艾草精油抗菌微胶囊的制备与应用

翟媛媛,刘艳君,王 进,高路明,赵 瑞

(西安工程大学纺织科学与工程学院,陕西 西安710048)

艾草精油是通过艾蒿的茎、叶提取得到的油性芳香液体,也是一种天然抗菌剂[1-2]。人们通过现代技术手段对其活性成分进行提取研究发现,主要包括黄酮类、萜类、桉叶烷类、鞣质类与其它微量元素等[3-4],艾草精油的抗菌作用是多种成分协同作用[5]。李志鹏等[6]通过超临界萃取技术得到艾草油,发现它可以抑制多种细菌生长繁殖。精油类产品不仅具有较好的医疗保健功效,无刺激作用、温和及安全性高等特点,被广泛用于日化、医疗保健产品中[7-9]。但艾草精油易挥发、稳定性差等特点限制了其在纺织品中的应用,而微胶囊技术则可有效解决这一问题[10-13]。王辉[14]将艾草精油进行微囊化,对棉织物进行改性处理,改性棉织物经50次洗涤后抑菌率仍大于80%;谭生龙等[15]制备了艾蒿油微胶囊处理了皮革,发现艾蒿油微胶囊对常见的细菌及皮革上的霉菌都具有一定抑制作用。微胶囊技术解决了精油遇光与热不稳定、易挥发、分解或氧化等问题,提高了植物精油稳定性的同时也增加了植物精油的在纺织领域应用。而制备出粒径更小、稳定性更好、缓释与控释作用更好的艾草精油抗菌微胶囊仍是目前研究的热点。

因此,本研究基于前期对艾草精油微胶囊制备工艺的探究,对艾草精油微胶囊进行外观形态、粒径及热稳定性等系列表征,研究了微胶囊在不同环境下的缓释性能,并将在纯棉针织物上进行抗菌整理,探究了最佳的微胶囊含量对织物抑菌性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料、试剂与仪器

1.1.1 材料与试剂

艾草精油(吉安华硕香料油有限公司);壳聚糖(上海阿拉丁生化科技股份有限公司);明胶(天津市天理化学试剂有限公司);棉针织物(广州溢达纺织有限公司);F0401型水性聚氨酯(深圳市吉田化工有限公司);TY-618型亲水柔软剂(东莞市太洋纺织品有限公司);去离子水(自制)。

1.1.2 仪器

T-6系列紫外可见分光光度计(南京菲勒仪器有限公司);QuanRa-450-FEG场发射扫描电镜(FEI公司);Zetesizer Nano-ZS型马尔文粒度仪(英国马尔文仪器有限公司);16PCFRIR傅里叶变换红外光谱仪(美国Perkin Elmer公司);TGA2型热重同步分析仪(美国梅特勒仪器公司)。

1.2 实验内容

1.2.1 艾草精油微胶囊的制备

采用复凝聚法制备艾草精油微胶囊。首先,称取1g的壳聚糖溶解于质量分数为1%的冰乙酸溶液配制得到1%的壳聚糖醋酸溶液。称取1g的明胶溶于50℃的蒸馏水中,并加入2g的艾草精油(芯壁比1∶1)和少量乳化剂进行搅拌混合均匀。在40℃的恒温水浴中,以6000r/min的速度进行高剪切均质乳化处理,得到混合均一的水包油乳液。再将其转移至磁力搅拌器上,以600r/min的恒定速度搅拌同时缓慢滴加1%的壳聚糖醋酸溶液,结束后用质量分数为10%的氢氧化钠溶液调节复凝聚体系pH至5.9,持续搅拌30min。搅拌结束后将烧杯转移至冰水浴降温至5℃以下,并加入少量固化剂固化90min,得到微胶囊悬浮液,再经过滤、水洗及干燥得到艾草精油微胶囊粉末。

