噴霧干燥法制備山蒼子油微膠囊的研究

付紅軍

彭湘蓮1,2

鐘海雁1,2

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004)

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噴霧干燥法制備山蒼子油微膠囊的研究

付紅軍1,2

彭湘蓮1,2

鐘海雁1,2

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 稻谷及副產(chǎn)物深加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004)

采用噴霧干燥法制備山蒼子油微膠囊，探討不同壁材對(duì)乳液穩(wěn)定性和山蒼子油微膠囊表面形貌的影響，并優(yōu)化山蒼子油微膠囊的制備工藝。掃描電子顯微鏡觀測(cè)結(jié)果表明，以羥丙基-β-環(huán)糊精/阿拉伯膠(HP-β-CD/AG)為壁材制備的山蒼子油微膠囊為顆粒大小均勻、流動(dòng)性好的圓球形，其他壁材制備的山蒼子油微膠囊出現(xiàn)凹陷、皺縮和聚集現(xiàn)象。制備山蒼子油微膠囊的優(yōu)化工藝條件為：WHP-β-CD/AG∶WLCO6.0，進(jìn)料流量3.10 mL/min，進(jìn)風(fēng)溫度171.0 ℃，該條件下山蒼子油包埋率為83.80%，包埋率與3個(gè)因素之間的二次多項(xiàng)回歸模型合理可靠。

山蒼子油；噴霧干燥；微膠囊；表面形貌

山蒼子油是從山蒼子果實(shí)中提取的植物精油，具有檸檬香氣，可直接用于日化香精和食用香精，同時(shí)具有抗菌[1-2]、抗氧化[3]和驅(qū)避昆蟲[4-5]等多種生物活性，在食品和醫(yī)藥工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，山蒼子油易揮發(fā)，不溶于水以及貯存過程中容易變質(zhì)等缺陷限制了其應(yīng)用。因此，將山蒼子油微膠囊化，提高其穩(wěn)定性、水溶性以及有效控制香氣釋放，對(duì)于山蒼子油的高附加值產(chǎn)品開發(fā)十分必要。

微膠囊化是利用天然或合成的高分子材料包覆固體、液體或氣體物質(zhì)制成有囊壁的微型膠囊的技術(shù)，目的在于保持物質(zhì)原有的色香味和生物活性，防止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)的破壞和損失以及控釋。微膠囊化的主要方法有乳液噴霧干燥法[6-7]、包合法[8]和復(fù)凝膠法[9]等。噴霧干燥法是乳化液被霧化成微細(xì)液滴分散在高溫?zé)釟饬髦忻撍稍?，微?xì)液滴水分迅速蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)成膜和干燥，該方法具有成本低廉，工藝簡單，易于產(chǎn)業(yè)化的特點(diǎn)，在植物精油的微膠囊制備方面具有良好的應(yīng)用前景。陳根洪等[10]以β-環(huán)糊精為壁材，采用飽和水溶液法制備了山蒼子油微膠囊，該研究采用單一壁材對(duì)山蒼子油進(jìn)行包埋，未考察壁材對(duì)微膠囊的表面形貌的影響。目前中國未見噴霧干燥法制備山蒼子油微膠囊，并考察壁材對(duì)微膠囊表面形貌影響的研究報(bào)道。

本研究擬采用噴霧干燥法制備山蒼子油微膠囊，探討不同壁材對(duì)山蒼子油微膠囊表面形貌的影響，并以包埋率為考察指標(biāo)，優(yōu)化山蒼子油微膠囊的制備工藝，以期為山蒼子油微膠囊制備及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

