紫蘇精油微囊粉包埋工藝的優(yōu)化

(中北大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,山西太原 030051)

紫蘇在我國南北各省區(qū)廣泛栽培,是一種極具價值的“藥食兩用”資源。紫蘇精油具有抗氧化、抗炎癥、抗過敏、抗菌、抑腫瘤、降血壓等生物活性[1],廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥及化妝品等領(lǐng)域,但是紫蘇精油易揮發(fā)易氧化的特性會使其活性降低或喪失。微囊化技術(shù)是將固體、液體、氣體通過一定的手段包埋在天然或合成高分子材料中,形成粒徑1～1000 nm的微膠囊。微膠囊化后的微粒材料,由于其芯材外有壁材作為保護(hù)層,使得芯材的釋放速率可人為控制,減少其有效活性成分向外擴散,能最大限度地保持芯材原有的色香味及生物活性,從而延長貯存期且方便應(yīng)用[2-5]。

近幾年來微膠囊化技術(shù)迅速發(fā)展,極大地促進(jìn)了其在食品,醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用?，F(xiàn)階段國內(nèi)外對肉桂精油、香草蘭精油、大蒜精油等精油的微囊化研究比較多[6],壁材和干燥方法也不盡相同,生產(chǎn)成本相差較大,需要不斷開發(fā)適用于微囊化技術(shù)的新材料和設(shè)備。目前可用作微膠囊壁材的材料有海藻酸鈉、阿拉伯膠、β-環(huán)糊精、果膠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強于其他的小分子乳化劑[7-10],在生產(chǎn)過程中不需要添加其他的乳化劑,因而節(jié)約了成本,簡化了操作步驟[11-13]。

在本課題前期實驗中,分別以β-環(huán)糊精、阿拉伯膠、辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材,通過對三種壁材對紫蘇精油包埋率的比較分析,得出以辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材的紫蘇精油微囊粉產(chǎn)品包埋率遠(yuǎn)高于其他2種壁材。因此,本研究將采用辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材,紫蘇精油為芯材,通過單因素篩選試驗后進(jìn)行響應(yīng)面分析,以紫蘇精油微囊粉的包埋率為指標(biāo)篩選出最佳制備工藝條件,為紫蘇精油微囊粉的制備工業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫蘇精油 實驗室自制[14];辛烯基琥珀酸淀粉酯 低粘度,杭州瑞霖化工有限公司;無水乙醇 分析純,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;無水硫酸鈉 分析純,天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司。

SP-1500實驗型噴霧干燥機 上海易研實驗設(shè)備有限公司;XHF-DY高效分散均質(zhì)機 寧波新芝生物科技股份有限公司;UV-6000PC紫外分光光度計 上海元析儀器有限公司;HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;FA1204B分析天平 上海精科天美科學(xué)儀器有限公司;78HW-1恒溫磁力攪拌器 金壇市正基儀器有限公司;TGL-12B低溫高速離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;SB-5200DTDN超聲波清洗機 寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫蘇精油最大吸收波長的確定 稱取一定量的精油,用無水乙醇溶解并稀釋,配制成某一濃度的紫蘇精油溶液,并以無水乙醇作為空白對照,200～800 nm范圍內(nèi)作全波長掃描,確定最大吸收波長。

1.2.2 紫蘇精油標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制 準(zhǔn)確稱取0.1 g精油至10 mL的容量瓶中,用無水乙醇定容,搖勻,貼上標(biāo)簽原液;從原液中分別準(zhǔn)確量取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mL于五個100 mL容量瓶中,依次貼上標(biāo)簽1、2、3、4、5分別將五個容量瓶用無水乙醇定容,搖勻,最大吸收波長處測定紫外吸光度,重復(fù)三次,取平均值。

1.2.3 紫蘇精油微囊粉制備 以辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材,紫蘇精油為芯材,80 ℃水浴10 min至糊化,冷卻至室溫后加入紫蘇精油混合,經(jīng)9000 r/min高速分散一定時間后,對所得乳狀液進(jìn)行噴霧干燥,得到固體微膠囊粉末。噴霧干燥條件參考劉雙雙等[15]并做適當(dāng)修改:進(jìn)口溫度為170 ℃,出口溫度為100 ℃,物料流量為500 mL/h。

1.2.4 單因素實驗

1.2.4.1 精油純度對微囊粉包埋率的影響 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷卻后加入紫蘇精油,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%,壁芯比為4∶1。用適量的無水乙醇將精油純度設(shè)置為20%、40%、60%、80%、100%,將混合均勻的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,對所得到均一的乳狀液進(jìn)行噴霧干燥得到微囊粉,測定紫蘇精油的包埋率。

