復(fù)凝聚法制備甜橙油納米微膠囊的研究

李振杰，熊亞妹，劉遠(yuǎn)上，張鳳梅，何沛，許春平

1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心/云南省煙草化學(xué)重點實驗室，云南 昆明 650231；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，河北 石家莊 050000

0 引言

納米微膠囊技術(shù)是指利用天然或合成高分子材料對固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的芯材進(jìn)行包覆，形成具有半透性或密封性囊膜的微型膠囊的技術(shù)[1]。采用納米微膠囊技術(shù)對天然提取的香料進(jìn)行包埋，能防止外界環(huán)境因素對芯材物質(zhì)產(chǎn)生影響[2]，從而對天然香料起到保護(hù)作用。由于納米微膠囊粒度小，具有良好的靶向性、緩釋性和較低的毒副作用[3]，被廣泛應(yīng)用于食品、煙草、制藥、化妝品等多個領(lǐng)域[4]。復(fù)凝聚法是指利用兩種具有水溶性的高分子，在溶液的pH值發(fā)生改變時生成相反的電荷，通過靜電作用引起凝聚進(jìn)而形成聚合物。當(dāng)分別帶有正負(fù)電荷的膠體溶液混合時，溶液因正負(fù)電荷的相互作用形成聚電解質(zhì)復(fù)合物，從而使壁材在芯材周圍沉積得到微膠囊[5]。李飛雨等[6]以魚油為芯材，殼聚糖和大豆分離蛋白為壁材，利用復(fù)凝聚法制備魚油微膠囊，其包埋率可達(dá)90.21%。秦亞南等[7]以葡萄籽油為芯材，明膠與阿拉伯明膠為壁材，利用復(fù)凝聚法制備葡萄籽油微膠囊，其包埋率為86.41%。

甜橙油是由甜橙果皮經(jīng)壓榨或蒸汽蒸餾制得、由苧烯、癸醛、己醛、辛醇、d-芳樟醇、檸檬醛、十一醛、甜橙醛、萜品醇、鄰氨基苯甲酸甲酯等百余種天然組分組成的混合精油，具有特殊的橙子氣味和溫和的芳香滋味[8]。精油大多具有易揮發(fā)的特點，外界的溫度、濕度、氧氣等因素會影響其穩(wěn)定性，故不能長期儲存。殼聚糖是具有氨基和羥基的天然高分子材料，因其價格低廉、無毒無害、抗菌性良好，被廣泛應(yīng)用于食品加工、紡織等領(lǐng)域[9-10]。

復(fù)凝聚法制備微膠囊在國內(nèi)外已有廣泛研究，但大多應(yīng)用于醫(yī)藥、生物、日化等領(lǐng)域，在食品領(lǐng)域應(yīng)用的研究較少?；诖耍狙芯繑M以殼聚糖為壁材，甜橙油為芯材，三聚磷酸鈉(TPP)為交聯(lián)劑，采用復(fù)凝聚法制備甜橙油納米微膠囊，并優(yōu)化納米微膠囊的制備工藝，對最佳工藝條件下制備的納米微膠囊進(jìn)行表征，分析甜橙油納米微膠囊的粒徑大小及分布、表面結(jié)構(gòu)、物理穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、包埋情況等，以期為甜橙油的應(yīng)用、甜橙油納米微膠囊的進(jìn)一步開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甜橙油，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司產(chǎn)；殼聚糖，上海阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)；冰醋酸，天津市富宇精細(xì)化工有限公司產(chǎn)；吐溫20，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；NaOH，天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠產(chǎn)；TPP，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)。以上試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

PL203型電子分析天平，上海予騰生物科技有限公司產(chǎn)；SB-3200DT型超聲波清洗機(jī)、SCIENTZ-10 N型冷凍干燥機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司產(chǎn)；PHS-3E型pH計，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)；MS-H280-Pro型磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)；JSM-700IF型掃描電子顯微鏡，本原納米儀器有限公司產(chǎn)；Q5000IR型熱重分析儀，美國TA儀器公司產(chǎn)；MICROTRACS3500型激光粒度儀，廣州科曉科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)；IR-960型紅外光譜儀，天津瑞岸科技有限公司產(chǎn)。

1.3 實驗方法

1.3.1 甜橙油納米微膠囊的制備將一定質(zhì)量殼聚糖超聲溶解于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的冰醋酸溶液中，配制出不同質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液；將甜橙油經(jīng)乳化劑吐溫20充分乳化后與殼聚糖溶液混合，利用濃度為1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)混合溶液的pH值，在室溫下進(jìn)行磁力攪拌，并緩慢滴加質(zhì)量濃度為0.8 mg/mL的TPP溶液，繼續(xù)進(jìn)行磁力攪拌，確保反應(yīng)完全進(jìn)行；對得到的溶液進(jìn)行冷凍干燥，即得甜橙油納米微膠囊[10]。

