肉桂油-β-环糊精纳米微胶囊的超声波法制备与表征

石春韬,李　萍,舒　婷,裴　帆

(天津农学院基础科学学院,天津 300384)



肉桂油-β-环糊精纳米微胶囊的超声波法制备与表征

石春韬,李萍*,舒婷,裴帆

(天津农学院基础科学学院,天津 300384)

为了优化肉桂油-β-环糊精微胶囊的制备工艺。采用超声波法制备微胶囊,在单因素实验基础上,以包埋率为评价指标,利用正交实验优化制备工艺。结果表明,微胶囊的最佳制备工艺为:肉桂油与β-环糊精质量比1∶8,超声功率231 W、温度40 ℃、时间50 min,在此条件下,包埋率可达到38.17%,平均粒径456.7 nm。放大实验表明,肉桂油用量增加4倍,微胶囊包埋率仅降低3.83%,最佳制备工艺稳定。红外光谱和差示扫描量热分析证实了微胶囊的形成。热重分析表明肉桂油具有强烈挥发性,218.0 ℃后质量仅剩余0.15%,包埋后的肉桂油210.0 ℃才开始有质量损失,热稳定性提高。薄层色谱分析表明包埋前后肉桂油主要成分无显著变化。超声波法和饱和水溶液法制备微胶囊,包埋率相差不大,但超声制备的微胶囊载药量比饱和水溶液法提高0.71%,且超声制备的微胶囊包埋率、收率及载药量比研磨法分别提高4.21%、3.58%和2.60%。超声波法是制备高质量纳米级肉桂油-β-环糊精微胶囊的简便有效方法。

肉桂油,β-环糊精,纳米微胶囊,超声制备,表征

天然抗菌物质用于食品保鲜已经引起广泛的研究兴趣。其中,肉桂油被美国FDA认定为安全的天然食品防腐剂,其挥发性成分是起到抗菌作用的主要物质[1]。然而,肉桂油的挥发性和低水溶性限制了其在食品保鲜上的应用,解决方法之一是将其制备成微胶囊。β-环糊精是环状低聚糖,腔外亲水,腔内疏水,可与许多客体分子形成微胶囊。

微胶囊的制备方法主要有:饱和水溶液法、冷冻干燥、喷雾干燥和研磨法。如J Fernando等[2]用饱和水溶液法制备了大蒜油-β-环糊精微胶囊;Ting Wang等[3]用冷冻干燥法制备了丁香酚-β-环糊精包合物;Carmen Barba等[4]用喷雾干燥法制备了香芹酚-β-环糊精包合物;Alaize de P Martins等[5]用研磨法制备了薄荷精油-β-环糊精包合物。饱和水溶液法搅拌时间过长,冷冻干燥和喷雾干燥需要特殊设备,研磨法费时费力。有文献报道称,超声技术可有效提高微胶囊的包埋率。如韩春然等[6]用超声波法制备了丁香精油-β-环糊精微胶囊;张静等[7]用超声波法制备了肉桂精油-β-环糊精微胶囊;Yaoqi Tian等[8]用超声波法制备了肉桂醛-高直链玉米淀粉包合物。关于超声波法制备肉桂油-β-环糊精微胶囊,英文文献中未见报道,中文文献中只有一篇(文献[7]),但只停留在对制备工艺的研究,缺乏对微胶囊的形成进行必要的表征。文献中对肉桂油-β-环糊精微胶囊几种制备方法的比较未见报道。为此,本文采用超声波法制备肉桂油-β-环糊精微胶囊并优化制备工艺,利用红外光谱法和差示扫描量热法对微胶囊的形成进行表征,采用热重分析法研究肉桂油被包埋前后的热稳定性,并将超声波法与饱和水溶液法和研磨法进行比较,旨在为肉桂油-β-环糊精微胶囊的制备提供简便有效的超声波制备方法,提高肉桂油的稳定性,为其在食品保鲜中的开发利用提供参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

肉桂油(芯材)江西吉安中大香料厂;β-环糊精(β-CD,壁材)天津市光复精细化工研究所;无水乙醇天津市风船化学试剂科技有限公司。

Elmasonic P180H型超声波清洗器德国Elma公司；1800型紫外-可见分光光度计日本岛津公司;IRAffinity-1型傅里叶变换红外光谱仪日本岛津公司;TGA1型热重分析仪瑞士梅特勒公司;DSC 200F3型差热分析仪德国耐驰公司;Nano-ZS90型粒度分析仪英国马尔文公司;BA210型光学显微镜德国麦克奥迪公司。

