薄荷精油微膠囊的制備及性能表征

宋秀明，劉 玉，徐翔宇，孫 蕾

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

薄荷的主要產(chǎn)地是中國(guó)，薄荷中含有多種功能性成分，薄荷醇可用來(lái)治療頭痛、神經(jīng)性疾病及皮膚瘤癢等；薄荷精油可用于抗病毒、抗菌、驅(qū)蟲等；薄荷腦和薄荷素油已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)，其他成分還可廣泛應(yīng)用于日用品工業(yè)和食品工業(yè)[1]。但是，精油的穩(wěn)定性較差，在常溫下易揮發(fā)導(dǎo)致其利用率下降，限制了精油的使用[2-4]。因此，將薄荷精油制備成微膠囊化產(chǎn)品，可利用壁材的保護(hù)，減緩精油的揮發(fā)，從而提高其加工與貯存的穩(wěn)定性。復(fù)合凝聚法由于具有反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)單且芯材包覆效果良好等優(yōu)點(diǎn)，常被用于油性芯材的微膠囊化處理[5-6]。復(fù)合凝聚法的作用原理是利用兩種或兩種以上帶有相反電荷的水溶性高分子化合物為壁材，向壁材水溶液中分散芯材形成O/W型乳液，通過(guò)改變混合體系中溫度、濃度、pH值等條件實(shí)現(xiàn)液-液相的分離，即壁材高分子之間由于靜電作用結(jié)合而形成不溶于水的復(fù)合凝聚物析出，沉積于芯材表面，從而形成包埋良好的微膠囊[7-9]。關(guān)于復(fù)合凝聚法制備微膠囊的研究較多。李世偉等[10]采用復(fù)合凝聚法制備β-胡蘿卜素微膠囊，探究了不同工藝處理?xiàng)l件對(duì)微膠囊形態(tài)和粒徑的影響；李飛雨等[11]對(duì)復(fù)合凝聚法制備魚油微膠囊的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化；方芳等[12]采用復(fù)合凝聚法制備了白術(shù)揮發(fā)油微膠囊；董志儉等[13]研究了不同工藝參數(shù)對(duì)薄荷精油微膠囊耐熱性的影響。

由于明膠和阿拉伯樹膠粉具有良好的生物降解性和生物相容性，乳化能力良好，成膜性能優(yōu)良，對(duì)香氣物質(zhì)具有良好的保持能力，且來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，因此，被廣泛作為壁材用于精油的包埋[14-16]。因此，為提高薄荷精油的利用率和穩(wěn)定性，延緩薄荷精油氣味的釋放。本研究以明膠和阿拉伯樹膠粉為壁材，以薄荷精油為芯材，采用復(fù)合凝聚法制備薄荷精油微膠囊，考察壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)、芯壁比、pH值、攪拌速率和固化時(shí)間對(duì)薄荷精油微膠囊包埋率和粒徑的影響，并對(duì)微膠囊的外觀形貌和穩(wěn)定性進(jìn)行表征。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

薄荷精油(密度為0.90 g/mL)，深圳市鼎誠(chéng)植物香料有限公司；明膠，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所；阿拉伯樹膠粉，中國(guó)天津市巴斯夫化工有限公司；無(wú)水碳酸鈉，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；冰乙酸、無(wú)水乙醇，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶，合肥博美生物科技有限責(zé)任公司。

數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)，上海標(biāo)本模型廠；752N紫外可見分光光度計(jì)，精科儀器；pH計(jì)，上海力辰邦西儀器科技有限公司；超聲波處理器，昆山市超聲儀器有限公司；JSM-7500F掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社；JEM-1400Flash透射電鏡，日本電子株式會(huì)社；FTIR-850傅里葉變換紅外光譜分析儀，廣東科曉儀器有限公司；STA449F3熱重分析儀，上海盈諾精密儀器有限公司。

1.2 薄荷精油微膠囊的制備

首先在50 ℃水浴下分別制備一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)的明膠、阿拉伯膠溶液。然后將2種相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液等體積混合，在壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定時(shí)，按一定芯壁比(芯材與壁材質(zhì)量比為1∶2、1∶1、2∶1和3∶1)將薄荷精油和混合溶液用乳化均質(zhì)機(jī)高速乳化3 min。接著在40 ℃水浴加熱下，用機(jī)械攪拌機(jī)在一定轉(zhuǎn)數(shù)(200、400、600和800 r/min)下攪拌混合溶液，用10%乙酸調(diào)節(jié)pH值到一定值(4.3、4.0、3.7、3.4和3.1)。反應(yīng)30 min后，將溫度降至10 ℃以下，再用10%碳酸氫鈉將pH值調(diào)節(jié)到6.0左右，加入0.6 g轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶后進(jìn)行固化，繼續(xù)反應(yīng)一段時(shí)間(2、4、6和8 h)。最后將反應(yīng)后溶液過(guò)濾、洗滌、離心、干燥，得到薄荷精油微膠囊粉末。

