丁香油微膠囊的制備及表征

林 京，關(guān)晉平，陳國(guó)強(qiáng)，程獻(xiàn)偉

（1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州 215006；2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215123）

丁香是金娘科植物丁香的干燥花蕾，又名公丁香，不僅是一種中草藥，還是一種香料［1］。丁香油是從丁香中提取的芳香性揮發(fā)油，主要包含丁香酚、β-石竹烯和乙酰基丁香酚［2］。丁香油的外觀是澄清透明的油狀液體，顏色呈淡黃色或無(wú)色，易溶于醇、冰醋酸中，但不溶于水［3］。丁香油具有優(yōu)良的抗腫瘤、抗菌、抗氧化等性能［4］，對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、志賀痢疾桿菌、枯草桿菌、表皮葡萄球菌等皆有明顯的抑制和殺滅作用［5］。因?yàn)槎∠阌涂梢耘c細(xì)菌的細(xì)胞膜作用（對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生破壞作用），引起細(xì)胞內(nèi)溶物發(fā)生滲透，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，從而起到抗菌效果［6］。然而，丁香油易揮發(fā)、不溶于水，且對(duì)光線和氧氣等較敏感［7］，在某種程度上限制了實(shí)際應(yīng)用。

微膠囊技術(shù)是利用天然或合成高分子材料，將分散的固體、液體或氣體物質(zhì)包裹起來(lái)，形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子的技術(shù)［8］。其中，芯材是指被包裹的物質(zhì)，壁材是指包裹物質(zhì)。由于芯材不同，微膠囊具有多種形態(tài)，如球形、谷粒形、粒形、塊形等。微膠囊還可以分為單核與多核，其囊壁也可以有所不同，分為單層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)［9］。微膠囊技術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì)，可以盡可能保留芯材物質(zhì)的色、香、味、營(yíng)養(yǎng)及活性［10］，已被用于醫(yī)藥、紡織、食品、黏合劑、建筑混凝土等許多領(lǐng)域［11］。使用微膠囊技術(shù)可以有效解決丁香油易揮發(fā)、水溶性低等問(wèn)題。

黃潔［12］利用形成的明膠-鞣酸復(fù)合物對(duì)丁香油進(jìn)行包埋，并研究不同條件下復(fù)合物在乳液中穩(wěn)定精油類物質(zhì)的能力和包埋效率。孫淼［13］采用飽和水溶液法，通過(guò)β-CD 對(duì)丁香精油進(jìn)行微膠囊化處理，制備出丁香精油β-CD 包合物，包埋率為21.79%。華彩麗［14］使用海藻酸鈉、丁香酚、乳化劑吐溫-80、CaCl2制備丁香酚微膠囊，以家兔為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，結(jié)果顯示丁香酚微膠囊（18.26、9.13 mg/kg）與丁香酚（7.5 mg/kg）和氯苯胍（50 mg/kg）具有相似的驅(qū)殺效果。徐文秀［15］使用銳孔法和噴霧干燥法制備丁香油微膠囊，得到包埋效果良好的微膠囊。Chong Yongbing 等［16］通過(guò)原位聚合和界面聚合合成丁香油微膠囊，并對(duì)其形態(tài)、核殼結(jié)構(gòu)、組成以及不同反應(yīng)參數(shù)下合成的微膠囊的釋放行為進(jìn)行研究。Jiang Ping 等［17］采用單凝聚法制備丁香油微膠囊，研究殼聚糖濃度、核殼比、乳化劑種類等對(duì)微膠囊粒徑以及粒徑分布的影響。

本文通過(guò)復(fù)凝聚法，以明膠和海藻酸鈉為壁材制備丁香油微膠囊，采用噴霧干燥法得到干燥的微膠囊產(chǎn)物。以包埋率為指標(biāo)，探討制備丁香油微膠囊的優(yōu)化工藝條件，并對(duì)該條件下制備的微膠囊的熱穩(wěn)定性、分子結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

丁香油（生物試劑，上海源葉生物科技有限公司），明膠（分析純，上海泰坦科技股份有限公司），海藻酸鈉（化學(xué)純）、戊二醛（分析純）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），無(wú)水乙醇、乙酸（分析純，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司），氫氧化鈉（分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 儀器

SCILOGEX 數(shù)顯型頂置式強(qiáng)力電子攪拌儀、DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式多用真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司），電子天平（瑞安市英衡電器有限公司），離心式噴霧干燥機(jī)（上海大川原干燥設(shè)備有限公司），實(shí)驗(yàn)室超聲波清洗機(jī)（芯硅谷）、pH 檢測(cè)儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司），TU-1900 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司），S-4800 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（日本日立株式會(huì)社日立制作所），Nicolet 5700 傅里葉變換紅外光譜儀（賽默飛世爾科技有限公司），Diamond 熱重差熱綜合分析儀（美國(guó)珀金埃爾默股份有限公司）。

