香草蘭精油微膠囊的制備工藝優(yōu)化及緩釋性分析

劉雙雙 張彥軍 徐飛 初眾 那治國

摘 要 以辛烯基琥珀酸淀粉鈉和麥芽糊精為壁材，香草蘭精油為芯材，通過噴霧干燥的方式制備香草蘭精油微膠囊。5種單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：壁芯比、均質(zhì)壓力、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對包埋產(chǎn)率具有顯著影響。通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到最佳制備香草蘭精油微膠囊的工藝條件為壁芯質(zhì)量比4∶1、均值壓力20 MPa、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，該條件下包埋產(chǎn)率為（97.21±0.3）%，包埋率為（89.16±1.2）%。100 ℃加熱30 h后，微膠囊的揮發(fā)率為22.12%，結(jié)果表明微膠囊能夠顯著降低精油的揮發(fā)速率。

關(guān)鍵詞 辛烯基琥珀酸淀粉鈉；香草蘭精油；工藝優(yōu)化；緩釋性

中圖分類號 TS201.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Abstract Microcapsules of vanilla essential oil were prepared by spray drying， using starch sodium octenylsuccinate， maltodextrin and vanilla oil as wall materials and core material， respectively. The results of five single factors experiments showed that core to wall material ratio， homogenization pressure and solid concentration had significant influence on the embedding yield. The optimal conditions for the preparation of vanilla essential oil microcapsules by the response surface test were core to wall material ratio of 4：1， homogenization pressure of 20 MPa， solids concentration of 40%， respectively. Under the optimal conditions， vanilla essential oil microcapsule showed the embedding yield， the embedding rate with （97.21±0.3）%， （89.16±1.2）%， respectively. After processing with temperature 100 ℃ for 30 h， the releasing rate of microcapsules was 22.12%. The results showed that the microcapsules could significantly reduce the volatilization rate of the essential oils.

Keywords sodium octenylsuccinate starch； vanilla essential oil； process optimization； controlled-release properties

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.07.024

香草蘭原產(chǎn)于墨西哥，是典型的熱帶經(jīng)濟(jì)作物。新鮮的香草蘭豆莢無臭無味，但在固化的過程中能夠產(chǎn)生約200種賦予香草特征的風(fēng)味化合物，是世界上最受歡迎的香料之一[1-2]。香草蘭精油是香草蘭提取物之一，精油中含有豆莢中最主要的香氣成分-香蘭素，具有濃郁的香氣，廣泛應(yīng)用在香水、化妝品、食品等領(lǐng)域中[3-4]。但精油中有效成分易受環(huán)境的影響，易揮發(fā)易氧化，這使得香草蘭精油的香氣成分釋放較快，嚴(yán)重限制了應(yīng)用性及持久留香性[5]。因此，如何有效降低揮發(fā)性，提高緩釋性，是解決這些挑戰(zhàn)和擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵。目前，采用微膠囊技術(shù)能夠解決這一關(guān)鍵性的問題。

納米微膠囊技術(shù)可以將液體轉(zhuǎn)化為固體顆粒，將易揮發(fā)的物質(zhì)包覆在高分子材料中，使其免受環(huán)境的影響[6]。因此，微膠囊技術(shù)能夠賦予延長和控制精油中易氧化易揮發(fā)成分的釋放，提高貯藏穩(wěn)定性。目前應(yīng)用于制備微膠囊的壁材有很多種，主要有糊精類、膠類、蛋白類、殼聚糖等[7-9]。但在本課題組前期實(shí)驗(yàn)中，分別以β-環(huán)糊精、麥芽糊精、辛烯基琥珀酸淀粉鈉、酪蛋白為壁材，通過對四種微膠囊產(chǎn)品的比較分析，得出以辛烯基琥珀酸淀粉鈉為壁材的納米微膠囊產(chǎn)品從干燥速度、油脂包埋率、貨架穩(wěn)定性、粉末油脂在水中的分散溶解能力都優(yōu)于其他3種壁材，并且可以降低生產(chǎn)成本，適合工業(yè)化生產(chǎn)。在粉末香精中，以辛烯基琥珀酸淀粉鈉為壁材，還具有良好的緩釋作用。這主要是由于以下幾點(diǎn)：首先，從結(jié)構(gòu)上看，辛烯基琥珀酸淀粉鈉在淀粉長鏈上同時(shí)引進(jìn)了親水基和疏水基，并且二者的比例是1∶1。其次，由于長鏈的作用，當(dāng)作用于油/水乳狀液時(shí)，親水的羧酸基團(tuán)伸入水中，親油的烯基長鏈伸入油中，使長鏈在油水界面上形成一層很厚的界面膜，這使得辛烯基琥珀酸淀粉鈉具有優(yōu)良的乳化性和穩(wěn)定性[10-12]。麥芽糊精成本較低，缺乏乳化性，但其能夠在微膠囊的表面形成一層薄膜有效降低了精油的揮發(fā)率[13-14]。