1.3 分析測(cè)試方法

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 配制0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06和0.07 mL/L的薄荷精油-乙醇溶液，取0.03 mL/L的薄荷精油-乙醇溶液，在190～500 nm范圍內(nèi)利用紫外分光光度計(jì)測(cè)試其吸光度，可得到吸光度最大時(shí)的波長(zhǎng)，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，實(shí)驗(yàn)所用的薄荷精油在207 nm波長(zhǎng)處存在特征峰，吸光度最大。在207 nm波長(zhǎng)下分別測(cè)試7組薄荷精油-乙醇溶液的吸光度，以吸光度(y)對(duì)薄荷精油-乙醇溶液的濃度(x)進(jìn)行線性回歸，得到回歸方程：y=16.69x+0.095，R2=0.997 7。

圖1 不同波長(zhǎng)下薄荷精油-乙醇溶液的吸光度

1.3.2薄荷精油包埋率的測(cè)定 將1.2節(jié)制備得到的薄荷精油微膠囊全部投入到20 mL的無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲波處理30 min，微膠囊的壁材被破壞從而使芯材流出，將超聲波處理后的混合液進(jìn)行離心分離。吸取離心后的上層清液，利用紫外分光光度計(jì)在207 nm波長(zhǎng)下測(cè)定其吸光度，代入線性回歸方程計(jì)算微膠囊中的薄荷精油含量，從而得到所制備微膠囊中包埋的薄荷精油質(zhì)量[17]。

微膠囊的包埋率(η)計(jì)算公式如下：

η=m1/m0×100%

式中：m1—微膠囊中薄荷精油的質(zhì)量，g；m0—初始投入體系參加反應(yīng)的薄荷精油質(zhì)量，g。

1.3.3微膠囊的測(cè)試與表征 形態(tài)測(cè)試：將微膠囊粉末黏在導(dǎo)電膠上，噴金后利用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察；吸取一定量1.2節(jié)制備的微膠囊懸浮液，利用透射電鏡(TEM)對(duì)微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。平均粒徑測(cè)定：利用Image J軟件對(duì)微膠囊的平均粒徑進(jìn)行測(cè)量。紅外光譜分析：采用KBr壓片法，利用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)明膠、阿拉伯樹膠粉、薄荷精油、未包覆精油的空微膠囊和精油微膠囊進(jìn)行測(cè)試。熱穩(wěn)定性分析：采用熱重分析儀對(duì)薄荷精油、未包覆精油的空微膠囊和精油微膠囊進(jìn)行熱穩(wěn)定性分析，樣品在氮?dú)鈿夥障聫?0 ℃升溫到650 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工藝條件對(duì)微膠囊性能的影響

2.1.1壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù) 在芯壁比2∶1、pH值4.0、攪拌速率400 r/min、固化時(shí)間6 h條件下，壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)微膠囊性能的影響結(jié)果見圖2(a)。由圖2(a)可以看出，隨著壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，微膠囊的包埋率呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到2.5%時(shí)，微膠囊的包埋率從34.7%提高到43.8%。微膠囊的平均粒徑則隨著壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增加到1%時(shí)，微膠囊的平均粒徑由11.9 μm 增加至13.9 μm；當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，微膠囊的平均粒徑最小，為9.1 μm；然后隨著壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，微膠囊的平均粒徑增長(zhǎng)顯著，當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增加至2.5%時(shí)，微膠囊的平均粒徑由18.0 μm增加至37.5 μm。分析可知，壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí)，對(duì)微膠囊平均粒徑的影響非常顯著(P<0.01)。這主要是因?yàn)楫?dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大時(shí)，溶液體系黏度增大，微膠囊之間發(fā)生黏連，導(dǎo)致粒徑增大。綜合上述分析，壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%時(shí)，微膠囊的包埋率最高，但粒徑過(guò)大；壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，粒徑小于20 μm，包埋率也較高。因此，為保證薄荷精油微膠囊的包埋率，最終選取壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。

