桂花精油微胶囊制备工艺优化

郑 义,俞益芹,黄 陈,陈 元,董莎莎

(江苏农牧科技职业学院,江苏泰州 225300)

桂花(Osmanthusfragrants Lour)又名木樨、丹桂、岩桂,属木樨科常绿灌木或乔木,在我国南方广西、贵州、福建、湖南、浙江、江苏等各省均有栽培。桂花不仅具有较高的观赏价值,而且具有极高的食用和药用价值,我国自古就有食用桂花糕、酿制桂花酒习俗;以桂花为原料制作的桂花茶对舒缓喉咙痛,改善多痰、咳嗽症状,开胃醒神、健脾补虚,防治十二指肠溃疡具有很好的保健功能[1]。桂花因香气清新、高雅而深受大众喜爱,是一种高档的天然香料,被广泛应用于化工、制药、食品等行业。桂花精油是天然金桂的提取物,是目前唯一不能合成的一种高档花香香料,也是我国的特有产品[2]。桂花精油含有紫罗兰酮类、醇类、氧化芳樟醇类、六羟基紫杉烯等芳香物质,暴露在空气中,受环境因素的影响,极易挥发且发生氧化酸败[3],严重影响了桂花精油的质量。

微胶囊技术是指利用天然或合成的高分子包囊材料,将固体、液体或气体物质包埋在微小、半透性或密封的胶囊内,使内容物在特定条件下以可控的速率进行释放的技术。通过微胶囊技术可以达到隔离活性成分、保护芯材免受环境影响、掩盖不良味道或气味、控制释放等目的[4]。喷雾干燥法制备丁香油、牡丹籽油、薰衣草精油、香草兰精油微胶囊的研究已有许多资料报道[5-8],桂花精油相关研究主要集中在提取、分离等方面[9-10],但利用喷雾干燥技术制备桂花精油微胶囊还未见资料报道。

本文以阿拉伯胶和麦芽糊精为壁材,桂花精油为芯材,采用喷雾干燥技术制备微胶囊固态粉末产品,可以有效防止由氧气、光照、酸碱等外界因素对桂花精油在储运过程造成不良影响,提高其稳定性能[11-12],为桂花精油的综合开发与利用拓宽途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

桂花精油 实验室自制;阿拉伯胶 食品级,西王药业有限公司;麦芽糊精 食品级,西王药业有限公司;无水乙醚、无水乙醇 均为分析纯,上海国药试剂有限公司;实验所用水均为去离子水。

AL204-IC型电子天平 上海精密仪器仪表有限公司;GYB30-6S型高压均质机 上海东华均质机厂;101-2A型电热恒温鼓风干燥箱 上海沪粤明科学仪器有限公司;B-290 型小型喷雾干燥机 瑞士Buchi有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 桂花精油微胶囊制备工艺 阿拉伯胶+麦芽糊精→溶解→调配→桂花精油,初乳化→高压均质→喷雾干燥→桂花精油微胶囊,置干燥器内保存备用。

取一定体积的冷水,边搅拌边加入不同质量分数阿拉伯胶和麦芽糊精,待分散后加热至50～60 ℃,使其溶解。然后将胶体溶液冷却至室温,然后在溶液中边搅拌边加入桂花精油,高速分散,保持60 ℃高压均质后喷雾干燥,得到微胶囊产品。

1.2.2 单因素实验设计

1.2.2.1 壁材配比对微胶囊包埋率的影响 将阿拉伯胶与麦芽糊精(壁材)按1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 (g∶g)比例配成溶液[6],胶体溶液为15.0%,芯材与壁材按1∶6 (g∶g)配比加入桂花精油,设定均质压力40.0 MPa、进口风温200.0 ℃、进料速度8.0 mL/min,喷雾干燥后测定桂花精油的包埋率,考察壁材配比对微胶囊包埋率的影响。

1.2.2.2 芯材与壁材配比对微胶囊包埋率的影响 壁材阿拉伯胶与麦芽糊精按1∶3 (g∶g)配制15.0%胶体溶液,将芯材与壁材按1∶1、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8 (g∶g)比例加入,设定均质压力40.0 MPa、进口风温200.0 ℃、进料速度8.0 mL/min,喷雾干燥后测定桂花精油的包埋率,考察芯材与壁材配比对微胶囊包埋率的影响。

1.2.2.3 均质压力对微胶囊包埋率的影响 配制15.0%壁材胶体溶液(阿拉伯胶与麦芽糊精1∶3 g∶g),按1∶6配比加入桂花精油,在20、30、40、50、60 MPa等不同压力下进行均质处理,设定进口风温200 ℃、进料速度8.0 mL/min,喷雾干燥后测定桂花精油的包埋率,考察均质压力对微胶囊包埋率的影响。

