洋蔥精油微膠囊噴霧干燥制備工藝優化及釋放性能分析

王月月 - 段 續，2 ,2 任廣躍，2 -,2 周四晴 -

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2. 糧食儲藏安全河南省協同創新中心，河南 洛陽 471023)

洋蔥精油是洋蔥中的主要活性成分，具有防治動脈硬化和血栓、降血壓等功效[1]。其主要活性成分為硫代亞磺酸酯(Thiosulfinates，TS)[2-3]。由于洋蔥精油具有揮發性、刺激性和反應活性強等特點[4]，導致洋蔥精油在貯藏運輸及應用方面存在很大限制。因此，采用微膠囊化方法將洋蔥精油轉變為固體形態，并利用囊壁膜控制精油的釋放，能夠有效延長洋蔥精油的使用壽命，擴大其應用范圍[5]。

微膠囊的釋放特性是衡量其耐貯藏性的重要指標[6-7]。理想條件下的微膠囊釋放過程符合零級動力學方程，即微膠囊的釋放過程為恒速釋放，但受諸多因素的影響，其實際釋放過程很難實現零級釋放[8-9]。近年來，關于微膠囊釋放特性的研究很多，劉斯博等[10]研究了亞麻籽油微膠囊的釋放條件及模擬緩釋行為，研究結果表明Avrami’s方程與不同貯藏條件下芯材保留率擬合良好，微膠囊在模擬胃液中有緩釋行為；王芳等[11]制備了橘皮精油微膠囊并對比了20 ℃和80 ℃條件下微膠囊的揮發率，發現在20 ℃條件下微膠囊的精油揮發率比液態精油揮發率降低了65.9%，而80 ℃條件下其揮發率僅為液態精油的42.2%，具有良好的控釋效果。雖然洋蔥精油微膠囊的制備工藝已有深入的研究報道，但是未見關于其穩定性及釋放特性的研究。

試驗擬優化洋蔥精油微膠囊噴霧干燥制備工藝，并通過模擬體外釋放試驗及Avrami’s方程對洋蔥精油微膠囊的緩釋特性進行分析，以期為洋蔥精油微膠囊的開發與利用提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

洋蔥精油：采用溶劑浸提法[12]自制；

阿拉伯膠、HCl、NaCl：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；

β-環糊精：純度99%，上海源葉生物科技有限公司；

分子蒸餾單甘酯：分析純，廣州嘉德樂生化科技有限公司；

L-半胱氨酸：生化試劑，上海源葉生物科技有限公司；

5，5-二硫二硝基苯甲酸：分析純，上海翊圣生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

噴霧干燥機：SP-1500型，上海順儀實驗設備有限公司；

分析天平：FA-B型，上海佑科儀器儀表有限公司；

紫外—可見分光光度計：UV-2600型，龍尼柯(上海)儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：101型，北京科偉永興儀器有限公司；

差示掃描量熱儀：DSC1型，瑞士Mettler-Toledo公司。

1.3 方法

1.3.1 單因素試驗設計 以阿拉伯膠+β-環糊精為壁材，芯壁比1∶4 (mL/g)，采用噴霧干燥法制備洋蔥精油微膠囊。以包埋率為指標，研究乳化溫度、進風溫度、進料量、固形物用量對洋蔥精油微膠囊制備的影響。

(1) 乳化溫度：設置進風溫度180 ℃，進料量 900 mL/h，固形物用量20%，考察乳化溫度(50，55，60，65，70 ℃)對包埋率的影響。

(2) 進風溫度：設置乳化溫度60 ℃，進料量900 mL/h，固形物用量20%，考察進風溫度(160，170，180，190，200 ℃)對包埋率的影響。

(3) 進料量：設置乳化溫度60 ℃，進風溫度180 ℃，固形物用量20%，考察進料量(700，800，900，1 000，1 100 mL/h)對包埋率的影響。

(4) 固形物用量：設置乳化溫度60 ℃，進風溫度180 ℃，進料量900 mL/h，考察固形物用量(10%，15%，20%，25%，30%)對包埋率的影響。

1.3.2 響應面試驗設計 根據Box-Behnken試驗設計原理，綜合單因素試驗的結果，選取主要影響洋蔥精油微膠囊噴霧干燥包埋率的因素，以微膠囊包埋率為指標，采用Box-Behnken試驗設計進行三因素三水平響應面分析試驗。

