肉桂油-β-環糊精納米微膠囊的超聲波法制備與表征

石春韜,李　萍,舒　婷,裴　帆

(天津農學院基礎科學學院,天津 300384)

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肉桂油-β-環糊精納米微膠囊的超聲波法制備與表征

石春韜,李萍*,舒婷,裴帆

(天津農學院基礎科學學院,天津 300384)

為了優化肉桂油-β-環糊精微膠囊的制備工藝。采用超聲波法制備微膠囊,在單因素實驗基礎上,以包埋率為評價指標,利用正交實驗優化制備工藝。結果表明,微膠囊的最佳制備工藝為:肉桂油與β-環糊精質量比1∶8,超聲功率231 W、溫度40 ℃、時間50 min,在此條件下,包埋率可達到38.17%,平均粒徑456.7 nm。放大實驗表明,肉桂油用量增加4倍,微膠囊包埋率僅降低3.83%,最佳制備工藝穩定。紅外光譜和差示掃描量熱分析證實了微膠囊的形成。熱重分析表明肉桂油具有強烈揮發性,218.0 ℃后質量僅剩余0.15%,包埋后的肉桂油210.0 ℃才開始有質量損失,熱穩定性提高。薄層色譜分析表明包埋前后肉桂油主要成分無顯著變化。超聲波法和飽和水溶液法制備微膠囊,包埋率相差不大,但超聲制備的微膠囊載藥量比飽和水溶液法提高0.71%,且超聲制備的微膠囊包埋率、收率及載藥量比研磨法分別提高4.21%、3.58%和2.60%。超聲波法是制備高質量納米級肉桂油-β-環糊精微膠囊的簡便有效方法。

肉桂油,β-環糊精,納米微膠囊,超聲制備,表征

天然抗菌物質用于食品保鮮已經引起廣泛的研究興趣。其中,肉桂油被美國FDA認定為安全的天然食品防腐劑,其揮發性成分是起到抗菌作用的主要物質[1]。然而,肉桂油的揮發性和低水溶性限制了其在食品保鮮上的應用,解決方法之一是將其制備成微膠囊。β-環糊精是環狀低聚糖,腔外親水,腔內疏水,可與許多客體分子形成微膠囊。

微膠囊的制備方法主要有:飽和水溶液法、冷凍干燥、噴霧干燥和研磨法。如J Fernando等[2]用飽和水溶液法制備了大蒜油-β-環糊精微膠囊;Ting Wang等[3]用冷凍干燥法制備了丁香酚-β-環糊精包合物;Carmen Barba等[4]用噴霧干燥法制備了香芹酚-β-環糊精包合物;Alaize de P Martins等[5]用研磨法制備了薄荷精油-β-環糊精包合物。飽和水溶液法攪拌時間過長,冷凍干燥和噴霧干燥需要特殊設備,研磨法費時費力。有文獻報道稱,超聲技術可有效提高微膠囊的包埋率。如韓春然等[6]用超聲波法制備了丁香精油-β-環糊精微膠囊;張靜等[7]用超聲波法制備了肉桂精油-β-環糊精微膠囊;Yaoqi Tian等[8]用超聲波法制備了肉桂醛-高直鏈玉米淀粉包合物。關于超聲波法制備肉桂油-β-環糊精微膠囊,英文文獻中未見報道,中文文獻中只有一篇(文獻[7]),但只停留在對制備工藝的研究,缺乏對微膠囊的形成進行必要的表征。文獻中對肉桂油-β-環糊精微膠囊幾種制備方法的比較未見報道。為此,本文采用超聲波法制備肉桂油-β-環糊精微膠囊并優化制備工藝,利用紅外光譜法和差示掃描量熱法對微膠囊的形成進行表征,采用熱重分析法研究肉桂油被包埋前后的熱穩定性,并將超聲波法與飽和水溶液法和研磨法進行比較,旨在為肉桂油-β-環糊精微膠囊的制備提供簡便有效的超聲波制備方法,提高肉桂油的穩定性,為其在食品保鮮中的開發利用提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

肉桂油(芯材)江西吉安中大香料廠;β-環糊精(β-CD,壁材)天津市光復精細化工研究所;無水乙醇天津市風船化學試劑科技有限公司。

Elmasonic P180H型超聲波清洗器德國Elma公司；1800型紫外-可見分光光度計日本島津公司;IRAffinity-1型傅里葉變換紅外光譜儀日本島津公司;TGA1型熱重分析儀瑞士梅特勒公司;DSC 200F3型差熱分析儀德國耐馳公司;Nano-ZS90型粒度分析儀英國馬爾文公司;BA210型光學顯微鏡德國麥克奧迪公司。

