噴霧干燥法制備檸檬醛微膠囊及微膠囊穩定性研究

邱碧寧,周 游,尹學瓊,陳俊華,尹雅芝,朱 莉

(海南大學海南省精細化工工程技術研究中心,海南大學,海口海南 570228)

噴霧干燥法制備檸檬醛微膠囊及微膠囊穩定性研究

邱碧寧,周 游,尹學瓊*,陳俊華,尹雅芝,朱 莉

(海南大學海南省精細化工工程技術研究中心,海南大學,?？诤Ｄ?570228)

以甲基纖維素(MC)、羧甲基殼聚糖(CMCTS)和海藻酸鈉(Alg)為復合壁材,通過層層自組裝法,采用噴霧干燥法制備檸檬醛微膠囊,研究了壁材組成對微膠囊的檸檬醛含量、形態、吸水性能及穩定性的影響,以檸檬醛含量為指標確定檸檬醛微膠囊的最佳壁材組成及工藝條件為:甲基纖維素(內層)0.8 g/50 mL H2O、羧甲基殼聚糖1.0 g/30 mL H2O、海藻酸鈉6.0 g/180 mL H2O、甲基纖維素(外層)0.8 g/50 mL H2O,檸檬醛含量為4.54%。添加雙親性MC作為內層壁材使檸檬醛含量提高了3.12%。以MC作為外層壁材使檸檬醛含量提高了0.23%,90 d內微膠囊的吸水量降低了0.42%,提高了微膠囊在貯存過程中的穩定性。

檸檬醛,微膠囊,噴霧干燥法,甲基纖維素,穩定性

微膠囊技術是一種以高分子物質為壁材包裹芯材(微納米級固體、液體或者氣體),以實現對芯材保護或緩釋的一種加工方法[1],由微膠囊技術形成的微型容器稱為微膠囊[2]。通過對芯材進行微膠囊化處理,可以提高芯材的穩定性,使芯材免受環境(光、熱、環境酸堿性等)的影響;可改善芯材的物理性質和貯存運輸條件;實現芯材的控制緩慢釋放[3-4]。微膠囊技術已在食品、醫藥、紡織、環境、生物、化工等諸多領域獲得廣泛應用。

檸檬醛(C10H16O)是一種脂溶性、易揮發的開鏈單萜類化合物[5]。檸檬醛用途廣泛,是一種重要的單體香料,具有殺蟲驅避、抑菌抗菌、消炎、抗氧化、抗腫瘤等作用[6-11]。檸檬醛受熱、輻射、酸堿等外界因素影響易環化、氧化、分解、聚合而變質。因此,為了提高檸檬醛的應用安全性,對檸檬醛進行微膠囊化具有重要意義。目前微膠囊常用的壁材多為親水性高分子,如淀粉、殼聚糖、海藻酸鈉等,在微膠囊制備過程中,常需添加表面活性劑以提高脂溶性芯材的包埋率,表面活性劑的使用增加了微膠囊的使用風險。另外,親水性壁材容易吸收環境中的水分而發生壁材溶脹甚至破裂,導致芯材泄漏或變質,影響微膠囊的品質。目前微膠囊有單層微膠囊和多層微膠囊,單層微膠囊在密封性、韌性、強度上都會存在一定的不足,而多層微膠囊壁殼較厚,具有良好的強度、韌性、密封性以及抗氧化性[12]。層層自組裝技術是一種常用的多層微膠囊制備方法,其原理是基于靜電吸附及氫鍵等作用力,在經活化帶電荷的基材表面逐層吸附上帶相反電荷的聚合電解質從而形成多層膜[13]。

本文以檸檬醛為芯材,利用層層自組裝法,以甲基纖維素為乳化劑,同時作為壁材與羧甲基殼聚糖、海藻酸鈉協同使用,通過噴霧干燥法制備檸檬醛微膠囊,研究了壁材的組成對微膠囊檸檬醛含量、形貌、結構及吸水性能的影響,得出微膠囊最佳制備條件及貯存環境,以為檸檬醛微膠囊的制備及貯存提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