1.3 丁香油微膠囊的制備

將明膠和海藻酸鈉分別溶于去離子水中，50 ℃攪拌溶解；將丁香油加入明膠溶液中乳化，再加入溶解好的海藻酸鈉溶液，攪拌5 min，滴加20%乙酸溶液調(diào)節(jié)pH 至3，50 ℃攪拌30 min，停止加熱，冰浴攪拌至0～10 ℃開(kāi)始凝膠，滴加20%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH 至8～9，加入戊二醛，升溫至40 ℃固化1 h，反應(yīng)結(jié)束后噴霧干燥，得到干燥的丁香油微膠囊。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的繪制

稱取0.2 g 丁香油置于100 mL 容量瓶中，用無(wú)水乙醇定容，從中取1 mL 放入另一個(gè)100 mL 容量瓶中，用無(wú)水乙醇定容，以無(wú)水乙醇為空白對(duì)照樣，用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在200～600 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描，確定最大吸收波長(zhǎng)。

稱取0.2 g 丁香油置于100 mL 容量瓶中，用無(wú)水乙醇定容，配制成2 mg/mL 標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別取不同體積的標(biāo)準(zhǔn)溶液加入50 mL 容量瓶中，用無(wú)水乙醇定容，搖勻，配制成不同質(zhì)量濃度的溶液，在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)試吸光度。以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。

1.5 測(cè)試

Zeta 電位：配制0.05%氫氧化鈉溶液和0.20%醋酸溶液。稱取0.1 g 明膠或海藻酸鈉放入燒杯，加入100 mL 去離子水，50 ℃加熱攪拌溶解，用0.05%氫氧化鈉溶液和0.20%醋酸溶液調(diào)節(jié)pH，再用Zeta 電位儀測(cè)試Zeta電位。

包埋率：稱取0.1 g 微膠囊，用無(wú)水乙醇洗滌3次，濾液用無(wú)水乙醇定容至50 mL，在282 nm 下測(cè)試吸光度，利用標(biāo)準(zhǔn)工作曲線回歸方程得到表面油量；稱取0.1 g 微膠囊，加入10 mL 乙醇，20 ℃超聲10 min破壁，過(guò)濾后濾液用無(wú)水乙醇定容，在282 nm 下測(cè)試吸光度，利用標(biāo)準(zhǔn)工作曲線回歸方程得到總油量。按照下列公式計(jì)算包埋率：

緩釋性：分別稱取1 g丁香油以及1 g丁香油微膠囊置于2個(gè)干凈的培養(yǎng)皿中，放入80 ℃烘箱，每隔1 h稱質(zhì)量，按照下列公式計(jì)算丁香油和丁香油微膠囊的揮發(fā)率：

式中：m0為樣品的初始質(zhì)量，g；mt為樣品t小時(shí)后的剩余質(zhì)量，g。

掃描電鏡（SEM）：將優(yōu)化工藝條件下制備的微膠囊置于導(dǎo)電膠帶上，在表面鍍金后，通過(guò)掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察（放大2 000倍、5 000倍）。

紅外光譜：利用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試，掃描范圍500～4 000 cm-1。

熱穩(wěn)定性：利用熱重分析儀進(jìn)行測(cè)試（在N2氣流中從30 ℃升溫至700 ℃，觀察其質(zhì)量損失情況）。

2 結(jié)果與討論

2.1 丁香油標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

由圖1 可以看出，在282、230 nm 處出現(xiàn)吸收峰值，所以丁香油的最大吸收波長(zhǎng)為282、230 nm。以丁香油質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，282、230 nm 處的吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，結(jié)果如圖2 所示。由于在282 nm（y=19.431 56x-0.024 78，R2=0.997 75）和230 nm（y=41.106 44x-0.024 04，R2=0.997 62）波長(zhǎng)下曲線的擬合性都比較好，選擇在282 nm 波長(zhǎng)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 丁香油的最大吸收波長(zhǎng)

圖2 丁香油在282 nm（a）、230 nm（b）波長(zhǎng)下的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

2.2 丁香油微膠囊制備工藝優(yōu)化

2.2.1 pH

由圖3 可知，明膠的等電點(diǎn)約為4.8，等電點(diǎn)以下的明膠溶液呈正電性，等電點(diǎn)以上的明膠溶液呈負(fù)電性；在不同pH 下，海藻酸鈉溶液均呈負(fù)電性。調(diào)節(jié)溶液pH 可使明膠和海藻酸鈉因正負(fù)電荷間的作用力形成微膠囊，在pH 為3 時(shí)，明膠溶液呈正電性，海藻酸鈉溶液呈負(fù)電性，故pH 選擇3。

圖3 pH 對(duì)明膠溶液（a）、海藻酸鈉溶液（b）Zeta 電位的影響

2.2.2 明膠和海藻酸鈉質(zhì)量比

由圖4可以看出，當(dāng)m（明膠）∶m（海藻酸鈉）=2∶1時(shí)，Zeta 電位最接近0 mV，反應(yīng)最充分，故選擇m（明膠）∶m（海藻酸鈉）=2∶1。

