β-环糊精包埋柠檬醛微胶囊工艺
优化及其缓释性能

徐 晶，刘 欢，夏光辉，张添菊

（通化师范学院长白山食品工程研究中心，通化师范学院制药与食品科学学院，吉林 通化 134000）

摘 要：以β-环糊精为壁材，采用乳化法制备柠檬醛微胶囊，考察固形物质量分数、乳化剂质量分数和心壁比对柠檬醛微胶囊包埋产率和包埋效率的影响。采用响应面法对3 个单因素工艺参数进行优化，回归得到二次多项式模型极显著，模型的相关系数为0.966 1，优化试验工艺条件为固形物质量分数26%、乳化剂质量分数0.8%和心壁比1∶4。在此条件下进行验证实验，柠檬醛微胶囊包埋产率值为78.8%。缓释性能实验结果表明，微胶囊化可以明显降低柠檬醛的挥发速率，Avrami’s方程也可以对柠檬醛微胶囊释放过程进行较好地拟合。

关键词：柠檬醛；β-环糊精；微胶囊；响应面法；控制缓释

Optimized Microencapsulation in β-Cyclodextrin and Sustained-Release Properties of Citral

XU Jing, LIU Huan, XIA Guang-hui, ZHANG Tian-ju

(Research Center of Changbai Mountain Food Engineering, College of Pharmaceutical and Food Science,
Tonghua Normal University, Tonghua 134000, China)

Abstract: In this paper, citral microcapsules were prepared using β-cyclodextrin as wall material by emulsification. The yield and microencapsulation efficiency of microencapsulated citral were investigated as functions of solid content, emulsifier content and core-to-wall material ratio. The response surface methodology was employed to optimize the three process parameters. A quadratic polynomial regression model was established which was found to be highly significant and have a correlation coefficient of 0.966 1. The optimized experimental conditions were: solid content, 26%; emulsifier content, 0.8%; and core-to-wall material ratio, 1:4, giving a yield of 78.8% in validation experiments. Meanwhile, the sustained-release properties of microcapsules were investigated by comparison with those of the free citral. The results showed that microencapsulation could slow down the release of citral. The release course of the microcapsules could be fitted well with the Avrami equation.

Key words: citral; β-cyclodextrin; microcapsule; response surface methodology; sustained release

中图分类号：TS202.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）14-0082-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201414016

我国天然柠檬醛的植物资源丰富，存在于山苍子油、柠檬草油、马鞭草油、垂叶香茅油等植物精油中，其中在山苍子精油中柠檬醛含量达66%～90%[1-2]。天然柠檬醛具有橙花醛和香叶醛两种同分异构体，不溶于水，溶于乙醇等有机溶剂中[3-4]。柠檬醛因具有浓郁香气、天然无毒以及抗氧化和抑菌特性，被作为天然抑菌剂、抗氧化剂及调味剂等广泛应用在日用化工、食品工业领域中[5-6]。然而天然柠檬醛容易挥发和氧化变质，严重限制了其应用性和持效性。目前，研究人员利用微胶囊化技术解决这一难题[7-8]。

微胶囊可以对植物精油进行包埋，有效保护其免受环境条件的影响，屏蔽不良气味，延长和控制膜内物质的释放，提高贮存稳定性[9-10]。用于微胶囊制备的壁材有多种，如淀粉、麦芽糊精、蛋白和壳聚糖等，其中β-环糊精应用最广泛[11]。β-环糊精（β-cyclodextrin，CD）是直链淀粉在环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，具有溶于水、无毒和热稳定等优点[12-13]。β-环糊精是由
D-葡萄糖七分子进行环状联结而成的化合物，具有一个相对疏水的中心和一个相对亲水的表面，将植物精油镶嵌在中间，可以对植物精油起到脱除异味、稳定活性成分、减少氧化、钝化光敏性和热敏性、降低毒性和挥发性、提高溶解性和生物利用度等作用，使植物精油具有更广泛的应用价值[14-15]。

用于制备微胶囊的方法有复凝聚法、喷雾法、挤压法、乳化法等，由于乳化法生产能力大，乳化效率高，乳状液粒径小，分布均匀且稳定性高[16]，因此，本实验以
β-环糊精为壁材，采用乳化法包埋柠檬醛，考察固形物质量分数、乳化剂质量分数和心壁比对柠檬醛微胶囊包埋产率和包埋效率的影响，利用响应面法对3 个单因素工艺参数进行优化。进一步对柠檬醛微胶囊缓释性能进行了初探，为柠檬醛微胶囊制备研究提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

