丁香油微胶囊的制备及表征

2022-03-14关晋平陈国强程献伟

印染助剂 2022年2期

林京，关晋平，陈国强，程献伟

（1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215006；2.现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州 215123）

丁香是金娘科植物丁香的干燥花蕾，又名公丁香，不仅是一种中草药，还是一种香料［1］。丁香油是从丁香中提取的芳香性挥发油，主要包含丁香酚、β-石竹烯和乙酰基丁香酚［2］。丁香油的外观是澄清透明的油状液体，颜色呈淡黄色或无色，易溶于醇、冰醋酸中，但不溶于水［3］。丁香油具有优良的抗肿瘤、抗菌、抗氧化等性能［4］，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、志贺痢疾杆菌、枯草杆菌、表皮葡萄球菌等皆有明显的抑制和杀灭作用［5］。因为丁香油可以与细菌的细胞膜作用（对细胞膜产生破坏作用），引起细胞内溶物发生渗透，导致细胞死亡，从而起到抗菌效果［6］。然而，丁香油易挥发、不溶于水，且对光线和氧气等较敏感［7］，在某种程度上限制了实际应用。

微胶囊技术是利用天然或合成高分子材料，将分散的固体、液体或气体物质包裹起来，形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子的技术［8］。其中，芯材是指被包裹的物质，壁材是指包裹物质。由于芯材不同，微胶囊具有多种形态，如球形、谷粒形、粒形、块形等。微胶囊还可以分为单核与多核，其囊壁也可以有所不同，分为单层结构和多层结构［9］。微胶囊技术具有很大优势，可以尽可能保留芯材物质的色、香、味、营养及活性［10］，已被用于医药、纺织、食品、黏合剂、建筑混凝土等许多领域［11］。使用微胶囊技术可以有效解决丁香油易挥发、水溶性低等问题。

黄洁［12］利用形成的明胶-鞣酸复合物对丁香油进行包埋，并研究不同条件下复合物在乳液中稳定精油类物质的能力和包埋效率。孙淼［13］采用饱和水溶液法，通过β-CD 对丁香精油进行微胶囊化处理，制备出丁香精油β-CD 包合物，包埋率为21.79%。华彩丽［14］使用海藻酸钠、丁香酚、乳化剂吐温-80、CaCl2制备丁香酚微胶囊，以家兔为实验对象，结果显示丁香酚微胶囊（18.26、9.13 mg/kg）与丁香酚（7.5 mg/kg）和氯苯胍（50 mg/kg）具有相似的驱杀效果。徐文秀［15］使用锐孔法和喷雾干燥法制备丁香油微胶囊，得到包埋效果良好的微胶囊。Chong Yongbing 等［16］通过原位聚合和界面聚合合成丁香油微胶囊，并对其形态、核壳结构、组成以及不同反应参数下合成的微胶囊的释放行为进行研究。Jiang Ping 等［17］采用单凝聚法制备丁香油微胶囊，研究壳聚糖浓度、核壳比、乳化剂种类等对微胶囊粒径以及粒径分布的影响。

本文通过复凝聚法，以明胶和海藻酸钠为壁材制备丁香油微胶囊，采用喷雾干燥法得到干燥的微胶囊产物。以包埋率为指标，探讨制备丁香油微胶囊的优化工艺条件，并对该条件下制备的微胶囊的热稳定性、分子结构和表面形态进行研究。

1 实验

1.1 材料

丁香油（生物试剂，上海源叶生物科技有限公司），明胶（分析纯，上海泰坦科技股份有限公司），海藻酸钠（化学纯）、戊二醛（分析纯）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），无水乙醇、乙酸（分析纯，江苏强盛功能化学股份有限公司），氢氧化钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

1.2 仪器

SCILOGEX 数显型顶置式强力电子搅拌仪、DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器、SHZ-D（Ⅲ）循环水式多用真空泵（巩义市予华仪器有限责任公司），电子天平（瑞安市英衡电器有限公司），离心式喷雾干燥机（上海大川原干燥设备有限公司），实验室超声波清洗机（芯硅谷）、pH 检测仪（上海仪电科学仪器股份有限公司），TU-1900 紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），S-4800 冷场发射扫描电镜（日本日立株式会社日立制作所），Nicolet 5700 傅里叶变换红外光谱仪（赛默飞世尔科技有限公司），Diamond 热重差热综合分析仪（美国珀金埃尔默股份有限公司）。

