鄭 義,俞益芹,黃 陳,陳 元,董莎莎

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院,江蘇泰州 225300)

桂花(Osmanthusfragrants Lour)又名木樨、丹桂、巖桂,屬木樨科常綠灌木或喬木,在我國南方廣西、貴州、福建、湖南、浙江、江蘇等各省均有栽培。桂花不僅具有較高的觀賞價值,而且具有極高的食用和藥用價值,我國自古就有食用桂花糕、釀制桂花酒習(xí)俗;以桂花為原料制作的桂花茶對舒緩喉嚨痛,改善多痰、咳嗽癥狀,開胃醒神、健脾補虛,防治十二指腸潰瘍具有很好的保健功能[1]。桂花因香氣清新、高雅而深受大眾喜愛,是一種高檔的天然香料,被廣泛應(yīng)用于化工、制藥、食品等行業(yè)。桂花精油是天然金桂的提取物,是目前唯一不能合成的一種高檔花香香料,也是我國的特有產(chǎn)品[2]。桂花精油含有紫羅蘭酮類、醇類、氧化芳樟醇類、六羥基紫杉烯等芳香物質(zhì),暴露在空氣中,受環(huán)境因素的影響,極易揮發(fā)且發(fā)生氧化酸敗[3],嚴重影響了桂花精油的質(zhì)量。

微膠囊技術(shù)是指利用天然或合成的高分子包囊材料,將固體、液體或氣體物質(zhì)包埋在微小、半透性或密封的膠囊內(nèi),使內(nèi)容物在特定條件下以可控的速率進行釋放的技術(shù)。通過微膠囊技術(shù)可以達到隔離活性成分、保護芯材免受環(huán)境影響、掩蓋不良味道或氣味、控制釋放等目的[4]。噴霧干燥法制備丁香油、牡丹籽油、薰衣草精油、香草蘭精油微膠囊的研究已有許多資料報道[5-8],桂花精油相關(guān)研究主要集中在提取、分離等方面[9-10],但利用噴霧干燥技術(shù)制備桂花精油微膠囊還未見資料報道。

本文以阿拉伯膠和麥芽糊精為壁材,桂花精油為芯材,采用噴霧干燥技術(shù)制備微膠囊固態(tài)粉末產(chǎn)品,可以有效防止由氧氣、光照、酸堿等外界因素對桂花精油在儲運過程造成不良影響,提高其穩(wěn)定性能[11-12],為桂花精油的綜合開發(fā)與利用拓寬途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

桂花精油 實驗室自制;阿拉伯膠 食品級,西王藥業(yè)有限公司;麥芽糊精 食品級,西王藥業(yè)有限公司;無水乙醚、無水乙醇 均為分析純,上海國藥試劑有限公司;實驗所用水均為去離子水。

AL204-IC型電子天平 上海精密儀器儀表有限公司;GYB30-6S型高壓均質(zhì)機 上海東華均質(zhì)機廠;101-2A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司;B-290 型小型噴霧干燥機 瑞士Buchi有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 桂花精油微膠囊制備工藝 阿拉伯膠+麥芽糊精→溶解→調(diào)配→桂花精油,初乳化→高壓均質(zhì)→噴霧干燥→桂花精油微膠囊,置干燥器內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

取一定體積的冷水,邊攪拌邊加入不同質(zhì)量分數(shù)阿拉伯膠和麥芽糊精,待分散后加熱至50～60 ℃,使其溶解。然后將膠體溶液冷卻至室溫,然后在溶液中邊攪拌邊加入桂花精油,高速分散,保持60 ℃高壓均質(zhì)后噴霧干燥,得到微膠囊產(chǎn)品。

