壳聚糖/明胶/纤维素纳米晶体复合壁材制备香精微胶囊

蒋天艳 刘婉嫕 王 聪 李宇航 栾云浩 刘鹏涛

（天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457）

柠檬香精是挥发性植物油中一种重要的精油，作为香水和化妆品的重要原料之一，被大量运用在化工、食品、医疗等行业[1-2]。但是，香精是一种极具活性的物质，在储存或使用时极易造成香精的挥发、变质，使其利用率降低，造成浪费。微胶囊技术既能使香精反应活性降低，又能调节其香气使之稳定、长期的散发[3]。

微胶囊（microcapsules）是以高分子材料为壁材，对化学性质不稳定的气体、液体或固体进行包裹的一种微型容器[4]。壁材是目前影响微胶囊产品性能的主要因素，比较常见的壁材有壳聚糖、β-环糊精、明胶、改性淀粉和纤维素衍生物等[5]。壳聚糖（CS）是一种含有氨基的高分子多糖，其反应活性强，能被其他物质化学修饰，被视为制备微胶囊的理想壁材[6]。明胶（GE）是重要的天然两亲大分子，具有独特的功能特性和出色的生物相容性和生物降解性，被广泛用于食品、微胶囊和制药工业[7]。Kanha 等人[8]以明胶-阿拉伯胶和壳聚糖-羧甲基纤维素为原料，采用喷雾-冷冻干燥复合共混乳液法制备了富含花青素的微胶囊，其包埋率达到84.9%～94.7%。纤维素纳米晶体（CNC）是利用酸、酶或机械法去掉纤维素非结晶区后剩余的高结晶区，因其具有低密度、高比强度和模量，以及高度带电的表面而受到广泛的关注。CNC 既可以作为大分子交联剂应用于微胶囊壁材，也可以作为壁材的增强剂，改善复合材料的机械性能，而且不会引起原材料内部性能的重大变化[9]。

因此，本研究以CNC 与GE、CS 共同作为微胶囊的壁材，柠檬香精为芯材，采用复凝聚法制备香精微胶囊。探讨香精微胶囊的最佳制备条件，并对香精微胶囊进行表征。

1 实 验

1.1原料及试剂

柠檬香精，购于嘉兴大好家食品科技有限公司。壳聚糖（CS），分子质量150～240 kDa，工业品（脱乙酰度≥95%），购于上海麦克林生化科技有限公司。明胶（GE），购于北京索莱宝科技有限公司。纤维素纳米晶体（CNC），以硫酸水解法实验室自制。冰乙酸，分析纯，购于天津渤化化学试剂有限公司。吐温-20，购于上海麦克林生化科技有限公司。乙醇，分析纯，购于天津市津东天正精细化学试剂厂。

1.2香精微胶囊的制备

1.2.1CS/GE/CNC香精微胶囊（香精微胶囊）的制备

将CS粉末溶解于质量分数为1%的稀醋酸（冰乙酸稀释后得到）中，制备成带正电荷的CS 溶液，磁力搅拌30 min 后用0.2 μm 的微孔滤膜过滤。将一定量的GE 溶解于40℃的水中，加入柠檬香精和吐温-20，磁力搅拌30 min，使其充分乳化。调节pH 值至5.8～6.2，然后在剧烈搅拌下将CS-醋酸溶液滴加到GE 乳液当中，继续搅拌30 min。再将一定质量分数的CNC 加入至上述搅拌好的溶液中，继续搅拌2 h。反应结束后于室温下离心、抽滤、洗涤、真空冷冻干燥得到香精微胶囊。

1.2.2CS/GE香精微胶囊的制备

首先将CS粉末溶解在质量分数为1%的稀醋酸中配制成CS-稀醋酸溶液，磁力搅拌30 min 后用0.2 μm的微孔滤膜过滤。将一定量的GE 溶于40℃的水中，并加入柠檬香精和乳化剂吐温-20，高速搅拌30 min。将搅拌好的乳液调节pH 值至6.0～6.3，随后向乳液中滴加CS-稀醋酸溶液继续搅拌1 h。反应结束后于室温下离心、抽滤、洗涤、真空冷冻干燥得到CS/GE香精微胶囊。

