紫蘇精油微囊粉包埋工藝的優化

(中北大學化學工程與技術學院,山西太原 030051)

紫蘇在我國南北各省區廣泛栽培,是一種極具價值的“藥食兩用”資源。紫蘇精油具有抗氧化、抗炎癥、抗過敏、抗菌、抑腫瘤、降血壓等生物活性[1],廣泛應用于食品、醫藥及化妝品等領域,但是紫蘇精油易揮發易氧化的特性會使其活性降低或喪失。微囊化技術是將固體、液體、氣體通過一定的手段包埋在天然或合成高分子材料中,形成粒徑1～1000 nm的微膠囊。微膠囊化后的微粒材料,由于其芯材外有壁材作為保護層,使得芯材的釋放速率可人為控制,減少其有效活性成分向外擴散,能最大限度地保持芯材原有的色香味及生物活性,從而延長貯存期且方便應用[2-5]。

近幾年來微膠囊化技術迅速發展,極大地促進了其在食品,醫藥領域的應用。現階段國內外對肉桂精油、香草蘭精油、大蒜精油等精油的微囊化研究比較多[6],壁材和干燥方法也不盡相同,生產成本相差較大,需要不斷開發適用于微囊化技術的新材料和設備。目前可用作微膠囊壁材的材料有海藻酸鈉、阿拉伯膠、β-環糊精、果膠和辛烯基琥珀酸淀粉酯等,而辛烯基琥珀酸淀粉酯乳化能力強于其他的小分子乳化劑[7-10],在生產過程中不需要添加其他的乳化劑,因而節約了成本,簡化了操作步驟[11-13]。

在本課題前期實驗中,分別以β-環糊精、阿拉伯膠、辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材,通過對三種壁材對紫蘇精油包埋率的比較分析,得出以辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材的紫蘇精油微囊粉產品包埋率遠高于其他2種壁材。因此,本研究將采用辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材,紫蘇精油為芯材,通過單因素篩選試驗后進行響應面分析,以紫蘇精油微囊粉的包埋率為指標篩選出最佳制備工藝條件,為紫蘇精油微囊粉的制備工業化生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紫蘇精油 實驗室自制[14];辛烯基琥珀酸淀粉酯 低粘度,杭州瑞霖化工有限公司;無水乙醇 分析純,天津市風船化學試劑科技有限公司;無水硫酸鈉 分析純,天津市北聯精細化學品開發有限公司。

SP-1500實驗型噴霧干燥機 上海易研實驗設備有限公司;XHF-DY高效分散均質機 寧波新芝生物科技股份有限公司;UV-6000PC紫外分光光度計 上海元析儀器有限公司;HH-6數顯恒溫水浴鍋 江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;FA1204B分析天平 上海精科天美科學儀器有限公司;78HW-1恒溫磁力攪拌器 金壇市正基儀器有限公司;TGL-12B低溫高速離心機 上海安亭科學儀器廠;SB-5200DTDN超聲波清洗機 寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫蘇精油最大吸收波長的確定 稱取一定量的精油,用無水乙醇溶解并稀釋,配制成某一濃度的紫蘇精油溶液,并以無水乙醇作為空白對照,200～800 nm范圍內作全波長掃描,確定最大吸收波長。

1.2.2 紫蘇精油標準曲線繪制 準確稱取0.1 g精油至10 mL的容量瓶中,用無水乙醇定容,搖勻,貼上標簽原液;從原液中分別準確量取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mL于五個100 mL容量瓶中,依次貼上標簽1、2、3、4、5分別將五個容量瓶用無水乙醇定容,搖勻,最大吸收波長處測定紫外吸光度,重復三次,取平均值。

1.2.3 紫蘇精油微囊粉制備 以辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材,紫蘇精油為芯材,80 ℃水浴10 min至糊化,冷卻至室溫后加入紫蘇精油混合,經9000 r/min高速分散一定時間后,對所得乳狀液進行噴霧干燥,得到固體微膠囊粉末。噴霧干燥條件參考劉雙雙等[15]并做適當修改:進口溫度為170 ℃,出口溫度為100 ℃,物料流量為500 mL/h。

1.2.4 單因素實驗

1.2.4.1 精油純度對微囊粉包埋率的影響 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷卻后加入紫蘇精油,壁材質量分數為30%,壁芯比為4∶1。用適量的無水乙醇將精油純度設置為20%、40%、60%、80%、100%,將混合均勻的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,對所得到均一的乳狀液進行噴霧干燥得到微囊粉,測定紫蘇精油的包埋率。

