张晓明 朱良奎 成蕾 袁碧贞

摘 要 以多孔淀粉（PS）为芯材载体吸附茶树精油（TTEO），以海藻酸钠（SA）-壳聚糖（CS）为壁材，戊二醛（GA）为固化交联剂，通过聚电解质复合凝聚法成功制备了CS/SA/PS-TTEO微胶囊。优化后的制备条件为：多孔淀粉与茶树精油的最佳比例为0.88∶1，海藻酸钠浓度为3.0%，壳聚糖浓度为3.0%，戊二醛浓度为2.0%，反应温度为30℃。采用透射电子显微镜（TEM）、 热重分析（TGA）、 红外光谱（FT-IR）、 稳定性测试和释放率实验对CS/SA/PS-TTEO微胶囊的形成、 性质和释放行为进行了分析。结果表明，CS/SA/PS-TTEO微胶囊在敞开体系中，TTEO的14天累积释放率为15.77%，单日释放率最低为0.20%;在封闭体系中14天累积释放率为7.37%，在10天左右释放趋于平稳，单日释放率最低仅为0.04%，表明CS/SA/PS-TTEO微胶囊具有一定的缓释能力。在18～50℃温度下，CS/SA/PS-TTEO微胶囊与化妆品常用溶剂可稳定共存，此性质有利于提高TTEO类化妆品储存和运输稳定性。

关键词 茶树精油; 微胶囊; 条件优化; 平均粒径; 包覆率; 释放率

1 引 言

微胶囊技术在食品、 药品、 化妆品、 能源、 环境及工业等领域受到广泛关注，近年来发展迅速。微胶囊可以保护包裹物不受腐蚀、 失活和氧化，能够增强活性物质稳定性，有效减缓包裹物的扩散和挥发，并能实现可控释放[1～4]。茶树精油（TTEO）以其显著杀菌性、 高效渗透性和低毒性在皮肤及口腔疾病治疗领域得到了广泛应用，常作为祛痘产品的有效成分应用于化妆品行业[5～9]。TTEO的大部分生物活性成分具有挥发性，其中的萜烯成分会被氧化成p-异丙基苯和1，4-过氧对孟烯，对皮肤具有刺激性及致敏性。另外，TTEO中所含有胺树酚成分虽然能够增强皮肤渗透力，但具有强烈刺激性气味[10]，这也是化妆品市场不能接受直接添加TTEO制成产品的主要原因。因此，将其制备成微胶囊包覆材料是改善其挥发性、 刺激性、 致敏性的重要手段[11～14]。El Asbahani等[15]系统阐述了精油的提取及封装方法，并阐述了其在医药、 美容、 纺织、 食品等各个领域的应用。Shchukin等[16]采用逐层组装法制备了聚电解质/苯并三唑缓释纳米容器，并详细讨论了3种微胶囊的释放性能和再装载能力; Németh等[17]通过界面凝聚/交联法制备潜热储存海藻酸钙微胶囊，实现了潜热储存微粒系统的微胶囊化。传统微胶囊不可忽视的缺点是芯材成分呈指数型释放[18，19]， 这是由微胶囊芯材成分与环境之间的浓度梯度造成的。若TTEO等挥发性液体作为微胶囊的芯材，在释放過程中，挥发油与其蒸气共存于微胶囊内，会改变微胶囊内外的浓度差，改善传统微胶囊的指数型释放。

多孔淀粉（PS）是一种新型变性淀粉，颗粒表面呈不规则多孔状，大的比表面积使其具有较强的吸附能力，是一种绿色高效的吸附剂。目前，以PS为芯材载体的包覆方法主要是直接吸附法和喷雾干燥法[20]，多应用于食品领域，在化妆品中的应用尚无报道。海藻酸钠（SA）是由古洛糖醛酸与甘露糖醛酸两种结构单元以3种方式组合的具有优良的生物粘性和生物相容性的材料，常被用于敏感药物的控释载体[21]。壳聚糖（CS）是天然多糖中唯一的碱性多糖，具有许多独特的物理化学特性，在药物制剂的缓释及控制释放领域已有应用的报道[22]。本研究以PS为芯材载体，将TTEO吸附于PS孔穴内部，形成PS-TTEO粉末微球。选择海藻酸钠（SA）和壳聚糖（CS）作为包覆PS-TTEO粉末微球的壁材，采用聚电解质法，通过反相电荷的吸附作用对PS-TTEO微球进行包覆，达到缓释效果，减少TTEO挥发，并降低其对皮肤的刺激。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

