殼聚糖/明膠/纖維素納米晶體復(fù)合壁材制備香精微膠囊

蔣天艷 劉婉嫕 王 聰 李宇航 欒云浩 劉鵬濤

（天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457）

檸檬香精是揮發(fā)性植物油中一種重要的精油，作為香水和化妝品的重要原料之一，被大量運用在化工、食品、醫(yī)療等行業(yè)[1-2]。但是，香精是一種極具活性的物質(zhì)，在儲存或使用時極易造成香精的揮發(fā)、變質(zhì)，使其利用率降低，造成浪費。微膠囊技術(shù)既能使香精反應(yīng)活性降低，又能調(diào)節(jié)其香氣使之穩(wěn)定、長期的散發(fā)[3]。

微膠囊（microcapsules）是以高分子材料為壁材，對化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的氣體、液體或固體進行包裹的一種微型容器[4]。壁材是目前影響微膠囊產(chǎn)品性能的主要因素，比較常見的壁材有殼聚糖、β-環(huán)糊精、明膠、改性淀粉和纖維素衍生物等[5]。殼聚糖（CS）是一種含有氨基的高分子多糖，其反應(yīng)活性強，能被其他物質(zhì)化學(xué)修飾，被視為制備微膠囊的理想壁材[6]。明膠（GE）是重要的天然兩親大分子，具有獨特的功能特性和出色的生物相容性和生物降解性，被廣泛用于食品、微膠囊和制藥工業(yè)[7]。Kanha 等人[8]以明膠-阿拉伯膠和殼聚糖-羧甲基纖維素為原料，采用噴霧-冷凍干燥復(fù)合共混乳液法制備了富含花青素的微膠囊，其包埋率達到84.9%～94.7%。纖維素納米晶體（CNC）是利用酸、酶或機械法去掉纖維素非結(jié)晶區(qū)后剩余的高結(jié)晶區(qū)，因其具有低密度、高比強度和模量，以及高度帶電的表面而受到廣泛的關(guān)注。CNC 既可以作為大分子交聯(lián)劑應(yīng)用于微膠囊壁材，也可以作為壁材的增強劑，改善復(fù)合材料的機械性能，而且不會引起原材料內(nèi)部性能的重大變化[9]。

因此，本研究以CNC 與GE、CS 共同作為微膠囊的壁材，檸檬香精為芯材，采用復(fù)凝聚法制備香精微膠囊。探討香精微膠囊的最佳制備條件，并對香精微膠囊進行表征。

1 實 驗

1.1原料及試劑

檸檬香精，購于嘉興大好家食品科技有限公司。殼聚糖（CS），分子質(zhì)量150～240 kDa，工業(yè)品（脫乙酰度≥95%），購于上海麥克林生化科技有限公司。明膠（GE），購于北京索萊寶科技有限公司。纖維素納米晶體（CNC），以硫酸水解法實驗室自制。冰乙酸，分析純，購于天津渤化化學(xué)試劑有限公司。吐溫-20，購于上海麥克林生化科技有限公司。乙醇，分析純，購于天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠。

1.2香精微膠囊的制備

1.2.1CS/GE/CNC香精微膠囊（香精微膠囊）的制備

將CS粉末溶解于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的稀醋酸（冰乙酸稀釋后得到）中，制備成帶正電荷的CS 溶液，磁力攪拌30 min 后用0.2 μm 的微孔濾膜過濾。將一定量的GE 溶解于40℃的水中，加入檸檬香精和吐溫-20，磁力攪拌30 min，使其充分乳化。調(diào)節(jié)pH 值至5.8～6.2，然后在劇烈攪拌下將CS-醋酸溶液滴加到GE 乳液當(dāng)中，繼續(xù)攪拌30 min。再將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CNC 加入至上述攪拌好的溶液中，繼續(xù)攪拌2 h。反應(yīng)結(jié)束后于室溫下離心、抽濾、洗滌、真空冷凍干燥得到香精微膠囊。