1.3香精微胶囊包埋率的测定

香精微胶囊表面柠檬香精质量的测定：称取1 g香精微胶囊溶于10 mL 乙醇中，在8000 r/min 下离心30 min 后用0.2 μm 的滤膜抽滤得到上清液，采用TU-1810 型紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）在240 nm 处测定上清液中柠檬香精的吸光度，根据柠檬香精紫外标准曲线计算出香精微胶囊表面的柠檬香精质量。

香精微胶囊中柠檬香精总质量的测定：称取1 g香精微胶囊样品溶于10 mL乙醇中，经30℃，600 W超声波处理1 h 使香精微胶囊的壁材破碎[10]，再用紫外可见分光光度计测量240 nm 波长下柠檬香精的吸光度，计算出香精微胶囊表面和包埋其中的柠檬香精总质量。

式中，Q为包埋率，%；Wt为香精微胶囊表面的柠檬香精质量，mg；W0为香精微胶囊中柠檬香精总质量，mg。

1.4香精微胶囊粒径的测定

使用纯净水作为背景，测定背景后加入香精微胶囊分散液使溶液充分混合，控制其浓度在可测试范围内，通过LS13320 型激光粒度分析仪（LDPSA，美国贝克曼库尔特公司）测定香精微胶囊粒径大小和分布状况。

1.5香精微胶囊结构性能分析

采用JSM-IT300LV 型扫描电子显微镜（SEM，日本电子公司）观测香精微胶囊的微观形貌；采用TENSOR II 型傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，天津港东科技发展股份有限公司）分别对CS、CNC、GE、液体柠檬香精及香精微胶囊粉末进行红外光谱测定；采用Bruker D8 型X 射线衍射仪（XRD，德国布鲁克AXS 公司）对壁材和香精微胶囊的结晶情况进行分析。采用SDT650 型热重分析仪（TGA，美国TA 仪器）分析壁材和香精微胶囊的热稳定性。

2 结果与讨论

2.1壁材质量分数对香精微胶囊粒径及包埋率的影响

固定CNC 溶液的质量分数为0.2%，乳化速度为700 r/min，芯壁比（芯材与壁材的质量比）为2∶1，考察壁材质量分数变化对香精微胶囊包埋率和粒径的影响。

由图1 可知，随着壁材质量分数的增加，包埋率先升高后降低，香精微胶囊的粒径呈现上升趋势。当壁材质量分数为0.2%时，香精微胶囊包埋率达到最大。当壁材质量分数大于0.2%时，香精微胶囊的粒径增大，但包埋率反而下降，这是由于此时单位体积内的壁材浓度过高导致壁材相互粘连，乳化不充分，包埋效果减弱。

图1 壁材质量分数对粒径和包埋率的影响Fig.1 Effect of mass fraction of wall material on particle size and encapsulation efficiency

2.2CNC 质量分数对香精微胶囊粒径及包埋率的影响

固定壁材质量分数为0.2%，乳化速度为700 r/min，芯壁比为2∶1，考察CNC 质量分数变化对香精微胶囊包埋率和粒径的影响。

由图2可知，随着CNC质量分数的增大，香精微胶囊的粒径呈现先减小后增大的趋势，而包埋率则呈现完全相反的趋势。当CNC 的质量分数为0.3%时，香精微胶囊的粒径和包埋率分别达到了最小和最大值，这是由于CS 中带正电荷的-NH3+与CNC 中带负电荷的-SO42-和GE 中带负电荷-COO-3 种电荷达到平衡摩尔配比。继续增大CNC 的质量分数，会导致体系中阴离子浓度增大，正负电荷平衡遭到破坏，致使粒径增大，而包埋率减小。

图2 CNC质量分数对粒径和包埋率的影响Fig.2 Effect of CNC mass fraction on particle size and encapsulation efficiency

