噴霧干燥法制備白術(shù)揮發(fā)油微膠囊

方 芳 程 翎 張志興 吳蘇喜 尹巧麗

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114)

白術(shù)(AtractylodesmacrocephalaKoidz.)別名術(shù)、冬術(shù)、浙術(shù)、種術(shù)、祁術(shù)等，是菊亞綱菊科蒼術(shù)屬的一種植物[1]。我國(guó)白術(shù)生產(chǎn)歷史悠久，載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，被列為上品。白術(shù)味甘、苦，具有健脾益氣、利尿、安胎等作用。最近研究表明，白術(shù)還有改善胃腸運(yùn)動(dòng)[2]、抗癌[3]、抗炎癥，提高機(jī)體免疫力等多種功效[4]。白術(shù)揮發(fā)油是白術(shù)的主要有效成分之一，由于其在空氣中極易氧化，見(jiàn)光分解，十分不穩(wěn)定[5]，影響藥用效果。葛亮等[6]用水溶液法將白術(shù)揮發(fā)油包埋在β-環(huán)糊精里，并采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)微膠囊化工藝進(jìn)行了優(yōu)化。王菲娜等[7]采用超聲波法包合白術(shù)揮發(fā)油，并通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究了包埋工藝的最優(yōu)條件。將揮發(fā)油進(jìn)行微膠囊化不僅可以防止被氧化，而且可以使之粉末化，有助于固體制劑的制備。但白術(shù)揮發(fā)油價(jià)格昂貴，使用β-環(huán)糊精進(jìn)行包埋，包埋率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。噴霧干燥法是食品藥品中最為廣泛采用的微膠囊化方法，乳化液被霧化成微細(xì)液滴分散在高溫?zé)釟饬髦忻撍稍铮稍镞^(guò)程由于微細(xì)液滴水分迅速蒸發(fā)使其實(shí)際溫度不到100 ℃，而且干燥時(shí)間很短，非常適用于干燥熱敏性物料。本實(shí)驗(yàn)研究了噴霧干燥法微膠囊化白術(shù)揮發(fā)油時(shí)工藝條件對(duì)包埋性能的影響，并利用響應(yīng)面法對(duì)包埋工藝進(jìn)行了優(yōu)化，以期為白術(shù)的深加工尋求新的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

白術(shù)；蔗糖、明膠：化學(xué)純；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

STSRH-500高剪切乳化機(jī)；723型紫外分光光度計(jì)；JH-6000DS小型噴霧干燥機(jī)；HA420-40-96超臨界CO2萃取裝置。

1.3 方法

1.3.1 白術(shù)揮發(fā)油的萃取

將白術(shù)藥材洗凈烘干后，粉碎，過(guò)60目篩，稱(chēng)取白術(shù)粉末500 g，置于超臨界流體萃取裝置內(nèi)，在萃取壓力30 MPa，萃取溫度40 ℃，流量25～30 L·h-1條件下連續(xù)提取2.5 h。所得萃出物經(jīng)無(wú)水硫酸鈉干燥，得黃色白術(shù)揮發(fā)油，過(guò)0.45 μm微孔有機(jī)濾膜，備用。

1.3.2 微膠囊的制備

稱(chēng)取一定量的揮發(fā)油，加入適量的吐溫-80或司盤(pán)-80，稱(chēng)取明膠與蔗糖(兩者質(zhì)量比為1∶1)復(fù)合壁材溶解于少量蒸餾水中，配成一定濃度的壁材溶液，將芯材與壁材溶液混合，在高剪切乳化機(jī)下乳化20 min，經(jīng)噴霧干燥制備微膠囊。

1.3.3 微膠囊包埋率的測(cè)定

測(cè)定波長(zhǎng)的選擇：取0.1 mL白術(shù)揮發(fā)油至容量瓶，用無(wú)水乙醇定容至10 mL，此時(shí)白術(shù)揮發(fā)油的質(zhì)量濃度為0.01 g/mL，從中移取0.1 mL溶液稀釋至10 mL，以無(wú)水乙醇為參比溶液，用紫外分光光度計(jì)在200 nm到300 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描，在206 nm處有最大吸收[8]。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：從0.01 g/mL的溶液中移取0.5 mL溶液定容至25 mL，配制成0.000 2 g/mL的母液，分別吸取0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4 mL，用無(wú)水乙醇稀釋定容至10 mL，在206 nm處測(cè)定吸光度，得到線性回歸方程：

C=0.052 9A+0.007 5R2=0.999 7

白術(shù)揮發(fā)油在0.008～0.048 μg/mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

