沙棗花精油微膠囊制備工藝優化及緩釋性能

趙保堂,蔡苗苗,劉 京,姚 健,張 繼

(1.甘肅農業大學食品科學與工程學院,甘肅蘭州 730070;2.西北師范大學生命科學院,甘肅蘭州 730070)

沙棗(Elaeagnusangustifolia)為胡頹子科胡頹子屬植物,又稱香柳、桂香柳、銀柳[1],在我國主要分布于北緯34度左右的西北荒漠、半荒漠地區。在西北干旱地區,沙棗不僅是防風固沙、保持水土的優良造林樹種,還是一種具有經濟開發潛力的樹種,其生態效益和經濟效益應該得到重視[1-4]。沙棗樹作為天然野生植物,其果實沙棗無毒副作用,系純天然綠色食品,具有鎮靜、固精、健胃、止瀉、利尿、排毒去濕熱、調節恢復人體血液循環系統、降血壓、血糖、血脂等保健功能[5]。沙棗也是西北地區主要的蜜源植物之一[6],香味濃郁持久,被譽為“飄香沙漠的桂花”[6-8]。據文獻記載,沙棗鮮花中的精油含量為 0.2%～0.4%,是優良的香料資源,用于化妝品、食品、醫藥等方面[1,9]。由于精油易揮發,使用壽命較短,使其應用受到限制。隨著近年來微膠囊化技術廣泛應用于植物精油中,其獨特的功能使許多傳統植物精油應用的難題得以解決,使植物精油產業得到長足的發展。

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,從而達到增強穩定性,降低揮發性,延長保存期,控制緩釋等效果[10-11]。微膠囊化的方法有飽和水溶液法(BH)、分子包埋法(FZ)、超聲波法(CSB)、噴霧干燥法(PW)[12]、共沉淀法、復合凝聚法等,目前常用的壁材有蛋白、淀粉、殼聚糖等,其中β-CD應用最為廣泛,其本身無毒,熱穩定性好,生產成本低,可生物降解[13-14]。而對于沙棗花精油的微膠囊化研究鮮有文獻報道。因此,本文以β-CD為壁材,沙棗花精油為芯材,采用微膠囊化技術制備沙棗花精油微膠囊,研究其緩釋性能,以提高沙棗花精油的利用率。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙棗花 采自甘肅省酒泉市瓜州縣柳園鎮;β-CD 分析純,上海伯奧生物科技公司;無水乙醇 分析純,天津市江天化工技術有限公司;石油醚 分析純(沸程60～90 ℃),天津市富宇精細化工有限公司。

JD500-3型電子天平 沈陽龍騰電子有限公司;DF-I型集熱式恒溫磁力攪拌器 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;JRA-6型數顯磁力攪拌水浴鍋 江蘇省金壇市杰瑞爾電器有限公司;SHZ-3型循環水多用真空泵 上海滬西分析儀器廠;Nicolet iS10傅立葉變換紅外光譜儀 Thermo Fisher Scientific;DHG-914385-Ⅲ型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海新苗醫療器械制造有限公司;HITACHI S-450掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 沙棗花精油的制取 將新鮮的沙棗花1000 g 經揮發油提取器90 ℃蒸餾6 h,得淡黃色油狀液體。液體香氣濃郁獨特,油質量3.12 g,得油率0.3%,備用[15]。

1.2.2 沙棗花精油微膠囊制備工藝 采用包埋法[10,12,16]來制備沙棗花精油-β-CD微膠囊。以沙棗花精油為芯材,β-CD為壁材,稱取一定量的β-CD,按一定的加水量與β-CD比加去離子水,一定溫度的水浴鍋中水浴加熱攪拌使其溶解,即得β-CD水溶液。稱取一定量的沙棗花精油,按一定的乙醇與精油體積比例用無水乙醇溶解,然后勻速逐滴加入制備的β-CD水溶液中,邊加邊攪拌,在一定的水浴溫度下避光密封包合一定時間后將其取出,待溶液冷卻至室溫后,4 ℃冰箱中靜置過夜,真空抽濾,棄去濾液,將布氏漏斗上的濾層放在50 ℃電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥至恒重,即得沙棗花精油微膠囊。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 不同壁芯比對微膠囊包埋得率的影響 在加水量與β-CD比為10∶1 mL/g,乙醇與精油的體積比為20∶1 mL/mL,包埋溫度為45 ℃,包合時間為2 h的條件下,考察不同壁芯比(1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1 g/mL)對包埋得率的影響。

