殼聚糖/明膠/纖維素納米晶體復(fù)合壁材制備香精微膠囊

蔣天艷 劉婉嫕 王 聰 李宇航 欒云浩 劉鵬濤

（天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

檸檬香精是揮發(fā)性植物油中一種重要的精油，作為香水和化妝品的重要原料之一，被大量運(yùn)用在化工、食品、醫(yī)療等行業(yè)[1-2]。但是，香精是一種極具活性的物質(zhì)，在儲(chǔ)存或使用時(shí)極易造成香精的揮發(fā)、變質(zhì)，使其利用率降低，造成浪費(fèi)。微膠囊技術(shù)既能使香精反應(yīng)活性降低，又能調(diào)節(jié)其香氣使之穩(wěn)定、長(zhǎng)期的散發(fā)[3]。

微膠囊（microcapsules）是以高分子材料為壁材，對(duì)化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的氣體、液體或固體進(jìn)行包裹的一種微型容器[4]。壁材是目前影響微膠囊產(chǎn)品性能的主要因素，比較常見(jiàn)的壁材有殼聚糖、β-環(huán)糊精、明膠、改性淀粉和纖維素衍生物等[5]。殼聚糖（CS）是一種含有氨基的高分子多糖，其反應(yīng)活性強(qiáng)，能被其他物質(zhì)化學(xué)修飾，被視為制備微膠囊的理想壁材[6]。明膠（GE）是重要的天然兩親大分子，具有獨(dú)特的功能特性和出色的生物相容性和生物降解性，被廣泛用于食品、微膠囊和制藥工業(yè)[7]。Kanha 等人[8]以明膠-阿拉伯膠和殼聚糖-羧甲基纖維素為原料，采用噴霧-冷凍干燥復(fù)合共混乳液法制備了富含花青素的微膠囊，其包埋率達(dá)到84.9%～94.7%。纖維素納米晶體（CNC）是利用酸、酶或機(jī)械法去掉纖維素非結(jié)晶區(qū)后剩余的高結(jié)晶區(qū)，因其具有低密度、高比強(qiáng)度和模量，以及高度帶電的表面而受到廣泛的關(guān)注。CNC 既可以作為大分子交聯(lián)劑應(yīng)用于微膠囊壁材，也可以作為壁材的增強(qiáng)劑，改善復(fù)合材料的機(jī)械性能，而且不會(huì)引起原材料內(nèi)部性能的重大變化[9]。

因此，本研究以CNC 與GE、CS 共同作為微膠囊的壁材，檸檬香精為芯材，采用復(fù)凝聚法制備香精微膠囊。探討香精微膠囊的最佳制備條件，并對(duì)香精微膠囊進(jìn)行表征。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1原料及試劑

檸檬香精，購(gòu)于嘉興大好家食品科技有限公司。殼聚糖（CS），分子質(zhì)量150～240 kDa，工業(yè)品（脫乙酰度≥95%），購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司。明膠（GE），購(gòu)于北京索萊寶科技有限公司。纖維素納米晶體（CNC），以硫酸水解法實(shí)驗(yàn)室自制。冰乙酸，分析純，購(gòu)于天津渤化化學(xué)試劑有限公司。吐溫-20，購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司。乙醇，分析純，購(gòu)于天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠。

1.2香精微膠囊的制備

1.2.1CS/GE/CNC香精微膠囊（香精微膠囊）的制備

將CS粉末溶解于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的稀醋酸（冰乙酸稀釋后得到）中，制備成帶正電荷的CS 溶液，磁力攪拌30 min 后用0.2 μm 的微孔濾膜過(guò)濾。將一定量的GE 溶解于40℃的水中，加入檸檬香精和吐溫-20，磁力攪拌30 min，使其充分乳化。調(diào)節(jié)pH 值至5.8～6.2，然后在劇烈攪拌下將CS-醋酸溶液滴加到GE 乳液當(dāng)中，繼續(xù)攪拌30 min。再將一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CNC 加入至上述攪拌好的溶液中，繼續(xù)攪拌2 h。反應(yīng)結(jié)束后于室溫下離心、抽濾、洗滌、真空冷凍干燥得到香精微膠囊。

1.2.2CS/GE香精微膠囊的制備

首先將CS粉末溶解在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的稀醋酸中配制成CS-稀醋酸溶液，磁力攪拌30 min 后用0.2 μm的微孔濾膜過(guò)濾。將一定量的GE 溶于40℃的水中，并加入檸檬香精和乳化劑吐溫-20，高速攪拌30 min。將攪拌好的乳液調(diào)節(jié)pH 值至6.0～6.3，隨后向乳液中滴加CS-稀醋酸溶液繼續(xù)攪拌1 h。反應(yīng)結(jié)束后于室溫下離心、抽濾、洗滌、真空冷凍干燥得到CS/GE香精微膠囊。

