β-環糊精包埋檸檬醛微膠囊工藝優化及其緩釋性能

徐 晶，劉 歡，夏光輝，張添菊

（通化師范學院長白山食品工程研究中心，通化師范學院制藥與食品科學學院，吉林 通化 134000）

β-環糊精包埋檸檬醛微膠囊工藝優化及其緩釋性能

徐 晶，劉 歡，夏光輝，張添菊

（通化師范學院長白山食品工程研究中心，通化師范學院制藥與食品科學學院，吉林 通化 134000）

以β-環糊精為壁材，采用乳化 法制備檸檬醛微膠囊，考察固形物質量分數、乳化劑質量分數和心壁比對檸檬醛微膠囊包埋產率和包埋效率的影響。采用響應面法對3 個單因素工藝參數進行優化，回歸得到二次多項式模型極顯著，模型的相關系數為0.966 1，優化試驗工藝條件為固形物質量分數26%、乳化劑質量分數0.8%和心壁比1∶4。在此條件下進行驗證實驗，檸檬醛微膠囊包埋產率值為78.8%。緩釋性能實驗結果表明，微膠囊化可以明顯降低檸檬醛的揮發速率，Avrami’s方程也可以對檸檬醛微膠囊釋放過程進行較好地擬合。

檸檬醛；β-環糊精；微膠囊；響應面法；控制緩釋

我國天然檸檬醛的植物資源豐富，存在于山蒼子油、檸檬草油、馬鞭草油、垂葉香茅油等植物精油中，其中在山蒼子精油中檸檬醛含量達66%～90%[1-2]。天然檸檬醛具有橙花醛和香葉醛兩種同分異構體，不溶于水，溶于乙醇等有機溶劑中[3-4]。檸檬醛因具有濃郁香氣、天然無毒以及抗氧化和抑菌特性，被作為天然抑菌劑、抗氧化劑 及調味劑等廣泛應用在日用化工、食品工業領域中[5-6]。然而天然檸檬醛容易揮發和氧化變質，嚴重限制了其應用性和持效性。目前，研究人員利用微膠囊化技術解決這一難題[7-8]。

微膠囊可以對植物精油進行包埋，有效保護其免受環境條件的影響，屏蔽不良氣味，延長和控制膜內物質的釋放，提高貯存穩定性[9-10]。用于微膠囊制備的壁材有多種，如淀粉、麥芽糊精、蛋白和殼聚糖等，其中β-環糊精應用最廣泛[11]。β-環糊精（β-cyclodextrin，CD）是直鏈淀粉在環糊精葡萄糖基轉移酶作用下生成的一系列環狀低聚糖的總稱，具有溶于水、無毒和熱穩定等優點[12-13]。β-環糊精是由D-葡萄糖七分子進行環狀聯結而成的化合物，具有一個相對疏水的中心和一個相對親水的表面，將植物精油鑲嵌在中間，可以對植物精油起到脫除異味、穩定活性成分、減少氧化、鈍化光敏性和熱敏性、降低毒性和揮發性、提高溶解性和生物利用度等作用，使植物精油具有更廣泛的應用價值[14-15]。

用于制備微膠囊的方法有復凝聚法、噴霧法、擠壓法、乳化法等，由于乳化法生產能力大，乳化效率高，乳狀液粒徑小，分布均勻且穩定性高[16]，因此，本實驗以β-環糊精為壁材，采用乳化法包埋檸檬醛，考察固形物質量分數、乳化劑質量分數和心壁比對檸檬醛微膠囊包埋產率和包埋效率的影響，利用響應面法對3 個單因素工藝參數進行優化。進一步對檸檬醛微膠囊緩釋性能進行了初探，為檸檬醛微膠囊制備研究提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

檸檬醛 廣州恒香有限公司；β-環糊精、石油醚（沸點為60～90℃）、無水乙醇、單硬脂酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

FJ200-S數顯高速分散均質機 上海標本模型廠；HH-S數顯恒溫水浴鍋 上海博速實業有限公司；DF-101S集熱式磁力攪拌器 鞏義市予華儀器有限公司；LD4-2低速離心機 北京醫用離心機廠；ZK-1型真空干燥箱 上海錦昱科學儀器有限公司；752N型紫外-可見分光光度計 上海博迅實業有限公司醫療設備廠。

1.3 方法

1.3.1 檸檬醛微膠囊制備的工藝

稱取一定質量β-環糊精，加入適量水混勻后，在60 ℃條件下用磁力攪拌器攪拌30 min，使壁材溶解；用95%乙醇溶解單硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯混合乳化劑，再加入檸檬醛，乳化均質，使心材充分乳化；將冷卻到30 ℃壁材與心材兩相混合，用轉速3 500 r/min乳化均質機均質3 min，重復均質3 次；在真空干燥箱（40 ℃）中干燥得到微膠囊產品。