1.2.4.2 壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微囊粉包埋率的影響 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷卻后加入純度為80%的紫蘇精油,壁芯比為4∶1。設(shè)置壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10%、20%、30%、40%、50%,將混合均勻的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,對所得到均一的乳狀液進(jìn)行噴霧干燥得到微囊粉,測定紫蘇精油的包埋率。

大理洱海東岸山區(qū)天文氣象條件初步統(tǒng)計分析：2016至2017年大氣季節(jié)特征……王晶星，劉 煜，宋騰飛，李忠木，張雪飛，李小波（30）

1.2.4.3 壁芯比對微囊粉包埋率的影響 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷卻后加入純度為80%的紫蘇精油,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。設(shè)置壁芯比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1,將混合均勻的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,對所得到均一的乳狀液進(jìn)行噴霧干燥得到微囊粉,測定紫蘇精油的包埋率。

1.2.4.4 均質(zhì)時間對微囊粉包埋率的影響 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷卻后加入純度為80%的紫蘇精油,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,壁芯比為3∶1。設(shè)置均質(zhì)時間為1、3、5、7、9 min,將混合均勻的溶液以9000 r/min高速分散后,對所得到均一的乳狀液進(jìn)行噴霧干燥得到微囊粉,測定紫蘇精油的包埋率。

1.2.4.5 響應(yīng)面優(yōu)化試驗 在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用Box-Benhnken Design建立數(shù)學(xué)模型,以精油純度、壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壁芯比為自變量,包埋率為響應(yīng)值,設(shè)計三因素三水平實驗(表1所示),優(yōu)化包埋紫蘇精油的最佳工藝參數(shù)。

表1 響應(yīng)面設(shè)計因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of response surface design

1.2.5 紫蘇精油微囊粉包埋率測定 取產(chǎn)品0.5 g于20 mL無水乙醇中,在30 ℃,990 W下超聲20 min,再以5000 r/min的速度離心10 min,標(biāo)記為P1,從P1中取上清液100 μL于容量瓶中定容至10 mL,標(biāo)記為P2,在284 nm處測定其吸光度值,平行作三組,計算平均值,代入紫蘇精油標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程中,得到表面含油量M1。

取產(chǎn)品0.5 g于2 mL蒸餾水中 再加入20 mL無水乙醇,在30 ℃,990 W下超聲40 min,加適量的無水硫酸鈉除去多余的水,再以5000 r/min的速度離心10 min,標(biāo)記為P3,從P3中取上清液100 μL于容量瓶中定容至10 mL,標(biāo)記為P4,在284 nm處測定其吸光度值,平行作三組,計算平均值,代入紫蘇精油標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程中,得到總含油量M2。包埋率(%)的計算公式如下:

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 19.0、OriginPro 8.0、Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,圖表制作、數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫蘇精油最大吸收波長

由圖1可知,紫蘇葉精油最大吸收波長為284 nm。

圖1 紫蘇精油吸收波長曲線Fig.1 Absorption wavelength curve of Perilla essential oil

圖3 精油純度(A)、壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、壁芯比(C)、均質(zhì)時間(D)對微囊粉包埋率的影響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 紫蘇精油標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 紫蘇精油標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of Perilla essential oil

2.3 單因素實驗結(jié)果

圖3A是紫蘇精油的純度對紫蘇精油包埋率的影響。紫蘇精油包埋率隨著精油純度的增大,呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)精油純度為80%時,包埋率達(dá)到最大值為37.64%。精油純度過低時,導(dǎo)致辛烯基琥珀酸淀粉酯剩余,容易發(fā)生團(tuán)聚、粘連;精油純度過高時,辛烯基琥珀酸淀粉酯不能完全包裹,造成精油浪費。當(dāng)精油純度超過80%時,包埋率迅速下降。這可能是由于隨著精油純度的增大,精油小液滴周圍的壁材太少,乳化液的乳化效果降低,其囊壁厚度和致密性隨之下降,導(dǎo)致精油易從囊壁滲出,致使包埋效果較差。因而精油純度選80%最佳。

圖3B是壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)對紫蘇精油包埋率的影響。隨著壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加大,辛烯基琥珀酸淀粉酯對紫蘇精油的包埋率升高。當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,包埋率達(dá)50.73%。當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%以后,包埋率反而降低。這是因為進(jìn)料中壁材量增加,使得在干燥中液滴成膜速度增加,減少了內(nèi)部紫蘇精油的揮發(fā),從而提高了包埋率。但當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時,包埋率不再升高反而下降,一方面由于霧化速度下降,物料在霧化前的停滯時間增長,紫蘇精油損失增加,另一方面是溶液達(dá)到飽和狀態(tài),導(dǎo)致分子運動空間減小而發(fā)生聚集,溶解不完全而出現(xiàn)沉淀。另外,壁材量的增加使囊壁增厚,這對提高產(chǎn)品的抗氧化能力有益,但會使囊壁的通透性下降[16]。劉文妮等[17]研究表明,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)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),能夠阻礙芯材擴散到壁材表面,當(dāng)溶液中壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時,溶液達(dá)到飽和狀態(tài),溶解不完全而出現(xiàn)沉淀,降低了微膠囊包埋率,與本研究結(jié)果一致。因此,制備紫蘇精油微囊粉適宜的壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

