桂花精油微膠囊制備工藝優(yōu)化

鄭 義,俞益芹,黃 陳,陳 元,董莎莎

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院,江蘇泰州 225300)

桂花(Osmanthusfragrants Lour)又名木樨、丹桂、巖桂,屬木樨科常綠灌木或喬木,在我國南方廣西、貴州、福建、湖南、浙江、江蘇等各省均有栽培。桂花不僅具有較高的觀賞價值,而且具有極高的食用和藥用價值,我國自古就有食用桂花糕、釀制桂花酒習(xí)俗;以桂花為原料制作的桂花茶對舒緩喉嚨痛,改善多痰、咳嗽癥狀,開胃醒神、健脾補(bǔ)虛,防治十二指腸潰瘍具有很好的保健功能[1]。桂花因香氣清新、高雅而深受大眾喜愛,是一種高檔的天然香料,被廣泛應(yīng)用于化工、制藥、食品等行業(yè)。桂花精油是天然金桂的提取物,是目前唯一不能合成的一種高檔花香香料,也是我國的特有產(chǎn)品[2]。桂花精油含有紫羅蘭酮類、醇類、氧化芳樟醇類、六羥基紫杉烯等芳香物質(zhì),暴露在空氣中,受環(huán)境因素的影響,極易揮發(fā)且發(fā)生氧化酸敗[3],嚴(yán)重影響了桂花精油的質(zhì)量。

微膠囊技術(shù)是指利用天然或合成的高分子包囊材料,將固體、液體或氣體物質(zhì)包埋在微小、半透性或密封的膠囊內(nèi),使內(nèi)容物在特定條件下以可控的速率進(jìn)行釋放的技術(shù)。通過微膠囊技術(shù)可以達(dá)到隔離活性成分、保護(hù)芯材免受環(huán)境影響、掩蓋不良味道或氣味、控制釋放等目的[4]。噴霧干燥法制備丁香油、牡丹籽油、薰衣草精油、香草蘭精油微膠囊的研究已有許多資料報道[5-8],桂花精油相關(guān)研究主要集中在提取、分離等方面[9-10],但利用噴霧干燥技術(shù)制備桂花精油微膠囊還未見資料報道。

本文以阿拉伯膠和麥芽糊精為壁材,桂花精油為芯材,采用噴霧干燥技術(shù)制備微膠囊固態(tài)粉末產(chǎn)品,可以有效防止由氧氣、光照、酸堿等外界因素對桂花精油在儲運(yùn)過程造成不良影響,提高其穩(wěn)定性能[11-12],為桂花精油的綜合開發(fā)與利用拓寬途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桂花精油 實驗室自制;阿拉伯膠 食品級,西王藥業(yè)有限公司;麥芽糊精 食品級,西王藥業(yè)有限公司;無水乙醚、無水乙醇 均為分析純,上海國藥試劑有限公司;實驗所用水均為去離子水。

AL204-IC型電子天平 上海精密儀器儀表有限公司;GYB30-6S型高壓均質(zhì)機(jī) 上海東華均質(zhì)機(jī)廠;101-2A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司;B-290 型小型噴霧干燥機(jī) 瑞士Buchi有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 桂花精油微膠囊制備工藝 阿拉伯膠+麥芽糊精→溶解→調(diào)配→桂花精油,初乳化→高壓均質(zhì)→噴霧干燥→桂花精油微膠囊,置干燥器內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

取一定體積的冷水,邊攪拌邊加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)阿拉伯膠和麥芽糊精,待分散后加熱至50～60 ℃,使其溶解。然后將膠體溶液冷卻至室溫,然后在溶液中邊攪拌邊加入桂花精油,高速分散,保持60 ℃高壓均質(zhì)后噴霧干燥,得到微膠囊產(chǎn)品。