1.2实验方法

1.2.1微胶囊的制备肉桂油用2倍体积无水乙醇溶解。按照一定的芯材壁材质量比例(芯壁比)称取β-CD置于烧杯中,加入15倍β-CD质量的蒸馏水,60 ℃下超声促溶4 min至澄清透明溶液。将肉桂油无水乙醇溶液滴加到β-CD水溶液中。设置条件,超声,冷却至室温,4 ℃冷藏24 h,抽滤,无水乙醇洗涤,50 ℃干燥至恒重,得微胶囊[9]。

1.2.2包埋率的测定微胶囊中被包埋的肉桂油采用紫外-可见分光光度法测定。

测定波长的选择:肉桂油无水乙醇溶液(5.0 μg·mL-1)在200～400 nm范围扫描,溶液在286 nm处有最大吸收,选为肉桂油测定波长。标准曲线的绘制:浓度为1.0、3.0、5.0、7.0、9.0 μg·mL-1的肉桂油无水乙醇溶液分别在286 nm处测定吸光度。肉桂油浓度C与吸光度A的线性回归方程为A=128.7C+0.001,R2=0.9990,肉桂油浓度在1.0～9.0 μg·mL-1线性关系良好。按式(1)计算包埋率。

包埋率(%)=微胶囊中被包埋的肉桂油质量(g)/制备微胶囊初始加入的肉桂油质量(g)×100

式(1)

微胶囊中被包埋的肉桂油质量=微胶囊总肉桂油含量-微胶囊表面肉桂油含量

表面肉桂油的测定:称取50 mg微胶囊,用10 mL无水乙醇浸提5 min,4000 r/min离心30 min,静置,记录上层清液体积,测定吸光度。由回归方程计算肉桂油浓度,按式(2)计算微胶囊表面肉桂油的含量[10]。总肉桂油的测定:称取50 mg微胶囊,加入10 mL无水乙醇,50 ℃超声4 min,涡流混合10 min,4000 r/min离心30 min,静置,记录上层清液体积,测定吸光度。由回归方程计算肉桂油浓度,按式(2)计算微胶囊总肉桂油含量[10]。

表面肉桂油或总肉桂油含量=肉桂油浓度×清液体积×稀释倍数

式(2)

微胶囊收率和载药量分别按式(3)和式(4)计算。

收率(%)=微胶囊的质量/(制备微胶囊初始加入的肉桂油质量+β-CD质量)×100

式(3)

载药量(%)=微胶囊中被包埋的肉桂油质量(g)/微胶囊的质量(g)×100

式(4)

1.2.3单因素实验

1.2.3.1芯壁比对包埋率的影响吸取5份肉桂油,每份300 μL,用2倍体积的无水乙醇溶解。然后按照芯壁比1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10分别称取β-CD,按1.2.1项下方法制备微胶囊,超声条件60 ℃,264 W,20 min,按1.2.2项下方法测定吸光度,计算包埋率。

1.2.3.2超声功率对包埋率的影响吸取5份肉桂油,每份300 μL,用2倍体积的无水乙醇溶解,按照芯壁比1∶8称取β-CD,按1.2.1项下方法制备微胶囊,超声条件60 ℃,20 min,功率分别为198、231、264、297、330 W,根据1.2.2项下方法测定吸光度,计算包埋率。

1.2.3.3温度对包埋率的影响吸取5份肉桂油,每份300 μL,用2倍体积的无水乙醇溶解,按照芯壁比1∶8称取β-CD,按1.2.1项下方法制备微胶囊,超声条件264 W,20 min,温度分别为30、40、50、60、70 ℃,按1.2.2项下方法测定吸光度,计算包埋率。

1.2.3.4时间对包埋率的影响吸取5份肉桂油,每份300 μL,用2倍体积的无水乙醇溶解,按照芯壁比1∶8称取β-CD,按1.2.1项下方法制备微胶囊,超声条件264 W,50 ℃,时间分别为20、30、40、50、60 min,根据1.2.2项下方法测定吸光度,计算包埋率。