1.2.4.2 壁材質量分數對微囊粉包埋率的影響 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷卻后加入純度為80%的紫蘇精油,壁芯比為4∶1。設置壁材質量分數為 10%、20%、30%、40%、50%,將混合均勻的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,對所得到均一的乳狀液進行噴霧干燥得到微囊粉,測定紫蘇精油的包埋率。

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1.2.4.3 壁芯比對微囊粉包埋率的影響 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷卻后加入純度為80%的紫蘇精油,壁材質量分數為20%。設置壁芯比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1,將混合均勻的溶液以9000 r/min高速分散3 min后,對所得到均一的乳狀液進行噴霧干燥得到微囊粉,測定紫蘇精油的包埋率。

1.2.4.4 均質時間對微囊粉包埋率的影響 80 ℃水浴糊化低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯水溶液10 min,冷卻后加入純度為80%的紫蘇精油,壁材質量分數為20%,壁芯比為3∶1。設置均質時間為1、3、5、7、9 min,將混合均勻的溶液以9000 r/min高速分散后,對所得到均一的乳狀液進行噴霧干燥得到微囊粉,測定紫蘇精油的包埋率。

1.2.4.5 響應面優化試驗 在單因素實驗結果的基礎上,利用Box-Benhnken Design建立數學模型,以精油純度、壁材質量分數、壁芯比為自變量,包埋率為響應值,設計三因素三水平實驗(表1所示),優化包埋紫蘇精油的最佳工藝參數。

表1 響應面設計因素水平表Table 1 Factors and levelsTable of response surface design

1.2.5 紫蘇精油微囊粉包埋率測定 取產品0.5 g于20 mL無水乙醇中,在30 ℃,990 W下超聲20 min,再以5000 r/min的速度離心10 min,標記為P1,從P1中取上清液100 μL于容量瓶中定容至10 mL,標記為P2,在284 nm處測定其吸光度值,平行作三組,計算平均值,代入紫蘇精油標準曲線回歸方程中,得到表面含油量M1。

取產品0.5 g于2 mL蒸餾水中 再加入20 mL無水乙醇,在30 ℃,990 W下超聲40 min,加適量的無水硫酸鈉除去多余的水,再以5000 r/min的速度離心10 min,標記為P3,從P3中取上清液100 μL于容量瓶中定容至10 mL,標記為P4,在284 nm處測定其吸光度值,平行作三組,計算平均值,代入紫蘇精油標準曲線回歸方程中,得到總含油量M2。包埋率(%)的計算公式如下:

1.3 數據處理

使用SPSS 19.0、OriginPro 8.0、Design-Expert 8.0.6軟件進行數據處理,圖表制作、數據分析。

2 結果與分析

2.1 紫蘇精油最大吸收波長

由圖1可知,紫蘇葉精油最大吸收波長為284 nm。

圖1 紫蘇精油吸收波長曲線Fig.1 Absorption wavelength curve of Perilla essential oil

圖3 精油純度(A)、壁材質量分數(B)、壁芯比(C)、均質時間(D)對微囊粉包埋率的影響Fig.3 Effects of essential oil purity(A),wall material quality score(B),wall-core ratio(C), homogenization time(D)on the embedding rate of microencapsulated powder

2.2 紫蘇精油標準曲線

圖2 紫蘇精油標準曲線Fig.2 Standard curve of Perilla essential oil

2.3 單因素實驗結果

圖3A是紫蘇精油的純度對紫蘇精油包埋率的影響。紫蘇精油包埋率隨著精油純度的增大,呈現出先增大后減小的趨勢。當精油純度為80%時,包埋率達到最大值為37.64%。精油純度過低時,導致辛烯基琥珀酸淀粉酯剩余,容易發生團聚、粘連;精油純度過高時,辛烯基琥珀酸淀粉酯不能完全包裹,造成精油浪費。當精油純度超過80%時,包埋率迅速下降。這可能是由于隨著精油純度的增大,精油小液滴周圍的壁材太少,乳化液的乳化效果降低,其囊壁厚度和致密性隨之下降,導致精油易從囊壁滲出,致使包埋效果較差。因而精油純度選80%最佳。

圖3B是壁材質量分數對紫蘇精油包埋率的影響。隨著壁材質量分數的加大,辛烯基琥珀酸淀粉酯對紫蘇精油的包埋率升高。當壁材質量分數為20%時,包埋率達50.73%。當壁材質量分數超過20%以后,包埋率反而降低。這是因為進料中壁材量增加,使得在干燥中液滴成膜速度增加,減少了內部紫蘇精油的揮發,從而提高了包埋率。但當壁材質量分數過高時,包埋率不再升高反而下降,一方面由于霧化速度下降,物料在霧化前的停滯時間增長,紫蘇精油損失增加,另一方面是溶液達到飽和狀態,導致分子運動空間減小而發生聚集,溶解不完全而出現沉淀。另外,壁材量的增加使囊壁增厚,這對提高產品的抗氧化能力有益,但會使囊壁的通透性下降[16]。劉文妮等[17]研究表明,壁材質量分數高,乳液較黏稠,在干燥的過程中能夠形成致密的網狀結構,能夠阻礙芯材擴散到壁材表面,當溶液中壁材質量分數過高時,溶液達到飽和狀態,溶解不完全而出現沉淀,降低了微膠囊包埋率,與本研究結果一致。因此,制備紫蘇精油微囊粉適宜的壁材質量分數為20%。