包埋率的測(cè)定：稱(chēng)取1.0 g左右微膠囊，加入研缽研磨，使微膠囊壁材破裂，加入20 mL無(wú)水乙醇溶解揮發(fā)油，取2 mL無(wú)水乙醇溶液于5 000 r/min離心，取0.2 mL上清液于10 mL容量瓶，定容搖勻，在206 nm處測(cè)定其吸光度A，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線算出揮發(fā)油的量。

(1)

1.3.4 單因素實(shí)驗(yàn)

1.3.4.1 芯壁比的影響

在進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)料速度為560 L/h，乳化劑用量為3%，HLB值為13，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，壁材中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的條件下，分別研究芯壁比為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6時(shí)對(duì)包埋率的影響。

1.3.4.2 乳化劑用量的影響

在進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)料速度為560 L/h，芯壁比為1∶3，HLB值為13，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，壁材中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的條件下，分別研究乳化劑用量為3%、4%、5%、6%時(shí)對(duì)包埋率的影響。

1.3.4.3 明膠含量的影響

在進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)料速度為560 L/h，芯壁比為1∶3，乳化劑用量為3%，HLB值為13，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的條件下，分別研究壁材中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%、40%時(shí)對(duì)包埋率的影響。

1.3.4.4 HLB值的影響

在進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)料速度為560 L/h，芯壁比為1∶3，乳化劑用量為3%，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，壁材中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的條件下，分別研究HLB值為11、12、13、14、15時(shí)對(duì)包埋率的影響。

1.3.4.5 進(jìn)風(fēng)溫度的影響

在進(jìn)料速度為560 L/h，芯壁比為1∶3，乳化劑用量為3%，HLB值為13，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，壁材中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的條件下，分別研究進(jìn)風(fēng)溫度為160、175、190、205 ℃時(shí)對(duì)包埋率的影響。

1.3.4.6 進(jìn)料速度的影響

在進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，芯壁比為1∶3，乳化劑用量為3%，HLB值為13，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，壁材中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的條件下，分別研究進(jìn)料速度為480、560、640、720 L/h時(shí)對(duì)包埋率的影響。

1.3.4.7 固形物含量的影響

在進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃，進(jìn)料速度為560 L/h，芯壁比為1∶3，乳化劑用量為3%，HLB值為13，壁材中明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的條件下，分別研究固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、25%、30%、35%時(shí)對(duì)包埋率的影響。

1.3.5 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取對(duì)白術(shù)揮發(fā)油包埋率影響較大的芯壁比(A)、明膠含量(B)、固形物含量(C)、HLB值(D)4個(gè)因素，以揮發(fā)油包埋率為主要指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，研究噴霧干燥法制備白術(shù)揮發(fā)油微膠囊的最優(yōu)工藝方案，實(shí)驗(yàn)參數(shù)水平見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面因素水平表

1.3.6 統(tǒng)計(jì)分析

響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用 Design-expert 10.0.7 軟件進(jìn)行分析，其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果用Origin7.5軟件處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

芯壁比、乳化劑用量、HLB值及明膠含量對(duì)包埋率的影響見(jiàn)圖1。由圖1可看出，隨著壁材比例的增加，包埋率呈先增后減的趨勢(shì)，在芯壁比為1∶3時(shí)，包埋率最高達(dá)到85.21%。這是由于壁材過(guò)少會(huì)導(dǎo)致芯材不能完全被包埋，壁材過(guò)多會(huì)導(dǎo)致霧化效率下降，芯材在霧化時(shí)揮發(fā)[11]，形成不含芯材的空囊造成壁材浪費(fèi)，因此選取1∶3為最佳芯壁比。隨著乳化劑用量的增多，包埋率呈先增后減的趨勢(shì)，在乳化劑用量為5%時(shí)，包埋率最高達(dá)到87.78%。這是由于乳化劑用量偏低時(shí)，溶液乳化效果不佳，穩(wěn)定性差，乳化劑過(guò)多時(shí)，揮發(fā)油在溶液中形成的液滴尺寸過(guò)細(xì)，容易在噴霧干燥過(guò)程中與水分同時(shí)蒸發(fā)，從而降低包埋率[12]。隨著HLB值的增大，包埋率呈先增后減的趨勢(shì)，在HLB值為13時(shí)，包埋率最高達(dá)到86.22%。因此，選擇HLB的最佳值為13。隨著明膠含量的增加，微膠囊的包埋率呈先增后減的趨勢(shì)，在明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，包埋率達(dá)到最佳值為86.52%。明膠含量的增加，導(dǎo)致乳液黏度明顯增加，這可能導(dǎo)致噴霧干燥期間霧化效果變差，形成具有大粒徑分布的不規(guī)則顆粒。由于較大顆粒所需干燥時(shí)間較長(zhǎng)，因此導(dǎo)致腔壁上積聚一些干燥不完善的顆粒，影響微膠囊的品質(zhì)[13]。