檸檬醛(97%順式+反式)、甲基纖維素、羧甲基殼聚糖 阿拉丁公司;海藻酸鈉國藥集團;無水乙醇 廣州試劑廠。

YC-015噴霧干燥機 上海雅程儀器設備公司;FJ200-S均質機 杭州精細設備廠;AL204電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;JJ-1機械攪拌器、超聲波清洗器 上海機械儀器公司;Lambda 750s紫外-可見-近紅外分光光度計 美國PE公司;S-3000N 30 kV掃描電子顯微鏡 日立公司;Leica DMRX偏光顯微鏡 德國徠卡(Leica)公司;NanoZS90馬爾文激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 微膠囊的制備

將一定量的甲基纖維素(0、0.6、0.7、0.8 g)溶于50 mL H2O中,用機械攪拌器攪拌30 min全部溶解后滴加1.5 mL檸檬醛,繼續機械攪拌30 min后均質(10000 r/min,10 min);稱取一定量的羧甲基殼聚糖(0.8、1.0、1.2 g)溶于30 mL H2O中,機械攪拌器攪拌1 h全部溶解后均質(10000 r/min,10 min),均質完成后緩慢滴入到檸檬醛/甲基纖維素混合液中。稱取一定量的海藻酸鈉(5.5、5.7、6.0 g)溶于180 mL H2O中,機械攪拌全部溶解后均質(10000 r/min,10 min),均質完成后滴加到檸檬醛/甲基纖維素/羧甲基殼聚糖混合液中。將一定量的甲基纖維素(0、0.6、0.7、0.8 g)溶于50 mL H2O中,機械攪拌1 h全部溶解后均質(10000 r/min,10 min),均質完成后逐滴滴入檸檬醛/甲基纖維素/羧甲基殼聚糖/海藻酸鈉混合液中,將所得到的溶液進行噴霧干燥。通過考察噴霧、料液進入及微膠囊干燥狀況,不斷優化實驗條件,確定噴霧干燥條件為:進風溫度240 ℃,通針2 s/次,蠕動泵52 r/h。由于檸檬醛沸點為118 ℃,噴霧干燥過程中,表面檸檬醛揮發,即得檸檬醛微膠囊。

1.3 微膠囊檸檬醛含量的測定

1.3.1 吸收波長的確定 配置適當濃度的檸檬醛標準溶液,以空白無水乙醇作為參比,在200～800 nm波長范圍內掃描,結果顯示檸檬醛在328 nm處有最大吸收峰。

1.3.2 標準曲線的繪制 準確稱取0.2000 g的檸檬醛置于50 mL容量瓶中,用無水乙醇溶解定容至刻度,配制成濃度為0.004 g/mL的標準溶液。吸取上述標準溶液1、2、3、4、5、6 mL分別置于10 mL容量瓶中,用無水乙醇定容后搖勻,并分別在檸檬醛最大吸收波長328 nm處讀取吸光度值。以濃度為橫坐標,吸光度值為縱坐標,繪制標準曲線,得線性回歸方程:y=36.10x-0.041,R2=0.99。

1.3.3 微膠囊檸檬醛含量的測定 稱取0.2000 g檸檬醛微膠囊經研磨后,用無水乙醇定容至25 mL容量瓶中,超聲1 h后用注射過濾器過濾,測定濾液的吸光度,按公式(1)計算得檸檬醛含量。

式(1)

式(1)中，W-檸檬醛含量,%;x-微膠囊質量,g;y-濾液的吸光度。

1.4 微膠囊的吸水性能

按照1.2微膠囊的制備方法,制備出最外層包有甲基纖維素和最外層不包有甲基纖維素的微膠囊,為避免外界環境對微膠囊的影響,將制備好的微膠囊封口貯存于市售食品密封袋中,以此模仿檸檬醛微膠囊的真實貯存環境。第7、14、25、60、90 d取出部分觀測其質量和形貌的變化;為考察貯存環境對微膠囊的影響,將兩種體系的樣品貯存于不同的裝置中(培養皿、封口袋、加蓋培養皿、稱量瓶),每隔24 h稱量其質量的變化,質量變化率由公式(2)計算所得。

式(2)