1.2.2 單因素實驗設(shè)計

1.2.2.1 壁材配比對微膠囊包埋率的影響 將阿拉伯膠與麥芽糊精(壁材)按1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 (g∶g)比例配成溶液[6],膠體溶液為15.0%,芯材與壁材按1∶6 (g∶g)配比加入桂花精油,設(shè)定均質(zhì)壓力40.0 MPa、進(jìn)口風(fēng)溫200.0 ℃、進(jìn)料速度8.0 mL/min,噴霧干燥后測定桂花精油的包埋率,考察壁材配比對微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.2 芯材與壁材配比對微膠囊包埋率的影響 壁材阿拉伯膠與麥芽糊精按1∶3 (g∶g)配制15.0%膠體溶液,將芯材與壁材按1∶1、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8 (g∶g)比例加入,設(shè)定均質(zhì)壓力40.0 MPa、進(jìn)口風(fēng)溫200.0 ℃、進(jìn)料速度8.0 mL/min,噴霧干燥后測定桂花精油的包埋率,考察芯材與壁材配比對微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.3 均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響 配制15.0%壁材膠體溶液(阿拉伯膠與麥芽糊精1∶3 g∶g),按1∶6配比加入桂花精油,在20、30、40、50、60 MPa等不同壓力下進(jìn)行均質(zhì)處理,設(shè)定進(jìn)口風(fēng)溫200 ℃、進(jìn)料速度8.0 mL/min,噴霧干燥后測定桂花精油的包埋率,考察均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.4 進(jìn)口風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響 配制15.0%壁材膠體溶液(阿拉伯膠與麥芽糊精1∶3),按1∶6配比加入桂花精油,設(shè)定均質(zhì)壓力40 MPa、進(jìn)料速度8.0 mL/min,在160、180、200、220和240 ℃等不同進(jìn)風(fēng)溫度下噴霧干燥制備微膠囊,測定桂花精油的包埋率,考察進(jìn)口風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.5 進(jìn)料速度對微膠囊包埋率的影響 配制15.0%壁材膠體溶液(阿拉伯膠與麥芽糊精1∶3 g:g),按1∶6配比加入桂花精油,設(shè)定均質(zhì)壓力40.0 MPa、進(jìn)口風(fēng)溫220 ℃,以4、6、8、10、12 mL/min等不同進(jìn)料速度進(jìn)行噴霧干燥,測定桂花精油的包埋率,考察進(jìn)料速度對微膠囊包埋率的影響。

1.2.3 響應(yīng)法優(yōu)化實驗設(shè)計 在單因素實驗基礎(chǔ)上,選擇適宜的因素和水平按照Box-Behnken實驗設(shè)計進(jìn)行中心組實驗,以產(chǎn)品的包埋率為響應(yīng)值,考察壁材配比、均質(zhì)壓力、進(jìn)口風(fēng)溫度、進(jìn)料速度等四個因素對產(chǎn)品包埋率的影響,優(yōu)化噴霧干燥制備工藝。實驗中各因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面實驗設(shè)計因素水平表

1.2.4 桂花精油包埋率的測定

1.2.4.1 微膠囊表面油含量的測定 準(zhǔn)確稱取2.0 g桂花精油微膠囊產(chǎn)品置于離心管中,加入20.0 mL石油醚,振蕩1 min,3000 r/min離心5 min,重復(fù)兩次,合并上清液,將濃縮液置于已稱量的干燥表面皿中,在60 ℃恒溫干燥箱中蒸至恒重,用減重法得出計算微膠囊表面油含量[13]。

1.2.4.2 微膠囊總油含量的測定 準(zhǔn)確稱取2.0 g桂花精油微膠囊產(chǎn)品置于干燥的小燒杯中,加入20.0 mL熱水,經(jīng)攪拌溶解后,依次加入10.0 mL石油醚、10.0 mL無水乙醚、10.0 mL無水乙醇進(jìn)行萃取,重復(fù)兩次,合并萃取液,將濃縮液置于已稱量的干燥表面皿中,在60 ℃恒溫干燥箱中蒸干至恒重,用減重法計算微膠囊總油含量。

1.2.4.3 微膠囊包埋率計算

1.2.5 微膠囊質(zhì)量評定 對噴霧干燥后得到的微膠囊進(jìn)行氣味、色澤、組織狀態(tài)進(jìn)行感官評定[13];水分含量、密度、粒度等指標(biāo)按照中國藥典2010年版二部方法測定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實驗數(shù)據(jù)取3次重復(fù)實驗的平均值,以表示。采用Origin 8作圖,SPSS Statistics 17.0、Design-Expert 7.0.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,p<0.01表示差異極顯著,p<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 桂花精油微膠囊化單因素分析

