柠檬精油β－环糊精微胶囊制备工艺的优化

付罗莎

(渭南师范学院，陕西 渭南714099)

精油产自芳香植物，一般可从植物的花、茎、叶中提取得到。精油不但具有芳香功能，能够舒缓人的神经系统，有些精油还可以作为药物对一些疾病起到治疗的作用。柠檬精油是柑橘类精油里除臭效果最好的一种精油，主要成分是柠檬烯［1］，并且具有一定的抗菌性。但是因其极易挥发，致使应用受到很大限制，因此对精油进行微胶囊化，可以延缓释放时间，从而使其发挥更好的作用。

微胶囊化始于20世纪30年代，是指将固体、液体或气体用天然或合成的高分子化合物包覆起来而不改变被包覆物原有的化学性质。通过物理机械作用使壁材破裂，从而让芯材再次呈现出来发挥其应有的作用。β－环糊精生物兼容性好并且无毒副作用［2］，其特殊的空腔结构和性质能够与一系列的有机物，如精油、色素、维生素等形成络合物［3］。将β－环糊精包覆柠檬精油，不仅能够利用其自身的结构吸附臭味气体，还可以有效地控制精油的挥发达到芳香抗菌的目的，从而为精油在纺织品行业的应用创造条件。

1 试验

1.1 试验材料与仪器

药品:β－环糊精(天津市科密欧化学试剂有限公司，化学纯);柠檬精油(广东卓之悦香精香料有限公司);无水乙醇(天津市富宇精细化工有限公司，分析纯)。

仪器:BS2202S型电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司);DF－101S型集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司);SHB－III型循环水式多用真空泵(上海科恒实业发展有限公司);GZX－9070MBE型数显鼓风干燥箱(上海博讯实业有限公司医疗设备厂);UV－5200型号的紫外可见分光光度计(上海元析仪器有限公司)。

1.2 试验方法

以β－环糊精为壁材、柠檬精油为芯材，采用包埋法来制备柠檬精油β－环糊精微胶囊［4］。在室温条件下称取一定量的β－环糊精，将其溶解在定量的去离子水中并充分搅拌，制备成饱和的环糊精水溶液。再称取少量柠檬精油，按一定比例将它溶解在酒精中。将溶解好的精油匀速地缓缓倒入环糊精饱和溶液中，在45℃左右温度下对其进行搅拌。4 h左右将其取出，冷至室温后，将其放入5℃的冰箱中静置24 h。取出后对其进行真空抽滤，用50℃干燥箱烘干至恒重，得到的白色粉末状物质即为柠檬精油微胶囊。

2 结果与分析

2.1 单因素结果分析

2．1．1 芯壁比对实验结果的影响

(1)芯壁比对包埋率和产率的影响

表1 不同芯壁质量比下微胶囊的包埋率和产率

由表1可知，不同的芯壁比对微胶囊的包埋结果是有一定影响的。微胶囊的芯壁比在1∶10时，其包埋率和产率最好，分别为76．51%、63．29%。当芯壁比小于1∶10时，微胶囊的包埋率随壁材的增加而增加。当芯壁比超过1∶10时，微胶囊的包埋率开始下降。这很有可能是因为当β－环糊精的用量过高时，芯材与壁材的比例失衡，柠檬精油不足以填满其空腔结构而导致其包埋率下降［5－8］。同时，随着包埋率的下降，微胶囊的产率也受到一定影响。当芯壁比大于1∶10时，由于很多精油未被环糊精包埋，所以，产率开始下降。

(2)不同芯壁比对微胶囊粒径分布的影响

不同的芯壁比对微胶囊粒径的分布也有一定的影响。制备微胶囊的芯壁比为1∶4时，粒径分布在10～100 μm之间，分布较差，粒径在0～10 μm之内的微胶囊占10%;当芯壁比为1∶7时，粒径在10 μm以内的微胶囊几乎没有。原因可能是当壁材较少时，精油不能被完全包埋，而环糊精是很难溶于有机溶剂的［9］，在乙醇与水的共混体系中分散程度较差，壁材易团聚，因此，制备出的微胶囊粒径较大。当芯壁比为1∶10时，粒径分布非常均匀，粒径在10 μm以内的微胶囊占90%;当芯壁比为1∶13时，微胶囊粒径分布较佳，粒径在10 μm以内的微胶囊占90%，但是粒径大小相对芯壁比为1∶10时，制备出的微胶囊整体上要稍大些。当芯壁比为1∶16时，粒径大小在10 μm以内的微胶囊占60%，原因可能是因为环糊精过量，在包埋过程中存在一些未包覆精油的壁材，这些壁材在乙醇与水的共混体系中分散性降低，环糊精团聚导致制备出微胶囊的粒径分布不均匀。因此，当微胶囊的芯壁比为1∶10时，粒径分布较好。