1.3.3 洋蔥精油微膠囊質量指標測定

(1) 微膠囊包埋率的測定：洋蔥精油的主要成分為硫代亞磺酸酯(TS)，占洋蔥精油總量的71.3%[13]，因此洋蔥精油質量以TS含量表示，根據參考文獻[13]的方法測定TS含量。微膠囊總油含量測定參考李成忠等[14]的方法以減重法計算。表面含油量通過石油醚提取法[15]測定。按式(1)計算微膠囊包埋率。

w1=(1-w2/w3)×100%，

(1)

式中：

w1——包埋率，%；

w2——微膠囊表面含油量，%；

w3——微膠囊總含油量，%。

(2) 洋蔥精油微膠囊出粉率計算：

(2)

式中：

w4——出粉率，%；

M1——洋蔥精油微膠囊樣品質量，g；

M2——水分含量，g；

M0——固形物含量，g。

(3) 洋蔥精油微膠囊密度的測定：根據文獻[16]進行測定，將洋蔥精油微膠囊加入5 mL量筒中，震動量筒使其均勻充實，添加微膠囊直至刻度線處，記錄微膠囊體積及添加的微膠囊質量。按式(3)計算微膠囊密度。

(3)

式中：

d——微膠囊密度，g/mL；

M——微膠囊質量，g；

V——微膠囊體積，mL。

(4) 洋蔥精油微膠囊粒徑的測定：精確稱取0.5 g樣品于100 mL燒杯，加入60 mL乙醇，超聲振蕩10 min后取5 mL上清液，置于粒度分布儀中進行測定[17]。

(5) 洋蔥精油微膠囊水分含量的測定：采用烘干法，設置烘箱溫度105 ℃，將微膠囊烘干至恒質量[18]。

(6) 感官評定：隨機選10名經過培訓的專業人士組成感官評定小組，對微膠囊樣品進行感官評價[19]。要求評價員根據洋蔥精油微膠囊的色澤、外觀、質地、風味和可接受性的指標來對樣品進行評價。得分等級分別為：9～10“非常喜歡”，7～8“喜歡”，5～6“中等喜歡”，3～4“不喜歡”，1～2表示“非常不喜歡”。

1.3.4 洋蔥精油微膠囊緩釋性試驗

(1) 洋蔥精油保留率的測定：精確稱取洋蔥精油微膠囊20.0 g于干凈的培養皿中，置于恒定溫度的熱風干燥箱中，每隔1 h取樣稱重，按式(4)計算洋蔥精油揮發量[20]。

w5=(mt/m0)×100%，

(4)

式中：

w5——洋蔥精油保留率，%；

mt——t時刻洋蔥精油微膠囊的質量，g；

m0——初始洋蔥精油微膠囊質量，g。

(2) 洋蔥精油微膠囊模擬胃液釋放：根據文獻[21]測定，按式(5)計算精油釋放率。

(5)

式中：

w6——模擬胃液中精油釋放率，%；

M3——模擬胃液中釋放的洋蔥精油質量，g；

M4——加入的洋蔥精油質量，g；

w0——TS含量，%。

(3) 洋蔥精油微膠囊模擬腸液釋放：根據文獻[22]測定，按式(6)計算。

(6)

式中：

w7——模擬腸液中精油釋放率，%；

w6——模擬胃液中精油釋放率，%；

M5——模擬腸液中釋放的洋蔥精油質量，g；

M4——加入的洋蔥精油質量，g；

w0——TS含量，%。

(4) 對洋蔥精油釋放速率的分析：參照文獻[23]，采用Avrami’s 方程[式(7)]對洋蔥精油微膠囊釋放進行分析。

R=exp[-(kt)n]，

(7)

式中：

R——t時刻洋蔥精油保留率，%；

t——貯存時間，d；

n——釋放機理參數；

k——釋放速率常數。

當n=0.45時，方程表示擴散限制動力學反應；當n=1時，方程表示一級動力學反應[24]。

方程兩邊同時取兩次對數可得：

ln(-lnR)=nlnt+nlnk。

(8)