1.2實驗方法

1.2.1微膠囊的制備肉桂油用2倍體積無水乙醇溶解。按照一定的芯材壁材質量比例(芯壁比)稱取β-CD置于燒杯中,加入15倍β-CD質量的蒸餾水,60 ℃下超聲促溶4 min至澄清透明溶液。將肉桂油無水乙醇溶液滴加到β-CD水溶液中。設置條件,超聲,冷卻至室溫,4 ℃冷藏24 h,抽濾,無水乙醇洗滌,50 ℃干燥至恒重,得微膠囊[9]。

1.2.2包埋率的測定微膠囊中被包埋的肉桂油采用紫外-可見分光光度法測定。

測定波長的選擇:肉桂油無水乙醇溶液(5.0 μg·mL-1)在200～400 nm范圍掃描,溶液在286 nm處有最大吸收,選為肉桂油測定波長。標準曲線的繪制:濃度為1.0、3.0、5.0、7.0、9.0 μg·mL-1的肉桂油無水乙醇溶液分別在286 nm處測定吸光度。肉桂油濃度C與吸光度A的線性回歸方程為A=128.7C+0.001,R2=0.9990,肉桂油濃度在1.0～9.0 μg·mL-1線性關系良好。按式(1)計算包埋率。

包埋率(%)=微膠囊中被包埋的肉桂油質量(g)/制備微膠囊初始加入的肉桂油質量(g)×100

式(1)

微膠囊中被包埋的肉桂油質量=微膠囊總肉桂油含量-微膠囊表面肉桂油含量

表面肉桂油的測定:稱取50 mg微膠囊,用10 mL無水乙醇浸提5 min,4000 r/min離心30 min,靜置,記錄上層清液體積,測定吸光度。由回歸方程計算肉桂油濃度,按式(2)計算微膠囊表面肉桂油的含量[10]。總肉桂油的測定:稱取50 mg微膠囊,加入10 mL無水乙醇,50 ℃超聲4 min,渦流混合10 min,4000 r/min離心30 min,靜置,記錄上層清液體積,測定吸光度。由回歸方程計算肉桂油濃度,按式(2)計算微膠囊總肉桂油含量[10]。

表面肉桂油或總肉桂油含量=肉桂油濃度×清液體積×稀釋倍數

式(2)

微膠囊收率和載藥量分別按式(3)和式(4)計算。

收率(%)=微膠囊的質量/(制備微膠囊初始加入的肉桂油質量+β-CD質量)×100

式(3)

載藥量(%)=微膠囊中被包埋的肉桂油質量(g)/微膠囊的質量(g)×100

式(4)

1.2.3單因素實驗

1.2.3.1芯壁比對包埋率的影響吸取5份肉桂油,每份300 μL,用2倍體積的無水乙醇溶解。然后按照芯壁比1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10分別稱取β-CD,按1.2.1項下方法制備微膠囊,超聲條件60 ℃,264 W,20 min,按1.2.2項下方法測定吸光度,計算包埋率。

1.2.3.2超聲功率對包埋率的影響吸取5份肉桂油,每份300 μL,用2倍體積的無水乙醇溶解,按照芯壁比1∶8稱取β-CD,按1.2.1項下方法制備微膠囊,超聲條件60 ℃,20 min,功率分別為198、231、264、297、330 W,根據1.2.2項下方法測定吸光度,計算包埋率。

1.2.3.3溫度對包埋率的影響吸取5份肉桂油,每份300 μL,用2倍體積的無水乙醇溶解,按照芯壁比1∶8稱取β-CD,按1.2.1項下方法制備微膠囊,超聲條件264 W,20 min,溫度分別為30、40、50、60、70 ℃,按1.2.2項下方法測定吸光度,計算包埋率。

1.2.3.4時間對包埋率的影響吸取5份肉桂油,每份300 μL,用2倍體積的無水乙醇溶解,按照芯壁比1∶8稱取β-CD,按1.2.1項下方法制備微膠囊,超聲條件264 W,50 ℃,時間分別為20、30、40、50、60 min,根據1.2.2項下方法測定吸光度,計算包埋率。

