Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化β-環(huán)糊精艾草精油包合物的制備及其性能

錢曉明，王 浩，王立晶，宋 兵，李 芳，王舉朝

（天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387）

自2019年末新型冠狀病毒爆發(fā)以來，口罩成為了人們不可或缺的防護品。普通口罩只具備防護、阻隔作用，佩戴4 h后就會滋生大量細菌[1]，市面上具有抗菌功能的口罩大多是添加了無機金屬離子，但是無機金屬離子抗菌時效較短，還會對人體造成一定傷害，因此限制了其廣泛應(yīng)用，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向天然抗菌劑。艾草精油（wormwood essential oil，WO）是從艾草的莖和葉中提取出來的，提取方式主要有：索氏提取、超臨界CO2提取、浸取法、直接煎煮法、乙醇提取法等[2-3]。艾草精油中含有較多的倍半萜和單萜類化學(xué)成分[4]，具有廣譜抑菌作用和良好的醫(yī)療保健作用[5]，但艾草精油具有濃烈香氣，容易揮發(fā)，易隨水蒸氣蒸發(fā)出油狀液體，對空氣、陽光較為敏感，不耐酸堿，容易氧化變質(zhì)且水溶性差[6]，所以它對保存條件要求較高，保質(zhì)期較短，這就限制了艾草精油的應(yīng)用場景，故可利用微膠囊技術(shù)對其進行包覆，以達到緩慢釋放、抗菌耐久的效果。近年來，已有將艾草精油用于紡織品抗菌處理的報道，王輝[7]通過復(fù)合凝聚法以明膠和阿拉伯樹膠為壁材、艾草精油為芯材，制備了艾草精油微膠囊，并將其應(yīng)用于棉織物的抗菌整理。呂淑揚[8]制備了耐酸堿的蘄艾精油-丙烯酸樹脂微膠囊，并將其用于濕法紡絲，制備了具有抗菌功能的粘膠纖維，使得艾草精油具有抗菌效率更高、抗菌時效持久等優(yōu)點[9]。

環(huán)糊精（cyclodextrin，CD）是一類環(huán)狀低聚糖，由α-1，4連接的吡喃葡萄糖亞單位組成[10]。CD耐高溫，分解溫度在300℃左右，自從1998年以來一直在GRAS名單上，無毒無害[11]。最常見的CD有3種類型：α-環(huán)糊精（α-CD）、β-環(huán)糊精（β-CD）和γ-環(huán)糊精（γ-CD），它們分別由6個、7個和8個葡萄糖單元組成[12]，3種CD的腔深約為0.8 nm，但腔的直徑是不同的。CD有一個親水的外表面和一個中空的疏水內(nèi)部，這個空腔可以容納另一個親脂分子（客體）[13]。CD與芯材可以形成摩爾比為1∶1的包合物，如反式肉桂醛[14]、丁醇[15]、肉桂樹皮提取物[16]和丁香芽提取物分子[17]等。用CD封裝精油的同時，納米封裝技術(shù)可以保護活性成分并通過長效緩釋控制活性組分的釋放，能有效改善其水溶性[18]。這不僅可以掩蓋精油刺鼻的味道，還可以防止芯材氧化或熱損傷[19]，使得精油在各種環(huán)境條件下和較長的時間段內(nèi)保持有效的抗菌性能[20]。

響應(yīng)面分析法即響應(yīng)曲面設(shè)計方法（response surface methodology，RSM），是利用合理的試驗設(shè)計方法并通過實驗得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法?？紤]到功能性紡織品的天然抗菌應(yīng)用的有效性和長效性要求，本研究選用β-CD為壁材，通過單因素實驗和Box-Behnken響應(yīng)面法探究最佳反應(yīng)條件，探究包合物的最高包埋得率的實驗條件，以達到長期緩釋和長效抗菌性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

材料：艾草精油，招商局健康產(chǎn)業(yè)湖北蘄春有限公司產(chǎn)品；無水乙醇，天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司產(chǎn)品；β-環(huán)糊精，上海麥克林生化分析有限公司產(chǎn)品；磷酸二氫鉀、磷酸氫二納、氯化鈉，天津市大茂化學(xué)試劑廠產(chǎn)品；氯化鉀，天津市江天化工技術(shù)有限公司產(chǎn)品；氫氧化鈉，上海易恩化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

