喷雾干燥法制备山苍子油微胶囊的研究

付红军

彭湘莲1,2

钟海雁1,2

(1. 中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 稻谷及副产物深加工国家工程实验室，湖南 长沙 410004)



喷雾干燥法制备山苍子油微胶囊的研究

付红军1,2

彭湘莲1,2

钟海雁1,2

(1. 中南林业科技大学食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 稻谷及副产物深加工国家工程实验室，湖南 长沙 410004)

采用喷雾干燥法制备山苍子油微胶囊，探讨不同壁材对乳液稳定性和山苍子油微胶囊表面形貌的影响，并优化山苍子油微胶囊的制备工艺。扫描电子显微镜观测结果表明，以羟丙基-β-环糊精/阿拉伯胶(HP-β-CD/AG)为壁材制备的山苍子油微胶囊为颗粒大小均匀、流动性好的圆球形，其他壁材制备的山苍子油微胶囊出现凹陷、皱缩和聚集现象。制备山苍子油微胶囊的优化工艺条件为：WHP-β-CD/AG∶WLCO6.0，进料流量3.10 mL/min，进风温度171.0 ℃，该条件下山苍子油包埋率为83.80%，包埋率与3个因素之间的二次多项回归模型合理可靠。

山苍子油；喷雾干燥；微胶囊；表面形貌

山苍子油是从山苍子果实中提取的植物精油，具有柠檬香气，可直接用于日化香精和食用香精，同时具有抗菌[1-2]、抗氧化[3]和驱避昆虫[4-5]等多种生物活性，在食品和医药工业中具有广泛的应用前景。然而，山苍子油易挥发，不溶于水以及贮存过程中容易变质等缺陷限制了其应用。因此，将山苍子油微胶囊化，提高其稳定性、水溶性以及有效控制香气释放，对于山苍子油的高附加值产品开发十分必要。

微胶囊化是利用天然或合成的高分子材料包覆固体、液体或气体物质制成有囊壁的微型胶囊的技术，目的在于保持物质原有的色香味和生物活性，防止营养物质的破坏和损失以及控释。微胶囊化的主要方法有乳液喷雾干燥法[6-7]、包合法[8]和复凝胶法[9]等。喷雾干燥法是乳化液被雾化成微细液滴分散在高温热气流中脱水干燥，微细液滴水分迅速蒸发，从而实现成膜和干燥，该方法具有成本低廉，工艺简单，易于产业化的特点，在植物精油的微胶囊制备方面具有良好的应用前景。陈根洪等[10]以β-环糊精为壁材，采用饱和水溶液法制备了山苍子油微胶囊，该研究采用单一壁材对山苍子油进行包埋，未考察壁材对微胶囊的表面形貌的影响。目前中国未见喷雾干燥法制备山苍子油微胶囊，并考察壁材对微胶囊表面形貌影响的研究报道。

本研究拟采用喷雾干燥法制备山苍子油微胶囊，探讨不同壁材对山苍子油微胶囊表面形貌的影响，并以包埋率为考察指标，优化山苍子油微胶囊的制备工艺，以期为山苍子油微胶囊制备及产业化应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

山苍子油(LCO)：湘西自治州产山苍子果实，采用水蒸气蒸馏法提取；

β-环糊精(β-CD)：分析纯，天津市光复精细化工研究所；

羟丙基β-环糊精(HP-β-CD)：化学纯，西安敬业生物药物科技有限公司；

可溶性淀粉(SS)、明胶：分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司；

阿拉伯树胶(AG)：化学纯，佛山市化工实验厂；

黄原胶(XG)：化学纯，郑州龙生化工产品有限公司；

其他试剂均为分析纯。

1.1.2 主要仪器设备

小型喷雾干燥仪：B-290型，瑞士BUCHI实验室仪器公司；

环境扫描电子显微镜：Quanta 450型，美国FEI公司；

高剪切分散乳化机：FA25型，德国FLOKO公司；

电子天平：ES200HA型，长沙湘平科技发展有限公司；

数显恒温水浴锅：HH-S11.4型，金坛市大地自动化仪器厂。

1.2 方法

1.2.1 喷雾干燥法制备山苍子油微胶囊 准确称取16 g羟丙基-β-环糊精和16 g阿拉伯胶加入400 mL热蒸馏水中溶解，然后加入8 g山苍子油和1.0 g吐温80，搅拌均匀，转移至分散乳化机中,10 000 r/min匀质乳化1 h，得到稳定的乳白色乳液。乳液在设定的进风温度和进料流量条件下进行喷雾干燥，最后在分离器里收集山苍子油微胶囊。

