复合精油微胶囊化及释放动力学研究

俞 露，谭书明，王贝贝，谢国芳

（1.贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025；2.贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳550025）

我国是世界上果蔬生产大国，占全球产量的60%，但是由于加工技术发展滞后，果蔬出口量仅占总产量的1%～2%，且其中80%是初级产品。果蔬采后损失率在20%～25%，每年损失达到1000亿元以上。而欧美发达国家果蔬损失率仅1.7%～5%[1]。果蔬大多呈酸性，采收以后主要致病菌以真菌较多，主要有灰葡萄孢、青霉属、曲霉属、链格孢属等[2]。据现报道，大蒜、生姜、丁香精油、花椒精油对黄曲霉、黑曲霉等表现出强的抗真菌作用，在果蔬的保鲜中有较好的效果[3-6]。微胶囊化是指通过特殊的方法，利用天然或合成的高分子材料包覆固体、液体甚至是气体物质，制成有囊壁的微型胶囊以及保留或截留其他物质的微粒，从而达到保护、控释等效果，已广泛的应用于食品、医药、石油、化工、农牧业、食品保健和工业等领域[7-8]。本实验以β-环糊精为壁材对复合精油微胶囊条件进行优化，制备挥发性天然固体保鲜剂，运用Avrami’s公式和一级动力学对复合精油微胶囊在不同温度条件下进行释放动力学研究，根据释放速率常数的变化，得出影响复合微胶囊最适贮藏温度，为复合精油微胶囊的最佳贮藏条件提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大蒜精油、花椒精油、生姜精油、丁香精油 贵阳五倍子发展有限公司；β-环糊精 国民淀粉化学贸易（上海）有限公司；石油醚（分析纯） 天津市富宇精细化工有限公司；无水乙醇（分析纯） 重庆川江化学试剂厂。

真空冷冻干燥仪 德国专业仪器制造公司；78-1磁力加热搅拌器 金坛市富华仪器有限公司；恒温旋转蒸发仪 余姚电讯仪表实业公司；JAM-5610扫描电子显微镜 日本光学公司。

1.2 实验方法

1.2.1 微胶囊制备 精密称取一定量β-环糊精置500mL茄形烧瓶中，加入适量蒸馏水加热使其溶解成饱和溶液，保持一定温度，用滴管将精油乙醇溶液缓缓滴入饱和的β-环糊精水溶液中，边加边摇动，恒温旋转（100r·min-1）一定时间后，置冰箱冷藏24h，抽滤，用乙醇洗涤3次（每次20mL），滤渣抽干，真空冷冻干燥即得微胶囊产品。

1.2.2 测定指标 包埋率是指微胶囊产品中被包埋的精油含量与包埋时精油的总量之比。包埋率越高则芯材被包埋的量越大，效果越好，产品的稳定性就越好。

包埋率（%）=（1-微胶囊表面油含量/微胶囊总油含量）×100

微胶囊表面油含量测定：准确称取一定量的精油微胶囊化产品，加入无水乙醇，充分振荡后过滤，将滤液吹干，测定精油的量[9]。

微胶囊总油含量测定：准确称取一定量的精油微胶囊化产品，加蒸馏水完全溶解。溶解后的溶液置于分液漏斗中，加入石油醚，充分振荡，静置分离，取上层清液吹干，测定精油的量。

微胶囊含油量（%）=微胶囊总油含量/微胶囊总量×100

含水率（%）=（1-烘干后产品质量/产品质量）×100

产品的颗粒形状及表面结构观察：在电子显微镜100倍下，观察精油微胶囊产品。看它的形状并看颗粒大小是否均匀一致，以测微尺计量粒径大小。

1.2.3 各单因素对复配精油微胶囊包埋特性的影响

1.2.3.1 M精油∶Mβ-环糊精的确定 在M精油∶M乙醇=1∶15，包合温度60℃，包合时间2h的条件下，设7个M精油∶Mβ-环糊精处理（1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14），测定复配精油微胶囊的包埋率。

1.2.3.2 M精油∶M乙醇的确定 在M精油∶Mβ-环糊精=1∶8，包合温度60℃，包合时间2h的条件下，设7个M精油∶M乙醇处理（1∶1、1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25、1∶30），测定复配精油微胶囊的包埋率。