儀器：DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市英峪儀器廠產(chǎn)品；DHG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，天津訊赫科技有限公司產(chǎn)品；WE-1水浴恒溫振蕩器，天津歐諾儀器有限公司產(chǎn)品；FA2204B型分析天平，上海精科天美科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；KQ2200B超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)品；TG18GK凱特離心機，鹽城市凱特實驗儀器有限公司產(chǎn)品；UV-2700紫外可見分光光度計，島津儀器（蘇州）有限公司產(chǎn)品；SU1000掃描電子顯微鏡，日本株式會社日立高新技術(shù)那珂事業(yè)所產(chǎn)品；Nicolet iS50傅里葉紅外光譜儀，賽默飛世爾科技（中國）有限公司產(chǎn)品；STA449F3熱重分析儀（TG），德國耐馳公司產(chǎn)品。

1.2 制備方法

圖1為β-CD結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機理。

以β-CD為壁材，其分子結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，艾草精油（WO）為芯材，采用共沉淀法制備WO-β-CD包合物。按照β-CD在25℃100 mL水中的溶解度[21]稱取1.9 gβ-CD，加入100 mL蒸餾水，將其密閉放進恒溫加熱磁力攪拌器，攪拌速率為400 r/min，加熱攪拌1 h，使β-CD充分溶解，制得β-CD水溶液。按照不同壁芯比將定量的艾草精油勻速逐滴加入制得的β-CD水溶液中，繼續(xù)密閉放入恒溫加熱磁力攪拌器中，在特定溫度下攪拌一段時間，在水溶液中使β-CD和艾草精油充分包埋，然后取出，靜置沉淀12 h，抽濾，抽濾所得產(chǎn)物放入烘箱中60℃干燥5 h，即得到艾草精油微膠囊。

圖1 β-環(huán)糊精結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機理Fig.1 Structure and reaction mechanism ofβ-Cyclodextrin

β-CD具有“內(nèi)疏水、外親水”特點，在水溶液中依靠范德華力和氫鍵的驅(qū)動力[22]將艾草精油分子包覆在空腔內(nèi)，如圖1（b）所示。

1.3 單因素實驗

（1）不同壁芯比對微膠囊包埋率的影響。在包埋溫度40℃、包埋時間4 h的條件下，研究不同壁芯比（1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、7∶1）對微膠囊包埋得率的影響。

（2）不同包埋溫度對微膠囊包埋率的影響。在包埋時間4 h、壁芯比為3∶1的條件下，研究不同包埋溫度（30℃、40℃、50℃、60℃、70℃）對微膠囊包埋得率的影響。

（3）不同包埋時間對微膠囊包埋率的影響。在包埋溫度40℃、壁芯比為3∶1的條件下，研究不同包埋時間（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h）對微膠囊包埋得率的影響。

1.4 響應(yīng)面正交試驗設(shè)計

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選取壁芯比（A）、包埋溫度（B）、包埋時間（C）作為自變量，分別對以上因素進行編碼，并以艾草精油微膠囊包埋得率（Y）為響應(yīng)值，設(shè)計17個實驗點的響應(yīng)面正交試驗。

艾草精油微膠囊包埋得率根據(jù)下列公式測定：

式中：m1為干燥后的艾草精油微膠囊質(zhì)量；m2為加入的β-CD質(zhì)量；m3為加入的艾草精油質(zhì)量。

1.5 紫外可見分光光度法表征

繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：先配置1 g/L艾草溶液，再稀釋至100、200、300、400、500 mg/L，根據(jù)艾草精油溶液濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，稀釋公式為：

式中：Cq為稀釋前濃度；Ch為稀釋后濃度。

載油率測定：精確稱量40 mg的包合物，溶于4 mL的無水乙醇中，室溫下用超聲波清洗器超聲2 h，吸取2 mL的溶液用1 mol/L的PBS緩沖液稀釋5倍，室溫下用超聲波清洗器超聲15 min使其充分混合，混合后使用離心機在轉(zhuǎn)速為8 000 r/min下離心15 min。離心后取上清液，用紫外可見分光光度計測其吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，將其吸光度換算成相應(yīng)濃度，從而求出樣品中含有的WO的質(zhì)量，可根據(jù)公式（3）求出載油率R：

式中：M為實驗初始加入艾草精油的質(zhì)量；m為樣品中含有艾草精油的質(zhì)量。

1.6 電鏡掃描分析（SEM）

將干燥處理后的樣品，放在樣品臺的導(dǎo)電膠上，均勻涂抹后，放進表面處理機中鍍金，取出后放進電子顯微鏡中掃描，調(diào)整合適的放大倍數(shù)至清晰圖像，觀察環(huán)糊精包埋前后的樣貌變化。

