锐孔-凝固浴法制备橙子油微胶囊的工艺研究

彭梦侠，陈梓云

（嘉应学院化学与环境学院，广东 梅州 514015）

橙子油是橙子类果皮中提取的一种天然香精油，其主要成分是柠檬烯、月桂烯、蒎烯、癸醛、辛醛、芳樟醇、柠檬醛等[1]，具有诱人的橙香味，在食品以及化妆品行业具有广泛的应用。我国是橙子的重要原产地之一，资源丰富，品种优良，但橙子取汁后的皮渣除少量用于医药工业外，大部分被丢弃，橙皮加工仅10%左右。因此发展橙皮加工产业将大大提高产品附加值。

近年来的相关研究表明，橙子油不仅可作为天然的香料，而且对多种微生物均有较强的抑菌效果。陈莉等[2]的研究表明，橙子精油对细菌和真菌均有抑菌作用，其中对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌作用最强，因此可将橙子油作 为天然的抑菌剂使用。但橙子油存在易挥发、易变质的问题，这就需要对橙子油进行加工来防止其氧化和减慢其挥发性。采用微胶囊技术对橙子油进行包覆，就能保护其精油免受外界环境影响，极大地改善了其稳定性和贮藏性，为橙子油的进一步开发利用提供了强有力的支撑[3]。

目前，橙子油的微胶囊化已成为研究的热点。李柱等[4]研究了以β-环糊精为载体制备微胶囊化甜橙油的工艺；熊月琴等[5]选用2∶1的辛烯基琥珀酸酯化淀粉HI-CAP100和麦芽糊精为壁材制备橙子油微胶囊。目前制得的橙子油微胶囊主要应用于制备食品风味剂，该类产品要在食品加工中受热或溶于水时才能释放出橙子油。本文将采用海藻酸钠-壳聚糖制备橙子油微胶囊，橙子油通过壁材的多孔结构在室温下以气体的形式缓慢释放出来，能有效解决橙子油易挥发、易氧化等问题，让橙子油的赋香和抗菌效果更加持久、稳定。其产品可以用于冰箱、橱柜、衣柜等的防霉抑菌，具有潜在的应用价值。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

集热式恒温加热磁力搅拌器DF-101S，AE240电子分析天平，恒温鼓风干燥箱，电冰箱BCD-215KAGA，循环水式多用真空泵SHB-B95。

海藻酸钠，壳聚糖，无水氯化钙，马铃薯葡萄糖琼脂（PDA），吐温-80，石油醚。以上试剂均为分析纯。

1.2 实验原理

采用锐孔-凝固浴法，使用海藻酸钠和壳聚糖对橙子油进行微胶囊化。壳聚糖是通过甲壳素脱乙酰化制备的天然高分子直链多糖，化学名称为(1-4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。海藻酸钠是存在于褐藻类中的天然高分子，从其结构上看是由β-1,4结构的D型甘露糖醛酸的钠盐( M)和α-1,4结构的L型古罗糖醛酸的钠盐(G)共聚而成。由于壳聚糖分子链上有大量的伯氨基，海藻酸钠的分子链上有大量的羧基，所以壳聚糖和海藻酸钠可以通过正、负电荷吸引形成聚电解质膜，海藻酸钠羧基和壳聚糖氨基之间的静电相互作用是复杂结构的主要力量。把橙子油和海藻酸钠溶解于同一溶液中，然后借助于滴管或注射器等微孔装置，将此乳浊液滴加到壳聚糖和氯化钙溶液中，海藻酸钠在壳聚糖溶液中迅速固化从而形成微胶囊。

1.3 实验方法

1.3.1 橙子油微胶囊的制备方法

取一定温度下适量的水，搅拌，加入海藻酸钠，配成一定浓度的海藻酸钠溶液，然后在此溶液中加入适量的橙子油，滴入1~2滴浓度为1%的吐温-80，在一定的乳化温度下，搅拌混匀备用。另取壳聚糖和氯化钙适量，加水溶解，制成一定浓度的固化液备用。用一次性注射针筒吸取海藻酸钠橙子油混合液，边搅拌边滴入壳聚糖-氯化钙固化液中，自发形成微囊，放入冰箱固化24 h，取出过滤，水洗2次，再用石油醚洗涤1次，收集微胶囊置于表面皿上，于60℃干燥2h，得橙子油微胶囊。

