橘皮精油微膠囊的制備及其穩定性研究

王 芳 淡小艷 鄧 剛 萬國棟

(浙江師范大學化學與生命科學學院1，金華 321004)

(浙江師范大學行知學院2，金華 321004)

柑橘屬蕓香科類植物，產量居我國果品之首。橘皮中含有2%～3%的精油，柑橘精油是橘皮的主要附加產品之一，也是世界上應用最為廣泛的香精香料之一，其主要成分是檸檬烯［1］，具有解熱、鎮痛、抗病毒、抑菌和抗氧化等多種生理功能［2－4］。橘皮精油是低沸點、易揮發的物質，使其應用受到了很大的限制，因此對精油進行微囊化包埋，使液體的精油轉變為固體狀態，控制其活性成分的釋放［5－6］，能夠延長其應用的有效壽命，擴大其應用范圍。

微膠囊化是指通過特殊的方法，利用天然或合成的高分子材料包埋固體、液體甚至是氣體物質，制成有囊壁的微型膠囊以保留或截留其他物質的微粒，從而達到保護、控釋等效果［7－8］。β － 環糊精(β－CD)是由7個葡萄糖殘基以α－1，4－糖苷鍵連接而成的環狀化合物，具有親水的外圍及疏水的內腔，在溶液中可與多種有機物形成特殊的包絡物［9－10］。

近年來β－CD已廣泛被用于醫藥、食品、化學和農業等行業［11－16］，但在橘皮精油方面的應用還鮮見報道，本研究以β－CD為壁材，探討其對橘皮精油的包埋工藝，以期得到包埋效率高且穩定性好的微膠囊產物。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

柑橘:浙江金華農貿市場;β－環糊精:華興生物化工有限責任公司。其它試劑均為分析純。

料理機:九陽股份有限公司;DZF－9140B型真空干燥箱:上海一恒科學儀器有限公司;BT224s型電子天平:德國賽多利斯公司;SC－5A超級恒溫槽:寧波海曙億恒儀器有限公司;蒸餾裝置:姜堰市沈高夏南生化器械廠。

1.2 試驗方法

1.2.1 橘皮精油的提取

稱取一定量粉碎后的新鮮橘皮于水蒸氣蒸餾裝置中，以質量濃度為3%的NaCl溶液作為提取溶劑，料液比1∶12(橘皮∶NaCl溶液)，蒸餾1 h后收集所提精油，加無水Na2SO4脫水，于精油瓶中4℃保存。

1.2.2 橘皮精油微膠囊的制備［17］

稱取大約10 g β－CD，用50 mL去離子水在60℃溶解，取一定量的橘皮精油，按1∶20(g∶mL)的比例用無水乙醇溶解后，按一定比例逐滴加入到β－CD水溶液中。一定溫度下包合一定時間后取出，待溶液冷至室溫后將其放在5℃冰箱中靜置24 h，真空抽濾后于50℃干燥箱中干燥至恒重，得微膠囊產物。

1.2.3 包埋率的測定

取2 mL精油于有500 mL蒸餾水的蒸餾瓶中，蒸餾1 h，收集所得精油(體積V0)，用一定量的β－CD包埋2 mL精油所得的包合物至蒸餾瓶中，蒸餾1 h收集所得精油(體積V1)，根據下列公式計算包埋率。

1.2.4 包埋得率的測定

取2 mL精油精確稱其質量為m1，用一定量(質量為m2)的β－CD包埋這2 mL精油，所得包合物質量為m3，根據下列公式計算包埋得率。

1.2.5 響應面試驗設計

根據Box－Behnken的中心組合試驗設計原理，結合單因素試驗結果，分別選擇芯壁材比(X1)，包埋溫度(X2)，包埋時間(X3)作為自變量，橘皮精油包埋率作為響應值設計響應面試驗，因素和水平取值見表1。