因此，本研究將利用辛烯基琥珀酸淀粉鈉為壁材，麥芽糊精為填充劑，通過單因素篩選試驗(yàn)后進(jìn)行響應(yīng)面分析，以微膠囊的包埋產(chǎn)率為指標(biāo)篩選出最佳制備工藝，進(jìn)一步對微膠囊的緩釋性進(jìn)行初步探討，為香草蘭精油納米微膠囊的制備提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

香草蘭精油，馬來西亞Rentak Timur公司；辛烯基琥珀酸淀粉鈉，江西金立德食品科技有限公司。

GYB-60-6S 高壓均質(zhì)機(jī)，上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠；IKA magic LAB多功能乳化分散機(jī)，德國IKA集團(tuán)/艾卡（廣州）儀器設(shè)備有限公司；DF-101集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，予華儀器責(zé)任有限公司；B-290噴霧干燥機(jī)，瑞士B?CHI公司。

1.2 方法

1.2.1 香草蘭精油微膠囊的制備 以辛烯基琥珀酸淀粉鈉為壁材，香草蘭精油為芯材，沸水浴溶解辛烯基琥珀酸淀粉鈉溶液至透明狀，加入含水率30%的麥芽糊精溶液，冷卻后加入香草蘭精油混合，高速分散后進(jìn)行高壓均質(zhì)處理，對所得乳狀液進(jìn)行噴霧干燥，得到固體微膠囊粉末。噴霧干燥條件參考朱紅梅等[15]并做適當(dāng)修改：出口溫度為140 ℃，出口溫度為90 ℃，蠕動泵轉(zhuǎn)速為40%，自動噴嘴清洗6次。

1.2.2 香草蘭精油微膠囊產(chǎn)率、包埋率的測定[16] 產(chǎn)率為所得微膠囊總質(zhì)量與原料中芯材壁材總質(zhì)量的百分比。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) （1）芯壁比對微膠囊產(chǎn)率、包埋率的影響 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉鈉水溶液至透明狀后加入含水率為30%的麥芽糊精水溶液，冷卻后加入香草蘭精油，固形物含量為40%。設(shè)置芯壁材比例為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，將混合均勻的溶液以6 000 r/min高速分散后以20 MPa的壓力進(jìn)行高壓均質(zhì)，對所得到均一的乳狀液進(jìn)行噴霧干燥得到微膠囊粉末。噴霧干燥條件為：進(jìn)口溫度140 ℃，出口溫度為90 ℃，抽氣速率為100%，蠕動泵轉(zhuǎn)速為40%，進(jìn)料流量為600 L/h，自動噴嘴清洗6次。

（2）混合壁材的比例對微膠囊產(chǎn)率、包埋率的影響 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉鈉水溶液至透明狀后加入含水率為30%的麥芽糊精水溶液，設(shè)置辛烯基琥珀酸淀粉鈉∶麥芽糊精為1∶1、1∶2、1∶3、3∶1、2∶1，按芯壁比1∶4加入香草蘭精油，固形物含量為40%，芯壁材混合后以6 000 r/min高速分散3 min，20 MPa進(jìn)行高壓均質(zhì)，后續(xù)操作與（1）相同。

（3）固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微膠囊產(chǎn)率、包埋率的影響 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉鈉水溶液至透明狀，按辛烯基琥珀酸淀粉鈉：麥芽糊精為1∶3的比例加入含水率為30%的麥芽糊精水溶液，按芯壁比1∶4加入香草蘭精油，設(shè)置固形物含量為依次20%、30%、40%、50%、60%。后續(xù)操作與（1）相同。

