柠檬醛改良研究进展及其对竹材防霉的应用展望*

2021-04-09杜春贵张晶晶胡爱莲

林产工业 2021年3期

李琦彭锐杜春贵张晶晶胡爱莲

（浙江农林大学工程学院，浙江杭州 311300）

近年来，对来源于植物的天然抗菌剂研究与应用得到广泛关注。柠檬醛主要来源于山苍子[Lisea cubeba (Lour) Pers.]精油，是一种广谱抗菌剂，具有浓郁的柠檬香味，深受消费者喜爱，在食品、化妆品、香料和医药等行业中有着广阔的应用前景[1-2]。

柠檬醛化学名称为3,7-二甲基-2,6-辛二烯-1-醛，分子式为C10H16O。天然柠檬醛是两种顺反异构体组成的混合物，它们分别是顺式柠檬醛（橙花醛）和反式柠檬醛（香叶醛），以橙花醛为主[3]。柠檬醛含有孤立的碳碳双键、碳氧双键和羰基共轭的碳碳双键等基团，性质极不稳定，易受外界氧气、温度和pH值等的影响而发生氧化反应、脱氢环化反应和重排反应，从而导致柠檬醛变色、变味，抑菌性能降低，其应用受到极大的限制[4-8]。因此，开展柠檬醛稳定性的改良研究具有十分重要的意义。

近年来，国内外对提高柠檬醛稳定性的相关研究报道不断增多[9-12]，但研究深度和广度仍有待加强。为促进柠檬醛相关技术的研发与推广应用，本文从柠檬醛微胶囊技术和抗氧化剂技术两个方面综述了柠檬醛稳定性改良研究进展。此外，人们广泛使用的竹材及其产品，因极易受到霉菌污染而失去使用价值。国内外学者开展了竹材防霉的诸多研究[13-17]，但所用防霉剂以人工合成的化学药剂为主，对环境和人体健康具有不利影响。柠檬醛作为一种天然抗菌剂，具有较强的抑菌性能，非常适宜于竹材的防霉。但目前还未见有关柠檬醛用于竹材防霉的研究报道，本文对其应用前景进行展望。

1 柠檬醛微胶囊技术

采用微胶囊技术对柠檬醛进行包覆改良，制成微胶囊是提高柠檬醛稳定性的有效途径之一。微胶囊技术，即以粒径为微米级的固体、液体或气体为芯材，利用惰性物质将其完全包裹，使其不受外界环境影响，最终形成的微型容器称为微胶囊[18-19]。目前，柠檬醛的微胶囊包合改良技术主要包括喷雾干燥法、水包油乳液法、纳米乳液法、分子复合物包合法等多种方式。

1.1 喷雾干燥法

喷雾干燥法是在喷雾器离心或者压力的作用下，将流体状的物料喷成雾状，然后在干燥介质中瞬间干燥为粉状或颗粒状的一种方法，具有成本低、操作方便，物料在形成粉状和颗粒制品后可以提高其稳定性和生物利用度等优点[20]。

邱碧宁等[21]利用喷雾干燥法制备柠檬醛微胶囊，一种为最外层包有甲基纤维素的A 体系（CMCTS1.0-3）微胶囊，另一种为未包有甲基纤维素的B体系（MC-2）微胶囊，其扫描电镜图（SEM）见图1。由图可知，分别存放14、90 d后的A、B两体系柠檬醛微胶囊的表面裂纹程度有所不同，A体系的柠檬醛微胶囊稳定性好，而B体系的微胶囊稳定性差。试验表明：利用喷雾干燥法制备的微胶囊在长期贮存过程中，壁材的组成对柠檬醛的稳定性有较大影响。

图1 柠檬醛微胶囊存放不同时间后的SEM图[21]Fig.1 SEM images of citral microcapsules stored at different time

Yang等[22]以喷雾干燥法制备大豆蛋白-多糖为壁材的柠檬醛微胶囊。结果表明：使用喷雾干燥法制备柠檬醛微胶囊，壁材和柠檬醛的比例以及进料乳状液中固体含量会影响微胶囊的得率和稳定性。Soat等[23]以含有海藻糖的麦芽糊精与改良淀粉为壁材，采用喷雾干燥法制备柠檬醛微胶囊。结果表明：以不同壁材包合柠檬醛形成微胶囊的得率基本相似，但用含有海藻糖的麦芽糊精壁材制成的微胶囊稳定性更好。

