丁香油微膠囊的制備及表征

林 京，關晉平，陳國強，程獻偉

（1.蘇州大學紡織與服裝工程學院，江蘇蘇州 215006；2.現代絲綢國家工程實驗室，江蘇蘇州 215123）

丁香是金娘科植物丁香的干燥花蕾，又名公丁香，不僅是一種中草藥，還是一種香料［1］。丁香油是從丁香中提取的芳香性揮發油，主要包含丁香酚、β-石竹烯和乙酰基丁香酚［2］。丁香油的外觀是澄清透明的油狀液體，顏色呈淡黃色或無色，易溶于醇、冰醋酸中，但不溶于水［3］。丁香油具有優良的抗腫瘤、抗菌、抗氧化等性能［4］，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、志賀痢疾桿菌、枯草桿菌、表皮葡萄球菌等皆有明顯的抑制和殺滅作用［5］。因為丁香油可以與細菌的細胞膜作用（對細胞膜產生破壞作用），引起細胞內溶物發生滲透，導致細胞死亡，從而起到抗菌效果［6］。然而，丁香油易揮發、不溶于水，且對光線和氧氣等較敏感［7］，在某種程度上限制了實際應用。

微膠囊技術是利用天然或合成高分子材料，將分散的固體、液體或氣體物質包裹起來，形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子的技術［8］。其中，芯材是指被包裹的物質，壁材是指包裹物質。由于芯材不同，微膠囊具有多種形態，如球形、谷粒形、粒形、塊形等。微膠囊還可以分為單核與多核，其囊壁也可以有所不同，分為單層結構和多層結構［9］。微膠囊技術具有很大優勢，可以盡可能保留芯材物質的色、香、味、營養及活性［10］，已被用于醫藥、紡織、食品、黏合劑、建筑混凝土等許多領域［11］。使用微膠囊技術可以有效解決丁香油易揮發、水溶性低等問題。

黃潔［12］利用形成的明膠-鞣酸復合物對丁香油進行包埋，并研究不同條件下復合物在乳液中穩定精油類物質的能力和包埋效率。孫淼［13］采用飽和水溶液法，通過β-CD 對丁香精油進行微膠囊化處理，制備出丁香精油β-CD 包合物，包埋率為21.79%。華彩麗［14］使用海藻酸鈉、丁香酚、乳化劑吐溫-80、CaCl2制備丁香酚微膠囊，以家兔為實驗對象，結果顯示丁香酚微膠囊（18.26、9.13 mg/kg）與丁香酚（7.5 mg/kg）和氯苯胍（50 mg/kg）具有相似的驅殺效果。徐文秀［15］使用銳孔法和噴霧干燥法制備丁香油微膠囊，得到包埋效果良好的微膠囊。Chong Yongbing 等［16］通過原位聚合和界面聚合合成丁香油微膠囊，并對其形態、核殼結構、組成以及不同反應參數下合成的微膠囊的釋放行為進行研究。Jiang Ping 等［17］采用單凝聚法制備丁香油微膠囊，研究殼聚糖濃度、核殼比、乳化劑種類等對微膠囊粒徑以及粒徑分布的影響。

本文通過復凝聚法，以明膠和海藻酸鈉為壁材制備丁香油微膠囊，采用噴霧干燥法得到干燥的微膠囊產物。以包埋率為指標，探討制備丁香油微膠囊的優化工藝條件，并對該條件下制備的微膠囊的熱穩定性、分子結構和表面形態進行研究。

1 實驗

1.1 材料

丁香油（生物試劑，上海源葉生物科技有限公司），明膠（分析純，上海泰坦科技股份有限公司），海藻酸鈉（化學純）、戊二醛（分析純）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），無水乙醇、乙酸（分析純，江蘇強盛功能化學股份有限公司），氫氧化鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

1.2 儀器

SCILOGEX 數顯型頂置式強力電子攪拌儀、DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、SHZ-D（Ⅲ）循環水式多用真空泵（鞏義市予華儀器有限責任公司），電子天平（瑞安市英衡電器有限公司），離心式噴霧干燥機（上海大川原干燥設備有限公司），實驗室超聲波清洗機（芯硅谷）、pH 檢測儀（上海儀電科學儀器股份有限公司），TU-1900 紫外-可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責任公司），S-4800 冷場發射掃描電鏡（日本日立株式會社日立制作所），Nicolet 5700 傅里葉變換紅外光譜儀（賽默飛世爾科技有限公司），Diamond 熱重差熱綜合分析儀（美國珀金埃爾默股份有限公司）。