1.2.3.2 不同包埋時間對微膠囊包埋得率的影響 在壁芯比為4∶1 g/mL,加水量與β-CD比為10∶1 mL/g,乙醇與精油的體積比為20∶1 mL/mL,包埋溫度為45 ℃的條件下,考察不同包埋時間(0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5 h)對包埋得率的影響。

1.2.3.3 不同包埋溫度對微膠囊包埋得率的影響 在壁芯比為4∶1 g/mL,加水量與β-CD比為10∶1 mL/g,乙醇與精油的體積比為20∶1 mL/mL,包合時間為2 h的條件下,考察不同包埋溫度(25、35、45、55、65、75 ℃)對包埋得率的影響。

1.2.3.4 不同加水量與β-CD比對微膠囊包埋得率的影響 在壁芯比為4∶1 g/mL,乙醇與精油的體積比為20∶1 mL/mL,包合溫度為45 ℃,包合時間為2 h的條件下,考察不同加水量與β-CD比(4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1 mL/g)對包埋得率的影響。

1.2.3.5 不同乙醇與精油比對微膠囊包埋得率的影響 準確稱取0.1 g沙棗花精油為芯材,在壁芯比為4∶1 g/mL,加水量與β-CD比為10∶1 mL/g,包合溫度為45 ℃,包合時間為2 h的條件下,考察不同乙醇與精油比(10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1 mL/mL)對包埋得率的影響。

1.2.4 響應面法實驗設計 在單因素實驗基礎上,根據Box-Behnken的中心組合實驗設計原理,選取乙醇與精油比為30∶1 mL/mL,以壁芯比(X1)、包埋時間(X2)、包埋溫度(X3)、加水量與β-CD比(X4)為自變量,分別對以上因素進行編碼,并以微膠囊包埋得率(Y)作為響應值，設計了4因素3水平共29個實驗點的響應面分析實驗,因素和水平取值見表1。

表1 響應面法實驗因素和水平表

1.2.5 微膠囊包埋得率的測定 沙棗花精油微膠囊的包埋率Y(%)根據下列公式1計算所得。

式(1)

式中,m1:實驗中加入沙棗花精油的質量(g);m2:加入的β-CD的質量(g);m3:干燥后得到的微膠囊產物質質量(g)。

1.2.6 紅外光譜表征(FT-IR) 充分干燥的樣品與KBr 壓片,用紅外光譜儀在400～4000 cm-1內掃描,掃描次數16次,分辨率4 cm-1[17]。

1.2.7 電鏡掃描分析(SEM) 干燥處理過的樣品置于樣品臺的雙面膠上,涂抹均勻,用吸耳球將樣品輕吹成單層,放在表面處理機中鍍金,取出后用掃描電子顯微鏡觀察包埋前后的形貌變化。

1.2.8 沙棗花精油微膠囊緩釋性能研究 準確稱取0.2 g沙棗精油和微膠囊置于培養皿,在100 ℃的烘箱中揮發一定時間,分別于2、5、7、8、10 h取樣稱質量,測定精油和微膠囊的揮發率[18-20]。沙棗花精油的揮發率根據式(2)計算,沙棗花精油微膠囊的揮發率根據式(3)計算。

式(2)

式中,Y1:沙棗花精油揮發率(%);m1:為沙棗花精油初始質量(g);m2:揮發一定時間后沙棗花精油剩余質量(g)。

式(3)

