玫瑰精油微乳制备及性质研究

2019-10-28周志磊

食品与生物技术学报 2019年5期

刘欣，周志磊，毛健 *

(1.江南大学粮食发酵工艺与技术国家工程实验室，江苏无锡 214122；2.江南大学食品学院，江苏无锡214122）

玫瑰精油是一种从蔷薇科玫瑰花瓣中提炼出的天然名贵香料，其香气优雅浓郁、质地纯正。天然玫瑰精油多用做高档食品、化妆品与日化产品的辅料，具有广阔的市场前景[1-3]。

玫瑰精油难溶于水，其使用时存在吸收利用率低、对胃肠有刺激等缺点[4]。此外，玫瑰精油在生产和储运过程中很多成分容易损失和氧化，给其储藏和使用带来诸多不便。微包埋技术是解决这些问题的有效手段之一，微包埋技术主要包括微胶囊技术[5]和微乳化技术[6]。微胶囊技术将天然玫瑰精油固体化，对天然玫瑰精油起到较好的保护和控制释放作用，但传统的微胶囊通常以固体形式存在，固体粉末的物理形态制约了其在液体食品中的应用，并且微胶囊技术成本较高、操作繁琐，有时需要借助一些有机溶剂，限制了其应用[7]。

微乳是由水相、油相、表面活性剂和助表面活性剂按适当的比例自发形成的一种透明或半透明的“低黏度”各向同性且热力学稳定，粒径在10～100 nm之间的溶液体系[8]。微乳可以改善植物精油的水溶性，具有更高的稳定性和更卓越的体内吸收、控释和靶向性功能[9-12]。在微乳中，可稀释 O/W型微乳（即U型微乳）具有在不改变结构的前提下可被水无限稀释的特性，因而具有更高的实际应用价值[11]。

目前尚未见有关天然玫瑰精油微乳包埋的相关报道。作者以玫瑰精油为原料，研究可无限稀释型微乳的制备工艺，为进一步探索玫瑰精油的应用与开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试剂玫瑰精油、吐温40（化学纯）、吐温60（化学纯）、吐温 80（化学纯）、司班 80（化学纯）、1，2丙二醇（分析纯）、甘油（分析纯）、聚乙二醇PEG400（分析纯）、乙醇（分析纯）：购自国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 仪器 Thermo Fisher Trace气相色谱质谱联用仪：美国Thermo公司产品；AL204电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司产品；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器：巩义市予华仪器有限责任公司产品；多角度粒度与高灵敏度Zeta电位分析仪：美国布鲁克海文仪器公司产品；Discovery DHR-2流变仪：美国TA仪器公司产品；XH-C涡旋混合器：金坛市白塔新宝仪器厂产品；3240025T10分散机：德国IKA集团产品。

1.2 方法

1.2.1 玫瑰精油微乳制备工艺优化

1）拟三相图的绘制通过在玫瑰精油、水混合物中滴加混合表面活性剂的方法绘制拟三元相图，即加表面活性剂法[13]。三相图能够有效的了解微乳的成分配比及成乳区域。混合表面活性剂为V（吐温80）∶V（乙醇）=2∶1，玫瑰精油为油相，将玫瑰精油与水按照质量比 9∶1，8∶2，7∶3，6∶4，5∶5，4∶6，3∶7，2∶8，1∶9，精密称取（具体质量数见表1），混合均匀，装在试管里，用涡旋振荡器，边震荡边缓慢滴加混合表面活性剂，溶液由澄清变浑浊，再变澄清，最终记录临界点样品各成分的质量分数[14]。按其临界含量的质量分数，分别以精油、混合表面活性剂以及水为顶点，利用Origin8.0软件绘制三相图，确定微乳区域，然后用AutoCAD（2004）计算各微乳区域的面积占总面积的比例和最小稀释比[14]。

2）玫瑰精油HLB测定为了达到较好的微乳效果，表面活性剂的HLB值与被乳化药物的HLB值应当较接近[15]。用吐温40和司班80复配成不同HLB的表面活性剂，再与乙醇以质量比2∶1的比例混合均匀，作为混合表面活性剂，绘制拟三相图，计算微乳面积百分比及最小可稀释比。

