板栗花精油微乳的制備工藝

邵明輝,王雪青，*,宋文軍,王素英,趙國強,付慶偉

(1.天津市食品與生物技術重點實驗室,天津商業大學生物技術與食品科學學院,天津 300134;2.唐山遷西縣板栗產業研究發展中心,河北唐山 064300)

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板栗花精油微乳的制備工藝

邵明輝1,王雪青1，*,宋文軍1,王素英1,趙國強2,付慶偉2

(1.天津市食品與生物技術重點實驗室,天津商業大學生物技術與食品科學學院,天津 300134;2.唐山遷西縣板栗產業研究發展中心,河北唐山 064300)

本文采用轉相乳化法制備板栗花精油微乳,并通過偽三元相圖考察表面活性劑、助表面活性劑、表面活性劑與助表面活性劑的比值(Km值)和油相對微乳形成的影響,以確定板栗花精油微乳的最優制備工藝參數。結果表明:板栗花精油微乳的最佳工藝為:聚乙二醇硬脂酸酯-15(HS-15)為表面活性劑,甘油為助表面活性劑,Km為2,油酸乙酯(EO)與精油等比例混合為油相,所制備的板栗花精油微乳為O/W型。以最佳微乳配方中混合表面活性劑與油相比例7∶3為試樣,微乳的特性參數電導率、黏度和pH分別為180.2 μs/cm,44.7 mPa·s和6.66。此研究為板栗花精油微乳的制備及應用提供技術支持。

轉相乳化法,板栗花精油,微乳,偽三元相圖

板栗花精油是殼斗科栗屬植物板栗花中所含的揮發油,水蒸氣蒸餾法制得的精油經GC-MS分析,其主要成分為芳樟醇、壬醛、苯乙酮等[1],具有一定的驅蚊[2]、抑菌[3]和抗氧化[4]等生物學功能,因而在崇尚自然的今天,板栗花精油在植物源驅避劑、食品和日化等領域有著廣闊的應用前景。但是,由于精油的某些缺點,如水溶性差、極易揮發、性質不穩定、生物利用度低等,限制了其應用范圍。為了改善精油的以上缺點,目前最常用方法是將其制成微膠囊,但微膠囊技術操作繁瑣、成本較高、產品粒徑較大[5],限制了植物精油的進一步應用。

微乳是由水相、油相、表面活性劑和助表面活性劑按適當的比例自發形成的一種透明或半透明的、低黏度、各向同性且熱力學穩定,粒徑在10～100 nm之間的溶液體系[6]。由于微乳技術的迅猛發展,現已廣泛應用于醫藥、食品、化工等領域。據報道,李凌緒[7]等人將肉桂油制成微乳,對肉桂油有較好的增溶作用。印楝油對家兔疥螨有一定的殺滅活性,由于精油的上述缺點,直接應用殺蟲效果不明顯,而通過將印楝油制備成O/W型微乳,殺螨的半數致死時間(LT50)比其水乳劑、液體石蠟溶液給藥方式分別減少了13.8和74.93 min[8],可見,印楝油微乳具有更好的殺螨活性。

微乳具有穩定性良好、操作簡單和生物利用度高等優點,可以增大植物精油在水中的溶解度,提高其載油量,展現出潛在的應用潛力。本文以板栗花精油為原料,研究板栗花精油O/W型微乳的制備工藝,為進一步探索板栗花精油的應用與開發提供技術和工藝參數。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

板栗花精油實驗室水蒸氣蒸餾法制備;Tween-80、Tween-20、聚氧乙烯蓖麻油-35(CremopHor EL-35)、聚氧乙烯蓖麻油-40(CremopHor EL-40)、聚氧乙烯氫化蓖麻油-40(CremopHor RH-40)、聚乙二醇硬脂酸酯-15(Solutol HS-15)德國BASF公司;無水乙醇、正丁醇、正丙醇、異戊醇、甘油、聚乙二醇-400(PEG-400) 均為分析純;油酸乙酯(EO)、肉豆蔻酸異丙酯(IPM)、棕櫚酸異丙酯(IPP)阿拉丁試劑公司。

