肉桂精油微胶囊化乳化工艺优化

付煜峰，张珍

(甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070)

肉桂(Cinnamomumcassia)，又称桂皮，系属樟科植物，常绿型乔木，气香浓烈，味甜、辛辣[1].肉桂精油(cinnamon essential oil，CIEO)是从肉桂树皮中提取的，以醛类及酯类为主的人工提取物，具有控制血压，降低血糖及杀菌消炎等多方面功效[2].精油在自然条件下易挥发和酸败，严重制约其在生产实践中的应用[3].微胶囊技术是利用人工合成或者在自然界中发掘的分子材料作为壁材严密包裹芯材达到延缓精油挥发和氧化的一种技术.国内外研究成功证明以亚麻籽油[4]、椰子油[5]、鱼油[6]及向孜然[7]等油脂为芯材进行微胶囊化可有效延缓精油的酸败，提高其生物利用率.近年来，肉桂精油微胶囊应用领域不断延伸，有效地推动了纺织[8]、医疗[9]及食品[10]等行业的发展，带来新的技术创新.微胶囊化之前要制备良好稳定性的乳化液，乳化液的稳定性能与微胶囊包埋性能呈正相关.依据相关文献可知，制备稳定的乳化液判断依据主要有粒径大小[11]，乳化液破乳率[12]和透射光浊度[13]等.魔芋胶是一种富含羟基(-OH)的非离子型的水溶性多糖，它与卡拉胶进行复配具有协同增强的效果，能够改善卡拉胶本身硬度大和易析水缺陷，但复配后存在粘度过高，稳定性不强等缺点[14].辛烯基琥珀酸淀粉钠(SSOS)是亲水性淀粉通过辛烯基的引入表现出两亲性特殊性质，可与芯材形成稳定性高的水溶性聚合物[15]，利用SSOS与魔芋胶进行复配，可以改善魔芋胶自身形成的聚糖网络结构，提高乳化液稳定性.Shen等[16]利用壳聚糖与SSOS形成乳化液能够有效地阻断活性化合物的渗透，并且该乳化液在低pH值下表现出更好的稳定性[17].李斌[18]通过研究对马铃薯淀粉与魔芋胶复配体系性能的比较，得出两者具有协效性，增强稳定性强的作用，该结论可为魔芋胶作为食品工业增稠剂使用提供依据.综上所述，乳化液稳定性的研究主要集中在乳化剂复配方面，而关于壁材复配对乳化性能的影响却鲜有报道.因此，本试验采用双相乳化法制备微胶囊乳化液，使用魔芋胶与SSOS复合壁材为原料，吐温80为乳化剂，以乳化液粒径大小作为乳化工艺效果评价指标，通过扫描电子显微镜对其形貌结构进行了表征，探讨魔芋胶与SSOS复合壁材在微胶囊的潜在应用，为进一步拓展魔芋胶作为微胶囊壁材在功能性食品中的应用具有重要意义.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

肉桂精油、辛烯基琥珀酸淀粉钠、魔芋胶(食品级)，源叶生物科技有限公司；吐温80(色谱纯)，天津市光复精细化工研究所.Bettersize2600激光粒度分布仪，丹东百特仪器有限公司；Scientz-150 实验性高压均质机，宁波新芝生物科技股份有限公司；HH-4J恒温搅拌水浴锅常州金坛恒丰仪器制造有限公司；JSM-6701F 冷场发射型扫描电镜，日本电子光学公司.

1.2 试验方法

1.2.1 工艺流程 复合壁材+去离子水→水相溶液+油相溶液(肉桂精油+吐温80)→粗乳化液→均质→乳化液

1.2.2 肉桂精油乳化液的制备 根据罗旭洸等[19]的方法作适当改动.试验选用双相乳化法分别配制油相与水相溶液，在室温条件下，按照一定质量SSOS与魔芋胶分别加入到水相中进行40℃水浴加热使其完全溶解，将吐温80加入肉桂精油制成油相溶液，在保持水相溶液高速搅拌的情况下快速加入油相溶液后得到肉桂精油混合液，将混合液置于压力为40 MPa均质机中均质4 min，待均质完成后得到得到稳定的肉桂精油乳化液.

1.2.3 乳化液粒径的测定 根据王胜男等[20]的方法作适当改动.试验选用Bettersize2600激光粒度分布仪对乳化液粒径进行检测.按照湿法常规测试样品，分析模式选择通用，使用折射指数(RI)为1.333的去离子水为分散剂，吸取适量的样品，采用少量多次的方法向循环池中加入被测样品，达到测定要求遮光率5%～15%为宜.乳化液粒径通常用来评价乳化液的稳定性，其值越小，乳化液稳定性越高.

