肉桂-丁香-百里香精油微胶囊的制备及表征

符丽雪, 陈明明, 章采东, 李殿威, 钱丽丽,2,3, 左 锋,2

(黑龙江八一农垦大学食品学院1，大庆 163319 )(国家杂粮工程技术研究中心2，大庆 163319)(黑龙江省农产品加工与质量安全重点实验室3，大庆 163319)

稻谷含有丰富的营养物质，是天然的微生物培养基质。稻谷中常见的微生物类群为细菌、放线菌、酵母菌、霉菌等。其中，种类最为繁多、危害最为严重的菌系为霉菌。有研究显示，从粮食中分离出的霉菌有200多种，其中曲霉属占13%左右，青霉属占33%左右，毛霉属占15%左右。在侵染稻谷的过程中，黄曲霉[1,2]等霉菌分泌的强活性的酶系能够分解稻谷中的有机物，引起稻谷的品质劣变，甚至会产生强烈致癌的真菌毒素，危害人类健康。精油作为植物产生的天然抗菌剂，对多种病原微生物具有良好的抑制效果，在食品工业和农业中防控病原微生物危害具有很大的潜力[3]。

肉桂精油、丁香精油和百里香精油具有优异的抗菌性能，例如肉桂精油中的反式肉桂醛，具有强大的抗菌性能，甚至可以与医院使用的杀菌消毒剂相提并论[4-6]。丁香精油作为一种用途广泛的抗菌药物成分，能够显著地抑制细菌、真菌的生长繁殖，不同种类丁香具有不同的抑菌能力，丁香与其他药物组合具有一定的协同效应[7]。百里香精油中的主要成分是香芹酚和百里香酚，对大肠杆菌、炭疽菌等具有较强的抑菌作用[8]，但具有易降解、高挥发性和低残留等特点[9]，直接使用时挥发较快，杀菌效果不持久，极大地限制了其应用。解决这些问题的措施之一就是微胶囊技术。微胶囊技术可以将液态的植物精油固态化，既能降低环境因素对芯材的影响，增强其稳定性，还能延缓芯材释放，延长植物精油作用时间，起到持续杀菌的效果[10,11]。这为微胶囊化的植物精油在抑制稻谷储藏运输中霉变的应用，提供了技术可行性。

本实验研究肉桂-丁香-百里香精油微胶囊的制备及其性质表征，评价了肉桂-丁香-百里香精油微胶囊对稻谷中霉菌的抑菌效果，并确定了复合精油微胶囊的最佳制作工艺，为天然精油微胶囊在储藏运输过程中抑制稻谷霉变的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

肉桂精油、百里香精油、丁香精油、明胶、阿拉伯胶、吐温-80、谷氨酰胺转氨酶、氯化镁、硝酸镁、硝酸钠、硝酸钾。

1.2 仪器与设备

JRJ300-SH高速均质机，JJ-1搅拌机，DM750光学显微镜，HH-6水浴锅，DY-80-880L恒温恒湿箱实验箱。

1.3 精油微胶囊芯材的配制

肉桂精油、百里香精油和丁香精油具有较好的抑菌效果，且存在一定的协同抑菌作用，是配制混合抑菌精油的良好原材料[13-15]。为了探究精油微胶囊的最佳抑菌效果，通过单因素法和响应优化分析，采用混料设计配制的混合精油(肉桂精油、丁香精油和百里香精油)为55.2%、26.9%和17.9%的比例进行微胶囊的制备，从而获得本实验的研究结果。

1.4 复凝聚法制备精油微胶囊壁材

结合岳淑丽等[16]和于红红等[17]采用饱和水溶液法分别制备桉叶精油微胶囊和百里香精油微胶囊及常大伟等[18]采用复合凝聚结合冷冻干燥制备紫苏油微胶囊的研究。称取一定质量的明胶和阿拉伯胶，热水溶解后混合，加入精油，均质机混合乳化60 s，缓慢地滴加10%的醋酸溶液调节pH，再加入谷氨酰胺转氨酶(加入量为明胶用量的1/4)，固化搅拌6 h，得到微胶囊分散液。滤纸过滤，洗涤多次，直至无明显异味，得到湿囊。湿囊经冻干即成为精油微胶囊产品。