EMS-9A磁力攪拌器天津市歐諾儀器儀表有限公司;DDS-307電導率儀上海精密科學儀器有限公司;3-18K高速離心機Sigma公司;MCR301流變儀Physica公司;FE20實驗室pH計梅特勒-托利多儀器有限公司;XW-80A渦旋混合器上海滬西分析儀器廠有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1微乳制備方法采用轉相乳化法[9]制備微乳,表面活性劑和助表面活性劑以一定的比例充分混合再與油相以9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9的質量比(三組分總體質量恒定為5 g)精確稱量混合于50 mL小燒杯中,在常溫常壓下放置于恒溫磁力攪拌器上進行攪拌,然后向混合液中緩慢定量滴加去離子水,并實時測定體系的電導率值,同時仔細觀察體系由渾濁變澄清,由黏變稀的狀態變化,繪制體系水百分含量-電導率變化曲線,從而判定體系狀態變化的臨界點,計算混合表面活性劑相、油相和水相在體系中的組成比例,用Origin8.0軟件繪制偽三元相圖,其中三相為相圖的三個頂點,相圖每條邊上的點分別表示相應兩相之間的比例,相圖中任意一點表示相應體系中各組分的比例關系。

1.2.2微乳配方的初步篩選采用Tween-80、Tween-20、EL-35、EL-40、RH-40、HS-15六種表面活性劑,無水乙醇、正丁醇、正丙醇、異戊醇、甘油、聚乙二醇-400六種助表面活性劑,EO、IPM、IPP三種油相與板栗花精油等比例混合作為混合油相,參照1.2.1方法制備板栗花精油微乳,通過肉眼觀察,以外觀均一透明,流動性好為作為微乳形成的標準。

1.2.3微乳配方的優化設計初步篩選后,再根據體系水百分含量-電導率變化曲線確定臨界點滴水量,將總表面活性劑、油相和水相分別作為偽三元相圖的三個頂點,利用Origin8.0軟件繪制偽三元相圖,并用AutoCAD2007軟件分析比較微乳區面積大小,以微乳區面積為指標做進一步篩選,最終確定最佳微乳配方。

1.2.4微乳類型的鑒定染色法[10]鑒定,將制備的板栗花精油微乳置于試管中,分別加入油溶性染料蘇丹紅Ⅲ和水溶性染料亞甲基藍染色液各兩滴,靜置,觀察兩種染料(紅色和藍色)在微乳中的擴散速度。若紅色擴散速度大于藍色,則是油包水(W/O)型微乳,反之,則是水包油(O/W),若兩種染色溶液的擴散速度相同,則該微乳為雙連續型。

1.2.5微乳理化性質測定常溫下,用流變儀測定黏度;用電導率儀測定電導率;用pH計測定pH。

1.2.6微乳穩定性檢測將制備的微乳,經12000 r/min、4 ℃離心20 min,觀察外觀,若分層或渾濁則不穩定,反之,則穩定;同時,將不分層穩定的板栗花精油微乳分別于4、20、40、60 ℃條件下放置8 d,觀察其外觀的變化。

2　結果與分析

2.1微乳配方的初步篩選

2.1.1表面活性劑的篩選以板栗花精油與EO等比例混合為混合油相,PEG-400為助表面活性劑,Km=2,考察6種不同表面活性劑形成微乳能力的大小,結果見表1。

表1　不同表面活性劑對微乳形成的影響

由表1可知,Tween-80、Tween-20和EL-35在9:1的比例下均可以形成微乳,但是在8:2后的比例下,不但顏色開始變的渾濁,而且凝膠現象也比較嚴重,說明其形成微乳的能力較差,所以選擇EL-40、RH-40和HS-15三種表面活性劑做進一步篩選。

2.1.2助表面活性劑的篩選以HS-15為表面活性劑,Km=2,板栗花精油與EO等比例混合為混合油相,考察6種助表面活性劑形成微乳能力的大小,結果見表2。

表2　不同助表面活性劑對微乳形成的影響

由表2可知,無水乙醇、正丁醇、正丙醇和異戊醇在9∶1的比例下均可以形成微乳,但是在8∶2后的比例下,不但顏色開始變的渾濁,而且具有醇類刺激性氣味,說明其形成微乳能力較差,不適合做助表面活性劑,所以選擇甘油和PEG-400兩種助表面活性劑做進一步篩選。

