沙枣花精油微胶囊制备工艺优化及缓释性能

赵保堂,蔡苗苗,刘 京,姚 健,张 继

(1.甘肃农业大学食品科学与工程学院,甘肃兰州 730070;2.西北师范大学生命科学院,甘肃兰州 730070)

沙枣(Elaeagnusangustifolia)为胡颓子科胡颓子属植物,又称香柳、桂香柳、银柳[1],在我国主要分布于北纬34度左右的西北荒漠、半荒漠地区。在西北干旱地区,沙枣不仅是防风固沙、保持水土的优良造林树种,还是一种具有经济开发潜力的树种,其生态效益和经济效益应该得到重视[1-4]。沙枣树作为天然野生植物,其果实沙枣无毒副作用,系纯天然绿色食品,具有镇静、固精、健胃、止泻、利尿、排毒去湿热、调节恢复人体血液循环系统、降血压、血糖、血脂等保健功能[5]。沙枣也是西北地区主要的蜜源植物之一[6],香味浓郁持久,被誉为“飘香沙漠的桂花”[6-8]。据文献记载,沙枣鲜花中的精油含量为 0.2%～0.4%,是优良的香料资源,用于化妆品、食品、医药等方面[1,9]。由于精油易挥发,使用寿命较短,使其应用受到限制。随着近年来微胶囊化技术广泛应用于植物精油中,其独特的功能使许多传统植物精油应用的难题得以解决,使植物精油产业得到长足的发展。

微胶囊化是指通过特殊的方法,利用天然或合成的高分子材料包埋固体、液体甚至是气体物质,制成有囊壁的微型胶囊以保留或截留其他物质的微粒,从而达到增强稳定性,降低挥发性,延长保存期,控制缓释等效果[10-11]。微胶囊化的方法有饱和水溶液法(BH)、分子包埋法(FZ)、超声波法(CSB)、喷雾干燥法(PW)[12]、共沉淀法、复合凝聚法等,目前常用的壁材有蛋白、淀粉、壳聚糖等,其中β-CD应用最为广泛,其本身无毒,热稳定性好,生产成本低,可生物降解[13-14]。而对于沙枣花精油的微胶囊化研究鲜有文献报道。因此,本文以β-CD为壁材,沙枣花精油为芯材,采用微胶囊化技术制备沙枣花精油微胶囊,研究其缓释性能,以提高沙枣花精油的利用率。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

沙枣花 采自甘肃省酒泉市瓜州县柳园镇;β-CD 分析纯,上海伯奥生物科技公司;无水乙醇 分析纯,天津市江天化工技术有限公司;石油醚 分析纯(沸程60～90 ℃),天津市富宇精细化工有限公司。

JD500-3型电子天平 沈阳龙腾电子有限公司;DF-I型集热式恒温磁力搅拌器 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;JRA-6型数显磁力搅拌水浴锅 江苏省金坛市杰瑞尔电器有限公司;SHZ-3型循环水多用真空泵 上海沪西分析仪器厂;Nicolet iS10傅立叶变换红外光谱仪 Thermo Fisher Scientific;DHG-914385-Ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱 上海新苗医疗器械制造有限公司;HITACHI S-450扫描电子显微镜 日本日立公司。

1.2 实验方法

1.2.1 沙枣花精油的制取 将新鲜的沙枣花1000 g 经挥发油提取器90 ℃蒸馏6 h,得淡黄色油状液体。液体香气浓郁独特,油质量3.12 g,得油率0.3%,备用[15]。

