紫苏精油微囊粉包埋工艺的优化

(中北大学化学工程与技术学院,山西太原 030051)

紫苏在我国南北各省区广泛栽培,是一种极具价值的“药食两用”资源。紫苏精油具有抗氧化、抗炎症、抗过敏、抗菌、抑肿瘤、降血压等生物活性[1],广泛应用于食品、医药及化妆品等领域,但是紫苏精油易挥发易氧化的特性会使其活性降低或丧失。微囊化技术是将固体、液体、气体通过一定的手段包埋在天然或合成高分子材料中,形成粒径1～1000 nm的微胶囊。微胶囊化后的微粒材料,由于其芯材外有壁材作为保护层,使得芯材的释放速率可人为控制,减少其有效活性成分向外扩散,能最大限度地保持芯材原有的色香味及生物活性,从而延长贮存期且方便应用[2-5]。

近几年来微胶囊化技术迅速发展,极大地促进了其在食品,医药领域的应用。现阶段国内外对肉桂精油、香草兰精油、大蒜精油等精油的微囊化研究比较多[6],壁材和干燥方法也不尽相同,生产成本相差较大,需要不断开发适用于微囊化技术的新材料和设备。目前可用作微胶囊壁材的材料有海藻酸钠、阿拉伯胶、β-环糊精、果胶和辛烯基琥珀酸淀粉酯等,而辛烯基琥珀酸淀粉酯乳化能力强于其他的小分子乳化剂[7-10],在生产过程中不需要添加其他的乳化剂,因而节约了成本,简化了操作步骤[11-13]。

在本课题前期实验中,分别以β-环糊精、阿拉伯胶、辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材,通过对三种壁材对紫苏精油包埋率的比较分析,得出以辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材的紫苏精油微囊粉产品包埋率远高于其他2种壁材。因此,本研究将采用辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材,紫苏精油为芯材,通过单因素筛选试验后进行响应面分析,以紫苏精油微囊粉的包埋率为指标筛选出最佳制备工艺条件,为紫苏精油微囊粉的制备工业化生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫苏精油 实验室自制[14];辛烯基琥珀酸淀粉酯 低粘度,杭州瑞霖化工有限公司;无水乙醇 分析纯,天津市风船化学试剂科技有限公司;无水硫酸钠 分析纯,天津市北联精细化学品开发有限公司。

SP-1500实验型喷雾干燥机 上海易研实验设备有限公司;XHF-DY高效分散均质机 宁波新芝生物科技股份有限公司;UV-6000PC紫外分光光度计 上海元析仪器有限公司;HH-6数显恒温水浴锅 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司;FA1204B分析天平 上海精科天美科学仪器有限公司;78HW-1恒温磁力搅拌器 金坛市正基仪器有限公司;TGL-12B低温高速离心机 上海安亭科学仪器厂;SB-5200DTDN超声波清洗机 宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 紫苏精油最大吸收波长的确定 称取一定量的精油,用无水乙醇溶解并稀释,配制成某一浓度的紫苏精油溶液,并以无水乙醇作为空白对照,200～800 nm范围内作全波长扫描,确定最大吸收波长。

1.2.2 紫苏精油标准曲线绘制 准确称取0.1 g精油至10 mL的容量瓶中,用无水乙醇定容,摇匀,贴上标签原液;从原液中分别准确量取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mL于五个100 mL容量瓶中,依次贴上标签1、2、3、4、5分别将五个容量瓶用无水乙醇定容,摇匀,最大吸收波长处测定紫外吸光度,重复三次,取平均值。

1.2.3 紫苏精油微囊粉制备 以辛烯基琥珀酸淀粉酯为壁材,紫苏精油为芯材,80 ℃水浴10 min至糊化,冷却至室温后加入紫苏精油混合,经9000 r/min高速分散一定时间后,对所得乳状液进行喷雾干燥,得到固体微胶囊粉末。喷雾干燥条件参考刘双双等[15]并做适当修改:进口温度为170 ℃,出口温度为100 ℃,物料流量为500 mL/h。

1.2.4 单因素实验

1.2.4.1 精油纯度对微囊粉包埋率的影响 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷却后加入紫苏精油,壁材质量分数为30%,壁芯比为4∶1。用适量的无水乙醇将精油纯度设置为20%、40%、60%、80%、100%,将混合均匀的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,对所得到均一的乳状液进行喷雾干燥得到微囊粉,测定紫苏精油的包埋率。

1.2.4.2 壁材质量分数对微囊粉包埋率的影响 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷却后加入纯度为80%的紫苏精油,壁芯比为4∶1。设置壁材质量分数为 10%、20%、30%、40%、50%,将混合均匀的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,对所得到均一的乳状液进行喷雾干燥得到微囊粉,测定紫苏精油的包埋率。

