超声波法制备丁香精油-β-环糊精微胶囊

韩春然,张 静,李 煜

(哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江省普通高等学校食品科学与工程重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150076)

 

要:采用β-环糊精为璧材,利用超声波细胞粉碎仪超声乳化方法对丁香精油包埋,以芯材(丁香精油)与壁材(β-环糊精)质量比、超声功率、超声时间3个因素进行单因素试验和响应面试验,确定最佳包埋条件。结果表明:丁香精油包埋的最优条件为芯材(丁香精油)与壁材(β-环糊精)的质量比1:6、超声功率65W、超声时间13.4min(即268次),在此条件下丁香微胶囊的包埋率可达21.5%。

关键词:丁香精油;微胶囊;超声波法

 

Ultrasonic Preparation of β-Cyclodextrin Microcapsules of Clove Oil

 

HAN Chun-ran,ZHANG Jing,LI Yu

(Key Laboratory for Food Science and Engineering, College of Food Engineering, Harbin University of Commerce, Harbin 150076, China)

 

Abstract:In this work, clove oil was encapsulated with β-cyclodextrin (β-CD) as a wall material by means of ultrasonic emulsification. Three experimental conditions including core material/wall material weight ratio, ultrasonic power and ultrasonication time were optimized by response surface methodology. The optimal encapsulation conditions were determined as follows: 1:6 of clove oil/β-CD weight ratio, 65 W and 13.4 min. The encapsulation efficiency under the optimized conditions was 21.5%.

Key words:clove oil;microcapsule;ultrasonic method

中图分类号:TS225.3 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2013)22-0097-04

doi:10.7506/spkx1002-6630-201322019

丁香是双子叶植物药桃金娘科植物丁香的花蕾,味辛辣,香气馥郁,既可作为食用调味品也可入药[1]。其主要成分丁香酚具有抑菌[2-4]、麻醉、解热、抗氧化、抗肿瘤等多种药理活性[5-6]。精油作为天然的食品保鲜剂[7]和抗菌剂[8-9],因其食用安全,已经被许多国家和地区广泛应用于食品行业上。研究发现,丁香精油具有显著的杀菌效果[10-11],因此丁香精油在天然水果防腐保鲜上的应用前景十分广阔。但由于精油难溶于水,稳定性较差,易氧化,易挥发,限制了其应用范围。食品中很多营养物质、调味香料和药品中的活性成分,经微型包囊膜阻隔作用后,可不受环境因素的影响[12]。精油经包埋微胶囊化后[13],稳定性明显优于未包埋物料。微胶囊还可阻留挥发性化合物,并能掩蔽不良异味。李福臣[14]发现精油微胶囊化后使用方便,此外微胶囊可以延长作用时间、减少用药次数、降低不良反应、提高制剂的生物利用度[15]。

β-环糊精(β-cyclodextrin,β-CD)[16]具有脱除异味或有害成分、提高食品与改善食品的组织结构、保持与改善风味等作用[17-18]。分子包埋法是一种以β-环糊精为壁材的分子水平上的微胶囊法,由于β-环糊精特殊的空间结构,可以与具有适当大小、形状和疏水性的分子非共价地作用而形成稳定的包合物。其方法简单易行,包合物在干燥时稳定,适合于香辛料的微胶囊化[19]。目前,国内外对丁香精油的微胶囊化方法大部分采用的是传统包埋法,包埋效果不是很好,且时间长。相比较下,超声波在液体中传播时,能够产生能量的激化和突发,即超声“空化效应”,它可以释放巨大的能量,形成冲击波,代替搅拌作用而对产品进行包埋[20-21],超声波法包埋效果更好、时间短、易控制且操作方便。本研究利用超声波法对β-环糊精对丁香精油进行包埋,旨在为日后丁香精油在蔬菜保鲜中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

丁香购自农贸市场。

正己烷(分析纯) 天津市富宇精细化工有限公司;无水乙醇(分析纯) 天津市滨海科迪化学试剂有限公司;无水硫酸钠(分析纯) 天津博迪化工股份有限公司;β-环糊精(生化制剂) 上海山浦化工有限公司。

1.2 仪器与设备

JY92-Ⅱ超声波细胞粉碎仪 宁波新艺生物科技股份有限公司;DZF-6020真空干燥箱 上海一恒科技有限公司;UV1000紫外分光光度计 上海天美有限公司;索氏提取器(150mL) 天津市天科玻璃仪器制造有限公司;ALC-210.4分析天平 美国Mettler Toledo公司;ESJ180-4电子天平 上海恒平科学仪器有限公司;DK-98-HA水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 丁香精油的制备

称取一定量经过破碎的干燥丁香粉末,用滤纸封好后放入连接好的索氏提取器中,加入一定量的正己烷,85℃水浴连续回流提取1.5h。分离溶剂后,将丁香精油的粗提液置于85℃恒温干燥箱中,干燥45min,蒸干残余的正己烷,装入棕色瓶中,4℃冷藏。