柠檬醛 广州恒香有限公司；β-环糊精、石油醚（沸点为60～90℃）、无水乙醇、单硬脂酸甘油酯、蔗糖脂肪酸酯均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

FJ200-S数显高速分散均质机 上海标本模型厂；HH-S数显恒温水浴锅 上海博速实业有限公司；DF-101S集热式磁力搅拌器 巩义市予华仪器有限公司；LD4-2低速离心机 北京医用离心机厂；ZK-1型真空干燥箱 上海锦昱科学仪器有限公司；752N型紫外-可见分光光度计 上海博迅实业有限公司医疗设备厂。

1.3 方法

1.3.1 柠檬醛微胶囊制备的工艺

称取一定质量β-环糊精，加入适量水混匀后，在60 ℃条件下用磁力搅拌器搅拌30 min，使壁材溶解；用95%乙醇溶解单硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯混合乳化剂，再加入柠檬醛，乳化均质，使心材充分乳化；将冷却到30 ℃壁材与心材两相混合，用转速3 500 r/min乳化均质机均质3 min，重复均质3 次；在真空干燥箱（40 ℃）中干燥得到微胶囊产品。

1.3.2 微胶囊包埋产率和效率的测定

称取2 g包合物粉末于干燥的试管中，加入10 mL石油醚，25 ℃条件下水浴浸提20 min，倾出石油醚相，再加入10 mL石油醚置于剩余残渣中，水浴浸提15 min，倾出石油醚相，重复上述操作，直到280 nm波长处吸光度为0，合并滤液，将滤液用60 ℃烘箱烘干溶剂，蒸馏出石油醚，称重得柠檬醛（m1）。再加入10 mL无水乙醇，50 ℃水浴浸提30 min，倾出无水乙醇相，向残渣中加入10 mL无水乙醇，50 ℃水浴浸提30 min，倾出无水乙醇相重复上述操作，直到280 nm波长处吸光度为0，合并滤液，将滤液用80 ℃烘箱烘干溶剂，蒸馏出无水乙醇，称质量得柠檬醛（m2）。

（1）

（2）

式（1）（2）中：Y1为包埋产率/%；Y2为包埋效率/%；m0为加入的柠檬醛质量/g；m1为微胶囊表面的柠檬醛质量/g；m2为微胶囊内部的柠檬醛质量/g。

1.3.3 单因素试验设计

分别以固形物质量分数（22%、24%、26%、28%、30%、32%）、乳化剂质量分数（0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%）、心壁比（1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6）为单因素进行试验，考察单因素对微胶囊包埋产率和效率的影响时，其他各因素取值分别为固形物质量分数26%、乳化剂质量分数0.8%、心壁比1∶4。每组试验重复3 次，采用SPSS 19.0软件进行单因素试验数据分析。

1.3.4 工艺条件的优化

以单因素试验为基础，采用Design-Expert 8.0.6软件数据分析，建立Box-Behnken数学模型，试验因素为固形物质量分数（X1）、乳化剂质量分数（X2）和心壁比（X3），微胶囊包埋产率（Y1）和包埋效率（Y2）作为指标进行分析，试验因素水平、变化值及编码见表1。

表 1 Box-Behnken试验因素水平编码

Table 1 Independent variables and their levels used for response surface design

1.3.5 柠檬醛微胶囊缓释性能的测定

1.3.5.1 柠檬醛保留率的测定[17]

准确称取2 g柠檬醛和柠檬醛微胶囊，贮存在100 ℃的烘箱中，每隔3 h称量样品质量/g。计算柠檬醛和柠檬醛微胶囊保留率，计算公式见式（3）：

（3）

式（3）中：Y3为柠檬醛保留率/%；m贮为贮存一定时间样品质量/g；m初为贮存前样品质量/g。

1.3.5.2 柠檬醛微胶囊释放的分析方法

利用Avrami’s方程对柠檬醛微胶囊释放过程进行分析[18-19]。

Avrami’s方程： （4）

由公式（4）得方程： （5）

式（4）和（5）中：Y3为柠檬醛保留率/%；k为释放速率常数；n为释放机理参数；t为贮藏时间/d。

Avrami’s方程可用于气-固及液-固反应机制的表征时，n=1代表一级反应，n=0.54代表限制扩散反应。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 固形物质量分数对柠檬醛微胶囊包埋产率和效率的影响