山蒼子油(LCO)：湘西自治州產(chǎn)山蒼子果實(shí)，采用水蒸氣蒸餾法提取；

β-環(huán)糊精(β-CD)：分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；

羥丙基β-環(huán)糊精(HP-β-CD)：化學(xué)純，西安敬業(yè)生物藥物科技有限公司；

可溶性淀粉(SS)、明膠：分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；

阿拉伯樹膠(AG)：化學(xué)純，佛山市化工實(shí)驗(yàn)廠；

黃原膠(XG)：化學(xué)純，鄭州龍生化工產(chǎn)品有限公司；

其他試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

小型噴霧干燥儀：B-290型，瑞士BUCHI實(shí)驗(yàn)室儀器公司；

環(huán)境掃描電子顯微鏡：Quanta 450型，美國FEI公司；

高剪切分散乳化機(jī)：FA25型，德國FLOKO公司；

電子天平：ES200HA型，長沙湘平科技發(fā)展有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-S11.4型，金壇市大地自動(dòng)化儀器廠。

1.2 方法

1.2.1 噴霧干燥法制備山蒼子油微膠囊 準(zhǔn)確稱取16 g羥丙基-β-環(huán)糊精和16 g阿拉伯膠加入400 mL熱蒸餾水中溶解，然后加入8 g山蒼子油和1.0 g吐溫80，攪拌均勻，轉(zhuǎn)移至分散乳化機(jī)中,10 000 r/min勻質(zhì)乳化1 h，得到穩(wěn)定的乳白色乳液。乳液在設(shè)定的進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料流量條件下進(jìn)行噴霧干燥，最后在分離器里收集山蒼子油微膠囊。

1.2.2 山蒼子油乳液穩(wěn)定性 以HP-β-CD、XG、AG、明膠、SS，以及復(fù)合壁材羥丙基-β-環(huán)糊精/阿拉伯膠(HP-β-CD/AG)和β-環(huán)糊精/阿拉伯膠(β-CD/AG)為壁材，考察壁材對(duì)山蒼子油乳液穩(wěn)定性的影響。

1.2.3 山蒼子油微膠囊的表面形貌 以HP-β-CD/AG、HP-β-CD、AG、SS為壁材，考察壁材對(duì)山蒼子油微膠囊的表面形貌的影響。

1.2.4 山蒼子油微膠囊的制備工藝優(yōu)化 在預(yù)試驗(yàn)和前人研究[11-12]的基礎(chǔ)上，選取壁材與芯材比(WHP-β-CD/AG∶WLCO)、進(jìn)料流量和進(jìn)風(fēng)溫度3個(gè)影響因素，以包埋率為響應(yīng)值，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化山蒼子油微膠囊的制備工藝，因素和水平見表1。

1.2.5 表面油、總油和包埋率的測(cè)定 根據(jù)文獻(xiàn)[6]和[11]修改如下：準(zhǔn)確稱取山蒼子油微膠囊W1g加入錐形瓶中，然后加入50 mL石油醚，攪拌20 min后進(jìn)行真空抽濾，將濾液倒入干燥的錐形瓶(W2)中，然后在90 ℃鼓風(fēng)干燥箱烘1 h，

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels

干燥器中冷卻后稱重(W3)，表面油含量按式(1)計(jì)算：

ΔW1=W3-W2，

(1)

式中：

ΔW1——表面油含量，g；

W2——錐形瓶重量，g；

W3——錐形瓶和表面油的重量之和，g。

準(zhǔn)確稱取山蒼子微膠囊W1g用索氏提取法提取7～8 h，將剩余的產(chǎn)品在105 ℃的烘箱中烘3 h，冷卻后稱重(W4)，總油含量按式(2)計(jì)算：

ΔW2=W1-W4，

(2)

式中：

ΔW2——總油含量，g；

W1——山蒼子油微膠囊重量，g；

W4——錐形瓶和總油的重量之和，g。

包埋率按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：

c——包埋率，%。

1.2.6 掃描電子顯微鏡(SEM)分析 取適量山蒼子油微膠囊，對(duì)其表觀形貌進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)。金/鈀合金為鍍靶，真空噴金鍍膜，電流：18 mA，電壓：5 kV，運(yùn)行時(shí)間：120 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同壁材對(duì)山蒼子油乳液穩(wěn)定性的影響

