埃洛石納米管-香芹酚復合物制備及其控釋性能研究

蘇英杰，盧立新,2*，潘嘹,2，盧莉璟,2，林自東

1(江南大學 機械與工程學院，江蘇 無錫，214122)2(江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫，214122) 3(山東碧海包裝材料有限公司，山東 臨沂，276600)

氧化作用以及由病原微生物引起的微生物變質會縮短食品的貨架期已成為全球關注的主要問題，而旨在控制食品氧化和微生物生長的食品包裝材料為延長貨架期提供了一種有效的解決辦法[1-2]。當前使用的活性包裝材料大多在與食品直接接觸后才發(fā)揮作用[3]，對固體食品有限的功效以及安全性是限制其普遍使用的主要因素[4-5]。精油是摻入固體食品包裝材料中的極具吸引力的化合物，因為它們是天然且高效的抗菌劑和抗氧化劑，可以揮發(fā)到包裝的頂部空間，對食品表面和頂部空間環(huán)境進行殺菌[6-7]，而且已獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)批準，通常被認為是安全的，可用于食品用途[8]。大量研究致力于將這些敏感活性物質摻入包裝材料中，同時最大程度地減少它們在加工過程中的損失并保持其抗菌抗氧化功能[9]。

與將精油直接加入聚合物中相比，將其封裝在納米載體中可以更好地控制釋放速率，提供有效且持久的抗菌抗氧化性能[13]。埃洛石納米管(halloysite nanotube，HNT)是一種天然且廉價的納米粒子，分子式為A12Si2O5(OH)·nH2O，具有較大的中空管腔結構，長度在0.2～1.5 μm，外徑為50～75 nm，管腔內徑為10～30 nm，能夠有效負載活性物質，延長作用時間，且在聚合物包裝材料中有較好的分散性，能夠改善包裝材料的阻隔性能與力學性能，在活性包裝材料研究中具有極大的應用潛力[16]。盡管HNT確實延長了精油作用時間，但是精油在HNT中的負載量較低以及初期的快速釋放在一定程度上限制了其在活性包裝中進一步發(fā)展。

本文選用牛至精油主要活性成分香芹酚作為精油模型，使用4 mol/L鹽酸對HNT內壁氧化鋁層進行刻蝕，增大了其比表面積，利用真空負載法將香芹酚封裝在經(jīng)4 mol/L鹽酸刻蝕后的HNT中，制備了埃洛石納米管-香芹酚復合物，提高了香芹酚的負載量，再通過吸附正負聚電解質對埃洛石納米管-香芹酚復合物進行包封，顯著降低了香芹酚初期釋放速率，具有明顯的控釋效果，為精油在抗菌抗氧化食品包裝材料中的開發(fā)和應用積累數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

HNT、香芹酚、聚乙烯亞胺(polyethyleneimine，PEI，Mw≈10 000 Da)、聚苯乙烯磺酸鈉(polystyrene sulfonate, PSS，Mw≈70 000 Da)，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；鹽酸、無水乙醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

WH220-HT磁力攪拌器，德國Wiggens；Q700超聲波破碎儀，美國QSONICA；RJ-DTL-50A低速臺式離心機，無錫瑞江分析儀器有限公司；Autosorb-IQ氮氣吸附儀，美國康塔儀器公司；Alpha紅外光譜儀，布魯克公司；JEM-2100F透射電子顯微鏡，日本電子株式會社(JEOL)；TA Q500熱重分析儀，美國TA儀器公司；UV-1800紫外分光光度計，日本島津公司；Zeta SIZER2000電位測定儀，美國MALVERN公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 HNT酸刻蝕

稱取5 g HNT置于100 mL三口燒瓶中，接著加入80 mL的4 mol/L鹽酸溶液。80 ℃下水浴加熱，磁力攪拌反應8 h。反應結束后，將埃洛石懸浮液離心5 min分離出固體物質，去離子水洗滌后烘干研磨，得到4 mol/L鹽酸刻蝕后的HNT，并命名為HNT-4M。

1.3.2 香芹酚負載

分別將HNT、HNT-4M與香芹酚以固液比為0.1∶1(g∶mL)的比例混合。將混合后的懸浮液在冰浴中超聲處理30 min(超聲2 s，關閉3 s)。然后將懸浮液轉移至連接了真空泵的真空干燥器中，開啟真空泵進行抽真空，當干燥器內的真空度達到-0.1 MPa后，保持30 min，然后恢復至常壓(抽真空過程中除去了管腔內部空氣，恢復常壓過程中香芹酚通過空氣壓力被加載到管腔內部)，重復該操作2次以增加負載效率。5 000 r/min離心5 min，分離出懸浮液中的固相，再用乙醇離心洗滌2次，除去外表面吸附的香芹酚分子，真空干燥24 h后研磨成粉狀，得到HNT負載香芹酚的復合物與HNT-4M負載香芹酚的復合物，分別命名為HNT/carvacrol、HNT-4M/carvacrol。