1.5 精油微胶囊制备工艺参数

复凝聚体系pH对微胶囊成囊有着至关重要的作用。因此，首先确定复凝聚体系pH后，之后分别讨论芯壁比、壁材浓度、壁材比和搅拌速度对精油微胶囊成囊形态的影响。

1.5.1 空白微胶囊复凝聚pH的确定

设定壁材质量比为1∶1(明胶∶阿拉伯胶)，壁材质量浓度为1%，缓慢地滴加10%的醋酸溶液调节pH分别为3.2、3.4、3.6、3.8、4.0，结合谢洁红[19]以壳聚糖和阿拉伯胶为壁材制备姜黄素纳米粒的研究，测定微胶囊复凝聚体系浊度。静置后，分离平衡相和凝聚相，壁材利用度的计算公式为：

(1)

1.5.2 壁材比对微胶囊湿囊形态的影响

设定壁材比为2∶1、3∶2、1∶1、2∶3、1∶2(明胶∶阿拉伯胶)，壁材质量浓度为1%，芯壁比为1∶2，搅拌速度为300 r/min，缓慢地滴加10%的醋酸溶液调节pH为3.6，再加入谷氨酰胺转氨酶(加入量为明胶用量的1/4)，固化搅拌6 h，得到微胶囊分散液。取1滴微胶囊分散液至显微镜下观察。

1.5.3 壁材浓度对微胶囊湿囊形态的影响

设定壁材比为2∶3(明胶∶阿拉伯胶)，壁材质量浓度为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，芯壁比为1∶2，搅拌速度为300 r/min，缓慢地滴加10%的醋酸溶液调节pH分别为3.6，同样的操作按1.5.2方法进行实验。

1.5.4 芯壁比对微胶囊湿囊形态的影响

设定壁材比为2∶3(明胶∶阿拉伯胶)，壁材质量浓度为1%，芯壁比为1∶8、1∶4、1∶2、1∶1、2∶1(精油∶壁材)，搅拌速度为300 r/min，缓慢地滴加10%的醋酸溶液调节pH为3.6，同样的操作按1.5.2方法进行实验。

1.5.5 搅拌速率对微胶囊湿囊形态的影响

设定壁材比为2∶3(明胶∶阿拉伯胶)，壁材质量浓度为1%，芯壁比为1∶1，搅拌速度为150、300、450、600 r/min，缓慢地滴加10%的醋酸溶液调节pH为3.6，同样的操作按1.5.2方法进行实验。

1.6 精油微胶囊物化指标分析

1.6.1 扫描电镜分析

结合侯钦帅[20]采用喷雾干燥法制备南极磷虾精油微胶囊的研究，测定精油微胶囊的表征形态。在导电胶条上均匀涂抹少量冻干微胶囊产品，轻轻吹去多余的微胶囊粉末，均匀喷金后在真空条件下进行扫描电镜观察，调节合适的视野并拍照。

1.6.2 热重分析

结合向殷丰等[21]采用复合凝聚沙棘籽油微胶囊制备及其特性的研究，对精油微胶囊样品进行热重分析。N2流速：30 mL/min，程序升温：40～600 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.6.3 精油装载量(LC)、包埋率(EE)和微胶囊产率(MY)

结合徐子淇[22]采用壳聚糖-阿拉伯胶复凝聚制备芳樟醇微胶囊的研究，测定精油装载量(LC)、包埋率(EE)和微胶囊产率(MY)。

精油微胶囊装载量(LC)的计算见式(2)。

(2)

精油微胶囊包埋率(EE)式(3)为：

(3)

式中：m1为微胶囊内包埋的精油质量/g；m2为初始使用精油的质量/g。

精油微胶囊产率(MY)式(4)为：

(4)

式中：M1为冻干微胶囊产品质量/g；M0为初始使用壁芯和壁材的质量/g。

1.6.4 精油微胶囊的缓释性能

结合刘万龙[23]采用复凝聚法制备薰衣草精油微胶囊的研究，测定精油微胶囊的缓释性能。取3～5 g精油微胶囊产品平铺于培养皿中，敞口放置于干燥器，常温避光储藏。分别于0、10、20、40、80 d进行热重分析，绘制精油微胶囊的精油装载量随时间的变化曲线，以此表征精油微胶囊在常温条件下的缓释性能。