1.3.2 橙子油微胶囊包埋率的测定方法

称取1g左右橙子油微胶囊样品于洁净干燥的研钵中，将橙子油微胶囊捣碎，用40mL石油醚分2次浸泡洗涤，过滤，滤渣置于60℃烘箱内干燥2 h，冷却至室温，称量。包埋率计算公式：

式中， m样品为称取橙子油微胶囊的样品质量，g；m滤渣为橙子油微胶囊经上述处理后的滤渣质量，g；m微胶囊为制作样品时该批次所制备的微胶囊的质量，g；m橙子油为制备样品时该批次所使用的橙子油质量，g。

1.3.3 橙子油微胶囊缓释效果的测定方法

称取2g自制的橙子油微胶囊放入三颈瓶中，从一口通入氮气,流速为20mL·s-1，其它两口敞开。每隔15 min称重1次，测量6次。另取1.2.2中处理烘干所得的滤渣粉末(微胶囊壳体粉末）、（0.43g+1.57）g橙子油(按2g橙子油微胶囊最佳包埋率时所含橙子油计量）放入三颈瓶中，在相同条件下通入氮气，同样测量6次。比较两者的失重情况，考察微胶囊的缓释效果。

2 结果与讨论

2.1 海藻酸钠浓度对微胶囊制备的影响

保持乳化温度为60℃，壳聚糖浓度为1%，CaCl2浓度为2%，壁材海藻酸钠与芯材橙子油质量比为 1∶3，pH=6.0，2滴浓度为 1%的吐温 -80，在海藻酸钠浓度分别为2.5%、3.0%、3.5%、4.0%条件下制备微胶囊，试验结果见表1和图1。

表1 海藻酸钠浓度对微胶囊化的影响

图1 海藻酸钠浓度对橙子油微胶囊包埋率的影响

海藻酸钠的浓度对微胶囊形状和强度的影响见表1，海藻酸钠浓度对微胶囊强度的影响很明显。海藻酸钠浓度小于2.5%时，不能成囊，不能起到包埋效果；海藻酸钠浓度大于4.0%时，黏度太大，产品呈饼状。海藻酸钠浓度为3.5%时可制得球状、强度好的胶囊。

由图1可知，随着海藻酸钠浓度的增大，微胶囊的包埋率在海藻酸钠浓度小于3.5%之前是增大的。在3.5%处达到最大值，之后随着海藻酸钠浓度的增大而减小。这是因为海藻酸钠浓度太低，壁膜厚度不够，难以很好地包埋芯材。而当海藻酸钠浓度过高，溶液黏度较大，微胶囊产品干燥速度变慢，橙子精油挥发，导致包埋率下降。

2.2 壳聚糖浓度对微胶囊制备的影响

保持乳化温度为60℃，海藻酸钠浓度为3.5%，CaCl2浓度为2%，壁材与芯材的质量比为1∶3，pH=6.0，2滴浓度为1%的吐温-80，在壳聚糖浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%条件下制备微胶囊，试验结果见表2和图2。

表2 壳聚糖浓度对微胶囊化的影响

图2 壳聚糖浓度对橙子油微胶囊包埋率的影响

壳聚糖浓度对微胶囊形状的影响如表2所示。壳聚糖浓度小于1.0%时，成囊稳定性差，易破，不能起到包埋效果；壳聚糖浓度大于2.0%时，多数呈蝌蚪状并容易粘连在一起。壳聚糖浓度为1.5%时可制得球状、强度好的胶囊。

由图2可以看出，随着壳聚糖浓度的增大，包埋率整体呈增加的趋势，这是因为进料中壁材量增加，使得液滴成膜速度增加，低沸点物质损失减少，从而提高包埋率。但当壳聚糖浓度超过1.5%时，包埋率反而有所下降。这是由于成囊速度下降，物料在成囊前停留时间增长，低沸点的橙子油损失增加，且在浓度过高的情况下（＞1.5%），黏度太大，在成囊时发生严重粘连现象。当壳聚糖浓度为1.5%时，微胶囊的包埋率达到最佳水平。

