甲基纤维素/壳聚糖/海藻酸钠茶树油微胶囊的制备及稳定性

陈 娟，尹学琼，王旭裕，陈俊华，朱 莉

(海南大学 海南省精细化工工程技术研究中心, 海南 海口 570228)

甲基纤维素/壳聚糖/海藻酸钠茶树油微胶囊的制备及稳定性

陈 娟，尹学琼，王旭裕，陈俊华，朱 莉

(海南大学 海南省精细化工工程技术研究中心, 海南 海口 570228)

以甲基纤维素、壳聚糖及海藻酸钠作为复合壁材，采用喷雾干燥法制备了茶树精油微胶囊，确定最佳的喷雾干燥条件为：进风温度220 ℃，通针为2 s/次，蠕动泵55r/h.以精油含量为指标，采用正交实验法获得微胶囊的最佳制备条件为：甲基纤维素0.6 g/100 mL H2O，茶树精油0.4 mL, 壳聚糖0.6 g/50 mL H2O, 海藻酸钠3 g/50 mLH2O，含油率为13.4%, 该工艺条件所得的精油微胶囊重现性好.其茶树油微胶囊呈球形，表面光滑，颗粒较均匀，对精油具有较好的缓释效果，它在空气中存放2周后，其粒径有所增加，且其表面出现细小裂纹.

茶树油； 微胶囊； 制备； 稳定性

茶树油是从桃金娘科白千层属植物中通过蒸馏提取的纯天然植物精油，学名为互叶白千层油，为无色至淡黄色液体，其中约含有100种化学组分[1].茶树油具有良好的抗真菌活性，对于治疗许多创伤和疾病有很大帮助，如切伤、擦伤、昆虫咬伤、粉刺、烧伤、皮肤感染及皮癣等，目前已被广泛用于日用洗护用品及化妆品、食品、医用、家庭清洁用品等[2].茶树油的挥发性强，在空气中易发生氧化反应，产生容易引起过敏的对异丙基甲苯和1,4-过氧对孟烯[3]，因此，合理贮存茶树油对保证茶树油的质量及安全使用至关重要.

微胶囊化是将芯材(液体、气体或固体小微粒)包埋在壁材(通常为能形成薄膜或壳的高分子物质)里的过程，通过微胶囊技术，可实现液体/气体固化、降低芯材挥发性、隔离保护活性成分、提高芯材的稳定性以及对芯材进行缓控释放[4].自上世纪50年代至今，微胶囊技术已在医药、农药、食品、日化、纺织、化妆品等诸多领域获得广泛应用，微胶囊技术也已广泛用于精油的保护与缓释[5].精油微胶囊的制备及缓释效果已有较多报道，但对精油微胶囊的贮存稳定性还鲜有报道[6-7].由于精油为酯溶性物质，在精油微胶囊的制备中，为了形成稳定的乳液，通常需添加表面活性剂，如Tween、Span等，增加精油与壁材的相容性[8].使用表面活性剂不仅使微胶囊制备工艺更复杂，还对精油品质及安全性存在潜在危害，选用合适的壁材以避免表面活性剂的使用，将扩大精油微胶囊的应用领域.此外，壁材的环境稳定性对精油微胶囊的稳定及安全性也具有重要影响.

本文选用两亲性甲基纤维素为微胶囊内壁以增加精油与壁材的相容性，以天然高分子多糖壳聚糖和海藻酸钠为外壁制备复合型微胶囊，采用喷雾干燥法制备茶树油微胶囊，研究了微胶囊的最佳喷雾干燥条件和微胶囊的最佳制备条件，并通过形貌表征、粒度分析及含油量测试对茶树油微胶囊的贮存稳定性进行了研究.

1 材料和设备

1.1 材料茶树油，非凡精油厂；甲基纤维素(粘度400mPa·s)，阿拉丁试剂(上海)有限公司；壳聚糖，济南海德贝海洋生物工程有限公司；无水乙醇，广州化学试剂厂.