2.1.3油相的篩選以HS-15為表面活性劑,PEG-400為助表面活性劑,Km=2,考察3種油相與精油等比例混合形成微乳能力的大小,結果見表3。

表3　不同油相對微乳形成的影響

表3顯示,IPP與精油等比例混合作為混合油相在9∶1的比例下均可以形成微乳,但是在8:2后的比例下,不但顏色開始變的渾濁,而且凝膠現象也比較嚴重,說明其形成微乳的能力較差,EO和IPM形成微乳能力相當,所以選擇EO和IPM兩種油相與精油混合做進一步篩選。

2.2微乳配方的優化設計

2.2.1微乳體系水分含量-電導率變化曲線以板栗花精油與EO等比例混合為混合油相,PEG-400為助表面活性劑,EL-40、RH-40和HS-15為表面活性劑,Km=2,根據電導率儀實時測定微乳體系的電導率,繪制水分含量-電導率變化曲線,見圖1。

圖1　不同表面活性劑水分含量與電導率變化曲線Fig.1　The conductivity change via the content of water in different surfactants注:M1代表總表面活性劑;M2代表混合油相。

由圖1可知,伴隨著水量的增加電導率也呈現先增后減的規律性變化,拐點即為形成微乳的臨界點,根據臨界點的加水量繪制偽三元相圖,確定微乳的最佳配方。

微乳的制備方法一般多采用自乳化法,即通過攪拌或渦旋自發形成微乳。判斷微乳形成主要通過目測法判定體系的臨界點,而采用肉眼觀察體系形態變化,結果波動性大,干擾因素多,重復性差,無法準備判斷微乳成型的臨界點[11]。電導率是微乳的重要性質之一,在一定程度上反映微乳的結構和性質[12]。本實驗通過繪制含水量-電導率曲線來判定微乳體系臨界點,隨著含水量的增加,電導率呈現急劇上升、增勢變緩、陡然下降的規律變化,對應微乳體系由W/O型變為雙連續型,最后變為O/W型的相行為結構變化[13],從而判定微乳體系臨界點,即曲線轉折點即為O/W型微乳的臨界點。當含水量Φ<20%時,此時體系為W/O型,微乳連續相為油相,幾乎不導電,體系的滲濾閾值[14]很小,導致電導率很低;當含水量20%<Φ<50%時,體系滲濾閾值增大,導電微粒增多,相互吸引從而發生頻繁的黏性碰撞形成導電鏈,使體系的電導率直線上升;當含水量50%<Φ<60%時,此時體系處于雙連續型結構,即油和水均為局部連續的一種過渡態中間結構,W/O型和O/W型微乳共存,在此區域,電導率隨含水量增加偏離原來直線,增勢變緩直至最高點;當含水量Φ>60%時,體系形成O/W型微乳,微乳液滴的濃度隨著含水量的增加而降低,電導率也隨之下降[15-16]。

2.2.2表面活性劑的確定以PEG-400為助表面活性劑,Km=2,板栗花精油與EO等比例混合為混合油相,繪制不同表面活性劑的偽三元相圖,見圖2。使用AutoCAD2007軟件對圖2中偽三元相圖中微乳區(ME)面積進行計算比較,得到表4數據。

圖2　不同表面活性劑的偽三元相圖Fig.2　Pseudo-ternary phase diagrams with different surfactants

表面活性劑EL-40RH-40HS-15微乳區面積/總面積30/25032/25044/250

由圖2和表4可知,當HS-15為表面活性劑時,形成的微乳區(ME)面積最大,所以選擇HS-15為最佳表面活性劑。

表面活性劑是微乳形成所必需的物質,其作用主要是降低油/水界面張力,形成界面膜,促使微乳形成。表面活性劑的HLB值決定微乳的類型,HLB在3～8的表面活性劑可制備W/O型微乳,HLB在8～18的表面活性劑可制備O/W型微乳[17]。本實驗所采用的EL-40、RH-40和HS-15的HLB值分別為14、13和15,均在O/W型微乳要求范圍之內。在實驗中發現,三者均可形成微乳,但HS-15乳化能力更強,能與多種助表面活性劑融合形成微乳且微乳區面積更大。喬飛[18]等在研究鴉膽子油微乳處方中發現,HS-15作為一種新型表面活性劑,與CremoPhor EL和CremoPhor RH相比,乳化能力更強,刺激性和溶血性大大降低,安全性更高,是一種極具應用前景的表面活性劑。