式(2)中Mt-第t天微膠囊的質量,g；M0-第0天微膠囊的質量,g。

1.5 微膠囊形貌測試

1.5.1 乳液偏光和Zeta電位測試 以檸檬醛為芯材制備微膠囊,作為壁材的甲基纖維素、羧甲基殼聚糖以及海藻酸鈉的添加順序對乳液成球的狀態和穩定性有影響。為確定最佳壁材添加順序,制備了具有不同壁材的檸檬醛乳液,包括a1:檸檬醛+CMCTS、a2:檸檬醛+Alg、a3:檸檬醛+MC+ CMCTS、a4:檸檬醛+MC+ Alg、a5:檸檬醛+MC+ CMCTS+Alg、a6:檸檬醛+MC+ Alg+CMCTS、b1:檸檬醛+CMCTS +MC、b2:檸檬醛+Alg+ MC、b3:檸檬醛+MC+ CMCTS+MC、b4:檸檬醛+MC+ Alg+MC、b5:檸檬醛+MC+ CMCTS+Alg+MC、b6:檸檬醛+MC+ Alg+CMCTS+MC,采用偏光顯微鏡觀察不同壁材添加順序形成的乳液中微膠囊的成球狀態,采用馬爾文激光粒度儀測試不同壁材添加順序對微膠囊Zeta電位的影響。Zeta電位測試方法和條件:稱取1 g制備的乳液分散于50 mL去離子水中并攪拌2 h;選用通用型可拋棄型聚苯乙烯樣品池;每個樣品測試兩次。

圖1 不同壁材組成微膠囊乳液的顯微鏡圖Fig.1 Microscopes images of emulsions with different wall materials

1.5.2 微膠囊形貌的測試 采用掃描電鏡觀察微膠囊的表觀形貌。將制備好的微膠囊用雙面膠粘貼于樣品臺上后進行噴金。噴金條件:抽真空至壓力小于10 Pa,并持續3～4 min;控制電流量在15 mA以上;噴金時間為120 s。掃描電鏡條件為:功率為10 kVA,樣品放置高度為15 mm。

2 結果與討論

2.1 壁材添加順序對乳液成球狀態及乳液穩定性的影響

為確定最佳壁材添加順序,用偏光顯微鏡在放大100倍下觀察不同壁材添加順序所得乳液的成球狀態,結果如圖1所示。用馬爾文激光粒度儀測試不同壁材添加順序所得乳液的電位,結果如表1所示。

由于乳液的Zeta電位值(正/負)越高,乳液體系越穩定[14]。由表1可知,檸檬醛溶液體系的電位值為-14 mv,其余的任意一種包裹檸檬醛的微膠囊的電位值均小于檸檬醛,說明采用微膠囊法包裹檸檬醛可以提高檸檬醛在水中的穩定性。對比a3、a4和a1、a2可以發現,最內層添加甲基纖維素有利于檸檬醛的包埋;這是由于甲基纖維素帶有親油的甲基和親水的羥基,親油基與檸檬醛存在疏水作用,有助于形成微膠囊。外層的羧甲基殼聚糖和海藻酸鈉通過靜電吸附和氫鍵作用,依次沉積到液滴表面,形成多層乳液[12]。由圖1和表1可見,比較a組、b組中不同壁材乳液的Zeta電位和微膠囊形態,a2的Zeta電位值-70.3是最小的,但是它的乳液成球不規則,不利于包裹檸檬醛。結合微膠囊乳液的成球情況和Zeta電位綜合情況,b5成球情況良好,粒徑為285 nm,Zeta電位值-56.9 mv,低于其余體系,所以本實驗采用此體系,該體系利用了甲基纖維素的雙親性提高檸檬醛與壁材的相容性,提高包埋率,且避免了添加表面活性劑。

表1 微膠囊乳液的Zeta電位和成球情況Table 1 The Zeta potential and optical images of microcapsule emulsions

表2 壁材組成對微膠囊檸檬醛含量的影響Table 2 Effects of wall materials composition on the citral content of the microcapsules