1.2 设 备AL204电子天平：赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；JJ-1型机械搅拌器：上海机械仪器公司；FJ200-S均质机：杭州精细设备厂；YC-015型喷雾干燥器：上海雅程仪器设备有限公司；Lambda 750s紫外-近红外可见分光光度计：美国PE公司；S-3000N扫描电子显微镜：日本日立公司；Zetasizer Nano S90激光粒度和Zeta电位分析仪：英国马尔文仪器有限公司.

2 实 验

2.1 喷雾干燥法制备茶树精油微胶囊称取0.4 g甲基纤维素溶于100 mL的去离子水中(表示为0.4 g/100 mL H2O，其余类同)，待搅拌均匀后进行均质(10 000 r/min，10 min)，在均质的过程中缓慢滴加入茶树精油；将0.3 g的壳聚糖溶解于50 mL水溶液中，搅拌均匀后均质(10 000 r/min，10 min)，均质后缓慢滴加至上述甲基纤维素-茶树精油混合液中；最后将3.0 g的海藻酸钠溶解于50 mL去离子水中，搅拌均匀后进行均质(10 000 r/min，10 min)，均质完成后滴加入精油-甲基纤维素-壳聚糖的混合溶液中.将所制得的上述混合液在预先调试好的条件下进行喷雾干燥，喷雾干燥产物即为茶树油微胶囊.

2.2 茶树精油微胶囊中精油含量的测定[9]

2.2.1 紫外标准曲线的绘制 准确称取0.2 g的茶树精油置于50 mL的容量瓶中，用无水乙醇稀释并定容至刻度摇匀.分别量取此标准溶液1，2，3，4，5，6 mL，加入到10 mL容量瓶中，用无水乙醇定容至刻度线后摇匀，并在最大吸收峰264 nm处读取不同浓度的吸光度值.以浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，绘制标准曲线，得线性回归方程：y=503.7x-0.232，R2=0.999.

2.2.2 微胶囊含油量的测定 称取一定量的精油微胶囊放入20 mL无水乙醇中，超声1 h后抽滤，并用20 mL无水乙醇洗涤，再使用10 mL的无水乙醇洗涤之后进行抽滤.测试滤液的吸光度，通过紫外标准曲线计算其含油量.

其中：y—所测吸光度；b—-0.232；k—503.7；x—精油微胶囊的质量.

2.3 茶树精油微胶囊形貌及粒径分布[10]茶树油微胶囊的粒径分布采用激光粒度仪进行测试.测试方法为：称取50mg茶树精油微胶囊，并将其分散于4mL的无水乙醇中，超声1h后进行测试.测试条件为：取上述溶液1mL置于可抛弃型石英四通光比色皿；平衡时间为60s；每个样品测试两次；测试温度为室温.

采用扫描电镜(S-3000N扫描电子显微镜)观察茶树油微胶囊的表面形貌，将制备好的精油微胶囊用双面胶粘贴于样品台上后进行喷金.喷金条件：抽真空至压力小于10Pa，并持续3～4min；控制电流量在15mA以上；喷金时间为120s.扫描电镜条件为：电压为10kV，样品放置高度为15mm.

3 结果与讨论

3.1 喷雾干燥的最优化条件本文采用甲基纤维素-壳聚糖-海藻酸钠为壁材，茶树油为芯材，通过喷雾干燥法制备茶树油微胶囊.针对甲基纤维素0.4g/100mLH2O，茶树精油0.4mL, 壳聚糖0.6g/50mLH2O, 海藻酸钠3.0g/50mLH2O体系，通过调节喷雾干燥器的操作条件(包括进风温度、通针速率、蠕动泵速率)，观察喷雾干燥器干燥室内料液雾化情况、底部接受瓶中是否有料液以及产品接受瓶中所得微胶囊是否干燥等，确定本体系的最佳喷雾干燥条件.多次调试，调试结果如表1所示.