式中,Y2:沙棗花精油微膠囊揮發率(%);m1:沙棗花精油微膠囊初始質量(g);m2:揮發一定時間后沙棗花精油微膠囊的剩余質量(g);m3:初始微膠囊所含沙棗花精油質量(g)。

1.2.9 微膠囊對油脂穩定性的影響 準確稱取0.5 g沙棗花精油和精油含量為0.5 g的微膠囊分別放入100 mL的橄欖油中,同時以未加精油的橄欖油作為空白對照,油浴中加熱至120 ℃,分別于4、8、11、22、25 h取樣,參考GB 5009.227-2016《食品安全國家標準食品中過氧化值的測定》測定橄欖油的過氧化值(POV)。

式(4)

式中,V:試樣消耗的硫代硫酸鈉量(mL);V0:空白消耗的硫代硫酸鈉量(mL);C:硫代硫酸鈉的濃度(mmol/L);M:油樣質量(g)。

1.3 數據統計與分析

每組實驗重復3次,實驗數據用Excel統計,采用SPSS 16.0對數據進行統計學分析,Origin 8.0繪圖軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同壁芯比對微膠囊包埋得率的影響 由圖1可知,壁芯比對微膠囊包埋得率影響較大,隨著壁材添加量的增加,微膠囊包埋得率呈先增后減的趨勢。在壁芯比1∶1～5∶1 g/mL范圍內,壁材含量的增加可以提高微膠囊的包埋得率;之后,隨著壁材添加量的增加,包埋得率反而下降。無論是芯材還是壁材含量過高,微膠囊包埋得率都會有所下降,這可能因為當β-CD的空洞部位被沙棗花精油充滿以后,就不會包埋多余的精油,即使再增加精油或β-CD的添加量,包埋得率也會下降。因此,在后續優化實驗中,壁芯比的范圍在3∶1～5∶1 g/mL較為適宜。

圖1 不同壁芯比對微膠囊包埋得率的影響

2.1.2 不同包埋時間對微膠囊包埋得率的影響 包埋時間是影響包合效果的一個重要的因素,包埋時間過短,精油與β-CD接觸不完全,包合不徹底,包合效果比較差;包合時間過長,精油損失增加,且包合成本變大[21]。由圖2可知,微膠囊包埋得率隨包埋時間的增加而呈先上升后下降的趨勢,在包埋時間0.5～1 h內,由于包埋時間較短,包埋不夠充分,精油沒有完全進入β-CD的空洞部位,因而包埋得率較低;在1.5 h時,微膠囊的包埋得率達到最大值；再增加包埋時間時,包埋得率又開始逐漸下降。因此,微膠囊的適宜包埋時間在1.0～2.0 h。

圖2 不同包埋時間對微膠囊包埋得率的影響

2.1.3 不同包埋溫度對微膠囊包埋得率的影響 由于精油的揮發性較大,且其中的熱敏成分在高溫下易發生變化,因此,溫度對包合效果也有很大的影響[22]。由圖3可知,隨包埋溫度的升高,微膠囊的包埋得率先升高后下降,在25～45 ℃范圍內,包埋得率逐漸升高,45 ℃時包埋得率達到最大值,之后由于溫度過繼續升高,包埋得率又迅速開始下降。這主要是由于溫度升高,可以促進精油向β-CD 空腔內運動,也能增加β-CD 的通透性，且降低精油的黏度,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。因此,微膠囊的適宜包埋溫度范圍為35～55 ℃。