1.2.4 肉桂精油乳化液稳定性单因素试验设计 参考刘鑫等[21]方法，在魔芋胶与SSOS复合壁材质量为6 g，吐温80乳化剂用量为0.3 g，芯壁比1∶3、固形物含量为4%的基础条件下，保持其他因素不变，只改变其中一个因素，设置芯壁比1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5、乳化剂添加量1%，2%，3%，4%，5%、固形物含量2%，3%，4%，5%，6%、魔芋胶与SSOS的比值为1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，以乳化液粒径大小作为乳化工艺效果的主要评价指标，每组试验重复3次进行单因素试验.

1.2.5 肉桂精油乳化液稳定性响应面优化设计 在乳化液稳定性的单因素试验的基础上，选择芯壁比、乳化剂含量、固形物含量和壁材比(KGM∶SSOS)4因素，以乳化液粒径(Y)作为响应值，通过4因素3水平的响应优化试验，对乳化工艺进行优化，因素水平见表1.

表1 因素水平表

1.2.6 乳化液微观结构观察 根据李海燕[22]的方法作适当改动.利用扫描电子显微镜(SEM)观察最优制备工艺条件下乳化液微观结构.吸取适量的样品，滴加到样品台，待干燥后在真空室中进行喷金处理.在加速电压为5 kV时，观察样品的形状和表面特征.

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 肉桂精油乳化液稳定性单因素试验结果

2.1.1 芯壁比对乳化液稳定性的影响 如图1所示，乳化液中芯壁比对稳定性有显著影响(P<0.05)，乳化液粒径随着随芯壁比的增大出现先减小后增大的情况，乳化液稳定性先增高后降低.当芯壁比小于1∶3时，芯材添加量过大，乳化液中分散的颗粒较多，导致油水界面张力比较大，体系能量比较高，热力学状态不稳定，乳化液粒径逐渐变大，乳化液稳定性降低[23].随着壁材含量的增加，乳化剂得以在油水界面完整附着，界面张力下降，同时在附着乳化剂的保护下油滴难以聚集[24]，乳化液稳定性也逐渐增加，当芯壁比为1∶3时，粒径最小为26.443 μm，稳定性显著高于其他水平.芯壁比大于1∶3时，壁材添加量恒定，随着精油的添加量减少，SSOS与魔芋胶通过分子间相连，未能实现对芯材的全覆盖造成稳定性变差[25].这与彭颖[26]利用SSOS包埋肉桂精油微胶囊研究中的结果一致.因此，乳化液最适合的芯壁配比为1∶3.

图1 芯壁比对乳化液稳定性的影响

2.1.2 乳化剂添加量对乳化液稳定性的影响 如图2所示，吐温80添加量对于乳化液稳定性有影响.随着吐温80添加量的不断加大，乳化液粒径先减小后增加.乳化剂含量的增加减少了界面自由能，促进液滴的球形颗粒的形成，使得乳化液的粒径不断减小，稳定性提升，吐温80添加量为2%时，检测粒径最小为27.938 μm，乳化液稳定性最好，与其他乳化剂含量水平相比，具有显著性差异，这是因为乳化剂附着在被乳化的肉桂精油微粒表面，减少油水两相界面张力，显著提升乳化液稳定性，当乳化剂添加量大于2%时，界面自由能继续减小，乳化液形成更小的液滴，在乳化破碎同时小液滴彼此融合的机会增加，粒径的变大，同时多余增加的乳化剂在乳化液中形成了胶团，增大乳化液粘度，降低乳化液稳定性[27].这与赵楠楠[28]利用吐温80制备偃松松塔精油囊研究中的结果一致.因此，乳化液最适合的乳化剂添加量为2%.

图2 乳化剂添加量对乳化液稳定性的影响

2.1.3 固形物添加量对乳化液稳定性的影响 如图3所示，固形物含量对乳化液稳定性有显著的影响(P<0.05).乳化液粒径先减小后增加，乳化液稳定性随固形物含量的增大出现先大后小的趋势.当固形物含量小于4%时，壁材溶解困难，并且溶解过程中结块较多，壁材浓度较低，溶液所含有效分子较少，分子间彼此距离较远，相互碰撞机率小，乳化液稳定性较差[29].随着壁材浓度增大，乳化液粘度增大，液体分子的布朗运动受到抑制而减缓，因此稳定性更好，当固形物含量为4%，乳化液粒径最小为27.113 μm，稳定性最高，与其他固形物含量水平相比，具有显著性差异.当固形物含量大于4%时会导致微胶囊壁材含量增大，过多的壁材无法完全溶解，从而无法与芯材形成均一的乳化液而影响微胶囊产品质量，这与刘睿杰[30]使用酪蛋白酸钠和麦芽糊精包埋沙棘籽油微胶囊研究中的结果一致.因此，最适乳化液固形物含量为4%.