2．1．2 乙醇与精油的体积比对实验结果的影响

(1)乙醇与精油的体积比对包埋率和产率的影响

表2 不同精油与乙醇的体积比下微胶囊的包埋率和产率

由表2可知，当乙醇与精油的体积比为20∶1时，微胶囊的包埋效果最好，产率最高。也就是1 mL的精油在20 mL酒精中溶解程度达到最高，从而提高了精油的包埋率。而当乙醇与精油的体积比大于或低于20∶1时，微胶囊的包埋效果逐渐降低。原因可能是因为当酒精的用量小于20 mL时，存在没有溶解于乙醇中的精油，在微胶囊的制备过程中，精油分子会因不能在水与乙醇共混的连续相中很好分散而不能被环糊精很好地包覆，从而导致微胶囊的包埋率和产率降低。而当酒精的用量大于20 mL时，精油的浓度较低，同时，β－环糊精在酒精与水溶液中的分散程度降低，导致包埋效果不是很好。这与杨波等人对苯乙醇香精包埋率的研究相一致［9］。因此，乙醇与精油的体积比大约在10∶1时，微胶囊的粒径分布较好。

(2)乙醇与精油的体积比对微胶囊粒径分布的影响

乙醇与精油的体积比对微胶囊粒径的分布也是有很大影响的。当乙醇与精油的体积比为10∶1时，芳香微胶囊的粒径较小并且均一性好，粒径在10 μm以内的占90%以上。当乙醇与精油的体积比为20∶1时，粒径均一性不好，而且粒径较大，粒径在0～10 μm之内的微胶囊占86%。原因是此环境下影响微胶囊颗粒大小的因素主要是环糊精在乙醇与水共混体系中的分散程度。此时乙醇的量已经过多，而环糊精是不溶于乙醇的，因此，制备出的微胶囊的颗粒大小不一，一致性不好。同理，当乙醇与精油的体积比为30∶1时，10 μm以下的微胶囊占60%，可能是因为环糊精在乙醇与水的混合溶液中分散程度降低，导致粒径范围变大而致。继续增加乙醇的用量，当乙醇与精油的体积比为40∶1、50∶1时，粒径在10 μm以内的微胶囊分别占80%和48%。原因可能是未分散在混合体系中的环糊精增加，分散性下降，因此制备出的微胶囊粒径变大。综合分析比较，确定将乙醇与精油的体积比定为10∶1。

2．1．3 包埋温度对实验结果的影响

(1)包埋温度对微胶囊产率和包埋率的影响

表3 不同包埋温度下微胶囊的包埋率和产率

从表3中可以看出，温度对包埋结果也有一定的影响。包埋率及产率在低于50℃时随温度的升高而增加。在50℃时的包埋效果最好。原因可能是由于温度过低，环糊精在水及酒精溶液中的分散程度较小，很难有较多分子状态的β－环糊精与柠檬精油进行包埋。其次，精油分子运动不剧烈，导致精油分子不能很好地进入β－环糊精的空腔内，所以环糊精微胶囊的包埋率较低。温度在50℃左右时，溶液连续相的流动性较好，使得环糊精在连续相中的分散程度增加。而温度过高，精油则易挥发，大量的精油会损失，不能被壁材包住，同时，温度过高不易使包埋过程向正方向进行［10］，使得微胶囊的产率和包埋率同时下降。因此，综合分析，最合适的包埋温度为50℃。

(2)包埋温度对环糊精微胶囊粒径分布的影响

不同温度对微胶囊粒径的大小及分布的均一性有很大的影响。包埋温度为30℃时，环糊精在共混体系中的分散程度较低，因此环糊精易团聚，粒径在10 μm以下的微胶囊几乎没有。随着温度的增加，当包埋温度在40℃左右时，粒径较小，分布均一，10 μm以下粒径的微胶囊占62%，原因可能是因为随着温度的增加，体系中连续相的流动性增加，环糊精与精油在体系中的分散性随之增加，所以制备出的微胶囊分布均一性较好。当温度继续升高到50℃时，芳香微胶囊的粒径在10 μm以下，分布情况最佳。但当温度高达60℃、70℃时，微胶囊的粒径变大，粒径在100 μm左右，可能是因为温度过高，导致精油、水的大量挥发，而水、乙醇、精油共混溶液也大大减少了环糊精的分散性，导致环糊精大量团聚，因此制备出的微胶囊粒径变大。综上所述，包埋温度为50℃左右时，微胶囊粒径较小，分散均一性良好。

2．1．4 包埋时间对实验结果的影响

由表4可知，包埋时间对包埋效果也有明显的影响。包埋时间为5 h时，包埋率和产率最高，分别为72．53%和60．18%。包埋时间若低于5 h，溶液中的连续相没有足够的时间流动，导致环糊精很难较好地分散在共混溶液中，因此，芳香精油不能充分被环糊精包覆，导致包埋效果降低。同时，搅拌能够提高精油在共混溶液中的分散程度［11］，也可以减小芯材粒度的大小，能够使柠檬精油更容易进入环糊精空腔内，并且随着时间的延长，包埋过程越接近于平衡［12］，即搅拌时间过短，包埋过程不能彻底进行，但若时间过长，会造成精油的挥发，同时，很有可能使已经完成包埋的包埋物脱离包埋状态，这同样导致微胶囊的产率和包埋率下降。因此，综合考虑，将包埋时间定为5 h。