2.3芯壁比对香精微胶囊粒径及包埋率的影响

芯壁比为芯材柠檬香精与壁材的质量比，柠檬香精与壁材质量比的变化影响了粒径和包埋率，通过改变柠檬香精添加量即达到芯壁比的变化，所以此处讨论了柠檬香精添加量的变化对香精微胶囊粒径和包埋率的影响。固定壁材质量分数为0.2%，CNC 质量分数为0.3%，乳化速率为700 r/min。

由图3 可知，随着柠檬香精添加量的增加即芯壁比的增大，香精微胶囊的粒径先增大后减小，包埋率也呈现了先增加后下降的趋势。这是由于当柠檬香精添加量较少时，柠檬香精形成了极小的液滴分散于溶液中，CS 与GE、CNC 交联形成壁材时包裹的柠檬香精含量较少，致使香精微胶囊粒径较小。但是随着柠檬香精添加量的增加，柠檬香精液滴之间相互碰撞发生聚集导致柠檬香精液滴逐渐增大，从而导致香精微胶囊的粒径逐渐变大。当芯壁比高于2∶1 时，体系中的壁材含量减少，香精微胶囊壁变薄，粒径开始变小。当芯壁比为3∶1 时，香精微胶囊的包埋率达到最大，之后也开始下降。

图3 芯壁比对粒径和包埋率的影响Fig.3 Effect of core-wall ratio on particle size and encapsulation efficiency

2.4乳化速率对香精微胶囊粒径和包埋率的影响

固定壁材质量分数为0.2%，CNC 质量分数为0.3%，芯壁比为3∶1，考察乳化速率对香精微胶囊粒径和包埋率的影响。

由图4 可知，随着乳化速率的增加，粒径先减小后增大，包埋率呈现先增大后减小的趋势。这是由于乳化速率较小时，油相不能被很好地乳化，乳化不均匀导致粒径较大。在乳化速率为900 r/min 时，香精微胶囊的包埋率最大，为74.35%。当乳化速率继续增大时，包埋率明显降低。这是由于乳化速率太大时产生了大量的泡沫，影响了香精微胶囊的质量。

图4 乳化速率对粒径和包埋率的影响Fig.4 Effect of emulsification rate on particle size and encapsulation efficiency

综上所述，最佳制备工艺条件为壁材质量分数0.2%，CNC 质量分数0.3%，芯壁比3∶1，乳化速率900 r/min。

2.5SEM分析

香精微胶囊的微观形态在香精包埋过程中起着至关重要的作用，会影响最终产品的物理化学特性[11]。图5 为香精微胶囊放大3500 倍和13000 倍的SEM 图，从图5可以看出，香精微胶囊整体接近球形，表面没有缝隙或裂纹，有利于降低透气性，对芯材实现更好的保护。然而有些香精微胶囊表面出现皱缩，这是由于小液滴干燥初始阶段形成不均匀表面膜所致。从图5(a)还可以看出，香精微胶囊的粒径分布大多在1.8～5.2 μm 范围内。香精微胶囊颗粒呈现出不同程度的团聚，主要归因于壁材的吸湿特性。

图5 香精微胶囊的SEM图Fig.5 SEM images of lemon fragrant microcapsules

2.6FT-IR分析

图6 为CNC、CS、GE、柠檬香精和香精微胶囊的FT-IR 谱图。从图6 可以看出，CNC 具有以下特征峰：3343 cm-1处为—OH 的伸缩振动峰，2898 cm-1处为C—H 的伸缩振动峰，1382 cm-1处为C—H 的弯曲振动峰，1058 cm-1处为C—O—C伸缩振动峰[12]。

CS 在2884 cm-1处出现C—H 的伸缩振动吸收峰，1643 cm-1处为酰胺Ⅰ带的C=O 伸缩振动吸收峰，1612 cm-1处为—NH2的变形振动吸收峰，1083 cm-1处出现—CH3对称变形振动以及C—O骨架振动吸收峰。