1.6.5 精油微胶囊的抑菌效果

结合张珊珊[24]采用乳液模板-层层自组装法制备精油微胶囊的研究，比较精油微胶囊的抑菌效果，并稍作修改。准确称取1 g的精油微胶囊，紫外线灭菌30 min后，均匀分散于5 mL无菌生理盐水，备用。当复合精油使用量为3 μL时，根据精油装载量计算，精油微胶囊分散液使用量为25 μL。用十字交叉法测得抑菌圈直径，并求其平均值。

1.6.6 精油微胶囊在稻谷储藏运输中的抑菌效果

参照GB/T 4789.15—2010[25]检测稻谷样品的霉菌菌落总数的方法，比较精油微胶囊在稻谷储藏运输中的抑菌效果，并稍作修改。按1∶5(水∶稻谷)的比例将无菌水接入稻谷中，拌匀，分装并密封后置于40 ℃培养箱中。在不同的霉变阶段取样，取样时间为0、2、4、6、8、10 d(0 d为未结露)，测定稻谷的霉菌菌落总数(以每个取样中稻谷霉菌菌落总数平均值为准)以确定霉变程度，置于4 ℃保藏，备用。

2 结果与分析

2.1 精油微胶囊的制备

2.1.1 复凝聚体系pH的确定

复凝聚体系pH是诱发反应进行的最关键因素[26]。pH对反应体系的浊度和壁材利用度的影响结果见图1。反应体系最初的pH大约为5，随着pH下降，反应体系的浊度呈现先上升再下降的趋势，在pH 3.6时，反应体系浊度和壁材利用度达到最高，说明pH 3.6时，凝聚相体系中的正电荷和负电荷处于相对平衡的状态，当pH继续降低，电荷平衡被打破，导致浊度下降。

注：标有不同字母表示复凝聚体系浊度和壁材利用度在不同pH的差异显著(P<0.05)。图1 复凝聚体系pH对复凝聚体系的浊度和壁材利用度的关系

2.1.2 壁材比的确定

图2 微胶囊壁材比例对其形态的影响(100×)

根据壁材比的增加，精油微胶囊的形态也随之发生了明显的变化。微胶囊壁材比例对其形态的影响结果见图2。壁材比为2∶1，微胶囊粒径大小不均，相互粘连，说明明胶含量过高会导致复凝聚体系黏度过高，易发生微胶囊的粘连；当壁材比为1∶2时，形成的微胶囊形态不饱满，有未利用空间，说明明胶含量过低会导致成囊效果差。因此，壁材比为1∶1.5时，微胶囊不易粘连且圆润饱满。

2.1.3 壁材浓度的确定

不同的壁材浓度对微胶囊产品具有显著的影响。壁材浓度对微胶囊形态的影响结果见图3。壁材质量浓度为0.5%时，形成的微胶囊粒径不均，体系中产生过多废水，说明壁材浓度过低不利于形成良好形态的微胶囊。当壁材质量浓度增加到2.5%时，已不能形成圆润微胶囊球，说明壁材浓度过高会导致囊壁变厚，体系黏度过高，壁材粒子发生粘连，从而形成不规则的团状。因此，确定壁材质量浓度为1%较适合。

2.1.4 芯壁比的确定

芯壁比的增加对精油微胶囊形态的影响结果见图4。当芯壁比为1∶8时，囊心存在未利用空间，说明芯壁比过低会导致装载效率低，浪费壁材。当芯壁比增加为2∶1时，壁材无法完全包裹，表面含油量增加，说明芯壁比过高又会导致微胶囊外壁变薄，微胶囊易发生破裂。因此，芯壁比为1∶1时芯材和壁材可得到充分利用。

图4 芯壁比对微胶囊形态的影响(400×)

2.1.5 搅拌速率的确定

机械搅拌对微胶囊的大小和形态的影响结果见图5。当搅拌速率为150 r/min时，大小分布不均，含油量很高，说明搅拌速率过低会导致微胶囊严重黏结，不利于形成规则的球状。当搅拌速率增加至600r/min时，形成的粒径很小，液滴聚集困难，说明搅拌速率过高会导致微胶囊严重变形，不利于包埋芯材。因此，450 r/min是较为合适的搅拌速率。

图5 搅拌速率对微胶囊形态的影响(40×)

