基于介孔二氧化硅微球的挥发性香料负载和缓释研究

丁 莎，邓 婷，崔雨琪，黎艳玲，杨华武，尹双凤

（1.湖南中烟工业有限责任公司技术中心，长沙410007；2.湖南大学化学化工学院，化学生物传感与计量学国家重点实验室，长沙410082）

0 引言

香精是与人类社会生活密切相关的特殊产品，素有“工业味精”之称，通过赋予产品特殊的香气，陶冶人们的情操，给嗅觉以愉悦的享受，其产品广泛应用于食品、日化、制药、纺织、烟草等各个行业［1］.香精配方往往由几种或几十种香原料调和而成的混合物，其中包含了一些低沸点、低分子量的高挥发性香料，如醇类、低级酯类、醛酮类香料等，在加香、运输、加工过程中极易散失，不仅会导致香料组分的挥发损失，降低香料的实际利用效率，而且会改变香精配方的整体轮廓，无法达到预期的调香效果，从而使其应用受到限制［2］.因此，开展针对挥发性香料的缓释、控释技术研究对于提高香气的持久性、稳定性具有重要的实践意义.

介孔二氧化硅微纳米颗粒（MSMs）因其结构稳定、无生理毒性、具有高的比表面积和比容积等特点，可作为吸附、催化、传感、酶固定化的载体，近年来其在小分子物质的缓控释方面的应用也日益得到重视［3-4］.Wang等［5］研究了多孔中空二氧化硅纳米球作为存储和缓释挥发性物质的载体，结果表明该中空二氧化硅纳米球对香水物质的吸附储存量是活性炭的14倍.沈洁等［6］利用简单的溶胶-凝胶法制备了介孔二氧化硅纳米棒，对檀香803进行载香后，形成的光敏性芳香壁纸具有显著的缓控释效果.因介孔二氧化硅表面存在大量的硅羟基，不仅有利于直接吸附高挥发性香料分子，而且易于修饰其他功能分子，可以响应不同的外界刺激来控制功能分子对孔的封闭和打开，达到控制释放的目的［7-11］.所以介孔二氧化硅微纳米材料也被公认为是最有前景的一种可控释放载体材料之一.

本文主要介绍利用温和的水热法制备了一种具有开放的介孔孔道结构的纤维状介孔二氧化硅微纳米颗粒（FMSMs）.并利用合成的FMSMs作为缓释载体，测试了其孔道结构性能对乙酰乙酸乙酯和薄荷醇香料的负载和缓释效果.

1 实验部分

1.1 样品的制备

原料：戊醇，环己烷，正己烷，正硅酸乙酯（TEOS），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），尿素，丙酮，负载香料包括乙酰乙酸乙酯、薄荷醇等.

1.1.1 纤维状介孔二氧化硅微球（FMSMs）的制备

实验过程中使用的化学药品纯度都为分析纯，且没有经过更进一步提纯.本实验选用温和的水热辅助Stöber法.FMSMs的典型合成过程如下：首先，将2.5 mL正戊醇和一定量的正硅酸乙酯（TEOS）添加到30 mL环己烷中，搅拌均匀.再快速加入一定量的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、0.6 g尿素和30 mL蒸馏水，充分磁力搅拌40 min.搅拌结束后，上述混合物转移到100 mL聚四氟乙烯反应釜中，置于120℃烘箱中保温4 h.反应结束后得到的白色沉淀用丙酮和蒸馏水各洗两次，然后用4 000 r/min离心分离15 min，将上层清液去除，剩余产物置于60℃烘箱中保温12 h.最后，将粉末状产物在550℃马弗炉中焙烧6 h，升温速度为1℃/min.收集样品以进行下一步的负载实验和表征.

1.1.2 FMSMs负载香料实验

称量0.2 g FMSMs样品分散到5mL乙酰乙酸乙酯或5 mL溶有0.5 g薄荷醇的正己烷溶液中，密封，室温磁力搅拌24 h.搅拌结束后将离心出来的沉淀用蒸馏水和无水乙醇各清洗三次，去除FMSMs表面游离的香料成分，剩余样品在50℃烘箱中干燥24 h.收集烘干后的样品以进行相关表征.

