超聲輔助制備葡萄柚精油納米微膠囊及其表征

彭瑩蕓 - 付復(fù)華,2,3 -,2,3 朱平平 - 胡 筱 單 楊,2,3 ,2,3

(1. 湖南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2. 湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3. 湖南省農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125)

葡萄柚，別稱西柚，是一種蕓香科柑橘屬植物，世界四大柑橘類群之一。葡萄柚精油是從葡萄柚的果皮中提取出來(lái)的芳香型揮發(fā)油，經(jīng)科學(xué)鑒定其具有較強(qiáng)的抑菌活性，主要含有檸檬烯，月桂烯等成分[1]。葡萄柚精油安全性高，內(nèi)含抗癌性成分橙油素，具有抗氧化性。在食品工業(yè)中，葡萄柚精油尚有很大的開(kāi)發(fā)前景，可用于食物賦香劑，天然保鮮劑等。但在工業(yè)應(yīng)用中，葡萄柚精油易揮發(fā)，不利于貯存。

微膠囊技術(shù)是指利用天然的或合成的高分子材料包覆分散的固體、液體物質(zhì)，甚至是氣體，形成一種具有半透性或密封囊膜的微粒技術(shù)[2]。微膠囊化所用的壁材可以降低外界環(huán)境對(duì)芯材物質(zhì)的氧化等破壞，控制芯材物質(zhì)的釋放，廣泛用于食品、紡織等領(lǐng)域[3]。復(fù)凝聚法是制備微膠囊常用的方法，其原理為兩種帶有相反電荷的高分子電解質(zhì)在水溶液中發(fā)生相互作用形成可將芯材包覆的復(fù)合凝聚物。采用復(fù)凝聚法制備的微膠囊，其操作相對(duì)簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，對(duì)芯材更具有保護(hù)作用[4]。納米微膠囊是一類粒徑尺寸在納米級(jí)別的微膠囊，具有顆粒尺寸小、比表面積大，易于形成均一穩(wěn)定的膠體溶液等優(yōu)良特性，是近年來(lái)微膠囊領(lǐng)域備受重視的研究方向[5]。石春韜等[6]采用超聲波法制備肉桂油-β-環(huán)糊精納米微膠囊，包埋率可達(dá)38.17%，平均粒徑為456.7 nm，可使肉桂油的熱穩(wěn)定性提高。Arunkumar等[7]利用水溶性低的高分子量殼聚糖與葉黃素制備納米微膠囊，包埋徑粒在80～600 nm，殼聚糖與葉黃素通過(guò)1H和13C之間的相互作用連接，每7個(gè)殼聚糖鏈之間存在1個(gè)葉黃素分子，形成具有可逆弱鍵力的納米粒子。

本試驗(yàn)擬以A型明膠和海藻酸鈉為壁材，CaCl2為固化劑，采用超聲輔助制備葡萄柚精油納米級(jí)粒徑微膠囊。通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化篩選出葡萄柚精油納米微膠囊化的最佳工藝參數(shù)。對(duì)葡萄柚精油納米微膠囊產(chǎn)品化學(xué)結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性分析，為葡萄柚精油納米微膠囊在食品工業(yè)中進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