3）表面活性剂对微乳体系的影响表面活性剂分别选定为吐温40、吐温60、吐温80、吐温 40+吐温 80（质量比 1∶1）、吐温 60+吐温 80（质量比1∶1），混合表面活性剂（m（表面活性剂）∶m（乙醇）=2∶1），绘制拟三相图，计算各微乳面积百分比及最小可稀释比。

4）助表面活性剂对微乳体系的影响助表面活性剂分别选定为1，2丙二醇、甘油、聚乙二醇PEG400、乙醇，混合表面活性剂（m（吐温 80）∶m（助表面活性剂）=2∶1），绘制拟三相图，计算各微乳面积百分比及最小可稀释比。

5）Km值对微乳体系的影响Km值为表面活性剂吐温80与助表面活性剂乙醇的质量比，Km值分别选定为 1，2，2.5，3，4，绘制拟三相图，计算各微乳面积百分比及最小可稀释比。

6）S/O值对微乳粒径的影响以Km=2精密称取吐温80和乙醇，混合均匀作为混合表面活性剂。以不同S/O值精密称取混合表面活性剂和玫瑰精油，在40℃下混合均匀，得到油相混合样品。分别取1 g样品，滴加40℃的99 g离子水，边滴加边磁力搅拌，得到质量分数为1%的待测液。测定O/W型玫瑰精油微乳液粒径。

7）水添加量对微乳粒径的影响以Km=2精密称取吐温80和乙醇，混合均匀作为混合表面活性剂，制备不同水含量的微乳，制备方法为磁力搅拌法，水分质量分数分别为 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%，测定其粒径大小。

8）加入顺序对微乳体系的影响用绘制拟三元相图考察加入顺序对微乳体系的影响。恒温条件下，在一定比例的玫瑰精油/表面活性剂、玫瑰精油/水、混合物中分别滴加水、混合表面活性剂（Km=2），即加水法和加表面活性剂法[6]，绘拟三元相图，然后用AutoCAD（2004）计算微乳区域的面积比例和最小可稀释比。

9）制备温度对微乳体系及粒径的影响采用加表面活性剂法考察温度对微乳体系形成的影响。在30、40、50℃的恒温条件下，绘制拟三相图，计算各微乳面积百分比及最小可稀释比。并在不同温度下，制备微乳，测定粒径，考察不同制备温度对粒径的影响。

10）制备方法对微乳体系及粒径的影响按优选的S/O=9，混合均匀，制备好无水混合油相。分别用磁力搅拌法、涡旋振荡法、高速分散法测定微乳粒径。

1.2.2 玫瑰精油微乳性质表征研究

1）激光光散射法测定玫瑰精油微乳粒径采用配有 He/Ne激光器（λ=633 nm）的Nano-Zs90马尔文粒径分析仪分析测定微乳的粒径，散射角为90°，将准备好的待测样品装入聚苯乙烯比色皿中（折光指数 1.33），（25±0.1）时保温 3 min 测定，分别测定 3次平均粒径（Dz）取平均值[6]。

2）静态顶空气相色谱测定微乳包封率方法优化及测定色谱柱为HP-INNOWAX毛细管色谱柱；进样后，柱温以4℃/min从50℃升温至200℃，再以8℃/min的速率升温到230℃，并保持20 min；载气为 He，流量为 1 mL/min，分流比为 10∶1；进样量为 1 μL；电离方式为电子轰击离子源（EI），离子源温度为230℃，电离能量为70 eV；传输线温度为250℃；进样口温度为240℃。

选择参照样品为2 μL玫瑰精油，分别取含有2 μL玫瑰精油的可稀释微乳，置于20 mL的顶空瓶中，在50℃下平衡50 min，然后采用色谱方法检测香茅醇的峰面积。包封率的计算公式如下：

式中：S1为微乳样品中香茅醇峰面积，S2为参照样品中香茅醇峰面积。

按照以上优化方法制备玫瑰精油质量分数为1%的O/W型玫瑰精油微乳，并采用多角度粒度与高灵敏度Zeta电位分析仪，测定未经储存，储存7天到6个月的玫瑰精油微乳粒径。

2 结果与讨论

2.1 玫瑰精油微乳备工艺优化

2.1.1 玫瑰精油HLB测定 HLB是表面活性剂的重要指标，当表面活性剂的HLB值与玫瑰精油的HLB值较为接近时，形成微乳效果更好。以下是吐温40和司班80复配成不同HLB的混表面活性剂，绘制的拟三相图。图1-2显示，随着表面活性剂HLB的增大，微乳区域面积比增大，最小可稀释比变小，因此玫瑰精油的HLB≥15.5。