1.2 样品的表征

本实验采用型号为Nova Nano 430的扫描电镜对样品的微观形貌进行表征，并进一步采用型号为JEM-2100F（工作电压200 kV）的透射电镜对样品的微区结构进行表征；X射线衍射在Rigaku Denki MAX III衍射仪上进行；N2吸附/脱附测试采用JW-BK200C型比表面及孔径分析仪在77 K液氮温度下进行；热重测试采用NETZSCH STA449C型热分析仪在氦气中以升温速率10℃/min加热至900℃进行测试；顶空-GC/MS测试采用Multi-Purpose Sampler（MPS2）多功能自动进样器（配HS/SPME进样系统）进行，具体参数如1.2.1；热裂解-GC/MS测试采用CDS5200型裂解仪（结合7890A/5975C气相色谱/质谱联用仪）进行，具体参数如1.2.2.

1.2.1 顶空-GC/MS测试方法

分别称取（0.100±0.005）g缓释样品放入顶空瓶中，加盖密封.顶空进样条件为：顶空瓶压力101.3 kPa；顶空温度分别设定为35、100、150、200℃；进样注射器温度：80～150℃；样品平衡时间：5 min；GC循环时间：45 min.

GC条件为：Agilent DB-5MS色谱柱（60 m×250μm×0.25μm）；进样口温度260℃；载气He（纯度为99.999%），流速1.0 mL/min；分流比20∶1；升温程序为min）；进样量1.0 mL.MS条件为：电子轰击离子源（EI），温度230℃；四极杆温度150℃；电离能量70 eV；传输线温度280℃；溶剂延迟6 min；扫描范围33～330 amu.利用NIST 2008标准谱库进行检索定性.

1.2.2 热裂解-GC/MS测试方法

分别取适量样品放入裂解管，裂解管两端塞石英棉密封，放入CDS5200型裂解仪中.裂解升温程序为：初始温度20℃，以20℃/ms快速升至200℃，保持5 s；裂解氛围：氮气，气体流量为70 mL/min；裂解仪接口待机温度：50℃，工作温度250℃；裂解仪阀箱温度：350℃，裂解仪传输线温度：350℃.

GC条件为：Agilent HP-INNOWAX石英毛细管柱（30 m×320μm×0.25μm）（固定相为聚乙二醇）；进样口温度260℃；载气He（纯度为99.999%），流速3 mL/min；分流比100∶1；柱温升温程序为：50℃（2平衡时间为1min.MS条件为：电子轰击离子源（EI），温度280℃；四极杆温度150℃；电离能量70 eV；传输线温度280℃；溶剂延迟5 min；扫描范围29～550 amu.利用NIST 2008标准谱库进行检索定性.

2 结果与讨论

2.1 FMSMs的形貌和结构表征

本实验选用温和的水热辅助Stöber法合成了一种纤维状介孔二氧化硅微球［4］.制备过程中，首先，CTAB胶束组装得到纤维状模板，同时，尿素分解产生的羟基离子促使硅源TEOS发生水解反应，产生具有负电荷的硅酸盐分子，硅酸盐分子在纤维状模板空隙中沿着放射方向自组装生长，自组装到模板上的硅酸盐分子进一步缩聚形成二氧化硅材料.最后，高温缓慢焙烧移除CTAB模板，则得到了纤维状介孔二氧化硅微球.该方法不但原料经济实惠，步骤较简单，而且非常适合介孔孔道结构的调变.

如图1所示，SEM和TEM详细检测了合成的FMSMs（合成条件为：22.43mmol TEOS，2.6mmolCTAB，TEOS/CTAB=8.63）样品的结构和形态特征.测试结果表明：合成的FMSMs具有较好的单分散性和球形形貌，粒径大致分别在500～800 nm.从TEM图可看出介孔孔壁都是由粒子中心发出的、分布均匀的纤维状二氧化硅薄壁组成，形成了其独特的纤维状形貌和开放性的介孔孔道结构.图2为合成的FMSMs的X射线衍射特征图谱，从图中可知，这种微球的衍射峰2θ介于15°～30°之间，且峰值处在2θ=22°左右，这是二氧化硅的特征衍射峰，可判断合成的FMSMs为无定形二氧化硅材料［12-13］.