由表2可知，HP-β-CD/AG、HP-β-CD、AG、SS 4種壁材與山蒼子油制備的乳液穩(wěn)定，不分層。而β-CD/AG為壁材時(shí)的乳液不穩(wěn)定，出現(xiàn)分層，以明膠為壁材時(shí)的乳液有沉淀，易堵塞噴口，而XG為壁材時(shí)的乳液呈膠狀。

表2 壁材種類對(duì)乳液穩(wěn)定性的影響Table 2 Effect of wall materials on emulsion stability

2.2 不同壁材對(duì)山蒼子微膠囊表面形貌的影響

由圖1～4可知，復(fù)合壁材LCO/HP-β-CD/AG制備的山蒼子油微膠囊形貌大多為光滑圓球形，微膠囊顆粒大小較為均勻；以HP-β-CD為壁材時(shí)，山蒼子油微膠囊形態(tài)部分為圓球形，部分微膠囊表面出現(xiàn)凹陷，并且顆粒之間出現(xiàn)聚集現(xiàn)象；以AG和SS為壁材時(shí)，山蒼子油微膠囊表面多呈凹陷、皺縮現(xiàn)象，并且顆粒之間有聚集。微膠囊表面形貌是影響產(chǎn)品流動(dòng)性能和使用性能的重要因素，光滑圓球形顆粒的流動(dòng)性好，微膠囊顆粒出現(xiàn)凹陷、皺縮和聚集，則流動(dòng)性就差[6]，試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)以復(fù)合壁材LCO/HP-β-CD/AG制備的山蒼子油微膠囊產(chǎn)品流動(dòng)性很好，而其他壁材的微膠囊產(chǎn)品流動(dòng)性稍差。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中采用復(fù)合壁材LCO/HP-β-CD/AG進(jìn)行山蒼子油微膠囊制備工藝研究。

圖1 LCO/HP-β-CD/AG微膠囊的SEMFigure 1 SEM of LCO/HP-β-CD/AG microcapsule

圖2 LCO/HP-β-CD微膠囊的SEMFigure 2 SEM of LCO/HP-β-CD microcapsule

圖3 LCO/AG微膠囊的SEMFigure 3 SEM of LCO/AG microcapsule

圖4 LCO/SS微膠囊的SEMFigure 4 SEM of LCO/SS microcapsules

2.3 山蒼子油微膠囊的制備工藝優(yōu)化

以HP-β-CD/AG為壁材，包埋率為考察指標(biāo)，Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化山蒼子油微膠囊的制備工藝，試驗(yàn)結(jié)果和方差分析分別見表3、4。

以微膠囊中山蒼子油的包埋率為響應(yīng)值，利用Design-Expert軟件對(duì)表3的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸擬合，其二次多項(xiàng)回歸模型為：

Y=83.38+2.95A-0.24B-1.12C- 0.27AB-0.47AC+0.07BC-3.04A2-0.26B2-0.89C2。

(4)

二次多項(xiàng)回歸模型的響應(yīng)曲面圖見圖5～7。由圖5～7和表4的P值可知，WHP-β-CD/AG∶WLCO和進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)包埋率的影響極顯著，進(jìn)料流量影響不顯著。WHP-β-CD/AG∶WLCO×進(jìn)料流量、WHP-β-CD/AG∶WLCO×進(jìn)風(fēng)溫度，以及進(jìn)料流量×進(jìn)風(fēng)溫度的交互作用不顯著。各因素對(duì)包埋率的影響次序是：WHP-β-CD/AG∶WLCO>進(jìn)風(fēng)溫度>進(jìn)料流量。

表3 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Results of Box-Behnken experiment design

表4 回歸模型的方差分析?Table 4 Variance analysis ofmodel

? **表示極顯著(P <0.01)，*表示顯著(P<0.05)。

圖5 進(jìn)料流量和WHP-β-CD/AG∶WLCO對(duì)山蒼子油包埋率交互影響的響應(yīng)面圖

Figure 5 Response surface plot showing the effect of feed flow rate andWHP-β-CD/AG∶WLCOon embedding rate of LCO