葡萄柚精油：源葉生物有限公司；

海藻酸鈉：食品級(jí)，青島明月海藻有限公司；

A型明膠：分析純，美國(guó)Sigma公司；

CaCl2、冰醋酸、氫氧化鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

1.1.2 儀器與設(shè)備

高速分散機(jī)：XHF-D型，寧波新芝生物科技股份公司；

控溫磁力攪拌器：78HW-1型，金壇市醫(yī)療儀器廠；

雷磁pH復(fù)合電極：E-201-C型，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；

超聲波細(xì)胞破碎儀：JY96-IIN型，寧波新芝生物科技有限公司；

冷凍干燥機(jī)：AVANTI J-26XP型，美國(guó)Beckman公司；

粒徑電位儀：Malvern Zetasizer Nano zs90型，馬爾文儀器(中國(guó))有限公司；

傅里葉紅外光譜分析儀：NEXUS 670型，美國(guó)Nicolet公司；

熱重分析儀：TGA4000型，美國(guó)PerkinElmer公司；

1.2 方法

1.2.1 葡萄柚精油納米微膠囊的制備 參考Devi等[8]的方法，并優(yōu)化。取一定體積濃度的海藻酸鈉溶液于燒杯中，加入適量的葡萄柚精油和乳化劑，攪拌均勻后進(jìn)行超聲處理得乳液。在10 000 r/min高速分散條件下，向乳液中加入適量明膠溶液(明膠與海藻酸鈉體積比值為3.5∶1.0)。40 ℃進(jìn)行磁力攪拌，并加入1%濃度的醋酸調(diào)節(jié)溶液pH值至3.8，待反應(yīng)完全后降溫至5～10 ℃。向燒杯中緩慢加入CaCl2溶液使壁材進(jìn)一步交聯(lián)，得濕態(tài)微膠囊，整個(gè)過(guò)程持續(xù)攪拌。固化后，10 000 r/min離心15 min，取沉淀進(jìn)行冷凍干燥得微膠囊。

1.2.2 葡萄柚精油納米微膠囊單因素試驗(yàn)

(1) 芯壁比對(duì)微膠囊粒徑的影響：固定超聲時(shí)間15 min，超聲振幅10%，固化劑與壁材質(zhì)量比1∶1，考察芯材與壁材的質(zhì)量比為1∶3，1∶2，1∶1，2∶1，3∶1 條件下微膠囊乳液的平均粒徑，選出最佳比例。

(2) 超聲時(shí)間對(duì)微膠囊粒徑的影響：固定芯壁比1∶2，超聲振幅10%，固化劑與壁材質(zhì)量比1∶1，考察超聲時(shí)間為0(超聲振幅為0%)，5，10，15，20 min條件下微膠囊乳液的平均粒徑，選出最佳比例。

(3) 超聲振幅對(duì)微膠囊粒徑的影響：固定芯壁比1∶2，超聲時(shí)間15 min，固化劑與壁材質(zhì)量比1∶1，考察超聲振幅為5%，10%，15%，20%，25%條件下微膠囊乳液的平均粒徑，選出最佳比例。

(4) 固化劑與壁材質(zhì)量比對(duì)微膠囊粒徑的影響：固定芯壁比1∶2，超聲時(shí)間15 min，超聲振幅10%，考察固化劑與壁材質(zhì)量比為1∶4，1∶3，1∶2，1∶1，2∶1條件下微膠囊乳液的平均粒徑，選出最佳比例。

1.2.3 葡萄柚精油納米微膠囊最佳制備工藝的確定 為優(yōu)化出最佳制備工藝條件，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以平均粒徑為考察指標(biāo)，設(shè)計(jì)四因素三水平的正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.4 納米微膠囊表面油、總油含量的測(cè)定及包埋率的計(jì)算

(1) 微膠囊表面油含量的測(cè)定：準(zhǔn)確稱取1.000 g微膠囊粉末用20 mL石油醚洗滌兩次。將洗滌液轉(zhuǎn)移到預(yù)先恒重的空燒瓶中。待石油醚完全蒸發(fā)后，將燒瓶于45 ℃ 烘箱中干燥1 h，每隔0.5 h 稱量1次，至稱量前后干燥燒瓶的質(zhì)量不超過(guò)0.1 mg。表面油含量為干燥后燒瓶的重量與空燒瓶的重量之差[9]。

(2) 微膠囊總油含量的測(cè)定：準(zhǔn)確稱取1.000 g微膠囊粉末，用石油醚為抽提液，60 ℃條件下抽提10 h，然后在80 ℃條件下干燥至恒重，計(jì)算質(zhì)量差值[10]。

(3) 包埋率的計(jì)算：按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：

R——微膠囊包埋率，%；

m1——表面油含量，g；

m2——總油含量，g。

1.2.5 微膠囊粒徑和Zeta電位測(cè)定 將制備好的葡萄柚精油納米微膠囊溶液按一定比例稀釋，用馬爾文納米激光粒度儀進(jìn)行粒徑和Zeta電位檢測(cè)，檢測(cè)溫度25 ℃[11]。

1.2.6 復(fù)凝聚產(chǎn)物的紅外光譜分析 將明膠、海藻酸鈉和微膠囊復(fù)凝聚產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜測(cè)定。采用壓片法，將樣品與KBr充分研磨混勻進(jìn)行壓片處理，于4 000～400 cm-1內(nèi)進(jìn)行紅外光譜掃描[12]。