2.3 氯化钙浓度对微胶囊制备的影响

保持乳化温度为60℃，海藻酸钠浓度为3.5%，壳聚糖浓度为1.5%，壁材与芯材的质量比为1∶3，pH=6.0，2滴浓度为1%的吐温-80，在氯化钙浓度分别为1.0%、2.0%、3.0%、4.0%条件下制备微胶囊，试验结果见表3和图3。

氯化钙浓度对微胶囊形状的影响如表3所示。氯化钙浓度小于1.0%时，不能成囊，不能起到包埋效果；氯化钙浓度大于4.0%时，成囊但形状多样不规则，囊壁硬度大。氯化钙浓度为2.0%时可制得球状、强度好的胶囊。

由图3可见，随着氯化钙浓度的增大，包埋率整体随之提高。但当氯化钙浓度＞2.0%时，包埋率反而下降。在成囊的过程中，氯化钙是作为固化剂的。氯化钙的浓度太低，固化效果不好，导致包埋率比较低；但当氯化钙的浓度过高，微胶囊壁膜强度太大且容易粘接，导致包埋率下降。

表3 氯化钙浓度对微胶囊化的影响

图3 氯化钙浓度对橙子油微胶囊包埋率的影响

2.4 乳化温度对微胶囊制备的影响

保持海藻酸钠浓度为3.5%，壳聚糖浓度为1.5%，CaCl2浓度为2.0%，壁材与芯材的质量比为1∶3，pH=6.0，2滴浓度为1%的吐温-80，改变乳化温度，分别在50℃、55℃、60℃、65℃的乳化温度下制备微胶囊，试验结果见表4和图4。

表4 乳化温度对微胶囊化的影响

由图4可知，乳化温度以55℃为宜。这是因为温度偏低，会导致乳化剂和部分物料得不到完全的溶解而使整个体系乳化作用减弱，成囊效果和强度均较差，且出现拖尾现象；温度太高时，乳化剂能发挥其功效，但易挥发的橙子精油会大量挥发，使得包埋率下降。

图4 乳化温度对橙子油微胶囊包埋率的影响

2.5 芯材与壁材的质量比对微胶囊制备的影响

保持乳化温度为55℃，海藻酸钠浓度为3.5%，壳聚糖浓度为1.5%，CaCl2浓度为2.0%，pH=6.0，2滴浓度为1%的吐温-80，在芯材与壁材的质量比分别为2.0、2.5、3.0、3.5条件下制备微胶囊，试验结果见表5和图5。

表5 芯材与壁材的质量比对微胶囊化的影响

图5 芯材与壁材质量比对橙子油微胶囊包埋率的影响

芯材与壁材的质量比对微胶囊形状的影响如表5所示。芯材与壁材的质量比≤2.5时，可制得球体形状较好、强度好的微胶囊；但当芯材与壁材的质量比≥3.0时，成囊性逐渐变差。芯材与壁材的质量比为2.5时可制得球状、强度好的胶囊。

由图5可知，随着芯材与壁材质量比的增大，微胶囊的包埋率在芯壁比小于2.5之前逐渐增大，在2.5处达到最大值，之后随着芯壁比的增大而减少。这是由于芯材的相对量越多，单位壁材包裹的芯材增加，粒径增大，同时囊壁会变薄，直接影响包埋的效果。因此在适度的芯壁比（2.5）下，才能得到包埋率高且强度好的微胶囊。

2.6 壳聚糖溶液的pH值对微胶囊制备的影响

保持乳化温度为55℃，海藻酸钠浓度为3.5%，壳聚糖浓度为1.5%，CaCl2浓度为2.0%，壁材与芯材的质量比为1∶2.5，在壳聚糖溶液的pH值分别为4.0、5.0、6.0、7.0条件下制备微胶囊，试验结果见表6和图6。

表6 壳聚糖溶液的pH值对微胶囊化的影响

图6 糖溶液的pH值对橙子油微胶囊包埋率的影响

壳聚糖溶液的pH值对微胶囊形状的影响见表6。壳聚糖溶液的pH值小于4.0时，不能成囊，不能起到包埋效果；壳聚糖溶液的pH值大于7.0时，黏度太大，产品呈饼状。壳聚糖溶液的pH值为6.0时可制得球状、强度好的胶囊。