1.2.2 單因素實驗設(shè)計

1.2.2.1 壁材配比對微膠囊包埋率的影響 將阿拉伯膠與麥芽糊精(壁材)按1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 (g∶g)比例配成溶液[6],膠體溶液為15.0%,芯材與壁材按1∶6 (g∶g)配比加入桂花精油,設(shè)定均質(zhì)壓力40.0 MPa、進口風(fēng)溫200.0 ℃、進料速度8.0 mL/min,噴霧干燥后測定桂花精油的包埋率,考察壁材配比對微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.2 芯材與壁材配比對微膠囊包埋率的影響 壁材阿拉伯膠與麥芽糊精按1∶3 (g∶g)配制15.0%膠體溶液,將芯材與壁材按1∶1、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8 (g∶g)比例加入,設(shè)定均質(zhì)壓力40.0 MPa、進口風(fēng)溫200.0 ℃、進料速度8.0 mL/min,噴霧干燥后測定桂花精油的包埋率,考察芯材與壁材配比對微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.3 均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響 配制15.0%壁材膠體溶液(阿拉伯膠與麥芽糊精1∶3 g∶g),按1∶6配比加入桂花精油,在20、30、40、50、60 MPa等不同壓力下進行均質(zhì)處理,設(shè)定進口風(fēng)溫200 ℃、進料速度8.0 mL/min,噴霧干燥后測定桂花精油的包埋率,考察均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.4 進口風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響 配制15.0%壁材膠體溶液(阿拉伯膠與麥芽糊精1∶3),按1∶6配比加入桂花精油,設(shè)定均質(zhì)壓力40 MPa、進料速度8.0 mL/min,在160、180、200、220和240 ℃等不同進風(fēng)溫度下噴霧干燥制備微膠囊,測定桂花精油的包埋率,考察進口風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響。

1.2.2.5 進料速度對微膠囊包埋率的影響 配制15.0%壁材膠體溶液(阿拉伯膠與麥芽糊精1∶3 g:g),按1∶6配比加入桂花精油,設(shè)定均質(zhì)壓力40.0 MPa、進口風(fēng)溫220 ℃,以4、6、8、10、12 mL/min等不同進料速度進行噴霧干燥,測定桂花精油的包埋率,考察進料速度對微膠囊包埋率的影響。

1.2.3 響應(yīng)法優(yōu)化實驗設(shè)計 在單因素實驗基礎(chǔ)上,選擇適宜的因素和水平按照Box-Behnken實驗設(shè)計進行中心組實驗,以產(chǎn)品的包埋率為響應(yīng)值,考察壁材配比、均質(zhì)壓力、進口風(fēng)溫度、進料速度等四個因素對產(chǎn)品包埋率的影響,優(yōu)化噴霧干燥制備工藝。實驗中各因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面實驗設(shè)計因素水平表

1.2.4 桂花精油包埋率的測定

1.2.4.1 微膠囊表面油含量的測定 準確稱取2.0 g桂花精油微膠囊產(chǎn)品置于離心管中,加入20.0 mL石油醚,振蕩1 min,3000 r/min離心5 min,重復(fù)兩次,合并上清液,將濃縮液置于已稱量的干燥表面皿中,在60 ℃恒溫干燥箱中蒸至恒重,用減重法得出計算微膠囊表面油含量[13]。

1.2.4.2 微膠囊總油含量的測定 準確稱取2.0 g桂花精油微膠囊產(chǎn)品置于干燥的小燒杯中,加入20.0 mL熱水,經(jīng)攪拌溶解后,依次加入10.0 mL石油醚、10.0 mL無水乙醚、10.0 mL無水乙醇進行萃取,重復(fù)兩次,合并萃取液,將濃縮液置于已稱量的干燥表面皿中,在60 ℃恒溫干燥箱中蒸干至恒重,用減重法計算微膠囊總油含量。

1.2.4.3 微膠囊包埋率計算

1.2.5 微膠囊質(zhì)量評定 對噴霧干燥后得到的微膠囊進行氣味、色澤、組織狀態(tài)進行感官評定[13];水分含量、密度、粒度等指標按照中國藥典2010年版二部方法測定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實驗數(shù)據(jù)取3次重復(fù)實驗的平均值,以表示。采用Origin 8作圖,SPSS Statistics 17.0、Design-Expert 7.0.0進行數(shù)據(jù)處理與分析,p<0.01表示差異極顯著,p<0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 桂花精油微膠囊化單因素分析

