水楊醛交聯殼聚糖構筑新型壁材包囊花椒油研究

王洪玲，崔維真，劉強，周晨陽，劉長霞

(滄州師范學院 化學與化工系，河北 滄州，061000)

近年來，采用安全無毒的天然高分子材料(如乳清蛋白、殼聚糖、明膠、海藻酸鈉和纖維素等)作壁材，包裹可食性功能成分芯材制備微膠囊，已成為化工、醫(yī)藥、農藥及食品行業(yè)領域的研究熱點之一[1-2]。壁材對芯材具有控制香味釋放、保護活性和敏感性、提高穩(wěn)定性和延長貯藏期等作用[3]。殼聚糖是一種天然高分子化合物，來源豐富，價格低廉，無毒性、可降解、生物相容性好、成膜性好且具有廣譜抑菌性[4]。殼聚糖分子結構中含有豐富的羥基和氨基等功能性基團，通過簡單的物理、化學修飾可以實現性能優(yōu)化。單一殼聚糖作為微膠囊壁材機械強度不夠，交聯可以改善壁材的機械強度、滲透能力、溶脹性能和熱穩(wěn)定性等。目前，常用的殼聚糖交聯劑有離子交聯劑(三聚磷酸鈉、檸檬酸鹽和草酸鹽等)和化學交聯劑(戊二醛、京尼平等)[5]。水楊醛有良好的殺菌效果，在油品香料中用作防腐殺菌劑。殼聚糖通過氨基縮合醛基,形成動態(tài)亞胺(席夫堿)鍵化合物作為藥物遞送載體、抗菌膜引起了廣泛關注[6]。然而，以水楊醛交聯殼聚糖席夫堿產物(salicylaldehyde and chitosan，SA-CS)作為微膠囊壁材，未見文獻報道?；ń酚途哂幸志饔肹7]，在有氧、光照、濕度及溫度較高時化學性質不穩(wěn)定[8]，因此花椒油的微膠囊化有望提高其穩(wěn)定性。噴霧干燥法是比較理想的微膠囊化的方法，具有經濟適用、簡單易控等優(yōu)點，適合大規(guī)模、連續(xù)化的工業(yè)生產[9]。為此，以SA-CS為壁材，選擇噴霧干燥法制備花椒油微膠囊，以期拓展功能性精油保健品膠囊化壁材的選擇。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

殼聚糖(脫乙酰度85.7%，黏度200 cps)，濟南海得貝海洋生物工程有限公司；食用花椒油，漢源昊業(yè)食品有限公司；冰醋酸，分析純，天津市永大化學試劑有限公司；水楊醛(分析純)，北京伊諾凱科技有限公司；無水乙醇(分析純)，天津市北辰方正試劑廠；石油醚(分析純)，天津標準科技有限公司；吐溫-80(化學純)，天津市福晨化學試劑廠。

YM-015小型噴霧干燥機，上海豫明儀器有限公司；Nicolet-is5傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FI-IR)儀，美國賽默飛世爾科技有限公司；TM3030臺式掃描電鏡，日本日立高新技術那珂事業(yè)所；ZRY-2P高溫綜合熱分析儀， 上海精密科學儀器有限公司；Bettersize3000激光粒度分布儀，丹東百特儀器有限公司；RCT basic IKA磁力加熱攪拌器，艾卡(廣州)儀器設備有限公司；WT-C10002電子天平(精度為0.01 g)，杭州萬特衡器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 花椒油微膠囊的制備

將5.0 g花椒油與一定濃度吐溫-80水溶液混合，700 r/min下攪拌均勻，得到花椒油乳狀液。將上述乳狀液與500 mL 1.0 g/L殼聚糖醋酸水溶液(醋酸水溶液體積分數為1%)混合，700 r/min下攪拌，實現花椒油微膠囊的初步囊化。700 r/min下攪拌，向初步囊化的混合液中加入10 mL 2%(體積分數)水楊醛乙醇溶液，交聯固化花椒油微膠囊囊壁。噴霧干燥機參數設置為進風口溫度180 ℃，出風口溫度100 ℃，風機風量5.6 m3/min，蠕動泵進料速度300 mL/h，進行噴霧干燥，得到淺黃色粉末狀花椒油微膠囊產品(Zanthoxylumbungeanumoil microcapsule，ZBOM)。