为进一步表征该FMSMs的比表面积和孔径分布的情况，测试了该样品的N2吸附/脱附等温曲线.图3展示了该等温线为典型的Ⅳ型等温线，且吸附、脱附两分支围成了H1型滞后回环，说明FMSMs样品具有典型的介孔结构.经分析得到该材料的BET比表面积、总孔体积分别为478.94 m2/g和0.89 cm3/g，介孔范围（2～50 nm）的平均孔径大致为9.28 nm，具有较宽的孔径分布范围，可归因于样品独特的纤维状介孔结构.结果表明该样品具有较高的BET比表面积和孔体积，为其作为缓释载体的应用提供了必不可少的结构性质.

2.2 FMSMs的孔道影响因素研究

在实验过程中可通过调整FMSMs制备过程中的合成条件（如TEOS/CTAB摩尔比、TEOS用量、水热反应温度和时间等）［4］，可制备出合适的负载和缓释香料成分的介孔孔道内部结构和比表面积的FMSMs.在FMSMs制备过程中，若保持TEOS的用量不变（22.43mmol），只改变TEOS/CTAB的摩尔比例，当TEOS/CTAB的摩尔比增大时，反应体系中硅源TEOS的浓度相应增加，而CTAB形成的纤维状模板数也会相应减少，因此，形成的有序纤维状介孔孔壁的厚度随之增大.如图4所示，当TEOS/CTAB的摩尔比增大（7.48增加至11.22），可从SEM图中清晰看出，样品孔壁的厚度也明显增大，进而可能导致了材料比表面积和孔体积的急剧下降.若保持TEOS/CTAB的摩尔比固定不变，增加TEOS的用量，会使得硅酸盐分子的负电荷随之增大，CTAB的聚集数随之相应减少，导致最终FMSMs的尺寸降低，二氧化硅孔壁纤维的密度和长度也随着粒径尺寸的降低而减小，对FMSMs的比表面积和孔体积产生负面影响.所以选择合适的TEOS/CTAB摩尔比和TEOS用量对制备能较好负载和缓释香料成分的FMSMs至关重要.

图1 合成的纤维状介孔二氧化硅微球FMSMs的（a，b）FESEM图；（c，d，e）TEM图Fig.1 （a，b）FESEM images；（c，d，e）TEM images of the mesoporous silica microspheres with fibrous morphology（FMSMs）

图2 介孔二氧化硅微球FMSMs的XRD谱图Fig.2 XRD pattern of the FMSMs

图3 介孔二氧化硅微球FMSMs的氮气吸附/脱附等温曲线（内插图为介孔尺寸分布图）Fig.3 N2 adsorption/desorption isotherms of the FMSMs（The inset is the corresponding pore-size distribution pattern）

图4 不同TEOS/CTAB摩尔比合成条件下的FMSMs的FESEM图：（a，b）7.48；（c，d）11.22Fig.4 （a）FESEM images of the FMSMs synthesized with different molar ratio of TEOS/CTAB：（a，b）7.48；（c，d）11.22