表1 響應面法設計因素和水平

1.3 橘皮精油微膠囊穩定性測定

1.3.1 橘皮精油揮發性測定

準確稱量10.0 g橘皮精油于潔凈培養皿中(不加蓋，暴露于空氣中)，放置于20℃的電熱鼓風箱中進行恒溫儲存，每2 h取樣，用恒重法測定其揮發性。

橘皮精油揮發量=(1－某時刻橘皮精油質量/初始橘皮精油質量)×100%

1.3.2 微膠囊含油率測定

準確稱量10.0 g微膠囊樣品于揮發油測定器中進行水蒸氣蒸餾，收集所得精油(體積V0)。

準確稱量10.0 g微膠囊樣品平鋪于潔凈培養皿中(不加蓋，暴露于空氣中)，分別放置于20、60和80℃的電熱鼓風箱中進行恒溫儲存。打開烘箱的鼓風裝置，模擬動態釋放的條件，熱處理一定時間后取出，采用揮發油測定器進行水蒸氣蒸餾，收集所得精油(體積V1)。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 芯壁材比

分別取2 mL橘皮精油，按照芯壁材比(mL∶g)為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6 在 60 ℃包合1.5 h，不同芯、壁材比例對包合效果的影響見圖1。橘皮精油(芯材)與β－CD(壁材)的比例大小直接影響到包埋效果，在適當的范圍內，增加壁材的含量，可以提高包埋效果。包埋率和包埋得率隨著芯壁材比的增大而增大，在芯壁材比為1∶5時包埋率達到52.4%，隨后呈下降的趨勢;在芯壁材比為1∶4時包埋得率達到68.8%，隨后呈下降的趨勢，這可能是由于壁材含量過高，β－CD的分子的空腔就不能被充分利用，包埋效果反而會下降［17］。

圖1 芯壁材比對包埋效果的影響

2.1.2 包埋溫度

按照芯壁材比(mL∶g)為1∶5分別在溫度為30、40、50、60和70℃的條件下以β－CD包埋2 mL橘皮精油1.5 h，研究包埋溫度對包埋效果的影響。由圖2可知，隨著溫度升高包埋率和包埋得率逐漸增大，50℃時包埋率達到最大值64.3%，60℃時包埋得率達到最大值85.4%，隨著溫度的繼續升高包埋率和包埋得率開始下降。溫度升高，可以促進橘皮精油向β－CD空腔內運動，也能增加β－CD的通透性且降低橘皮精油的黏度，使之滲透擴散能力增強，包埋效率增大。但溫度過高，精油更傾向于向β－CD空腔外運動，從而降低了包埋效率［17－19］。

圖2 包埋溫度對包埋效果的影響

2.1.3 包埋時間

按芯壁材比(mL∶g)為1∶5將2 mL橘皮精油在50 ℃溫度下分別包埋 0.5、1、1.5、2、2.5 h，結果(圖3)顯示，在一定時間范圍內，包埋率和包埋得率隨著包埋時間的增大而增大，在1.5 h時包埋率達到最大為58.4%，隨后呈下降趨勢;在2 h時包埋得率達到最大為83.2%，隨后趨于平緩。在理論上，時間短，包埋不充分;時間越長，過程越接近平衡，微膠囊化效率就會越高;但隨著包埋時間的延長，產品在制備時所需的較高的溫度不利于已經包埋好的包合物穩定，又呈下降趨勢［19］。

圖3 包埋時間對包埋效果的影響

2.2 響應面法確定β－CD包埋橘皮精油的最佳條件

2.2.1 響應面法試驗設計及結果

根據Box－Behnken的中心組合設計原理，設計了3因素3水平的響應面分析試驗，以芯壁材比(X1)、包埋溫度(X2)和包埋時間(X3)為自變量，以橘皮精油包埋率和包埋得率作為響應值，試驗設計及結果見表2。

表2 響應面設計方案與試驗結果

2.2.2 響應面及等高線分析

用Design Expert 7.0軟件對表2數據進行回歸擬合，得到二次回歸方程響應面圖。圖4～圖6直觀反映了各因素對響應值的影響，比較可知，壁芯材比和包埋溫度的交互作用對包埋率的影響較為顯著，表現為曲線較陡;而壁芯材比和包埋時間以及包埋溫度和包埋時間的交互作用次之，表現為曲線較為平滑。