1.2.2.4 进口风温度对微胶囊包埋率的影响 配制15.0%壁材胶体溶液(阿拉伯胶与麦芽糊精1∶3),按1∶6配比加入桂花精油,设定均质压力40 MPa、进料速度8.0 mL/min,在160、180、200、220和240 ℃等不同进风温度下喷雾干燥制备微胶囊,测定桂花精油的包埋率,考察进口风温度对微胶囊包埋率的影响。

1.2.2.5 进料速度对微胶囊包埋率的影响 配制15.0%壁材胶体溶液(阿拉伯胶与麦芽糊精1∶3 g:g),按1∶6配比加入桂花精油,设定均质压力40.0 MPa、进口风温220 ℃,以4、6、8、10、12 mL/min等不同进料速度进行喷雾干燥,测定桂花精油的包埋率,考察进料速度对微胶囊包埋率的影响。

1.2.3 响应法优化实验设计 在单因素实验基础上,选择适宜的因素和水平按照Box-Behnken实验设计进行中心组实验,以产品的包埋率为响应值,考察壁材配比、均质压力、进口风温度、进料速度等四个因素对产品包埋率的影响,优化喷雾干燥制备工艺。实验中各因素与水平见表1。

表1 响应面实验设计因素水平表

1.2.4 桂花精油包埋率的测定

1.2.4.1 微胶囊表面油含量的测定 准确称取2.0 g桂花精油微胶囊产品置于离心管中,加入20.0 mL石油醚,振荡1 min,3000 r/min离心5 min,重复两次,合并上清液,将浓缩液置于已称量的干燥表面皿中,在60 ℃恒温干燥箱中蒸至恒重,用减重法得出计算微胶囊表面油含量[13]。

1.2.4.2 微胶囊总油含量的测定 准确称取2.0 g桂花精油微胶囊产品置于干燥的小烧杯中,加入20.0 mL热水,经搅拌溶解后,依次加入10.0 mL石油醚、10.0 mL无水乙醚、10.0 mL无水乙醇进行萃取,重复两次,合并萃取液,将浓缩液置于已称量的干燥表面皿中,在60 ℃恒温干燥箱中蒸干至恒重,用减重法计算微胶囊总油含量。

1.2.4.3 微胶囊包埋率计算

1.2.5 微胶囊质量评定 对喷雾干燥后得到的微胶囊进行气味、色泽、组织状态进行感官评定[13];水分含量、密度、粒度等指标按照中国药典2010年版二部方法测定[14]。

1.3 数据处理

所有实验数据取3次重复实验的平均值,以表示。采用Origin 8作图,SPSS Statistics 17.0、Design-Expert 7.0.0进行数据处理与分析,p<0.01表示差异极显著,p<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 桂花精油微胶囊化单因素分析

2.1.1 壁材配比对微胶囊包埋率的影响 壁材是影响微胶囊化包埋率的重要因素。添加阿拉伯胶可以增加壁材的乳化性能,有利于芯材均匀分布。麦芽糊精和阿拉伯胶的配比不同会导致壁材溶液乳化能力及黏度有较大差异,不仅影响微胶囊产品包埋率,而且会影响微胶囊产品的最终品质。从图1可看出,当麦芽糊精和阿拉伯胶的配比为1∶3 (g∶g)时,包埋率的值达到最高(92.36%)。故适宜壁材(阿拉伯胶和麦芽糊精)配比为1∶3 (g∶g)。

图1 壁材配比对微胶囊包埋率的影响

2.1.2 芯材与壁材配比对微胶囊包埋率的影响 桂花精油与壁材的配比大小影响到包埋效果。由图2可知:当芯材与壁材配比较小1∶1 (g∶g)时,即乳浊液含油量较高时,包埋率低(70.28%);随着芯材与壁材配比增大,包埋率快速升高;当芯材与壁材配比达到1∶6 (g∶g)时,微胶囊包埋率达到92.21%;继续增加芯材与壁材配比,包埋率趋于平衡。故芯材与壁材的适宜配比为1∶6 (g∶g)。

图2 芯材与壁材配比对微胶囊包埋率的影响

2.1.3 均质压力对微胶囊包埋率的影响 均质有利于使芯材与壁材均匀混合,同时,均质压力对乳化液稳定性有着明显的影响。均质压力增大,料液受到的剪切力越大,形成的乳液就越均匀稳定。从图3可看出,均质压力为40.0 MPa时,产品包埋率最高(94.72%)。因此,适宜的均质压力为40.0 MPa。