2.2 精油微胶囊的理化性质

2.2.1 精油微胶囊的形态与结构

通过复凝聚法制备复合精油微胶囊样品的结果见图6。通过扫描电镜SEM观察的微胶囊冻干产品，制成的精油微胶囊是由球形结构组成的片状物，球体表面较光滑且存在少数凹陷，说明冷冻干燥过程微胶囊内部的水分挥发，造成壁材的皱缩，但此时由明胶和阿拉伯胶构成的囊壁并未破裂，结构保持完整，具有很强的刚性。

图6 精油微胶囊的扫描电镜图像

2.2.2 精油、精油微胶囊和空白微胶囊的热重分析

测定复凝聚法制备的精油微胶囊样品的变化过程，结果见图7。温度自常温升高，混合精油快速挥发，说明此温度范围微胶囊结构被破坏，其中包埋的精油快速损失。

图7 精油、精油微胶囊和空白微胶囊的热重分析

2.2.3 精油装载量(LC)、包埋率(EE)和微胶囊产率(MY)的计算

通过正负电荷相互吸引形成的复合凝聚物，在最优工艺条件下制备的微胶囊的装载量为58.61%，包埋率为82.52%，产率为67.42%。这与石泽栋等[27]复合凝聚制备牛至精油微胶囊的研究中分析精油装载量和包埋率对微胶囊形态的影响相似，其中肉桂-丁香-百里香精油微胶囊的载油量较低，产率较高，对壁材和壁芯的利用度较高。

2.2.4 精油微胶囊的缓释性能测定

微胶囊产品的控释或缓释行为是对精油进行微胶囊化的主要目标之一，也是用来评价微胶囊产品实际应用可能性的重要指标。不同温度下精油微胶囊的缓释性能有明显差异。在0～20 d时，精油的装载量降低较快，说明新制备的微胶囊精油含量多，释放快。在20 d后，释放速率变得缓慢，说明微胶囊的

表1 精油和精油微胶囊对5株霉菌的抑制效果比较

表2 精油微胶囊在稻谷储藏运输中的抑菌效果比较

含油量降低，表面开始皱缩，微胶囊表面积减小，降低了精油的挥发速率。温度越低，精油的释放速度越慢，这说明精油微胶囊适合低温保藏；而高温条件下，精油的快速释放将有利于其抑菌性能的发挥。

2.2.5 精油微胶囊的抑菌效果比较

精油和精油微胶囊对来自稻谷的5株霉菌的抑制效果的结果见表1。在第3天时，相比于精油，精油微胶囊对5株霉菌抑制效果降低；在第5天时，精油对霉菌的抑制效果显著降低，而精油微胶囊对霉菌的抑制效果无显著变化；当达到第10天时，精油微胶囊对5株霉菌的抑制效果均高于精油，这说明精油微胶囊为缓慢释放精油的过程，对在储藏运输过程中霉变稻谷具备缓释抑菌的效果。

2.2.6 精油微胶囊在稻谷储藏运输中的抑菌效果比较

在结露稻谷霉变过程中霉菌菌落总数呈现上升的趋势，精油微胶囊在稻谷储藏运输中的杀菌效果比较结果见表2。在相同储藏时间内，精油、精油微胶囊实验组的霉菌总数明显均低于对照组，这表明精油、精油微胶囊具有明显的抑菌效果。其中，复合精油微胶囊处理的稻谷霉变率最低。与单一精油处理的稻谷相比，复合精油微胶囊处理的稻谷有更显著的抑菌效果，能够更好地抑制微生物的增长，降低霉变率，延长稻谷的储藏时间。

3 结论

本研究通过复凝聚法成功制备了以肉桂精油、丁香精油和百里香精油为芯材，以明胶、阿拉伯胶为壁材的肉桂-丁香-百里香精油微胶囊，分析并确定了肉桂-丁香-百里香精油微胶囊的理化特性和最佳工艺指标。通过肉桂、丁香、百里香3种精油复合制备而成的精油微胶囊，对在霉变稻谷中主要霉变的5种菌株(Aspergillus sydowii、Aspergillus candidus、Nigrospora oryzae、Aspergillus versicolor、Penicillium brocae)具有更高的热稳定性和缓释性能，且在储藏运输过程中抑制稻谷的霉菌得到了很好的应用。然而，在稻谷运输过程中，温度、湿度和水分属于无法控制的因素，还需要进一步深入研究更有效的抑菌剂控制霉菌的生长，为今后天然植物精油在不同运输条件对稻谷中抑制霉菌的生长提供技术支持。另外，进一步降低应用成本也是要考虑的方面之一。