1.2.2 艾草精油微胶囊抗菌棉织物的制备

艾草精油微胶囊棉织物整理工艺流程见图1,工艺参数为:艾草精油微胶囊分散液质量浓度(0、5、10、15、20、25g/L)水性聚氨酯质量分数3%,柔软剂用量0.3g,整理液浴比为1∶30,逐渐升温至40℃浸渍40min,60℃预烘20min,100℃焙烘5min。

图1 棉织物整理工艺流程

1.3 艾草精油微胶囊的结构表征及性能测试

1.3.1 艾草精油微胶囊的形貌表征及热稳定性

采用光学显微镜及扫描电镜观测微胶囊的表面形貌;马尔文粒度仪测定微胶囊粒径分布;傅里叶红外光谱仪分析微胶囊的化学组成进而判断其结构;热重同步分析仪对微胶囊进行热稳定性测试。

1.3.2 包埋率的测定

采用紫外分光光度计法进行包埋率的测定。首先对艾草精油进行全波段的扫描,确定出最大吸收波峰;其次确定出艾草精油标准曲线的回归方程;最后进行微胶囊包埋率的计算。具体操作:将艾草精油微胶囊悬浮液进行离心处理,取少量上清液经稀释定容后测定吸光度并经由艾草精油标准曲线回归方程计算出未被包埋的芯材质量,依据芯材投放量计算包埋率,如式(1):

式中:ξ—包埋率/%;m2—未包埋艾草精油质量/g;m1—起始芯材质量/g。

1.3.3 缓释性能及释放动力学分析

具体操作步骤:首先,精确称量10g的艾草精油微胶囊粉末(最优工艺条件制备)放在玻璃培养皿中,然后将其分别置于25℃与36℃的恒温环境中储存。按一定的时间间隔称取样品,置于正己烷中离心,测定上清液的吸光度,计算微胶囊含油量,通过式(2)计算出相对累计释放率以此评价微胶囊的缓释性能。

式中:CR—相对累计释放量/%;Mt—t时刻微胶囊含油率/%;M0—起始微胶囊含油率/%。

释放动力学模拟:采用经典的动力学理论模型进行芯材从微胶囊中释放规律的模拟研究,它包括零级释放模型、一级释放模型、Ritger-peppas模型及Higuchi模型等[16,17],其动力学方程可分别为式(3)、(4)、(5)、(6):

式中:St—芯材累计释放率/%;t—释放时间/d;n—扩散指数;C0—常数;K1、K2、K3、K4—各模型的常数。

1.3.4 抗菌性能测试

为了测试经不同浓度的微胶囊整理后棉织物的抑菌性能,依照标准GB/20944.3-2008《纺织品抗菌性能评价第3部分:振荡法》配制相关溶液并裁剪出织物试样待用,经振荡、光照培养后通过测定培养皿中菌落数计算活菌浓度,结合公式(6)得到抑菌率。

式中:Y—抑菌率/%;Wt—对照样活菌浓度/CFU·mL-1;Qt—测试样活菌浓度/CFU·mL-1。

2 结果与分析

2.1 艾草精油微胶囊表面形貌

图2为微胶囊悬浮液的宏观与微观形貌,从图(a)可看出微胶囊悬浮液呈乳白色且上层并未呈现黄绿色油层,这说明艾草精油被成功包覆;图(b)为光学显微镜下艾草精油悬浮液(湿囊)状态下形貌,可以看出艾草精油微胶囊具有明显的核—壳结构,颜色较深的外层为明胶与壳聚糖形成的复合囊壁,中间较亮的部分为被包埋的艾草精油芯材,湿态下的微胶囊分散效果较好,形貌呈现完整球形结构且粒径大小较为均一。

图2 艾草精油微胶囊悬浮液宏观与微观形貌

图3为经干燥后不同放大倍数的艾草精油微胶囊的SEM,从图中可以看出微胶囊粒径大小分布均匀大小、形状为规则的球体,有些许粘连现象,这可能是由微胶囊在干燥过程微囊破裂芯材泄露而导致的粘连;微胶囊囊壁结构完整、表面光滑,表明了艾草精油被成功包覆。