可见，采用喷雾干燥法制备柠檬醛微胶囊能有效提高柠檬醛的稳定性，微胶囊的壁材种类、组成和贮存条件等对稳定性有一定的影响。

1.2 水包油乳液法

水包油乳液[24]是指将油分散在水中的乳化体系，其中油为内相，水为连续外相，结构如图2 所示。这种分散体系具有操作简单、乳液铺展性强，且能提高被包合物的稳定性，常用乳化剂、磷脂、多糖、正十六烷和十八烷为分散系制备水包油乳液[4]。

图2 油分子在水包油乳液中的存在形式[25]Fig.2 The presence of oil-in-water microemulsions

近年来，有关水包油乳液被用于抑制酸性条件下柠檬醛降解的研究有较多报道。Djordjevic等[26]在pH=3 和温度为4～55 ℃条件下测试以乳清分离蛋白和阿拉伯胶为乳化剂制备的柠檬醛乳液的贮藏性能，即柠檬醛水包油乳液在贮存过程中的稳定性和降解率。结果表明：在贮藏过程中，随着温度的升高，柠檬醛乳液的降解速率增加，其中用乳清分离蛋白制备的柠檬醛乳状液与阿拉伯胶制备的乳状液相比降解较快；但是在酸性条件下，乳清分离蛋白能够抑制柠檬醛降解产物对伞花烃的形成，提高柠檬醛乳液贮藏性能。马磊等[27]用鹰嘴豆乳清蛋白制备高稳定性的柠檬醛水包油型乳液。结果表明：柠檬醛经过乳清蛋白乳化后能够形成稳定的水包油型乳液（图3），其油滴成球形，粒径在数百纳米范围，并且柠檬醛的包合含量达到60%以上，显示了良好的乳液稳定性。此外，在pH值偏酸和偏碱环境下以及加入黄原胶更有利于提高乳液稳定性。

图3 乳清蛋白稳定柠檬醛乳液的光学显微结构[27]Fig.3 Whey protein stabilized the optical micrstructure of citral emulsion

Arnon-Rips[28]等研究了柠檬醛水包油乳液在实际中的应用，利用乳化羧甲基纤维素（CMC）为基础的柠檬醛乳液给药系统抑制马铃薯块茎发芽。结果表明：实验制得的粗乳化和纳米乳化柠檬醛-CMC膜，在活性剂含量、化学稳定性、延长释放时间和有效抑制马铃薯块茎发芽等方面均优于直接添加柠檬醛的CMC膜，其中纳米乳化柠檬醛-CMC膜表现更为优异。该研究采用乳化法将亲脂性的柠檬醛与CMC水溶液进行包合，从而使柠檬醛溶液具有更强的稳定性。

Mendes等[29]采用柠檬醛纳米液滴制备活性膜包合水包油乳液。结果表明：薄膜中柠檬醛稳定性较高，且对微生物降解有强烈的抑制作用，表现出较好的抗菌活性。Jovanovic等[30]开发了一种基于精油和可再生的天然生物聚合物的水包油乳液作为绿色杀虫剂。结果表明：将活性物质柠檬醛包合在聚合物内，可以明显提高其稳定性，并且能够做到缓慢释放。

有关增强柠檬醛乳液的稳定性研究，Park等[31]考察了助溶剂和表面活性剂对柠檬醛溶解度和稳定性的影响。结果表明：随着表面活性剂和助溶剂的加入，柠檬醛的溶解度增加，降解速率降低，说明稳定性提高；在表面活性剂构建的胶束乳液中，亲水基团小的表面活性剂比亲水基团大的表面活性剂表现出更高的柠檬醛稳定性。

1.3 纳米乳液法

图4 纳米乳液原理图[25]Fig.4 Nanoemulsion schematic

纳米乳液一般被称为细乳液（图4），其中一种液体以更小的液滴形式分散在另一种液体中，且互不相容，具有低黏度、透明或轻微的浑浊性状，乳液的物理稳定性强[25,32]。近年来，纳米乳液的应用研究得到快速发展，涵盖制药、食品和化学等多个领域[31]。

徐婷等[34]采用复配乳化剂的方法制备纳米乳状液包埋柠檬醛。结果表明：在酸性条件下静置一段时间后，采用复配乳化剂的纳米乳状液中的柠檬醛含量高于空白对照组柠檬醛的含量，明显提高了柠檬醛在酸性条件下的化学稳定性。在柠檬醛降解过程中，反式柠檬醛稳定性优于顺式柠檬醛。时臻彬等[35]以明胶、阿拉伯胶为壁材，司班60/吐温20（2∶3）为乳化剂，采用高压乳匀法制备柠檬醛乳液。结果表明：在酸性条件下，柠檬醛的环化反应为柠檬醛分子间或分子内的酸催化反应，纳米胶囊对柠檬醛形成的包裹隔绝了柠檬醛分子与氧的接触，且分散油滴也阻碍了柠檬醛的氧化反应，因而柠檬醛纳米胶囊减缓了其在酸性条件的降解，提高了纳米乳液的稳定性。