1.2.7 熱重分析 參照文獻(xiàn)[13]，略有改動(dòng)。取一定量的微膠囊粉末，利用熱重分析儀測(cè)量熱釋放曲線。對(duì)微膠囊和葡萄柚精油進(jìn)行測(cè)量，以20 ℃/min速率從20 ℃升至200 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次平行試驗(yàn)的平均值，采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用Origin 8.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 芯壁比對(duì)微膠囊粒徑大小的影響 由圖1可知，當(dāng)芯壁比為1∶2 (g/g)時(shí)，微膠囊的平均粒徑最小。芯壁比由1∶3 (g/g)增至1∶2 (g/g)時(shí)，平均粒徑有所減小，可能是芯材與壁材達(dá)到一定比例時(shí)，在疏水作用驅(qū)使下發(fā)生了一定程度的調(diào)整，微膠囊結(jié)構(gòu)變得緊湊，粒徑變小并出現(xiàn)最小值。后隨著芯壁比增大，芯材添加量變大，粒徑逐漸增大?？赡苁蔷陀昧窟^(guò)多，導(dǎo)致乳化不完全，粒徑變大，部分精油未被包埋，最終導(dǎo)致微膠囊壁較薄，釋放出精油。綜合考慮，選擇芯壁比1∶3，1∶2，1∶1 (g/g)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖1 芯壁比對(duì)微膠囊粒徑大小的影響

2.1.2 超聲時(shí)間對(duì)微膠囊粒徑大小的影響 由圖2可知，隨著超聲時(shí)間的增加，納米微膠囊的平均粒徑先減小后增大。超聲處理15 min時(shí)，微膠囊的平均粒徑最小。隨著芯材與壁材接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，在超聲作用下，芯材進(jìn)入壁材形成空腔，芯材被包埋。由于包埋反應(yīng)為放熱反應(yīng)，隨著超聲處理時(shí)間的增加，超聲波的熱效應(yīng)引起溶液

圖2 超聲時(shí)間對(duì)微膠囊粒徑大小的影響

溫度的升高，一定程度上促使包埋反應(yīng)向反方向進(jìn)行[13]，進(jìn)而影響微膠囊粒徑的大小。綜合考慮，選擇超聲時(shí)間10，15，20 min進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 超聲振幅對(duì)微膠囊粒徑大小的影響 由圖3可知，隨著超聲振幅的增加，微膠囊的平均粒徑先減小后增大。當(dāng)超聲振幅為10%時(shí)，微膠囊的平均粒徑最小。隨著超聲振幅的增大，乳化作用加劇、納米微膠囊的粒徑變小。當(dāng)超聲振幅超過(guò)15%，微膠囊的粒徑開(kāi)始變大，可能是超聲振幅較高，機(jī)械振動(dòng)太強(qiáng)破壞了精油微乳體系的形成。綜合考慮，選擇超聲振幅5%，10%，15%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖3 超聲振幅對(duì)微膠囊粒徑大小的影響

2.1.4 固化劑與壁材質(zhì)量比對(duì)微膠囊粒徑大小的影響

由圖4可知，當(dāng)固化劑與壁材質(zhì)量比為1∶1時(shí)，微膠囊的粒徑最小。隨著固化劑添加量的增多，微膠囊的平均粒徑先減小后增大，可能是氯化鈣與海藻酸鈉的質(zhì)量比不斷增大，兩者之間的離子交聯(lián)作用不斷增強(qiáng)，微膠囊結(jié)構(gòu)變得緊湊，1∶1時(shí)Ca2+與SA聚合較好。繼續(xù)增大固化劑添加量會(huì)導(dǎo)致體系變得不穩(wěn)定，陽(yáng)離子濃度增大，顆粒容易聚集，粒徑增大。綜合考慮，選擇固化劑與壁材質(zhì)量比1∶3，1∶2，1∶1進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.5 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取芯壁比、超聲時(shí)間、超聲振幅、固化劑與壁材質(zhì)量比4個(gè)因素，設(shè)計(jì)四因素三水平的正交試驗(yàn)，見(jiàn)表1。以微膠囊的平均粒徑為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化葡萄柚精油納米微膠囊制備工藝參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，最佳制備葡萄柚精油納米微膠囊的工藝為A2B1C2D1，即芯壁比1∶2 (g/g)，超聲時(shí)間10 min，超聲振幅10%，固化劑與壁材質(zhì)量比1∶3。根據(jù)極差值分析可知，各因素對(duì)葡萄柚精油納米微膠囊平均粒徑影響的大小依次為芯壁比>超聲振幅>超聲時(shí)間>固化劑與壁材質(zhì)量比。在最佳的制備工藝參數(shù)下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，3次平行試驗(yàn)得葡萄柚精油納米微膠囊的平均粒徑為(210.08±10.12) nm，說(shuō)明正交試驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)起到了優(yōu)化作用。最佳制備工藝條件下的葡萄柚精油納米微膠囊包埋率為(65.02±1.18)%。