2.1.1 壁材配比對微膠囊包埋率的影響 壁材是影響微膠囊化包埋率的重要因素。添加阿拉伯膠可以增加壁材的乳化性能,有利于芯材均勻分布。麥芽糊精和阿拉伯膠的配比不同會導(dǎo)致壁材溶液乳化能力及黏度有較大差異,不僅影響微膠囊產(chǎn)品包埋率,而且會影響微膠囊產(chǎn)品的最終品質(zhì)。從圖1可看出,當麥芽糊精和阿拉伯膠的配比為1∶3 (g∶g)時,包埋率的值達到最高(92.36%)。故適宜壁材(阿拉伯膠和麥芽糊精)配比為1∶3 (g∶g)。

圖1 壁材配比對微膠囊包埋率的影響

2.1.2 芯材與壁材配比對微膠囊包埋率的影響 桂花精油與壁材的配比大小影響到包埋效果。由圖2可知:當芯材與壁材配比較小1∶1 (g∶g)時,即乳濁液含油量較高時,包埋率低(70.28%);隨著芯材與壁材配比增大,包埋率快速升高;當芯材與壁材配比達到1∶6 (g∶g)時,微膠囊包埋率達到92.21%;繼續(xù)增加芯材與壁材配比,包埋率趨于平衡。故芯材與壁材的適宜配比為1∶6 (g∶g)。

圖2 芯材與壁材配比對微膠囊包埋率的影響

2.1.3 均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響 均質(zhì)有利于使芯材與壁材均勻混合,同時,均質(zhì)壓力對乳化液穩(wěn)定性有著明顯的影響。均質(zhì)壓力增大,料液受到的剪切力越大,形成的乳液就越均勻穩(wěn)定。從圖3可看出,均質(zhì)壓力為40.0 MPa時,產(chǎn)品包埋率最高(94.72%)。因此,適宜的均質(zhì)壓力為40.0 MPa。

圖3 均質(zhì)壓力對微膠囊包埋率的影響

2.1.4 進口風(fēng)溫對微膠囊包埋率的影響 由圖4可知,當進風(fēng)溫度較低(160 ℃)時,微膠囊包埋率低(74.26%)。主要原因可能為進風(fēng)溫度低時,噴霧干燥效率低,不利于微膠囊的快速成型。升高進風(fēng)溫度,干燥效率提高,微膠囊包埋率提高;當進口風(fēng)溫升高至220 ℃時,包埋率到底最大值93.48%。但進風(fēng)溫度過高時,水分散失速度過快,囊壁表面凹陷,同樣影響產(chǎn)品的品質(zhì)[13]。因此,適宜的進風(fēng)溫度為220 ℃。

圖4 進風(fēng)溫度對微膠囊包埋率的影響

2.1.5 進料速度對微膠囊包埋率的影響 微膠囊制備過程中,進料速度對桂花精油包埋率也具有較大影響。進料速度慢,物料過度蒸發(fā)造成芯材損失嚴重,包埋率下降;進料速度過快,物料蒸發(fā)時間不足,不足以形成一定完整的微膠囊壁,產(chǎn)品顆粒大,包埋率快速下降[15]。從由圖5可知,適宜的進料速度為8 mL/min。

圖5 進料速度對微膠囊包埋率的影響

2.2 桂花精油微膠囊制備工藝最佳工藝條件的確定

當芯材與壁材配比達到1∶6 (g∶g)時,桂花精油的包埋率最大;繼續(xù)增加芯材與壁材配比,包埋率趨于平衡。因此,確定芯材與壁材最佳配比確定為1∶6 (g∶g)。采用Box-Behnken實驗設(shè)計,優(yōu)化桂花精油微膠囊制備過程中不同壁材配比、進料速度、進口風(fēng)溫、均質(zhì)壓力最佳條件[16-17]。不同因素、水平組合條件下桂花精油的包埋率見表2。

表2 Box-Behnken 實驗設(shè)計及結(jié)果

利用Design-Expert軟件對不同因素水平組合條件下桂花精油微膠囊的包埋率進行多元回歸擬合,剔除不顯著項(AC、BC、CD)得如下回歸方程:

Y=-86.56211+327.72444A+6.3338B-2.06046C+45.58150D-1.40500AB-15.05833AD+0.11875BD-356.76667A2-0.066435B2-0.00712875C2-1.57056D2