图 1 固形物质量分数对包埋产率和包埋效率的影响

Fig.1 Effect of solid content on the yield and microencapsulation efficiency of microencapsulated citral

从图1可知，固形物质量分数对包埋产率和效率的影响存在极显著性差异（P＜0.01）。随着固形物质量分数的增加，包埋产率和包埋效率增加，当固形物质量分数为26%时，包埋产率和包埋效率达最大值，分别为78.3%和59.13%。β-环糊精具有“内腔疏水，外壁亲水”的中空的斜截锥形的特殊结构，柠檬醛小分子可以渗透进入β-环糊精界面形成微胶囊[20]。但随着固形物继续增加，反应溶液达到饱和而出现沉淀物，降低了柠檬醛微胶囊的包埋产率和效率。

2.1.2 乳化剂质量分数对柠檬醛微胶囊包埋产率和效率的影响

图 2 乳化剂质量分数对包埋产率和包埋效率的影响

Fig.2 Effect of emulsifier content on the yield and microencapsulation efficiency of microencapsulated citral

从图2可知，乳化剂质量分数对包埋产率和效率的影响存在极显著性差异（P＜0.01）。随着乳化剂质量分数增加，包埋产率和包埋效率增加，当乳化剂质量分数为0.8%时，包埋产率和包埋效率达最大值，分别为74.2%和58.23%。单硬脂酸甘油酯和蔗糖脂肪酸酯混合乳化剂可以降低界面表面张力，油相分子更容易渗透进入
β-环糊精内部，提高包埋产率和效率。但随着乳化剂的质量分数继续增加，包埋产率和包埋效率逐渐减小，这是因为乳化剂质量分数过高导致乳状液黏度增大，分子流动性受阻，油相分子无法透过界面膜进入到环糊精内部[21]。

2.1.3 心壁比对柠檬醛微胶囊包埋产率和效率的影响

图 3 心壁比对包埋产率和包埋效率的影响

Fig.3 Effect of core material-to-wall material ratio on the yield and microencapsulation efficiency of microencapsulated citral

从图3可知，心壁比对包埋产率和效率的影响存在极显著性差异（P＜0.01）。随着心壁比增加，包埋产率和包埋效率增加，当心壁比为1∶4时，包埋产率和包埋效率值分别为73.5%和59.2%。但随着心壁比继续增加，包埋产率增加趋于平缓，而包埋效率逐渐减小。因为壁材添加量过高，壁材通过分子键连接在一起，使芯材进入到壁材内部受阻，包埋效率降低[22]；而不能进入到壁材内部的芯材，一小部分附着在壁材的表面上，使包埋产率缓慢增加。

2.2 柠檬醛微胶囊包埋工艺的优化

2.2.1 试验设计和结果

表 2 柠檬醛微胶囊包埋工艺优化试验设计及结果

Table 2 Experimental design and results for optimization of
citral microencapsulation

试验以柠檬醛微胶囊包埋产率（Y）作为指标，以固形物质量分数（X1）、乳化剂质量分数（X2）和心壁比（X3）为试验因素，建立柠檬醛微胶囊包埋工艺的
Box-Behnken数学模型，试验设计及试验结果见表2。

2.2.2 方差分析及回归方程的建立

以柠檬醛微胶囊包埋产率（Y）为目标函数值，以固形物质量分数（X1）、乳化剂质量分数（X2）和心壁比（X3）为试验因素的编码值为自变量，通过二次回归分析对试验数据进行回归拟合，确立柠檬醛产率的最优拟合二次多项式方程：

Y=－1 153.32＋81.16X1＋190.08X2＋42.18X3－1.58X12＋
0.5X1X2＋0.39X1X3－137.31X22＋4X2X3－6.67X32

表 3 柠檬醛微胶囊包埋产率的二次回归模型方差分析

Table 3 Analysis of variance for the quadratic regression model for the yield of microencapsulated citral

注：*. 差异显著（P＜0.05）；**. 差异极显著（P＜0.01）。

由表3可知，回归模型，P=0.000 1＜0.01，说明二次回归模型极显著；F失=6.04，P=0.057 5＞0.05，失拟项不显著；模型的相关系数R2为0.996 1，响应值变化有99.61%来源于自变量，预测值与实测值之间具有高度的相关性。由此可知，二次回归模型在显著水平时不失拟，回归模型与实际情况拟合性好，可以用此模型来分析和预测柠檬醛微胶囊包埋产率试验。由回归方程系数显著性检验可知：模型中一次项X1和X3（P＜0.000 1）极显著，X2（P＞0.05）不显著，并且对包埋率的影响由大到小依次为X3＞X1＞X2；交互项X1X3和X2X3（P＜0.05）显著；二次项X12、X22和X32（P＜0.000 1）极显著，表明各影响因素对包埋产率的影响不是简单的线性关系，而是二次项式关系。