2.2 微膠囊制備條件對微膠囊檸檬醛含量的影響

制備檸檬醛+MC+CMCTS+Alg+MC體系(A體系)微膠囊和最內層不含甲基纖維素的檸檬醛微膠囊,在單因素實驗基礎上考察不同壁材組成和含量對微膠囊檸檬醛含量的影響[15],結果如表2所示。

由表2可知,本體系所制得的微膠囊的檸檬醛含量為2.02%～4.54%,而最內層沒有加甲基纖維素的CMCTS1.0-0檸檬醛含量為1.42%。比較CMCTS0.8三組數據或CMCTS1.0三組數據或CMCTS1.2三組數據可以發現羧甲基殼聚糖的量不變,同步增加內層甲基纖維素、海藻酸鈉及外層甲基纖維素的量,檸檬醛含量有所降低,原料增加導致攪拌不夠徹底,使得有些檸檬醛沒有很好地被包裹在壁材內,有部分揮發進入空氣中[16-17]。同時可看出,CMCTS1.0組的檸檬醛含量為2.05%～4.54%,普遍大于CMCTS0.8和CMCTS1.2,原因是當壁材量較小時,包裹檸檬醛不夠多;而當壁材量較大時,乳液粘度增加,同樣的噴霧干燥條件,霧化速度會下降導致進料時停滯時間增長[18],增加檸檬醛的損失,產率下降,檸檬醛含量減少,所以需選擇合適的壁材用量。因此,當壁材組成為甲基纖維素(內層)0.8 g/50 mL H2O、羧甲基殼聚糖1.0 g/30 mL H2O、海藻酸鈉6.0 g/180 mL H2O、甲基纖維素(外層)0.8 g/50 mL H2O時,檸檬醛含量最大,為4.54%。為說明最內層甲基纖維素的添加效果,以檸檬醛+CMCTS+Alg+MC為體系,CMCTS1.0-4檸檬醛含量為1.42%,表明甲基纖維素作為乳化劑,確實有效提高了檸檬醛的包埋率;為說明最外層甲基纖維素的添加效果,另做對比實驗,以檸檬醛+MC+ CMCTS+Alg為體系(B體系),CMCTS1.0-4檸檬醛含量為4.31%,表明最外層添加甲基纖維素有利于提高檸檬醛微膠囊的含油量,游離在膠囊外的檸檬醛被新添加的甲基纖維素進一步包裹到微膠囊內,從而提高了檸檬醛的含量[19-20]。

2.3 微膠囊的穩定性研究

圖2 不同貯存時間檸檬醛微膠囊的吸水情況Fig.2 Water absorption capacities of citral microcapsules at different storage time

圖3 檸檬醛微膠囊不同時間的表觀形貌Fig.3 Morphology of citral microcapsules at the different storage time

考察微膠囊的吸水性能,選取CMCTS0.8-3、CMCTS1.0-3、CMCTS1.2-3為測試對象,并以這三個樣品相同條件制備最外層未包有甲基纖維素的B體系微膠囊MC1、MC2、MC3,觀測這六組的微膠囊在第7、14、25、60、90 d時吸水量變化情況,結果如圖2所示。比較這5個時間段,發現第1～7 d比第7～14 d增長速度較快,因為開始時,空氣中的水分含量大于微膠囊表面水分含量,微膠囊吸收空氣中水分的能力強,因此吸收的水分量多;隨著時間的推移,空氣中的水分含量與微膠囊表面水分含量相近,微膠囊的表面水分需經過微膠囊的孔道向內部滲透,傳質阻力增大,因此其吸收的水分量逐漸減少[21]。第24 d時,A體系吸水量趨于穩定,吸水量最低的CMCTS1.0-3的吸水量只有0.15%。而以B體系最低吸水量MC-2的吸水量有0.57%。經過90 d后兩種體系微膠囊質量均有提高,但明顯每個時間段以及最終吸水量A體系都遠低于B體系。可見最外層添加甲基纖維素有效提高了微膠囊的疏水性和穩定性。

表3 不同貯存條件微膠囊質量隨時間的變化Table 3 The mass of microcapsules stored in different environments at different time

