盖旭 姜子涛 韩希凤 周园
摘要：以阿拉伯胶和麦芽糊精为复合壁材，以肉豆蔻精油为芯材，采用喷雾干燥法制备微胶囊，并对其形态、释放性和吸湿性进行表征。结果表明，以包埋率为指标，经Box-Behnken Design响应面实验优化的微胶囊制备工艺为壁材浓度2.01%、芯壁比0.92、进风口温度185.56 ℃，此时预测包埋率为79.53%。3个因素的影响程度为芯壁比＞进风口温度＞壁材浓度。包埋后的微胶囊呈规则饱满的球形，粒径分布于5～9μm，室温下在水中释放性良好，并且贮藏时具有一定的吸湿性。
关键词：肉豆蔻精油；
阿拉伯胶；
麦芽糊精；
喷雾干燥；
微胶囊；
响应面法
中图分类号：TS224.4
文献标志码：A
文章编号：1000-9973（2024）06-0189-06
Preparation of Microcapsules of Myristica fragrans Houtt. Essential Oil
by Spray Drying Method and Their Characterization
GAI Xu1， JIANG Zi-tao1，2*， HAN Xi-feng1， ZHOU Yuan1
（1.School of Food Engineering， Tianjin Tianshi College， Tianjin 301700， China; 2.School of
Biotechnology and Food Science， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）
Abstract：
With Arabic gum and maltodextrin as the composite wall materials and Myristica fragrans Houtt. essential oil as the core material， microcapsules are prepared by spray drying method， and the morphology， release property and hygroscopicity are characterized. The results show that with the embedding rate as the index， the preparation process of microcapsules optimized by Box-Behnken Design response surface experiment is wall material concentration of 2.01%， core material-wall material ratio of 0.92 and inlet temperature of 185.56 ℃， at this time， the predicted embedding rate is 79.53%. The influence degree of the three factors is core material-wall material ratio>inlet temperature>wall material concentration. After embedding， the microcapsules appear as regular and full spherical shapes， and the particle size ranges from 5μm to 9μm.The microcapsules have good release property in water at room temperature and have certain hygroscopicity during storage.
Key words：
Myristica fragrans Houtt. essential oil; Arabic gum; maltodextrin; spray drying; microcapsules; response surface method
收稿日期：2023-11-23
基金项目：天津市教委科研计划项目（2023KJ287）
作者简介：盖旭（1986—），女，讲师，硕士，研究方向：食品加工与分析、微胶囊。
*通信作者：姜子涛（1956—），男，教授，博士，研究方向：食品分析与添加剂。
肉豆蔻精油是从调味香料肉豆蔻（Myristica fragrans Houtt.）的干燥种仁中提取的具有芳香气味、与水不相溶、但可溶于乙醚、氯仿、乙醇等有机溶剂的挥发性油状液体[1]。研究表明，其主要分为肉豆蔻醚、甲基丁香酚、桧烯、α-蒎烯、β-蒎烯、榄香素及萜烯醇类等物质[2-4]，因而具有良好的抗氧化、抗菌和抗癌等功能，在食品和医药领域具有重要的开发利用价值[5-7]。