圖7～圖9直觀反映了各因素對響應值的影響，比較可知，包埋溫度和包埋時間的交互作用相比壁芯材比和包埋溫度以及壁芯材比和包埋時間的交互作用較為顯著。

2.2.3 響應面法優化結果分析

根據表2的試驗數據，利用Design Expert 7.0軟件對表2的數據進行回歸分析，擬合后得到X1、X2、X3的二次多項回歸模型為:

對優化后回歸包埋率模型進行方差分析，結果見表3。包埋率模型是顯著的(P=0.021 7)。方差分析中一次項X1對包埋率模型影響極顯著，交互項X1X2對包埋率模型影響也達到顯著，二次項X12對包埋率模型影響極顯著，X22對包埋率模型影響也達到顯著。對優化后回歸包埋得率模型進行方差分析，結果見表4。包埋得率模型是極顯著的(P=0.004 1)。方差分析中一次項X1對包埋得率模型影響極顯著，二次項X32對包埋得率模型影響極顯著。

表3 對精油的包埋率模型方差分析

表4 對精油的包埋得率模型方差分析

響應面對包埋率模型分析為:芯壁材比為1∶5.42，包埋溫度為47.50 ℃，包埋時間為2 h。此條件下β－CD對橘皮精油的包埋率理論值為68.0%，包埋得率理論值為88.1%;響應面對包埋得率模型分析為:芯壁材比為 1∶5.70，包埋溫度為 47.13 ℃，包埋時間為1.69 h，此條件下β－CD對橘皮精油的包埋率理論值為66.7%，包埋得率理論值為88.4%。可以看出2種所得包埋率和包埋得率相接近，其工藝的參數中，芯壁材比和包埋溫度比較接近。考慮到包埋時間對包埋率的影響較小，因此選擇1.69 h為較合理的包埋時間。包埋得率模型比包埋率模型的顯著性強，因此，橘皮精油微膠囊制備的最佳工藝組合選擇包埋得率模型分析結果，即芯壁材比為1∶5.70，包埋溫度為47.13 ℃，包埋時間為 1.69 h。為了操作方便，橘皮精油微膠囊制備的最佳工藝組合修正為:芯壁材比為1∶5.7，包埋溫度為47℃，包埋時間為1.7 h，此條件下β－CD對橘皮精油的包埋率理論值為66.7%，包埋得率理論值為88.4%。以此工藝進行驗證試驗，測得其包埋率為65.7%，包埋得率為88.5%，和理論值分別相差1.5%和0.1%，表明該模型較好，所得橘皮精油微膠囊為白色粉末，有橘皮精油清新淡雅的香味，放置一段時間由于精油的慢慢釋放，剛打開存放容器時其香味較濃。

2.3 微膠囊的穩定性研究結果

圖10表明，液態橘皮精油在20℃的電熱鼓風箱中貯存24 h，其質量損失高達97.9%，揮發損失嚴重。圖11表明，橘皮精油制備為微膠囊之后，同樣條件下，精油揮發量僅為33.4%，質量損失降低了65.9%，即便在80℃電熱鼓風箱的惡劣條件下放置24 h，微膠囊中的精油損失也僅為41.3%，說明橘皮精油微膠囊化之后，控釋效果明顯，穩定性較好。同時，由圖12可知，橘皮精油微膠囊在鼓風箱中貯存24 h，60℃和80℃分別較20℃條件下精油損失增加了10.7%和23.9%，進一步證明了本工藝制備的橘皮精油微膠囊的穩定性較好，同時說明較低溫度更利于其保存和使用。

圖12 不同貯藏溫度下微膠囊的含油率

3 結論

橘皮精油微膠囊制備的最佳工藝為:芯壁材質量比(橘皮精油∶β － 環糊精)為 1∶5.7、包埋溫度47℃、包埋時間1.7 h，此條件下β－CD對橘皮精油的包埋率為65.7%，包埋得率為88.5%。所得橘皮精油微膠囊為白色粉末，有橘皮精油清新淡雅的香味，放置一段時間由于精油的慢慢釋放，剛打開存放容器時其香味較濃。其穩定性研究表明，貯存期間微膠囊化后精油的揮發率明顯下降，穩定性明顯提高，說明所得橘皮精油微膠囊具有很好的控釋效果。