以lnt為橫坐標，ln(-lnR)為縱坐標作圖，進行線性回歸。根據回歸方程可以得到釋放機理參數n和釋放速率常數k。

1.4 數據統計

采用Origin pro 8.5對試驗數據進行分析；采用Design-Expert 8.06對試驗數據進行方差分析(顯著水平P<0.05)；每組試驗平行進行3次。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 乳化溫度對洋蔥精油微膠囊包埋率的影響 在參考文獻[25]及預試驗的基礎上選取了50～70 ℃作為考察范圍，如圖1所示，洋蔥精油微膠囊包埋率隨乳化溫度的升高先增大后減小，60 ℃時達到最高，乳化溫度過低時(50 ℃)，微膠囊壁材溶解不充分，影響微膠囊的包埋效果。乳化溫度太高(70 ℃)原料之間的親和力被破壞，使乳化也不穩定，從而導致包埋效果不佳。因此選取乳化溫度為60 ℃。

2.1.2 進風溫度對洋蔥精油微膠囊包埋率的影響 如圖2 所示，在160～200 ℃范圍內，微膠囊包埋率隨溫度的升高而逐漸增大，進風溫度為180 ℃時包埋率最高，隨著溫度繼續升高，由于噴霧干燥過程中溫度較高，水分快速蒸發，微膠囊表面出現硬化開裂現象，嚴重影響微膠囊的包埋率，綜合考慮，進風溫度應控制在160～180 ℃。

圖1 乳化溫度對洋蔥精油微膠囊包埋率的影響

Figure 1 Effect of emulsification temperature on encapsulation rate of onion essential oil microcapsules

圖2 進風溫度對洋蔥精油微膠囊包埋率的影響

Figure 2 Effect of air temperature on encapsulation rate of onion essential oil microcapsules

2.1.3 進料量對洋蔥精油微膠囊包埋率的影響 如圖3所示，隨進料量的增大，微膠囊包埋率快速增大，達到900 mL/h 時包埋率最大，進料量繼續增大，包埋率反而下降，因為進料量過大，導致出風溫度降低[26]，產品水分含量較大，粘壁現象嚴重，造成出粉率低，因此控制進料量在800～1 000 mL/h。

圖3 進料量對洋蔥精油微膠囊包埋率的影響

Figure 3 Effect of charging rate on encapsulation rate of onion essential oil microcapsules

2.1.4 固形物含量對洋蔥精油微膠囊包埋率的影響 如圖4所示，洋蔥精油微膠囊包埋率隨固形物用量的升高呈先增大后減小的趨勢，固形物用量較低時，物料含濕量較大，粘附在壁上降低出粉率，還會造成表面含油量增大，影響包埋率。固形物用量較高時，物料黏度較高，導致粘壁現象嚴重，出粉率低。因此，固形物用量為20%比較合適。

2.2 響應面試驗

2.2.1 工藝參數的分析 在單因素試驗基礎上，確定固

圖4 固形物含量對洋蔥精油微膠囊包埋率的影響

Figure 4 Effect of solid content on encapsulation rate of onion essential oil microcapsules

形物含量為20%，選取乳化溫度、進風溫度、進料量為自變量，包埋率為因變量，建立洋蔥精油微膠囊制備工藝參數回歸模型，采用Design-Expert 8.06軟件進行響應面設計。試驗因素水平及編碼見表1，結果見表2。

表1 響應面試驗因素水平編碼表

表2 響應面試驗結果

2.2.2 方差分析 對表2的數據進行二次多項式回歸分析，得回歸方程為：

Y=91.52+3.22A-3.34B+1.23C-0.22AB+3.74AC-2.13BC-6.25A2-6.99B2-4.58C2。

(9)

由一次項系數的絕對值可知，該模型對微膠囊包埋率影響大小次序為B>A>C，即進風溫度>乳化溫度>進料量。從表3可以看出，回歸模型P<0.000 1，說明該模型顯著。失擬項P=0.104 1>0.05，失擬不顯著，說明該模型與實際數據擬合良好。一次項A、B、C的P<0.01，說明乳化溫度、進風溫度和進料量對包埋率影響都極顯著，交互作用項AC、BC和二次項A2、B2、C2的P<0.01，說明對包埋率影響極顯著。剔除影響不顯著項后，得到標準回歸模型為：

Y=91.52+3.22A-3.34B+1.23C+3.74AC-2.13BC-6.25A2-6.99B2-4.58C2。

(10)

