響應(yīng)面試驗優(yōu)化飽和水溶液法制備紫蘇精油β-環(huán)糊精包合物工藝及其理化性質(zhì)

方浩標(biāo)　李春?！堢姟埩帷⌒茚∨淼鼐暋≈x亞水　徐井水

摘要：建立飽和水溶液法制備紫蘇精油β-環(huán)糊精（β-CD）包合物的最佳工藝，通過單因素實驗，考察β-CD與紫蘇精油的比值、溫度、時間、超聲時間對紫蘇精油包埋率的影響，采用Box-Behnken實驗設(shè)計和響應(yīng)面分析優(yōu)化紫蘇精油微膠囊的包埋工藝。結(jié)果顯示最佳的包合條件為：β-CD與紫蘇精油比值7：1（g/g）、溫度53°C、時間100min，在此最佳工藝條件下，紫蘇精油β-CD包合物的包埋率約73%。紅外光譜、掃描電鏡和熱重分析證實了紫蘇精油β-CD包合物的形成，為其作為天然抗菌劑和防腐劑應(yīng)用于食品活性包裝領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：紫蘇精油;β-CD包合物;Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計;理化性質(zhì)

中圖分類號：TB48

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1400（2019）01-0047-08

Response Surface Optimization of Preparation of Perilla Oil-Β-Cyclodextrin Inclusion Compound Using Saturated Water Solution Method， And Its Physico- Chemical Properties

FANG Hao-biao， LI Chun-hai， ZHANG Zhong， ZHANG Ling， XIONG Cen， PENG Di-wei， XIE Ya-shui， XU Jing-shui

Abstract： To prepare the β-cyclodextrin （β-CD） inclusion of Perilla oil with a saturated aqueous solution， single factor experiments were used to examine the influence of proportions of wall-to-core ratio， stirring temperature， inclusion time on microencapsulation efficiency. The selected key parameters were optimized using response surface methodology with Box-Behnken experimental design. The results showed that the optimal process parameters were as follows： wall-to-core ratio of 7：1， stirring temperature of 53 °C， inclusion time of 100 min. Under these conditions， the microencapsulation efficiency was approximately 73%. The successful formation of microcapsules of Perilla oil in β-CD was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy （FTIR）， scanning electron microscope （SEM） and thermo- gravimetric analysis （TGA）. Therefore， it provided a theoretical basis application in food active packaging of Perilla oil.

Keywords： Perilla oil; β-CD inclusion compound; Box-Behnken response surface design; physicochemical properties

紫蘇精油（Perillaoil）多是從紫蘇的葉子和籽中提取的一種揮發(fā)性活性精油，具有多種功能如抗氧化、抗菌、抗病毒、殺蟲的功效等[1-3]。紫蘇精油作為天然抗氧化劑現(xiàn)已成為國內(nèi)外科研領(lǐng)域的研究熱點，廣泛用于食品工業(yè)、醫(yī)藥、包裝材料等工業(yè)原料的供應(yīng)，具有重大的科研價值[4-6]。然而，紫蘇精油也存在較多不足，如強揮發(fā)性、光敏感性、易降解性且極易被氧化性，在生產(chǎn)與運輸過程中易發(fā)生損失，這些限制了其在食品包裝、農(nóng)業(yè)及其它領(lǐng)域的應(yīng)用[7-8]。為此，利用包合物緩釋技術(shù)，形成有效的調(diào)控釋放系統(tǒng)，提高精油的穩(wěn)定性[9-10]。

β-環(huán)糊精（Cycolodextrin，β-CD）常用的壁材物質(zhì)，與精油分子形成包合物[11]，這是因為以下幾方面原因;首先，β-CD空腔是疏水的，精油分子的非極性越高，越易被其它包合;其次，當(dāng)疏水親脂的精油分子進入β-CD空腔后，其疏水基團與β-CD空腔接觸最大，然而其親水基團卻遠離空腔;另外，β-CD孔徑大小不同，能分別選擇容納體積大小與其空腔相匹配的精油分子，這樣形成的包合物較穩(wěn)定[12-13]。本研究擬采用飽和水溶液法制備紫蘇精油β-CD包合物，并進行一系列單因素實驗和響應(yīng)面實驗來優(yōu)化包合工藝，實現(xiàn)有效延緩紫蘇精油的揮發(fā)、延長精油的緩釋效果。因此，紫蘇精油包合物可以作為抗菌劑和防腐劑應(yīng)用于生物基可降解活性食品包裝領(lǐng)域中。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫蘇精油，天津百世化工有限公司;β-環(huán)糊精（β-CD，壁材），河南雙騰實業(yè)有限公司;無水乙醇（分析純），天津市百世化工有限公司，等。