1.2.2 單因素試驗

1.2.2.1 壁芯質量比對包埋率的影響

在固定乳化劑吐溫-80質量濃度1.30 g/L，蠕動泵進料速度300 mL/h條件下，改變SA-CS壁材和花椒油芯材的質量比例(1∶0.5、1∶0.75、1∶1、1∶1.25、1∶2)，考察其對ZBOM包埋率的影響。

1.2.2.2 乳化劑質量濃度對包埋率的影響

在固定壁芯質量比1∶1，蠕動泵進料速度為300 mL/h條件下，探究乳化劑吐溫-80質量濃度(1.30、1.95、2.60、3.25、3.90 g/L)對ZBOM包埋率的影響。

1.2.2.3 蠕動泵進料速度對包埋率的影響

在固定壁芯質量比1∶1，乳化劑吐溫-80質量濃度2.60 g/L條件下，改變蠕動泵進料速度(200、250、300、350、400 mL/h)，分析其對ZBOM包埋率的影響。

1.2.3 正交試驗

在單因素試驗基礎上，以包埋率為指標，以壁芯質量比(A)、乳化劑濃度(B)和蠕動泵進料速度(C)為實驗因素，設計L9(34)正交試驗，優(yōu)化制備ZBOM的工藝條件。正交試驗因素水平見表1。

表1 L9(34)正交試驗因素與水平Table 1 Code and level of independent variables used in orthogonal array design

1.2.4 ZBOM包埋率的測定

表面油含量測定：稱取0.5 g ZBOM，加入10 mL石油醚，振蕩30 s，過濾，重復2次，合并濾液，90 ℃下蒸餾除去石油醚，105 ℃下，鼓風干燥箱中干燥至恒重，稱重表面油，計算表面油含量[10]。

總油含量測定：稱取0.5 g ZBOM，加入20 mL石油醚和無水乙醇混合液(體積比1∶1)，700 r/min下攪拌20 min，重復萃取2次，合并萃取液，90 ℃下蒸餾除去石油醚，105 ℃下，鼓風干燥箱中干燥至恒重，稱重總油，計算總油含量[11]。

按公式(1)計算ZBOM的包埋率，平行測定3次，計算平均值和相對標準偏差。

(1)

式中：X,包埋率，%；W1,表面油含量，%；W2,總油含量，%。

1.2.5 ZBOM結構表征

1.2.5.1 FT-IR表征

取少量ZBOM和適量KBr粉末，充分研磨，裝入模具，15 MPa下壓片20 s，測繪FT-IR圖譜。采集參數：分辨率4 cm-1，掃描次數16，掃描范圍4 000～400 cm-1。

1.2.5.2 掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)表征

將ZBOM粉末粘在導電膠帶上，利用SEM觀察形貌。工作條件：放大倍率<4 000，加速電壓5 kV；放大倍率≥4 000，加速電壓15 kV。

1.2.5.3 X-射線衍射(X-ray diffraction，XRD)表征

將ZBOM壓片，測繪XRD圖譜。檢測參數：Cu Ka(λ=1.540 6 ?)，掃描范圍5 °～50 °，掃描速度0.04°/s，電壓30 kV，電流20 mA。

1.2.5.4 粒度分析

用激光粒度分析儀測定ZBOM的粒徑分布。測試條件：背景值0.75～6，折光率13%～15%。

1.2.6 熱穩(wěn)定性測定

稱取少量ZBOM于小坩堝中，測繪失重曲線。測定參數：采樣始溫40 ℃，升溫速率10 ℃/min，加熱溫度0～700 ℃。

2 結果與分析

2.1 ZBOM制備工藝研究

2.1.1 單因素試驗

2.1.1.1 壁芯質量比的確定

壁芯質量比對ZBOM包埋率的影響結果，如圖1所示。隨壁芯質量比的增大，包埋率先增大后減小，壁芯質量比為1∶1時，包埋率達60.2%。實驗過程發(fā)現，壁芯質量比影響乳狀液黏度和噴霧干燥時的霧化程度。壁芯質量比高時，SA-CS壁材用量大，乳狀液黏度大，易堵塞進料管及噴頭，降低霧化效率，導致部分花椒油芯材在霧化時揮發(fā)，形成部分空囊，包埋率降低；隨著壁芯質量比降低，乳狀液黏度減小，成囊時包埋效果較好；壁芯質量比過低時，花椒油芯材不能被充分包埋，包埋率下降，與文獻[12-13]結果基本一致。

