山苍子油微胶囊的制备技术比较及其释放动力学

杨艳红 李湘洲，2 周 军 王晓婷

(中南林业科技大学材料科学与工程学院1，长沙 410004) (南方林业生态应用技术国家工程实验室2，长沙 410004)

山苍子，樟科木姜子属植物，是中国特有的香料资源植物[1]。由其果实提取的山苍子油主要成分为柠檬醛，具有独特的浓郁香味，是一种天然香料，也是合成紫罗兰酮、鸢尾酮等香料的主要来源[2-4]。同时山苍子油具有的抗氧化抑菌特性，使其在天然调味剂、天然抗氧化剂和天然抑菌剂等领域具有特殊的地位[5-6]。 但是，包括山苍子油在内的大多数植物精油，都存在不稳定性[7]，天然的山苍子油易受外界条件的影响，对热、光敏感，而且由于挥发性强，释放快，这些性质制约了其终端产品的应用。

微胶囊技术可以对植物精油进行包埋，在植物精油保护、控释等方面具有显著效果[8-11]，可提高山苍子油的稳定性。微胶囊的制备方法主要为化学法、物理化学法、物理法等。常用的物理法包括研磨法、饱和水溶液法、冷冻干燥法、喷雾干燥法等。其中研磨法工艺简单，但包埋效果有限[12]。饱和水溶液法操作及所需设备简单，但壁材的性质会限制其包埋效果[13]。冷冻干燥法[14]与喷雾干燥法[15]虽然干燥效率相对较高，但均需要特殊的设备器材，成本相对较高。目前关于单一技术开展微胶囊制备工艺的研究已经有不少报道[16-18]，但是相对全面和系统地比较若干种制备技术的研究不多见[19-21]。同时微胶囊芯材的释放，决定了微胶囊的应用前景。一般而言芯材释放速率由芯材在壁材中的溶解度和通过壁材的扩散共同决定[7,22]。常用的释放动力学模型有很多，如零级释放动力学方程[23-24]、一级释放动力学方程[25-26]、Higuchi模型和Avrami′s模型[27-30]等。比较理想的体外释放速率应符合零级动力学方程，即恒速释放，但在实际过程中，由于受到外界多种因素的影响，能达到零级释放的很少。而且目前关于精油微胶囊释放动力学的报道相对较多，但研究制备技术对释放过程速率控制的理论研究相对较少。

本研究以β-环糊精为壁材，以山苍子油为芯材，考察了研磨法、饱和水溶液法、冷冻干燥法、喷雾干燥法四种微胶囊制备技术对山苍子油的包合及释放效果。为了比较不同制备技术对山苍子油释放速率的影响，本研究采用零级释放动力学方程、一级释放动力学方程、Higuchi模型分别对这四种微胶囊释放实验数据进行拟合，获得了山苍子油释放动力学模型。论文所获得的定量研究结果，得到了山苍子油在自然环境中的释放规律，为更有效地控制芯材释放提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

山苍子油：市售；β-环糊精、无水乙醇均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

Panda Plus高压均质机； LGJ-10冷冻干燥机；B-290小型喷雾干燥仪；Nicolet Avatar330傅里叶转化红外光谱仪；JEOL 6380-lv扫描电子显微镜。

1.3 实验方法

1.3.1 山苍子油微胶囊的四种不同制备方法

1.3.1.1 研磨法

称取一定量的β-环糊精放入干燥的研钵中，先加约3倍水研匀，按芯壁比1∶3取山苍子油，一边研磨一边向研钵中逐滴滴加山苍子油，控制研磨时间为40 min，温度为常温，研磨至表面没有油层，然后低温干燥，即得到山苍子油微胶囊样品。

1.3.1.2 饱和水溶液法

将一定量的β-环糊精在70 ℃下配成饱和的β-环糊精溶液，放入水浴锅，搅拌至成透明溶液，然后按芯壁比1∶3取山苍子油(加少量无水乙醇混合均匀)，边搅拌边加入山苍子油。搅拌过程中慢慢降温冷却，使溶液中渐渐沉淀析出包结形成的微胶囊，然后过滤、干燥，即得到山苍子油微胶囊样品。

1.3.1.3 冷冻干燥法

将一定量的β-环糊精在70 ℃下配成饱和的β-环糊精溶液，放入水浴锅，搅拌至成透明溶液，然后按芯壁比1∶3取山苍子油(加少量无水乙醇混合均匀)，边搅拌边加入山苍子油。接着将溶液进行过滤，将得到的滤渣进行冷冻干燥，控制真空度为76 kPa，冷冻温度为 -20 ℃，冷冻时间为24 h，即得到山苍子油微胶囊样品。