1.2.2 沙枣花精油微胶囊制备工艺 采用包埋法[10,12,16]来制备沙枣花精油-β-CD微胶囊。以沙枣花精油为芯材,β-CD为壁材,称取一定量的β-CD,按一定的加水量与β-CD比加去离子水,一定温度的水浴锅中水浴加热搅拌使其溶解,即得β-CD水溶液。称取一定量的沙枣花精油,按一定的乙醇与精油体积比例用无水乙醇溶解,然后匀速逐滴加入制备的β-CD水溶液中,边加边搅拌,在一定的水浴温度下避光密封包合一定时间后将其取出,待溶液冷却至室温后,4 ℃冰箱中静置过夜,真空抽滤,弃去滤液,将布氏漏斗上的滤层放在50 ℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥至恒重,即得沙枣花精油微胶囊。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 不同壁芯比对微胶囊包埋得率的影响 在加水量与β-CD比为10∶1 mL/g,乙醇与精油的体积比为20∶1 mL/mL,包埋温度为45 ℃,包合时间为2 h的条件下,考察不同壁芯比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1 g/mL)对包埋得率的影响。

1.2.3.2 不同包埋时间对微胶囊包埋得率的影响 在壁芯比为4∶1 g/mL,加水量与β-CD比为10∶1 mL/g,乙醇与精油的体积比为20∶1 mL/mL,包埋温度为45 ℃的条件下,考察不同包埋时间(0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5 h)对包埋得率的影响。

1.2.3.3 不同包埋温度对微胶囊包埋得率的影响 在壁芯比为4∶1 g/mL,加水量与β-CD比为10∶1 mL/g,乙醇与精油的体积比为20∶1 mL/mL,包合时间为2 h的条件下,考察不同包埋温度(25、35、45、55、65、75 ℃)对包埋得率的影响。

1.2.3.4 不同加水量与β-CD比对微胶囊包埋得率的影响 在壁芯比为4∶1 g/mL,乙醇与精油的体积比为20∶1 mL/mL,包合温度为45 ℃,包合时间为2 h的条件下,考察不同加水量与β-CD比(4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1 mL/g)对包埋得率的影响。

1.2.3.5 不同乙醇与精油比对微胶囊包埋得率的影响 准确称取0.1 g沙枣花精油为芯材,在壁芯比为4∶1 g/mL,加水量与β-CD比为10∶1 mL/g,包合温度为45 ℃,包合时间为2 h的条件下,考察不同乙醇与精油比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1 mL/mL)对包埋得率的影响。

1.2.4 响应面法实验设计 在单因素实验基础上,根据Box-Behnken的中心组合实验设计原理,选取乙醇与精油比为30∶1 mL/mL,以壁芯比(X1)、包埋时间(X2)、包埋温度(X3)、加水量与β-CD比(X4)为自变量,分别对以上因素进行编码,并以微胶囊包埋得率(Y)作为响应值，设计了4因素3水平共29个实验点的响应面分析实验,因素和水平取值见表1。

表1 响应面法实验因素和水平表

1.2.5 微胶囊包埋得率的测定 沙枣花精油微胶囊的包埋率Y(%)根据下列公式1计算所得。

式(1)

式中,m1:实验中加入沙枣花精油的质量(g);m2:加入的β-CD的质量(g);m3:干燥后得到的微胶囊产物质质量(g)。

1.2.6 红外光谱表征(FT-IR) 充分干燥的样品与KBr 压片,用红外光谱仪在400～4000 cm-1内扫描,扫描次数16次,分辨率4 cm-1[17]。

1.2.7 电镜扫描分析(SEM) 干燥处理过的样品置于样品台的双面胶上,涂抹均匀,用吸耳球将样品轻吹成单层,放在表面处理机中镀金,取出后用扫描电子显微镜观察包埋前后的形貌变化。

1.2.8 沙枣花精油微胶囊缓释性能研究 准确称取0.2 g沙枣精油和微胶囊置于培养皿,在100 ℃的烘箱中挥发一定时间,分别于2、5、7、8、10 h取样称质量,测定精油和微胶囊的挥发率[18-20]。沙枣花精油的挥发率根据式(2)计算,沙枣花精油微胶囊的挥发率根据式(3)计算。

式(2)