2.3 FMSMs负载低级酯类的缓释研究

低级酯类香料成分由于其沸点低，极易挥发，不能被其他多孔吸附材料如硅胶、氧化铝、沸石等有效地固载和缓释［14-15］.而FMSMs材料具有大量的开放性介孔孔道结构，孔径可调，孔体积较大，易于小分子香料成分的固载.因此我们尝试用FMSMs材料对低级酯类香料成分进行负载，并研究其缓释性能.以乙酰乙酸乙酯香料的负载缓释实验为例，使用不同TEOS/CTAB摩尔比合成的FMSMs（合成条件见表1）负载乙酰乙酸乙酯香料后的热重曲线如图5（A）所示.从图中可看出，随反应体系中CTAB的摩尔质量增大，TEOS/CTAB摩尔比减小（11.22减小至7.48），负载样品的热重曲线失重越来越明显，200℃左右FMSMs-H3负载香料样品的失重率约为9.21%；随体系中CTAB的摩尔质量继续增大，TEOS/CTAB摩尔比减小至6.41时，FMSMs-H4负载样品的热重曲线又趋于平缓，推测可能由于体系中CTAB的聚集数增加，随之硅酸盐分子的负电荷降低，导致FMSMs的尺寸增大，在烧结去除模板过程中可能发生破裂和坍塌，FMSMs的比表面积和孔体积剧烈下降，致该样品的负载量也下降.对图5（A）中各负载样品在200℃的失重率（即乙酰乙酸乙酯的负载率）作对比图示于5（B）中，可知FMSMs-H3样品的负载量最大，该合成条件较适合用于负载低级酯类香料成分.

表1 FMSMs反应体系中TEOS/CTAB摩尔质量和摩尔比Tab.1 The molar ratios of the TEOS/CTAB for different synthesis systems of FMSMs

图5 （A）不同TEOS/CTAB摩尔比合成条件下的FMSMs负载乙酰乙酸乙酯香料后的热重曲线：（a）11.22（FMSMs-H1）；（b）8.63（FMSMs-H2）；（c）7.48（FMSMs-H3）；（d）6.41（FMSMs-H4）.（B）乙酰乙酸乙酯香料负载量（%，质量分数）的对比图Fig.5 （A）TG profiles of the ethyl acetoacetate-loaded FMSMs synthesized with different molar ratio of TEOS/CTAB：（a）11.22（FMSMs-H1）；（b）8.63（FMSMs-H2）；（c）7.48（FMSMs-H3）；（d）6.41（FMSMs-H4）（B）Comparison diagram of the ethyl acetoacetate-loading capacities

为进一步了解该FMSMs对低级酯类乙酰乙酸乙酯的缓释性能，我们对负载乙酰乙酸乙酯的FMSMs-H3样品的热稳定性进行了详细分析，并与纯乙酰乙酸乙酯和无负载香料的FMSMs-H3样品相对比，获得的热重曲线如图6所示.从图6（a）中可知，合成的FMSMs-H3样品具有好的热稳定性，在100℃前样品的失重率仅为1.08%，该微量的失重主要是由样品表面吸附的水和羟基分子的脱除引起的，而非样品本身化学变化引起.图6（c）所示的纯乙酰乙酸乙酯在受热后就开始气化，而且气化的速率非常快，温度上升到75℃时已失重20%，当温度到110℃左右时，乙酰乙酸乙酯完全气化.再对比负载乙酰乙酸乙酯香料的FMSMs-H3的热重图6（b）曲线的失重规律，可发现负载后的FMSMs-H3样品在200℃之前的失重趋势较为平缓，可判断为样品负载中的乙酰乙酸乙酯香料成分在加热状态下逐渐从FMSMs-H3的介孔孔道中释放出来的过程.这个加热区间样品失重9.21%，从而推断该样品对乙酰乙酸乙酯香料的实际负载量为7.94%，并在200℃前可较为平缓释放出所负载的低级酯类香料.为进一步确认负载的香料为添加的乙酰乙酸乙酯目标成分，将该样品在150℃顶空平衡温度下进行顶空-GC/MS分析，其顶空气相色谱图如图7所示，经质谱谱图解析得到保留时间约为7.42 min的色谱峰为检测到的乙酰乙酸乙酯，由此说明合成的FMSMs-H3能成功负载乙酰乙酸乙酯香料成分，且在200℃前可较为平缓释放出所负载的香料成分.