圖4 m（明膠）∶m（海藻酸鈉）對(duì)溶液Zeta 電位的影響

2.2.3 芯壁質(zhì)量比

由表1 可以看出，隨著芯壁質(zhì)量比的減小，包埋率先增大后減小。這是因?yàn)楫?dāng)芯壁質(zhì)量比較大時(shí)，芯材丁香油相對(duì)較多，表面油量較多，包埋率較低，隨著芯壁質(zhì)量比的減小，表面油量逐漸減少，直至達(dá)到最大包埋率，隨著芯壁質(zhì)量比繼續(xù)減小，空微膠囊增多，包埋率減小，所以芯壁質(zhì)量比選擇1∶3，此時(shí)包埋率達(dá)到最大值。

表1 芯壁質(zhì)量比對(duì)包覆率的影響

2.2.4 壁材用量

由圖5 可知，隨著壁材用量增加，包埋率先增大后減小。這是因?yàn)楸诓挠昧枯^少時(shí)，芯材不能被完全包覆，包埋率較低，隨著壁材用量增加，更多芯材被包覆，直至達(dá)到最大包埋率，壁材用量繼續(xù)增加，空微膠囊增多，包埋率減小，故壁材用量選擇2%。

圖5 壁材用量對(duì)包埋率的影響

2.2.5 攪拌轉(zhuǎn)速

由圖6 可以看出，隨著攪拌轉(zhuǎn)速增大，包埋率先增大后減小。這是因?yàn)楫?dāng)攪拌轉(zhuǎn)速較低時(shí)，反應(yīng)體系的分散能力較差，微膠囊易聚集，包埋率較低，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，分散效果變好，直至達(dá)到最大包埋率，隨著攪拌轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，過(guò)高的攪拌速度不利于壁材在芯材表面沉積，包埋率反而減小，所以攪拌轉(zhuǎn)速選擇500 r/min。

圖6 攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)包埋率的影響

2.3 緩釋性

由圖7 可以看出，未被包埋的丁香油揮發(fā)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)過(guò)包埋的丁香油，表明丁香油在高溫下的釋放速率較快，微膠囊化可以顯著減少其揮發(fā)，釋放速率明顯降低。

圖7 丁香油與丁香油微膠囊緩釋性比較

2.4 表征

2.4.1 紅外光譜

由圖8 可看出，海藻酸鈉在3 437 cm-1處有—OH的伸縮振動(dòng)峰，在1 615 cm-1處有COO—的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，在1 415 cm-1處有COO—的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，在1 032 cm-1處有C—O—C 的伸縮振動(dòng)峰［18］。明膠在1 633 cm-1處有酰胺中的伸縮振動(dòng)峰，在1 522 cm-1處有酰胺中N—H 的伸縮振動(dòng)峰，在1 230 cm-1處有C—N 的伸縮振動(dòng)峰［19］。丁香油中的伸縮在2 953、1 512、1 272 cm-1處有尖峰。丁香油微膠囊的紅外圖譜中有海藻酸鈉在3 437、1 415、1 032 cm-1處的峰；有明膠在1 633 cm-1處的峰；丁香油在2 953、1 272 cm-1處的特征峰減弱或消失，表明丁香油已經(jīng)被壁材包埋。

圖8 原料及產(chǎn)物的紅外光譜圖

2.4.2 熱重分析

由圖9 可看出，丁香油微膠囊的熱分解過(guò)程可分為3個(gè)階段：第一階段，微膠囊質(zhì)量損失較快（約30%），對(duì)應(yīng)溫度為100 ℃左右，主要由微膠囊中的水分和表面油蒸發(fā)所致；第二階段溫度為100～480 ℃，隨著溫度升高，曲線變得平緩，微膠囊質(zhì)量損失減少，主要是由于明膠和海藻酸鈉之間因靜電作用形成的囊壁遭到破壞，丁香油被分解；第三階段溫度為480～700 ℃，微膠囊的質(zhì)量損失主要是由于殘留的壁材分解。與丁香油微膠囊相比較，丁香油質(zhì)量損失明顯，表明微膠囊化對(duì)丁香油有很好的保護(hù)作用。

圖9 原料及產(chǎn)物的熱重分析圖

2.4.3 SEM

由圖10 可以看出，丁香油微膠囊成球性較好，囊壁上沒(méi)有破裂或者空洞，結(jié)構(gòu)較完整。表明在優(yōu)化工藝條件下制備的丁香油微膠囊較好。

圖10 丁香油微膠囊的SEM 圖

3 結(jié)論

（1）制備丁香油微膠囊的優(yōu)化工藝：pH 為3、明膠和海藻酸鈉質(zhì)量比為2∶1、芯壁質(zhì)量比為1∶3、壁材用量為2%、攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min，在該條件下制備的微膠囊包埋率可達(dá)51.69%。

（2）采用復(fù)凝聚法制備丁香油微膠囊，再經(jīng)噴霧干燥法得到的干燥微膠囊結(jié)構(gòu)較完整，成球性較好。

（3）通過(guò)紅外光譜分析和熱重分析，丁香油微膠囊已被壁材包埋，且丁香油微膠囊的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于沒(méi)有微膠囊化的丁香油。

（4）對(duì)微膠囊的緩釋性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)微膠囊化的丁香油揮發(fā)率明顯降低，說(shuō)明微膠囊化對(duì)丁香油有較好的保護(hù)作用。