圖1 各因素對(duì)微膠囊包埋率的影響

進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料速度和固形物含量對(duì)包埋率的影響見(jiàn)圖2。由圖2可看出，隨著進(jìn)風(fēng)溫度增大，包埋率呈先增后減的趨勢(shì)，在進(jìn)風(fēng)溫度為175 ℃時(shí)，包埋率最高達(dá)到87.78%。當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度超過(guò)175 ℃后，包埋率開(kāi)始逐漸下降，其主要原因是溫度過(guò)高，水分散失速度過(guò)快，囊壁表面會(huì)出現(xiàn)裂縫，部分產(chǎn)品甚至?xí)豢窘筟14]。隨著進(jìn)料速度增大，包埋率呈先增后減的趨勢(shì)，在進(jìn)料速度為640 mL/h時(shí)，包埋率最高達(dá)到87.32%。進(jìn)料速度太低，水分蒸發(fā)過(guò)度，在高溫下造成芯材損失。進(jìn)料速度太快，水分蒸發(fā)不徹底，不能形成良好的致密性和一定強(qiáng)度的囊壁，使得包埋率下降。隨著固形物含量增大，包埋率呈持續(xù)上升的趨勢(shì)，在固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%以后上升趨勢(shì)相對(duì)減緩，且噴霧干燥過(guò)程中排氣管口揚(yáng)出大量粉塵，微膠囊粉末減少，此外固形物濃度過(guò)高乳狀液的黏度就會(huì)越大，影響產(chǎn)品噴霧干燥后的效果，因此固形物濃度控制在30%左右[15]。

圖2 各因素對(duì)微膠囊包埋率的影響

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面因素水平表見(jiàn)表2。響應(yīng)面結(jié)果分析使用軟件Design-expert 10.0.7，以壁芯比、明膠含量、固形物含量、HLB值為變量，以包埋率為響應(yīng)值，對(duì)表2 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到回歸方程方差分析表3。用該軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合得到預(yù)測(cè)模型回歸方程：

Y=84.94-3.64A+1.04B+2.14C+1.97D-3.03AB+0.17AC-0.063AD-3.21BC+3BD+3.06CD-4.41A2-2.6B2-1.64C2-5.12D2

對(duì)擬合方程進(jìn)行相應(yīng)的手動(dòng)優(yōu)化，剔除不顯著項(xiàng)，得到簡(jiǎn)化模型方程為：

Y=84.94-3.64A+1.04B+2.14C+1.97D-3.03AB-3.21BC+3BD+3.06CD-4.41A2-2.6B2-1.64C2-5.12D2

表2 響應(yīng)面優(yōu)化微膠囊工藝中心實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 回歸方程方差分析表

表3為回歸分析結(jié)果。根據(jù)回歸方差分析顯著性檢驗(yàn)，該模型的F=30.58，P<0.000 1，該模型為回歸顯著型；失擬項(xiàng)不顯著，為0.154。該模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)有很好的擬合性，可用于白術(shù)揮發(fā)油微膠囊工藝條件優(yōu)化的預(yù)測(cè)。

由表3可看出一次項(xiàng)A、C、D都達(dá)到極顯著的水平，B達(dá)到顯著水平，說(shuō)明芯壁比、固形物含量、HLB值對(duì)微膠囊制備工藝有較大的影響；交互項(xiàng)AB、BD、BC、CD極顯著，AC、AD項(xiàng)不顯著；二次項(xiàng)均極顯著。包埋時(shí)4個(gè)因素對(duì)微膠囊包埋率影響順序?yàn)楸谛颈?固形物含量>HLB值>明膠含量。

由RSM結(jié)果得出最優(yōu)方案：芯壁比為0.32，明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.13%，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.51%，HLB值為13.53，此時(shí)獲得最佳包埋率為87.41%。對(duì)最佳方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)芯壁比為0.32，明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，HLB值為13.5時(shí)包埋率最大為 88.35%，與模型預(yù)測(cè)值十分接近，模型的可靠性得以驗(yàn)證。

3 結(jié)論

噴霧干燥法制備白術(shù)揮發(fā)油微膠囊的最佳工藝條件為：進(jìn)風(fēng)溫度175 ℃，進(jìn)料速度640 L/h，乳化劑用量5%，芯壁比0.32，明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)21.13%，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)29.51%，HLB值為13.53，此時(shí)獲得的包埋率最大(88.35%)，與模型預(yù)測(cè)值十分接近，證明該模型有效。說(shuō)明以明膠和蔗糖為壁材，采用噴霧干燥法制備白術(shù)揮發(fā)油微膠囊是可行的。