1.3.2 單因素試驗設(shè)計1)殼聚糖分子量對納米微膠囊粒徑的影響。設(shè)定殼聚糖質(zhì)量濃度為1.80 mg/mL，甜橙油質(zhì)量濃度為2.7 mg/mL，吐溫20質(zhì)量濃度為1.2 mg/mL，分別選用不同分子質(zhì)量(50 kD、150 kD、450 kD)的殼聚糖為壁材，制備甜橙油納米微膠囊，測定其粒徑大小。

2)殼聚糖質(zhì)量濃度對納米微膠囊粒徑的影響。設(shè)定殼聚糖分子質(zhì)量為150 kD，吐溫20質(zhì)量濃度為1.2 mg/mL，甜橙油質(zhì)量濃度為2.7 mg/mL，分別選用不同質(zhì)量濃度(1.35 mg/mL、1.80 mg/mL、2.70 mg/mL、4.05 mg/mL、5.85 mg/mL)的殼聚糖為壁材，制備甜橙油納米微膠囊，測定其粒徑大小。

3)乳化劑質(zhì)量濃度對納米微膠囊粒徑的影響。設(shè)定殼聚糖分子質(zhì)量為150 kD，殼聚糖質(zhì)量濃度為1.80 mg/mL，甜橙油質(zhì)量濃度2.7 mg/mL，分別選用不同質(zhì)量濃度(0.6 mg/mL、0.9 mg/mL、1.2 mg/mL、1.5 mg/mL、1.8 mg/mL)的吐溫20作為乳化劑，制備甜橙油納米微膠囊，測定其粒徑大小。

4)甜橙油質(zhì)量濃度對納米微膠囊粒徑的影響。設(shè)定殼聚糖分子質(zhì)量為150 kD，殼聚糖質(zhì)量濃度為1.80 mg/mL，吐溫20質(zhì)量濃度為1.2 mg/mL，分別選用不同質(zhì)量濃度(0.9 mg/mL、1.2 mg/mL、1.5 mg/mL、1.8 mg/mL、2.7 mg/mL、3.6 mg/mL)的甜橙油為芯材，制備甜橙油納米微膠囊，測定其粒徑大小。

1.3.3 正交試驗設(shè)計為確定復(fù)凝聚法制備甜橙油納米微膠囊的最佳工藝，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇殼聚糖質(zhì)量濃度(A)、吐溫20質(zhì)量濃度(B)、甜橙油質(zhì)量濃度(C)這3個對甜橙油納米微膠囊粒徑影響較大的因素，以甜橙油納米微膠囊的平均粒徑為考查指標(biāo)，設(shè)計三因素三水平的正交試驗，每組試驗重復(fù)3次。正交試驗因素和水平見表1。

表1 正交試驗因素和水平表Table 1 The factors and levels table of orthogonal experiment mg/mL

1.3.4 甜橙油納米微膠囊乳狀液粒徑的測定本研究采用動態(tài)激光光散射法，通過激光粒度儀檢測

甜橙油納米微膠囊乳狀液的粒徑大小和分布，檢測溫度為25 ℃[11]。

1.3.5 甜橙油納米微膠囊的表面結(jié)構(gòu)觀察將納米微膠囊樣品固定后進(jìn)行噴金處理，然后通過掃描電子顯微鏡觀察樣品的表面結(jié)構(gòu)。

1.3.6 甜橙油納米微膠囊乳狀液物理穩(wěn)定性的測定取一定量甜橙油納米微膠囊乳狀液/mL,放入具塞量筒內(nèi)，置于40 ℃恒溫水浴鍋中24 h后，讀取游離水層的體積/mL，由下式計算乳狀液的物理穩(wěn)定性[12]。

乳狀液物理穩(wěn)定性=(乳狀液總體積-游離水
體積)/乳狀液總體積×100%

1.3.7 甜橙油納米微膠囊的熱重分析取一定量的殼聚糖粉末、甜橙油及甜橙油納米微膠囊粉末進(jìn)行熱重分析[13]，考查甜橙油納米微膠囊的熱穩(wěn)定性。熱重分析條件為：環(huán)境氣體N2；進(jìn)樣量5～10 mg；測試溫度30～500 ℃；升溫速率10 ℃/min。