2.2.3助表面活性劑的確定以HS-15為表面活性劑,Km=2,板栗花精油與EO等比例混合為混合油相,繪制不同助表面活性劑的偽三元相圖,見圖3。使用AutoCAD2007軟件對圖3中偽三元相圖中微乳區(ME)面積進行計算比較,得到表5數據。

圖3　不同助表面活性劑的偽三元相圖Fig.3　Pseudo-ternary phase diagrams with different co-surfactants

助表面活性劑PEG-400甘油微乳區面積/總面積44/25058/250

由圖3和表5可知,當甘油為助表面活性劑時,形成的微乳區面積最大,所以選擇甘油為最佳助表面活性劑。

助表面活性劑在微乳體系中主要作用是通過滲透到表面活性劑分子之間的空隙,形成一個無序的混合膜,以此增加界面流動性,減少微乳形成時所需的界面彎曲能,使微乳易形成,通常選擇短鏈醇作為助表面活性劑[19]。本實驗考察PEG-400和甘油作為助表面活性劑對形成微乳的影響,發現甘油雖然沒有PEG-400流動性好,但其形成微乳區面積較大,分析原因可能是甘油羥基較多,親水性更好,可以與表面活性劑更好的融合,形成混合膜,使界面柔化,減小界面張力。劉晨[20]等研究枸杞籽微乳和于愛華[21]等研究葛根素自微乳中發現,甘油作為助表面活性劑形成的微乳效果最好,實驗結果與本實驗完全一致。

2.2.4油相的確定以HS-15為表面活性劑,甘油為助表面活性劑,Km=2,繪制不同油相與精油混合作混合油相的偽三元相圖,見圖4。使用AutoCAD2007軟件對圖4中偽三元相圖中微乳區(ME)面積進行計算比較,得到表6數據。

圖4　不同油相的偽三元相圖Fig.4　Pseudo-ternary phase diagrams with different oil phases

油相EO/精油=1IPM/精油=1微乳區面積/總面積58/25045/250

由圖4和表6可知,EO與精油混合作混合油相時,形成的微乳區面積最大,所以選擇EO與精油等比例混合為最佳油相。

目前,微乳主要應用于藥學領域。O/W型微乳可增加某些水難溶性藥物的溶解度,促進大分子藥物在體內更好的吸收,從而提高生物利用度[22]。所以,一般微乳的制備都是做一系列空白微乳,進而選擇增溶藥物最好的處方,而本研究中所添加的板栗花精油本身就是一種油相,因其本身性質不利于形成微乳,故將板栗花精油與其他油相等比例混合作為混合油相進行配方的考察。

2.2.5Km值的確定以HS-15為表面活性劑,甘油為助表面活性劑,板栗花精油與EO等比例混合為混合油相,繪制不同Km值的偽三元相圖,見圖5。使用AutoCAD2007軟件對圖5中偽三元相圖中微乳區(ME)面積進行計算比較,得到表7數據。

圖5　不同Km值的偽三元相圖Fig.5　Pseudo-ternary phase diagrams of different Km values

Km值123微乳區面積/總面積40/25058/25042/250

由圖5和表7可知,當Km=2時,形成的微乳區面積最大,所以選擇Km=2為最佳Km值。

微乳區面積一般與Km值呈正相關,隨著Km值增大而增大。本實驗中Km=2時,微乳區面積達到最大;Km=3時,微乳區面積略有減小。這可能是由于助表面活性劑的增加,減小了油水界面張力,體系自發擴張形成微乳,在最佳Km值下,助表面活性劑完全鑲嵌到表面活性劑中,微乳結構中增溶空間最大,穩定性最好;但是當助表面活性劑增加至過量時,可與表面活性劑的極性端締合使混合膜變得松散,微乳區面積減小,而且會導致混合膜強度降低,影響微乳穩定性[23]。