微膠囊吸收水分對微膠囊的表觀形貌有一定的影響,因此使用掃描電鏡放大2000倍觀察A體系下的最優條件CMCTS1.0-3微膠囊和B體系下的最優條件MC-2微膠囊的表觀形貌,結果如圖3所示。比較兩種體系可知相隔14 d及90 d后的微膠囊的表面裂紋有所增加,是微膠囊親水性壁材在長期貯存過程中吸收了空氣中的水分,發生溶脹所致。在第90 d時,CMCTS1.0-3微膠囊中大顆粒微球表面能看到裂紋,大部分微球表面沒有明顯裂紋,而MC-2大部分微膠囊都出現了大量明顯紋路,兩體系對比說明,最外層為甲基纖維素的A體系更為穩定。

將兩種體系的樣品在不同時間和貯存條件下的質量變化結果如表3所示。由表3可見,微膠囊分別放入不同容器中，放置于空氣中一段時間后,各個容器中微膠囊的質量均有所增加,在稱量瓶中的樣品變化最慢,其次是封口袋、加蓋小培養皿,最后是完全暴露在空氣中的培養皿。結果顯示,即使檸檬醛被微膠囊包裹,仍需注意貯存環境對其安全性的影響,在貯存微膠囊時,應選擇合適的微膠囊貯存方法,選擇較為封閉的環境內儲存,以確保微膠囊的穩定性。由表3結果可知,兩種體系在相同時間內,A體系微膠囊質量變化不如B體系微膠囊質量變化大,吸水量更少,說明最外層添加了甲基纖維素的A體系吸水更少,更穩定。

3 結論

本文采用層層自組裝和噴霧干燥法制備了檸檬醛微膠囊,確定了最佳檸檬醛微膠囊組份添加順序為檸檬醛、甲基纖維素、羧甲基殼聚糖、海藻酸鈉、甲基纖維素,探討了壁材組成對檸檬醛含量的影響,在甲基纖維素(內層)0.8 g/50 mL H2O,羧甲基殼聚糖1.0 g/30 mL H2O,海藻酸鈉6.0 g/180 mL H2O,甲基纖維素(外層)0.8 g/50 mL H2O條件下,檸檬醛含量最大,為4.54%。添加甲基纖維素作為最內層壁材,微膠囊的檸檬醛含量提高了3.12%。最外層含有甲基纖維素的微膠囊比最外層不含甲基纖維素的微膠囊檸檬醛含量提高了0.23%,吸水量降低了0.42%,穩定性更好。本研究還發現不同貯存條件下微膠囊的吸水性能存在較大差異,需選擇較為封閉的貯存環境以確保微膠囊穩定性。本研究為制備穩定性更好的香料微膠囊以及安全貯存香料微膠囊提供了較好的理論依據。

[1]蔡濤,王丹,宋志祥,等. 微膠囊的制備技術及其國內應用進展[J].化學推進劑與高分子材料,2010,8(2):20-26.

[2]韓路路,畢良武,趙振東,等. 微膠囊的制備方法研究進展[J].生物質化學工程,2011,45(3):41-46.

[3]林書樂,王坤,程江,等. 微膠囊技術新進展[J]. 高分子材料科學與工程,2012,28(5):179-182.

[4]韓薇妍,趙有璽,龔平. 微膠囊結構與性能的研究進展[J]. 中國生物工程雜志,2010,30(1):104-110.

[5]Yang Xiaoqing,Tian Huaixiang,Chi-Tang Ho,et al. Stability of Citral in Emulsions Coated with Cationic Biopolymer Layers[J]. J. Agric.Food Chem,2012,60:402-409.

[6]Jun-Hyung Tak,Murray B. Isman. Metabolism of citral,the major constituent of lemongrass oil,in the cabbage looper,Trichoplusia ni,and effects of enzyme inhibitors on toxicity and metabolism[J]. Pesticide Biochemistry and Physiology,2016,133:20-25.

[7]Oyedele AO,Gbolade AA,Sosan MB,et al. Formulation of an effective mosquitorepellent topical product from lemongrass oil [J].Phytomedicine,2002,9(3):259-262.