［1］Badee A，Helmy SA，Morsy NFS.Utilization of orange peel in the production of［alpha］－ terpineol by Penicillium digitatum(NRRL 1202)［J］.Food Chemistry，2011，126:849 －854

［2］Viuda－Martos M，Ruiz－ Navajas Y，Fernández－ López J，et al.Antibacterial activity of lemon(Citrus lemon L.)，mandarin(Citrus reticulata L.)，grapefruit(Citrus paradisi L.)and orange(Citrus sinensis L.)essential oils［J］.Journal of Food Safety，2008，28(4):567 － 576

［3］Hammer KA，Carson CF.Lipids and Essential Oils as Antimicrobial Agents［M］.Chichester:John Wiley and Sons，Ltd.，2011

［4］Nejad Ebrahimi S，Hadian J，Mirjalili M，et al.Essential oil composition and antibacterial activity of Thymus caramanicus at different phenological stages［J］.Food Chemistry，2008，110(4):927－931

［5］Rocha GA，Favaro－ Trindade CS，Grosso CRF.Microencapsulation of Lycopene by spray drying:characterization;stability and application of microcapsules［J］.Food and Bioproducts Processing，2011，226:1 －6

［6］Xiao Jun Xia，Yu Hai Yan，Yang Jian.Microencapsulation of sweet orange oil by complex coacervation with soybean protein isolate/gum Arabic［J］.Food Chemistry，2011，125(4):1267－1272

［7］梁治齊.微膠囊技術及其應用［M］.北京:中國輕工業出版社，1999

［8］王家良，王永斌，陳龍.八角油樹脂微膠囊的制備［J］.中國糧油學報，2008，23(3):107 －110

［9］Tian Xiang Nan，Jiang Zi Tao，Li Rong.Inclusion interactions and molecular microcapsule of Salvia sclarea L.essential oil with β － cyclodextrin derivatives［J］.European Food Research and Technology，2008，227(4):1001 －1007

［10］朱林紅，宋樂新，陳杰，等.β－環糊精與18－冠－6超分子包合物的形成、結構和熱降解［J］.物理化學學報，2011，27(7):1579 －1586

［11］Marcolino VA，Zanin GM，Durrant LR，et al.Interaction of curcumin and bixin with β－cyclodextrin:complexation methods，stability，and applications in food［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2011，59(7):3348 －3357

［12］Zhang Yu，Cheng Du Sheng.The applications of β － cyclodextrin and its derivatives in biotechnological drug formulations［J］.Letters in Biotechnology，2003，14(5):433 －435

［13］Dall'Asta C，Faccini A，Galaverna G，et al.Complexation of the mycotoxin zearalenone with β－cyclodextrin:Study of the interaction and first promising applications［J］.Mycotoxin Research，2008，24(1):14 －18

［14］葉卯祥，嚴雪黎.β環糊精包合技術在中藥揮發油制劑中的應用研究［J］.醫學綜述，2010(24):3793－3796

［15］金紅花，徐成善，劉艷鵬.環糊精在環境污染修復中的應用［J］.環境與可持續發展，2008(2):33－35

［16］廖才智.β－環糊精的應用研究進展［J］.化工科技，2010(05):69－72

［17］陳雪峰，劉楠楠.β－環糊精制備蔥油香精微膠囊的工藝研究［J］.中國調味品，2011，36(3):61 －63

［18］鄧靖，譚興和，劉婷婷，等.肉桂精油－β－環糊精微膠囊的制備［J］.中國糧油學報，2011，26(2):89 －91

［19］李柱，陳正行，羅昌榮，等.β－環糊精制備微膠囊化甜橙油的研究［J］.香料香精化妝品，2004(6):17－21.