1.3.2 微膠囊包埋產率和效率的測定

稱取2 g包合物粉末于干燥的試管中，加入10 mL石油醚，25 ℃條件下水浴浸提20 min，傾出石油醚相，再加入10 mL石油醚置于剩余殘渣中，水浴浸提15 min，傾出石油醚相，重復上述操作，直到280 nm波長處吸光度為0，合并濾液，將濾液用60 ℃烘箱烘干溶劑，蒸餾出石油醚，稱重得檸檬醛（m1）。再加入10 mL無水乙醇，50 ℃水浴浸提30 min，傾出無水乙醇相，向殘渣中加入10 mL無水乙醇，50 ℃水浴浸提30 min，傾出無水乙醇相重復上述操作，直到280 nm波長處吸光度為0，合并濾液，將濾液用80 ℃烘箱烘干溶劑，蒸餾出無水乙醇，稱質量得檸檬醛（m2）。

式（1）（2）中：Y1為包埋產率/%；Y2為包埋效率/%；m0為加入的檸檬醛質量/g；m1為微膠囊表面的檸檬醛質量/g；m2為微膠囊內部的檸檬醛質量/g。

1.3.3 單因素試驗設計

分別以固形物質量分數（22%、24%、26%、28%、30%、32%）、乳化劑質量分數（0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%）、心壁比（1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6）為單因素進行試驗，考察單因素對微膠囊包埋產率和效率的影響時，其他各因素取值分別為固形物質量分數26%、乳化劑質量分數0.8%、心壁比1∶4。每組試驗重復3 次，采用SPSS 19.0軟件進行單因素試驗數據分析。

1.3.4 工藝條件的優化

以單因素試驗為基礎，采用Design-Expert 8.0.6軟件數據分析，建立Box-Behnken數學模型，試驗因素為固形物質量分數（X1）、乳化劑質量分數（X2）和心壁比（X3），微膠囊包埋產率（Y1）和包埋效率（Y2）作為指標進行分析，試驗因素水平、變化值及編碼見表1。

表1 Box-Behnken試驗因素水平編碼Table 1 Independent variables and their levels used for response surface dessiiggnn

1.3.5 檸檬醛微膠囊緩釋性能的測定

1.3.5.1 檸檬醛保留率的測定[17]

準確稱取2 g檸檬醛和檸檬醛微膠囊，貯存在100 ℃的烘箱中，每隔3 h稱量樣品質量/g。計算檸檬醛和檸檬醛微膠囊保留率，計算公式見式（3）：

式（3）中：Y3為檸檬醛保留率/%；m貯為貯存一定時間樣品質量/g；m初為貯存前樣品質量/g。

1.3.5.2 檸檬醛微膠囊釋放的分析方法

利用Avrami’s方程對檸檬醛微膠囊釋放過程進行分析[18-19]。

式（4）和（5）中：Y3為檸檬醛保留率/%；k為釋放速率常數；n為釋放機理參數；t為貯藏時間/d。

Avrami’s方程可用于氣-固及液-固反應機制的表征時，n=1代表一級反應，n=0.54代表限制擴散反應。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 固形物質量分數對檸檬醛微膠囊包埋產率和效率的影響

圖1 固形物質量分數對包埋產率和包埋效率的影響Fig.1 Effect of solid content on the yield and microencapsulation efficiency of microencapsulate d citral

從圖1可知，固形物質量分數對包埋產率和效率的影響存在極顯著性差異（P＜0.01）。隨著固形物質量分數的增加，包埋產率和包埋效率增加，當固形物質量分數為26%時，包埋產率和包埋效率達最大值，分別為78.3%和59.13%。β-環糊精具有“內腔疏水，外壁親水”的中空的斜截錐形的特殊結構，檸檬醛小分子可以滲透進入β-環糊精界面形成微膠囊[20]。但隨著固形物繼續增加，反應溶液達到飽和而出現沉淀物，降低了檸檬醛微膠囊的包埋產率和效率。

2.1.2 乳化劑質量分數對檸檬醛微膠囊包埋產率和效率的影響

圖2 乳化劑質量分數對包埋產率和包埋效率的影響Fig.2 Effect of emulsifier content on the yield and microencapsulation efficiency of microencapsulated citral