圖3C是壁芯比對紫蘇精油包埋率的影響,隨著壁芯比的增加,包埋率先增加再降低。這是因為芯材的含量增大使得芯壁材的接觸面積增大,從而提高包埋率,但芯材質量過多會導致壁材包覆不完全,使精油依附在微囊粉表面。壁芯比為3∶1時,包埋率為79.55%,乳化液能很好地包埋紫蘇精油,形成了較穩定的體系[18]。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

注:*:表示差異顯著,P<0.05;**:表示差異極顯著,P<0.01。

圖3D是均質時間對紫蘇精油包埋率的影響。隨著均質時間的增加,紫蘇精油包埋率呈現先增加后減小的趨勢,均質時間為3min時,包埋率為73.56%。因為均質時間越長,乳化液液滴越小越均勻,但是轉子摩擦產生熱量使得紫蘇精油損失增大,從而呈現出先增加后減小的趨勢[19-20],這與陳琳等[21]的研究結果一致。因此,均質時間選擇3 min較為合適。

2.4 制備微囊粉的響應面優化試驗

2.4.1 響應面設計及結果分析 在單因素實驗的基礎上,以微囊粉包埋率為響應值設計了三因素三水平的響應面實驗方案,以精油純度、壁材質量分數和壁芯比的最適值作為響應面優化的中心點,分別以X1、X2和X3表示,結果如表2所示。

表2 試驗設計及響應值結果Table 2 Experimental design and response results

2.4.3 響應面結果分析、優化及驗證 根據回歸方程分析,作響應面和等高線圖。響應面圖是響應值(Y)對各因素(X1、X2、X3)所構成的三維曲面空間圖,由圖4可直觀看出各因素(X1、X2、X3)交互作用對包埋率的影響。圖4a顯示在固定壁芯比3∶1條件下,壁材質量分數與精油純度對包埋率的影響,包埋率隨著壁材質量分數與精油純度的增加而先增加后降低,可以看出包埋率的最優參數接近于精油純度82%和壁材質量分數21%,并在這兩點交叉區域形成最大值,包埋率受精油純度的影響明顯比壁材質量分數顯著。圖4b顯示在固定壁材質量分數為20%條件下,精油純度與壁芯比對包埋率的影響,包埋率隨著精油純度與壁芯比的增加而先增加后降低,在精油純度83%和壁芯比3∶2這兩點的交叉區域形成包埋率最大值,且精油純度和壁芯比的曲線都比較陡峭,說明兩者交互作用強,對紫蘇精油包埋率影響達到極顯著水平。圖4c顯示在固定精油純度80%條件下,壁材質量分數與壁芯比對包埋率的影響,包埋率隨著壁材質量分數和壁芯比的增加而先增加后下降,包埋率的最優條件接近于壁材質量分數19%和壁芯比3∶1,并在這兩點交叉區域形成最大值,壁材質量分數與壁芯比交互作用較強,對紫蘇精油包埋率影響顯著。

圖4 3種因素交互作用對微囊粉包埋率影響的 響應面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour diagram of the influence of interaction of three factors on the embedding rate of microencapsulated powder

通過回歸方程預測的最佳工藝條件為精油純度為81.44%,壁材質量分數為19.89%,壁芯比3.12∶1,在此條件下,包埋率為80.33%。考慮到實際操作條件,故選定參數為精油純度為81%,壁材質量分數為20%,壁芯比為3∶1,進行3次重復實驗。在此條件下測得微囊粉包埋率在80.19%,與模型預測值接近,表明該模型能夠完成對微囊粉包埋率的工藝優化,能夠很好地反映包埋效果。

3 結論

制備工藝最優參數為:紫蘇精油純度為81%,壁材質量分數為20%,壁芯比為3∶1,該條件下包埋率為80.19%。相對于其他方法,本研究在制備紫蘇精油微囊粉過程中不需要加入乳化劑、固化劑等,能夠保持精油的天然成分不受破壞。此工藝條件制備的紫蘇精油微囊粉保留了精油原有的濃郁香氣,能夠作為天然調味品和抗氧化劑,擴大其實際應用價值。