1.2.2CS/GE香精微膠囊的制備

首先將CS粉末溶解在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的稀醋酸中配制成CS-稀醋酸溶液，磁力攪拌30 min 后用0.2 μm的微孔濾膜過濾。將一定量的GE 溶于40℃的水中，并加入檸檬香精和乳化劑吐溫-20，高速攪拌30 min。將攪拌好的乳液調(diào)節(jié)pH 值至6.0～6.3，隨后向乳液中滴加CS-稀醋酸溶液繼續(xù)攪拌1 h。反應(yīng)結(jié)束后于室溫下離心、抽濾、洗滌、真空冷凍干燥得到CS/GE香精微膠囊。

1.3香精微膠囊包埋率的測定

香精微膠囊表面檸檬香精質(zhì)量的測定：稱取1 g香精微膠囊溶于10 mL 乙醇中，在8000 r/min 下離心30 min 后用0.2 μm 的濾膜抽濾得到上清液，采用TU-1810 型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）在240 nm 處測定上清液中檸檬香精的吸光度，根據(jù)檸檬香精紫外標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出香精微膠囊表面的檸檬香精質(zhì)量。

香精微膠囊中檸檬香精總質(zhì)量的測定：稱取1 g香精微膠囊樣品溶于10 mL乙醇中，經(jīng)30℃，600 W超聲波處理1 h 使香精微膠囊的壁材破碎[10]，再用紫外可見分光光度計測量240 nm 波長下檸檬香精的吸光度，計算出香精微膠囊表面和包埋其中的檸檬香精總質(zhì)量。

式中，Q為包埋率，%；Wt為香精微膠囊表面的檸檬香精質(zhì)量，mg；W0為香精微膠囊中檸檬香精總質(zhì)量，mg。

1.4香精微膠囊粒徑的測定

使用純凈水作為背景，測定背景后加入香精微膠囊分散液使溶液充分混合，控制其濃度在可測試范圍內(nèi)，通過LS13320 型激光粒度分析儀（LDPSA，美國貝克曼庫爾特公司）測定香精微膠囊粒徑大小和分布狀況。

1.5香精微膠囊結(jié)構(gòu)性能分析

采用JSM-IT300LV 型掃描電子顯微鏡（SEM，日本電子公司）觀測香精微膠囊的微觀形貌；采用TENSOR II 型傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，天津港東科技發(fā)展股份有限公司）分別對CS、CNC、GE、液體檸檬香精及香精微膠囊粉末進行紅外光譜測定；采用Bruker D8 型X 射線衍射儀（XRD，德國布魯克AXS 公司）對壁材和香精微膠囊的結(jié)晶情況進行分析。采用SDT650 型熱重分析儀（TGA，美國TA 儀器）分析壁材和香精微膠囊的熱穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)對香精微膠囊粒徑及包埋率的影響

固定CNC 溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，乳化速度為700 r/min，芯壁比（芯材與壁材的質(zhì)量比）為2∶1，考察壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對香精微膠囊包埋率和粒徑的影響。

由圖1 可知，隨著壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，包埋率先升高后降低，香精微膠囊的粒徑呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時，香精微膠囊包埋率達到最大。當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時，香精微膠囊的粒徑增大，但包埋率反而下降，這是由于此時單位體積內(nèi)的壁材濃度過高導(dǎo)致壁材相互粘連，乳化不充分，包埋效果減弱。

圖1 壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)對粒徑和包埋率的影響Fig.1 Effect of mass fraction of wall material on particle size and encapsulation efficiency

2.2CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對香精微膠囊粒徑及包埋率的影響

固定壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，乳化速度為700 r/min，芯壁比為2∶1，考察CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對香精微膠囊包埋率和粒徑的影響。

由圖2可知，隨著CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，香精微膠囊的粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而包埋率則呈現(xiàn)完全相反的趨勢。當(dāng)CNC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時，香精微膠囊的粒徑和包埋率分別達到了最小和最大值，這是由于CS 中帶正電荷的-NH3+與CNC 中帶負(fù)電荷的-SO42-和GE 中帶負(fù)電荷-COO-3 種電荷達到平衡摩爾配比。繼續(xù)增大CNC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會導(dǎo)致體系中陰離子濃度增大，正負(fù)電荷平衡遭到破壞，致使粒徑增大，而包埋率減小。

圖2 CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對粒徑和包埋率的影響Fig.2 Effect of CNC mass fraction on particle size and encapsulation efficiency