2.1.2芯壁比 在壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、pH值4.0、攪拌速率400 r/min、固化時(shí)間6 h的條件下考察芯壁比對(duì)微膠囊包埋率及粒徑的影響，結(jié)果見圖2(b)。由圖可見，隨著芯壁比的增加，包埋率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)芯壁比由1∶2增加到2∶1時(shí)，微膠囊的包埋率由23.9%增加到43.1%；當(dāng)芯壁比繼續(xù)增加到3∶1 時(shí)，微膠囊包埋率下降到37.8%。分析可知，芯壁比是微膠囊制備過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)微膠囊包埋率的影響非常顯著(P<0.01)。這是因?yàn)楸诓馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變時(shí)，芯材添加量的改變會(huì)造成芯壁比的變化。芯材量偏少會(huì)導(dǎo)致壁材與芯材的接觸面積減小，壁材在未包裹芯材的情況下聚合，導(dǎo)致形成很多空囊，造成壁材的浪費(fèi)和包埋率的降低。由圖2(b)可以看出，微膠囊的粒徑隨芯壁比的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)芯壁比為2∶1時(shí)，微膠囊的平均粒徑最小為16.2 μm。當(dāng)芯壁比為3∶1時(shí)，微膠囊粒徑增大為40.7 μm，此時(shí)的包埋率也有所下降。這是由于芯材量偏多時(shí)會(huì)導(dǎo)致微膠囊粒徑增大，形成的外殼變薄，容易碰撞破裂，芯材流出，從而導(dǎo)致包埋率下降[18]。因此，為獲得較高的包埋率和較小的粒徑，在壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，選取芯壁比為2∶1時(shí)合成微膠囊能夠獲得較佳的結(jié)果。

2.1.3pH值 在壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、芯壁比2∶1、攪拌速率400 r/min、固化時(shí)間6 h條件下，pH值對(duì)微膠囊性能的影響結(jié)果見圖2(c)。由圖可以看出，隨著pH值的增大，薄荷精油微膠囊的包埋率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，平均粒徑呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)pH值從3.1增加至3.7時(shí)，包埋率由38.9%增加到43.6%，提高了4.7個(gè)百分點(diǎn)，而平均粒徑則由31.5 μm降低至5.4 μm。這主要是因?yàn)閜H值較低時(shí)，明膠中正電荷增多，黏度變大，容易造成微膠囊碰撞粘連導(dǎo)致粒徑增大，形成微膠囊聚集。當(dāng)pH值由3.7提高至4.0時(shí)，微膠囊的包埋率下降，平均粒徑升高；當(dāng)pH值為4.3時(shí)無(wú)法形成微膠囊，說(shuō)明此時(shí)的pH值接近等電位點(diǎn)，明膠在溶液中呈電中性，無(wú)法與帶負(fù)電的阿拉伯樹膠粉產(chǎn)生靜電結(jié)合并在芯材附近進(jìn)行包裹[19]。由結(jié)果可知，pH值變化時(shí)，對(duì)微膠囊平均粒徑的影響非常顯著(P<0.01)。pH值過(guò)小或過(guò)大都會(huì)對(duì)微膠囊的包埋率和粒徑產(chǎn)生影響，因此，在壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，芯壁比為2∶1，pH值為3.7時(shí)獲得的微膠囊的包埋率和平均粒徑較好。

a.壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)mass fraction of wall materials; b.芯壁比值ratio of core and wall materials; c.pH值pH value; d.攪拌速率stirring speed; e.固化時(shí)間curing time

2.1.4攪拌速率 攪拌速率在微膠囊的形成過(guò)程中也是一個(gè)重要的因素，適當(dāng)?shù)臄嚢杷俾士梢苑乐贡诓脑谛静谋砻娉练e不均勻，也可以預(yù)防形成的微膠囊產(chǎn)生粘連。在壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、芯壁比2∶1、pH值3.7、固化時(shí)間6 h條件下，攪拌速率對(duì)微膠囊性能的影響結(jié)果見圖2(d)。由圖2(d)可以看出，隨著攪拌速率的增加，微膠囊的包埋率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，粒徑呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)攪拌速率從200 r/min增加至600 r/min時(shí)，包埋率由34.7%增加至44.5%，平均粒徑由49.5 μm下降至7.0 μm。這主要是由于轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，壁材在芯材表面大量沉積，導(dǎo)致微膠囊粘連，粒徑增大。當(dāng)攪拌速率達(dá)到800 r/min時(shí)，包埋率降低至24.5%，平均粒徑增大到76.8 μm，這主要是由于轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，微膠囊容易碰撞形成多核結(jié)構(gòu)，造成芯材流失，粒徑增大。由結(jié)果分析得出，攪拌速率對(duì)微膠囊包埋率的影響非常顯著(P<0.01)。當(dāng)攪拌速率為600 r/min時(shí)，包埋率最高，平均粒徑最小。因此，攪拌速率為600 r/min時(shí)，獲得的微膠囊芯材包埋率和平均粒徑尺寸較佳。