1.2.4正交实验以包埋率为评价指标,在单因素实验基础上,选择芯壁比、超声功率、温度和时间为考察因素,用正交实验优化微胶囊制备工艺,因素水平设计如表1所示。

表1　正交实验因素水平表

1.2.5微胶囊的表征和分析肉桂油和β-CD混合物的制备:按照芯壁比1∶8(质量比)称取肉桂油和β-CD,在玛瑙研钵中研磨至混合均匀。

FTIR分析:液体肉桂油采用KBr涂膜法测定;固体β-CD、混合物、微胶囊采用KBr压片法测定,扫描范围4000～400 cm-1,分辨率4 cm-1,次数32。

DSC分析:温度范围:20～400 ℃,升温速率:10 ℃/min,气氛:N2。Al坩埚,加盖、打孔,样品量3～4 mg,参比物:空Al坩埚。

TGA分析:温度范围:30～1000 ℃,升温速率:10 ℃/min,气氛:N2。Al2O3坩埚,样品量3～4 mg。

TLC分析:肉桂油、微胶囊经水蒸气蒸馏回收的肉桂油、微胶囊及肉桂醛(肉桂油的主要成分)的无水乙醇溶液用石油醚∶乙酸乙酯(体积比5∶1)展开,2,4-二硝基苯肼显色。

粒度分析:纳米颗粒的测定使用粒度分析仪,微胶囊用10倍质量蒸馏水溶解,1 cm塑料比色皿,散射角90°,120 s连续扫描。微米颗粒的测定使用光学显微镜,随机测定40个微胶囊颗粒大小,取平均值作为结果。

1.2.6统计与分析实验操作重复三次,采用Excel进行数据处理。

2　结果与分析

2.1单因素实验结果

2.1.1芯壁比对包埋率的影响芯壁比对包埋率的影响结果见图1。

图1　芯壁比对包埋率的影响Fig.1　Effect of ratio of core to wall on embedding rate

可以看出,随着芯壁比的增加,包埋率先增大后减小,芯壁比为1∶8时包埋率最大,包埋效果最好。因此,选择1∶6、1∶8和1∶10进行正交实验。

2.1.2超声功率对包埋率的影响图2显示了超声功率对包埋率的影响结果。

图2　超声功率对包埋率的影响Fig.2　Effect of ultrasonic power on embedding rate

可见,包埋率随超声功率的增加而增大,264 W时最高,此后下降。这可能是因为超声功率过大,产生的热量增多,高温会导致肉桂油挥发加快,包埋率下降。因此,选择231、264、297 W进行正交实验。

2.1.3温度对包埋率的影响温度对包埋率的影响结果见图3。

图3　温度对包埋率的影响Fig.3　Effect of temperature on embedding rate

可以看出,随着温度的升高,包埋率先增大后减小,50 ℃时最高。但包埋是个放热过程[11],过高的温度会导致包埋反应逆向进行并造成肉桂油挥发加快,包埋率下降。因此,选择40、50、60 ℃进行正交实验。

2.1.4时间对包埋率的影响图4显示了时间对包埋率的影响结果。

图4　时间对包埋率的影响Fig.4　Effect of time on embedding rate

可见,包埋率随着超声时间的增加而提高,40 min时最大,此后下降。这可能是因为过长的超声时间会导致体系热量增加,不利于包埋反应。因此,选择30、40、50 min进行正交实验。

2.2正交实验结果

以包埋率为评价指标,采用正交实验优化微胶囊超声制备工艺,结果见表2。

表2　正交实验结果

由表2可知,超声波法制备肉桂油-β-CD微胶囊的最佳工艺条件为A2B1C1D3,即芯壁比1∶8、超声功率231 W、温度40 ℃、时间50 min。极差分析表明,各因素对包埋率的影响次序为:C>D>B>A,即温度>时间>超声功率>芯壁比。

2.3验证及放大实验结果

对最佳工艺进行三次验证,包埋率分别为38.27%、38.33%、37.91%,平均值38.17%,相对平均偏差0.45%,可知最佳工艺正确。放大实验结果(表3)显示,肉桂油用量增加4倍,微胶囊包埋率仅降低3.83%,最佳制备工艺稳定。