Lu等[36]采用混合表面活性剂Span80 和Brij97，在比值为0.4～0.6 时，在超声条件下制备水浸柠檬醛纳米乳液，其透射电镜图如图5 所示。结果表明：柠檬醛纳米乳液均匀排列，形成稳定的体系，提高了柠檬醛的物理稳定性，同时乳液还依然具有优异的抗菌性能，这也表明柠檬醛的化学性质稳定性增强。

图5 柠檬醛纳米乳液液滴TEM图[36]Fig.5 TEM image of citral nanoemulsion

田怀香等[37]制备了一种纳米纤维素稳定的柠檬醛皮克林乳液。结果表明：在纳米纤维素制备的皮克林乳液中，纳米纤维素紧密排列在油水界面上，提高了柠檬醛的稳定性，能有效缓解柠檬醛在酸性条件下的降解速率。

1.4 分子复合物包合法

分子复合物包合法是指主体和客体分子之间的物理包埋作用，将具有生物活性的物质包合在其他大分子物质中，可以有效提高溶解性和稳定性[38]。此类研究中，大多数采用环糊精包合柠檬醛，其中以β-环糊精作为主体的研究报道最多，研究也较为深入。

β-环糊精（β-CD）是由D-葡萄糖七分子环状联结而成的化合物，具有整个分子成环状结构，其内部疏水，外部亲水的结构特点，且腔内直径仅有0.78 nm，可以将柠檬醛嵌在中间，提高柠檬醛的溶解性和稳定性，减少挥发和氧化性。β-环糊精的分子结构如图6 所示。

图6 β-环糊精的分子结构图[38]Fig.6 Molecular structure diagram of β-CD

徐晶等[39]研究了β-环糊精包埋柠檬醛微胶囊工艺优化及其缓释性能。结果表明：优化工艺条件下的β-环糊精对柠檬醛的包埋产率达到78.8%，并在缓释实验中发现，微胶囊明显降低柠檬醛的挥发速率。魏磊等[40]研究了β-环糊精包合柠檬醛及包合物稳定性。结果表明：在包合温度为50 ℃、包合时间为60 min、柠檬醛与β-环糊精比例为1∶11（w/w）的条件下，包合物的包合率可达到 85.62%。β-环糊精包合柠檬醛，不仅提高了柠檬醛的化学稳定性，还减缓了柠檬醛的氧化速率，并可通过包合物实现柠檬醛的控释。

刘葵等[41]采用羟丙基化改良的β-环糊精对柠檬醛进行包合。结果表明：改良的β-环糊精包埋柠檬醛的包合率可以达到98%，包合反应后包合物具有缓慢释放柠檬醛的特点，从而增强了柠檬醛的抗氧化、抗光照性能，提高了活性物质的稳定性。高强等[42]为提高柠檬醛在田间的使用效果，制备了31%柠檬醛羟丙基-β-环糊精水剂，并研究了其对稻瘟病菌的抑制作用。结果表明：水剂的最佳配方为31%柠檬醛羟丙基-β-环糊精包合物，10%OP-15，5%渗透剂，0.5%山梨酸钾，蒸馏水补足至100%，对水稻稻瘟病菌菌丝生长和袍子萌发均有良好的抑制作用。Das等[43]研究了随机甲基化β-环糊精包合柠檬醛形成RAMEB胶囊产物的抗氧化和抗菌性能。结果表明：柠檬醛的包封率达到了（93.13±1.58）%，RAMEB胶囊中挥发成分及其活性成分较为丰富，说明包合物可以保护柠檬醛免受环境的影响。大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌实验表明：包合后的柠檬醛的抗菌和抗真菌活性比游离的柠檬醛提高了2～4 倍。

2 柠檬醛抗氧化技术

为克服柠檬醛易氧化降解的缺点，国内外学者采用抗氧化剂以提高其稳定性。抗氧化剂可分为合成抗氧化剂和天然抗氧化剂两大类[44]，过去常用合成抗氧化剂对柠檬醛的稳定性进行改良，由于其具有一定的毒性和致癌风险[45]，因此，近年来以天然抗氧化剂改良柠檬醛稳定性的研究逐渐成为热点。

2.1 合成抗氧化剂

目前，最常见的几种合成抗氧化剂为叔丁基对甲苯酚（BHT）、叔丁基对甲氧酚（BHA）、叔丁基对二酚（TBHQ）和没食子酸丙酯（PG）[46]。

Kimura等[47]在研究柠檬醛风味及异味物质来源中发现，常用的合成抗氧化剂对柠檬醛在酸性条件下生成的降解产物对伞花烃、对甲基苯乙酮和对甲酚等没有抑制作用。由于长期使用合成抗氧化剂会威胁生命安全，因此合成抗氧化剂逐渐不再应用于柠檬醛的科学研究。