2.3芯壁比對香精微膠囊粒徑及包埋率的影響

芯壁比為芯材檸檬香精與壁材的質(zhì)量比，檸檬香精與壁材質(zhì)量比的變化影響了粒徑和包埋率，通過改變檸檬香精添加量即達到芯壁比的變化，所以此處討論了檸檬香精添加量的變化對香精微膠囊粒徑和包埋率的影響。固定壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，乳化速率為700 r/min。

由圖3 可知，隨著檸檬香精添加量的增加即芯壁比的增大，香精微膠囊的粒徑先增大后減小，包埋率也呈現(xiàn)了先增加后下降的趨勢。這是由于當(dāng)檸檬香精添加量較少時，檸檬香精形成了極小的液滴分散于溶液中，CS 與GE、CNC 交聯(lián)形成壁材時包裹的檸檬香精含量較少，致使香精微膠囊粒徑較小。但是隨著檸檬香精添加量的增加，檸檬香精液滴之間相互碰撞發(fā)生聚集導(dǎo)致檸檬香精液滴逐漸增大，從而導(dǎo)致香精微膠囊的粒徑逐漸變大。當(dāng)芯壁比高于2∶1 時，體系中的壁材含量減少，香精微膠囊壁變薄，粒徑開始變小。當(dāng)芯壁比為3∶1 時，香精微膠囊的包埋率達到最大，之后也開始下降。

圖3 芯壁比對粒徑和包埋率的影響Fig.3 Effect of core-wall ratio on particle size and encapsulation efficiency

2.4乳化速率對香精微膠囊粒徑和包埋率的影響

固定壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，芯壁比為3∶1，考察乳化速率對香精微膠囊粒徑和包埋率的影響。

由圖4 可知，隨著乳化速率的增加，粒徑先減小后增大，包埋率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是由于乳化速率較小時，油相不能被很好地乳化，乳化不均勻?qū)е铝捷^大。在乳化速率為900 r/min 時，香精微膠囊的包埋率最大，為74.35%。當(dāng)乳化速率繼續(xù)增大時，包埋率明顯降低。這是由于乳化速率太大時產(chǎn)生了大量的泡沫，影響了香精微膠囊的質(zhì)量。

圖4 乳化速率對粒徑和包埋率的影響Fig.4 Effect of emulsification rate on particle size and encapsulation efficiency

綜上所述，最佳制備工藝條件為壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，芯壁比3∶1，乳化速率900 r/min。

2.5SEM分析

香精微膠囊的微觀形態(tài)在香精包埋過程中起著至關(guān)重要的作用，會影響最終產(chǎn)品的物理化學(xué)特性[11]。圖5 為香精微膠囊放大3500 倍和13000 倍的SEM 圖，從圖5可以看出，香精微膠囊整體接近球形，表面沒有縫隙或裂紋，有利于降低透氣性，對芯材實現(xiàn)更好的保護。然而有些香精微膠囊表面出現(xiàn)皺縮，這是由于小液滴干燥初始階段形成不均勻表面膜所致。從圖5(a)還可以看出，香精微膠囊的粒徑分布大多在1.8～5.2 μm 范圍內(nèi)。香精微膠囊顆粒呈現(xiàn)出不同程度的團聚，主要歸因于壁材的吸濕特性。

圖5 香精微膠囊的SEM圖Fig.5 SEM images of lemon fragrant microcapsules

2.6FT-IR分析

圖6 為CNC、CS、GE、檸檬香精和香精微膠囊的FT-IR 譜圖。從圖6 可以看出，CNC 具有以下特征峰：3343 cm-1處為—OH 的伸縮振動峰，2898 cm-1處為C—H 的伸縮振動峰，1382 cm-1處為C—H 的彎曲振動峰，1058 cm-1處為C—O—C伸縮振動峰[12]。

CS 在2884 cm-1處出現(xiàn)C—H 的伸縮振動吸收峰，1643 cm-1處為酰胺Ⅰ帶的C=O 伸縮振動吸收峰，1612 cm-1處為—NH2的變形振動吸收峰，1083 cm-1處出現(xiàn)—CH3對稱變形振動以及C—O骨架振動吸收峰。