2.1.1.2 乳化劑濃度的選擇

乳化劑吐溫-80的質量濃度對ZBOM包埋率的影響結果如圖2所示。隨著乳化劑質量濃度的增大，包埋率呈先增加后下降的趨勢，乳化劑質量濃度為2.60 g/L時，包埋率達66.5%。乳化劑質量濃度影響油、水兩相乳化程度。當乳化劑質量濃度較低時，芯材花椒油不能均勻分散到水相中，不利于成囊；隨著乳化劑質量濃度增加，乳狀液均勻、穩(wěn)定，囊化效果好。乳化劑質量濃度過大, 乳狀液黏度增大，花椒油芯材易形成細小液滴，噴霧干燥時隨水分一起蒸發(fā)。乳狀液黏度大也可能產生絮凝現象, 影響噴霧效果，包埋率降低[14]。

圖2 乳化劑質量濃度對包埋率的影響Fig.2 Effect of the concentration of emulsifier on embedding rate

2.1.1.3 蠕動泵進料速度的影響

進料速度對ZBOM包埋率的影響結果如圖3所示。隨進料速度增大，包埋率呈先增大后減小的趨勢，進料速度300 mL/h時，包埋率達66.4%。進料速度慢時，料液中水分蒸發(fā)快，不利于微膠囊形成，導致包埋率降低。進料速度快時，出風口溫度降低，料液中水分蒸發(fā)不充分，產品含水量高，出現粘壁現象，包埋率降低[15]。

圖3 進料速度對包埋率的影響Fig.3 Effect of feeding speed on embedding rate

2.1.2 正交試驗

參照單因素試驗結果，進行了正交試驗，結果如表2所示。

表2 正交試驗結果與分析Table 2 The result and analysis of orthogonal experiment

由表2可知，各因素對包埋率影響的主次順序：壁芯質量比>進料速度>乳化劑質量濃度。根據均值比較可知，ZBOM的最佳制備條件為A1B1C2，即：壁芯質量比1∶0.75，乳化劑質量濃度1.95 g/L，進料速度300 mL/h。在最優(yōu)條件下進行5次平行制備實驗，ZBOM包埋率為(67.2±0.6)%。

2.2 ZBOM結構表征

2.2.1 FT-IR表征

a-殼聚糖；b-SA-CS壁材；c-ZBOM；d-花椒油芯材圖4 殼聚糖、SA-CS壁材、ZBOM和花椒油芯材FT-IR圖Fig.4 FT-IR Spectra of chitosan, SA-CS wall material, ZBOM, and Zanthoxylum bungeanum oil core material

2.2.2 XRD表征

殼聚糖、SA-CS壁材和ZBOM的XRD表征如圖5所示。圖5-a中，殼聚糖在2θ為10°，20°附近有2個特征漫衍射峰，說明殼聚糖分子內長鏈按一定順序排列，且存在分子間氫鍵作用，具有一定結晶度。形成SA-CS壁材(圖5-b)后，10°附近衍射峰消失，20°附近衍射峰變寬且強度減弱，說明分子間氫鍵作用減弱，結晶度降低[20]。ZBOM在20°附近的衍射峰強度增加(圖5-c)，可能是成囊過程中，花椒油的烷烴長鏈與SA-CS壁材中殼聚糖骨架的糖苷長鏈間排列有序度增加，結晶度提高。

a-殼聚糖；b-SA-CS壁材；c-ZBOM圖5 殼聚糖、SA-CS壁材和ZBOM XRD圖Fig.5 XRD patterns of chitosan, SA-CS wall material and ZBOM

2.3 SEM表征

ZBOM微觀形貌觀察結果如圖6所示。ZBOM微粒呈球狀，粒徑分布較均勻，成囊效果較好，微粒間粘連程度小。部分ZBOM囊壁表面不光滑，存在凹痕，可能是ZBOM囊壁薄，在干燥、冷卻過程中發(fā)生收縮，導致形態(tài)改變[14]。