[8]Hao HL,Wei JR,Dai JQ,et al. Host-seeking and blood-feeding behavior of Aedes albopictus(Diptera:Culicidae)exposed to vapors of geraniol,citral,citronellal,eugenol,or anisaldehyde [J]. Journal of Medical Entomology,2008,45(3):533-539.

[9]王新偉,崔言開,田雙起,等. 牛至油,香芹酚,檸檬醛和肉桂醛的抗氧化性能研[J]. 食品工業科技,2013,34(14):311-313.

[10]Ortiz M I,González-García M P,Ponce-Monter H A,et al.Synergistic effect of the interaction between naproxen and citral

on inflammation in rats[J]. Phytomedicine,2010,18(1):74-79.

[11]Lee H J,Jeong H S,Kim D J,et al. Inhibitory effect of citral on NO production by suppression of iNOS expression and NF-κB activation in RAW264. 7 cells[J]. Archives of pharmacal research,2008,31(3):342-349.

[12]林傳舟,李進偉,蔣將,等. 亞麻籽油多層微膠囊的制備及性質研究[J].中國油脂,2016,41(1):17-21.

[13]Johnston A,Cortez C,Angelatos A S,et al. Layer-by-layer engineered capsules and their applications[J].Curr Opin Colloid Interface Sci,2006,11(4):203-209.

[14]田永紅,郭奕光,翟曉梅,等. 非離子表面活性劑形成微乳體系的規律性研究[J]. 日用化學工業,2015,45(3):137-142.

[15]陳娟，尹學瓊，王旭裕，等.甲基纖維素/殼聚糖/海藻酸鈉茶樹油微膠囊的制備及穩定性[J]. 海南大學學報自然科學版，2015，33(4)：359-364.

[17]張艷,李嫻,陳水林,等. 緩釋型香精微膠囊的制備及應用[J]. 日用化學工業,2007,37(1):31-33.

[18]Asli Can Karaca,Nicholas Low,Michael Nickerson. Encapsulation of Flaxseed Oil Using a Benchtop Spray Dryer for Legume Protein-Maltodextrin Microcapsule Preparation [J]. J. Agric. Food Chem,2013,61:5148-5155.

[19]邵慶輝,古國榜,章莉娟,等.微乳液系統的研究和應用現狀與展望[J]. 江蘇化工,2002,30(1):18-23.

[20]楊若木,劉云.微乳液的化妝品及洗滌劑中的應用[J]. 日用化學工業,2005,35(1):49-51.

[21]牛育華,趙冬冬,張靜,等. 殼聚糖包覆腐殖酸微膠囊的制備及其保水性能[J].精細化工,2016,33(3)：271-276.

Preparation of citral microcapsules through spray-dring and the stability of the micorcapsules

QIU Bi-ning,ZHOU You,YIN Xue-qiong*,CHEN Jun-hua,YIN Ya-zhi,ZHU Li

(Hainan Provincial Fine Chemical Engineering Research Center,Hainan University,Haikou 570228,China)

Spray-drying and layer by layer self-assembly method were employed to prepare citral microcapsule,using methylcellulose(MC),carboxymethyl chitosan(CMCTS)and sodium alginate(Alg)as the wall materials components. The effects of wall material composition on citral content,morphology,water absorption,and stability of the citral microcapsules were investigated. The optimum wall material composition and prepare conditions were as follows:MC(in)0.8 g/50 mL H2O,CMC 1.0 g/30 mL H2O,Alg 6.0 g/180 mL H2O,MC(out)0.8 g/50 mL H2O,the citral content of citral microcapsule being 4.54%. Using amphiphilic MC as the inner wall materials improved the citral content by 3.12%. Using MC as the outer wall material increased the citral content of citral by 0.23%,reduced the water absorption of microcapsules by 0.42% in 90 days and improved the stability of the microcapsules during storage.

citral;microcapsule;spray-drying;methylcellulose;stability

2017-01-16

邱碧寧(1992-)，女，碩士，主要從事精細化工方面研究工作，E-mail:575662250@qq.com。

*通訊作者:尹學瓊(1975-)，女，博士，教授，研究方向：生物資源的開發與利用,E-mail:yxq88@hotmail.com。

國家自然科學基金資助項目(21466011；21264007)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)15-0190-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.036