從圖2可知，乳化劑質量分數對包埋產率和效率的影響存在極顯著性差異（P＜0.01）。隨著乳化劑質量分數增加，包埋產率和包埋效率增加，當乳化劑質量分數為0.8%時，包埋產率和包埋效率達最大值，分別為74.2%和58.23%。單硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯混合乳化劑可以降低界面表面張力，油相分子更容易滲透進入β-環糊精內部，提高包埋產率和效率。但隨著乳化劑的質量分數繼續增加，包埋產率和包埋效率逐漸減小，這是因為乳化劑質量分數過高導致乳狀液黏度增大，分子流動性受阻，油相分子無法透過界面膜進入到環糊精內部[21]。

2.1.3 心壁比對檸檬醛微膠囊包埋產率和效率的影響

圖3 心壁比對包埋產率和包埋效率的影響Fig.3 Effect of core material-to-wall material ratio on the yield and microencapsulation efficiency of microencapsulated citral

從圖3可知，心壁比對包埋產率和效率的影響存在極顯著性差異（P＜0.01）。隨著心壁比增加，包埋產率和包埋效率增加，當心壁比為1∶4時，包埋產率和包埋效率值分別為73.5%和59.2%。但隨著心壁比繼續增加，包埋產率增加趨于平緩，而包埋效率逐漸減小。因為壁材添加量過高，壁材通過分子鍵連接在一起，使芯材進入到壁材內部受阻，包埋效率降低[22]；而不能進入到壁材內部的芯材，一小部分附著在壁材的表面上，使包埋產率緩慢增加。

2.2 檸檬醛微膠囊包埋工藝的優化

2.2.1 試驗設計和結果

表2 檸檬醛微膠囊包埋工藝優化試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results for optimization of citral microencapsulation

試驗以檸檬醛微膠囊包埋產率（Y）作為指標，以固形物質量分數（X1）、乳化劑質量分數（X2）和心壁比（X3）為試驗因素，建立檸檬醛微膠囊包埋工藝的Box-Behnken數學模型，試驗設計及試驗結果見表2。

2.2.2 方差分析及回歸方程的建立

以檸檬醛微膠囊包埋產率（Y）為目標函數值，以固形物質量分數（X1）、乳化劑質量分數（X2）和心壁比（X3）為試驗因素的編碼值為自變量，通過二次回歸分析對試驗數據進行回歸擬合，確立檸檬醛產率的最優擬合二次多項式方程：

表3 檸檬醛微膠囊包埋產率的二次回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the quadratic regression model for the yield of microencapsulated citral

由表3可知，回歸模型，P=0.000 1＜0.01，說明二次回歸模型極顯著；F失=6.04，P=0.057 5＞0.05，失擬項不顯著；模型的相關系數R2為0.996 1，響應值變化有99.61%來源于自變量，預測值與實測值之間具有高度的相關性。由此可知，二次回歸模型在顯著水平時不失擬，回歸模型與實際情況擬合性好，可以用此模型來分析和預測檸檬醛微膠囊包埋產率試驗。由回歸方程系數顯著性檢驗可知：模型中一次項X1和X3（P＜0.000 1）極顯著，X2（P＞0.05）不顯著，并且對包埋率的影響由大到小依次為X3＞X1＞X2；交互項X1X3和X2X3（P＜0.05）顯著；二次項X12、X22和X32（P＜0.000 1）極顯著，表明各影響因素對包埋產率的影響不是簡單的線性關系，而是二次項式關系。

2.2.3 響應面試驗結果分析

圖4 各兩因素交互作用對檸檬醛微膠囊包埋產率影響的響應面圖Fig.4 Response surface plots for the effects of operating parameters on the yield of microencapsulated citral

由圖4a可知，在乳化劑質量分數不變的條件下，在選定固形物質量分數和心壁比范圍內存在穩定點，穩定點為檸檬醛微膠囊包埋產率的最高值，兩因素都會引起包埋產率的改變。

由圖4b可知，在固形物質量分數不變的條件下，在選定乳化劑質量分數和心壁比范圍內存在穩定點，穩定點為檸檬醛微膠囊包埋產率的最高值，兩因素都會引起包埋產率的改變。

2.2.4 工藝優化及驗證

為了驗證二次回歸模型方程的合適性和有效性，在試驗水平范圍內，進行最適包埋條件的驗證實驗。驗證實驗對預測值與實驗值是否接近，證明此模型是否有效，具有一定的實踐指導意義。檸檬醛微膠囊產率的優化試驗驗證結果：檸檬醛微膠囊包埋產率（Y）的最大預測值為79.2%，此時3個因素水平分別為固形物質量分數（X1）26.33%、乳化劑質量分數（X2）0.8%和心壁比（X3）1∶4.17。將優化試驗驗證結果修正為固形物質量分數（X1）26%、乳化劑質量分數（X2）0.8%和心壁比（X3）1∶4。在此條件下進行驗證實驗，檸檬醛微膠囊包埋產率（Y）值為78.8%。