圖6 進(jìn)風(fēng)溫度和WHP-β-CD/AG∶WLCO對(duì)山蒼子油包埋率交互影響的響應(yīng)面圖

Figure 6 Response surface plot showing the effect of inlet air temperature and WHP-β-CD/AG∶WLCOon embedding rate of LCO

圖7 進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料流量對(duì)山蒼子油包埋率交互影響的響應(yīng)面圖

Figure 7 Response surface plot showing the effect of inlet air temperature and feed flow rate on embedding rate of LCO

Design-Expert軟件對(duì)回歸方程求解，得到山蒼子油微膠囊制備的優(yōu)化工藝條件為：WHP-β-CD/AG∶WLCO6.0，進(jìn)料流量 3.11 mL/min，進(jìn)風(fēng)溫度 171.29 ℃，預(yù)測(cè)山蒼子油的包埋率為84.31%。為了試驗(yàn)操作方便，制備條件修正為：WHP-β-CD/AG∶WLCO6.0，進(jìn)料流量3.10 mL/min，進(jìn)風(fēng)溫度171.0 ℃，該條件下進(jìn)行重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，山蒼子油包埋率為83.80%，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值吻合度較高，說明根據(jù)該模型得到的工藝參數(shù)準(zhǔn)確、可靠。

3 結(jié)論

采用噴霧干燥法制備了山蒼子油微膠囊。以HP-β-CD/AG為壁材制備的山蒼子油微膠囊為圓球形，微膠囊顆粒大小較為均勻，流動(dòng)性好，其他壁材制備的山蒼子油微膠囊存在凹陷、皺縮和聚集現(xiàn)象。利用Design-Expert 軟件建立了山蒼子油微膠囊包埋率與WHP-β-CD/AG∶WLCO、進(jìn)料流量及進(jìn)風(fēng)溫度的二次多項(xiàng)回歸模型，并證實(shí)該模型合理可靠，制備山蒼子油微膠囊的優(yōu)化工藝條件為：WHP-β-CD/AG∶WLCO6.0，進(jìn)料流量3.10 mL/min，進(jìn)風(fēng)溫度171.0 ℃，山蒼子油包埋率為83.80%。但均質(zhì)乳化條件對(duì)山蒼子油包埋率的影響有待進(jìn)一步研究，比如水用量，復(fù)合壁材中各物質(zhì)的用量，均質(zhì)乳化時(shí)間等，這也是本試驗(yàn)的不足之處。

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Preparation of microcapsules made of the oil from Litsea cubeba by spray drying method

FU Hong-jun1,2

PENGXiang-lian1,2

ZHONGHai-yan1,2

(1.CollegeofFoodScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha,Hunan410004,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforRiceandByproductsProcessing,Changsha,Hunan410004,China)

Litseacubebaoil microcapsule were prepared by spray drying method. The effect of several shell materials on emulsion stability and surface morphology of microcapsule was investigated, and process conditions ofLitseacubebaoil microcapsule were optimized. The results of scanning electronic microscope (SEM) showed thatLitseacubebaoil microcapsule prepared with hydroxypropyl-β-cyclodextrin/ arabic gum(HP-β-CD/AG) as wall material is similar to smooth spheres with uniform size and good fluidity, and dents, wrinkles and aggregation for microcapsules prepared with other wall materials were observed. The embedding rate ofLitseacubebaoil in microcapsule was 83.80% under optimum conditions ofWHP-β-CD/AG:WLCO6, feed flow rate inlet 3.10 mL/min at air temperature at 171.0 ℃. The quadratic regression model between embedding rate and three factors was found reasonable and reliable.

Litseacubebaoil; spray drying method; microcapsule; surface morphology

湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2015SK20723，2015SK2072)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目(編號(hào)：16B282)；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012NK3103)

付紅軍(1975—)，男，中南林業(yè)科技大學(xué)講師，博士。 E-mail:hj0730@163.com

2016—09—18

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.043