式中,Y1:沙枣花精油挥发率(%);m1:为沙枣花精油初始质量(g);m2:挥发一定时间后沙枣花精油剩余质量(g)。

式(3)

式中,Y2:沙枣花精油微胶囊挥发率(%);m1:沙枣花精油微胶囊初始质量(g);m2:挥发一定时间后沙枣花精油微胶囊的剩余质量(g);m3:初始微胶囊所含沙枣花精油质量(g)。

1.2.9 微胶囊对油脂稳定性的影响 准确称取0.5 g沙枣花精油和精油含量为0.5 g的微胶囊分别放入100 mL的橄榄油中,同时以未加精油的橄榄油作为空白对照,油浴中加热至120 ℃,分别于4、8、11、22、25 h取样,参考GB 5009.227-2016《食品安全国家标准食品中过氧化值的测定》测定橄榄油的过氧化值(POV)。

式(4)

式中,V:试样消耗的硫代硫酸钠量(mL);V0:空白消耗的硫代硫酸钠量(mL);C:硫代硫酸钠的浓度(mmol/L);M:油样质量(g)。

1.3 数据统计与分析

每组实验重复3次,实验数据用Excel统计,采用SPSS 16.0对数据进行统计学分析,Origin 8.0绘图软件绘图。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 不同壁芯比对微胶囊包埋得率的影响 由图1可知,壁芯比对微胶囊包埋得率影响较大,随着壁材添加量的增加,微胶囊包埋得率呈先增后减的趋势。在壁芯比1∶1～5∶1 g/mL范围内,壁材含量的增加可以提高微胶囊的包埋得率;之后,随着壁材添加量的增加,包埋得率反而下降。无论是芯材还是壁材含量过高,微胶囊包埋得率都会有所下降,这可能因为当β-CD的空洞部位被沙枣花精油充满以后,就不会包埋多余的精油,即使再增加精油或β-CD的添加量,包埋得率也会下降。因此,在后续优化实验中,壁芯比的范围在3∶1～5∶1 g/mL较为适宜。

图1 不同壁芯比对微胶囊包埋得率的影响

2.1.2 不同包埋时间对微胶囊包埋得率的影响 包埋时间是影响包合效果的一个重要的因素,包埋时间过短,精油与β-CD接触不完全,包合不彻底,包合效果比较差;包合时间过长,精油损失增加,且包合成本变大[21]。由图2可知,微胶囊包埋得率随包埋时间的增加而呈先上升后下降的趋势,在包埋时间0.5～1 h内,由于包埋时间较短,包埋不够充分,精油没有完全进入β-CD的空洞部位,因而包埋得率较低;在1.5 h时,微胶囊的包埋得率达到最大值；再增加包埋时间时,包埋得率又开始逐渐下降。因此,微胶囊的适宜包埋时间在1.0～2.0 h。

图2 不同包埋时间对微胶囊包埋得率的影响

2.1.3 不同包埋温度对微胶囊包埋得率的影响 由于精油的挥发性较大,且其中的热敏成分在高温下易发生变化,因此,温度对包合效果也有很大的影响[22]。由图3可知,随包埋温度的升高,微胶囊的包埋得率先升高后下降,在25～45 ℃范围内,包埋得率逐渐升高,45 ℃时包埋得率达到最大值,之后由于温度过继续升高,包埋得率又迅速开始下降。这主要是由于温度升高,可以促进精油向β-CD 空腔内运动,也能增加β-CD 的通透性，且降低精油的黏度,使之渗透扩散能力增强,包埋效率增大。但温度过高,精油更倾向于向β-CD空腔外运动,从而降低了包埋效率。因此,微胶囊的适宜包埋温度范围为35～55 ℃。