表3　放大实验结果

2.4FTIR分析

利用红外光谱法对微胶囊的形成进行了表征,结果如图5所示。

图5　肉桂油(a)、β-CD(b)、混合物(c)及微胶囊(d)的红外光谱图Fig.5　FTIR spectra of cinnamon oil(a),β-CD(b),physical mixture(c)and microcapsule(d)

可以看出,肉桂油(a)主要吸收有:3028.24 cm-1(=C-H),1604.77、1492.90和1450.47 cm-1(芳环骨架),1678.58 cm-1(C=O)、结合2814.14和2742.78 cm-1两个吸收,证明肉桂油中-CHO的存在;β-CD(b)主要吸收有:3419.79 cm-1(O-H),2924.09 cm-1(C-H),1157.29 cm-1(C-O)和1028.06 cm-1(C-O-C);混合物(c)中仍然可见肉桂油在3028.24、1678.58、1604.77和1450.47 cm-1处的吸收;微胶囊(d)中β-CD的O-H吸收变宽并移至3373.50 cm-1,肉桂油的C=O移至1674.21 cm-1,这种变化可能与β-CD和肉桂油主客体间形成分子间氢键有关[12]。此外,微胶囊中肉桂油在3028.24、2814.14、2742.78、1604.77及1490.42 cm-1处吸收消失,1450.47 cm-1处吸收减弱。红外光谱吸收的变化说明β-CD与肉桂油间发生了作用,形成了微胶囊。

2.5DSC分析

图6给出了肉桂油、β-CD、混合物及微胶囊的DSC分析结果。

图6　肉桂油(a)、β-CD(b)、混合物(c)及微胶囊(d)的DSC曲线Fig.6　DSC curves of cinnamon oil(a),β-CD(b),physical mixture(c)and microcapsule(d)

可知,肉桂油(a)在250.0 ℃之前一致呈现吸热状态,这与其挥发性吻合(峰值238.5 ℃);β-CD(b)在100 ℃左右宽广的吸热峰是水分的蒸发,319.8 ℃和324.4 ℃是融化和热分解吸热导致;混合物(c)在193.4和229.7 ℃的吸热峰证明了肉桂油的存在;微胶囊(d)的DSC曲线在160.0～280.0 ℃都比较平坦,未发现吸热峰,与混合物明显不同,这说明肉桂油与β-CD发生了作用,形成了微胶囊。

2.6TGA分析

图7给出了肉桂油、β-CD、混合物及微胶囊的热重分析结果。

图7　肉桂油(a)、β-CD(b)、混合物(c)及微胶囊(d)的热重曲线Fig.7　TGA curves of cinnamon oil(a),β-CD(b),physical mixture(c)and microcapsule(d)

可以看出,肉桂油(a)有两个失重台阶,30.0～105.0 ℃(低沸点化合物的损失,28.74%)和105.0～218.0 ℃(主要成分肉桂醛及高沸点成分的损失,71.11%),218.0 ℃后残留0.15%,表明肉桂油具有强烈挥发性;β-CD(b)前一个台阶是水分的蒸发(损失12.65%),280.0 ℃后开始分解,最大分解温度327.3 ℃;混合物(c)在30.0～142.0 ℃的失重是肉桂油的挥发及β-CD水分的蒸发(损失26.21%),280 ℃开始分解,最大分解温度326.7 ℃,与β-CD几乎相同,说明肉桂油和β-CD只是简单混合,没有形成微胶囊;微胶囊(d)在150.0 ℃之前是水分的蒸发及极少量表面油的损失(5.37%)。随着温度的升高,质量没有变化,210.0 ℃开始下降,表明肉桂油从β-CD腔内缓慢释放。微胶囊中β-CD的最大分解温度(314.7 ℃)比纯β-CD低12.6 ℃,这些变化表明肉桂油与β-CD发生了作用,形成微胶囊后肉桂油热稳定性提高。

2.7TLC分析

肉桂油、微胶囊中回收的肉桂油、微胶囊及肉桂醛的TLC展开结果如图8所示。

图8　肉桂油、回收肉桂油、微胶囊及肉桂醛的TLC展开结果Fig.8　Results of TLC of cinnamon oil,recovered cinnamon oil,microcapsule and cinnamaldehyde