1.2.4正交實驗以包埋率為評價指標,在單因素實驗基礎上,選擇芯壁比、超聲功率、溫度和時間為考察因素,用正交實驗優化微膠囊制備工藝,因素水平設計如表1所示。

表1　正交實驗因素水平表

1.2.5微膠囊的表征和分析肉桂油和β-CD混合物的制備:按照芯壁比1∶8(質量比)稱取肉桂油和β-CD,在瑪瑙研缽中研磨至混合均勻。

FTIR分析:液體肉桂油采用KBr涂膜法測定;固體β-CD、混合物、微膠囊采用KBr壓片法測定,掃描范圍4000～400 cm-1,分辨率4 cm-1,次數32。

DSC分析:溫度范圍:20～400 ℃,升溫速率:10 ℃/min,氣氛:N2。Al坩堝,加蓋、打孔,樣品量3～4 mg,參比物:空Al坩堝。

TGA分析:溫度范圍:30～1000 ℃,升溫速率:10 ℃/min,氣氛:N2。Al2O3坩堝,樣品量3～4 mg。

TLC分析:肉桂油、微膠囊經水蒸氣蒸餾回收的肉桂油、微膠囊及肉桂醛(肉桂油的主要成分)的無水乙醇溶液用石油醚∶乙酸乙酯(體積比5∶1)展開,2,4-二硝基苯肼顯色。

粒度分析:納米顆粒的測定使用粒度分析儀,微膠囊用10倍質量蒸餾水溶解,1 cm塑料比色皿,散射角90°,120 s連續掃描。微米顆粒的測定使用光學顯微鏡,隨機測定40個微膠囊顆粒大小,取平均值作為結果。

1.2.6統計與分析實驗操作重復三次,采用Excel進行數據處理。

2　結果與分析

2.1單因素實驗結果

2.1.1芯壁比對包埋率的影響芯壁比對包埋率的影響結果見圖1。

圖1　芯壁比對包埋率的影響Fig.1　Effect of ratio of core to wall on embedding rate

可以看出,隨著芯壁比的增加,包埋率先增大后減小,芯壁比為1∶8時包埋率最大,包埋效果最好。因此,選擇1∶6、1∶8和1∶10進行正交實驗。

2.1.2超聲功率對包埋率的影響圖2顯示了超聲功率對包埋率的影響結果。

圖2　超聲功率對包埋率的影響Fig.2　Effect of ultrasonic power on embedding rate

可見,包埋率隨超聲功率的增加而增大,264 W時最高,此后下降。這可能是因為超聲功率過大,產生的熱量增多,高溫會導致肉桂油揮發加快,包埋率下降。因此,選擇231、264、297 W進行正交實驗。

2.1.3溫度對包埋率的影響溫度對包埋率的影響結果見圖3。

圖3　溫度對包埋率的影響Fig.3　Effect of temperature on embedding rate

可以看出,隨著溫度的升高,包埋率先增大后減小,50 ℃時最高。但包埋是個放熱過程[11],過高的溫度會導致包埋反應逆向進行并造成肉桂油揮發加快,包埋率下降。因此,選擇40、50、60 ℃進行正交實驗。

2.1.4時間對包埋率的影響圖4顯示了時間對包埋率的影響結果。

圖4　時間對包埋率的影響Fig.4　Effect of time on embedding rate

可見,包埋率隨著超聲時間的增加而提高,40 min時最大,此后下降。這可能是因為過長的超聲時間會導致體系熱量增加,不利于包埋反應。因此,選擇30、40、50 min進行正交實驗。

2.2正交實驗結果

以包埋率為評價指標,采用正交實驗優化微膠囊超聲制備工藝,結果見表2。

表2　正交實驗結果

由表2可知,超聲波法制備肉桂油-β-CD微膠囊的最佳工藝條件為A2B1C1D3,即芯壁比1∶8、超聲功率231 W、溫度40 ℃、時間50 min。極差分析表明,各因素對包埋率的影響次序為:C>D>B>A,即溫度>時間>超聲功率>芯壁比。

2.3驗證及放大實驗結果

對最佳工藝進行三次驗證,包埋率分別為38.27%、38.33%、37.91%,平均值38.17%,相對平均偏差0.45%,可知最佳工藝正確。放大實驗結果(表3)顯示,肉桂油用量增加4倍,微膠囊包埋率僅降低3.83%,最佳制備工藝穩定。