2.2 天然抗氧化剂

天然抗氧化剂是从天然动、植物中提取的具有抗氧化活性的物质[48]。如多酚类、多糖类、黄酮类、维生素类等，这是当前对柠檬醛进行改良研究采用的几种主要天然抗氧化剂。

2.2.1 单一天然抗氧化剂的应用

随着新的天然抗氧化剂不断出现，对柠檬醛的抗氧化研究进入了一个新阶段。王根女等[49]将迷迭香提取物、茶多酚、红茶提取物3种植物基抗氧化剂加入到酸性柠檬醛香精乳液中，研究利用植物基天然抗氧化剂抑制柠檬醛降解。结果表明：红茶提取物抑制柠檬醛降解的效果最佳，其次为迷迭香提取物、茶多酚，而没有添加抗氧化剂的对照样在保存20 d后产生明显的异味、臭味。天然抗氧化剂抑制了柠檬醛降解产物的生成，拓展了柠檬醛在食品行业的应用。

Sharma等[50]研究几种药用植物精油（披针花、松香茅、马鞭草、爪哇香茅）与抗氧化物的协同抗氧化和抗菌活性。结果表明：药用植物的主要成分柠檬醛等物质和抗氧化剂协同作用，对3种革兰氏阳性菌具有有效的抑菌作用，并且使抑菌时间增长，联合用药减轻病菌耐药机制。Shi等[51]研究了爱扑塞隆-多聚赖氨酸（ε-PL）和柠檬醛的单独和联合抗氧化、抗菌和抗肿瘤活性。结果表明：单独使用柠檬醛时，对大肠杆菌抑制作用不明显，这是因为柠檬醛不稳定，产生了挥发和氧化降解，而当ε-PL和柠檬醛联合使用时，对大肠杆菌有很强的杀菌效果，抑制了大肠杆菌菌株的生长。天然抗氧化剂和柠檬醛协同作用，强化了两者的性能，尤其是增强了柠檬醛的稳定性和抗菌性，拓展了柠檬醛在医药行业的发展。

2.2.2 天然抗氧化剂在柠檬醛微胶囊内的应用

天然抗氧化剂能有效抑制柠檬醛降解，但天然抗氧化剂对柠檬醛的改良效果与其和柠檬醛的接触程度有关，当存在溶解性不一而导致抗氧化剂与柠檬醛不能有效结合时，就会影响柠醛醛的改良效果[4]。因此，将抗氧化剂加入柠檬醛微胶囊中，以提高双方的协同作用成为当前的研究方向之一。

Yang等[52]研究了在酸性乳剂缓冲液中天然抗氧化剂（红茶提取物、抗坏血酸、胡萝卜素、丹参酮、陈皮素）对柠檬醛的氧化抑制效果。结果表明：在柠檬醛的包封乳液中加入适量的红茶提取物、胡萝卜素或丹参酮，可抑制柠檬醛降解产物对甲基苯乙烯和对甲基苯乙酮的产生，可显著提高柠檬醛在贮藏过程中的化学稳定性。李丹凤等[53]研究了异抗坏血酸、原花青素和（+）-儿茶精水化合物3 种水溶性抗氧化剂，以及桔皮素、β-胡萝卜素、柚皮素和槲皮素二水合物4 种脂溶性抗氧化剂对固体脂质纳米颗粒体系（Citral-SLNs）中柠檬醛降解的抑制情况。结果表明：天然抗氧化剂对柠檬醛的改良效果与抗氧化性的极性有关，抗氧化剂的极性决定其在不同体系中的抗氧化活性。在固体脂质纳米颗粒体系里，油水界面可能易发生氧化反应，因此聚集在油水表面或油相亲脂性抗氧化剂比溶解于水中的亲水性抗氧化剂更能发挥抗氧化作用，另外亲水性抗氧化剂极易与水形成分子间氢键，降低抗氧化能力。通过对样品中柠檬醛以及同分异构体的保留率，以及产生的降解产物的含量测定，研究得出其抑制效果大小排序为：β-胡萝卜素＞槲皮素二水合物＞桔皮素＞柚皮素＞异抗坏血酸。其中原花青素和（+）-儿茶精水化合物制出的样品分层严重，外观不稳定，没有形成均一稳定体系。水溶性和脂溶性抗氧化剂在固体脂质纳米颗粒体系中的分布情况，如图7 所示。