1.7 熱重分析

分別稱取少量的β-CD、WO和包合物樣品，使用STA449F3型熱重分析儀，在升溫速率為10℃/min、升溫范圍為0~600℃、氮氣氣體氛圍的條件下，進行耐熱性測試，得到艾草精油微膠囊的熱重分析圖。

1.8 緩釋性能分析

取50 mL pH=7.4的PBS緩沖液，倒入100 mL的錐形瓶中，稱取0.200 g的艾草精油微膠囊樣品，將其浸泡于錐形瓶中，放入溫度為37℃、振蕩頻率為80 r/min的恒溫搖床中振蕩。利用pH=7.4的PBS緩沖液模擬人體液，37℃模擬人體溫度，在特定的時間每次取3 mL利用紫外分光光度計測其艾草精油含量。再取3 mL的PBS溶液作為空白液，加入錐形瓶中，放回恒溫搖床。用紫外可見分光光度計測其吸光度，將吸光度換算成相應(yīng)的濃度，求出樣品中含有的芯材的量，求出保留率。

1.9 包合物的抗菌性能分析

包合物制備完成后，分別測試其在標(biāo)準(zhǔn)大氣下緩釋0 d、7 d、30 d的抗菌性能。樣品的抗菌性能參考國標(biāo)GB/T 20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評價第3部分：振蕩法》以及革蘭氏陰性菌大腸桿菌進行抑菌測試。

1.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

實驗采用Design-Expert 8.0.6軟件進行響應(yīng)面實驗設(shè)計，采用Origin2018軟件進行作圖分析。實驗數(shù)據(jù)均為3次平行實驗的平均值，結(jié)果以±s表示。P＜0.05為具有統(tǒng)計學(xué)意義的顯著差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同壁芯比對微膠囊包埋得率的影響

圖2為不同壁芯比對微膠囊包埋得率的影響。

圖2 不同壁芯比對微膠囊包埋得率的影響Fig.2 Effect of different wall core ratios on embedding yield of microcapsule

由圖2可知，壁芯比對艾草精油微膠囊的包埋得率的影響較大。隨著β-CD含量的上升，包合物包埋得率先上升，而后逐漸呈下降趨勢，在壁芯比為3∶1到達頂峰。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是，倘若芯材過多，β-CD的空洞結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全被艾草精油填滿，無法再包埋過多的精油，從而造成包埋得率的下降和芯材的浪費。因此，在后續(xù)設(shè)計正交試驗，優(yōu)化工藝的時候，選擇壁芯比的水平范圍應(yīng)在2∶1~4∶1較為合適。

2.1.2 不同包埋溫度對微膠囊包埋得率的影響

包埋溫度對微膠囊包埋得率也有著至關(guān)重要的影響。圖3為不同包埋溫度對包埋得率的影響。

由圖3可知，隨著溫度的增加，艾草精油微膠囊的包埋得率先上升，超過40℃以后，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。這可能由于隨著溫度上升，分子運動劇烈，加速艾草精油進入β-CD的空腔結(jié)構(gòu)，使其充分包合；由于精油是易揮發(fā)的熱敏性物質(zhì)，隨著溫度繼續(xù)上升，加速精油的分解揮發(fā)，造成微膠囊包埋得率的下降。溫度為40℃是艾草精油微膠囊的最佳包埋溫度，艾草精油微膠囊包埋溫度較為適宜的范圍是30~50℃。2.1.3不同包埋時間對微膠囊包埋得率的影響

圖3 不同包埋溫度對包埋得率的影響Fig.3 Effect of different temperatures on embedding yield of inclusion complex

圖4為不同包埋時間對艾草精油包埋得率的影響。

圖4 不同包埋時間對艾草精油包埋得率的影響Fig.4 Effect of different time on embedding yield of wormwood essential oil

由圖4可知，隨著包埋時間的增加，艾草精油微膠囊包埋得率先上升而后呈下降趨勢。如果包埋時間太短，精油與β-CD混合的不均勻不徹底，艾草精油來不及充分包合進β-CD的空洞結(jié)構(gòu)，造成包埋得率較低；如果包埋時間過長，精油可能損失從而造成包埋率下降。最佳包埋時間在2 h，隨著時間繼續(xù)增加，包埋得率反而呈現(xiàn)下降趨勢。所以艾草精油微膠囊的最佳包埋時間范圍在1~3 h。