图1 玫瑰精油HLB测定微乳拟三相图Fig.1 Pseudo-ternary phase diagrams determination of rose essential oil HLB

图2 玫瑰精油HLB测定微乳拟三相图的相关信息Fig.2 Information of pseudo-ternary phase diagrams determination of rose essential oil HLB

2.1.2 表面活性剂对微乳体系的影响测定玫瑰精油HLB后，考察表面活性剂对微乳体系的影响，优选出最佳表面活性剂，并将效果较好的单一表面活性剂吐温80与吐温40、吐温60进行两两复配，作为复配表面活性剂，考察复配后的乳化效果。下面是用不同表面活性剂绘制的拟三相图。

图3和图4显示，不同种类表面活性剂形成的微乳区域面积比，大小顺序为吐温80＞吐温60＞吐温40，最小可稀释比：吐温80＜吐温40＜吐温60，因此吐温80乳化效果最好。但将吐温80与吐温40、吐温60进行两两复配，复配后微乳区域的面积比单一表面活性剂的微乳面积都要小，可能是因为复配后的两种表面活性剂相互作用，形成的化学构象不利于表面活性剂的协同增溶作用[16]。尽管有很多文献报道复配后的表面活性剂有协同作用，提高乳化效率，通过该实验发现并非所有的表面活性剂复配后都具有协同作用。因此选择吐温80为最佳表面活性剂。

图3 不同种类表面活性剂的玫瑰精油微乳相图Fig.3 Rose essential oil pseudo-ternary phase diagrams of different surfactants.

图4 不同种类表面活性剂的玫瑰精油微乳相图的相关信息Fig.4 Information of rose essential oil pseudo-ternary phase diagrams of different surfactants

2.1.3 助表面活性剂对微乳体系的影响为提高乳化效率，需要助表面活性剂与表面活性剂一起制备微乳体系。最常见的助表面活性剂一般为短链醇。助表面活性剂主要作用在表面活性剂分子之间，降低液面张力，降低粘度，提高界面流动性，增大微乳增容量[17]。以下是常用的几种助表面活性剂：乙醇、甘油、1，2丙二醇、聚乙二醇PEG400，对微乳体系的影响。结果见图5与表1。

图5 不同种类助表面活性剂的玫瑰精油微乳相图Fig.5 Rose essential oil pseudo-ternary phase diagrams of different cosurfactants

表1 不同种类助表面活性剂的玫瑰精油微乳相图的相关信息Table1 Information of rose essential oil pseudo-ternary phase diagrams of different cosurfactants

由上述实验可知乙醇作为助表面活性剂时，微乳区域的面积比最大，最小可稀释比最小，微乳最稳定。乙醇流动性较好，但1，2丙二醇、甘油、聚乙二醇PEG400，较为粘稠，流动性较差，均出现微乳液粘稠现象，浊点不易判断，微乳液放置一段时间后，有分层现象，微乳稳定性差。因此选用乙醇为最佳助表面活性剂。

2.1.4Km值对微乳体系的影响表面活性剂与助表面活性剂的质量比即为Km值。实验表明，当表面活性剂和助表面活性剂种类相同时，不同Km值将会影响微乳区域大小，以下是以不同Km值绘制的微乳拟三相图。

由图6与表2可以看出，随Km值增大，微乳区域面积比增大，最小可稀释比DR也增大，S/O也增大。并对不同Km值制备的微乳粒径进行测定，随Km值增大，粒径先减小又变大，多分散指数也先变小后变大，可能是因为随Km值增大，较高浓度的表面活性剂，由于缺少助表面活性剂的助乳化作用，粘度较高，表面张力较大，降低乳化能力，形成微乳粒径也较大。综合考虑最佳Km值为2。

图6 不同Km值玫瑰精油微乳相图Fig.6 Rose essential oil pseudo-ternary phase diagrams of different Km

表2 不同Km值玫瑰精油微乳相图的相关信息Table2 Information of rose essential oil pseudo-ternary phase diagrams of different Km