結(jié)果與分析見表3。

表3 回歸方程中回歸系數(shù)估計值和方差分析

圖6 壁材配比和均質(zhì)壓力交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

圖7 壁材配比和進料速度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

圖8 均質(zhì)壓力和進料速度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

響應(yīng)曲面圖是響應(yīng)值在各實驗因子交互作用下構(gòu)成的一個三維空間曲面[18],等高線圖可以直觀地反映出兩種實驗因素交互作用對響應(yīng)值影響的大小,橢圓形表示兩因素交互作用顯著,而圓形則與之相反[19-20]。從圖6可看出,隨著壁材配比和均質(zhì)壓力的增大,桂花精油微膠囊包埋率先增大后緩慢降低,由此可見,適當?shù)谋诓呐浔群途|(zhì)壓力,在一定程度上可以提高包埋率;由圖7 可知,隨著壁材配比和進料速度提高,桂花精油微膠囊包埋率先表現(xiàn)為先快速提高后緩慢降低;均質(zhì)壓力和進料速度(圖8)對桂花精油微膠囊包埋率的影響與圖7比較接近;從等高線圖中可以看出,不同因素交互作用的最佳作用點基本都落在實驗范圍之內(nèi)。壁材配比和進料速度交互作用對包埋率的影響大于均質(zhì)壓力和進料速度以及壁材配比和均質(zhì)壓力。

對回歸方程求導(dǎo),可以得到響應(yīng)面的最高點,獲得噴霧干燥法制備桂花精油微膠囊的最佳工藝條件:阿拉伯膠:麥芽糊精1∶2.5 (g∶g)、均質(zhì)壓力39.8 MPa、進口風(fēng)溫224.8 ℃、進料速度7.6 mL/min,桂花精油微膠囊包埋率預(yù)測值為98.23%。為便于操作,實驗條件修正為:阿拉伯膠:麥芽糊精1∶2.5 (g∶g)、均質(zhì)壓力40.0 MPa、進口風(fēng)溫225.0 ℃、進料速度8.0 mL/min。在此條件下,進行驗證,重復(fù)三次,微膠囊包埋率分別為97.06%、97.82%、98.14%,平均包埋率97.67%。與該條件下理論預(yù)測值相比,相對誤差小于1%,說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的噴霧干燥制備桂花精油微膠囊生產(chǎn)工藝參數(shù)準確可靠。

2.3 桂花精油微膠囊的物性分析

桂花精油微膠囊顆粒氣味純正,乳白色;在顯微鏡下觀察微膠囊的形狀、表面結(jié)構(gòu)并測定顆粒大小,結(jié)果見圖9。顆粒細小均勻,流散性、混合性良好;水分含量:2.56%;密度:0.65 g/cm3;粒度:大小在9.5～15.0 μm;桂花精油與壁材(阿拉伯膠∶麥芽糊精1∶2.5)按1∶6質(zhì)量份數(shù)添加制備微膠囊,產(chǎn)品中桂花精油含量為12.62%;表明阿拉伯膠和麥芽糊精混合壁材對桂花精油具有較好的包埋效果,有助于提高桂花精油的貯藏穩(wěn)定性。

圖9 桂花精油微膠囊顆粒顯微形態(tài)(×1000)

3 結(jié)論

通過單因素實驗考察了不同因素對桂花精油微膠囊包埋率的影響,確定了壁材配比、均質(zhì)壓力、進口風(fēng)溫度、進料速度四個因素的取值范圍;將阿拉伯膠與麥芽糊精(壁材)按比列配成濃度為15.0%膠體溶液,芯材桂花精油與壁材配比保持1∶6 (g:g)不變的條件下,采用Box-Behnken實驗設(shè)計,優(yōu)化了桂花精油微膠囊的制備工藝:阿拉伯膠:麥芽糊精1∶2.5 (g:g)、均質(zhì)壓力40.0 MPa、進口風(fēng)溫225.0 ℃、進料速度8.0 mL/min。在此條件下,桂花精油微膠囊的實際包埋率為97.67%,且桂花精油微膠囊產(chǎn)品具有良好的感官及物化特性,桂花精油含量為12.62%。本研究結(jié)果可以為桂花精油的綜合開發(fā)提供理論依據(jù),拓寬桂花精油的利用途徑。

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