1.2.2 山苍子油乳液稳定性 以HP-β-CD、XG、AG、明胶、SS，以及复合壁材羟丙基-β-环糊精/阿拉伯胶(HP-β-CD/AG)和β-环糊精/阿拉伯胶(β-CD/AG)为壁材，考察壁材对山苍子油乳液稳定性的影响。

1.2.3 山苍子油微胶囊的表面形貌 以HP-β-CD/AG、HP-β-CD、AG、SS为壁材，考察壁材对山苍子油微胶囊的表面形貌的影响。

1.2.4 山苍子油微胶囊的制备工艺优化 在预试验和前人研究[11-12]的基础上，选取壁材与芯材比(WHP-β-CD/AG∶WLCO)、进料流量和进风温度3个影响因素，以包埋率为响应值，采用Box-Behnken试验设计优化山苍子油微胶囊的制备工艺，因素和水平见表1。

1.2.5 表面油、总油和包埋率的测定 根据文献[6]和[11]修改如下：准确称取山苍子油微胶囊W1g加入锥形瓶中，然后加入50 mL石油醚，搅拌20 min后进行真空抽滤，将滤液倒入干燥的锥形瓶(W2)中，然后在90 ℃鼓风干燥箱烘1 h，

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels

干燥器中冷却后称重(W3)，表面油含量按式(1)计算：

ΔW1=W3-W2，

(1)

式中：

ΔW1——表面油含量，g；

W2——锥形瓶重量，g；

W3——锥形瓶和表面油的重量之和，g。

准确称取山苍子微胶囊W1g用索氏提取法提取7～8 h，将剩余的产品在105 ℃的烘箱中烘3 h，冷却后称重(W4)，总油含量按式(2)计算：

ΔW2=W1-W4，

(2)

式中：

ΔW2——总油含量，g；

W1——山苍子油微胶囊重量，g；

W4——锥形瓶和总油的重量之和，g。

包埋率按式(3)计算：

(3)

式中：

c——包埋率，%。

1.2.6 扫描电子显微镜(SEM)分析 取适量山苍子油微胶囊，对其表观形貌进行扫描电镜观测。金/钯合金为镀靶，真空喷金镀膜，电流：18 mA，电压：5 kV，运行时间：120 s。

2 结果与分析

2.1 不同壁材对山苍子油乳液稳定性的影响

由表2可知，HP-β-CD/AG、HP-β-CD、AG、SS 4种壁材与山苍子油制备的乳液稳定，不分层。而β-CD/AG为壁材时的乳液不稳定，出现分层，以明胶为壁材时的乳液有沉淀，易堵塞喷口，而XG为壁材时的乳液呈胶状。

表2 壁材种类对乳液稳定性的影响Table 2 Effect of wall materials on emulsion stability

2.2 不同壁材对山苍子微胶囊表面形貌的影响

由图1～4可知，复合壁材LCO/HP-β-CD/AG制备的山苍子油微胶囊形貌大多为光滑圆球形，微胶囊颗粒大小较为均匀；以HP-β-CD为壁材时，山苍子油微胶囊形态部分为圆球形，部分微胶囊表面出现凹陷，并且颗粒之间出现聚集现象；以AG和SS为壁材时，山苍子油微胶囊表面多呈凹陷、皱缩现象，并且颗粒之间有聚集。微胶囊表面形貌是影响产品流动性能和使用性能的重要因素，光滑圆球形颗粒的流动性好，微胶囊颗粒出现凹陷、皱缩和聚集，则流动性就差[6]，试验中也发现以复合壁材LCO/HP-β-CD/AG制备的山苍子油微胶囊产品流动性很好，而其他壁材的微胶囊产品流动性稍差。因此，在后续试验中采用复合壁材LCO/HP-β-CD/AG进行山苍子油微胶囊制备工艺研究。

图1 LCO/HP-β-CD/AG微胶囊的SEMFigure 1 SEM of LCO/HP-β-CD/AG microcapsule

图2 LCO/HP-β-CD微胶囊的SEMFigure 2 SEM of LCO/HP-β-CD microcapsule

图3 LCO/AG微胶囊的SEMFigure 3 SEM of LCO/AG microcapsule

图4 LCO/SS微胶囊的SEMFigure 4 SEM of LCO/SS microcapsules

2.3 山苍子油微胶囊的制备工艺优化

以HP-β-CD/AG为壁材，包埋率为考察指标，Box-Behnken试验设计优化山苍子油微胶囊的制备工艺，试验结果和方差分析分别见表3、4。

以微胶囊中山苍子油的包埋率为响应值，利用Design-Expert软件对表3的试验结果进行二次多元回归拟合，其二次多项回归模型为：

Y=83.38+2.95A-0.24B-1.12C- 0.27AB-0.47AC+0.07BC-3.04A2-0.26B2-0.89C2。

(4)