表4 不同包埋时间下微胶囊的包埋率和产率

不同的包埋时间也影响着微胶囊粒径的分布情况。当包埋时间为1 h时，粒径分布不均匀，10 μm以下粒径的微胶囊占78%。原因可能是因为包埋时间过短，精油没有充分被环糊精包埋，同时，共混体系的连续相流动性较低，环糊精在乙醇与水的共混体系中分散程度降低，所以导致制备的微胶囊分布情况不好。芳香微胶囊的粒径随着包埋时间的增加，分布逐渐稳定。当包埋时间为3 h和5 h时，微胶囊粒径的分布几乎一致，10 μm以下粒径分别占85%、83%。但当时间为7 h时，10 μm以内粒径的微胶囊占80．5%，整体粒径稍微偏大。包埋时间为9 h时，粒径在10 μm以下的占70%，微胶囊粒径颗粒较大。原因可能是时间过长，精油易挥发，环糊精在乙醇与水的共混体系中分散程度降低。从时间和物质损耗等方面综合考虑，芳香微胶囊的包埋时间选为5 h。

2．1．5 搅拌时间对实验结果的影响

(1)搅拌速度对包埋率及产率的影响

表5 不同搅拌速度下微胶囊的包埋率和产率

表5中的结果显示，搅拌速率也会对β－环糊精的包埋形成一定的影响。环糊精的空洞体积大约有2．6×10－8cm3。精油分子即使与壁材分子尺寸相配也要有外力才能使之进入壁材［12］。因此，理论上讲，搅拌速率越高，溶液连续相流动程度就会越好，精油和环糊精的分散性就会随之越好。力度越大，微胶囊的包埋效果就会越好。由表5可知:当搅拌速度低于1 000 r/min时，搅拌速度越快，分散相即精油与环糊精分子越容易分散在流动相中，因此微胶囊的产率、包埋率也就越高。但是当搅拌速度大于1 000 r/min时，环糊精对精油的包埋率随搅拌速度的增大而逐渐减小，原因可能是因为当搅拌速度过高时，精油的挥发量增加，同时环糊精也易分解［13］，因此制备的微胶囊的包埋率和产率都会下降。所以，当搅拌速度为1 000 r/min左右时，微胶囊的包埋率相对较好。

(2)搅拌速度对微胶囊粒径分布的影响

通过试验可以得出，当搅拌速度为400 r/min时，微胶囊粒径较大，粒径在10 μ以下的占10%。原因可能是搅拌速度较慢时，环糊精微胶囊在水中的溶解程度较低，颗粒没有被很好地分散开，柠檬精油也没有被环糊精较好地包覆，同时较低的搅拌速度不能使微胶囊很好地分散在水中，导致环糊精团聚，因此制成的微胶囊粒径较大。当搅拌速度增加到700 r/min时，微胶囊整体粒径变小，粒径在10 μm以下的微胶囊占29．75%;搅拌速度在1 000 r/min和1 300 r/min时，粒径分布情况基本相同。10 μm以下的微胶囊占85%、83%。当搅拌速度继续增大到1 600 r/min时，粒径在10 μm以下的微胶囊占73%，但是微胶囊粒径分布不均匀。出现以上现象可能是因为提高搅拌速度后，连续相流动性增加，黏度降低，增大了微胶囊在乙醇与水共混体系中的分散程度，使得微胶囊在连续相中团聚程度减小，因此微胶囊的粒径变小。当继续增大搅拌速度时，微胶囊出现两个峰值，这是因为精油挥发量增大，再一次导致一些环糊精的分散程度减小，分散相团聚，使微胶囊的分布不均匀所致。因此，选择的搅拌速度为1 000 r/min。

2.2 柠檬精油微胶囊制备工艺正交试验结果

在单因素实验基础上，得到了不同实验因素的最适水平，再以芯壁比、乙醇与精油的体积比、包埋温度、包埋时间、搅拌速度为制备工艺的5个因素为条件，通过正交试验，可以得到柠檬精油β－环糊精微胶囊的最佳制备工艺(见表6)。因此，通过对得到的微胶囊产率、包埋率以及粒径的分布情况进行综合分析，最终确定制备β－环糊精柠檬精油微胶囊的最佳工艺条件为:

A3芯壁比为1∶10;B2乙醇与精油的体积比为10∶1;C1包埋温度为40℃;D2包埋时间为3 h;E1搅拌速度为900 r/min。

表6 正交试验因素和水平

3 结语

在单因素的实验基础上，用正交试验得到了柠檬精油β－环糊精微胶囊的最佳制备工艺。在反应过程中，包埋温度和芯壁比对微胶囊的包埋效果有显著影响。温度太高，会导致精油的挥发和环糊精的分解，包埋率和产率就会降低。芯壁比大于1∶10时，精油不足以填满其空腔结构而导致其包埋率下降。综合分析，柠檬精油β－环糊精微胶囊的最佳制备工艺为芯壁比为1∶10，乙醇与精油的体积比为10∶1，包埋温度为40℃，包埋时间为3 h，搅拌速度为900 r/min。

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