UV-2450紫外-可见分光光度计、 DTG-60型差热-热重分析仪、 IRPrestige-21型傅里叶变换红外光谱仪（日本岛津公司）; JEM3010高分辨透射电子显微镜（日本电子株式会社）; NP900偏光显微镜（明慧科技有限公司）; LS900型激光粒度仪（珠海欧美克仪器有限公司）; HR/T20M台式高速冷冻离心机（湖南赫西仪器有限公司）。

茶树精油（TTEO，化妆品原料，纯度>99%，重庆富铂化工有限公司）; 多孔淀粉（PS，辽宁立达生物科技有限公司）; 海藻酸钠（SA，阿拉丁公司）; 壳聚糖（CS，脱乙酰度≥95%，粘度100～200 mPa.s，阿拉丁公司）; 戊二醛（GA，天津市福晨化学试剂厂）; 十二烷基硫酸钠（SDS）和无水乙醇（西陇化工股份有限公司）。所有试剂除特殊说明外均为分析纯。

2.2 实验方法

2.2.1 PS-TTEO粉末微球的制备 称取适量PS（w）与TTEO按 1∶1（质量比）混合，置于磁力搅拌器上常温高速搅拌30 min，再超声30 min后，转移至离心管， 12000 r/min离心30 min，将多余的TTEO倾出，用无水乙醇洗涤3次，得PS-TTEO粉末微球，称重（w1）。重复测定3次取平均值。采用公式（1）计算PS的吸油率OAR（Oil absorption rate， %）：

2.2.2 CS/SA/PS-TTEO微胶囊的制备 称取PS-TTEO粉末微球2.0 g于20 mL玻璃小瓶中，加入5.0%（w/V）SDS 1 mL，于30℃恒温水浴中搅拌至均匀。随后向其中加入3.0%（w/V）SA溶液2 mL，高速搅拌30 min，再加入3.0%（w/V）CS溶液 4 mL，继续搅拌30 min后，制成CS/SA/PS-TTEO微胶囊溶液。用针头吸取2.0% （w/w）GA溶液2 mL缓慢滴加至上述微胶囊溶液中，静置24 h，即形成乳白色微胶囊乳液。

2.2.3 包覆率测定 移取0.11 mL（相当于0.10 g）TTEO于25 mL容量瓶中，用无水乙醇定容，配制成4.0 mg/mL TTEO-乙醇溶液，再用乙醇稀释为0.04、 0.12、 0.20、 0.28和0.36 mg/mL的TTEO-乙醇标准溶液。以无水乙醇为空白溶液，测定TTEO-乙醇标准溶液的紫外-可见吸收光谱，确定其最大吸收波长为264.5 nm，并在此波长下测定吸光度A，绘制得A-C标准曲线回归方程为：A=4.4334C-0.02345（R2=0.99985）。

称取CS/SA/PS-TTEO微膠囊样品0.10 g（m）于50 mL小烧杯中，加入20 mL无水乙醇溶解，50℃下超声30 min， 20000 r/min离心30 min，上层清液用0.45μm微孔滤膜过滤，待测。

准确移取1.0 mL上述待测液至10 mL容量瓶中，用无水乙醇定容，测定吸光度A，重复测定3次取平均值。根据回归方程式计算CS/SA/PS-TTEO微胶囊中包覆的TTEO质量（mTTEO），采用公式（2）计算CS/SA/PS-TTEO微胶囊的包覆率CR（Coating rate， %）：

2.2.4 释放率测定 将CS/SA/PS-TTEO微胶囊样品分别放置于敞开体系和封闭体系中，根据2.2.3节的方法，每隔24 h测定CS/SA/PS-TTEO微胶囊中包覆的TTEO质量（mTTEO），采用公式（3）计算TTEO的释放率RR（Release rate， %）， 并绘制释放率曲线。

3 结果与讨论

3.1 CS/SA/PS-TTEO的形成过程

以SA和CS为壁材，利用壁材分子末端的OH、NH2等活性基团与TTEO分子中的活性基团形成氢键，同时由于CS分子链上有大量的NH2，SA的分子链上有大量的COOH，彼此可静电吸引，形成异性电荷NH+3 和COO，以双电层形式包覆在PS-TTEO粉末微球的表面[23，24]，然后再以双功能团分子戊二醛（GA）对微胶囊的表面进行修饰，由于CS的NH2可与GA的CHO形成Shiff碱，即可使CS和双功能团分子形成交联层，进而形成聚电解质膜，相当于在PS-TTEO粉末微球表面形成一层致密的保护膜，进而形成致密且稳定的CS/SA/PS-TTEO核壳微胶囊材料， 以此控制精油的释放行为。CS/SA/PS-TTEO形成过程如图1所示。