綜上,板栗花精油微乳的最佳配方為:HS-15為表面活性劑,甘油為助表面活性劑,Km=2,板栗花精油與EO等比例混合為混合油相。

2.3微乳類型的鑒定

鑒定結果顯示,亞甲基藍在板栗花精油微乳中的擴散速度明顯快于蘇丹紅Ⅲ的擴散速度,即所制備的板栗花精油微乳為O/W型。

2.4微乳的理化性質

在最佳微乳配方中總表面活性劑/混合油相=9∶1、8∶2、7∶3比例下的微乳外觀均一、透明且流動性好,6∶4比例下的微乳已經渾濁且凝膠現象嚴重。從載油量角度考慮,選取7∶3的比例為試樣,測定其電導率為180.2 μs/cm,黏度為44.7 mPa·s,pH為6.66,所制備的微乳偏酸性。李莉[24]等人以EL-40和Tween-80復配為表面活性劑,無水乙醇為助表面活性劑,Km=2,IPP與肉桂油等比例混合為混合油相,制備的肉桂油微乳穩定,測定其理化參數分別為:電導率111 μs/cm,黏度105 mPa·s,pH 5.24。相比較,本文制備的板栗花精油微乳的黏度遠小于肉桂油微乳,流動性更好,分析其原因可能是HS-15比EL-40和Tween-80具有更強的乳化效果。

2.5微乳的穩定性

當微乳經離心后,外觀仍保持均一透明,說明微乳性質具有一定的穩定性。微乳在不同溫度下放置8 d后,穩定均一的特性會被破壞。表8顯示的是在不同溫度下放置不同時間后,微乳的穩定性變化。

表8　溫度對微乳穩定性影響

由表8可知,微乳在4 ℃和室溫下放置,性質都比較穩定;在40 ℃和60 ℃放置一段時間后,外觀均出現一定程度的渾濁,說明較高的溫度會降低微乳的穩定性。

3　結論

本研究成功制備了O/W型板栗花精油微乳,其最佳配方為:HS-15為表面活性劑,甘油為助表面活性劑,Km為2,等比例的EO與精油混合作為油相。此工藝簡單方便且制得的微乳均一透明,性質穩定,這對板栗花精油的潛在應用與開發具有指導意義。

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Preparation of Chestnut flower oil micro-emulsion

SHAO Ming-hui1,WANG Xue-qing1，*,SONG Wen-jun1,WANG Su-ying1,ZHAO Guo-qiang2,FU Qing-wei2

(1.Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology,College of Biotechnology and Food Science,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China;(2.Qianxi Chestnut Industry Research and Development Center,Tangshan Hebei 064300,China)

The micro-emulsion of chestnut flower oil was prepared by the emulsifying method of phase inversion and the effect of surfactant,co-surfactant,the ratio of surfactant with co-surfactant(Km)and oil phase on micro-emulsion formation were investigated by pseudo-ternary phase diagrams for determining the process parameters of chestnut flower oil micro-emulsion. The results showed that the best formula of chestnut flower oil micro-emulsion was polyethylene glycol stearate-15(HS-15)and glycerol as surfactant and co-surfactant,respectively,the Kmwas 2,and equal proportional ethyl oleate(EO)and oil as mixing oil phase. The micro-emulsion of chestnut flower oil prepared according above formula was O/W type. Moreover,the conductivity,viscosity and pH of the micro-emulsion characteristic parameters were investigated when the ratio of mixed surfactant with oil phase was 7∶3 based on the best micro-emulsion formulations,they were 180.2 μs/cm,44.7 mPa·s,and 6.66,respectively. And the micro-emulsion presented the uniform state,showed the better stability. Therefore,this study provided technical supports for preparing and applying the micro-emulsion of chestnut flower oil.

emulsifying method of phase inversion;essential oil of chestnut flower;micro-emulsion;pseudo-ternary phase diagrams

2015-03-27

邵明輝(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：天然活性物質的研究與開發, E-mail:smhui2013@163.com。

王雪青(1964-)，女，博士，教授，主要從事天然活性物質的研究與開發, E-mail:wxqing@tjcu.edu.cn。

天津市高等學校創新團隊建設規劃資助項目(TD12-5049)；天津市高校科技發展基金資助項目(20120603)；唐山遷西縣板栗產業研究發展中心資助項目(G11034)。

TS

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000