1.2.3.3 包合温度的确定 在M精油∶Mβ-环糊精=1∶8，M精油∶M乙醇=1∶15，包合时间2h的条件下，设7个包合温度处理（30、40、50、60、70、80、90℃），测定复配精油微胶囊的包埋率。

1.2.3.4 包合时间的确定 在M精油∶Mβ-环糊精=1∶8，M精油∶M乙醇=1∶15，包合温度60℃的条件下，设7个包合时间处理（0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5h），测定复配精油微胶囊的包埋率。

1.2.4 正交实验 根据单因素实验结果，采用4因素3水平正交实验法设置9个处理确定β-环糊精对复配精油的最佳微胶囊化条件，正交实验因素及水平表见表1。

表1 复配精油微胶囊正交实验因素水平设计表Table 1 The factors and levels of orthogonal experiment design table of compound oil microcapsules

1.2.5 不同温度下复合精油微胶囊释放性能分析 准确称取4.0g微胶囊样品平铺于洁净表面皿中，分别放置在20、50、80℃的电热鼓风箱中进行恒温储存，打开鼓风箱的鼓风装置，模拟动态释放的条件，热处理一定时间后取出，测定样品中的精油含量。

分别取放置不同时间、温度下的微胶囊样品，测定微胶囊含油率，从而得出不同温度条件下精油微胶囊产品释放曲线。

1.2.6 Avrami’s公式对精油微胶囊产品释放速率的分析 Avrami’s公式表达如下：R=exp[-（kt）n]式（1）

式中：R：释放过程中精油的残留率，即t时刻微胶囊产品中的含油率与初始含油率的比率，%；t：贮存时间，d；n是对应于释放机理的参数；k是释放速率常数。

该公式可以简单认为：n=1时对应一级反应，n=0.54时对应扩散限制反应[10]。

对式（1）两边取两次对数得到ln（-ln（R））=nlnt+nlnk，以lnt为横坐标，ln（-ln（R））为纵坐标作图，进行线性回归。

1.2.7 一级动力学模型对微胶囊产品释放过程的分析 理想的控释型微胶囊产品的释放过程应符合零级动力学方程，即恒速释放，但是在实际过程中，由于微胶囊产品的缓释性能受到多种因素的影响，所以能够达到零级释放的例子非常少见。在本实验中，对精油微胶囊的扩散释放过程可以选用一级动力学模型进行拟合，一级动力学模型为：y=y0exp[-kTt]

式中：y为t时刻微胶囊的含油率，%；y0为起始时刻微胶囊的含油率，%；kT为微胶囊释放速率常数；T为微胶囊的放置温度，K；t为释放时间，d。

根据数据以1/T（1/K）为横坐标，kT为纵坐标作图，进行曲线拟合，得到微胶囊释放速率常数随放置温度的变化曲线，进一步求得微胶囊释放速率常数kT。

1.2.8 各精油微胶囊产品的20℃动力学方程的建立

一级动力学释放行为的速率方程是v=kc（k：速率常数；c：微胶囊含油率，%），即dc/dt=kc（t：释放时间，d），对上式积分后得到的动力学方程为logc=kt+A。将微胶囊产品含油率的对数logc分别对释放时间t作图，观察质量相等的微胶囊中含油率的对数值与时间的关系，拟合得到微胶囊产品在20℃的释放动力学方程。

2 结果与分析

2.1 各单因素对复配精油微胶囊包埋特性的影响

2.1.1 M精油∶Mβ-环糊精的确定 由表2可以看出，在M精油∶M乙醇=1∶15，包合温度60℃，包合时间2h的条件下，当M精油∶Mβ-环糊精=1∶10时，复配精油微胶囊包埋率最高为64.8%。

表2 M精油∶Mβ-环糊精对复配精油微胶囊包埋率的影响Table 2 The influence of Moil∶Mcyclodextrinto the oil rate of compound oil microcapsules

2.1.2 M精油∶M乙醇的确定 由表3可以看出，在M精油∶Mβ-环糊精=1∶8，包合温度60℃，包合时间2h的条件下，当M精油∶M乙醇=1∶10时，复配精油微胶囊包埋率最高为65.8%。

表3 M精油∶M乙醇对复配精油微胶囊包埋率的影响Table 3 The influence of Moil:Methanolto the oil rate of compound oil microcapsules