（4）分散速度對微膠囊產(chǎn)率包埋率的影響 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉鈉水溶液至透明狀，按辛烯基琥珀酸淀粉鈉：麥芽糊精為1∶3的比例加入含水率為30%的麥芽糊精水溶液，按芯壁比1∶4加入香草蘭精油，固形物含量為40%，設(shè)置分散速度依次為4 000、5 000、6 000、7 000、8 000 r/min進(jìn)行高速分散，后續(xù)操作與（1）相同。

（5）均質(zhì)壓力對微膠囊產(chǎn)率、包埋率的影響 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉鈉水溶液至透明狀，按辛烯基琥珀酸淀粉鈉與麥芽糊精為1∶3的比例加入含水率為30%的麥芽糊精水溶液，按芯壁比1∶4加入香草蘭精油，固形物含量為40%，分散速度為6 000 r/min，設(shè)置均質(zhì)壓力依次為10、15、20、25、30 MPa對溶液進(jìn)行高壓均質(zhì)，后續(xù)操作與（1）相同。

1.2.4 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用Box-Benhnken Design建立數(shù)學(xué)模型，以芯壁比、均質(zhì)壓力、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為自變量，產(chǎn)率為響應(yīng)值，利用Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)三因素三水平實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化包埋香草蘭精油的最佳工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)編碼、影響因素、變化水平如表1所示。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素水平，利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.4 微膠囊的緩釋性測定

分別稱取2 g香草蘭精油以及香草蘭精油微膠囊放入燒杯中，貯藏在100 ℃烘箱中，每隔3 h稱其質(zhì)量，計(jì)算香精油和微膠囊的保留率。

2 結(jié)果與分析

2.1 5個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)對香草蘭精油微膠囊產(chǎn)率的影響

五種單因素對香草蘭精油微膠囊產(chǎn)率的影響如圖1所示。圖1-A結(jié)果表明，壁芯材比例對微膠囊產(chǎn)率具有顯著影響。當(dāng)其他條件固定時(shí)，壁芯材比例的增加，微膠囊產(chǎn)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)壁芯比為4∶1時(shí)，包埋產(chǎn)率可達(dá)92.54%。當(dāng)壁材質(zhì)量一定時(shí)，隨著芯材的添加量減少，壁材通過分子鍵連接在一起，對精油的包覆度不夠?qū)е驴漳衣矢?，隨之產(chǎn)率也相應(yīng)降低。彭穎等[17]得出相同的結(jié)論。圖1-B結(jié)果顯示，在相同條件下，復(fù)合壁材辛烯基琥珀酸淀粉鈉與麥芽糊精比例為1∶3時(shí)，包埋產(chǎn)率最大為89.23%。隨著麥芽糊精添加量的減少，對微膠囊的保護(hù)程度降低，導(dǎo)致在制備微膠囊的過程中，精油析出，降低產(chǎn)率。圖1-C結(jié)果顯示隨著均質(zhì)壓力的增大，微膠囊產(chǎn)率呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，當(dāng)均質(zhì)壓力為20 MPa時(shí)可達(dá)到最大的包埋產(chǎn)率為89.62%。