1.3.3 聚電解質封裝

用去離子水配制質量濃度為2 mg/mL的PEI和PSS聚電解質溶液。將一定量的HNT-4M/carvacrol復合物按質量比2∶8加入PEI溶液，室溫下攪拌混合10 min，離心分離出固相，去離子水洗滌，完成第一層包封；再加入與PEI溶液等體積的PSS溶液，攪拌10 min，再進行分離和洗滌，完成第二層包封。重復上述步驟，依次完成第三層、第四層包封，最后將不同包封層數(shù)的HNT-4M/carvacrol復合物真空干燥24 h，研磨成粉狀。

1.3.4 香芹酚釋放速率測定

在23 ℃、相對濕度50%的恒溫恒濕箱中進行釋放試驗，每隔5 d準確稱取0.05 g復合物于離心管中，加入10 mL無水乙醇，超聲25 min，4 ℃下放置24 h后，以5 000 r/min離心15 min，取上清液，無水乙醇稀釋，用紫外分光光度計測量稀釋溶液的吸光度，代入香芹酚標準曲線中，計算出稀釋溶液中的香芹酚濃度并推算出復合物中香芹酚的剩余含量，通過公式(1)計算香芹酚的釋放率:

(1)

式中：V，香芹酚的釋放率，%；n1，放置一定時間后復合物中香芹酚含量，mg/g；n2，復合物中香芹酚初始含量，mg/g。

1.3.5 性能測試

利用傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品的官能團振動吸收峰來判定物質的變化(掃描400～4 000 cm-1)；利用透射電子顯微鏡觀測埃洛石納米管酸刻蝕前后的形貌特征，測試加速電壓為300 kV；利用氮氣吸附儀(脫氣溫度150 ℃，脫氣時間10 h)測定樣品的在液氮恒溫下的氮氣吸附-脫附等溫曲線，采用BET(brunauer-emett-teller)模型[19]計算埃洛石納米管的比表面積；利用熱重分析儀測定樣品的熱失重(氮氣氣氛下從30 ℃升至800 ℃，升溫速度10 ℃/min)；采用SIZER2000型Zeta電位測試儀，對不同包封層數(shù)后復合物懸浮液的Zeta電位進行分析。

2 結果與分析

2.1 埃洛石納米管成分及結構形貌特征

2.1.1 成分分析

圖1為HNT和HNT-4M的紅外光譜圖，3 621和3 693 cm-1處的吸收峰歸屬于Al—OH的—OH伸縮振動，1 029 cm-1處的吸收峰歸屬于Si—O的伸縮振動，913 cm-1處的吸收峰歸屬于Si—OAl的伸縮振動；與HNT相比，由于HNT-4M管腔內表面的氧化鋁層被破壞，大量Al原子在酸刻蝕過程中被氫原子所取代，導致Al—OH減少，Si—OAl轉變?yōu)镾i—OH，HNT-4M在3 621和3 693 cm-1的Al—OH的—OH振動吸收峰以及913 cm-1處的吸收峰都出現(xiàn)了減弱的現(xiàn)象[20]。

圖1 HNT和HNT-4M的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR spectra of mesoporous HNT and HNT-4M

2.1.2 形貌結構分析

圖2為HNT與HNT-4M的透射電鏡圖，從圖2-a和圖2-c中可以清晰看到HNT中空的管狀形態(tài)，內外管壁平整光滑，管口并不整齊。從圖2-b和圖2-d中可以看到HNT-4M的外管壁形態(tài)并未發(fā)生變化，管口處以及內管壁有刻蝕痕跡，內表面變得凹凸不平，并能夠觀察到殘留的納米SiO2顆粒[21]。

a-未處理HNT;b-HNT-4M;c-未處理HNT(管口);d-HNT-4M(管口)圖2 HNT與HNT-4M的透射電鏡圖Fig.2 Transmission electron microscopy images of HNT and HNT-4M

圖3為HNT與HNT-4M的氮氣吸附脫附等溫線。該吸附脫附曲線類似于Ⅳ型，在較低的P/P0區(qū)域，吸附氣體的量隨P/P0的增加而緩慢增加，在0.4

圖3 HNT和 HNT-4M的氮氣吸附-脫附等溫曲線Fig.3 Nitrogen adsorption-desorption isotherm of HNT and HNT-4M

表1 HNT and HNT-4M的比表面積與孔容數(shù)據(jù)Table 1 Specific surface area and pore volume of HNT and HNT-4M