1.3香精微膠囊包埋率的測(cè)定

香精微膠囊表面檸檬香精質(zhì)量的測(cè)定：稱取1 g香精微膠囊溶于10 mL 乙醇中，在8000 r/min 下離心30 min 后用0.2 μm 的濾膜抽濾得到上清液，采用TU-1810 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）在240 nm 處測(cè)定上清液中檸檬香精的吸光度，根據(jù)檸檬香精紫外標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出香精微膠囊表面的檸檬香精質(zhì)量。

香精微膠囊中檸檬香精總質(zhì)量的測(cè)定：稱取1 g香精微膠囊樣品溶于10 mL乙醇中，經(jīng)30℃，600 W超聲波處理1 h 使香精微膠囊的壁材破碎[10]，再用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量240 nm 波長(zhǎng)下檸檬香精的吸光度，計(jì)算出香精微膠囊表面和包埋其中的檸檬香精總質(zhì)量。

式中，Q為包埋率，%；Wt為香精微膠囊表面的檸檬香精質(zhì)量，mg；W0為香精微膠囊中檸檬香精總質(zhì)量，mg。

1.4香精微膠囊粒徑的測(cè)定

使用純凈水作為背景，測(cè)定背景后加入香精微膠囊分散液使溶液充分混合，控制其濃度在可測(cè)試范圍內(nèi)，通過(guò)LS13320 型激光粒度分析儀（LDPSA，美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司）測(cè)定香精微膠囊粒徑大小和分布狀況。

1.5香精微膠囊結(jié)構(gòu)性能分析

采用JSM-IT300LV 型掃描電子顯微鏡（SEM，日本電子公司）觀測(cè)香精微膠囊的微觀形貌；采用TENSOR II 型傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，天津港東科技發(fā)展股份有限公司）分別對(duì)CS、CNC、GE、液體檸檬香精及香精微膠囊粉末進(jìn)行紅外光譜測(cè)定；采用Bruker D8 型X 射線衍射儀（XRD，德國(guó)布魯克AXS 公司）對(duì)壁材和香精微膠囊的結(jié)晶情況進(jìn)行分析。采用SDT650 型熱重分析儀（TGA，美國(guó)TA 儀器）分析壁材和香精微膠囊的熱穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香精微膠囊粒徑及包埋率的影響

固定CNC 溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，乳化速度為700 r/min，芯壁比（芯材與壁材的質(zhì)量比）為2∶1，考察壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)香精微膠囊包埋率和粒徑的影響。

由圖1 可知，隨著壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，包埋率先升高后降低，香精微膠囊的粒徑呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，香精微膠囊包埋率達(dá)到最大。當(dāng)壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時(shí)，香精微膠囊的粒徑增大，但包埋率反而下降，這是由于此時(shí)單位體積內(nèi)的壁材濃度過(guò)高導(dǎo)致壁材相互粘連，乳化不充分，包埋效果減弱。

圖1 壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粒徑和包埋率的影響Fig.1 Effect of mass fraction of wall material on particle size and encapsulation efficiency

2.2CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)香精微膠囊粒徑及包埋率的影響

固定壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，乳化速度為700 r/min，芯壁比為2∶1，考察CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)香精微膠囊包埋率和粒徑的影響。

由圖2可知，隨著CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，香精微膠囊的粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，而包埋率則呈現(xiàn)完全相反的趨勢(shì)。當(dāng)CNC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，香精微膠囊的粒徑和包埋率分別達(dá)到了最小和最大值，這是由于CS 中帶正電荷的-NH3+與CNC 中帶負(fù)電荷的-SO42-和GE 中帶負(fù)電荷-COO-3 種電荷達(dá)到平衡摩爾配比。繼續(xù)增大CNC 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，會(huì)導(dǎo)致體系中陰離子濃度增大，正負(fù)電荷平衡遭到破壞，致使粒徑增大，而包埋率減小。

圖2 CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)粒徑和包埋率的影響Fig.2 Effect of CNC mass fraction on particle size and encapsulation efficiency