可以看出,肉桂油、回收的肉桂油及肉桂醛都在比移值0.470处有橙色斑点。而微胶囊在相同距离处出现极微弱的斑点,说明微胶囊有极少量表面油的存在,且包埋前后肉桂油主要成分无显著变化。

2.8三种制备方法的比较

超声波法制备的肉桂油-β-CD微胶囊为白色粉末,无气味,味道微甜。对微胶囊三种制备方法进行了比较,结果如表4所示。

表4　三种方法的比较

可以看出,超声波法和饱和水溶液法制备微胶囊,包埋率相差不大,但超声制备的微胶囊载药量比饱和水溶液法高出0.71%,且饱和水溶液法制备的微胶囊颗粒较大,达到了微米级别,这与文献[2]报道结果一致。超声制备的微胶囊包埋率、收率及载药量比研磨法分别提高4.21%、3.58%和2.60%。超声波法可制备纳米级肉桂油-β-CD微胶囊,并具有较好的质量。

3　结论

超声波法制备肉桂油-β-CD微胶囊的最佳条件是:肉桂油与β-CD质量比1∶8,超声功率231 W、温度40 ℃、时间50 min,在此条件下,包埋率可达到38.17%,平均粒径456.7 nm。影响包埋率的因素次序为:温度>时间>超声功率>芯壁比。验证和放大实验表明,超声波法制备肉桂油-β-环糊精微胶囊工艺稳定。FTIR和DSC分析证实了微胶囊的形成,TGA分析表明肉桂油被包埋后热稳定性提高,TLC分析显示包埋前后肉桂油主要成分无显著变化。超声波法和饱和水溶液法制备微胶囊,包埋率相差不大,但超声制备的微胶囊载药量比饱和水溶液法提高0.71%,且超声制备的微胶囊包埋率、收率及载药量比研磨法分别提高4.21%、3.58%和2.60%。超声波法是制备高质量纳米级肉桂油-β-CD微胶囊的简便有效方法。

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Ultrasonic preparation and characterization of cinnamon oil-β-cyclodextrin nanocapsules

SHI Chun-tao,LI Ping*,SHU Ting,PEI Fan

(College of Basic Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China)

The aim of the study was to optimize the preparation process of cinnamon oil-β-cyclodextrin microcapsules. Microcapsules were prepared by ultrasonic method and on the basis of single factor tests,orthogonal tests were carried out to optimize the preparation conditions with embedding rate as the appraisement index. The results showed that the optimized conditions were established as follows:ratio of cinnamon oil toβ-cyclodextrin was 1∶8(mass ratio),ultrasonic power 231 W,temperature 40 ℃,time 50 min and under these conditions,the embedding rate and the average diameter of the capsules were 38.17% and 456.7 nm,respectively. Amplification test results showed that the amount of cinnamon oil increasing by 4 times caused only 3.83% reduction on embedding rate which suggesting the stability of the preparation conditions. Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)and differential scanning calorimetry(DSC)demonstrated the formation of the microcapsules. Thermogravimetric analysis(TGA)showed that cinnamon oil had a strong volatility and the remaining mass was only 0.15% after 218.0 ℃,yet the cinnamon oil embedded began to loss mass after 210.0 ℃ which indicating the improvement of the thermal stability of cinnamon oil. The main constituents of cinnamon oil did not change significantly before and after embedding proved by thin-layer chromatography(TLC). There was no significant difference on embedding rate of microcapsules prepared by ultrasonic and saturated aqueous methods,while microcapsules prepared by ultrasonic method contained higher drug loading with 0.71% than saturated aqueous solution method. Meanwhile,the microcapsules prepared by ultrasonic method exhibited higher embedding rate(increasing 4.21%),showed greater yield(enhancing 3.58%)and contained higher drug loading(improving 2.60%)than kneading method,respectively. Ultrasonic method is a simple and efficient method for preparing cinnamon oil-β-cyclodextrin nanocapsules with high quality.

cinnamon oil;β-cyclodextrin;nanocapsules;ultrasonic preparation;characterization

2016-02-22

石春韬(1994-),男,大学本科,研究方向:应用化学,E-mail:709068532@qq.com。

李萍(1979-),女,硕士,讲师,研究方向:香辛料精油的提取与应用,E-mail:liping790520@126.com。

2015年天津市大学生创新创业训练计划项目(201510061086)。

TS225.3

B

1002-0306(2016)18-0307-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.18.050