2.2 正交試驗結(jié)果、方差分析及回歸方程建立

由單因素實驗選取3水平，設(shè)計正交試驗，水平和因素的取值如表1所示。

表1 響應(yīng)面正交試驗水平設(shè)計表Tab.1 Design of level and factor of response surface methodology test

試驗以艾草精油微膠囊包埋產(chǎn)率（Y）作為指標(biāo)，以心壁比（A）、包埋溫度（B）和反應(yīng)時間（C）為試驗因素，試驗設(shè)計及試驗結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面法正交試驗表Tab.2 Table of response surface methodology test

以艾草精油微膠囊包埋產(chǎn)率為目標(biāo)函數(shù)值，以壁芯比（A）、反應(yīng)溫度（B）和反應(yīng)時間（C）為試驗因素的編碼值為自變量，運用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行回歸擬合，建立包合物包埋工藝的Box-Behnken數(shù)學(xué)模型，確立艾草精油產(chǎn)率的最優(yōu)擬合二次多項式方程：Y=75.75+0.77A+0.62B+0.31C+0.035AB+0.078AC-0.12BC-5.58A2-0.25B2+0.35C2。

為了檢驗方程的有效性，對結(jié)果進行方差分析和可信度分析，分別如表3和表4所示。

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

表4 模型可信度分析Tab.4 Model reliability analysis

由表3可知，對于響應(yīng)值包埋率，模型的P值小于0.05，判斷模型顯著。由表4可知，模型響應(yīng)值包埋率的決定系數(shù)R2為0.99，校正后R2為0.97，表明模型擬合度高；模型的變異系數(shù)小于10%，說明模型對響應(yīng)值的置信度良好，該模型可以較好地反映真實的實驗結(jié)果。綜上所述，該回歸模型對響應(yīng)值的擬合程度較高，方程能夠較好地反映響應(yīng)值與自變量的關(guān)系。

為更直觀地反映各因素對響應(yīng)值的影響，對回歸模型進行響應(yīng)面分析，如圖5所示。

圖5 實驗回歸模型Fig.5 Experimental regression model

由圖5可見，隨著壁芯比的減小，包埋得率先降低后升高。結(jié)合表3中三因素P值可知，三因素對包埋得率的影響力由高到低為：壁芯比＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時間。經(jīng)Design-Expert 8.0.6軟件分析得出最佳配方為：壁芯比為3∶1，反應(yīng)溫度為40℃，反應(yīng)時間3 h；相應(yīng)的模型預(yù)測包埋率得為76.4%。再選取預(yù)測所得的最佳配比進行復(fù)配，測定復(fù)配配方的包埋得率，結(jié)果為（76.18±0.46）%，實際值與預(yù)測值相近，說明該模型能夠較好地預(yù)測配方最佳配比。

2.3 包合物的紫外分光光度計表征分析

紫外分光光度計是最常用的測量包合物中芯材含量的方法。艾草精油的最大吸收波長是203 nm[8]，利用紫外分光光度計可以測出溶液中的艾草精油含量。

圖6為艾草精油在PBS緩沖液中的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖6 艾草精油在PBS（pH=7.4）溶液中的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.6 Standard curve of wormwood essential oil in PBS（pH=7.4）solution

通過回歸分析，艾草精油濃度與紫外吸收光呈線性關(guān)系y=0.009 99x+0.031 03，R2為99.97%，擬合度高，其中橫坐標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)液中艾草精油的濃度，縱坐標(biāo)是不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)液在203 nm處的吸光度。

根據(jù)公式（3）計算得出，采用壁芯比為3∶1、反應(yīng)溫度為40℃、反應(yīng)時間3 h制得的包合物載油率為（56.31±0.06）%。

2.4 掃描電鏡（SEM）分析

掃描電子顯微鏡一種新型的電子光學(xué)儀器，可以用來分析各種材料的表面形貌特征。環(huán)糊精和包合物的電子顯微鏡掃描圖如圖7所示。

圖7 環(huán)糊精和包合物的電鏡掃描圖Fig.7 SEMof cyclodextrin and inclusion complex

由圖7可知，β-CD顆粒較大，呈不規(guī)則形狀的晶體，一些小顆粒附著在晶體表面，其他研究者也做了相關(guān)的報道[23-24]。而包合物顆粒較小且形狀統(tǒng)一，呈長方體，具有一定的規(guī)整度，符合淀粉包合物顆粒的微觀形貌，但團聚現(xiàn)象比較明顯，原因可能是包合物在干燥過程中失水導(dǎo)致團聚。