圖4 固化劑與壁材質(zhì)量比對(duì)微膠囊粒徑大小的影響

Figure 4 Effect of the ratio of curing agent to wall material on the particle size of microcapsule

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用SPSS 17.0對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，對(duì)葡萄柚精油納米微膠囊平均粒徑影響大小的因素為A>C>B>D，與極差分析結(jié)果一致，4種因素對(duì)葡萄柚精油納米微膠囊平均粒徑影響均顯著。

表3 方差分析

2.2 微膠囊粒徑及電位分析

由圖5可知，最佳制備工藝條件下制得微膠囊平均粒徑為210.4 nm，分布指數(shù)PDI為0.295。PDI越大，分子量分布越寬；PDI越小，分子量分布越均勻。說(shuō)明制得的葡萄柚精油納米微膠囊粒徑大小在納米范圍內(nèi)，體系內(nèi)粒子分布相對(duì)均勻。Zeta電位值可表示微膠囊溶液體系的穩(wěn)定性，其絕對(duì)值越高表示體系越穩(wěn)定。測(cè)得葡萄柚精油納米微膠囊溶液的Zeta電位值為-18.4 mV，微膠囊?guī)ж?fù)電荷，體系較穩(wěn)定。

2.3 微膠囊紅外光譜分析

由圖6可知，在氨基存在的情況下，A型明膠在酸性條件具有正電荷。A型明膠的紅外光譜圖顯示，在3 426 cm-1處出現(xiàn)N—H伸縮振動(dòng)的紅外吸收帶，1 635 cm-1為酰胺羰基伸縮振動(dòng)峰，1 542 cm-1為明膠結(jié)構(gòu)中酰胺二帶N—H彎曲振動(dòng)的吸收峰。海藻酸鈉存在大量的羧羥基，在3 423 cm-1處出現(xiàn)COO—H伸縮振動(dòng)峰；1 612 cm-1處為海藻酸鈉羰基的紅外特征峰，1 4231，1 031 cm-1分別為對(duì)稱伸縮峰和C—H內(nèi)面彎曲振動(dòng)。明膠—海藻酸鈉復(fù)凝聚產(chǎn)物保留了明膠和海藻酸鈉的特征吸收峰，載油微膠囊顯示了精油的特征峰。同時(shí)海藻酸鈉在1 421 cm-1處消失，說(shuō)明明膠與海藻酸鈉之間發(fā)生反應(yīng)。

圖5 葡萄柚精油納米微膠囊粒徑分布圖

a. A型明膠 b. 海藻酸鈉 c. 復(fù)凝聚產(chǎn)物 d. 精油 e. 微膠囊

Figure 6 Infrared spectrum of grapefruit essential oil nano-microcapsules and their monomer components

2.4 微膠囊熱重分析

對(duì)最佳制備工藝條件下的微膠囊進(jìn)行熱重分析。由圖7可知，當(dāng)溫度≥80 ℃時(shí)，葡萄柚精油的失重速率明顯快于葡萄柚精油納米微膠囊和空白膠囊。說(shuō)明包埋后的葡萄柚精油納米微膠囊具有很好的熱緩釋。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)正交試驗(yàn)，以平均粒徑為優(yōu)化指標(biāo)，得到葡萄柚納米微膠囊最佳制備工藝為芯壁比1∶2 (g/g)，超聲時(shí)間10 min，超聲振幅10%，固化劑與壁材質(zhì)量比1∶3，此條件下的微膠囊平均粒徑為(210.08±10.12) nm，包埋率為(65.02±1.18)%；PDI為0.295，體系分散性較好；Zeta電位值為-18.4 mV，微膠囊?guī)ж?fù)電荷，體系較穩(wěn)定；傅里葉紅外光譜顯示微膠囊含有葡萄柚精油的特征峰；熱重分析試驗(yàn)結(jié)果顯示包埋后的葡萄柚精油納米微膠囊具有很好的熱緩釋。本研究制備的葡萄柚納米微膠囊達(dá)到了納米級(jí)別的要求，包埋效果優(yōu)于文獻(xiàn)[14]報(bào)道，且葡萄柚納米微膠囊的體系穩(wěn)定。

a. 葡萄柚精油 b. 葡萄柚精油納米微膠囊 c. 空白微膠囊