1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;傅里葉紅外光譜儀（FTIR），美國電熱公司;掃描電子顯微鏡（SEM），日本電子株式會社;超聲波清洗器，德國Elma公司;TGAI型熱重分析儀，瑞士梅特勒公司，等。

1.3 實驗方法

1.3.1 紫蘇精油β-CD微膠囊的制備

參考林玉環(huán)等[14]適當(dāng)修改后，采用飽和水溶液法來制備紫蘇精油β-CD包合物。稱取適量β-CD倒入燒杯內(nèi)，加入一定量的蒸餾水，在恒溫油浴鍋中攪拌溶解至溶液由乳白色剛好變?yōu)槌吻鍨橹?，為?CD的飽和溶液。取1g的紫蘇精油，在一定溫度條件下，將其逐滴加入到飽和溶液中，待出現(xiàn)渾濁且有白色沉淀出現(xiàn)時，繼續(xù)攪拌至規(guī)定時間，停止加熱，繼續(xù)攪拌至室溫。將其放置在4°C冰箱冷藏24h，待β-CD包合物充分析出，抽濾，濾渣用蒸餾水和無水乙醇分別洗滌3次，洗去吸附在β-CD空腔外部的紫蘇精油和未包埋的β-CD，然后于50°C真空干燥箱至恒重，得紫蘇精油β-CD包合物。

1.3.2 包合物的效果評價

1.3.2.1 紫蘇精油的標(biāo)準(zhǔn)曲線制作[15]

精確稱取10mg紫蘇精油標(biāo)準(zhǔn)品，于100mL容量瓶中用無水乙醇溶解，稀釋適當(dāng)倍數(shù)，以無水乙醇為空白，在200～400nm波長范圍掃描，確定最大吸收波長204nm處。精確量取一定紫蘇精油標(biāo)準(zhǔn)液，用無水乙醇稀釋為質(zhì)量濃度分別為1、3、5、7、9μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液，于204nm波長處測定吸光度，并以吸光度為縱坐標(biāo)（Y）、紫蘇精油標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（X），得到標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=4.62x+0.1314，R2=0.9978（n=5）。

1.3.2.2 紫蘇精油含量測定

精確稱取20mg包合物品于潔凈干燥的稱量紙上，將其轉(zhuǎn)移至50mL的容量瓶內(nèi)，用無水乙醇定容至刻度線，搖勻，通過預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)制得的包合物產(chǎn)品于超聲45min，紫蘇精油的浸出效果最佳。將50mL容量瓶超聲45min。震蕩結(jié)束后搖勻，從容量瓶內(nèi)取適量的混合液于離心管內(nèi)，在3500r/min和25°C下高速離心15min。倒出適量上清液并測出其在最大吸收波長（204nm）下的吸光值。最后根據(jù)繪制出的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算包合物中紫蘇精油的含量。

1.3.3 單因素實驗與因素水平選擇

（1）壁芯比對包埋效果的影響，固定包合溫度為60°C、攪拌時間為1h，設(shè)置芯壁材比分別為4：1、6：1、8：1、10：1、12：1，考察不同壁芯比對包合物包埋率的影響。

（2）溫度對包埋效果的影響，固定壁芯比為8：1、攪拌時間為1.5h，設(shè)置包合溫度分別為40、50、60、70、80°C，考察不同溫度對包合物包埋率的影響。

（3）攪拌時間對包埋效果的影響，固定壁芯比為8：1、包合溫度為60°C，設(shè)置攪拌時間分別為30、60、90、120、150min，考察不同攪拌時間對包合物包埋率的影響。