1.3.8 甜橙油納米微膠囊的紅外光譜測定采用壓片法[14]，分別對殼聚糖、甜橙油、TPP及甜橙油納米微膠囊進(jìn)行紅外光譜測定。先把樣品與KBr混勻后研磨成粉末，制成均勻透明的薄片，然后放入紅外檢測室進(jìn)行檢測，得到樣品的紅外光譜圖[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性分析，采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果分析

2.1.1 殼聚糖分子質(zhì)量殼聚糖分子質(zhì)量對甜橙油納米微膠囊粒徑的影響如圖1所示。由圖1可以看出，隨著殼聚糖分子質(zhì)量的增大，甜橙油納米微膠囊的粒徑呈增大的趨勢。這主要是因為殼聚糖分子質(zhì)量越大，其分子鏈越多，支鏈也越多，越易與TPP發(fā)生交聯(lián)，形成粒徑較大的納米微膠囊。當(dāng)殼聚糖分子質(zhì)量為50 kD和150 kD時，甜橙油納米微膠囊的粒徑較小且差異不明顯；另外，當(dāng)殼聚糖分子質(zhì)量為150 kD時，納米微膠囊的成球效果最優(yōu)，且成本較低。因此，選擇殼聚糖分子質(zhì)量為150 kD較適宜。

圖1 殼聚糖分子質(zhì)量對甜橙油納米微膠囊粒徑的影響Fig.1 Effect of chitosan molecular weight on particle size of sweet orange oil nanocapsules

2.1.2 殼聚糖質(zhì)量濃度殼聚糖質(zhì)量濃度對甜橙油納米微膠囊粒徑的影響如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)殼聚糖質(zhì)量濃度為1.80 mg/mL時，甜橙油納米微膠囊乳液體系中的陰陽離子間的交聯(lián)作用最大，得到的甜橙油納米微膠囊粒徑最?。划?dāng)殼聚糖質(zhì)量濃度為1.35 mg/mL時，殼聚糖與TPP的交聯(lián)作用不完全，從而形成粒徑較大的甜橙油納米微膠囊；當(dāng)殼聚糖質(zhì)量濃度過高(5.85 mg/mL)時，體系中的陰陽離子失衡，體系的穩(wěn)定性變?nèi)酢Ｒ虼?，選擇殼聚糖質(zhì)量濃度為1.80 mg/mL較適宜。

圖2 殼聚糖質(zhì)量濃度對甜橙油納米微膠囊粒徑的影響Fig.2 Effect of chitosan concentration on particle size of sweet orange oil nanocapsules

2.1.3 吐溫20質(zhì)量濃度吐溫20質(zhì)量濃度對甜橙油納米微膠囊粒徑的影響如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)吐溫20質(zhì)量濃度為1.2 mg/mL時，形成的甜橙油納米微膠囊的粒徑最小。這可能是因為當(dāng)吐溫20質(zhì)量濃度過小時，甜橙油不能被充分乳化，導(dǎo)致無法被完全包埋，而未被包埋的甜橙油會聚集在一起形成較大的液滴，進(jìn)而導(dǎo)致體系的平均粒徑較大。隨著吐溫20質(zhì)量濃度的增大，甜橙油被充分包埋，但甜橙油納米微膠囊的粒徑變化不大。當(dāng)吐溫20質(zhì)量濃度過大時，納米微膠囊的分子鏈會因多余吐溫20的吸附作用而纏繞在一起，使體系不穩(wěn)定，進(jìn)而增大納米微膠囊的平均粒徑。因此，選擇吐溫20質(zhì)量濃度為1.2 mg/mL較適宜。

圖3 吐溫20質(zhì)量濃度對甜橙油納米微膠囊粒徑的影響Fig.3 Effect of tween 20 concentration on particle size of sweet orange oil nanocapsules

2.1.4 甜橙油質(zhì)量濃度甜橙油質(zhì)量濃度對甜橙油納米微膠囊粒徑的影響如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)甜橙油質(zhì)量濃度為2.7 mg/mL時，所形成的甜橙油納米微膠囊的粒徑最小。在實際生產(chǎn)中，為提高香精的利用率，通常會在一定范圍內(nèi)增加香精的質(zhì)量濃度，但香精質(zhì)量濃度過高可能會導(dǎo)致乳化不完全，而未被乳化的香精會聚集在一起，使液滴的粒徑增大，芯材包埋不完全，導(dǎo)致納米微膠囊的囊壁較薄易破裂。因此，選擇甜橙油質(zhì)量濃度為2.7 mg/mL較適宜。

圖4 甜橙油質(zhì)量濃度對甜橙油納米微膠囊粒徑的影響Fig.4 Effect of sweet orange oil concentration on particle size of sweet orange oil nanocapsules