1.3.2 丁香微胶囊的制备

取适量β-CD,用一定量蒸馏水溶解搅拌,形成β-CD过饱和溶液。取适量丁香精油,丁香精油与体积分数为60%的乙醇溶液以1:7的体积比混合,取适量丁香精油-乙醇溶液,逐滴加入β-CD溶液中。经超声波细胞粉碎仪器处理一定时间后,在60℃水浴锅中保温30min后取出,待溶液冷却至室温后,将其放入4℃冰箱中静置24h,抽滤,滤渣用一定量的蒸馏水洗涤,洗去吸附在微胶囊表面未包合的β-CD,置于50℃干燥箱干燥至恒质量,得微胶囊产物[22-23]。

1.3.3 标准曲线的绘制

分别吸取丁香精油0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35mL,由于丁香精油的密度约为1.000g/mL,所以本实验中丁香精油的体积等于精油的质量,用无水乙醇定容至25mL,摇匀,在263nm波长处测定其吸光度。以丁香精油的质量为横坐标,吸光度为纵坐标绘制标准曲线。

1.3.4 丁香精油微胶囊制备的单因素试验

1.3.4.1 芯材壁材质量比的确定

在芯材与壁材质量比分别为1:4、1:5、1:6、1:7、1:8,超声时间5min(即超声波处理次数100次)、超声功率80W条件下测定包埋率。

1.3.4.2 超声功率的确定

在超声功率分别为0、40、80、120、160W,芯材壁材质量比1:6、超声时间5min条件下测定包埋率。

1.3.4.3 超声时间的确定

在超声时间分别为5、10、15、20、25min(即超声波处理次数100、200、300、400、500次),芯材壁材质量比1:6、超声功率40W条件下测定包埋率。

1.3.5 丁香精油微胶囊制备的响应面试验

利用响应曲面软件Design Expert 7.0对丁香精油-β-CD微胶囊化的工艺条件采用Box-Behnken试验进行优化。根据单因素试验结果,确定3个因素的最高水平、中间水平和最低水平(表1),再由软件给出试验方案,对结果进行显著性和回归分析。

表 1 丁香精油微胶囊制备的因素水平表

Table 1 Coded levels for factor influencing the preparation of
β-CD microcapsules of clove oil

因素

水平

-1

0

1

A芯材壁材质量比

1:5

1:6.5

1:8

B超声功率/W

0

60

120

C超声时间/min

5

10

15

 

注:超声波每次工作3s,间隔4s。

 

1.3.6 微胶囊包埋率的测定

微胶囊表面油的测定:根据彭颖等[24]的方法改进,称取一定量微胶囊,用无水乙醇充分洗涤后过滤,滤液倒入比色管中,定容至 25mL,在263nm波长处测定其吸光度,根据标准曲线计算丁香精油表面油的含量。

微胶囊总油的测定:取一定量微胶囊用少量水溶解,用过量无水硫酸钠吸去水分、冷却后,再用无水乙醇充分萃取丁香精油并过滤,滤液倒入比色管中,无水乙醇定容至25mL,在263nm波长处测定其吸光度,根据标准曲线计算丁香精油的含量。

422588.jpg (1)

1.3.7 微胶囊得率的测定

422602.jpg (2)

式中:m1为丁香精油质量/g;m2为β-CD质量/g;m3为干燥后得到的微胶囊质量/g。

2 结果与分析

2.1 标准曲线的绘制

由丁香精油对吸光度的标准曲线可得标准曲线方程为y=1.2603x+0.0195,R2=0.9912,表明丁香精油质量在0~0.4g范围内与吸光度线性关系良好。

2.2 超声波法制备丁香微胶囊工艺优化

2.2.1 芯材壁材质量比对包埋率的影响

由图1可知,随着芯材壁材质量比的增加,微胶囊包埋率先上升再下降,当芯材壁材质量比为1:6时,包埋率最高(20.52%),包埋效果最佳。芯材壁材质量比为1:4时,包埋率为最低(10.74%),包埋效果最差。包埋得率随着芯材壁材质量比的增加逐渐上升,当芯材壁材质量比达到1:6后,微胶囊得率持平,1:7后迅速下降。

422615.jpg 

图 1 芯材壁材质量比对包埋率的影响

Fig.1 Effect of core/wall material ratio on encapsulation efficiency

2.2.2 超声功率对包埋率的影响

422628.jpg 

图 2 超声功率对包埋率的影响

Fig.2 Effect of ultrasonic ation power on encapsulation efficiency

由图2可知,超声功率在0~40W时,包埋率上升趋势很明显,包埋率达最高(16.00%),包埋效果最佳。当超声功率为0W时,包埋率最低(1.93%),包埋效果最差。当超声功率在50~80W时,包埋率迅速下降,随后包埋率下降缓慢。包埋率下降缓慢的原因可能是由于超声波作用最主要的目的是均质作用,所以包埋率变化缓慢。时间一定,超声功率越大则越热,当功率大于120W的时候呈下降趋势的原因分析可能是功率过大,作用一定时间后温度过高,使得少量精油挥发,导致包埋率降低。微胶囊得率变化趋势基本与包埋率变化趋势相同。