表1 喷雾干燥条件与对喷雾效果的影响结果

从表1可见，喷雾干燥条件对微胶囊的干燥效果具有重要影响，当温度过低时，雾化不完全，易形成液滴；当通针速率过快时，一次进入雾化室的液体过多，雾化不完全，易形成液滴；蠕动泵进样过快时，进入喷嘴的乳液过多，乳液未完全雾化，易形成液滴.当喷雾干燥条件为：进风温度210 ℃、通针为2s/次，蠕动泵为55r/min以及进风温度215 ℃、通针为2s/次，蠕动泵为55r/min时，进样完全.但是当进风温度越高，喷雾干燥时挥发的精油量越多.因此，实验时选择的喷雾干燥条件为：进风温度210 ℃、通针为2s/次，蠕动泵为55r/min.

3.2 精油微胶囊的重现性实验采用甲基纤维素0.4g/100mLH2O，茶树精油0.4mL, 壳聚糖0.6g/50mLH2O, 海藻酸钠3.0g/50mLH2O配方体系，将该配方重复进行3次实验(如表2)，对比含油率，可见含油率差异很小，说明该实验方案重复性较好，喷雾干燥法实验较为稳定，可行性高.

表2 精油微胶囊重现性实验结果

3.3 正交实验方案与数值计算结果[11]在前期实验基础上，采用正交实验确定最佳精油微胶囊制备条件，选择甲基纤维素(0.2g，0.4g，0.6g)、壳聚糖(0.3g，0.6g，0.9g)和海藻酸钠(2.8g，3g，3.2g)这三个因素为考察因素，每个因素选择3个水平，采用(L933)正交实验，正交实验因素水平表如表3所示，正交实验结果如表4所示.

表3 正交实验因素水平表

表4 正交实验结果

续表

由表4可知，甲基纤维素用量对微胶囊的含油量影响较大，各因素作用的主次顺序依次为甲基纤维素>海藻酸钠>壳聚糖.由此可见，在形成精油微胶囊时所采用的甲基纤维素对含油量影响最大，当甲基纤维素用量合适时，对精油增容效果明显，可将更多精油包埋在甲基纤维素膜内部[12].海藻酸钠和壳聚糖在甲基纤维素外部，起到进一步保护作用，壳聚糖通过氢键作用与甲基纤维素形成复合膜，海藻酸钠的羧基再与壳聚糖的氨基通过静电作用形成精油微胶囊最外层，海藻酸钠和壳聚糖合适的配比有利于形成稳定的膜结构，因此，本实验条件下茶树油微胶囊的最佳制备条件为：甲基纤维素0.6g/100mLH2O，茶树精油0.4mL, 壳聚糖0.6g/50mLH2O, 海藻酸钠3g/50mLH2O体系，所得微胶囊含油率为13.4%.

图1 茶树精油微胶囊扫描电镜图片

3.4 茶树油微胶囊的结构表征图1是当甲基纤维素0.2g/100mLH2O，茶树精油0.4mL, 壳聚糖0.3g/50mLH2O, 海藻酸钠2.8g/50mLH2O时，喷雾干燥所制的茶树油微胶囊的扫描电镜图，其中图(a)和(b)为刚制备好的茶树油微胶囊，图(c)和(d)是在常温环境中放置2周之后的精油微胶囊.从图1可以看出，a、b两种茶树油微胶囊均呈球形且表面光滑，有部分颗粒因干燥过程中水分快速挥发出现凹陷，b样品中的细小颗粒间有少许团聚产生[13].从图c、d可以看出，在常温环境中放置2周后精油微胶囊表面均出现细小裂纹，但没有明显的破裂现象产生[14].由于外层壁材为亲水性海藻酸钠和壳聚糖，贮存中吸收水分会导致壁材溶胀，使微胶囊表面出现裂纹.