2.3 檸檬醛微膠囊緩釋性能

由圖5可知，隨著加熱時間延長，檸檬醛精油和檸檬醛微膠囊的保留率逐漸減小，檸檬醛精油揮發速率大于檸檬醛微膠囊。當加熱時間為18 h時，檸檬醛微膠囊保留率變化趨于平緩，可能因為開始加熱時間主要以揮發β-環糊精表面吸附檸檬醛為主。在加熱30 h時，檸檬醛保留率為28.1%。而檸檬醛微膠囊的保留率只有76.5%，是檸檬醛保留率的2.7 倍。由此可見，微膠囊化可以明顯降低檸檬醛的揮發速率，更有利于精油持續長久地發揮其功效[23]。

圖5 微膠囊化對檸檬醛精油保留率的影響Fig.5 Effect of microencapsulation on retention rate of citral

圖6 檸檬醛微膠囊的Avrami’s回歸分析Fig.6 Avrami regression analysis of citral release from citral microcapsules

根據圖6檸檬醛微膠囊的Avrami’s回歸分析可知，釋放的機理參數（n）為0.873，釋放速率常數（k）為8.551×10-3。檸檬醛微膠囊在100 ℃條件下，釋放反應介于擴散限制動力學和一級反應動力學之間。R2為0.994，說明Avrami’s方程可以對檸檬醛微膠囊釋放過程進行較好的擬合[24-25]。

3 結 論

在單因素的基礎上，采用響應面試驗設計方法，建立以固形物質量分數、乳化劑質量分數和心壁比為試驗因素二次多項式模型。二次回歸模型極顯著，回歸模型與 實際情況擬合性好，可以用此模型來分析和預測檸檬醛微膠囊產率試驗。優化試驗驗證結果修正為固形物質量分數26%、乳化劑質量分數0.8%和心壁比1∶4。在此條件下進行驗證實驗，檸檬醛微膠囊包埋產率值為78.8%。

通過檸檬醛和檸檬醛微膠囊保留率測定發現，檸檬醛微膠囊保留率遠大于檸檬醛，微膠囊化可以明顯降低檸檬醛的揮發速率，更有利于精油持續長久地發揮其功效。同時，采用Avrami’s方程對檸檬醛微膠囊保留率進行回歸分析，檸檬醛微膠囊在100 ℃條件下，釋放反應介于擴散限 制動力學和一級反應動力學之間，方程也可以對檸檬醛微膠囊釋放過程進行較好的擬合。

[1] 陳學恒. 我國天然檸檬醛的利用及鳶尾酮的合成進展[J]. 現代化工, 2002, 22(7): 8-12.

[2] 陳學恒. 我國山蒼子資源利用現狀和產業化前景評述[J]. 林業科學, 2003, 39(4): 134-139.

[3] 和承堯, 于軍. 減壓精餾法分離提取檸檬醛[J]. 云南化工, 2005, 32(5): 9-16.

[4] 楊欣, 姜子濤, 李榮, 等. 檸檬草精油的成分分析和抗氧化能力比較[J]. 食品科技, 2010, 35(8): 311- 316.

[5] MURIEL-GALET V, CERISUELO J P, LóPEZ-CARBALLO G, et al. Evaluation of EVOH-coated PP films with oregano essential oil and citral to improve the shelf-life of packaged salad[J]. Food Cotrol, 2013, 30(1): 137-143.

[6] 王貴強, 孫莎莎, 范開, 等. 檸檬醛/肉桂醛/丁香酚抑制耐氟康唑白色念珠菌機理的試驗[J]. 中國獸醫雜志, 2013, 49(1): 69-71.

[7] DJORDJEVIC D, CERCACI L, ALAMED J. C hemical and physical stability of citral and limonene in sodium dodecyl sulfate-chitosan and gum arabic-stabilized oil-in-water emulsions[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(9): 3585-3591.

[8] MEI L, CHOI S J, ALAMED J, et al. Citral stability in oil-in-sater emulsions with solid or liquid octadecane[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2010, 58(1): 533-536.

[9] ZHAO Qin, HO Chitang, HUANG Qingrong. Effect of ubiquinol-10 on citral stability and off-flavor formation in oil-in-water (O/W) nanoemulsions[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2013, 61(31): 7462-7469.