1.3 丁香油微胶囊的制备

将明胶和海藻酸钠分别溶于去离子水中，50 ℃搅拌溶解；将丁香油加入明胶溶液中乳化，再加入溶解好的海藻酸钠溶液，搅拌5 min，滴加20%乙酸溶液调节pH 至3，50 ℃搅拌30 min，停止加热，冰浴搅拌至0～10 ℃开始凝胶，滴加20%氢氧化钠溶液调节pH 至8～9，加入戊二醛，升温至40 ℃固化1 h，反应结束后喷雾干燥，得到干燥的丁香油微胶囊。

1.4 标准工作曲线的绘制

称取0.2 g 丁香油置于100 mL 容量瓶中，用无水乙醇定容，从中取1 mL 放入另一个100 mL 容量瓶中，用无水乙醇定容，以无水乙醇为空白对照样，用紫外-可见分光光度计在200～600 nm 波长范围内扫描，确定最大吸收波长。

称取0.2 g 丁香油置于100 mL 容量瓶中，用无水乙醇定容，配制成2 mg/mL 标准溶液。分别取不同体积的标准溶液加入50 mL 容量瓶中，用无水乙醇定容，摇匀，配制成不同质量浓度的溶液，在最大吸收波长处测试吸光度。以质量浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准工作曲线。

1.5 测试

Zeta 电位：配制0.05%氢氧化钠溶液和0.20%醋酸溶液。称取0.1 g 明胶或海藻酸钠放入烧杯，加入100 mL 去离子水，50 ℃加热搅拌溶解，用0.05%氢氧化钠溶液和0.20%醋酸溶液调节pH，再用Zeta 电位仪测试Zeta电位。

包埋率：称取0.1 g 微胶囊，用无水乙醇洗涤3次，滤液用无水乙醇定容至50 mL，在282 nm 下测试吸光度，利用标准工作曲线回归方程得到表面油量；称取0.1 g 微胶囊，加入10 mL 乙醇，20 ℃超声10 min破壁，过滤后滤液用无水乙醇定容，在282 nm 下测试吸光度，利用标准工作曲线回归方程得到总油量。按照下列公式计算包埋率：

缓释性：分别称取1 g丁香油以及1 g丁香油微胶囊置于2个干净的培养皿中，放入80 ℃烘箱，每隔1 h称质量，按照下列公式计算丁香油和丁香油微胶囊的挥发率：

式中：m0为样品的初始质量，g；mt为样品t小时后的剩余质量，g。

扫描电镜（SEM）：将优化工艺条件下制备的微胶囊置于导电胶带上，在表面镀金后，通过扫描电子显微镜进行观察（放大2 000倍、5 000倍）。

红外光谱：利用傅里叶变换红外光谱仪进行测试，扫描范围500～4 000 cm-1。

热稳定性：利用热重分析仪进行测试（在N2气流中从30 ℃升温至700 ℃，观察其质量损失情况）。

2 结果与讨论

2.1 丁香油标准工作曲线

由图1 可以看出，在282、230 nm 处出现吸收峰值，所以丁香油的最大吸收波长为282、230 nm。以丁香油质量浓度为横坐标，282、230 nm 处的吸光度为纵坐标绘制标准工作曲线，结果如图2 所示。由于在282 nm（y=19.431 56x-0.024 78，R2=0.997 75）和230 nm（y=41.106 44x-0.024 04，R2=0.997 62）波长下曲线的拟合性都比较好，选择在282 nm 波长下进行实验。

图1 丁香油的最大吸收波长

图2 丁香油在282 nm（a）、230 nm（b）波长下的标准工作曲线

2.2 丁香油微胶囊制备工艺优化

2.2.1 pH

由图3 可知，明胶的等电点约为4.8，等电点以下的明胶溶液呈正电性，等电点以上的明胶溶液呈负电性；在不同pH 下，海藻酸钠溶液均呈负电性。调节溶液pH 可使明胶和海藻酸钠因正负电荷间的作用力形成微胶囊，在pH 为3 时，明胶溶液呈正电性，海藻酸钠溶液呈负电性，故pH 选择3。