1.3.4 響應(yīng)面試驗

在單因素實驗基礎(chǔ)上，采用Design-ExpertV8.06軟件，根據(jù)Box-Behnken實驗設(shè)計原理，選擇對包合物包埋率影響顯著的壁芯比（A）、包合溫度

（C）、包合時間（B）為自變量，以包埋率為響應(yīng)值，篩選紫蘇精油β-CD包合物最佳工藝參數(shù)，實驗因素與水平設(shè)計見表1。

1.3.5 表征方法

制備樣品的理化性質(zhì)表征采用掃描電鏡、傅里葉紅外光譜儀、激光粒度分析儀和熱重分析儀對其進行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 芯壁材比對包埋效果的影響

考察因素如壁芯比、包合溫度和包合時間對β-CD紫蘇精油包合物包合率的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，飽和水溶液法制備紫蘇精油β-CD包容物單因素分析結(jié)果顯示，β-CD與紫蘇精油質(zhì)量比8：1;包合溫度應(yīng)控制在60°C;包合時間為90min左右最佳。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

基于單因素試驗結(jié)果，選擇對包埋率影響顯著的壁芯比（A）、包合時間（B）、包合溫度（C）為自變量，以包埋率為響應(yīng)值，設(shè)計了三因素三水平響應(yīng)面分析試驗，試驗方案及結(jié)果見表2，采用Design-ExpertV8.06軟件對試驗數(shù)據(jù)進行二次響應(yīng)面回歸分析，得到的包合物包埋率與各因變量的模擬方程為：

Y=72.54-139·A+0.23·B-2.85·C+0.72·A·B+1.48·A·C+0.53·B·C-2.31·A2-2.15·B2-2.65·C2。

2.2.2 響應(yīng)面方差分析結(jié)果

方差分析見表3，該模型的P<0.01，說明該二次方程模型為極顯著。決定系數(shù)為R2=0.9152，說明該回歸模型的擬合情況較好，回歸方程代表性較好，其響應(yīng)值的變化有91.52%來自于所選的變量;模型調(diào)整系數(shù)（RAdj2）為0.8061，表明該回歸模型的擬合情況良好，實際值與預(yù)測值較為接近;模型精密度為7.919，>4，說明該模型是可行的，其可靠性可通過方差分析及相關(guān)系數(shù)來考察[16]。從回歸方程各項的方差分析結(jié)果還可看出方程的失擬項P值為0.0913，不顯著，表明該方程對試驗擬合程度好、誤差小，可用該回歸方程代替試驗真實點對試驗結(jié)果進行分析和預(yù)測，因此將該模型適于飽和水溶液法制備紫蘇精油β-CD包合物工藝參數(shù)優(yōu)化。

由表3中F值的大小可判斷各因素對包合物包埋率影響的強弱，F(xiàn)值越大，對包埋率影響作用越強[17]。各個因素對紫蘇精油β-CD包合物包埋率的影響程度大小的次序為包合溫度（C）>壁芯比（A）>包合時間（B）。其中C、C2對包埋率的影響極顯著（P<0.01）;A、A2、B2對包埋率的影響顯著（P<0.05）。

2.2.3 響應(yīng)面分析

紫蘇精油β-CD包合物包合響應(yīng)面（圖4）可直觀的反映出，壁芯比和包合溫度對包合物包埋率的影響顯著。在包合溫度和包合時間不變的條件下，隨著壁芯比的增加，包埋率先上升后趨向平緩。在壁芯比和包合時間不變的情況下，包埋率先隨著包合溫度的增大而升高，達60°C后包埋率升高不顯著。當(dāng)壁芯比和包合溫度不變時，隨著包合時間的增加，包埋率先升高后下降，90min達最大值。根據(jù)等高線圖可知，壁芯比和包合溫度的等高線呈橢圓形，說明兩者交互作用顯著;壁芯比和包合時間、包合溫度和包合時間的等高線圖接近圓形，說明其交互作用均不顯著。