微胶囊化技术可以减少芯材与外界氧气、光、水分等的反应，有效保护精油等挥发性物质的有效成分，使其稳定性增强，释放周期延长[8-10]。近年来，关于制备肉豆蔻精油微胶囊的研究不多，在国内包埋的壁材局限于β-环糊精、辛烯基琥珀酸淀粉酯和麦芽糊精等 [11-12]；
在国外，Aisyah等[13]和Matulyte等[14]采用明胶-麦芽糊精、明胶-阿拉伯胶、乳清分离蛋白-阿拉伯胶及藻酸钠-氯化钙等组合壁材包埋肉豆蔻精油的方法，得到了较高的包埋率。本研究以阿拉伯胶和麦芽糊精为组合壁材，采用单因素实验和响应面实验对喷雾干燥法制备肉豆蔻精油微胶囊的工艺进行优化，并对微胶囊产品进行表征，为肉豆蔻中挥发性功能成分的进一步开发和应用提供了依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
肉豆蔻精油：实验室自提；
麦芽糊精（DE值为16～20）：河南省万邦实业有限公司；
阿拉伯胶：山东华宜生物科技有限公司；
司盘-80（分析纯）：天津市大茂化学试剂厂；
无水乙醇（分析纯）：天津市汇杭化工科技有限公司；
实验用水为去离子水。
1.2 仪器与设备
YP1201N电子天平 上海精密科学仪器有限公司；
ZNCL-TS智能磁力搅拌器 上海申釜仪器有限公司；
RCD-1A高速均质乳化机 常州苏瑞仪器有限公司；
YC-1800实验型喷雾干燥机 上海雅程仪器设备有限公司；
DDS-307数显电导率仪 杭州奥立龙仪器有限公司；
紫外可见分光光度计 日本岛津公司；
FTIR920红外光谱仪 上海托普仪器有限公司；
SU1510扫描电子显微镜 日立高新技术公司那珂事业所；
SB-3200DTDN超声波清洗机 宁波新芝生物科技股份有限公司。
1.3 肉豆蔻精油的提取
称取80目肉豆蔻粉末，按料水比1∶10加入去离子水，水蒸气蒸馏提取5 h，冷却，静置分层，收集精油。
1.4 肉豆蔻精油标准曲线的制作
取0.5 g肉豆蔻精油，用无水乙醇定容至100 mL，摇匀，制成浓度为5 000 mg/L的母液；
用无水乙醇将母液逐级稀释至浓度为1，2，4，8，16，32，40 mg/L的系列工作液，待测。
取适量40 mg/L的工作液于石英比色皿中，在200～800 nm紫外可见光下扫描，绘制吸收图谱，确定肉豆蔻精油的最大吸收波长；
在最大吸收波长处测量系列工作液的吸光度，绘制标准曲线。
1.5 微胶囊的制备
称取组合壁材（阿拉伯胶∶麦芽糊精为2∶1）1.5 g，加入去离子水100 mL，在60 ℃下搅拌，使其充分溶解，然后边搅拌边滴加肉豆蔻精油1.5 g，再加入0.015%的司盘-80，混匀，在10 000 r/min下均质9 min，得到乳化液。
所得乳化液即刻在进风口温度185 ℃、进料蠕动泵转速30 r/min的条件下喷雾干燥，得到微胶囊粉末。
1.6 乳化液稳定性的测定
采用电导率法[15]。每30 s测量一次样品乳化液的电导率，以时间为横坐标、电导率的变化率为纵坐标作图，拟合的线性方程的斜率作为乳化液稳定性系数K。K越小，表明乳化液的电阻随时间推移的变化越小，体系的稳定性越好。
1.7 微胶囊包埋率的测定
称取微胶囊0.2 g，加入10 mL无水乙醇混匀，以5 000 r/min离心5 min，取上清液在222 nm处测定吸光度，根据精油标准曲线计算微胶囊表面油质量。弃去上清液，用玻璃棒充分碾碎微胶囊后加入10 mL无水乙醇，超声振荡10 min，离心后测定吸光度，计算微胶囊内部油质量。包埋率的计算公式如下：
包埋率（%）=微胶囊内部油质量（mg）微胶囊表面油质量（mg）+微胶囊内部油质量（mg）×100%。
1.8 单因素实验设计
1.8.1 乳化液稳定性单因素实验
选择4个因素，其中壁材浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，壁材比（阿拉伯胶∶麦芽糊精）分别为1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，芯壁比分别为1∶3、1∶2、1∶1、3∶2、2∶1，均质时间分别为1，3，6，9，12，15 min，按1.4中方法制备乳化液，测定乳化液稳定性系数。
1.8.2 包埋率单因素实验
在乳化液稳定性实验的基础上，选择3个因素，其中壁材浓度分别为0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，芯壁比分别为1∶3、1∶2、1∶1、3∶2、2∶1，喷雾干燥的进风口温度分别为175，180，185，190，195 ℃，制备微胶囊，测定包埋率。