1.3 丁香油微膠囊的制備

將明膠和海藻酸鈉分別溶于去離子水中，50 ℃攪拌溶解；將丁香油加入明膠溶液中乳化，再加入溶解好的海藻酸鈉溶液，攪拌5 min，滴加20%乙酸溶液調節pH 至3，50 ℃攪拌30 min，停止加熱，冰浴攪拌至0～10 ℃開始凝膠，滴加20%氫氧化鈉溶液調節pH 至8～9，加入戊二醛，升溫至40 ℃固化1 h，反應結束后噴霧干燥，得到干燥的丁香油微膠囊。

1.4 標準工作曲線的繪制

稱取0.2 g 丁香油置于100 mL 容量瓶中，用無水乙醇定容，從中取1 mL 放入另一個100 mL 容量瓶中，用無水乙醇定容，以無水乙醇為空白對照樣，用紫外-可見分光光度計在200～600 nm 波長范圍內掃描，確定最大吸收波長。

稱取0.2 g 丁香油置于100 mL 容量瓶中，用無水乙醇定容，配制成2 mg/mL 標準溶液。分別取不同體積的標準溶液加入50 mL 容量瓶中，用無水乙醇定容，搖勻，配制成不同質量濃度的溶液，在最大吸收波長處測試吸光度。以質量濃度為橫坐標、吸光度為縱坐標繪制標準工作曲線。

1.5 測試

Zeta 電位：配制0.05%氫氧化鈉溶液和0.20%醋酸溶液。稱取0.1 g 明膠或海藻酸鈉放入燒杯，加入100 mL 去離子水，50 ℃加熱攪拌溶解，用0.05%氫氧化鈉溶液和0.20%醋酸溶液調節pH，再用Zeta 電位儀測試Zeta電位。

包埋率：稱取0.1 g 微膠囊，用無水乙醇洗滌3次，濾液用無水乙醇定容至50 mL，在282 nm 下測試吸光度，利用標準工作曲線回歸方程得到表面油量；稱取0.1 g 微膠囊，加入10 mL 乙醇，20 ℃超聲10 min破壁，過濾后濾液用無水乙醇定容，在282 nm 下測試吸光度，利用標準工作曲線回歸方程得到總油量。按照下列公式計算包埋率：

緩釋性：分別稱取1 g丁香油以及1 g丁香油微膠囊置于2個干凈的培養皿中，放入80 ℃烘箱，每隔1 h稱質量，按照下列公式計算丁香油和丁香油微膠囊的揮發率：

式中：m0為樣品的初始質量，g；mt為樣品t小時后的剩余質量，g。

掃描電鏡（SEM）：將優化工藝條件下制備的微膠囊置于導電膠帶上，在表面鍍金后，通過掃描電子顯微鏡進行觀察（放大2 000倍、5 000倍）。

紅外光譜：利用傅里葉變換紅外光譜儀進行測試，掃描范圍500～4 000 cm-1。

熱穩定性：利用熱重分析儀進行測試（在N2氣流中從30 ℃升溫至700 ℃，觀察其質量損失情況）。

2 結果與討論

2.1 丁香油標準工作曲線

由圖1 可以看出，在282、230 nm 處出現吸收峰值，所以丁香油的最大吸收波長為282、230 nm。以丁香油質量濃度為橫坐標，282、230 nm 處的吸光度為縱坐標繪制標準工作曲線，結果如圖2 所示。由于在282 nm（y=19.431 56x-0.024 78，R2=0.997 75）和230 nm（y=41.106 44x-0.024 04，R2=0.997 62）波長下曲線的擬合性都比較好，選擇在282 nm 波長下進行實驗。

圖1 丁香油的最大吸收波長

圖2 丁香油在282 nm（a）、230 nm（b）波長下的標準工作曲線

2.2 丁香油微膠囊制備工藝優化

2.2.1 pH

由圖3 可知，明膠的等電點約為4.8，等電點以下的明膠溶液呈正電性，等電點以上的明膠溶液呈負電性；在不同pH 下，海藻酸鈉溶液均呈負電性。調節溶液pH 可使明膠和海藻酸鈉因正負電荷間的作用力形成微膠囊，在pH 為3 時，明膠溶液呈正電性，海藻酸鈉溶液呈負電性，故pH 選擇3。