圖6 ZBOM形貌分析Fig.6 The analysis of ZBOM morphology

2.4 粒度分析

圖7為最優(yōu)工藝條件下所制ZBOM的粒徑分布圖，73%的ZBOM粒徑為111～516 μm，D50為295 μm，比SEM觀察的粒徑偏大，可能是由于ZBOM顆粒間存在粘連，超聲分散未能使其分離。另外，測定粒度時，超聲分散可能引起測定系統中動態(tài)光散射，也會使測定結果偏大[21]。

圖7 ZBOM的粒度分析Fig.7 The analysis of ZBOM particle size

2.5 熱重分析

花椒油芯材、SA-CS壁材和ZBOM的熱重分析曲線如圖8所示。芯材花椒油在低于250 ℃時較穩(wěn)定(圖8-a)，幾乎無失重，250 ℃左右開始分解，470 ℃左右質量損失約90%，至600 ℃時幾乎損失完全。圖8-c中，SA-CS壁材在40～105 ℃出現自由水蒸發(fā)，質量損失約7%；從105 ℃開始初步熱分解，240 ℃之前失重較少，質量損失率為26%；在240～270 ℃的失重，主要是因為壁材氧化產生CO2、H2O和CH4等中間產物，質量損失率達55%；270～500 ℃，中間產物進一步裂解并碳化[22]，500 ℃時分解完全。

SA-CS壁材包封花椒油芯材后(圖8-b)，ZBOM的熱穩(wěn)定性相比于壁材、芯材都有所提升。ZBOM熱分解過程為4個階段：第一階段在40～105 ℃，質量損失率與壁材相同，此階段芯材未發(fā)生變化，質量損失主要來源于壁材失水；第二階段為105～240 ℃，此溫度區(qū)間內芯材質量損失極少，失重為壁材的初步分解；第三階段240～500 ℃質量持續(xù)急劇下降，壁材和芯材同時分解；第四階段500～570 ℃，壁材已分解完全，芯材進一步碳化、氧化分解[23]，直至質量損失完全，說明囊化提高了芯材花椒油熱穩(wěn)定性。

a-花椒油芯材；b-ZBOM；c-SA-CS壁材圖8 花椒油芯材、ZBOM和SA-CS壁材的熱重分析曲線Fig.8 Thermal stability analysis diagram of Zanthoxylum bungeanum oil core material, ZBOM and SA-CS wall material

2.6 ZBOM組裝機理

ZBOM形成機理，如圖9所示。首先，乳化劑吐溫-80乳化花椒油，形成水包油(oil in water，O/W)型乳狀液。然后，將殼聚糖醋酸溶液加入乳狀液中，殼聚糖高分子鏈與非離子表面活性劑吐溫-80間存在氫鍵、疏水等作用，使其包裹在O/W型膠束周圍，初步形成微膠囊囊壁。最后，水楊醛溶液加入上述溶液中，殼聚糖的氨基與水楊醛的醛基發(fā)生縮合反應生成亞胺鍵，隨著亞胺鍵的形成，疏水性芳香席夫堿進行超分子組裝，使柔性的殼聚糖高分子鏈發(fā)生交聯固化[24]。正如SEM表征(圖6)所示，ZBOM微粒呈現球狀形貌，成囊效果較好，囊壁較光滑，微粒間粘連程度小。

圖9 ZBOM構筑機理圖Fig.9 Construction mechanism of ZBOM

3 結論

本研究以水楊醛交聯殼聚糖構筑了新型壁材，采用噴霧干燥法制備了花椒油微膠囊產品。通過單因素試驗和正交試驗得到適宜工藝條件：壁芯質量比1∶0.75，乳化劑質量濃度1.95 g/L，蠕動泵進料速度300 mL/h，此條件下包埋率為(67.2±0.6)%?；ń酚臀⒛z囊為球狀顆粒，成囊效果較好，粘連度小，具有一定熱穩(wěn)定性。本研究制備工藝簡單，反應快速，豐富了微膠囊壁材的選擇，為將來應用于食品、藥品加工領域提供可能。