2.2 熱穩(wěn)定性與香芹酚負載量分析

圖4為HNT、HNT/carvacrol和HNT-4M/carvacrol的熱重分析圖，HNT的熱重曲線顯示405～516 ℃時發(fā)生了約14%的質量損失，這是由于HNT的羥基脫失產(chǎn)生的，而HNT-4M/carvacrol在405～516 ℃失重量明顯比HNT/carvacrol有所降低，說明羥基減少，這也與紅外光譜圖數(shù)據(jù)一致；與HNT相比，HNT/carvacrol與HNT-4M/carvacrol還在95～180 ℃出現(xiàn)了失重現(xiàn)象，這主要是負載在管腔內的香芹酚熱分解脫失，通過這一階段的失重率可間接推算出香芹酚在HNT上的負載量，計算得出HNT/carvacrol，HNT-4M/carvacrol的香芹酚負載量分別為6.7%，24.2%。由此可見，HNT經(jīng)4 mol/L鹽酸酸刻蝕后，將香芹酚的負載量提高了近4倍。

圖4 HNT、HNT/carvacrol和HNT-4M/carvacrol的熱重分析圖Fig.4 Thermogravimetric plots of HNT、HNT/carvacrol and HNT-4M/carvacrol

2.3 Zeta電位分析

如圖5所示，HNT-4M/carvacrol復合物呈負電性，其電位值為-23.5 mV，這是因為HNT外表面具有豐富的羥基，在水中呈負電性。利用靜電力作用，依次吸附帶正電的PEI聚電解質和帶負電的PSS聚電解質可以有效地包封HNT[23]。包封一層PEI聚電解質后，HNT-4M/carvacrol復合物電位值變?yōu)?30.2 mV，繼續(xù)包封PSS后電位值變?yōu)?35.6 mV。隨著正負聚電解質的包封，HNT-4M/carvacrol復合物的電位值出現(xiàn)正負交替變化。

2.4 HNT-4M/carvacrol包封后的熱穩(wěn)定性分析

圖6是HNT-4M/carvacrol復合物包封后的熱重分析圖，包封后的HNT-4M/carvacrol復合物有3個失重階段，比之未包封的HNT-4M/carvacrol復合物多出了250～450 ℃的失重階段，且包封層數(shù)越大，失重越多，這主要是包封的PEI、PSS聚電解質的熱分解脫失。另一方面，HNT內部負載的香芹酚也隨著封裝層數(shù)的增加而減少，這應該是HNT-4M/carvacrol復合物在封裝過程中攪拌離心等操作造成香芹酚的流失所致，所以封裝層數(shù)需要控制在2層以下，能夠保留較高的香芹酚負載量。

圖5 HNT-4M/carvacrol復合物的Zeta電位Fig.5 The Zeta potential of HNT-4M/carvacrol composites

圖6 HNT-4M/carvacrol復合物封裝后的熱重分析圖Fig.6 Thermogravimetric plots of HNT-4M/carvacrol with different layers

2.5 香芹酚的釋放性能分析

2.5.1 香芹酚標準曲線繪制

用無水乙醇配制不同濃度的香芹酚溶液，再用紫外分光計在276 nm下測定不同濃度香芹酚溶液的吸光度，繪制吸光度-濃度的標準曲線，y=14.608 63x-0.004 76,R2=0.999 08,香芹酚溶液在0.01～0.08 mg/mL濃度下呈現(xiàn)良好的線性關系。

2.5.2 香芹酚的釋放速率

圖7是包封前后HNT-4M/carvacrol復合物中香芹酚的釋放曲線，在23 ℃、50%相對濕度下，未包封的HNT-4M/carvacrol復合物在前期表現(xiàn)為快速釋放，香芹酚的釋放率幾乎與時間成正比，20 d釋放量達到67.4%后，釋放速率開始變緩慢。而包封后的HNT-4M/carvacrol復合物中香芹酚的前期釋放速率明顯減緩，20 d后，包封1層與包封2層的HNT-4M/carvacrol復合物香芹酚的釋放量分別為48.8%和38.7%。香芹酚初期釋放速率的下降主要是因為正負聚電解質在納米管外部和管口處形成了良好的包封層，提供了擴散屏障，減緩了香芹酚的釋放，而且包封層數(shù)越多，緩釋效果越明顯。因此，聚電解質層在減緩香芹酚釋放速率方面是有效可行的。

圖7 不同封裝層數(shù)HNT-4M/carvacrol復合物的釋放曲線Fig.7 The release profiles of HNT-4M/carvacrol composites with different layers

3 結論與討論

本研究以4 mol/L鹽酸刻蝕后的HNT作為香芹酚的緩釋載體，將香芹酚的負載量由6.7%提高到24.2%。利用靜電力作用依次吸附帶正電的PEI聚電解質和帶負電的PSS聚電解質，對HNT-4M/carvacrol復合物進行包封，結果表明，未包封的HNT-4M/carvacrol復合物20 d釋放量達到67.4%，經(jīng)聚電解質層包封1層與包封2層后，香芹酚的釋放量降低為48.8%和38.7%，有效減緩了香芹酚從HNT中的釋放速率。因此，酸刻蝕HNT與聚電解質包封為解決精油在HNT中的負載量較低以及初期的快速釋放問題提供了有效可行的方法。