图3 均质压力对微胶囊包埋率的影响

2.1.4 进口风温对微胶囊包埋率的影响 由图4可知,当进风温度较低(160 ℃)时,微胶囊包埋率低(74.26%)。主要原因可能为进风温度低时,喷雾干燥效率低,不利于微胶囊的快速成型。升高进风温度,干燥效率提高,微胶囊包埋率提高;当进口风温升高至220 ℃时,包埋率到底最大值93.48%。但进风温度过高时,水分散失速度过快,囊壁表面凹陷,同样影响产品的品质[13]。因此,适宜的进风温度为220 ℃。

图4 进风温度对微胶囊包埋率的影响

2.1.5 进料速度对微胶囊包埋率的影响 微胶囊制备过程中,进料速度对桂花精油包埋率也具有较大影响。进料速度慢,物料过度蒸发造成芯材损失严重,包埋率下降;进料速度过快,物料蒸发时间不足,不足以形成一定完整的微胶囊壁,产品颗粒大,包埋率快速下降[15]。从由图5可知,适宜的进料速度为8 mL/min。

图5 进料速度对微胶囊包埋率的影响

2.2 桂花精油微胶囊制备工艺最佳工艺条件的确定

当芯材与壁材配比达到1∶6 (g∶g)时,桂花精油的包埋率最大;继续增加芯材与壁材配比,包埋率趋于平衡。因此,确定芯材与壁材最佳配比确定为1∶6 (g∶g)。采用Box-Behnken实验设计,优化桂花精油微胶囊制备过程中不同壁材配比、进料速度、进口风温、均质压力最佳条件[16-17]。不同因素、水平组合条件下桂花精油的包埋率见表2。

表2 Box-Behnken 实验设计及结果

利用Design-Expert软件对不同因素水平组合条件下桂花精油微胶囊的包埋率进行多元回归拟合,剔除不显著项(AC、BC、CD)得如下回归方程:

Y=-86.56211+327.72444A+6.3338B-2.06046C+45.58150D-1.40500AB-15.05833AD+0.11875BD-356.76667A2-0.066435B2-0.00712875C2-1.57056D2

结果与分析见表3。

表3 回归方程中回归系数估计值和方差分析

图6 壁材配比和均质压力交互影响微胶囊包埋率的响应面及等高线图

图7 壁材配比和进料速度交互影响微胶囊包埋率的响应面及等高线图

图8 均质压力和进料速度交互影响微胶囊包埋率的响应面及等高线图

响应曲面图是响应值在各实验因子交互作用下构成的一个三维空间曲面[18],等高线图可以直观地反映出两种实验因素交互作用对响应值影响的大小,椭圆形表示两因素交互作用显著,而圆形则与之相反[19-20]。从图6可看出,随着壁材配比和均质压力的增大,桂花精油微胶囊包埋率先增大后缓慢降低,由此可见,适当的壁材配比和均质压力,在一定程度上可以提高包埋率;由图7 可知,随着壁材配比和进料速度提高,桂花精油微胶囊包埋率先表现为先快速提高后缓慢降低;均质压力和进料速度(图8)对桂花精油微胶囊包埋率的影响与图7比较接近;从等高线图中可以看出,不同因素交互作用的最佳作用点基本都落在实验范围之内。壁材配比和进料速度交互作用对包埋率的影响大于均质压力和进料速度以及壁材配比和均质压力。

对回归方程求导,可以得到响应面的最高点,获得喷雾干燥法制备桂花精油微胶囊的最佳工艺条件:阿拉伯胶:麦芽糊精1∶2.5 (g∶g)、均质压力39.8 MPa、进口风温224.8 ℃、进料速度7.6 mL/min,桂花精油微胶囊包埋率预测值为98.23%。为便于操作,实验条件修正为:阿拉伯胶:麦芽糊精1∶2.5 (g∶g)、均质压力40.0 MPa、进口风温225.0 ℃、进料速度8.0 mL/min。在此条件下,进行验证,重复三次,微胶囊包埋率分别为97.06%、97.82%、98.14%,平均包埋率97.67%。与该条件下理论预测值相比,相对误差小于1%,说明采用响应面法优化得到的喷雾干燥制备桂花精油微胶囊生产工艺参数准确可靠。

2.3 桂花精油微胶囊的物性分析

桂花精油微胶囊颗粒气味纯正,乳白色;在显微镜下观察微胶囊的形状、表面结构并测定颗粒大小,结果见图9。颗粒细小均匀,流散性、混合性良好;水分含量:2.56%;密度:0.65 g/cm3;粒度:大小在9.5～15.0 μm;桂花精油与壁材(阿拉伯胶∶麦芽糊精1∶2.5)按1∶6质量份数添加制备微胶囊,产品中桂花精油含量为12.62%;表明阿拉伯胶和麦芽糊精混合壁材对桂花精油具有较好的包埋效果,有助于提高桂花精油的贮藏稳定性。