2.1.1 壁材配比對微膠囊包埋率的影響 壁材是影響微膠囊化包埋率的重要因素。添加阿拉伯膠可以增加壁材的乳化性能,有利于芯材均勻分布。麥芽糊精和阿拉伯膠的配比不同會導(dǎo)致壁材溶液乳化能力及黏度有較大差異,不僅影響微膠囊產(chǎn)品包埋率,而且會影響微膠囊產(chǎn)品的最終品質(zhì)。從圖1可看出,當(dāng)麥芽糊精和阿拉伯膠的配比為1∶3 (g∶g)時,包埋率的值達(dá)到最高(92.36%)。故適宜壁材(阿拉伯膠和麥芽糊精)配比為1∶3 (g∶g)。

圖1 壁材配比對微膠囊包埋率的影響

2.1.2 芯材與壁材配比對微膠囊包埋率的影響 桂花精油與壁材的配比大小影響到包埋效果。由圖2可知:當(dāng)芯材與壁材配比較小1∶1 (g∶g)時,即乳濁液含油量較高時,包埋率低(70.28%);隨著芯材與壁材配比增大,包埋率快速升高;當(dāng)芯材與壁材配比達(dá)到1∶6 (g∶g)時,微膠囊包埋率達(dá)到92.21%;繼續(xù)增加芯材與壁材配比,包埋率趨于平衡。故芯材與壁材的適宜配比為1∶6 (g∶g)。

圖2 芯材與壁材配比對微膠囊包埋率的影響

2.1.3 均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響 均質(zhì)有利于使芯材與壁材均勻混合,同時,均質(zhì)壓力對乳化液穩(wěn)定性有著明顯的影響。均質(zhì)壓力增大,料液受到的剪切力越大,形成的乳液就越均勻穩(wěn)定。從圖3可看出,均質(zhì)壓力為40.0 MPa時,產(chǎn)品包埋率最高(94.72%)。因此,適宜的均質(zhì)壓力為40.0 MPa。

圖3 均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響

2.1.4 進(jìn)口風(fēng)溫對微膠囊包埋率的影響 由圖4可知,當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度較低(160 ℃)時,微膠囊包埋率低(74.26%)。主要原因可能為進(jìn)風(fēng)溫度低時,噴霧干燥效率低,不利于微膠囊的快速成型。升高進(jìn)風(fēng)溫度,干燥效率提高,微膠囊包埋率提高;當(dāng)進(jìn)口風(fēng)溫升高至220 ℃時,包埋率到底最大值93.48%。但進(jìn)風(fēng)溫度過高時,水分散失速度過快,囊壁表面凹陷,同樣影響產(chǎn)品的品質(zhì)[13]。因此,適宜的進(jìn)風(fēng)溫度為220 ℃。

圖4 進(jìn)風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響

2.1.5 進(jìn)料速度對微膠囊包埋率的影響 微膠囊制備過程中,進(jìn)料速度對桂花精油包埋率也具有較大影響。進(jìn)料速度慢,物料過度蒸發(fā)造成芯材損失嚴(yán)重,包埋率下降;進(jìn)料速度過快,物料蒸發(fā)時間不足,不足以形成一定完整的微膠囊壁,產(chǎn)品顆粒大,包埋率快速下降[15]。從由圖5可知,適宜的進(jìn)料速度為8 mL/min。

圖5 進(jìn)料速度對微膠囊包埋率的影響

2.2 桂花精油微膠囊制備工藝最佳工藝條件的確定

當(dāng)芯材與壁材配比達(dá)到1∶6 (g∶g)時,桂花精油的包埋率最大;繼續(xù)增加芯材與壁材配比,包埋率趨于平衡。因此,確定芯材與壁材最佳配比確定為1∶6 (g∶g)。采用Box-Behnken實驗設(shè)計,優(yōu)化桂花精油微膠囊制備過程中不同壁材配比、進(jìn)料速度、進(jìn)口風(fēng)溫、均質(zhì)壓力最佳條件[16-17]。不同因素、水平組合條件下桂花精油的包埋率見表2。

表2 Box-Behnken 實驗設(shè)計及結(jié)果

利用Design-Expert軟件對不同因素水平組合條件下桂花精油微膠囊的包埋率進(jìn)行多元回歸擬合,剔除不顯著項(AC、BC、CD)得如下回歸方程:

Y=-86.56211+327.72444A+6.3338B-2.06046C+45.58150D-1.40500AB-15.05833AD+0.11875BD-356.76667A2-0.066435B2-0.00712875C2-1.57056D2