2.1.5固化時(shí)間 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶是一種天然存在的酶，明膠分子中的脯氨酸和羥脯氨酸被其催化后形成共價(jià)鍵連接，形成剛性囊壁從而提高了壁材的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度。固化時(shí)間越長(zhǎng)，微膠囊的邊界越清晰。在壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、芯壁比2∶1、pH值3.7、攪拌速率600 r/min條件下，固化時(shí)間對(duì)微膠囊性能的影響結(jié)果見圖2(e)。由圖2(e)可以看出，隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，微膠囊的包埋率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，平均粒徑則呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。當(dāng)固化時(shí)間為2 h時(shí)，包埋率為31.4%，平均粒徑為41.1 μm，這是因?yàn)楣袒瘯r(shí)間短，微膠囊的殼結(jié)構(gòu)易被破壞，微膠囊形態(tài)不穩(wěn)定；當(dāng)固化時(shí)間達(dá)到6和8 h時(shí)，包埋率分別為44.9%和44.5%，平均粒徑均在5 μm左右。分析得出固化時(shí)間對(duì)微膠囊包埋率的影響非常顯著(P<0.01)。因此，固化時(shí)間為6 h時(shí)，有利于獲得具有較高芯材包埋率和較佳粒徑尺寸的微膠囊。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證單因素試驗(yàn)結(jié)果，以薄荷精油為芯材，明膠和阿拉伯樹膠粉為壁材，在壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、芯壁比2∶1、pH值3.7、攪拌速率600 r/min和固化時(shí)間6 h的條件下制備薄荷精油微膠囊，重復(fù)3次，測(cè)得微膠囊的平均包埋率為44.9%，平均粒徑為5.8 μm，與單因素試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.2 微膠囊的分析與表征

2.2.1SEM和TEM分析 圖3為優(yōu)化條件下制備的薄荷精油微膠囊的形貌表征結(jié)果。由SEM圖可以看出，微膠囊呈規(guī)則的圓球形，表面略有褶皺，這可能是由于微膠囊在干燥過(guò)程中失水導(dǎo)致的。由TEM圖可以看出，薄荷精油微膠囊具有“白包黑”的殼核結(jié)構(gòu)，核的直徑為2 μm左右，殼厚度為0.6 μm左右。

圖3 微膠囊的SEM(a)和TEM(b)照片

a.阿拉伯樹膠粉gum acacia; b.明膠gelatin; c.空微膠囊empty microcapsules; d.精油微膠囊essential oil microcapsules; e.薄荷精油peppermint essential oil

2.2.3熱穩(wěn)定性分析 圖5為優(yōu)化條件下制備的薄荷精油微膠囊的TG曲線。

由圖5可以看出，薄荷精油在40～130 ℃溫度區(qū)間質(zhì)量損失嚴(yán)重，130 ℃時(shí)薄荷精油質(zhì)量殘留僅為5.4%，之后質(zhì)量損失趨于緩慢，在325 ℃后薄荷精油僅殘留0.85%。這主要是由于薄荷精油中含有的物質(zhì)易揮發(fā)，隨著溫度的升高，薄荷精油揮發(fā)速率加快。未包裹精油的空微膠囊在40～245 ℃溫度區(qū)間質(zhì)量損失速率較緩慢，在245～300 ℃溫度區(qū)間質(zhì)量損失較快，質(zhì)量殘留率由79.3%下降到60.2%，650 ℃ 時(shí)質(zhì)量殘留率為37.5%。薄荷精油微膠囊在40～190 ℃升溫過(guò)程中質(zhì)量無(wú)明顯損失，190～400 ℃時(shí)質(zhì)量急劇下降，質(zhì)量殘留率由90.3%下降到8.5%。這主要是因?yàn)闇囟冗_(dá)到190 ℃后薄荷精油微膠囊壁材破裂，被包裹的薄荷精油暴露出來(lái)，溫度升高時(shí)薄荷精油揮發(fā)。由此可見壁材的包裹使精油揮發(fā)的溫度升高，有利于提高薄荷精油的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

以明膠和阿拉伯樹膠粉為壁材，薄荷精油為芯材，采用復(fù)合凝聚法制備薄荷精油微膠囊，通過(guò)單因素試驗(yàn)考察不同工藝條件對(duì)薄荷精油微膠囊包埋率和粒徑的影響。結(jié)果表明：壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、芯壁比2∶1、pH值3.7、攪拌速率600 r/min和固化時(shí)間6 h條件下，薄荷精油微膠囊的包埋率達(dá)到44.9%，平均粒徑為5.8 μm；該條件下制備的微膠囊呈規(guī)則的圓球形，殼壁材料之間通過(guò)靜電作用結(jié)合成具有“白包黑”的殼核結(jié)構(gòu)；相比薄荷精油，以壁材包覆的精油微膠囊的熱穩(wěn)定性顯著提高，溫度達(dá)到190 ℃后由于壁材的破裂，被包裹的薄荷精油才開始揮發(fā)。