图3 pH 对明胶溶液（a）、海藻酸钠溶液（b）Zeta 电位的影响

2.2.2 明胶和海藻酸钠质量比

由图4可以看出，当m（明胶）∶m（海藻酸钠）=2∶1时，Zeta 电位最接近0 mV，反应最充分，故选择m（明胶）∶m（海藻酸钠）=2∶1。

图4 m（明胶）∶m（海藻酸钠）对溶液Zeta 电位的影响

2.2.3 芯壁质量比

由表1 可以看出，随着芯壁质量比的减小，包埋率先增大后减小。这是因为当芯壁质量比较大时，芯材丁香油相对较多，表面油量较多，包埋率较低，随着芯壁质量比的减小，表面油量逐渐减少，直至达到最大包埋率，随着芯壁质量比继续减小，空微胶囊增多，包埋率减小，所以芯壁质量比选择1∶3，此时包埋率达到最大值。

表1 芯壁质量比对包覆率的影响

2.2.4 壁材用量

由图5 可知，随着壁材用量增加，包埋率先增大后减小。这是因为壁材用量较少时，芯材不能被完全包覆，包埋率较低，随着壁材用量增加，更多芯材被包覆，直至达到最大包埋率，壁材用量继续增加，空微胶囊增多，包埋率减小，故壁材用量选择2%。

图5 壁材用量对包埋率的影响

2.2.5 搅拌转速

由图6 可以看出，随着搅拌转速增大，包埋率先增大后减小。这是因为当搅拌转速较低时，反应体系的分散能力较差，微胶囊易聚集，包埋率较低，随着搅拌转速的增加，分散效果变好，直至达到最大包埋率，随着搅拌转速继续增加，过高的搅拌速度不利于壁材在芯材表面沉积，包埋率反而减小，所以搅拌转速选择500 r/min。

图6 搅拌转速对包埋率的影响

2.3 缓释性

由图7 可以看出，未被包埋的丁香油挥发率远远大于经过包埋的丁香油，表明丁香油在高温下的释放速率较快，微胶囊化可以显著减少其挥发，释放速率明显降低。

图7 丁香油与丁香油微胶囊缓释性比较

2.4 表征

2.4.1 红外光谱

由图8 可看出，海藻酸钠在3 437 cm-1处有—OH的伸缩振动峰，在1 615 cm-1处有COO—的不对称伸缩振动峰，在1 415 cm-1处有COO—的对称伸缩振动峰，在1 032 cm-1处有C—O—C 的伸缩振动峰［18］。明胶在1 633 cm-1处有酰胺中的伸缩振动峰，在1 522 cm-1处有酰胺中N—H 的伸缩振动峰，在1 230 cm-1处有C—N 的伸缩振动峰［19］。丁香油中的伸缩在2 953、1 512、1 272 cm-1处有尖峰。丁香油微胶囊的红外图谱中有海藻酸钠在3 437、1 415、1 032 cm-1处的峰；有明胶在1 633 cm-1处的峰；丁香油在2 953、1 272 cm-1处的特征峰减弱或消失，表明丁香油已经被壁材包埋。

图8 原料及产物的红外光谱图

2.4.2 热重分析

由图9 可看出，丁香油微胶囊的热分解过程可分为3个阶段：第一阶段，微胶囊质量损失较快（约30%），对应温度为100 ℃左右，主要由微胶囊中的水分和表面油蒸发所致；第二阶段温度为100～480 ℃，随着温度升高，曲线变得平缓，微胶囊质量损失减少，主要是由于明胶和海藻酸钠之间因静电作用形成的囊壁遭到破坏，丁香油被分解；第三阶段温度为480～700 ℃，微胶囊的质量损失主要是由于残留的壁材分解。与丁香油微胶囊相比较，丁香油质量损失明显，表明微胶囊化对丁香油有很好的保护作用。