图3 不同包埋温度对微胶囊包埋得率的影响

2.1.4 加水量与β-CD比对微胶囊包埋得率的影响 由图4可知,β-CD浓度对微胶囊包埋得率也有显著的影响,适当的加水量有利于形成稳定的包埋产物,从总体趋势来看,微胶囊包埋得率随β-CD浓度的增大而减小,当加水量与β-CD的比为8∶1 mL/g时,微胶囊包埋率达最大值。从理论上讲,β-CD质量不足会使精油无法被完全包埋,当β-CD质量浓度达到平衡时,包埋得率最大,但当其质量浓度过高时,由于β-CD本身具有溶解度低的特点,较高浓度反而会使大量β-CD析出,从而导致精油微胶囊的包埋效果较差[23]。因此,根据实验结果,加水量与β-CD的配比范围为7∶1～9∶1 mL/g。

图4 不同加水量与β-CD对微胶囊包埋得率的影响

2.1.5 不同乙醇与精油比对微胶囊包埋得率的影响 由图5可知,随着乙醇与精油比的上升,微胶囊的包埋得率也呈上升趋势,在乙醇与精油比为30∶1 mL/mL时包埋得率达到最大,继续增加乙醇与精油比包埋得率保持基本不变,因此,在后续实验中,乙醇浓度固定为30∶1 mL/mL。

图5 不同乙醇与精油比对微胶囊包埋得率的影响

2.2 响应面优化实验

2.2.1 包埋得率回归模型建立及结果分析 响应面实验结果见表2和图6,图6(A～F)是根据多元回归方程所得到的壁芯比、β-CD与加水量比、包埋温度、包埋时间对包埋得率的影响,通过该组图可对任意两因素及其交互作用对包埋得率的效应进行分析和评价,并从中确定最佳因素水平范围。

图6 壁芯比、包埋时间、包埋温度、加水量对包埋得率的响应面交互作用图

表2 响应面实验设计及结果

对实验数据(表2)进行二次多项回归拟合实验和方差分析,反映壁芯比、包埋时间、包埋温度、加水量与β-CD比对包埋得率的影响,得到微胶囊包埋得率与所选4个因素的二次多项回归模型方程如下:

式(5)

表3 回归模型方差分析

图6A给出了壁芯比和包埋时间交互作用的响应面图。在包埋时间较短时,随着壁芯比的增大,包埋率反而先升后降;而在包埋时间较长时,提取率基本呈上升趋势,当壁芯比过高后才开始下降,壁芯比与包埋时间对包埋得率的影响较为显著。图6B和图6D表明壁芯比、包埋时间和包埋温度的相互作用中,壁芯比和包埋时间对包埋得率的影响要大于包埋温度。可能是因为精油是热敏性物质,过高的温度易造成精油挥发，随着包埋时间的延长，易造成更多的精油挥发损失。图6C、E、F为壁芯比、包埋时间、包埋温度与加水量交互作用对包埋得率的曲面图,由可知在交互影响的过程中,壁芯比与加水量对包埋得率的交互影响显著;包埋温度与加水量对包埋得率的交互影响极显著,随加水量的变化,其变化趋势较为明显;包埋时间与加水量对包埋得率的交互影响不显著,不随加水量的增大而增大。

2.2.2 验证实验 根据回归方程预测4个因素对包埋得率的响应面图直观地反映了各因素对响应值的影响。在选取的各因素范围内,通过软件分析,得出理论最佳包埋参数为:壁芯比5∶1 g/mL、包埋时间1.89 h、包埋温度46.19 ℃、加水量与β-CD比7.95∶1 mL/g、乙醇与精油比30∶1 mL/mL,在此条件下理论包埋得率可达76.27%;考虑实际操作性,将参数调整为壁芯比5∶1 (g/mL)、包埋时间2 h、包埋温度46 ℃、加水量与β-CD比8∶1 mL/g、乙醇与精油比30∶1 mL/mL。采用此工艺条件进行验证实验,重复3 次,测得包埋得率为75.15%±0.24%,与预测值较为接近,说明该回归方程能较好的与实际情况拟合,从而检验了响应面法预测结果的可靠性,同时也说明了响应面法对微胶囊包埋工艺条件进行优化的可行性[21-25]。