GE 是一种蛋白质，具有4 个特征吸收峰，即酰胺A 带、酰胺Ⅰ带、酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带[13]。由图6可知，3432 cm-1为N—H 的伸缩振动峰，1635 cm-1处为酰胺Ⅰ带的C=O的伸缩振动峰[14]。

图6 FT-IR谱图Fig.6 FT-IR spectra

柠檬香精出现了大量的吸收峰，表明其存在大量的官能团。879 cm-1处为=C—H 弯曲振动峰，1045 cm-1处为苯环上C—H 伸缩振动峰。1382、1643和2973 cm-1处分别为C—O—C、C=C 和C—H 的伸缩振动峰[15]。

香精微胶囊在相应位置出现了壁材明显的特征吸收峰，CNC 中带负电的SO2-与CS 和GE 中带正电的NH3+发生静电吸引，CS中—NH2变形振动吸收峰移至1631 cm-1和1735 cm-1处，同时在1108 cm-1处出现了C—O—S 的伸缩振动吸收峰，在2337 cm-1处为—SH的伸缩振动峰[16]，由此也可推断CNC 与CS、GE 之间发生了复凝聚反应。

2.7XRD分析

图7为CS、CNC、GE、CS/GE香精微胶囊和香精微胶囊的XRD 谱图。从图7 可以看出，CS 在2θ=20.48°时的宽峰表明其为无定型态[17]。CNC 在2θ=15.14°、16.44°、23°、34.84°出现特征峰，对应纤维素Ⅰ的()(110)(200)和(004)[18]。GE为无定型聚合物，其衍射峰形宽阔而弥散。CS 和GE 反应形成壁材之后，其衍射吸收峰移至2θ=20.58°，且结晶度降低。加入CNC 后，新增1 个2θ=22.66°的衍射峰，为CNC的特征峰，说明CNC 被成功地加入到CS/GE 香精微胶囊中，形成香精微胶囊。此外，在XRD 图中没有检测到其他杂质晶相的峰。

图7 XRD谱图Fig.7 XRD spectra

2.8热稳定性分析

图8为CNC、CS、GE、CS/GE香精微胶囊和香精微胶囊TGA 图。从图8 可以看出，CS、CNC 和GE 的初始分解温度分别为238、350、207℃，分别在301、405、316℃时质量损失速率最大。温度高于500℃时，样品基本完全分解，因此各样品的残留质量基本不变。比较CS/GE 香精微胶囊和香精微胶囊的TGA 曲线，整个质量损失过程中CS/GE 的质量损失均大于CS/GE/CNC，且香精微胶囊的残留质量比CS/GE 香精微胶囊高，说明香精微胶囊的热稳定性高于CS/GE香精微胶囊。

图8 TGA曲线Fig.8 TGA curves

3 结论

本研究以壳聚糖（CS）、明胶（GE）和纤维素纳米晶体（CNC）为壁材，柠檬香精为芯材，采用复凝聚法制备香精微胶囊。

3.1壁材质量分数0.2%，CNC质量分数0.3%，芯壁比3∶1，乳化速率900 r/min 时制得的香精微胶囊包埋率最佳，为74.35%。傅里叶变换红外光谱表明，CS、GE 和CNC 之间发生了静电吸引，并且柠檬香精被包埋进了香精微胶囊中。

3.2扫描电子显微镜（SEM）表明，香精微胶囊表面光滑，粒径主要集中在1.8～5.2 μm 之间，香精微胶囊没有出现裂痕或孔隙等，包埋效果良好。X 射线衍射仪（XRD）分析可知，CNC被成功地加入到CS/GE微胶囊中，形成CS/GE/CNC香精微胶囊。

3.3通过热重分析可知，随着温度的升高，柠檬香精从微胶囊的孔隙中被缓慢释放出来，CS/GE/CNC香精微胶囊比CS/GE 香精微胶囊具有更好的热稳定性，更能保护柠檬香精在200℃下的缓慢释放。