3.2 CS/SA/PS-TTEO微胶囊制备条件的优化

3.2.1 PS与TTEO的质量比 选取PS与TTEO质量比分为1∶0.2、 1∶0.4、 1∶0.6、 1∶0.8、 1∶1.0、 1∶1.2进行吸附实验。当PS与TTEO质量比在1∶0.2～1∶0.8之间，PS不能达到饱和吸附，体系不易分散; 当质量比大于1∶1.0时，过量TTEO吸附于PS的孔径及外表面，形成一种油状体，无法形成粉末微球; 当质量比在1∶0.8～1∶1.0范围内，PS对TTEO精油吸附饱和而不过量，可得到PS-TTEO粉末微球。通过2.2.1节的方法测定了PS的饱和吸油率为88.10%。因此，选择PS与TTEO最佳质量比为1∶0.88。

3.2.2 SA的浓度 分别使用1.5%、 2.0%、 2.5%、 3.0%、 3.5%、 4.0%（w/w）的SA进行包覆实验。实验结果表明，随着SA浓度增大，包覆率则先增大后减小，而微胶囊的平均粒径先减小后增大。如图2A所示，当SA浓度为1.5%～2.0%时，体系中TTEO的刺激性气味较大，长期放置不稳定，会有部分油珠析出，说明包覆率较低，同时粒径也较大; 当SA浓度为3.0%时，体系的TTEO气味随之减小，其平均粒径最小，可达到129.9 μm，包覆率为88.68%; 当SA浓度为3.5%时，包覆率最高，可达到89.91%，说明SA浓度增加会使包覆率略有提高，但是其粒径也随之增大至162.6 μm; 当SA浓度增大至4.0%时，体系的粘度过高，难于分散均匀，导致包覆率下降，粒径增大，气味也随之增大，稳定性也变差，会有部分精油析出。综合考虑粒径和包覆率，确定SA的适宜浓度为3.0%。

3.2.3 CS的浓度 加入CS后，体系更粘稠，随着CS加入量增大，微胶囊的粒径逐渐减小，包覆率逐渐增大，TTEO的刺激性气味也逐渐减小; 当CS浓度过大，体系粘度过高，导致包覆率下降，粒径随之增大。同时体系容易变质，且造成壁材浪费，故CS浓度对微胶囊的制备至关重要。由图2B可知，当CS浓度为3.0%时，其包覆率和粒径都较好。因此，本实验中选择CS最适浓度为3.0%（w/w）。

3.2.4 GA的浓度 加入GA可使微球表面胶体状的CS固化形成微胶囊。分别加入浓度为1.5%、 2.0%、 2.5%、 3.0%、 3.5%、 4.0%（w/w）的 GA溶液2 mL进行固化实验。通过粒径和包覆率选择壳聚糖最佳浓度范围。由图2C可知，随着GA浓度增大，微胶囊的粒径逐渐增大，包覆率先增大后减小。在GA浓度为2.0%时包覆率最大，体系中TTEO的刺激性气味较小，之后随着GA浓度增大包覆率下降，当GA浓度高于3.5%时，包覆率低于60%，体系中TTEO的刺激性气味也随之增大。可能的原因是过量CHO与CS的NH2结合可破坏包覆体的双电层结构，进一步导致包覆率下降，因此GA的浓度不易过高。后续实验选择适宜浓度为2.0%（w/w）。

3.2.5 反应温度 考察了不同反应温度的影响。如图2D所示，随着温度升高，微胶囊的粒径变化不大，但是包覆率随之下降，体系中TTEO的刺激性气味也随之增大，当温度高于50℃时，包覆率小于60%。说明随着反应温度升高，体系TTEO有一定程度的挥发，导致包覆率下降，刺激性气味增大，而温度对粒径的影响并不显著。当温度为30℃时，包覆率达最高，粒径为129.9 μm，较为适中，综合考虑温度对粒径和包覆率的双重影响，选择适宜的制备温度为30℃。

3.3 形貌分析

在最佳条件下制得的PS-TTEO粉末微球与CS/SA/PS-TTEO微胶囊的光学显微镜照片如图3所示。对比图3A和图3B可知，PS-TTEO粉末微球与CS/SA/PS-TTEO微胶囊均为不规则形状，由于CS/SA的外层包覆作用，胶囊粒子的外观更加饱满。图3C为单个CS/SA/PS-TTEO微胶囊粒子的高分辨透射电镜照片，可见多孔淀粉PS在外层CS/SA包覆作用下的孔穴结构，表明PS-TTEO粉末微球已被包覆。