圖3 pH 對明膠溶液（a）、海藻酸鈉溶液（b）Zeta 電位的影響

2.2.2 明膠和海藻酸鈉質量比

由圖4可以看出，當m（明膠）∶m（海藻酸鈉）=2∶1時，Zeta 電位最接近0 mV，反應最充分，故選擇m（明膠）∶m（海藻酸鈉）=2∶1。

圖4 m（明膠）∶m（海藻酸鈉）對溶液Zeta 電位的影響

2.2.3 芯壁質量比

由表1 可以看出，隨著芯壁質量比的減小，包埋率先增大后減小。這是因為當芯壁質量比較大時，芯材丁香油相對較多，表面油量較多，包埋率較低，隨著芯壁質量比的減小，表面油量逐漸減少，直至達到最大包埋率，隨著芯壁質量比繼續減小，空微膠囊增多，包埋率減小，所以芯壁質量比選擇1∶3，此時包埋率達到最大值。

表1 芯壁質量比對包覆率的影響

2.2.4 壁材用量

由圖5 可知，隨著壁材用量增加，包埋率先增大后減小。這是因為壁材用量較少時，芯材不能被完全包覆，包埋率較低，隨著壁材用量增加，更多芯材被包覆，直至達到最大包埋率，壁材用量繼續增加，空微膠囊增多，包埋率減小，故壁材用量選擇2%。

圖5 壁材用量對包埋率的影響

2.2.5 攪拌轉速

由圖6 可以看出，隨著攪拌轉速增大，包埋率先增大后減小。這是因為當攪拌轉速較低時，反應體系的分散能力較差，微膠囊易聚集，包埋率較低，隨著攪拌轉速的增加，分散效果變好，直至達到最大包埋率，隨著攪拌轉速繼續增加，過高的攪拌速度不利于壁材在芯材表面沉積，包埋率反而減小，所以攪拌轉速選擇500 r/min。

圖6 攪拌轉速對包埋率的影響

2.3 緩釋性

由圖7 可以看出，未被包埋的丁香油揮發率遠遠大于經過包埋的丁香油，表明丁香油在高溫下的釋放速率較快，微膠囊化可以顯著減少其揮發，釋放速率明顯降低。

圖7 丁香油與丁香油微膠囊緩釋性比較

2.4 表征

2.4.1 紅外光譜

由圖8 可看出，海藻酸鈉在3 437 cm-1處有—OH的伸縮振動峰，在1 615 cm-1處有COO—的不對稱伸縮振動峰，在1 415 cm-1處有COO—的對稱伸縮振動峰，在1 032 cm-1處有C—O—C 的伸縮振動峰［18］。明膠在1 633 cm-1處有酰胺中的伸縮振動峰，在1 522 cm-1處有酰胺中N—H 的伸縮振動峰，在1 230 cm-1處有C—N 的伸縮振動峰［19］。丁香油中的伸縮在2 953、1 512、1 272 cm-1處有尖峰。丁香油微膠囊的紅外圖譜中有海藻酸鈉在3 437、1 415、1 032 cm-1處的峰；有明膠在1 633 cm-1處的峰；丁香油在2 953、1 272 cm-1處的特征峰減弱或消失，表明丁香油已經被壁材包埋。

圖8 原料及產物的紅外光譜圖

2.4.2 熱重分析

由圖9 可看出，丁香油微膠囊的熱分解過程可分為3個階段：第一階段，微膠囊質量損失較快（約30%），對應溫度為100 ℃左右，主要由微膠囊中的水分和表面油蒸發所致；第二階段溫度為100～480 ℃，隨著溫度升高，曲線變得平緩，微膠囊質量損失減少，主要是由于明膠和海藻酸鈉之間因靜電作用形成的囊壁遭到破壞，丁香油被分解；第三階段溫度為480～700 ℃，微膠囊的質量損失主要是由于殘留的壁材分解。與丁香油微膠囊相比較，丁香油質量損失明顯，表明微膠囊化對丁香油有很好的保護作用。

圖9 原料及產物的熱重分析圖

2.4.3 SEM

由圖10 可以看出，丁香油微膠囊成球性較好，囊壁上沒有破裂或者空洞，結構較完整。表明在優化工藝條件下制備的丁香油微膠囊較好。

圖10 丁香油微膠囊的SEM 圖

3 結論

（1）制備丁香油微膠囊的優化工藝：pH 為3、明膠和海藻酸鈉質量比為2∶1、芯壁質量比為1∶3、壁材用量為2%、攪拌轉速為500 r/min，在該條件下制備的微膠囊包埋率可達51.69%。

（2）采用復凝聚法制備丁香油微膠囊，再經噴霧干燥法得到的干燥微膠囊結構較完整，成球性較好。

（3）通過紅外光譜分析和熱重分析，丁香油微膠囊已被壁材包埋，且丁香油微膠囊的熱穩定性明顯優于沒有微膠囊化的丁香油。

（4）對微膠囊的緩釋性進行研究發現，經過微膠囊化的丁香油揮發率明顯降低，說明微膠囊化對丁香油有較好的保護作用。