大理洱海东岸山区天文气象条件初步统计分析：2016至2017年大气季节特征……王晶星，刘 煜，宋腾飞，李忠木，张雪飞，李小波（30）

1.2.4.3 壁芯比对微囊粉包埋率的影响 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷却后加入纯度为80%的紫苏精油,壁材质量分数为20%。设置壁芯比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1,将混合均匀的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,对所得到均一的乳状液进行喷雾干燥得到微囊粉,测定紫苏精油的包埋率。

1.2.4.4 均质时间对微囊粉包埋率的影响 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷却后加入纯度为80%的紫苏精油,壁材质量分数为20%,壁芯比为3∶1。设置均质时间为1、3、5、7、9 min,将混合均匀的溶液以9000 r/min高速分散后,对所得到均一的乳状液进行喷雾干燥得到微囊粉,测定紫苏精油的包埋率。

1.2.4.5 响应面优化试验 在单因素实验结果的基础上,利用Box-Benhnken Design建立数学模型,以精油纯度、壁材质量分数、壁芯比为自变量,包埋率为响应值,设计三因素三水平实验(表1所示),优化包埋紫苏精油的最佳工艺参数。

表1 响应面设计因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of response surface design

1.2.5 紫苏精油微囊粉包埋率测定 取产品0.5 g于20 mL无水乙醇中,在30 ℃,990 W下超声20 min,再以5000 r/min的速度离心10 min,标记为P1,从P1中取上清液100 μL于容量瓶中定容至10 mL,标记为P2,在284 nm处测定其吸光度值,平行作三组,计算平均值,代入紫苏精油标准曲线回归方程中,得到表面含油量M1。

取产品0.5 g于2 mL蒸馏水中 再加入20 mL无水乙醇,在30 ℃,990 W下超声40 min,加适量的无水硫酸钠除去多余的水,再以5000 r/min的速度离心10 min,标记为P3,从P3中取上清液100 μL于容量瓶中定容至10 mL,标记为P4,在284 nm处测定其吸光度值,平行作三组,计算平均值,代入紫苏精油标准曲线回归方程中,得到总含油量M2。包埋率(%)的计算公式如下:

1.3 数据处理

使用SPSS 19.0、OriginPro 8.0、Design-Expert 8.0.6软件进行数据处理,图表制作、数据分析。

2 结果与分析

2.1 紫苏精油最大吸收波长

由图1可知,紫苏叶精油最大吸收波长为284 nm。

图1 紫苏精油吸收波长曲线Fig.1 Absorption wavelength curve of Perilla essential oil

图3 精油纯度(A)、壁材质量分数(B)、壁芯比(C)、均质时间(D)对微囊粉包埋率的影响Fig.3 Effects of essential oil purity(A),wall material quality score(B),wall-core ratio(C), homogenization time(D)on the embedding rate of microencapsulated powder

2.2 紫苏精油标准曲线

图2 紫苏精油标准曲线Fig.2 Standard curve of Perilla essential oil

2.3 单因素实验结果

图3A是紫苏精油的纯度对紫苏精油包埋率的影响。紫苏精油包埋率随着精油纯度的增大,呈现出先增大后减小的趋势。当精油纯度为80%时,包埋率达到最大值为37.64%。精油纯度过低时,导致辛烯基琥珀酸淀粉酯剩余,容易发生团聚、粘连;精油纯度过高时,辛烯基琥珀酸淀粉酯不能完全包裹,造成精油浪费。当精油纯度超过80%时,包埋率迅速下降。这可能是由于随着精油纯度的增大,精油小液滴周围的壁材太少,乳化液的乳化效果降低,其囊壁厚度和致密性随之下降,导致精油易从囊壁渗出,致使包埋效果较差。因而精油纯度选80%最佳。

图3B是壁材质量分数对紫苏精油包埋率的影响。随着壁材质量分数的加大,辛烯基琥珀酸淀粉酯对紫苏精油的包埋率升高。当壁材质量分数为20%时,包埋率达50.73%。当壁材质量分数超过20%以后,包埋率反而降低。这是因为进料中壁材量增加,使得在干燥中液滴成膜速度增加,减少了内部紫苏精油的挥发,从而提高了包埋率。但当壁材质量分数过高时,包埋率不再升高反而下降,一方面由于雾化速度下降,物料在雾化前的停滞时间增长,紫苏精油损失增加,另一方面是溶液达到饱和状态,导致分子运动空间减小而发生聚集,溶解不完全而出现沉淀。另外,壁材量的增加使囊壁增厚,这对提高产品的抗氧化能力有益,但会使囊壁的通透性下降[16]。刘文妮等[17]研究表明,壁材质量分数高,乳液较黏稠,在干燥的过程中能够形成致密的网状结构,能够阻碍芯材扩散到壁材表面,当溶液中壁材质量分数过高时,溶液达到饱和状态,溶解不完全而出现沉淀,降低了微胶囊包埋率,与本研究结果一致。因此,制备紫苏精油微囊粉适宜的壁材质量分数为20%。