2.2 正交試驗結(jié)果分析

正交試驗結(jié)果見表2。由表2可知，各因素對甜橙油納米微膠囊平均粒徑影響的大小依次為A>C>B，即殼聚糖質(zhì)量濃度對甜橙油納米微膠囊平均粒徑的影響最大，其次是甜橙油質(zhì)量濃度，吐溫20質(zhì)量濃度的影響最小。復(fù)凝聚法制備甜橙油納米微凝膠的最佳工藝組合為A3B2C3，即殼聚糖質(zhì)量質(zhì)量濃度為1.80 mg/mL，吐溫20質(zhì)量濃度為1.2 mg/mL，甜橙油質(zhì)量濃度為3.6 mg/mL。

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiment

2.3 甜橙油納米微膠囊乳狀液的平均粒徑分析

對最佳工藝條件下制備的甜橙油納米微膠囊的乳狀液進(jìn)行平均粒徑檢測，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，甜橙油納米微膠囊乳狀液的平均粒徑為500 nm左右，呈正態(tài)分布，按照粒徑劃分屬于納米微膠囊，說明正交試驗的結(jié)果驗證成功。該結(jié)果比錢蘇海等[16]報道的平均粒徑稍大。

圖5 甜橙油納米微膠囊乳狀液的粒徑分布圖Fig.5 The particle size distribution diagram of sweet orange oil nanocapsules emulsion

2.4 甜橙油納米微膠囊的表面結(jié)構(gòu)分析

甜橙油納米微膠囊的掃描電鏡圖如圖6所示。由圖6可以看出，干燥后的甜橙油納米微膠囊粉末呈現(xiàn)不規(guī)則球狀，由于在自然脫水過程中受到表面張力的作用而收縮，微膠囊表面出現(xiàn)塌陷并且顆粒間存在黏結(jié)現(xiàn)象。該結(jié)果與李鑫玲等[17]報道結(jié)果不一致，但鄭云龍等[10]曾報道過此種現(xiàn)象。

圖6 甜橙油納米微膠囊的掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron micrograph of sweet orange oil nanocapsules

2.5 甜橙油納米微膠囊乳狀液的物理穩(wěn)定性分析

甜橙油納米微膠囊乳狀液如圖7所示。由圖7可以看出，甜橙油納米微膠囊乳狀液穩(wěn)定性良好，24 h后基本未出現(xiàn)游離水層，為均勻的白色不透明乳液，乳狀液物理穩(wěn)定性達(dá)99%。

圖7 甜橙油納米微膠囊乳狀液Fig.7 Sweet orange oil nanocapsules emulsion

2.6 甜橙油納米微膠囊的熱穩(wěn)定性分析

殼聚糖、甜橙油及最佳工藝條件下制備的甜橙油納米微膠囊的熱重分析曲線如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)溫度超過60 ℃后，未經(jīng)包埋的甜橙油分解劇烈，失重速率明顯大于殼聚糖和甜橙油納米微膠囊，且在120 ℃左右時的質(zhì)量損失達(dá)到75%；在220 ℃之前，殼聚糖的質(zhì)量損失較小，當(dāng)溫度超過220 ℃后，殼聚糖損失速率加快;甜橙油納米微膠囊在280 ℃時出現(xiàn)較大幅度的失重，這主要是由于溫度過高導(dǎo)致納米微膠囊囊壁開始破裂，致使被包埋的香精釋放出來。由此可見，甜橙油納米微膠囊具有良好的熱穩(wěn)定性。這與彭瑩蕓等[18]報道結(jié)果一致。

2.7 甜橙油納米微膠囊的紅外光譜分析

圖9 紅外光譜分析圖Fig.9 Infrared spectrum analysis chart

3 結(jié)論

本文將甜橙油納米微膠囊的平均粒徑作為考查指標(biāo)，通過正交試驗得到復(fù)凝聚法制備甜橙油納米微膠囊的最佳工藝條件為殼聚糖質(zhì)量濃度1.8 mg/mL、吐溫20質(zhì)量濃度1.2 mg/mL、甜橙油質(zhì)量濃度3.6 mg/mL；該工藝條件下制備的甜橙油納米微膠囊乳狀液的平均粒徑在500 nm左右，呈正態(tài)分布，且該乳狀液的物理穩(wěn)定性良好;甜橙油納米微膠囊具有較好的熱穩(wěn)定性；由甜橙油、殼聚糖和甜橙油納米微膠囊紅外光譜的特征峰可知，甜橙油被成功包埋于殼聚糖中。由此可見，本研究所制備的甜橙油納米微膠囊具有較好的綜合性能，可為下一步將其應(yīng)用于食品、紡織、日化等方面的研究提供依據(jù)。