二次多项回归模型的响应曲面图见图5～7。由图5～7和表4的P值可知，WHP-β-CD/AG∶WLCO和进风温度对包埋率的影响极显著，进料流量影响不显著。WHP-β-CD/AG∶WLCO×进料流量、WHP-β-CD/AG∶WLCO×进风温度，以及进料流量×进风温度的交互作用不显著。各因素对包埋率的影响次序是：WHP-β-CD/AG∶WLCO>进风温度>进料流量。

表3 Box-Behnken试验设计结果Table 3 Results of Box-Behnken experiment design

表4 回归模型的方差分析†Table 4 Variance analysis ofmodel

† **表示极显著(P <0.01)，*表示显著(P<0.05)。

图5 进料流量和WHP-β-CD/AG∶WLCO对山苍子油包埋率交互影响的响应面图

Figure 5 Response surface plot showing the effect of feed flow rate andWHP-β-CD/AG∶WLCOon embedding rate of LCO

图6 进风温度和WHP-β-CD/AG∶WLCO对山苍子油包埋率交互影响的响应面图

Figure 6 Response surface plot showing the effect of inlet air temperature and WHP-β-CD/AG∶WLCOon embedding rate of LCO

图7 进风温度和进料流量对山苍子油包埋率交互影响的响应面图

Figure 7 Response surface plot showing the effect of inlet air temperature and feed flow rate on embedding rate of LCO

Design-Expert软件对回归方程求解，得到山苍子油微胶囊制备的优化工艺条件为：WHP-β-CD/AG∶WLCO6.0，进料流量 3.11 mL/min，进风温度 171.29 ℃，预测山苍子油的包埋率为84.31%。为了试验操作方便，制备条件修正为：WHP-β-CD/AG∶WLCO6.0，进料流量3.10 mL/min，进风温度171.0 ℃，该条件下进行重复3次实验，山苍子油包埋率为83.80%，预测值与实际值吻合度较高，说明根据该模型得到的工艺参数准确、可靠。

3 结论

采用喷雾干燥法制备了山苍子油微胶囊。以HP-β-CD/AG为壁材制备的山苍子油微胶囊为圆球形，微胶囊颗粒大小较为均匀，流动性好，其他壁材制备的山苍子油微胶囊存在凹陷、皱缩和聚集现象。利用Design-Expert 软件建立了山苍子油微胶囊包埋率与WHP-β-CD/AG∶WLCO、进料流量及进风温度的二次多项回归模型，并证实该模型合理可靠，制备山苍子油微胶囊的优化工艺条件为：WHP-β-CD/AG∶WLCO6.0，进料流量3.10 mL/min，进风温度171.0 ℃，山苍子油包埋率为83.80%。但均质乳化条件对山苍子油包埋率的影响有待进一步研究，比如水用量，复合壁材中各物质的用量，均质乳化时间等，这也是本试验的不足之处。

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Preparation of microcapsules made of the oil from Litsea cubeba by spray drying method

FU Hong-jun1,2

PENGXiang-lian1,2

ZHONGHai-yan1,2

(1.CollegeofFoodScienceandEngineering,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha,Hunan410004,China; 2.NationalEngineeringLaboratoryforRiceandByproductsProcessing,Changsha,Hunan410004,China)

Litseacubebaoil microcapsule were prepared by spray drying method. The effect of several shell materials on emulsion stability and surface morphology of microcapsule was investigated, and process conditions ofLitseacubebaoil microcapsule were optimized. The results of scanning electronic microscope (SEM) showed thatLitseacubebaoil microcapsule prepared with hydroxypropyl-β-cyclodextrin/ arabic gum(HP-β-CD/AG) as wall material is similar to smooth spheres with uniform size and good fluidity, and dents, wrinkles and aggregation for microcapsules prepared with other wall materials were observed. The embedding rate ofLitseacubebaoil in microcapsule was 83.80% under optimum conditions ofWHP-β-CD/AG:WLCO6, feed flow rate inlet 3.10 mL/min at air temperature at 171.0 ℃. The quadratic regression model between embedding rate and three factors was found reasonable and reliable.

Litseacubebaoil; spray drying method; microcapsule; surface morphology

湖南省重点研发计划项目(编号：2015SK20723，2015SK2072)；湖南省教育厅优秀青年项目(编号：16B282)；湖南省科技计划项目(编号：2012NK3103)

付红军(1975—)，男，中南林业科技大学讲师，博士。 E-mail:hj0730@163.com

2016—09—18

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.043