表3　放大實驗結果

2.4FTIR分析

利用紅外光譜法對微膠囊的形成進行了表征,結果如圖5所示。

圖5　肉桂油(a)、β-CD(b)、混合物(c)及微膠囊(d)的紅外光譜圖Fig.5　FTIR spectra of cinnamon oil(a),β-CD(b),physical mixture(c)and microcapsule(d)

可以看出,肉桂油(a)主要吸收有:3028.24 cm-1(=C-H),1604.77、1492.90和1450.47 cm-1(芳環骨架),1678.58 cm-1(C=O)、結合2814.14和2742.78 cm-1兩個吸收,證明肉桂油中-CHO的存在;β-CD(b)主要吸收有:3419.79 cm-1(O-H),2924.09 cm-1(C-H),1157.29 cm-1(C-O)和1028.06 cm-1(C-O-C);混合物(c)中仍然可見肉桂油在3028.24、1678.58、1604.77和1450.47 cm-1處的吸收;微膠囊(d)中β-CD的O-H吸收變寬并移至3373.50 cm-1,肉桂油的C=O移至1674.21 cm-1,這種變化可能與β-CD和肉桂油主客體間形成分子間氫鍵有關[12]。此外,微膠囊中肉桂油在3028.24、2814.14、2742.78、1604.77及1490.42 cm-1處吸收消失,1450.47 cm-1處吸收減弱。紅外光譜吸收的變化說明β-CD與肉桂油間發生了作用,形成了微膠囊。

2.5DSC分析

圖6給出了肉桂油、β-CD、混合物及微膠囊的DSC分析結果。

圖6　肉桂油(a)、β-CD(b)、混合物(c)及微膠囊(d)的DSC曲線Fig.6　DSC curves of cinnamon oil(a),β-CD(b),physical mixture(c)and microcapsule(d)

可知,肉桂油(a)在250.0 ℃之前一致呈現吸熱狀態,這與其揮發性吻合(峰值238.5 ℃);β-CD(b)在100 ℃左右寬廣的吸熱峰是水分的蒸發,319.8 ℃和324.4 ℃是融化和熱分解吸熱導致;混合物(c)在193.4和229.7 ℃的吸熱峰證明了肉桂油的存在;微膠囊(d)的DSC曲線在160.0～280.0 ℃都比較平坦,未發現吸熱峰,與混合物明顯不同,這說明肉桂油與β-CD發生了作用,形成了微膠囊。

2.6TGA分析

圖7給出了肉桂油、β-CD、混合物及微膠囊的熱重分析結果。

圖7　肉桂油(a)、β-CD(b)、混合物(c)及微膠囊(d)的熱重曲線Fig.7　TGA curves of cinnamon oil(a),β-CD(b),physical mixture(c)and microcapsule(d)

可以看出,肉桂油(a)有兩個失重臺階,30.0～105.0 ℃(低沸點化合物的損失,28.74%)和105.0～218.0 ℃(主要成分肉桂醛及高沸點成分的損失,71.11%),218.0 ℃后殘留0.15%,表明肉桂油具有強烈揮發性;β-CD(b)前一個臺階是水分的蒸發(損失12.65%),280.0 ℃后開始分解,最大分解溫度327.3 ℃;混合物(c)在30.0～142.0 ℃的失重是肉桂油的揮發及β-CD水分的蒸發(損失26.21%),280 ℃開始分解,最大分解溫度326.7 ℃,與β-CD幾乎相同,說明肉桂油和β-CD只是簡單混合,沒有形成微膠囊;微膠囊(d)在150.0 ℃之前是水分的蒸發及極少量表面油的損失(5.37%)。隨著溫度的升高,質量沒有變化,210.0 ℃開始下降,表明肉桂油從β-CD腔內緩慢釋放。微膠囊中β-CD的最大分解溫度(314.7 ℃)比純β-CD低12.6 ℃,這些變化表明肉桂油與β-CD發生了作用,形成微膠囊后肉桂油熱穩定性提高。

2.7TLC分析

肉桂油、微膠囊中回收的肉桂油、微膠囊及肉桂醛的TLC展開結果如圖8所示。

圖8　肉桂油、回收肉桂油、微膠囊及肉桂醛的TLC展開結果Fig.8　Results of TLC of cinnamon oil,recovered cinnamon oil,microcapsule and cinnamaldehyde