2.5 緩釋性能分析

艾草精油、包合物在37℃振蕩條件下的緩釋曲線如圖8所示。

由圖8可知，在振蕩條件下，艾草精油揮發(fā)極快，經(jīng)過24 h振蕩艾草精油含量只剩下（39.36±0.05）%；包合物緩釋168 h以后，仍保有50%以上的艾草精油含量，在振蕩216 h后包合物中的艾草含量仍有（37.16±0.12）%。艾草精油分子在加熱和正當(dāng)條件下運動加快，符合Brownian運動規(guī)律，說明經(jīng)過β-CD包埋的艾草精油具備了較好的穩(wěn)定性及較長的保存期限。

2.6 艾草精油微膠囊的熱重分析

艾草精油、β-CD和艾草精油微膠囊的熱重分析如圖9所示。

熱失重曲線是一種常規(guī)方法，通常用于驗證固態(tài)復(fù)合物的形成，對應(yīng)于客體分子的熱事件（熔點）的全部或部分消失通常被視為復(fù)合物形成的證明。由圖9可見，空白β-CD空殼與包合物具有相似的熱力學(xué)曲線，但在100~200℃包合物較β-CD質(zhì)量損失多5.3%，此階段正對應(yīng)WO的熱重曲線在72~200℃時開始急劇下滑，5.3%即為損失的WO質(zhì)量，這表明艾草精油被β-CD成功包合。包合物的熱重曲線直到200℃下滑增大，證明相對于艾草精油，包合物的耐熱性和熱穩(wěn)定性大幅提高，β-CD對艾草精油起到了保護作用[25]

2.7 抗菌性能測試分析

包合物對大腸桿菌抗菌結(jié)果如表5所示。

表5 包合物抗菌實驗結(jié)果Tab.5 Antibacterial test results of inclusion complex

表5分別測試了包合物在制備完成后，室溫下緩釋7 d和30 d后的抗菌效果，如圖10所示。

圖10 不同緩釋時間包合物的抗菌效果圖Fig.10 Antibacterial effect of inclusion complex with different release time

實驗結(jié)果表明，包合物在制備完成后抗菌率高達（99.09±0.17）%，經(jīng)過在標(biāo)準(zhǔn)大氣下緩釋30 d后抗菌依舊能保持在（95.16±0.53）%，證明包合物能夠保護艾草有效成分，能夠達到長效抑菌效果。

3 結(jié)論

本研究采用飽和溶液法成功將艾草精油包覆在β-CD中形成包合物。為了提高包埋得率，利用響應(yīng)面法優(yōu)化了實驗條件，并對包合物的載油率、形貌和抗菌性能做了研究，實驗發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的包合物提高了艾草精油的耐熱性、緩釋和長效抑菌的性能。

（1）利用單因素實驗和Box-Behnken響應(yīng)面法實驗探究最佳包埋得率，實驗結(jié)果通過方差分析得到影響包埋得率的顯著性順序為壁芯比＞反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時間，最佳包埋組合是壁芯比為3∶1、反應(yīng)溫度為40℃、反應(yīng)時間3 h，所制備的包合物包埋得率為（75.4±0.46）%，與響應(yīng)面回歸方程預(yù)測值相近。

（2）通過掃描電鏡、熱重分析和紫外分光光度儀分析證明β-CD與艾草精油的包合物形成。通過電鏡觀察到包合物相較于環(huán)糊精形態(tài)有所改變，紫外分光光度儀分析艾草精油被包裹在環(huán)糊精內(nèi)部而不是單純的混合。

（3）通過緩釋和抗菌測試發(fā)現(xiàn)，包合物具有緩釋且長效抑菌的性能。相較于艾草精油，包合物具有緩釋性能，利用PBS緩沖液模擬人體液震蕩216 h后包合物中的艾草精油含量為開始時的（37.16±0.12）%，純艾草精油緩釋24 h后僅剩（39.36±0.05）%；包合物形成時，其抗菌率高達99.9%，經(jīng)過30 d標(biāo)準(zhǔn)大氣下的緩釋后，其抗菌率保持在（95.16±0.53）%。