圖3C是壁芯比對紫蘇精油包埋率的影響,隨著壁芯比的增加,包埋率先增加再降低。這是因為芯材的含量增大使得芯壁材的接觸面積增大,從而提高包埋率,但芯材質(zhì)量過多會導(dǎo)致壁材包覆不完全,使精油依附在微囊粉表面。壁芯比為3∶1時,包埋率為79.55%,乳化液能很好地包埋紫蘇精油,形成了較穩(wěn)定的體系[18]。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

注:*:表示差異顯著,P<0.05;**:表示差異極顯著,P<0.01。

圖3D是均質(zhì)時間對紫蘇精油包埋率的影響。隨著均質(zhì)時間的增加,紫蘇精油包埋率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,均質(zhì)時間為3min時,包埋率為73.56%。因為均質(zhì)時間越長,乳化液液滴越小越均勻,但是轉(zhuǎn)子摩擦產(chǎn)生熱量使得紫蘇精油損失增大,從而呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢[19-20],這與陳琳等[21]的研究結(jié)果一致。因此,均質(zhì)時間選擇3 min較為合適。

2.4 制備微囊粉的響應(yīng)面優(yōu)化試驗

2.4.1 響應(yīng)面設(shè)計及結(jié)果分析 在單因素實驗的基礎(chǔ)上,以微囊粉包埋率為響應(yīng)值設(shè)計了三因素三水平的響應(yīng)面實驗方案,以精油純度、壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壁芯比的最適值作為響應(yīng)面優(yōu)化的中心點,分別以X1、X2和X3表示,結(jié)果如表2所示。

表2 試驗設(shè)計及響應(yīng)值結(jié)果Table 2 Experimental design and response results

2.4.3 響應(yīng)面結(jié)果分析、優(yōu)化及驗證 根據(jù)回歸方程分析,作響應(yīng)面和等高線圖。響應(yīng)面圖是響應(yīng)值(Y)對各因素(X1、X2、X3)所構(gòu)成的三維曲面空間圖,由圖4可直觀看出各因素(X1、X2、X3)交互作用對包埋率的影響。圖4a顯示在固定壁芯比3∶1條件下,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)與精油純度對包埋率的影響,包埋率隨著壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)與精油純度的增加而先增加后降低,可以看出包埋率的最優(yōu)參數(shù)接近于精油純度82%和壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)21%,并在這兩點交叉區(qū)域形成最大值,包埋率受精油純度的影響明顯比壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著。圖4b顯示在固定壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%條件下,精油純度與壁芯比對包埋率的影響,包埋率隨著精油純度與壁芯比的增加而先增加后降低,在精油純度83%和壁芯比3∶2這兩點的交叉區(qū)域形成包埋率最大值,且精油純度和壁芯比的曲線都比較陡峭,說明兩者交互作用強,對紫蘇精油包埋率影響達(dá)到極顯著水平。圖4c顯示在固定精油純度80%條件下,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)與壁芯比對包埋率的影響,包埋率隨著壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壁芯比的增加而先增加后下降,包埋率的最優(yōu)條件接近于壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)19%和壁芯比3∶1,并在這兩點交叉區(qū)域形成最大值,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)與壁芯比交互作用較強,對紫蘇精油包埋率影響顯著。

圖4 3種因素交互作用對微囊粉包埋率影響的 響應(yīng)面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour diagram of the influence of interaction of three factors on the embedding rate of microencapsulated powder

通過回歸方程預(yù)測的最佳工藝條件為精油純度為81.44%,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.89%,壁芯比3.12∶1,在此條件下,包埋率為80.33%?？紤]到實際操作條件,故選定參數(shù)為精油純度為81%,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,壁芯比為3∶1,進(jìn)行3次重復(fù)實驗。在此條件下測得微囊粉包埋率在80.19%,與模型預(yù)測值接近,表明該模型能夠完成對微囊粉包埋率的工藝優(yōu)化,能夠很好地反映包埋效果。

3 結(jié)論

制備工藝最優(yōu)參數(shù)為:紫蘇精油純度為81%,壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,壁芯比為3∶1,該條件下包埋率為80.19%。相對于其他方法,本研究在制備紫蘇精油微囊粉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。此工藝條件制備的紫蘇精油微囊粉保留了精油原有的濃郁香氣,能夠作為天然調(diào)味品和抗氧化劑,擴大其實際應(yīng)用價值。