GE 是一種蛋白質(zhì)，具有4 個特征吸收峰，即酰胺A 帶、酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶[13]。由圖6可知，3432 cm-1為N—H 的伸縮振動峰，1635 cm-1處為酰胺Ⅰ帶的C=O的伸縮振動峰[14]。

圖6 FT-IR譜圖Fig.6 FT-IR spectra

檸檬香精出現(xiàn)了大量的吸收峰，表明其存在大量的官能團。879 cm-1處為=C—H 彎曲振動峰，1045 cm-1處為苯環(huán)上C—H 伸縮振動峰。1382、1643和2973 cm-1處分別為C—O—C、C=C 和C—H 的伸縮振動峰[15]。

香精微膠囊在相應(yīng)位置出現(xiàn)了壁材明顯的特征吸收峰，CNC 中帶負(fù)電的SO2-與CS 和GE 中帶正電的NH3+發(fā)生靜電吸引，CS中—NH2變形振動吸收峰移至1631 cm-1和1735 cm-1處，同時在1108 cm-1處出現(xiàn)了C—O—S 的伸縮振動吸收峰，在2337 cm-1處為—SH的伸縮振動峰[16]，由此也可推斷CNC 與CS、GE 之間發(fā)生了復(fù)凝聚反應(yīng)。

2.7XRD分析

圖7為CS、CNC、GE、CS/GE香精微膠囊和香精微膠囊的XRD 譜圖。從圖7 可以看出，CS 在2θ=20.48°時的寬峰表明其為無定型態(tài)[17]。CNC 在2θ=15.14°、16.44°、23°、34.84°出現(xiàn)特征峰，對應(yīng)纖維素Ⅰ的()(110)(200)和(004)[18]。GE為無定型聚合物，其衍射峰形寬闊而彌散。CS 和GE 反應(yīng)形成壁材之后，其衍射吸收峰移至2θ=20.58°，且結(jié)晶度降低。加入CNC 后，新增1 個2θ=22.66°的衍射峰，為CNC的特征峰，說明CNC 被成功地加入到CS/GE 香精微膠囊中，形成香精微膠囊。此外，在XRD 圖中沒有檢測到其他雜質(zhì)晶相的峰。

圖7 XRD譜圖Fig.7 XRD spectra

2.8熱穩(wěn)定性分析

圖8為CNC、CS、GE、CS/GE香精微膠囊和香精微膠囊TGA 圖。從圖8 可以看出，CS、CNC 和GE 的初始分解溫度分別為238、350、207℃，分別在301、405、316℃時質(zhì)量損失速率最大。溫度高于500℃時，樣品基本完全分解，因此各樣品的殘留質(zhì)量基本不變。比較CS/GE 香精微膠囊和香精微膠囊的TGA 曲線，整個質(zhì)量損失過程中CS/GE 的質(zhì)量損失均大于CS/GE/CNC，且香精微膠囊的殘留質(zhì)量比CS/GE 香精微膠囊高，說明香精微膠囊的熱穩(wěn)定性高于CS/GE香精微膠囊。

圖8 TGA曲線Fig.8 TGA curves

3 結(jié)論

本研究以殼聚糖（CS）、明膠（GE）和纖維素納米晶體（CNC）為壁材，檸檬香精為芯材，采用復(fù)凝聚法制備香精微膠囊。

3.1壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，芯壁比3∶1，乳化速率900 r/min 時制得的香精微膠囊包埋率最佳，為74.35%。傅里葉變換紅外光譜表明，CS、GE 和CNC 之間發(fā)生了靜電吸引，并且檸檬香精被包埋進了香精微膠囊中。

3.2掃描電子顯微鏡（SEM）表明，香精微膠囊表面光滑，粒徑主要集中在1.8～5.2 μm 之間，香精微膠囊沒有出現(xiàn)裂痕或孔隙等，包埋效果良好。X 射線衍射儀（XRD）分析可知，CNC被成功地加入到CS/GE微膠囊中，形成CS/GE/CNC香精微膠囊。

3.3通過熱重分析可知，隨著溫度的升高，檸檬香精從微膠囊的孔隙中被緩慢釋放出來，CS/GE/CNC香精微膠囊比CS/GE 香精微膠囊具有更好的熱穩(wěn)定性，更能保護檸檬香精在200℃下的緩慢釋放。