圖3 不同包埋溫度對微膠囊包埋得率的影響

2.1.4 加水量與β-CD比對微膠囊包埋得率的影響 由圖4可知,β-CD濃度對微膠囊包埋得率也有顯著的影響,適當的加水量有利于形成穩定的包埋產物,從總體趨勢來看,微膠囊包埋得率隨β-CD濃度的增大而減小,當加水量與β-CD的比為8∶1 mL/g時,微膠囊包埋率達最大值。從理論上講,β-CD質量不足會使精油無法被完全包埋,當β-CD質量濃度達到平衡時,包埋得率最大,但當其質量濃度過高時,由于β-CD本身具有溶解度低的特點,較高濃度反而會使大量β-CD析出,從而導致精油微膠囊的包埋效果較差[23]。因此,根據實驗結果,加水量與β-CD的配比范圍為7∶1～9∶1 mL/g。

圖4 不同加水量與β-CD對微膠囊包埋得率的影響

2.1.5 不同乙醇與精油比對微膠囊包埋得率的影響 由圖5可知,隨著乙醇與精油比的上升,微膠囊的包埋得率也呈上升趨勢,在乙醇與精油比為30∶1 mL/mL時包埋得率達到最大,繼續增加乙醇與精油比包埋得率保持基本不變,因此,在后續實驗中,乙醇濃度固定為30∶1 mL/mL。

圖5 不同乙醇與精油比對微膠囊包埋得率的影響

2.2 響應面優化實驗

2.2.1 包埋得率回歸模型建立及結果分析 響應面實驗結果見表2和圖6,圖6(A～F)是根據多元回歸方程所得到的壁芯比、β-CD與加水量比、包埋溫度、包埋時間對包埋得率的影響,通過該組圖可對任意兩因素及其交互作用對包埋得率的效應進行分析和評價,并從中確定最佳因素水平范圍。

圖6 壁芯比、包埋時間、包埋溫度、加水量對包埋得率的響應面交互作用圖

表2 響應面實驗設計及結果

對實驗數據(表2)進行二次多項回歸擬合實驗和方差分析,反映壁芯比、包埋時間、包埋溫度、加水量與β-CD比對包埋得率的影響,得到微膠囊包埋得率與所選4個因素的二次多項回歸模型方程如下:

式(5)

表3 回歸模型方差分析

圖6A給出了壁芯比和包埋時間交互作用的響應面圖。在包埋時間較短時,隨著壁芯比的增大,包埋率反而先升后降;而在包埋時間較長時,提取率基本呈上升趨勢,當壁芯比過高后才開始下降,壁芯比與包埋時間對包埋得率的影響較為顯著。圖6B和圖6D表明壁芯比、包埋時間和包埋溫度的相互作用中,壁芯比和包埋時間對包埋得率的影響要大于包埋溫度。可能是因為精油是熱敏性物質,過高的溫度易造成精油揮發，隨著包埋時間的延長，易造成更多的精油揮發損失。圖6C、E、F為壁芯比、包埋時間、包埋溫度與加水量交互作用對包埋得率的曲面圖,由可知在交互影響的過程中,壁芯比與加水量對包埋得率的交互影響顯著;包埋溫度與加水量對包埋得率的交互影響極顯著,隨加水量的變化,其變化趨勢較為明顯;包埋時間與加水量對包埋得率的交互影響不顯著,不隨加水量的增大而增大。

2.2.2 驗證實驗 根據回歸方程預測4個因素對包埋得率的響應面圖直觀地反映了各因素對響應值的影響。在選取的各因素范圍內,通過軟件分析,得出理論最佳包埋參數為:壁芯比5∶1 g/mL、包埋時間1.89 h、包埋溫度46.19 ℃、加水量與β-CD比7.95∶1 mL/g、乙醇與精油比30∶1 mL/mL,在此條件下理論包埋得率可達76.27%;考慮實際操作性,將參數調整為壁芯比5∶1 (g/mL)、包埋時間2 h、包埋溫度46 ℃、加水量與β-CD比8∶1 mL/g、乙醇與精油比30∶1 mL/mL。采用此工藝條件進行驗證實驗,重復3 次,測得包埋得率為75.15%±0.24%,與預測值較為接近,說明該回歸方程能較好的與實際情況擬合,從而檢驗了響應面法預測結果的可靠性,同時也說明了響應面法對微膠囊包埋工藝條件進行優化的可行性[21-25]。