3.4 TGA分析

在N2氛圍内，测试温度为30～600℃，升温速度为10℃/min条件下进行TGA分析。CS/SA/PS-TTEO微胶囊表现出与TTEO和PS完全不同的热失重趋势。如图4所示，开始测量时，随着温度升高，TTEO、 PS及CS/SA/PS-TTEO微胶囊均缓慢挥发与释放，当升温至60℃时，TTEO进入快速分解阶段，在200℃左右进入平缓阶段，基本达到完全失重; PS在317～380℃进入迅速失重阶段，而CS/SA/PS-TTEO微胶囊从210℃开始进入快速失重阶段，至278℃其失重率达60%以上，之后进入平缓失重阶段，说明微胶囊中的茶树精油挥发速度减慢，然后逐渐至完全失重。上述结果说明，CS/SA/PS-TTEO微胶囊的热失重温度比纯TTEO的热失重温度有所提高，是因为 CS/SA将TTEO封闭在PS孔隙中，改变了PS-TTEO微胶囊的热行为，提高了TTEO的热稳定性。

3.5 FT-IR分析

TTEO、 PS和CS/SA/PS-TTEO微胶囊的红外光谱图如图5所示。2874和2968 cm1分别是TTEO中CH3对称伸缩和反对称伸缩振动吸收峰， 2924 cm1是TTEO中CH2的反对称伸缩伸缩振动吸收峰，1450和1370 cm1分别为CH3和CH2的变形振动及芳环骨架振动的重叠峰，这些峰是TTEO中有效成分的特征吸收峰。但在CS/SA/PS-TTEO微胶囊中，上述峰均消失，说明这些基团与囊壁材料发生了化学反应，证明TTEO被完全包覆。TTEO中位于1370 cm1以下的指纹区的精细结构吸收峰在CS/SA/PS-TTEO微胶囊红外光谱曲线中完全消失，也进一步证明了TTEO被完全包覆。在PS中，1146和1008 cm1处出现的吸收峰为PS中葡萄糖多聚体中COC的伸缩振动吸收峰，在CS/SA/PS-TTEO微胶囊红外谱图中并不存在，说明PS与胶囊材料发生了交联反应，导致COC结构破坏，证明了PS-TTEO被微胶囊包覆，也进一步证明CS/SA/PS-TTEO微胶囊包覆体的形成。

3.6 稳定性分析

微胶囊的冷热稳定性直接影响到化妆品的储存和使用。取样品微胶囊分别放置于50℃和18℃， 30 d后观察微胶囊的冷热稳定性，结果表明，产品外观完好，无油析出。耐有机溶剂性能也是衡量微胶囊稳定性的一个重要指标。化妆品常用的有机溶剂如异十六烷、 葵花籽油、 葵酸甘油三酯等易破坏微胶囊，本实验分别考察了上述3种溶剂对微胶囊稳定性的影响。图6从左至右依次为微胶囊在异十六烷、 葵花籽油、 葵酸甘油三酯溶剂中的稳定性图片。图6A为非最佳条件下制得的微胶囊，在溶剂中不稳定，很快出现微胶囊粒子沉淀析出及团聚现象，14 d的累积释放率分别为50.54%、 57.43%和68.20%。图6B是最佳条件下制得的微胶囊，在上述溶剂中能够稳定存放，外观均匀，无油析出，14 d的累积释放率分别仅为10.43%、 13.87%和11.21%。说明在优化条件下制备的CS/SA/PS-TTEO微胶囊对溶剂具有一定稳定性。

3.7 释放性能分析

取0.1 g TTEO和相当于含0.1 g TTEO的CS/SA/PS-TTEO微胶囊，分别置于密闭及敞开体系中放置，对其累积释放及每日释放行为进行研究。由图7A可见，在敞开体系中，TTEO 在24 h内全部挥发，相当于释放率100%。在敞开体系中的CS/SA/PS-TTEO微胶囊，4 d的累积释放率变化较快，以后逐渐放缓，14 d的累积释放率达15.77%。在封闭体系中，CS/SA/PS-TTEO微胶囊释放率变化不大，14 d 的累积释放率仅为7.37%。由CS/SA/PS-TTEO微胶囊在敞开和封闭体系单日释放率（图7B）可知，敞开体系中CS/SA/PS-TTEO微胶囊中的TTEO单日释放率逐渐降低，说明CS/SA/PS-TTEO微胶囊具有一定的缓释能力。在封闭体系的释放率明显低于敞开体系，是由于在封闭体系中TTEO蒸气与CS/SA/PS-TTEO微胶囊内部体系接近浓度平衡状态，故在10 d后释放率逐渐减小，直至不再释放。此性质有利于含TTEO类化妆品的存储稳定性的提高。

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