2.3芯壁比對(duì)香精微膠囊粒徑及包埋率的影響

芯壁比為芯材檸檬香精與壁材的質(zhì)量比，檸檬香精與壁材質(zhì)量比的變化影響了粒徑和包埋率，通過(guò)改變檸檬香精添加量即達(dá)到芯壁比的變化，所以此處討論了檸檬香精添加量的變化對(duì)香精微膠囊粒徑和包埋率的影響。固定壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，乳化速率為700 r/min。

由圖3 可知，隨著檸檬香精添加量的增加即芯壁比的增大，香精微膠囊的粒徑先增大后減小，包埋率也呈現(xiàn)了先增加后下降的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)檸檬香精添加量較少時(shí)，檸檬香精形成了極小的液滴分散于溶液中，CS 與GE、CNC 交聯(lián)形成壁材時(shí)包裹的檸檬香精含量較少，致使香精微膠囊粒徑較小。但是隨著檸檬香精添加量的增加，檸檬香精液滴之間相互碰撞發(fā)生聚集導(dǎo)致檸檬香精液滴逐漸增大，從而導(dǎo)致香精微膠囊的粒徑逐漸變大。當(dāng)芯壁比高于2∶1 時(shí)，體系中的壁材含量減少，香精微膠囊壁變薄，粒徑開(kāi)始變小。當(dāng)芯壁比為3∶1 時(shí)，香精微膠囊的包埋率達(dá)到最大，之后也開(kāi)始下降。

圖3 芯壁比對(duì)粒徑和包埋率的影響Fig.3 Effect of core-wall ratio on particle size and encapsulation efficiency

2.4乳化速率對(duì)香精微膠囊粒徑和包埋率的影響

固定壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，芯壁比為3∶1，考察乳化速率對(duì)香精微膠囊粒徑和包埋率的影響。

由圖4 可知，隨著乳化速率的增加，粒徑先減小后增大，包埋率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于乳化速率較小時(shí)，油相不能被很好地乳化，乳化不均勻?qū)е铝捷^大。在乳化速率為900 r/min 時(shí)，香精微膠囊的包埋率最大，為74.35%。當(dāng)乳化速率繼續(xù)增大時(shí)，包埋率明顯降低。這是由于乳化速率太大時(shí)產(chǎn)生了大量的泡沫，影響了香精微膠囊的質(zhì)量。

圖4 乳化速率對(duì)粒徑和包埋率的影響Fig.4 Effect of emulsification rate on particle size and encapsulation efficiency

綜上所述，最佳制備工藝條件為壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，CNC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，芯壁比3∶1，乳化速率900 r/min。

2.5SEM分析

香精微膠囊的微觀形態(tài)在香精包埋過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，會(huì)影響最終產(chǎn)品的物理化學(xué)特性[11]。圖5 為香精微膠囊放大3500 倍和13000 倍的SEM 圖，從圖5可以看出，香精微膠囊整體接近球形，表面沒(méi)有縫隙或裂紋，有利于降低透氣性，對(duì)芯材實(shí)現(xiàn)更好的保護(hù)。然而有些香精微膠囊表面出現(xiàn)皺縮，這是由于小液滴干燥初始階段形成不均勻表面膜所致。從圖5(a)還可以看出，香精微膠囊的粒徑分布大多在1.8～5.2 μm 范圍內(nèi)。香精微膠囊顆粒呈現(xiàn)出不同程度的團(tuán)聚，主要?dú)w因于壁材的吸濕特性。

圖5 香精微膠囊的SEM圖Fig.5 SEM images of lemon fragrant microcapsules

2.6FT-IR分析

圖6 為CNC、CS、GE、檸檬香精和香精微膠囊的FT-IR 譜圖。從圖6 可以看出，CNC 具有以下特征峰：3343 cm-1處為—OH 的伸縮振動(dòng)峰，2898 cm-1處為C—H 的伸縮振動(dòng)峰，1382 cm-1處為C—H 的彎曲振動(dòng)峰，1058 cm-1處為C—O—C伸縮振動(dòng)峰[12]。

CS 在2884 cm-1處出現(xiàn)C—H 的伸縮振動(dòng)吸收峰，1643 cm-1處為酰胺Ⅰ帶的C=O 伸縮振動(dòng)吸收峰，1612 cm-1處為—NH2的變形振動(dòng)吸收峰，1083 cm-1處出現(xiàn)—CH3對(duì)稱變形振動(dòng)以及C—O骨架振動(dòng)吸收峰。

GE 是一種蛋白質(zhì)，具有4 個(gè)特征吸收峰，即酰胺A 帶、酰胺Ⅰ帶、酰胺Ⅱ帶和酰胺Ⅲ帶[13]。由圖6可知，3432 cm-1為N—H 的伸縮振動(dòng)峰，1635 cm-1處為酰胺Ⅰ帶的C=O的伸縮振動(dòng)峰[14]。