1.3.1.4 喷雾干燥法

将一定量的β-环糊精在70 ℃下配成饱和的β-环糊精溶液，放入水浴锅，搅拌至成透明溶液，然后按芯壁比1∶3取山苍子油(加少量无水乙醇混合均匀)边搅拌边加入山苍子油使其混合均匀，呈乳浊液状。将搅拌均匀后的乳液进行放入高压均质机中进行均质，控制最高压力为500 bar，均质时间为20 min，使油滴均匀包合在壁材中。将均质后的乳液喷雾干燥，控制进口温度为180 ℃，进风量为80%，进料泵泵速为15%，在分离器中收集产品，即得到山苍子油微胶囊样品。

1.3.2 山苍子油微胶囊表面油、总油测定及包埋率、收率的计算(所有的实验重复3次取平均值)

1.3.2.1 表面油、总油测定

山苍子油微胶囊表面油测定：准确称取2 g样品，分3次将50 mL石油醚加入，每次均振荡2 min，过滤并合并滤液，转移至干燥且已称重的烧杯中，记空杯质量m1，在50 ℃恒温水浴加热滤液，蒸出石油醚，直至表面油和烧杯的总质量不再变化，称重记为m2。表面油质量=m2-m1。

山苍子油微胶囊总油测定：准确称取2 g样品至干燥且已称重的圆底烧瓶中，记空瓶质量m3，加入150 mL石油醚索氏萃取8 h，50 ℃恒温水浴加热直至总油和圆底烧瓶的总质量不再变化，称重记为m4。总油质量=m4-m3。

1.3.2.2 包埋率、收率的计算

1.3.3 山苍子油微胶囊的SEM

将所制得的微胶囊用导电胶粘在扫描电镜载物台上，样品表面喷金，30 min后将载物台之于扫描电镜中，加速电压20 kV。

1.3.4 山苍子油微胶囊的IR

称取5 mg微胶囊样品与100 mg KBr充分研磨混合均匀，压片，于4 000～400 cm-1内进行红外光谱扫描。

1.3.5 山苍子油微胶囊动力学的构建与拟合

将山苍子油微胶囊置于室温(15±5) ℃，空气相对湿度(60±10)%的条件下，避光密闭保存35 d，每间隔 5 d 取样对其中的山苍子油进行索式提取，按公式计算得出山苍子油微胶囊的释放率。

释放率=

根据零级模型Q=a+bt、一级模型ln(1-Q)=a+bt、Higuchi模型Q=bt1/2(式中，Q为微胶囊中山苍子油的释放率/%；t为微胶囊储存时间/d；n为释放机理参数；a,b为公式参数)。分别对微胶囊的释放速率进行拟合，得出释放动力学模型。

2 结果与分析

2.1 山苍子油微胶囊的包埋率、收率

以β-环糊精为壁材采用不同方法制备山苍子油微胶囊，所得微胶囊的包埋率及收率如表1所示。

表1 微胶囊的包埋率、收率/%

其中以喷雾干燥法的包埋率最高，其次为冷冻干燥法和饱和水溶液法，研磨法的包埋率最低，而收率正好相反。

因为研磨法操作方法简单，过程单一，制备过程中不经过其他仪器，无试剂转移过程，故制备过程中原材料的损耗率最小，因此其收率最高，同时因为β-环糊精分子内疏水外亲水的特殊结构，在简单的研磨过程中，大量的山苍子油并未被包埋进环糊精的空腔，因此制备的微胶囊的包埋率最低[12]。而采用饱和水溶液法和冷冻干燥法制备微胶囊的制备微胶囊时，由于β-环糊精溶解度较低，因此其内腔包埋的山苍子油的量较少，并且饱和水溶液法的高温干燥对山苍子油的损耗略大于冷冻干燥法，因此其微胶囊的包埋率略低于冷冻干燥法。同时微胶囊的过滤转移导致了微胶囊的收率的降低[13-14,31]。喷雾干燥法相较于其他几种方法操作步骤更为复杂，使用的仪器设备也较多，并且在试剂转移过程中，设备器壁上存在试剂残留，此外，由于喷雾干燥法在高温下操作，存在部分山苍子油的挥发，导致较多的原材料流失，所以喷雾干燥法制备微胶囊的收率较低。但喷雾干燥法对混合液进行了高压均质，促进了芯材在壁材溶液中的进一步扩散，使β-环糊精与山苍子油充分接触，并且喷雾干燥过程迅速，芯材损失少，因此微胶囊包埋率较高[8,15]。

