(huán)糊精微膠囊的最佳制備工藝為芯壁比為1∶10，乙醇與精油的體積比為10∶1，包埋溫度為40℃，包埋時(shí)間為3 h，攪拌速度為900 r/min。

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