图3 艾草精油微胶囊的扫描电镜图

2.2 艾草精油微胶囊粒径分析

图4为艾草精油微胶囊粒径分布,从图中可以看到艾草精油微胶囊的粒径分布在1720nm～4150nm,粒径大小在2670nm处微囊占比最高。其粒径分布呈现出相对较狭窄的正态曲线,这表明了在最佳工艺下制备的艾草精油微胶囊的粒径大小相对集中且均匀。

图4 艾草精油微胶囊的粒径分布

2.3 艾草精油微胶囊红外光谱分析

图5为艾草精油微胶囊红外光谱测试结果。从图可以看出明胶在波数为3298cm-1、1625cm-1、1521cm-1处分别为氨基N-H的伸缩振动、酰胺羰基C=O伸缩振动、酰胺键N-H伸缩振动,这些振动峰表明明胶是蛋白质大分子;壳聚糖在3398 cm-1处羟基O-H伸缩振动与2862cm-1处烷基CH伸缩振动,表明它是一种糖类物质。与芯材、壁材的光谱图对比发现,艾草精油微胶囊在1583cm-1的氨基振动峰发生右移且强度减弱,这是由于明胶与壳聚糖所带的羧基-COO-与氨基-NH2+通过强烈的静电作用结合,基团之间的缔合导致该吸收峰向低频段移动且特征吸收峰减弱;其次是因为两种壁材固化剂发生Schiff碱反应导致。图谱中还发现其保留有艾草精油的特征吸收峰,在2926cm-1、1725cm-1、1263cm-1、734cm-1处特征吸收峰强度有明显减弱,表明艾草精油被成功微囊化。

图5 艾草精油微胶囊红外光谱图

2.4 艾草精油微胶囊热重分析

通过TGA2型热重同步分析仪分别对艾草精油、明胶、壳聚糖及艾草精油微胶囊进行热稳定性的测定,结果如图6与图7所示。

图6 TG曲线

图7 TG与DTG曲线

从图6可知,艾草精油对热极其敏感,随着温度升高逐渐分解,其质量呈快速下降趋势;对比艾草精油及其微囊可以看出微胶囊的主要分解温度远远高于艾草精油的主要分解温度,这是由于微胶囊化后艾草精油被热稳定性较好的明胶与壳聚糖所形成的复凝聚物保护,因此艾草精油微胶囊有较好的热稳定性。结合图7艾草精油微胶囊的DTG曲线可以看出艾草精油微胶囊的热分解过程可分为:在50℃～100℃区间,艾草精油微胶囊的质量稍有下降,这可能是由于微胶囊自身存在的水分蒸发所引起的;在100℃～225℃区间,艾草精油微胶囊的质量损失趋于平缓几乎没有损失;在231℃～349℃区间,艾草精油微胶囊的质量损失最大,这是由于两种壁材形成的复凝物被破坏逐渐分解所致;在350℃～550℃区间,失重率缓慢减小,可能是高分子壁材分解后有机物的碳化所引起的。

2.5 艾草精油微胶囊的包埋率

取少量的艾草精油用正己烷定容稀释,配制成质量浓度为0.2μg/mL艾草精油标准样品进行200nm～800nm波段扫描,扫描测试结果见图8所示,发现艾草精油在294nm处存在最大吸收峰。

图8 艾草精油全波段扫描

再配制出质量浓度为0.2μg/mL、0.4uμg/mL、0.6μg/mL、0.8μg/mL与1μg/mL艾草精油标准样品,正己烷作为参比样品,测定294nm处吸光度并绘出标准曲线,如图9。由图9可知,在294nm处艾草精油的标准曲线呈良好的线性关系,回归方程为y=0.6115A+0.2149,相关系数R2=0.9973。再结合包埋率的计算公式可得出本试验所制备的艾草精油微胶囊的包埋率为67.58%。