2.3 沙枣花精油微胶囊红外表征

由图7可以看出,纯β-CD与沙枣花精油微胶囊在3404 cm-1和区域有OH伸缩振动;2922 cm-1是由C-H伸缩振动引起的,1035 cm-1出现的强吸收峰是由糖环中C-O-C的伸缩振动引起的;1637 cm-1附近的吸收峰是由COO基团的C=O非对称伸缩振动引起的[17];而沙枣花精油含醇、酯、醛、酮等化学组分,含-COOR、CO等基团,其红外光谱在2922 cm-1和1637 cm-1区域同样存在相应的的吸收峰,在1520 cm-1存在芳香族化合物的C=C的吸收峰。由于沙枣花精油包含于微胶囊中,因此,在沙枣微胶囊相应区域的吸收峰都有所增强。精油羟基缔合峰宽在包合后有所变窄,同时包合物在3404 cm-1的缔合羟基峰与纯β-CD相比明显增大,主要归因于β-CD和精油产生包合作用,形成了氢键。红外光谱分析表明了微胶囊产品确实已经形成[26-27]。

图7 β-CD、沙枣花精油和微胶囊的红外光谱图

2.4 沙枣花精油微胶囊形貌观察

由图8可知,沙枣花精油微胶囊呈圆球型和椭圆形,表面光滑,无凹陷,具有一定的规整度,符合淀粉颗粒的微观形貌。

图8 沙枣花精油微胶囊扫描电镜图

2.5 沙枣花精油微胶囊缓释性能

2.5.1 挥发性实验 由图9可知,100 ℃条件下,随着加热时间的增加,沙枣花精油和精油微胶囊均有部分精油挥发,但两者的挥发率相差较大,在加热10 h时,沙枣花精油的挥发率达到29.87%,而微胶囊的挥发率只有7.22%,明显低于沙枣花精油的挥发率。由此可见,精油微胶囊化可以明显降低精油的挥发率,有利于沙枣花精油持久长效的发挥其功效。

图9 微胶囊化对精油挥发率的影响

2.5.2 精油微胶囊对油脂稳定性的影响 由图10可知,沙枣花精油与微胶囊均可明显降低橄榄油的过氧化值。随着时间的延长,微胶囊组的过氧化值的增大幅度低于精油组,这主要归因于微胶囊的缓释效应。而POV是衡量油脂过氧化程度的一个重要指标,其值越小,说明油脂发生过氧化的程度越小,即油脂越稳定,因此,沙枣花精油微胶囊可用于油脂的保鲜。

图10 微胶囊化对油脂稳定性的影响

3 结论

沙枣花精油微胶囊制备工艺优化实验表明,包埋温度和包埋时间对精油微胶囊包埋得率的影响较为显著(p<0.05),壁芯比和加水量与β-CD比对包埋得率的影响不显著(p>0.05)。在单因素实验的基础上,通过响应面法确定了沙枣花精油包埋制备精油微胶囊的最佳工艺条件为壁芯比5∶1 (g/mL)、包埋时间2.0 h、包埋温度46 ℃、加水量与β-CD比8∶1 (mL/g)、乙醇与精油比30∶1 mL/mL,在此工艺条件下的微胶囊包埋得率为75.15%±0.24%。缓释性能研究显示，在100 ℃条件下加热挥发10 h,沙枣花精油的挥发率是29.87%,而微胶囊的挥发率只有7.22%,因此,微胶囊化可明显降低沙枣花精油的挥发率;同时,对油脂的稳定性的实验结果表明，微胶囊化也能够降低油脂发生过氧化程度,从而提高沙枣花精油的利用率,延长精油的使用寿命,为沙枣的开发利用提供理论参考。