2.2.3 响应面试验结果分析

a.固形物质量分数与心壁比

b.乳化剂质量分数与心壁比

图 4 各两因素交互作用对柠檬醛微胶囊包埋产率影响的响应面图

Fig.4 Response surface plots for the effects of operating parameters on the yield of microencapsulated citral

由图4a可知，在乳化剂质量分数不变的条件下，在选定固形物质量分数和心壁比范围内存在稳定点，稳定点为柠檬醛微胶囊包埋产率的最高值，两因素都会引起包埋产率的改变。

由图4b可知，在固形物质量分数不变的条件下，在选定乳化剂质量分数和心壁比范围内存在稳定点，稳定点为柠檬醛微胶囊包埋产率的最高值，两因素都会引起包埋产率的改变。

2.2.4 工艺优化及验证

为了验证二次回归模型方程的合适性和有效性，在试验水平范围内，进行最适包埋条件的验证实验。验证实验对预测值与实验值是否接近，证明此模型是否有效，具有一定的实践指导意义。柠檬醛微胶囊产率的优化试验验证结果：柠檬醛微胶囊包埋产率（Y）的最大预测值为79.2%，此时3个因素水平分别为固形物质量分数（X1）26.33%、乳化剂质量分数（X2）0.8%和心壁比（X3）1∶4.17。将优化试验验证结果修正为固形物质量分数（X1）26%、乳化剂质量分数（X2）0.8%和心壁比（X3）1∶4。在此条件下进行验证实验，柠檬醛微胶囊包埋产率（Y）值为78.8%。

2.3 柠檬醛微胶囊缓释性能

由图5可知，随着加热时间延长，柠檬醛精油和柠檬醛微胶囊的保留率逐渐减小，柠檬醛精油挥发速率大于柠檬醛微胶囊。当加热时间为18 h时，柠檬醛微胶囊保留率变化趋于平缓，可能因为开始加热时间主要以挥发β-环糊精表面吸附柠檬醛为主。在加热30 h时，柠檬醛保留率为28.1%。而柠檬醛微胶囊的保留率只有76.5%，是柠檬醛保留率的2.7 倍。由此可见，微胶囊化可以明显降低柠檬醛的挥发速率，更有利于精油持续长久地发挥其功效[23]。

图 5 微胶囊化对柠檬醛精油保留率的影响

Fig.5 Effect of microencapsulation on retention rate of citral

图 6 柠檬醛微胶囊的Avrami’s回归分析

Fig.6 Avrami regression analysis of citral release from
citral microcapsules

根据图6柠檬醛微胶囊的Avrami’s回归分析可知，释放的机理参数（n）为0.873，释放速率常数（k）为8.551×10－3。柠檬醛微胶囊在100 ℃条件下，释放反应介于扩散限制动力学和一级反应动力学之间。R2为0.994，说明Avrami’s方程可以对柠檬醛微胶囊释放过程进行较好的拟合[24-25]。

3 结 论

在单因素的基础上，采用响应面试验设计方法，建立以固形物质量分数、乳化剂质量分数和心壁比为试验因素二次多项式模型。二次回归模型极显著，回归模型与实际情况拟合性好，可以用此模型来分析和预测柠檬醛微胶囊产率试验。优化试验验证结果修正为固形物质量分数26%、乳化剂质量分数0.8%和心壁比1∶4。在此条件下进行验证实验，柠檬醛微胶囊包埋产率值为78.8%。

通过柠檬醛和柠檬醛微胶囊保留率测定发现，柠檬醛微胶囊保留率远大于柠檬醛，微胶囊化可以明显降低柠檬醛的挥发速率，更有利于精油持续长久地发挥其功效。同时，采用Avrami’s方程对柠檬醛微胶囊保留率进行回归分析，柠檬醛微胶囊在100 ℃条件下，释放反应介于扩散限制动力学和一级反应动力学之间，方程也可以对柠檬醛微胶囊释放过程进行较好的拟合。

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