1.9 响应面实验设计
综合单因素实验情况，以包埋率为指标，选择壁材浓度、芯壁比、进风口温度3个因素，每个因素3个水平，采用Box-Behnken Design（BBD）响应面法（RSM）优化微胶囊制备工艺，采用Design Expert 8.0软件进行数据分析。响应面实验因素水平见表1。
表1 响应面实验因素与水平
Table 1 Factors and levels of response surface experiment
水平因素A壁材浓度/%B芯壁比C进风口温度/℃-11.51∶218002.01∶118512.53∶2190
1.10 微胶囊的表征实验
1.10.1 红外吸收光谱
取干燥的KBr粉末200 mg，分别将组合壁材粉末、肉豆蔻精油、微胶囊粉末各2～3 mg于玛瑙研钵中充分研磨混匀，压片后用红外光谱仪进行扫描，记录谱图。
1.10.2 微胶囊的扫描电镜观察
微胶囊的扫描电镜分析按照文献[15]的方法进行。取适量微胶囊粉末撒在贴有双面胶的样品台上，吹掉多余粉末，离子溅射仪镀金1 min后，用扫描电镜（SEM）观察微胶囊的表面形态，加速电压5 kV。
1.10.3 微胶囊的释放性
按照文献[16]的方法测定微胶囊的释放性。准确称取10 mg微胶囊粉末置于盛有去离子水的比色皿（1 cm×1 cm）液面上，连续观察120 min，记录其在222 nm处的吸光度值随时间推移的变化。
1.10.4 微胶囊的吸湿性
按照文献[17]的方法测定微胶囊的吸湿性。准确称量20 mg微胶囊干粉末于干燥恒重的玻璃培养皿中，在25 ℃下，将其敞口放置在盛有饱和NaCl溶液的干燥器中，7 d内每隔一段时间取出称重，吸湿率为每100 g微胶囊干粉的吸湿量，计算公式如下：
吸湿率（g/100 g干粉）=放置吸湿时间微胶囊粉末质量（g）－微胶囊粉末初始质量（g）微胶囊粉末初始质量（g）×100。
2 结果分析
2.1 肉豆蔻精油的紫外吸收光谱
肉豆蔻精油的紫外吸收光谱见图1，标准曲线见图2。
由图1可知，肉豆蔻精油在200～290 nm范围内有不同程度的紫外吸收，其中在217 nm和222 nm处有最大吸收峰。因此，选择222 nm进行实验参数测定。
由图2可知，标准曲线方程为y=0.025 3x+0.045，R2=0.998 3，肉豆蔻精油在1～32 mg/L质量浓度范围内线性关系良好。
2.2 单因素实验结果
2.2.1 壁材浓度对乳化液稳定性的影响
不同壁材浓度下的K值见图3。
由图3可知，当壁材浓度过低时，溶液的黏度较低，不足以形成较稳定的油/水型乳化液；
随着壁材浓度的增加，乳化液的黏度增加，粒子碰撞机会减少，K值明显降低，当壁材浓度为1.5%时K值最小；
之后，K值略有增大，当壁材浓度大于2.5%时，溶液过于黏稠、流动性差，导致乳化和后续喷雾干燥困难。因此，壁材浓度在1.5%～2.5%范围内乳化液的稳定性较好。
2.2.2 壁材比对乳化液稳定性的影响
不同壁材比下的K值见图4。
高DE值的麦芽糊精具有低黏度、良好的溶解性以及氧化稳定性，添加麦芽糊精后其高溶解度可以降低液滴的表观黏度，也有利于后续乳化液的雾化及干燥[18]。而阿拉伯胶是常用的增稠剂，由图4可知，随着壁材比的增加，曲线呈现先降后升的趋势。当阿拉伯胶∶麦芽糊精为2∶1时，K值最低，乳化液的黏度适中，稳定性最佳；
当阿拉伯胶添加量过大时，黏度过高，使得搅拌和乳化困难。因此，壁材比为2∶1较适宜。
2.2.3 芯壁比对乳化液稳定性的影响
不同芯壁比下的K值见图5。
由图5可知，随着芯材比例的增加，曲线呈现先降后升的趋势。在芯壁比为1∶1时K值最低，此时油滴在壁材溶液中分散得更加均匀稳定；
当油的比例增大时，包围在油滴外部的壁材层相对较薄，此状态下的油易与水相层分离而聚集。因此，芯壁比为1∶1较适宜。
2.2.4 均质时间对乳化液稳定性的影响
不同均质时间下的K值见图6。
由图6可知，适当延长乳化液的均质时间，可以使油滴更小、在水相中分散得更均匀，增加乳化液的稳定性，K值在6 min时达到最低；
之后变化不大，乳化液均处于比较稳定的阶段。为提高实验效率，防止精油在长时间均质后氧化和损失，均质时间为6 min较适宜。
2.2.5 壁材浓度对微胶囊包埋率的影响
不同壁材浓度下的包埋率见图7。
由图7可知，逐渐增加壁材浓度，溶液的黏度和乳化性增大，减少了芯材向壁材表面的迁移，芯材更好地被包埋；
当壁材浓度为2.0%时，包埋率最大；
随后壁材浓度继续增大，导致进料液的黏度过大从而雾化困难，喷雾干燥损失率较大，且导致喷头易堵塞。因此，壁材浓度为2.0%较适宜。
2.2.6 芯壁比对包埋率的影响
不同芯壁比下的包埋率见图8。
由图8可知，当芯壁比为1∶1时，包埋效果最好，包埋率可达78.01%；