2.1.3 包合温度的确定 由表4可以看出，在M精油∶Mβ-环糊精=1∶8，M精油∶M乙醇=1∶15，包合时间2h的条件下，当包合温度为50℃时，复配精油微胶囊包埋率最高为67.5%。

表4 包合温度对复配精油微胶囊包埋率的影响Table 4 The influence of inclusion temperature to the oil rate of compound oil microcapsules

2.1.4 包合时间的确定 由表5可以看出，在M精油∶Mβ-环糊精=1∶8，M精油∶M乙醇=1∶15，包合温度60℃的条件下，当包合时间为1.5h时，复配精油微胶囊包埋率最高为64.3%。

表5 包合时间对复配精油微胶囊包埋率的影响Table 5 The influence of inclusion time to the oil rate of compound oil microcapsules

2.2 复配精油的最佳微胶囊化条件

极差R值愈大的因素对指标的影响愈显著，因此由表6中可知各因素对制备复配精油微胶囊的影响大小为∶M精油∶M乙醇＞M精油∶Mβ-环糊精＞包合温度＞包合时间，这说明M精油∶M乙醇对复配精油微胶囊的包埋率影响最大，M精油∶Mβ-环糊精又比包合温度和包合时间对复配精油微胶囊包埋率的影响要明显，所以M精油∶M乙醇必需适当。利用β-环糊精对复配精油微胶囊化最佳工艺条件为：A2B2C2D1，即：M精油∶Mβ-环糊精=1∶10，M精油∶M乙醇=1∶10，包合温度50℃，包合时间1h，通过3次验证实验，得到微胶囊的平均包埋率为69.4%±1.2%，含水率为3.453%±0.34%，符合一般微胶囊含水率范围；通过电镜观察，其微粒大小均匀，无粘结，微粒大小在20μm左右。

表6 复配精油微胶囊正交实验结果及极差分析Table 6 The results and range analysis of orthogonal experiment of compound oil microcapsules

2.3 复配精油微胶囊产品缓释性能研究

2.3.1 温度对复配精油微胶囊产品释放曲线的影响从图1中可以看到：a.复配精油微胶囊产品在20℃条件下的释放是一个相对缓慢的过程。随着时间的延长，复配精油微胶囊中精油含量缓慢下降，释放速率逐渐减小。60d后，复配精油微胶囊的含油率从15.926%降至10.705%，损失了38%左右，这一结果明显低于同样条件下复配精油的挥发速率；b.80℃条件下复配精油微胶囊的释放速度明显高于20℃及50℃条件下的释放速度。经过2个月的加速释放实验后，20、50、80℃下复配精油微胶囊的最终含油率分别为10.705%、2.966%和0.217%，即：随着温度的增加，微胶囊化复配精油的释放速率增加；c.随着加热老化时间的延长，复配精油微胶囊化产品的含油率均有不同程度的下降，即释放量随着放置时间的增加而增加。图1中也显示，随着时间的延长，复配精油微胶囊释放速率逐渐减缓。

图1 不同温度条件下复配精油微胶囊产品释放拟合曲线Fig.1 Release fitting curve of compound oil microcapsules under different temperature conditions

根据图1，我们利用指数方程对复配精油微胶囊产品在20、50、80℃条件下的释放曲线进行回归拟合，回归方程如表7所示。

表7 不同温度下复配精油微胶囊含油率随时间变化的回归方程Table 7 Regression equations of oil rate of compound microcapsules change with time under different temperature conditions

2.3.2 Avrami’s公式对复配精油微胶囊释放速率的分析 以lnt为横坐标，ln（-ln（R））为纵坐标作图，对实验数据进行线性回归，如图2所示。从图2中可见，实验数据与回归公式拟合良好。

由图2可知，根据所得回归直线的方程计算出参数n和速率常数k。表8为加速实验所得到复配精油微胶囊的释放机理参数、速率常数以及采用Avrami’s公式分析所得直线的R2值。从表中发现，R2值均在0.95以上，可以认为采用Avrami’s公式分析复配精油微胶囊产品在不同温度条件下的释放是可行的。