通過回歸模型預(yù)測的包合物包合制備最優(yōu)條件：β-CD：紫蘇精油比值為6.75：1，包合溫度52.98°C，包合時間99.07min，包埋率預(yù)測值為73.49%。為了便于操作最優(yōu)條件修正為β-CD：紫蘇精油比值為7：1，包合溫度53°C，包合時間100min，在此條件下。在此條件下做6組驗證實驗，β-CD對紫蘇精油的包埋率達73.24%±0.50，與預(yù)測值相差不大，標(biāo)準(zhǔn)差為0.34%，模型真實可靠。

2.3 理化表征

2.3.1 表觀形貌分析

采用掃描電鏡對β-CD和最佳水平下制得的包合物的表面形貌進行掃描，掃描如圖3。

由圖3可見，β-CD外形為斜菱形，顆粒大小不均且分布散亂，表面沒有破裂，也沒有明顯的折皺;然而，由β-CD與紫蘇精油形成的包合物晶體的SEM圖可見，包合物顆粒大小趨于均勻，聚集性更強，表面開始出現(xiàn)了皺褶和凹痕，這使得它與混溶體系中的其他物質(zhì)分子進行碰撞時，能夠產(chǎn)生一定的包埋作用。對比圖3（a-b）形貌變化，預(yù)示著紫蘇精油已被β-CD包埋。

2.3.2 FTIR分析

紫蘇精油、β-CD及它們的包合物FTIR結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）和圖4（c）可知，紫蘇精油原本在3010cm-1，1747cm-1和1463cm-1的特征吸收峰在包合物中出現(xiàn)位移，且2855cm-1，1747cm-1處的峰值強度減弱。然而，圖4（b）和圖4（c）中，在3387cm-1，1417cm-1，1154cm-1，1031cm-1包合物和β-CD均有吸收峰，峰形相同;但兩者之間的吸收峰也存在差異，1640cm-1出吸收峰發(fā)生了位移。結(jié)果顯示：紫蘇精油-β-CD包合物成功合成。

2.3.3 粒徑分析

使用激光粒度分析儀對優(yōu)選制備的紫蘇精油-β-CD包合物進行粒徑分析，結(jié)果如圖5。

由圖5可以看出紫蘇精油-β-CD包合物的粒徑呈現(xiàn)一種正態(tài)分布，粒徑分布主要集中在80～90μm，平均粒徑約為86μm，這與SEM圖片中的尺寸基本相符。

2.3.4 TG分析

熱重分析儀對β-CD和制備得到的紫蘇精油包合物進行熱重分析，TG曲線見圖6所示。

由圖6（a）可知，β-CD有兩個失重階段，β-CD第一階段是從30°C到終止溫度111°C，失重率為12.56%，此階段為自由水的蒸發(fā)階段;第二階段是從313°C到終止溫度346°C，失重率達到61.54%。圖6（b）可見，包合物的失重同樣分為兩個階段，分別為30～107°C和306～335°C，失重率分別為11.13%和47.68%。包合物在第一階段的失水程度略微弱于β-CD，因為β-CD與紫蘇精油的疏水相互作用使得β-CD內(nèi)腔失去了部分結(jié)晶水。第二階段為壁材熱分解階段，失去壁材的保護后，紫蘇精油也在此階段開始揮發(fā)損失。結(jié)果顯示：包合作用提高了紫蘇精油的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本實驗選用β-CD與紫蘇精油為原料，采用Box-Behnken實驗設(shè)計和響應(yīng)面分析優(yōu)化紫蘇精油-β-CD包合物微膠囊的包埋工藝。結(jié)果顯示：最佳的包合條件為：β-CD與紫蘇精油比值7：1（g/g）、溫度53°C、時間100min，在最佳工藝條件下，紫蘇精油β-CD包合物的包埋率約73%，F(xiàn)TIR證實紫蘇精油被成功包合在β-CD中。包合物的粒徑分布集中在80～90μm;SEM顯示包合物趨于均勻，表面開始出現(xiàn)了皺褶和凹痕;TG結(jié)果表明β-CD與紫蘇精油的相互作用使得體系的熱穩(wěn)定性提高，降低了紫蘇精油的揮發(fā)損失。如此，為紫蘇精油-β-CD包合物作為天然抗氧化劑應(yīng)用于食品活性包裝領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

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