从图6可见，当pH值小于6.0包埋率随着壳聚糖溶液的pH值升高而增大，当pH值大于6.0包埋率有所下降。pH=6.0包埋率最高，此时的pH值与壳聚糖的pKa=6.3，由此可推断pH值对微胶囊影响的本质是对聚电解质络合反应的影响，此时分子电荷密度的影响是不能忽略的。根据Lewis酸碱平衡理论，当壳聚糖溶液的pH＜pKa时，其分子链上的氨基主要以-形式存在，随着pH的增高，-减少。当溶液的pH接近壳聚糖的pKa，壳聚糖分子的电荷密度显著降低，导致壳聚糖分子空间伸展最小，这时壳聚糖能够更深入地进入海藻酸钠凝胶网络中，发生聚电解质络合程度越深，所以形成的微胶囊包埋率也最高。当壳聚糖溶液的pH太高时，微胶囊表现为直接的液化膨胀，吸附了过多的水分，使得包埋的芯材比例减少，从而导致包埋率降低。

2.7 正交实验确定最佳条件

从以上的单因素实验可知，海藻酸钠浓度、壳聚糖浓度和芯材与壁材的质量比对微胶囊的包埋率影响较大，因此选取海藻酸钠浓度、壳聚糖浓度、芯材与壁材的质量比作为主要的考察因素，以微胶囊的包埋率为考察指标进行正交实验。所选试验因素水平见表7，正交试验结果见表8。

表7 因素水平表

表8 正交实验结果

由表8可知，在3种因素中，对橙子油包埋率影响的程度大小为：A（海藻酸钠浓度）＞B（壳聚糖浓度）＞C（芯材与壁材的质量比）。制备微胶囊的最佳条件为A2B2C2，即海藻酸钠浓度为3.5%，壳聚糖浓度为1.5%，芯材与壁材的质量比为3.0，在最佳条件下制备橙子油微胶囊包埋率可达89.13，且微胶囊的外形好，强度好。

2.8 最佳条件下制备微胶囊的重现性试验

按正交试验选出的最佳试验方案A2B2C2进行3次平行试验，实验结果见表9。

表9 最佳条件下制备微胶囊的重现性试验

表9表明，在海藻酸钠浓度为3.5%、壳聚糖浓度为1.5%、芯材与壁材的质量比为3.0条件下，进行3次平行试验的包埋率分别为88.71%、89.94%、88.95%，均无明显差异，平均包埋率为89.20%，与2.7中最佳条件下制备的微胶囊的包埋率89.13%相差甚小，故正交试验选出的最佳制备条件的重现性和稳定性良好。

2.9 橙子油微胶囊缓释效果探究

按照1.3.3的方法进行实验，可避免微胶囊自然失重受空气温度和湿度的影响，能更好地考察橙子油微胶囊的缓释效果。实验结果见表10、表11。将表10、表11数据做缓释效果图如图7所示。

表10 橙子油微胶囊的失重数据

表11 微胶囊壳体粉末+橙子油的失重数据

图7表明，橙子油微胶囊的精油挥发缓慢，且挥发速度平稳，而对照组微胶囊壳体粉末+橙子油精油挥发速度很快，因此自制橙子油微胶囊具有明显的缓释性。

图7 微胶囊壳体粉末+橙子油与橙子油微胶囊挥发性比较

3 结论

利用锐孔-凝固浴法制备出了橙子油微胶囊。经单因素实验和正交实验得到了制备橙子油微胶囊的最佳工艺条件：海藻酸钠浓度为3.5%、壳聚糖浓度为1.5%、氯化钙浓度为2.0%、乳化温度为55℃、芯材与壁材的质量比为1∶3、壳聚糖溶液的pH=6.0。在最佳工艺条件下，所制微胶囊外形好、强度高，成型效果好；其包埋率达到89.20%，并具有良好的重现性。对制备的橙子油微胶囊的缓释性进行了研究，结果表明，橙子油微胶囊的缓释性明显。

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