[10] 劉葵, 劉曦, 蘇雪梅. 改性β-環糊精對茴香醛、檸檬醛的包結研究[J].食品工業科技, 2012, 33(5): 219-222.

[11] 余德順, 楊明. β-環糊精包埋技術及研究進展[J]. 重慶理工大學學報: 自然科學版, 2010, 24(11): 44-49.

[12] SZEJTLI J. Past, present, and future of cyclodextrin research[J]. Pure and Applied Chem istry, 2004, 76(10): 1825-1845.

[13] YUAN Chao, JIN Zhengyu, XU Xueming, et al. Preparation and stability of the inclusion complex of astaxanthin with hydroxypropylβ-cyclodextrin[J]. Food Chemistry, 2008, 109(2): 264-268.

[14] ASTRAY G, GONZALEZ-BARREIRO C, MEJUTO J C, et al. A review on the use of cyclodextrins in foods[J]. Food Chemistry, 2009, 23(7): 1631-1640.

[15] MARQUES H M C. A review on cyclodextrin encapsulation of essential oils and volatiles[J]. Flavour and Fragrance Journal, 2010, 25(5): 313-326.

[16] 毛立科, 許洪高, 高彥祥. 高壓均質技術與食品乳狀液[J]. 食品與機械, 2007, 23(5): 146-149.

[17] 白春清, 韓丹, 熊華, 等. 微藻油微膠囊配方優化及其穩定性研究[J].食品科學, 2010, 31(18): 5-9.

[18] SHIGA H, YOSHII H, NISHIYAMA T, et al. Flavor encapsulation and release characteristics of spray-dried powder by the blend encapsulant of cyclodextrin and gum arabic[J]. Drying Technology, 2001, 19(7): 1385-1395.

[19] 趙麗萍, 韓丹, 熊華, 等. 微藻油微膠囊的釋放動力學[J]. 食品科學, 2010, 31(19): 96-99.

[20] KANO K. Porphyrin-cyclodextrin supramolecular complexes as myoglobin model in water[J]. Colloid and Polymer Science, 2008, 286(1): 79-84.

[21] 萬婷婷, 羅愛平, 張小永, 等. 乳化包埋法制備花椒精油微膠囊的研究[J]. 中國調味品, 2011, 36(2): 34-39.

[22] 李超, 肖佰惠. 超聲法制備苘麻籽油微膠囊的工藝優化[J]. 食品科學, 2011, 32(18): 39-43.

[23] 王娣, 許暉, 汪張貴, 等. 百里香精油的微膠囊制備及其緩釋性能[J].食品科學, 2013, 34(6): 60-63.

[24] SOOTTITANTAWAT A, TA KAYAMA K, OKAMURA K, et al. Microencapsulation of l-menthol by spray drying and its release characteristics[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2005, 6(2): 163-170.

[25] HO B T, JOYCE D C, BHANDARI B R, et al. Release kinetics of ethylene gas from ethylene-cyclodextrin inclusion complexes[J]. Food Chemistry, 2011, 129(2): 259-266.

Optimized Microencapsulation in β-Cyclodextrin and Sustained-Release Properties of Citral

XU Jing, LIU Huan, XIA Guang-hui, ZHANG Tian-ju
(Research Center of Changbai Mountain Food Engineering, College of Pharmaceutical and Food Science, Tonghua Normal University, Tonghua 134000, China)

In this paper, citral microcapsules were prepared using β-cyclodextrin as wall material by emulsification. The yie ld and microencapsulation efficiency of microencapsulated citral were investigated as functions of solid content, emulsifier content and core-to-wall material ratio. The response surface methodology was employed to optimize the three process parameters. A quadratic polynomial regression model was established which was found to be highly significant and have a correlation coefficient of 0.966 1. The optimized experimental conditions were: solid content, 26%; emulsifier content, 0.8%; and core-to-wall material ratio, 1:4, giving a yield of 78.8% in validation experiments. Meanwhile, the sustained-release properties of microcapsules were investigated by comparison with those of the free citral. The results showed that microencapsulation could slow down the release of citral. The release course of the microcapsules could be fitted well with the Avrami equation.

citral; β-cyclodextrin; microcapsule; response surface methodology; sustained release

TS202.3

A

1002-6630（2014）14-0082-05

10.7506/spkx1002-6630-201414016

2013-12-31

吉林省科技發展計劃項目（20130522093JH）；吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（2013494）

徐晶（1970—），女，副教授，碩士，研究方向為農產品加工與質量控制。E-mail：xujingth@126.com