2.2 山苍子油微胶囊的SEM微观形态分析

从图1可知，研磨法制得的微胶囊颗粒非常不均匀，呈不规则状态，大量的山苍子油并未进入环糊精空腔而是附着在其表面，并且微胶囊表面的山苍子油容易黏结在一起，导致产品结块现象严重，在外观上与其他方法制备出的微胶囊粉末存在较为明显差异。饱和水溶液法制备的微胶囊，制得的产品形态大小较不均匀，且存在轻微结块现象。因该法是在降温冷却中形成微胶囊，操作存在一定的不均匀性，所以制得的产品颗粒不均匀，存在轻微结块现象。相较于研磨法和饱和水溶液法，冷冻干燥法制得的微胶囊颗粒相对大小较均匀。这是因为物料在升华前先冻结，形成了稳定的固体骨架，所以水分升华后固体骨架基本保持不变[32]，颗粒粒径相对均匀。而喷雾干燥法制备的微胶囊相较于其他方法制备的微胶囊而言，颗粒大小更为均匀，这与游凤等[33]研究的较为相似。这是因为利用了高压均质与喷雾干燥法相结合的处理方法，在高压的作用下使芯材与壁材混合更加充分，更有利于形成致密性良好、强度一定的微胶囊囊壁[34]，因而微胶囊的包埋效果较好，这也与2.1的结果一致。

图1 不同方法制备的微胶囊SEM形貌图

2.3 山苍子油微胶囊的红外光谱分析

通过对山苍子油、β-环糊精、山苍子油微胶囊进行红外光谱扫描，所得结果如下。

从图2中可知，山苍子油红外光谱有3种特征吸收峰，其中—CH3、—CH2—的伸缩振动峰2 968.44、2 926.01、2 858.50 cm-1处，柠檬醛羰基的伸缩振动峰为1 676.14 cm-1，柠檬醛双键在1 635.63 cm-1处有一个伸缩振动峰。β-环糊精中—OH的伸缩振动峰在3 388.92 cm-1处，2 926.01 cm-1附近有—CH3的一个伸缩振动峰。

图2 山苍子油微胶囊及其单体成分的红外图谱

研磨法制备的微胶囊中，山苍子油的2 968.44、2 926.01、2 858.50 cm-1处特征吸收峰有较为明显的存在，且柠檬醛羰基的伸缩振动峰1 676.14 cm-1基本上变化不大，这是因为研磨法包合效果较差从而导致了β-环糊精的外表面附着了大部分未包合的山苍子油，从而出现了山苍子油的特征峰。 而在饱和水溶液法、冷冻干燥法、喷雾干燥法3种方法所制备的山苍子油-β-环糊精包合物所对应的红外光谱中，均未出现柠檬醛中—CH3、—CH2—所形成的伸缩振动峰(2 968.44、2 858.50 cm-1)，且双键的伸缩振动峰(1 635.63 cm-1)和羰基伸缩振动峰(1 676.14 cm-1)的峰强度出现明显降低。这说明柠檬醛分子与β-环糊精分子存在范德华力、氢键等作用力，进入到β-环糊精分子的空腔后，形成较为稳定的包合物[35]。但相比而言，喷雾干燥法中的山苍子油的特征伸缩振动峰的强度要弱于冷冻干燥法、饱和水溶液法，这进一步论证了喷雾干燥法制备微胶囊对山苍子油的包合效果要高于冷冻干燥法、饱和水溶液法及研磨法，与2.1的结果一致。

2.4 山苍子油微胶囊的释放动力学

2.4.1 山苍子油微胶囊的释放率

按照1.3.5计算得出山苍子油微胶囊的释放率，结果如图3所示。

图3 山苍子油及不同工艺制备的微胶囊的释放率

由图3中可以看出，研磨法制备的山苍子油微胶囊的释放与山苍子油的释放速率相差不大。而饱和水溶液法、冷冻干燥法、喷雾干燥法制备的微胶囊均对山苍子油有一定的保护作用，能从一定程度上减少山苍子油的损失。