图9 艾草精油标准曲线

2.6 艾草精油微胶囊缓释性能及释放动力学分析

下页图10为不同温度下艾草精油微胶囊的时间—芯材的累计释放量变化曲线。从图10中我们可以看出,不同温度下艾草精油微胶囊都表现出相似的持续释放行为,其释放行为主要分为两个阶段:快速释放与趋于平缓的释放速度阶段。第一阶段(0～6天),芯材释放速率相对较快,这是因为刚制备的艾草精油微胶囊含油量较多,且存在于微胶囊内/外表面附近的艾草精油的释放;第二阶段(6～17天),芯材的释放趋于平缓,这主要是由于随着释放时间的增加微胶囊内外部艾草精油浓度差异减小而使其释放速率降低且趋于平缓。此外,从图10中也可以看出,在温度较高环境中的微胶囊释放速率较快。

图10 不同温度下艾草精油微胶囊的缓释性能

为了评估艾草精油的释放动力学和探究艾草精油微胶囊的释放机理,本实验对不同环境温度下微胶囊中艾草精油的释放进行拟合,结果见表1,其中各拟合模型中R2为拟合相关系(也称为拟合度),R2越大,则说明该模型的拟合程度越高。

表1 不同温度下艾草精油微胶囊的动力学释放模型拟合

从表1可知,Ritger-peppas模型的相关拟合系数(0.9418)最大,更适合用于模拟艾草精油从微囊中的释放研究。在该模型中,芯材的释放机制取决于n值大小。当n小于0.45时,为Fickian扩散;当n大于0.85时,为骨架溶蚀;当n值介于0.45与0.85间时,为两种机制协同作用[16]。两种环境温度下n值分别为0.384(25℃)和0.403(36℃),表明芯材的释放机制为Fickian扩散。

2.7 艾草精油微胶囊棉织物形貌

图11为经整理前后的织物SEM图,可以看出艾草精油微胶囊已成功粘附于纯棉针织物上,微胶囊通过粘合剂的作用处于棉纤维表面或纤维与纤维之间,分布较为均匀。

图11 棉织物整理前后SEM

2.8 微胶囊棉织物抗菌性能

图12与图13为经含有不同的浓度艾草精油微胶囊整理后的棉织物对两种细菌的抑制效果,表2抑菌率的结果。结合图12、13及下页表2可知,经整理后棉织物对两种菌体均有较明显的抑制效果。随着微胶囊浓度的增加织物的抑菌率也随之增加;当微胶囊浓度达到25g/L,棉织物对两种细菌的抑制率达到100%;同一浓度下棉织物对两种细菌的抑制有差异,这主要与两种细菌自身结构有关。

表2 含有不同浓度微胶囊的棉织物抑菌率

图12 含有不同浓度微胶囊棉织物对大肠杆菌的抑制效果

图13 含有不同浓度微胶囊棉织物对金黄色葡萄球菌的抑制效果

3 结论

(1)艾草精油微胶囊是具有“壳—核”结构的圆球状形态,囊壁结构完整,表面光滑,粒径分布均匀,主要集中在2670nm左右,微囊化大幅提高了艾草精油的热稳定性并对芯材起到保护作用;艾草精油微胶囊在不同环境温度下具有相似的释放行为,即速释放和缓慢释放两个阶段,符合Ritgerpeppas释放动力学模型,艾草精油的释放为Fickian扩散释放。

(2)艾草精油微胶囊对测试菌种有较好的抗菌性能(大肠杆菌与金黄葡萄球菌),随着微胶囊浓度增加织物的抑菌性能也增加,当微胶囊浓度达到25g/L,经整理后的棉织物对两种测试菌种的抑制率均达到100%。表明艾草精油微胶囊有良好的抑菌性,同时也可赋予天然棉织物良好的抗菌性能,为棉织物的天然抗菌整理提供开发思路。