2.2.3 響應面分析 試驗AC(即乳化溫度與進料量的交互作用)和BC(即進風溫度與進料量的交互作用)對洋蔥精油微膠囊包埋率影響顯著，其中交互作用如圖5所示，AB(即乳化溫度與進風溫度的交互作用)對洋蔥精油微膠囊包埋率影響不顯著。

由圖5可知，固定進風溫度177.01 ℃時，出粉率隨進料量和乳化溫度的增大都呈現先增大后減小的趨勢，當控制乳化溫度在60～65 ℃，進料量在850～1 000 mL/h時，存在極值點，微膠囊的出粉率不低于90%。固定乳化溫度61.85 ℃時，隨進料量的增加出粉率逐漸增大，隨進風溫度的升高出粉率的變化情況是先增大后減小，當控制進料量在850～1 000 mL/h，進風溫度在170～185 ℃時，存在極值點，微膠囊的出粉率不低于90%。

表3 回歸模型方差分析?

2.2.4 工藝參數優化及驗證 通過Design-Expert 8.06軟件分析優化得到：乳化溫度61.85 ℃、進風溫度177.01 ℃、進料流量935.52 mL/h，在此最佳條件下包埋率為92.83%。為驗證響應面法的可行性，采用最佳制備工藝參數制備微膠囊，考慮到可操作性，將工藝條件改為乳化溫度61 ℃、進風溫度177 ℃、進料流量900 mL/h，同時進行3次平行實驗，微膠囊包埋率分別是92.03%，91.13%，93.04%，平均值為92.06%。與預測值的相對誤差為0.77%，說明響應面優化條件可行。在該條件下，微膠囊包埋率較高。

圖5 各因素交互作用的響應面圖和等高線圖

2.3 噴霧干燥對洋蔥精油的影響

表4為噴霧干燥前后洋蔥精油中TS含量的變化，從表4中可以看出，微膠囊中TS含量與理論值很接近，說明微膠囊制備工藝比較合理，在此工藝中TS含量得到了很好的保留。

根據響應面試驗結果及實際操作過程可知，進料量在小范圍內變化時對結果影響不大；乳化溫度過低或過高會導致乳化液乳化不均勻、乳化不穩定等現象，因此不適宜做溫度調整；在預試驗過程中發現進風溫度稍作調整效果可能更好，因此對進風溫度再稍作細化研究，考察優化結果是否為最佳；固定乳化溫度61 ℃、進料流量900 mL/h，考察進風溫度分別為167，177，187 ℃條件下微膠囊的品質，結果見表5。

表4 噴霧干燥工藝對洋蔥精油中TS含量的影響

表5 質量指標測定結果

根據表5可知，進風溫度為177 ℃時，即為工藝優化的最佳制備條件。在此條件下，微膠囊出粉率較高，含水率為3.12%，符合粉末制品的一般制備要求[27]。隨著進風溫度升高，微膠囊的水分含量降低，粒徑減小。微膠囊的密度在最佳制備條件下較小，是由于微膠囊顆粒比較飽滿圓潤，導致顆粒間的間隙較大，因此單位體積的微膠囊質量較低。通過對比不同溫度條件下制備的微膠囊的感官特性，發現在177 ℃時微膠囊的色澤、氣味等感官品質較好，更受消費者喜愛。

2.4 微膠囊釋放性能分析

2.4.1 溫度對洋蔥精油微膠囊釋放的影響 如圖6所示，洋蔥精油微膠囊在25 ℃條件下，釋放相對緩慢。經過30 d，微膠囊的含油率從4.55%揮發至4.01%，丟失約12%；而未經包埋的洋蔥精油在25 ℃條件下貯藏30 d后，完全揮發，即丟失100%；由此可見，洋蔥精油微膠囊的精油揮發速度明顯低于同一條件下洋蔥精油的揮發速度。因此，通過微膠囊包埋能減慢洋蔥精油在貯存過程中的揮發速度。85 ℃時的釋放較快。1個月后，不同溫度下微膠囊的含油率分別為4.01%，3.46%，2.23%，由此可知，溫度越高微膠囊的釋放速率越快。其原因是精油分子在空氣中做布朗運動，溫度升高加速了精油分子的布朗運動，導致精油更快的揮發。另外，溫度升高使壁材形成的保護膜破損，膜壁孔徑增大，精油揮發時受到的阻力減小，釋放速率變快。從圖6還可以看出，時間越長精油的釋放速率越緩慢。這是由于隨著時間延長，微膠囊精油由表面揮發轉變為囊內芯材擴散，傳質推動力變小，釋放速度減緩[28]。