圖6 FT-IR譜圖Fig.6 FT-IR spectra

檸檬香精出現(xiàn)了大量的吸收峰，表明其存在大量的官能團(tuán)。879 cm-1處為=C—H 彎曲振動(dòng)峰，1045 cm-1處為苯環(huán)上C—H 伸縮振動(dòng)峰。1382、1643和2973 cm-1處分別為C—O—C、C=C 和C—H 的伸縮振動(dòng)峰[15]。

香精微膠囊在相應(yīng)位置出現(xiàn)了壁材明顯的特征吸收峰，CNC 中帶負(fù)電的SO2-與CS 和GE 中帶正電的NH3+發(fā)生靜電吸引，CS中—NH2變形振動(dòng)吸收峰移至1631 cm-1和1735 cm-1處，同時(shí)在1108 cm-1處出現(xiàn)了C—O—S 的伸縮振動(dòng)吸收峰，在2337 cm-1處為—SH的伸縮振動(dòng)峰[16]，由此也可推斷CNC 與CS、GE 之間發(fā)生了復(fù)凝聚反應(yīng)。

2.7XRD分析

圖7為CS、CNC、GE、CS/GE香精微膠囊和香精微膠囊的XRD 譜圖。從圖7 可以看出，CS 在2θ=20.48°時(shí)的寬峰表明其為無(wú)定型態(tài)[17]。CNC 在2θ=15.14°、16.44°、23°、34.84°出現(xiàn)特征峰，對(duì)應(yīng)纖維素Ⅰ的()(110)(200)和(004)[18]。GE為無(wú)定型聚合物，其衍射峰形寬闊而彌散。CS 和GE 反應(yīng)形成壁材之后，其衍射吸收峰移至2θ=20.58°，且結(jié)晶度降低。加入CNC 后，新增1 個(gè)2θ=22.66°的衍射峰，為CNC的特征峰，說(shuō)明CNC 被成功地加入到CS/GE 香精微膠囊中，形成香精微膠囊。此外，在XRD 圖中沒(méi)有檢測(cè)到其他雜質(zhì)晶相的峰。

圖7 XRD譜圖Fig.7 XRD spectra

2.8熱穩(wěn)定性分析

圖8為CNC、CS、GE、CS/GE香精微膠囊和香精微膠囊TGA 圖。從圖8 可以看出，CS、CNC 和GE 的初始分解溫度分別為238、350、207℃，分別在301、405、316℃時(shí)質(zhì)量損失速率最大。溫度高于500℃時(shí)，樣品基本完全分解，因此各樣品的殘留質(zhì)量基本不變。比較CS/GE 香精微膠囊和香精微膠囊的TGA 曲線，整個(gè)質(zhì)量損失過(guò)程中CS/GE 的質(zhì)量損失均大于CS/GE/CNC，且香精微膠囊的殘留質(zhì)量比CS/GE 香精微膠囊高，說(shuō)明香精微膠囊的熱穩(wěn)定性高于CS/GE香精微膠囊。

圖8 TGA曲線Fig.8 TGA curves

3 結(jié)論

本研究以殼聚糖（CS）、明膠（GE）和纖維素納米晶體（CNC）為壁材，檸檬香精為芯材，采用復(fù)凝聚法制備香精微膠囊。

3.1壁材質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，CNC質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%，芯壁比3∶1，乳化速率900 r/min 時(shí)制得的香精微膠囊包埋率最佳，為74.35%。傅里葉變換紅外光譜表明，CS、GE 和CNC 之間發(fā)生了靜電吸引，并且檸檬香精被包埋進(jìn)了香精微膠囊中。

3.2掃描電子顯微鏡（SEM）表明，香精微膠囊表面光滑，粒徑主要集中在1.8～5.2 μm 之間，香精微膠囊沒(méi)有出現(xiàn)裂痕或孔隙等，包埋效果良好。X 射線衍射儀（XRD）分析可知，CNC被成功地加入到CS/GE微膠囊中，形成CS/GE/CNC香精微膠囊。

3.3通過(guò)熱重分析可知，隨著溫度的升高，檸檬香精從微膠囊的孔隙中被緩慢釋放出來(lái)，CS/GE/CNC香精微膠囊比CS/GE 香精微膠囊具有更好的熱穩(wěn)定性，更能保護(hù)檸檬香精在200℃下的緩慢釋放。