2.1.5S/O值对微乳粒径的影响由于表面活性剂可以增加体系的熵值，降低相界面张力，有助于形成微乳。在水包油型的微乳中，表面活性剂非极性端与油相结合朝内，表面活性剂极性与水相结合端朝外，表面活性剂在油水两相间形成界面膜，形成小球状O/W型分子[18]。由上图可知，随着表面活性剂比例增大，微乳粒径和多分散指数都呈现出先减小后增大的趋势。当表面活性剂含量较低时，单位质量的表面活性剂需要包埋较多的油相，微乳粒径便会增大[15]。当S/O值≤5∶1时，粒径≥220 nm，超出微乳粒径范围，当S/O值为6∶1时，微乳粒径骤然变小，表明表面活性剂含量达到临界值，为保证微乳的稳定性及可无限稀释性，选择最佳S/O值为9∶1。有研究表明油相分子的大小在微乳形成过程中有很大作用[19]，在之前GC-MS检测中发现玫瑰精油中长链烷烃含量较多，因此包埋需要较多的表面活性剂。结果见图7。

图7 S/O值对微乳粒径和PDI的影响Fig.7 Effect of S/O on microemulsion particle size and PDI

2.1.6 水添加量对微乳粒径的影响当水分低于质量分数10%时，体系并不存在严格意义的W/O型球形液滴结构；当水分质量分数30%、40%、50%时，体系粘度超出了仪器的检测范围，未进行测定；当水分质量分数达到60%时，体系粒径已经大于1000 nm，体系此时应为双连续结构，随体系中水分质量分数的增加到70%，体系仍为双连续结构。当水分质量分数为80%时，体系已经处于完全的O/W型微乳结构。随着水分质量分数的进一步增加90%，体系的粒径分布不再发生较大变化。

2.1.7 加入顺序对微乳体系的影响添加顺序会影响微乳制备的难易，由图8与表3可知加水法微乳区域面积更大，最小可稀释比更小，微乳粒径较小且分布均匀，因此选择加水法作为制备微乳的最佳方法。

图8 加入顺序对玫瑰精油微乳相图的影响Fig.8 Effect of adding order on rose essential oil pseudoternary phase diagram

表3 不同加入顺序绘制的玫瑰精油微乳相图的相关信息Table3 Information of rose essential oil pseudo-ternary phase diagrams made by different adding orders

2.1.8 制备温度对微乳体系及粒径的影响由图9与表4可知，与30℃相比，40℃制备的微乳区面积更大，DR更小，微乳粒径小且均匀。由于较高的制备温度，会造成玫瑰精油的挥发损失，当制备温度较低时，需要较长的平衡时间，故优选的玫瑰精油制备温度为40℃。

图9 制备温度对玫瑰精油微乳相图的影响Fig.9 Effect of different temperature on rose essential oil pseudo-ternary phase diagram

表4 不同制备温度玫瑰精油微乳相图的相关信息Table4 Information of rose essential oil pseudo-ternary phase diagrams made by different temperature

2.1.9 制备方法对微乳体系及粒径的影响因为微乳是自发形成的，磁力搅拌较为温和，更有助于微乳的自发形成；而高速分散法外加作用力较强，有可能会影响破坏微乳的自发形成，使体系状态没有达到最低自由能，导致体系形成的液滴不稳定，体系中的颗粒聚集，粒径增加[15]。因此，采用温和的磁力搅拌方法，结果见表5。

表5 制备方法对玫瑰精油微乳粒径、PDI的影响Table5 Effect of different preparation methods on rose essential oil pseudo-ternary phase diagram

2.2 玫瑰精油微乳性质表征研究结果

取平衡时间为50 min，当平衡温度低于50℃时，香茅醇峰面积随温度升高而增大，当平衡温度高于50℃时，随着温度升高香茅醇峰面积几乎不再变化，达到平衡状态，因此选择50℃为最佳平衡温度。取平衡温度为50℃，当平衡时间少于50分钟时，香茅醇峰面积随时间延长而增大，当平衡时间大于50分钟时，随着时间延长香茅醇峰面积几乎不再变化，达到平衡状态，因此选择50 min为最佳平衡时间。与于梦[5]的薄荷油包封率研究结果相似，水包油型薄荷油微乳包封率为75%～80%，玫瑰精油微乳包封率为89%，对玫瑰精油达到较好的包埋效果。微乳粒径为10.47 nm，PDI为0.06，粒径分布均匀，且稳定性较好。