2.3 沙棗花精油微膠囊紅外表征

由圖7可以看出,純β-CD與沙棗花精油微膠囊在3404 cm-1和區域有OH伸縮振動;2922 cm-1是由C-H伸縮振動引起的,1035 cm-1出現的強吸收峰是由糖環中C-O-C的伸縮振動引起的;1637 cm-1附近的吸收峰是由COO基團的C=O非對稱伸縮振動引起的[17];而沙棗花精油含醇、酯、醛、酮等化學組分,含-COOR、CO等基團,其紅外光譜在2922 cm-1和1637 cm-1區域同樣存在相應的的吸收峰,在1520 cm-1存在芳香族化合物的C=C的吸收峰。由于沙棗花精油包含于微膠囊中,因此,在沙棗微膠囊相應區域的吸收峰都有所增強。精油羥基締合峰寬在包合后有所變窄,同時包合物在3404 cm-1的締合羥基峰與純β-CD相比明顯增大,主要歸因于β-CD和精油產生包合作用,形成了氫鍵。紅外光譜分析表明了微膠囊產品確實已經形成[26-27]。

圖7 β-CD、沙棗花精油和微膠囊的紅外光譜圖

2.4 沙棗花精油微膠囊形貌觀察

由圖8可知,沙棗花精油微膠囊呈圓球型和橢圓形,表面光滑,無凹陷,具有一定的規整度,符合淀粉顆粒的微觀形貌。

圖8 沙棗花精油微膠囊掃描電鏡圖

2.5 沙棗花精油微膠囊緩釋性能

2.5.1 揮發性實驗 由圖9可知,100 ℃條件下,隨著加熱時間的增加,沙棗花精油和精油微膠囊均有部分精油揮發,但兩者的揮發率相差較大,在加熱10 h時,沙棗花精油的揮發率達到29.87%,而微膠囊的揮發率只有7.22%,明顯低于沙棗花精油的揮發率。由此可見,精油微膠囊化可以明顯降低精油的揮發率,有利于沙棗花精油持久長效的發揮其功效。

圖9 微膠囊化對精油揮發率的影響

2.5.2 精油微膠囊對油脂穩定性的影響 由圖10可知,沙棗花精油與微膠囊均可明顯降低橄欖油的過氧化值。隨著時間的延長,微膠囊組的過氧化值的增大幅度低于精油組,這主要歸因于微膠囊的緩釋效應。而POV是衡量油脂過氧化程度的一個重要指標,其值越小,說明油脂發生過氧化的程度越小,即油脂越穩定,因此,沙棗花精油微膠囊可用于油脂的保鮮。

圖10 微膠囊化對油脂穩定性的影響

3 結論

沙棗花精油微膠囊制備工藝優化實驗表明,包埋溫度和包埋時間對精油微膠囊包埋得率的影響較為顯著(p<0.05),壁芯比和加水量與β-CD比對包埋得率的影響不顯著(p>0.05)。在單因素實驗的基礎上,通過響應面法確定了沙棗花精油包埋制備精油微膠囊的最佳工藝條件為壁芯比5∶1 (g/mL)、包埋時間2.0 h、包埋溫度46 ℃、加水量與β-CD比8∶1 (mL/g)、乙醇與精油比30∶1 mL/mL,在此工藝條件下的微膠囊包埋得率為75.15%±0.24%。緩釋性能研究顯示，在100 ℃條件下加熱揮發10 h,沙棗花精油的揮發率是29.87%,而微膠囊的揮發率只有7.22%,因此,微膠囊化可明顯降低沙棗花精油的揮發率;同時,對油脂的穩定性的實驗結果表明，微膠囊化也能夠降低油脂發生過氧化程度,從而提高沙棗花精油的利用率,延長精油的使用壽命,為沙棗的開發利用提供理論參考。