2.2.3 超声时间对包埋率的影响

422641.jpg 

图 3 超声时间对包埋率的影响

Fig.3 Effect of ultrasonication time on encapsulation efficiency

由图3可知,当超声时间为10min时,包埋率最高(21.23%),包埋效果最佳。当超声时间为25min时,包埋率最低(10.06%),包埋效果最差。功率过高时,超声波作用后处理液很热,温度最高能达到70℃左右。可能是因为温度过高使丁香精油挥发,导致包埋率急速下降,另外,也可能由于过长的超声处理时间会使已形成的包合物解包合,导致包埋率大幅度降低[25]。微胶囊得率在超声波处理时间5~20min的趋势与包埋率相似,但是在20~25min与包埋率呈相反的变化趋势。推测超声波作用会影响微胶囊颗粒的大小及数量,微胶囊颗粒越大,形成微胶囊所需的β-CD的量就越多,数量越多,再清洗抽滤时,可被溶解除去的未包埋β-CD越少,得率就越高。

2.3 超声波法制备丁香微胶囊响应面试验

根据软件给出的方案,以包埋率为测定指标,进行响应面试验,试验设计及结果见表2。该响应面模型的方差分析见表3。

表 2 丁香精油-β-CD微胶囊包埋的响应面试验设计及结果

Table 2 The experimental design and results for
response surface analysis

试验号

A芯材壁材质量比

B超声功率/W

C超声时间/min

包埋率/%

1

1:6.5

60

10

18.45

2

1:8

60

15

16.25

3

1:6.5

0

15

5.50

4

1:6.5

120

15

16.43

5

1:8

120

10

16.45

6

1:8

0

10

8.23

7

1:6.5

60

10

19.66

8

1:6.5

120

5

14.78

9

1:5

120

10

14.32

10

1:5

60

5

11.65

11

1:5

60

15

12.63

12

1:5

0

10

11.36

13

1:6.5

60

10

21.34

14

1:6.5

0

5

5.70

15

1:6.5

60

10

21.33

16

1:6.5

60

10

19.45

17

1:8

60

5

16.54

 

 

表 3 回归方程方差分析表

Table 3 Analysis of variance for the fitted response surface regression model

方差来源

平方和

自由度

均方

F

P

模型

311.77

9

34.64

6.89

0.0093

A

92.064

3

30.688

72.182

0

B

30.915

3

10.305

24.239

0.002

C

67.463

3

22.488

52.893

0

AB

0.04

1

0.04

7.96×10-3

0.9314

AC

0.12

1

0.12

0.024

0.882

BC

4.43

1

4.43

0.88

0.379

A2

28.67

1

28.67

5.7

0.0483

B2

99.43

1

99.43

19.78

0.003

C2

13.15

1

13.15

2.62

0.1498

残差

35.18

7

5.03

 

 

失拟性

7.5

3

2.5

0.36

0.7856

 

注:以包埋率为指标。

 

由表3可知,该模型显著(P<0.05),即该模型可以表示各因素与结果之间的超声功率、超声时间和芯材壁材质量比均对包埋率有显著(P<0.05)影响,而三因素之间的交互作用对包埋率没有显著(P>0.05)影响,芯材与壁材质量比的2次方和超声功率的2次方对包埋率有显著影响。3因素之间的相互关系的曲面图见图4。

429815.jpg 

a.芯材壁材质量比与超声功率

429806.jpg 

b.芯材壁材质量比与超声次数

429795.jpg 

c.超声功率与超声次数

图 4 各两因素交互作用对包埋率影响的响应面图

Fig.4 Response surface plots showing the interactive effect of three experimental parameters on encapsulation efficiency

根据实验结果,得到各因素与包埋率之间的回归方程如下:

包埋率(R1)=-41.26978+11.12428A+0.13994B
0.16713C+0.014611AB-2.11667×10−3AC+7.70833×10−5BC-0.84244A2-1.54458×10−3B2-3.88300×10−4C2

最优包埋条件为:芯材(丁香精油)壁材(β-环糊精)质量比1:6.03、超声功率65.64W、超声时间13.4min(即268.82次)。在此条件下,预测包埋率为18.29%。

为检验曲面响应试验设计所得结果的可靠性,采用上述优化工艺进行超声辅助包埋试验,限于设备情况将包埋工艺参数适当调整为芯材(丁香精油)与壁材(β-环糊精)的质量比1:6、超声功率65W、超声时间13.4min(即268次),在此条件下包埋率实测值为21.5%,实际测得值与理论预测值相比,相对误差约为 3.21%,说明此最佳模型是可靠的。

3 结 论

响应面试验优化超声波细胞粉碎法对丁香精油的包埋条件,确定芯壁质量比1:6、超声功率65W、超声时间13.14min(268次)为最适宜条件,研究表明,超声波细胞粉碎仪可以显著提高丁香精油的包埋率,达到21.5%。

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收稿日期:2013-06-27

作者简介:韩春然(1970—),女,副教授,博士,研究方向为果蔬贮藏与加工。E-mail:hanchunran@yeah.net