圖6 不同溫度下洋蔥精油微膠囊釋放曲線

Figure 6 Release curve of onion essential oil microcapsules at different temperatures

2.4.2 洋蔥精油微膠囊模擬胃液及腸液釋放結果分析

根據圖7可以看出，洋蔥精油微膠囊在模擬胃液中作用2 h后，釋放率達到65.2%，隨后微膠囊的釋放逐漸趨于平緩，說明微膠囊壁材在酸性環境中受到破壞，此時壁材會形成一種彈性膜，其機械強度增大，對芯材的釋放起到一定的阻礙作用，從而達到緩釋的效果[29]。此外，微膠囊在模擬胃液中的作用時間越長，精油的釋放率越高，說明壁膜受到的破壞越大，控釋能力越差。微膠囊在模擬胃液中處理1 h后移入腸液，從圖8可以看出，在模擬腸液中作用40 min后精油累計釋放率達到40.1%，精油的釋放呈緩慢增加的趨勢，說明微膠囊壁材對洋蔥精油具有良好的控釋效果，使精油能夠在腸道內緩慢釋放并被吸收，同時可以有效減少對腸道的刺激。

圖7 洋蔥精油微膠囊在模擬胃液中的釋放曲線

Figure 7 Release curve of onion essential oil microcapsules in simulated gastric juice

圖8 洋蔥精油微膠囊在模擬腸液中的釋放曲線

Figure 8 Release curve of onion essential oil microcapsules in simulated intestinal fluid

2.4.3 Avrami’s方程對洋蔥精油微膠囊釋放動力學分析 表6為加速試驗所得到的釋放機理參數、速率常數以及采用Avrami’s方程分析所得回歸分析圖。

表6不同溫度下洋蔥精油微膠囊釋放機理參數(n)及釋放速率常數(k)

Table 6 Release mechanism parameters(n)and release rate constants(k)at different temperatures

溫度/℃nk相關系數R2250.943 93.29×10-30.968 2550.890 58.33×10-30.943 3851.243 92.78×10-20.986 5

從表6可以看出，R2的平均值大于0.95。因此Avrami’s方程分析微膠囊產品在不同溫度下的釋放是可行的。通過圖9和表6可以發現：洋蔥精油釋放與時間的相關性較高，說明以阿拉伯膠和β-環糊精為壁材制備的洋蔥精油微膠囊的釋放過程與Avrami’s方程擬合良好；不同溫度下精油的釋放機理參數分別為0.943 9，0.890 5，1.243 9，即在25，55 ℃條件下洋蔥精油微膠囊的釋放反應在擴散和一級釋放之間，在85 ℃條件下，大于一級動力學反應參數；通過對比釋放速率可知，隨著溫度的升高，微膠囊釋放速率呈增大趨勢，因此在微膠囊貯藏過程中應對溫度嚴格控制。

圖9 洋蔥精油微膠囊Avrami’s回歸分析

Figure 9 Avrami’s regression analysis of release of onion essential oil microcapsules at differentte mperature

3 結論

通過研究得到微膠囊制備的最佳工藝：乳化溫度61 ℃、進風溫度177 ℃、進料流量900 mL/h，最佳條件下微膠囊包埋率可達92.06%。通過對比噴霧干燥前后洋蔥精油的品質，并對噴霧干燥所得微膠囊進行質量指標檢測，發現運用噴霧干燥法使洋蔥精油微膠囊化能夠對洋蔥精油起到很好的保護作用。模擬體外試驗結果顯示微膠囊壁材對芯材具有良好的控釋作用。對不同溫度條件下微膠囊釋放特性進行研究，發現微膠囊化后的微膠囊釋放緩慢，釋放過程與Avrami’s方程擬合良好，采用Avrami’s方程對洋蔥精油微膠囊釋放特性進行分析是可行的。試驗對洋蔥精油微膠囊釋放性能進行了補充研究，但是僅從溫度方面進行了分析，影響微膠囊穩定性的因素還有光照、濕度及水分含量等，關于微膠囊釋放性能還有待深入研究。