通常情況下，壓力越高，均質(zhì)的物料粒徑分散均勻，有利于提高乳狀液的穩(wěn)定性，從而得到微膠囊產(chǎn)品具有較高的包埋產(chǎn)率。但隨著壓力的升高，物料的發(fā)熱率增大，高溫將會影響微膠囊的包埋效果。另一方面，辛烯基琥珀酸淀粉鈉結(jié)構(gòu)中的長鏈在油水界面上形成一層很厚的界面膜，當(dāng)壓力升高時(shí)，乳狀液液滴減小，體系表面自由能增加，體系處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)微膠囊的結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致包埋失敗，降低產(chǎn)率[18]。對混合后的芯壁材溶液進(jìn)行高速分散使混合溶液分散更加均勻，有利于芯材與壁材的結(jié)合。圖1-D結(jié)果表明，分散速度對微膠囊產(chǎn)率的影響較小。設(shè)置分散速度最小為4 000 r/min，最大為8 000 r/min，對應(yīng)的包埋產(chǎn)率分別為81.62%、86.52%，結(jié)合經(jīng)濟(jì)適用實(shí)際情況，選擇6 000 r/min對芯壁材混合溶液進(jìn)行分散。圖1-E結(jié)果表明，不同固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微膠囊產(chǎn)率的影響較為顯著，隨著固形物含量的增加，微膠囊產(chǎn)率也增加，當(dāng)固形物含量為40%時(shí)，微膠囊產(chǎn)率達(dá)到91.62%。單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壁芯比、均值壓力、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微膠囊包埋產(chǎn)率具有顯著影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.2 制備微膠囊的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)及結(jié)果分析 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以微膠囊包埋產(chǎn)率為響應(yīng)值設(shè)計(jì)了三因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案，共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)、12個(gè)分析點(diǎn)，5個(gè)為零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表2所示。當(dāng)壁芯比為4∶1，均質(zhì)壓力為20 MPa，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，包埋產(chǎn)率達(dá)到最大值，為98.54%～98.18%，其他實(shí)驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果均在15號實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與零點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間，由此需進(jìn)行下一步分析。

2.2.2 回歸方程的建立與顯著性分析 利用Design-Expert 8.0.6軟件對表2數(shù)據(jù)通過二次多元回歸分析對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，確立制備香草蘭精油微膠囊的最優(yōu)擬合二次多項(xiàng)式方程如下：

回歸方程方差分析如表3所示。在回歸模型中p<0.000 1<0.01，說明實(shí)驗(yàn)所選用二次回歸模型極顯著；失擬項(xiàng)中F=2.26，p=0.223 7，表示模型失擬項(xiàng)不顯著；模型相關(guān)系數(shù)R2=0.996 0，表示響應(yīng)值變化有99.6%是由自變量造成。此模型中，Adj R2=0.990 8，模型的變異系數(shù)為0.79%，表明此模型與實(shí)際值擬合度較高，可以進(jìn)行對響應(yīng)值的預(yù)測，可由此模型分析微膠囊的包埋產(chǎn)率。由回歸模型中顯著性可知，對微膠囊產(chǎn)率的影響的重要性依次為X3> X1>X2，即固形物含量>壁芯壁>均質(zhì)壓力。另外，模型中X1X3交互作用極顯著，X12、X22、X32均極顯著，說明整個(gè)響應(yīng)面構(gòu)成于各因素相互作用的基礎(chǔ)上且交互作用良好。

2.2.3 響應(yīng)面結(jié)果分析、優(yōu)化及驗(yàn)證 三種因素交互作用對微膠囊產(chǎn)率影響的響應(yīng)面與等高線如圖2所示。等高線的形狀能夠反映這兩種因素交互作用的強(qiáng)弱，結(jié)合對應(yīng)的響應(yīng)面圖能夠分析自變量對響應(yīng)值的影響。當(dāng)?shù)雀呔€越接近圓形，表明這兩種因素對響應(yīng)值的影響不顯著；反之，越接近橢圓，對響應(yīng)值影響越顯著。圖2結(jié)果表明，芯壁比與固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均質(zhì)壓力與壁芯比兩因素交互作用顯著，與2.2模型方差分析結(jié)果一致。通過回歸方程預(yù)測的最佳工藝條件為：壁芯材比例為4.3∶1，均質(zhì)壓力為20.1 MPa，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41.61%，在此條件下，包埋產(chǎn)率達(dá)到最大值（98.15±0.8）%。在實(shí)驗(yàn)水平范圍內(nèi)，對模型預(yù)測最大響應(yīng)值對應(yīng)的因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。考慮到實(shí)際操作條件，故選定參數(shù)為壁芯材比為4∶1，均質(zhì)壓力為20 MPa，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在此條件下測得微膠囊產(chǎn)率為（97.21±0.3）%，與模型預(yù)測值較為接近，偏差為0.94%。表明該模型能夠完成對微膠囊包埋產(chǎn)率的工藝優(yōu)化，能夠很好地反映包埋效果。