通过表8分析不同温度条件下复配精油的释放过程可以发现：a.复配精油微胶囊中精油释放与时间的相关性较高，说明以β-环糊精为壁材的复配精油微胶囊的释放过程与Avrami’s公式吻合良好；b.不同温度条件下复配精油微胶囊的释放机理参数n分别为1.0931、1.0328、0.7193。可以看出，复配精油微胶囊在20℃和50℃条件下的释放过程接近于一级释放动力学，80℃条件下的释放过程可能介于扩散和一级释放之间。

图2 复配精油微胶囊产品释放性能与时间的相关性Fig.2 The relevance of releasing and time of compound oil microcapsules by using Avrami’s formula

表8 不同温度下的释放机理参数（n）及释放速率常数（k）的值Table 8 The release mechanism parameter and release rate constant of compound microcapsules under different temperature conditions

2.3.3 复配精油微胶囊一级动力学模型释放性能分析 根据表9中数据以1/T（1/K）为横坐标，kT为纵坐标作图，进行曲线拟合（见图3），得到复配精油微胶囊释放速率常数随放置温度的变化曲线，进一步求得复配精油微胶囊释放速率常数为：

表9 复配精油微胶囊释放动力学模型参数Table 9 The release kinetics model parameters of compound microcapsules

依据不同温度条件下复配精油微胶囊的释放动力学模型计算得到的理论数值与实验结果进行比较（见图4），可以得知：20℃下理论曲线和实验数据吻合较好；80℃条件下，由于温度对壁材结构的破坏使复配精油微胶囊的释放过程偏离模型的幅度较大。因此，通过此动力学模型可以对复配精油微胶囊在较低温度下的释放过程进行模拟，进而估测复配精油微胶囊的缓释性能。

2.3.4 复配精油微胶囊产品20℃释放动力学方程 复配精油微胶囊在20℃条件下的实际释放曲线如图5所示。

图3 温度对复配精油微胶囊释放速率常数的影响Fig.3 The influence of temperature to the release rate constant of compound oil microcapsules

图4 复配精油微胶囊理论数据与实验数据比较Fig.4 Comparison of theory datas and experient datas of compound oil microcapsules

图5 20℃下复配精油微胶囊释放曲线Fig.5 Release curve of compound oil microcapsules at 20℃

图6 20℃复配精油微胶囊释放动力学方程Fig.6 Release kinetic equation of compound oil microcapsules at 20℃

将图5中复配精油微胶囊含油率的对数logc分别对释放时间t作图，可以发现质量相等的微胶囊中含油率的对数值与时间呈线性关系（见图6），表明复配精油微胶囊在20℃的释放行为满足一级动力学，拟合得到的释放动力学方程为logc=-0.0035t+1.2065（R2=0.9973）。

3 结论

利用β-环糊精对复配精油进行微胶囊包埋特性研究中得知各因素对制备复配精油微胶囊的影响大小为：M精油∶M乙醇＞M精油∶Mβ-环糊精＞包合温度＞包合时间，其中，M精油∶M乙醇对复配精油微胶囊包埋率的影响最大。利用β-环糊精对复配精油进行微胶囊化的最佳工艺为：M精油∶Mβ-环糊精=1∶10，M精油∶M乙醇=1∶10，包合温度50℃，包合时间1h，得到微胶囊的包埋率高达69.4%，其含水率为3.453%，通过电镜观察，其微粒大小均匀，无粘结，微粒大小在20μm左右。

通过对复配精油微胶囊在不同温度下的研究，20、50、80℃下释放机理参数（n）分别为1.0931、1.0328、0.7193，即可判断复配精油微胶囊在20℃和50℃的条件下的释放过程接近于一级释放动力学，80℃条件下的释放过程可能介于扩散和一级释放之间。再根据复合精油微胶囊在不同温度下的释放动力学模型计算得到的理论数值与对比实验结果，可知：20℃下理论曲线和实验数据吻合较好；80℃条件下，由于温度对壁材结构的破坏使微胶囊的释放过程偏离模型的幅度较大。因此，通过此动力学模型可以对实验复合精油微胶囊在20℃条件下的释放过程进行模拟，进而估测微胶囊的缓释性能。

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