当芯壁比大于3∶2时，包埋率显著下降。因此，芯壁比为1∶1较适宜。
2.2.7 进风口温度对包埋率的影响
不同进风口温度下的包埋率见图9。
由图9可知，进风口温度较低时，微胶囊干燥不充分、易黏壁，包埋率和产量降低。一定范围内，提高进风口温度，壁材在芯材表面快速形成一层硬壳，可以大大降低肉豆蔻精油受热的挥发及氧化，微胶囊包埋率明显上升；
当进风口温度为185 ℃时，包埋率最高；
随后包埋率略有下降，这可能是因为过高的进风口温度会导致微胶囊壁材成膜性不好，降低胶囊的质量。因此，进风口温度为185 ℃较适宜。
2.3 响应面实验结果与分析
肉豆蔻精油微胶囊制备工艺的响应面实验结果见表2，回归方程方差分析结果见表3。各因素交互作用对微胶囊包埋率的影响见图10～图12。
使用Design Expert软件进行二次多项式拟合得到预测模型回归方程：Y=79.31+0.65A-1.64B+1.53C+0.42AB-2AC+1.67BC-8.93A2-4.75B2-5.56C2，对拟合方程手动优化，剔除不显著项，得到简化模型方程：Y=79.31+0.65A-1.64B+1.53C-2AC+1.67BC-8.93A2-4.75B2-5.56C2。
由表3可知，模型的F=173.32，P＜0.000 1，为回归显著型；
失拟项不显著；
一次项B、C极显著，A显著；
交互项AC、BC极显著，AB不显著；
二次项均为极显著。3个因素对微胶囊包埋率的影响顺序为芯壁比（B）＞进风口温度（C）＞壁材浓度（A）。由RSM得出最优方案：壁材浓度为2.01%，芯壁比为0.92，进风口温度为185.56 ℃，此时预测包埋率为79.53%。该模型的拟合性和可靠性良好，可用于肉豆蔻精油微胶囊制备工艺条件的预测。
2.4 微胶囊表征实验结果与分析
2.4.1 红外吸收光谱
阿拉伯胶和麦芽糊精、肉豆蔻精油及微胶囊的红外光谱扫描结果见图13～图15。
由图13～图15可知，微胶囊和组合壁材在3 421.3 cm-1附近出现的吸收峰主要与阿拉伯胶和麦芽糊精的O—H伸缩振动有关[19]，说明微胶囊中含有壁材。肉豆蔻精油在1 638.0 cm-1处的特征峰与CC的振动有关，在913.3，993.9 cm-1处的特征峰与C—H的弯曲振动有关[20]；
在1 511.6，1 464.6 cm-1处的特征峰与C—H的弯曲振动有关；
在1 261.9，1 238.1，1 131.9，1 033.0 cm-1处的特征峰可能与-CH2的弯曲振动以及C—O的伸缩振动有关[17]；
微胶囊在1 261.9，1 238.1，1 131.9，1 033.0 cm-1附近的振动吸收峰强度明显减弱，在1 511.6，1 464.6，993.9，913.3 cm-1处的特征峰消失，说明肉豆蔻精油已被壁材包埋。
2.4.2 微胶囊的形态
肉豆蔻精油微胶囊的扫描电镜照片见图16。
由图16可知，喷雾干燥后的微胶囊呈饱满的圆球形，表面光滑、无裂缝，部分产品表面凹陷，这可能是微胶囊中水分蒸发速度有异，致使雾化液滴与高温空气接触后液滴表面所形成的膜呈现褶皱态。微胶囊的粒径分布于5～9μm。
2.4.3 微胶囊的释放性
微胶囊的溶解速率测定结果见图17。
由图17可知，随着储存时间的增加，微胶囊溶液的吸光度在20 min之前快速增加，微胶囊在20～100 min继续溶解但速度变缓，在100 min左右溶液基本达到平衡。因此，微胶囊在室温条件下遇水能够较好溶解，释放性良好。
2.4.4 微胶囊的吸湿性
肉豆蔻精油微胶囊贮藏在相对湿度为75%环境下的吸湿率见图18。
由图18可知，微胶囊在0～12 h吸湿率快速增加，此后增长速度减缓，3 d后微胶囊进入解吸阶段，吸湿率略有下降；
6 d后达到13.28%，并趋于平稳。这可能是因为麦芽糊精为淀粉水解后的多糖，阿拉伯胶是阿拉伯半乳糖寡糖、多聚糖和蛋白糖的混合物，它们均具有一定的吸湿性。贮藏期间观察发现随着存放时间的增加，微胶囊粉末的颜色由白色逐渐变黄，由粉末态逐渐黏连成块。
3 结论
以肉豆蔻精油为芯材，以阿拉伯胶和麦芽糊精为组合壁材，采用喷雾干燥法制备肉豆蔻精油微胶囊，经以乳化液稳定性和包埋率为指标的单因素实验后，进行三因素三水平BBD响应面实验，优化后的制备工艺为壁材浓度2.01%、芯壁比0.92、进风口温度185.56 ℃，此时包埋率为79.53%。3个因素对包埋率的影响程度为芯壁比＞进风口温度＞壁材浓度，实验建立的模型较可靠。微胶囊的表征实验表明，微胶囊成功包埋，呈规则饱满的球形，表面光滑、无裂缝，粒径分布在5～9μm；
室温下，微胶囊在水中的溶解性良好，在贮藏时具有一定的吸湿性。研究表明采用该法制备肉豆蔻精油微胶囊是可行的。
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