图3 固形物含量对乳化液稳定性的影响

2.1.4 魔芋胶与SSOS质量比对乳化液稳定性的影响 如图4所示，不同的壁材比(KGM∶SSOS)对乳化液稳定性有显著的影响(P<0.05).乳化液粒径先减小后增加，乳化液稳定性随壁材比增大呈现先上升后下降的趋势.当壁材比小于1∶4时，魔芋胶在壁材配比中的比例过大，导致水相溶液的粘度较大，芯材不能完全有效地溶解在壁材溶液中，造成乳化液的稳定性降低.当壁材比为1∶4时，乳化液粒径最小为23.524 μm，显著高于其他水平下的乳化液稳定性，这是因为在适当比例下可以改善乳化液中分子间氢键的稳定性[31]，提升了乳化液的稳定性.当壁材比大于1∶4时，魔芋胶在配比中的比例过小，乳状液稳定性逐渐下降，原因可能是低浓度的魔芋胶不能达到SSOS对于粘度的要求，这与冯烁[32]使用SSOS复配包埋生姜精油的研究结果一致.

图4 魔芋胶与SSOS质量比对乳化液稳定性的影响

2.2 肉桂精油乳化液稳定性响应面优化试验结果

2.2.1 Box-Behnken中心组合试验方案 在乳化液稳定性的单因素试验的基础上，选择芯壁比(A)、乳化剂含量(B)、固形物含量(C)和壁材比(D)4因素，以乳化液粒径(Y)作为响应值，通过4因素3水平的响应优化试验，对乳化工艺进行优化，试验设计方案与结果如表2所示.

表2 响应面试验设计及结果

2.2.2 响应面模型方程及方差分析 选择芯壁比、乳化剂含量、固形物含量和壁材比(KGM∶SSOS)4个因素对乳化工艺进行优化，获得二次回归方程如下：

Y=23.73+1.32A-1.44B+2.03C-4.03D+2.50AB+3.97AC-1.76AD+1.68BC+1.60BD-0.29CD+2.54A2+3.44B2+4.33C2+3.84D2

同时对方程模型进行方差分析的显著性检验，结果见表3.

表3 回归模型方差分析

由表3数据可知，模型中一次项A、B、C、D影响均极显著(P<0.01)；交互项AD、BC、BD影响显著(P<0.05)，交互项AB、AC影响均极显著(P<0.01)；A2、B2、C2、D2影响极显著(P<0.01)，响应面如图5所示.响应面变化可直观反映影响乳化液粒径四个影响因素间的交互作用.从响应面模型来看，因素间交互作用大小与响应面图形的陡峭程度成正比[33].其中芯壁比(A)与固形物含量间(C)交互作用最强，随着固形物含量，壁材浓度增大，对油相包埋程度增加，这一现象与先前的单因素试验中所得结果一致.通过比较各个因素的P值可知影响程度依次为：壁材比>固形物含量>乳化剂添加量>芯壁比.

图5 各因素对乳化液粒径交互作用的响应曲面图

2.3 验证试验

通过对回归模型进行数学分析得到最优乳化工艺理论值为：芯壁比为1∶3.05，乳化剂加量为2.14%，固形物含量为3.73%，壁材比(KGM∶SSOS)为1∶4.5，乳化液粒径为22.395 μm.为验证乳化最佳工艺，考虑到试验的可行性，调整最优条件为芯壁比为1∶3.1，乳化剂加量为2.1%，固形物含量为3.7%，壁材比为1∶4.5进行了验证试验(n=6)，得到乳化液的粒径为(22.383±0.042)μm与预测值22.395 μm基本一致，说明采用响应面法优化的肉桂精油乳化液工艺模型可行.

2.4 肉桂精油微胶囊化乳化液表征

扫描电子显微镜对最优工艺下的乳化液颗粒形态进行观察，结果如图6所示.在图6-A中，在2 k电镜条件下观察到以观察到圆形的球状结构，且液滴之间没有聚集，这是乳化液的膨大成形造成的.图6-B中，在5 k电镜条件下可以看到乳液内部的肉桂精油，在图6-C中，在10 k电镜条件下观察颗粒结构，能够清晰地看到同心圆结构，说明芯材已被壁材包埋，这与黄璐瑶[34]的研究报道一致，本结果表明试验成功制备出具有小粒径的水包油乳化液.

图6 乳化液的扫描电子显微镜观察图

3 结论

本文通过双相乳化法制备肉桂精油乳化液，并通过单因素试验和响应面试验，考察芯壁比、固形物含量、壁材比(KGM∶SSOS)及乳化剂添加量4个单因素对乳化液稳定性的影响.经研究表明，乳化液稳定性的主次因素顺序为壁材比>固形物含量>乳化剂添加量>芯壁比；制备乳化液最佳工艺为壁材比(KGM∶SSOS)为1∶4.5，芯壁比为1∶3.1，乳化剂加量为2.1%，固形物含量为3.7%，在此条件下制备的乳化液液粒径大小为(22.383±0.042)μm，乳化液稳定性较好，且颗粒结构形态圆润，具有同心圆结构.