結(jié)果與分析見表3。

表3 回歸方程中回歸系數(shù)估計值和方差分析

圖6 壁材配比和均質(zhì)壓力交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

圖7 壁材配比和進(jìn)料速度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

圖8 均質(zhì)壓力和進(jìn)料速度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

響應(yīng)曲面圖是響應(yīng)值在各實驗因子交互作用下構(gòu)成的一個三維空間曲面[18],等高線圖可以直觀地反映出兩種實驗因素交互作用對響應(yīng)值影響的大小,橢圓形表示兩因素交互作用顯著,而圓形則與之相反[19-20]。從圖6可看出,隨著壁材配比和均質(zhì)壓力的增大,桂花精油微膠囊包埋率先增大后緩慢降低,由此可見,適當(dāng)?shù)谋诓呐浔群途|(zhì)壓力,在一定程度上可以提高包埋率;由圖7 可知,隨著壁材配比和進(jìn)料速度提高,桂花精油微膠囊包埋率先表現(xiàn)為先快速提高后緩慢降低;均質(zhì)壓力和進(jìn)料速度(圖8)對桂花精油微膠囊包埋率的影響與圖7比較接近;從等高線圖中可以看出,不同因素交互作用的最佳作用點基本都落在實驗范圍之內(nèi)。壁材配比和進(jìn)料速度交互作用對包埋率的影響大于均質(zhì)壓力和進(jìn)料速度以及壁材配比和均質(zhì)壓力。

對回歸方程求導(dǎo),可以得到響應(yīng)面的最高點,獲得噴霧干燥法制備桂花精油微膠囊的最佳工藝條件:阿拉伯膠:麥芽糊精1∶2.5 (g∶g)、均質(zhì)壓力39.8 MPa、進(jìn)口風(fēng)溫224.8 ℃、進(jìn)料速度7.6 mL/min,桂花精油微膠囊包埋率預(yù)測值為98.23%。為便于操作,實驗條件修正為:阿拉伯膠:麥芽糊精1∶2.5 (g∶g)、均質(zhì)壓力40.0 MPa、進(jìn)口風(fēng)溫225.0 ℃、進(jìn)料速度8.0 mL/min。在此條件下,進(jìn)行驗證,重復(fù)三次,微膠囊包埋率分別為97.06%、97.82%、98.14%,平均包埋率97.67%。與該條件下理論預(yù)測值相比,相對誤差小于1%,說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的噴霧干燥制備桂花精油微膠囊生產(chǎn)工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

2.3 桂花精油微膠囊的物性分析

桂花精油微膠囊顆粒氣味純正,乳白色;在顯微鏡下觀察微膠囊的形狀、表面結(jié)構(gòu)并測定顆粒大小,結(jié)果見圖9。顆粒細(xì)小均勻,流散性、混合性良好;水分含量:2.56%;密度:0.65 g/cm3;粒度:大小在9.5～15.0 μm;桂花精油與壁材(阿拉伯膠∶麥芽糊精1∶2.5)按1∶6質(zhì)量份數(shù)添加制備微膠囊,產(chǎn)品中桂花精油含量為12.62%;表明阿拉伯膠和麥芽糊精混合壁材對桂花精油具有較好的包埋效果,有助于提高桂花精油的貯藏穩(wěn)定性。

圖9 桂花精油微膠囊顆粒顯微形態(tài)(×1000)

3 結(jié)論

通過單因素實驗考察了不同因素對桂花精油微膠囊包埋率的影響,確定了壁材配比、均質(zhì)壓力、進(jìn)口風(fēng)溫度、進(jìn)料速度四個因素的取值范圍;將阿拉伯膠與麥芽糊精(壁材)按比列配成濃度為15.0%膠體溶液,芯材桂花精油與壁材配比保持1∶6 (g:g)不變的條件下,采用Box-Behnken實驗設(shè)計,優(yōu)化了桂花精油微膠囊的制備工藝:阿拉伯膠:麥芽糊精1∶2.5 (g:g)、均質(zhì)壓力40.0 MPa、進(jìn)口風(fēng)溫225.0 ℃、進(jìn)料速度8.0 mL/min。在此條件下,桂花精油微膠囊的實際包埋率為97.67%,且桂花精油微膠囊產(chǎn)品具有良好的感官及物化特性,桂花精油含量為12.62%。本研究結(jié)果可以為桂花精油的綜合開發(fā)提供理論依據(jù),拓寬桂花精油的利用途徑。

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