图9 桂花精油微胶囊颗粒显微形态(×1000)

3 结论

通过单因素实验考察了不同因素对桂花精油微胶囊包埋率的影响,确定了壁材配比、均质压力、进口风温度、进料速度四个因素的取值范围;将阿拉伯胶与麦芽糊精(壁材)按比列配成浓度为15.0%胶体溶液,芯材桂花精油与壁材配比保持1∶6 (g:g)不变的条件下,采用Box-Behnken实验设计,优化了桂花精油微胶囊的制备工艺:阿拉伯胶:麦芽糊精1∶2.5 (g:g)、均质压力40.0 MPa、进口风温225.0 ℃、进料速度8.0 mL/min。在此条件下,桂花精油微胶囊的实际包埋率为97.67%,且桂花精油微胶囊产品具有良好的感官及物化特性,桂花精油含量为12.62%。本研究结果可以为桂花精油的综合开发提供理论依据,拓宽桂花精油的利用途径。

[1]胡春弟,梁逸曾,曾茂茂. 不同品种桂花挥发油成分的分析研究[J]. 化学试剂,2010,32(3):231-234.

[2]原玲芳,敖明章,金文闻,等. 香兰素延缓桂花精油香气释放的作用[J]. 食品科学,2013,34(19):73-75.

[3]陈培珍,马春华,刘俊劭,等. 桂花精油提取工艺优化及其成分分析[J]. 粮食与油脂,2016,29(10):54-57.

[4]郑义,张焕新,丁宁,等. 紫杉醇微胶囊的制备及其靶向释放性能评价[J]. 食品与生物技术学报,2017,36(1):87-92.

[5]徐文秀,吴彩娥,李强,等. 丁香油喷雾干燥微胶囊技术研究[J]. 食品科学,2006,27(1):278-281.

[6]刘成祥. 牡丹籽油微胶囊的制备及其性质研究[D]. 无锡:江南大学,2016.

[7]朱红梅,张彦军,徐飞,等.4种物理方法制备香草兰精油微胶囊的比较分析[J].食品科学,2017,38(21):106-111.

[8]胡嘉亮. 喷雾干燥薰衣草水提物及精油微胶囊化研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2015.

[9]张坚. 桂花精油的提取与成分分析的研究[D]. 杭州:浙江工业大学,2006.

[10]陈培珍,马春华,刘俊劭,等. 桂花精油提取工艺优化及其成分分析[J]. 粮食与油脂,2016,29(10):54-57.

[11]姚茂君,刘飞. 猕猴桃籽油的超临界萃取与微胶囊化研究[J]. 食品科学,2007,28(7):162-165.

[12]王家良,赵大庆,陈龙. 花椒油树脂微胶囊的制备[J]. 农业工程学报,2008,24(4):275-278.

[13]Jafari S M,Assadpoor E,Bhandari B,et al. Nano-particle encapsulation of fish oil by spray drying[J]. Food Research International,2008,41(2):172-183.

[13]李延辉,郑明珠,刘景圣. 微胶囊化榛仁油的制备工艺研究[J]. 食品科学,2006,27(6):136-138.

[14]国家药典委员会. 中华人民共和国药典:二部[M]. 北京:中国医药科技出版社,2005.

[15]井乐刚,赵新淮. 复合维生素微胶囊制备中壁材用量及浓度对成品的影响[J]. 农业工程学报,2008,24(1):303-306.

[16]汪怀建,谭文津,丁雪杉,等. 超声波辅助提取玉米芯中木聚糖条件优化研究[J]. 中国粮油学报,2009,24(7):50-54.

[17]涂宗财,唐平平,郑婷婷,等. 响应面优化鱼鳔胶原肽制备工艺及其抗氧化活性研究[J]. 食品与发酵工业,2017,43(5):160-166.

[18]张焕新,于博,金征宇. 响应面法优化玉米抗性淀粉制备工艺[J]. 食品科学,2011,32(22):11-15.

[19]罗春艳,吴杨阳,孙海燕,等. 响应面优化鱿鱼须脱皮液胶原肽酶解工艺及抗氧化活性[J]. 食品科学,2016,37(21):176-182.

[20]王俊杰,赵燕,涂勇刚,等. 响应面法优化受精蛋蛋清制备抗氧化肽酶解工艺[J]. 食品科学,2014,35(9):187-191.