研磨法制备的微胶囊本身对山苍子油的包合效果不佳，大量的山苍子油附于环糊精表面，挥发较快，因此其释放速率与山苍子油相差不大，保护作用并不太明显。饱和水溶液法与冷冻干燥法在搅拌混合均匀的条件下进行包合，其包合效率并不太好，因此在释放过程中，对芯材的保护性有一定的局限性。喷雾干燥法经过高压均质，山苍子油在高压下被外力包埋进环糊精的空腔中，包合效果较好，因此芯材释放的较慢，达到了较好保护山苍子油的作用[8]。

2.4.2 山苍子油微胶囊的释放动力学

2.4.2.1 山苍子油微胶囊的释放动力学模型的拟合

微胶囊控制释放系统是由芯材和高分子壁材组成，通过改变芯材和壁材的组成方式获得所需的控制释放效果。在同样的外界条件下，分别采用3种动力学模型对所制备的4种微胶囊的释放过程进行拟合，得到合适的动力学拟合模型，结果如表2所示。

比较这3种不同动力学方程模拟和线性相关系数R值可知，这4种微胶囊的释放过程对于不同模型的拟合度有一定差异：对于研磨法与喷雾干燥法制备的微胶囊的释放过程是零级动力学优于一级动力学、Higuchi模型；饱和水溶液法与冷冻干燥法相似，均为一级动力学优于零级动力学、Higuchi模型。

分析这些微胶囊的释放过程可以发现，研磨法制备的微胶囊，与山苍子油的释放相似，在释放初期释放迅速，然后逐渐趋于恒速，综合分析其释放速率更适用于零级动力学。这是因为研磨法制备过程是一个相对简单的混合过程，大量的山苍子油并未被实际包合进入微胶囊内部，其释放的主要是未包埋的山苍子表面油，因此其释放速率与山苍子原料油相接近，是一个基本恒速的过程。而在喷雾干燥法制备的微胶囊的释放过程中，由于释放环境体积远大于微胶囊体积且微胶囊的尺寸及表面积大小不变，同时由于微胶囊中山苍子油的含量较高，可近似认为山苍子油的浓度在微胶囊内的浓度不变[7-8]。

表2 不同方法制备的山苍子油微胶囊的体外释放模型模拟结果及参数

因此山苍子油在微胶囊膜内稳态扩散，是一个较为理想的扩散过程，为山苍子油提供了较好的保护作用，大大提高了山苍子油的稳定性。

对于饱和水溶液法和冷冻干燥法制备的微胶囊而言，随着时间的进行，微胶囊的释放变得缓慢，其更适合于一级动力学方程。分析原因是因为这两种方法制备的微胶囊中山苍子油的含量较少，并且随着芯材的不断释放，山苍子油在微胶囊内的浓度下降，释放驱动力不断减小，因此微胶囊的释放速率变小，这与魏磊等[36]报道的结果一致。同时此种类型微胶囊的释放的主要阻力为微胶囊壁材的致密度[37]，而冷冻干燥法由于保留了良好的固体骨架，因此其壁材的致密度要强于饱和水溶液法制备的微胶囊。因此其对山苍子油的保护要稍强于后者。

2.4.2.2 山苍子油微胶囊的释放动力学优化模型的拟合

分别对这4种方法制备的微胶囊的释放动力学的优化模型进行拟合，结果见图4。

图4 微胶囊的优化模型拟合

由图4可以看出，研磨法与喷雾干燥法制备微胶囊的释放曲线与零级释放方程的拟合度较高，而饱和水溶液法与冷冻干燥法制备微胶囊的释放曲线与一级释放方程的拟合度较高。

3 结论

以β-环糊精为壁材，采用4种不同的包合方法制备了山苍子油微胶囊，喷雾干燥法对山苍子油的包埋率最高，其次为冷冻干燥法和饱和水溶液法，研磨法的包埋率最低。红外光谱分析也验证了这个结果。从SEM图中可知喷雾干燥法制备的微胶囊外形相对于其他3种方法而言，微胶囊颗粒大小更为均匀。在同样的外界条件下，分别采用零级释放动力学、一级释放动力学、Higuchi模型对所制得的4种微胶囊释放速率进行拟合研究，得知由研磨法与喷雾干燥法制备的微胶囊的释放更符合零级模型，而饱和水溶液法与冷冻干燥法制备的微胶囊的释放更符合一级模型。喷雾干燥法是一种较为理想的山苍子油微胶囊的制备技术，能对山苍子油提供很好的保护作用，提高山苍子油稳定性。