2.3 微膠囊包埋率的測定

微膠囊的包埋產(chǎn)率，包埋率能夠反映微膠囊的包合效果以及利用價(jià)值。Hundre等[19]的報(bào)道指出，包埋產(chǎn)率和包埋率呈正相關(guān)的趨勢增長。因此本研究以包埋產(chǎn)率為響應(yīng)值，在簡化實(shí)驗(yàn)操作的基礎(chǔ)上也能夠反映出微膠囊的包埋效率。在壁芯材比為4∶1，均質(zhì)壓力為20 MPa，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%下測得微膠囊包埋產(chǎn)率為（97.21±0.3）%，包埋率為（89.16±1.2）%。在本課題組前期未優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下測得微膠囊的包埋產(chǎn)率為（83.92±0.9）%，對應(yīng)的包埋率為（78.04±1.8）%。通過對比得知，在工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，包埋效率顯著提高。

2.4 微膠囊的緩釋性分析

精油及微膠囊的揮發(fā)率如圖3所示。隨著加熱時(shí)間的延長，精油和微膠囊的揮發(fā)率呈現(xiàn)逐漸升高的變化趨勢，但兩者揮發(fā)速率不同。結(jié)果表明，在加熱30 h后，精油的揮發(fā)率達(dá)到76.21%，而微膠囊的揮發(fā)速率為22.12%；在18 h后，微膠囊的揮發(fā)速率趨于平緩。這是因?yàn)樾料┗晁岬矸垅c對精油起到了一定的保護(hù)作用，有效地阻止了芯材中有效成分的揮發(fā)，避免了環(huán)境對精油的影響[17]。由此可知，精油的微膠囊化更有利于精油功能與功效的持久釋放。

3 討論

Lertsutthiwong等[20]研究表明，增加芯材的含量能夠增大芯壁材的接觸面積提高包埋產(chǎn)率，但芯材質(zhì)量過多會導(dǎo)致壁材包覆不完全，使精油依附在微膠囊表面，在制備過程中精油的揮發(fā)及粘壁損失嚴(yán)重導(dǎo)致產(chǎn)率降低。劉文妮等[18]研究表明，固形物質(zhì)量高，乳液較黏稠，在干燥的過程中能夠形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠阻礙芯材擴(kuò)散到壁材表面，但固形物質(zhì)量達(dá)到60%時(shí)，產(chǎn)率反而下降。這一方面是由于當(dāng)溶液中固形物質(zhì)量升高時(shí)，溶液達(dá)到飽和狀態(tài)，溶解不完全而出現(xiàn)沉淀，降低了微膠囊包埋產(chǎn)率；另一方面，溶液中固形物含量過高，導(dǎo)致分子運(yùn)動空間減小而發(fā)生聚集，影響包埋效果[21]。楊海燕等[21]研究以酪蛋白和麥芽糊精為壁材進(jìn)行復(fù)配，得到包埋率為85.83%的甜杏仁油微膠囊。壁材的復(fù)配使用能夠增加微膠囊的包埋效率，在微膠囊的制備過程，麥芽糊精能夠形成一層薄膜依附在微膠囊的表面，對芯材起到一定的保護(hù)作用[22]。

本文在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)壁芯比、均質(zhì)壓力、固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對包埋產(chǎn)率影響顯著。以包埋產(chǎn)率為響應(yīng)值，采用響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)三因素三水平的工藝優(yōu)化，結(jié)果表明壁芯比和固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對響應(yīng)值影響顯著。制備工藝最優(yōu)參數(shù)為：壁芯比為4∶1，均質(zhì)壓力為20 MPa，固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，此條件下，包埋產(chǎn)率為（97.21±0.3）%，包埋率為（89.16±1.2）%。貯藏過程中發(fā)現(xiàn)微膠囊具有良好的緩釋作用。由此可知，對精油的微膠囊化能夠降低精油的揮發(fā)，壁材的復(fù)配使用也能夠提高微膠囊的包埋效率。

相對于其他制備方法，本研究在制備微膠囊過程中不需要加入乳化劑、固化劑等，能夠保持精油的天然成分不受破壞。此工藝條件制備的香草蘭精油微膠囊具有濃郁的精油香氣，能夠作為天然調(diào)味品、抗氧化劑和食品調(diào)味劑等，具有廣闊應(yīng)用空間和市場價(jià)值。基于研究結(jié)論，本課題可以在香草蘭精油微膠囊的應(yīng)用方面開展研究，擴(kuò)大實(shí)際應(yīng)用性。

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