2.4 FMSMs负载薄荷醇的缓释研究

我们还尝试了将FMSMs-H3作为缓释载体负载薄荷醇香料的实验.负载薄荷醇后的FMSMs-H3样品的热稳定性利用热重分析进行检测，获得的TG曲线如图8（A）所示.从图8A（a）中可知，纯薄荷醇在受热后开始气化，样品失重的速率非常快，温度升到100℃时已失重30%，当温度到135℃左右时，薄荷醇完全气化.图8A（b）中负载薄荷醇香料的FMSMs-H3样品到600℃的温度区间中，热重曲线有两个较为明显的失重峰，200℃之前的失重峰可对应于负载的薄荷醇的释放，400℃附近2.7%的微量失重峰可能是由样品内部吸附的醇类香料中羟基分子脱除引起的.从图8A（c）中可判断该FMSMs-H3样品的薄荷醇负载量约为15%.为进一步确认负载的香料为添加的薄荷醇目标成分，将该样品测试了200℃的热裂解实验，获得的气相色谱图如图8（B）所示，经质谱谱图解析得到保留时间约为14 min的色谱峰为检测到的薄荷醇，由此说明合成的FMSMs-H3样品也能负载和缓释薄荷醇香料成分.

图6 （a）无负载香料的FMSMs-H3样品（空白）；（b）负载乙酰乙酸乙酯的FMSMs-H3样品；（c）纯乙酰乙酸乙酯的热重曲线Fig.6 TG profiles of（a）FMSMs-H3（blank）；（b）ethyl acetoacetate-loaded FMSMs-H3；（c）ethyl acetoacetate

图7 150℃顶空条件下负载乙酰乙酸乙酯的FMSMs-H3样品的GC/MS色谱图Fig.7 GC/MS chromatograms of ethyl acetoacetate-loaded FMSMs-H3 under head-space temperature at 150℃

图8 （A）对比样品的TG曲线图（a）纯薄荷醇；（b）负载薄荷醇的FMSMs-H3样品；（c）无负载的FMSMs-H3（空白）；（B）负载薄荷醇的FMSMs-H3样品在200℃裂解后的GC/MS色谱图Fig.8 （A）TG profiles of（a）menthol；（b）menthol-loaded FMSMs-H3；（c）FMSMs-H3（blank）（B）GC/MSchromatograms of the menthol-loaded FMSMs-H3at the pyrolysis temperature of 200℃

为更进一步阐明合成的纤维状介孔二氧化硅微纳米颗粒的构效关系，我们采用相同的负载实验方法1.1.2，对比了13X分子筛（平均孔径约为1 nm）、活性炭（890 m2/g优质煤）和硅藻土（孔半径50～800 nm［16］）三种多孔吸附材料对乙酰乙酸乙酯和薄荷醇的负载和缓释效果，各香料成分的负载量对比列于表2中.从表中可知，13X分子筛和硅藻土因其内部孔径过小或过大均不适合直接用于负载挥发性香料，而活性炭具有丰富的孔隙结构（平均孔径约为1.976 nm），对小分子量、高挥发性的低级酯类有较好的吸附和缓释作用［14，17］，而对薄荷醇的吸附作用较差.相比较而言，我们合成的具有开放性介孔孔道结构的FMSMs更适合挥发性香料的负载和缓释.

表2 挥发性香料在活性炭、硅藻土和13X分子筛材料中的负载量（%，质量分数）对比Tab.2 Comparison of the loading capacities of volatile flavors in activated carbon，diatomite and 13X molecular sieves.

3 结论

本文采用一种温和的水热辅助Stöber法制备了纤维状介孔二氧化硅微纳米颗粒，该材料具有高的热稳定性、可调的孔径、较高的比表面积和开放的介孔孔道结构.通过改变合成条件（TEOS/CTAB摩尔比）可调整FMSMs的孔道结构，筛选获得的纤维状介孔二氧化硅微纳米颗粒FMSMs-H3对于乙酰乙酸乙酯、薄荷醇等高挥发性香料具有较好的吸附性能，并能在200℃前持续、缓慢释放出吸附在孔道中的香料成分.本研究为解决小分子量、低沸点、高挥发性的香料的缓释难题提供了技术支撑.