可以看出,肉桂油、回收的肉桂油及肉桂醛都在比移值0.470處有橙色斑點。而微膠囊在相同距離處出現極微弱的斑點,說明微膠囊有極少量表面油的存在,且包埋前后肉桂油主要成分無顯著變化。

2.8三種制備方法的比較

超聲波法制備的肉桂油-β-CD微膠囊為白色粉末,無氣味,味道微甜。對微膠囊三種制備方法進行了比較,結果如表4所示。

表4　三種方法的比較

可以看出,超聲波法和飽和水溶液法制備微膠囊,包埋率相差不大,但超聲制備的微膠囊載藥量比飽和水溶液法高出0.71%,且飽和水溶液法制備的微膠囊顆粒較大,達到了微米級別,這與文獻[2]報道結果一致。超聲制備的微膠囊包埋率、收率及載藥量比研磨法分別提高4.21%、3.58%和2.60%。超聲波法可制備納米級肉桂油-β-CD微膠囊,并具有較好的質量。

3　結論

超聲波法制備肉桂油-β-CD微膠囊的最佳條件是:肉桂油與β-CD質量比1∶8,超聲功率231 W、溫度40 ℃、時間50 min,在此條件下,包埋率可達到38.17%,平均粒徑456.7 nm。影響包埋率的因素次序為:溫度>時間>超聲功率>芯壁比。驗證和放大實驗表明,超聲波法制備肉桂油-β-環糊精微膠囊工藝穩定。FTIR和DSC分析證實了微膠囊的形成,TGA分析表明肉桂油被包埋后熱穩定性提高,TLC分析顯示包埋前后肉桂油主要成分無顯著變化。超聲波法和飽和水溶液法制備微膠囊,包埋率相差不大,但超聲制備的微膠囊載藥量比飽和水溶液法提高0.71%,且超聲制備的微膠囊包埋率、收率及載藥量比研磨法分別提高4.21%、3.58%和2.60%。超聲波法是制備高質量納米級肉桂油-β-CD微膠囊的簡便有效方法。

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Ultrasonic preparation and characterization of cinnamon oil-β-cyclodextrin nanocapsules

SHI Chun-tao,LI Ping*,SHU Ting,PEI Fan

(College of Basic Science,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China)

The aim of the study was to optimize the preparation process of cinnamon oil-β-cyclodextrin microcapsules. Microcapsules were prepared by ultrasonic method and on the basis of single factor tests,orthogonal tests were carried out to optimize the preparation conditions with embedding rate as the appraisement index. The results showed that the optimized conditions were established as follows:ratio of cinnamon oil toβ-cyclodextrin was 1∶8(mass ratio),ultrasonic power 231 W,temperature 40 ℃,time 50 min and under these conditions,the embedding rate and the average diameter of the capsules were 38.17% and 456.7 nm,respectively. Amplification test results showed that the amount of cinnamon oil increasing by 4 times caused only 3.83% reduction on embedding rate which suggesting the stability of the preparation conditions. Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)and differential scanning calorimetry(DSC)demonstrated the formation of the microcapsules. Thermogravimetric analysis(TGA)showed that cinnamon oil had a strong volatility and the remaining mass was only 0.15% after 218.0 ℃,yet the cinnamon oil embedded began to loss mass after 210.0 ℃ which indicating the improvement of the thermal stability of cinnamon oil. The main constituents of cinnamon oil did not change significantly before and after embedding proved by thin-layer chromatography(TLC). There was no significant difference on embedding rate of microcapsules prepared by ultrasonic and saturated aqueous methods,while microcapsules prepared by ultrasonic method contained higher drug loading with 0.71% than saturated aqueous solution method. Meanwhile,the microcapsules prepared by ultrasonic method exhibited higher embedding rate(increasing 4.21%),showed greater yield(enhancing 3.58%)and contained higher drug loading(improving 2.60%)than kneading method,respectively. Ultrasonic method is a simple and efficient method for preparing cinnamon oil-β-cyclodextrin nanocapsules with high quality.

cinnamon oil;β-cyclodextrin;nanocapsules;ultrasonic preparation;characterization

2016-02-22

石春韜(1994-),男,大學本科,研究方向:應用化學,E-mail:709068532@qq.com。

李萍(1979-),女,碩士,講師,研究方向:香辛料精油的提取與應用,E-mail:liping790520@126.com。

2015年天津市大學生創新創業訓練計劃項目(201510061086)。

TS225.3

B

1002-0306(2016)18-0307-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.18.050