图3C是壁芯比对紫苏精油包埋率的影响,随着壁芯比的增加,包埋率先增加再降低。这是因为芯材的含量增大使得芯壁材的接触面积增大,从而提高包埋率,但芯材质量过多会导致壁材包覆不完全,使精油依附在微囊粉表面。壁芯比为3∶1时,包埋率为79.55%,乳化液能很好地包埋紫苏精油,形成了较稳定的体系[18]。

表3 回归方程方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

注:*:表示差异显著,P<0.05;**:表示差异极显著,P<0.01。

图3D是均质时间对紫苏精油包埋率的影响。随着均质时间的增加,紫苏精油包埋率呈现先增加后减小的趋势,均质时间为3min时,包埋率为73.56%。因为均质时间越长,乳化液液滴越小越均匀,但是转子摩擦产生热量使得紫苏精油损失增大,从而呈现出先增加后减小的趋势[19-20],这与陈琳等[21]的研究结果一致。因此,均质时间选择3 min较为合适。

2.4 制备微囊粉的响应面优化试验

2.4.1 响应面设计及结果分析 在单因素实验的基础上,以微囊粉包埋率为响应值设计了三因素三水平的响应面实验方案,以精油纯度、壁材质量分数和壁芯比的最适值作为响应面优化的中心点,分别以X1、X2和X3表示,结果如表2所示。

表2 试验设计及响应值结果Table 2 Experimental design and response results

2.4.3 响应面结果分析、优化及验证 根据回归方程分析,作响应面和等高线图。响应面图是响应值(Y)对各因素(X1、X2、X3)所构成的三维曲面空间图,由图4可直观看出各因素(X1、X2、X3)交互作用对包埋率的影响。图4a显示在固定壁芯比3∶1条件下,壁材质量分数与精油纯度对包埋率的影响,包埋率随着壁材质量分数与精油纯度的增加而先增加后降低,可以看出包埋率的最优参数接近于精油纯度82%和壁材质量分数21%,并在这两点交叉区域形成最大值,包埋率受精油纯度的影响明显比壁材质量分数显著。图4b显示在固定壁材质量分数为20%条件下,精油纯度与壁芯比对包埋率的影响,包埋率随着精油纯度与壁芯比的增加而先增加后降低,在精油纯度83%和壁芯比3∶2这两点的交叉区域形成包埋率最大值,且精油纯度和壁芯比的曲线都比较陡峭,说明两者交互作用强,对紫苏精油包埋率影响达到极显著水平。图4c显示在固定精油纯度80%条件下,壁材质量分数与壁芯比对包埋率的影响,包埋率随着壁材质量分数和壁芯比的增加而先增加后下降,包埋率的最优条件接近于壁材质量分数19%和壁芯比3∶1,并在这两点交叉区域形成最大值,壁材质量分数与壁芯比交互作用较强,对紫苏精油包埋率影响显著。

图4 3种因素交互作用对微囊粉包埋率影响的 响应面和等高线图Fig.4 Response surface and contour diagram of the influence of interaction of three factors on the embedding rate of microencapsulated powder

通过回归方程预测的最佳工艺条件为精油纯度为81.44%,壁材质量分数为19.89%,壁芯比3.12∶1,在此条件下,包埋率为80.33%。考虑到实际操作条件,故选定参数为精油纯度为81%,壁材质量分数为20%,壁芯比为3∶1,进行3次重复实验。在此条件下测得微囊粉包埋率在80.19%,与模型预测值接近,表明该模型能够完成对微囊粉包埋率的工艺优化,能够很好地反映包埋效果。

3 结论

制备工艺最优参数为:紫苏精油纯度为81%,壁材质量分数为20%,壁芯比为3∶1,该条件下包埋率为80.19%。相对于其他方法,本研究在制备紫苏精油微囊粉过程中不需要加入乳化剂、固化剂等,能够保持精油的天然成分不受破坏。此工艺条件制备的紫苏精油微囊粉保留了精油原有的浓郁香气,能够作为天然调味品和抗氧化剂,扩大其实际应用价值。