将上述微胶囊在空气环境中放置两周，其单位含油量由9.3%下降至8.6%，含油率的下降率约为7.3%，而将茶树油密封放置于空气环境中时，5h后精油已完全挥发.在微胶囊化后，精油被包裹在壁材形成的高分子膜中，精油通过扩散渗透穿过壁材，实现对精油的缓慢释效[15].在放置两周后，精油含量下降率达7.3%，这对精油长期存放仍然是一个挑战，降低外层壁材的亲水性以及严格控制贮存环境的湿度，可减少环境对高分子膜孔隙的影响，降低释放率.

3.5 精油微胶囊的粒径分析

表5 微胶囊的平均粒径 nm

采用激光粒度仪对正交实验制备的微胶囊(即表4中的1～9组别微胶囊)进行粒径分析，包括刚制备好时的茶树油微胶囊以及在常温空气中放置两周后的茶树油微胶囊，结果如表5所示.由表5可见，新制备的精油微胶囊粒径分布较为均匀，粒径分布范围在400～600nm之间.放置两周后，精油微胶囊的粒径均有所变大，约增加了8～42nm.海藻酸纳和壳聚糖均为天然高分子多糖，具有良好亲水性，在贮存过程中会吸附空气的水分，导致微胶囊溶胀、粒径变大，此结果与扫描电镜观察到的现象一致.

4 结 论

本文以甲基纤维素为精油增容剂及内壁，通过喷雾干燥制备了甲基纤维素/壳聚糖/海藻酸钠茶树油微胶囊，确定了最佳微胶囊制备条件(甲基纤维素0.6g/100mLH2O，茶树精油0.4mL, 壳聚糖0.6g/50mLH2O, 海藻酸钠3g/50mLH2O)及喷雾干燥条件(进风温度210 ℃，通针为2s/次，蠕动泵55r/h).所得茶树油微胶囊颗粒较均匀，表面光滑，赋有茶树油香味，微胶囊对茶树油存在一定缓释作用.甲基纤维素的两亲性避免了小分子表面活性剂的使用，增加了精油微胶囊的安全性，简化了微胶囊制备工艺.外层壁材的亲水性对微胶囊的贮存稳定性具有重要影响，降低外层壁材的亲水性以及环境湿度将有助于延长精油微胶囊的保质期.

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Preparation and Stability of Tea Tree Oil Microcapsules Encapsulated by Methyl Cellulose/chitosan/alginate

Chen Juan, Yin Xueqiong, Wang Xuyu, Chen Junhua, Zhu Li

(Hainan Key Provincial Research Center of Fine Chemical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, methylcellulose, chitosan, and alginate were used as the wall materials and the spray drying method was performed to prepare the tea tree oil microcapsules. The optimized spray drying conditions were as follows: air inlet temperature 210℃, needling frequency 2s, pump flow rate 55r/h. The orthogonal experiments were performed to obtain the best preparation conditions, which were as follows: methyl cellulose 0.6g in 100mL H2O, 0.4mL tea tree oil, chitosan 0.6g in 50mL H2O, alginate 3g in 50mL H2O, and the highest oil content of microcapsules, 13.4%. The reproducibility of this technology was good. The microcapsules were spherical, and with smooth surface and relatively even diameters. Tea tree oil could be delayed released in the microcapsules. After being stored under room temperature in air for two weeks, small cracks appeared on the surface of the microcapsules and the diameter increased a little.

tea tree oil; microcapsules; preparation; stability

2015-03-02

国家自然科学基金(21466011)

陈娟(1988-)，女，江苏泰兴人，海南大学材料与化工学院2012级硕士研究生，E-mail：496131642@qq.com

尹学琼(1975-)，女，四川射洪人，博士生导师，研究方向：生物资源的开发与利用，教授，E-mail:yxq@hainu.edu.cn

1004-1729(2015)04-0359-06

TS 653

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0063