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        乳化交聯(lián)法和蒸發(fā)溶劑法制備檸檬精油微球的比較

        2021-10-12 00:37:12常香玉李慧卿曹葉霞張馨蕊
        食品與機(jī)械 2021年9期
        關(guān)鍵詞:檸檬精壁材明膠

        常香玉 李慧卿 曹葉霞 張馨蕊

        (1. 山西大學(xué)分子科學(xué)研究所,山西 太原 030000;2. 忻州師范學(xué)院化學(xué)系,山西 忻州 034000)

        檸檬又稱洋檸檬、寧果、益母果等,為雙子葉綱蕓香料柑橘屬植物[1-2],在全球被廣泛種植[3]。檸檬精油分布于檸檬皮中,是檸檬香味的主要來源[4-5],具有抗菌、消炎和感官保護(hù)等多種功能[6]。但由于檸檬精油易揮發(fā)、易降解,限制了其應(yīng)用范圍。精油微球化可以克服檸檬精油相關(guān)穩(wěn)定性的限制,延長其保質(zhì)期[7-8]。

        微球的制備方法很多,有溶劑揮發(fā)法、乳化交聯(lián)法、凝聚法、微孔淀粉吸附、相分離法等多種方法[9-10]。試驗(yàn)采用兩種最普遍的技術(shù),溶劑揮發(fā)法和乳化交聯(lián)法制備微球。海藻酸鈉是一類陰離子的水溶性多糖,具有易降解、低毒、生物相容性等特點(diǎn),在溫和條件下可與二價(jià)陽離子(如鈣離子)發(fā)生凝膠化[11],非常適合于作為微球壁材包裹各種內(nèi)容物。明膠是一種來源于變性膠原蛋白的蛋白質(zhì),乳化性好,增稠性好,具有良好的生物相容性和可降解性,也是制備藥物載體或微球壁材的主要原料。但單一壁材的微球,結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松、內(nèi)容物容易突釋,難以實(shí)現(xiàn)良好的緩釋。明膠與海藻酸鈉混合,兩者可以通過形成均勻的溶液,再通過共價(jià)交聯(lián)劑形成不溶性凝膠。這種復(fù)合壁材更有利于內(nèi)容物包埋和緩釋,因而試驗(yàn)以海藻酸鈉/明膠作壁材。海藻酸鈉/明膠制備微球,文獻(xiàn)中多采用銳孔懸滴法,其制作的多為膠囊,徑粒在80 μm以上[12-13],且容易脫水。采用乳化交聯(lián)法,可以制備徑粒更小,且更易于分散的穩(wěn)定微球顆粒。聚乳酸—羥基乙酸共聚物(PLGA)為另一種生物相容性的合成聚合物,在生藥領(lǐng)域已被廣泛作為載體使用,而其作為壁材制備微球,一直以來,主要采用溶劑蒸發(fā)法[14]。但以PLGA壁材制備微球,徑粒也多在50 μm以上[10,14],而且以其壁材對(duì)疏水性精油的包結(jié)微球目前尚未見報(bào)道,更未發(fā)現(xiàn)針對(duì)兩種微球技術(shù)對(duì)相同精油的包結(jié)行為進(jìn)行的比較研究,對(duì)精油微球的應(yīng)用作參考性指引。故試驗(yàn)擬通過上述方法制備兩種檸檬微球,通過掃描電鏡(SEM)對(duì)其形貌進(jìn)行表征,并基于包封率、產(chǎn)率、負(fù)載率、抗氧化性、熱穩(wěn)定性等參數(shù)對(duì)兩種微球進(jìn)行評(píng)估,以期為利用精油增香、防腐、抗氧化、抗菌等功能開發(fā)新產(chǎn)品提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與儀器

        1.1.1 材料與試劑

        檸檬皮:市售;

        海藻酸鈉:分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;

        明膠:生物試劑級(jí),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;

        聚乳酸—羥基乙酸共聚物(PLGA):兩種分子數(shù)比為50∶50,MW38 000~54 000,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;

        聚乙烯醇(PVA):Mw約27 000,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;

        吐溫80:生物技術(shù)級(jí),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;

        司盤80:化學(xué)純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.1.2 主要儀器設(shè)備

        紫外可見分光光度計(jì):UV-2450型,上海精密科學(xué)儀器有限公司;

        數(shù)控超聲波清洗機(jī):KQ-400KDZ型,深圳市昌源科技有限公司;

        真空冷凍干燥機(jī):LGJ-10型,深圳市科力易翔儀器設(shè)備有限公司;

        高壓均質(zhì)機(jī):APV-1000型,上海順儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;

        掃描電鏡:TESCAN型,泰思肯(中國)有限公司;

        熱分析儀:STA 449 F5 Jupiter型,德國耐馳公司;

        高效液相色譜儀:LC610型,北京普瑞分析儀器有限公司。

        1.2 方法

        1.2.1 檸檬精油的提取

        (1) 水蒸氣蒸餾法:取新鮮檸檬手工剝皮,去除皮內(nèi)白色纖維物,粉碎,過80目塞,備用。精密稱取40.0 g檸檬果皮碎粒置于250 mL的圓底燒瓶中,加50 mL蒸餾水,超聲30 min,采用精油蒸餾裝置提取2 h,收集餾出液上層,重復(fù)兩次,計(jì)算提取率[13]。所得精油于冰箱貯存。

        (2) 檸檬精油提取率的計(jì)算:

        (1)

        式中:

        Y——提取率,%;

        m1——檸檬精油質(zhì)量,g;

        m2——檸檬皮質(zhì)量,g。

        1.2.2 檸檬精油微球制備

        (1) 海藻酸鈉/明膠微球:利用乳化法制備微球,然后與氯化鈣交聯(lián)[14-16]。檸檬精油(對(duì)照空白微球不加精油)溶于1.5 mL吐溫80中,明膠加熱融溶于10 mL水中,混勻,加入5%海藻酸鈉水溶液(10 mL)中,然后將混合液傾入含有司盤80的液體石蠟(V司盤∶V石蠟=1∶10)中,在1 500~2 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌60 min。氯化鈣溶解于甲醇和異丙醇(V甲醇∶V異丙醇=2∶3)的混合溶劑中配成濃度為0.2 mol/L溶液,取10 mL加入乳化液中,繼續(xù)攪拌1 h以確保有效交聯(lián)。真空過濾收集微球,異丙醇洗滌3次,脫水處理。將脫水后的濕微球鋪平在表面皿中,將表面皿放入50 ℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中,干燥1.5 h后取出。

        (2) PLGA微球:采用溶劑蒸發(fā)技術(shù)制備微球。檸檬精油(對(duì)照空白微球不加精油),PLGA溶于二氯甲烷,高速攪拌混合均勻?;旌先芤郝D(zhuǎn)入1 g/100 mL的PVA溶液中,均化。再將乳液加入0.3 g/100 mL PVA水溶液中,高速攪拌均勻。繼續(xù)以適當(dāng)速度攪拌12 h,蒸發(fā)有機(jī)溶劑。得到的微球過濾,用水洗滌3次,真空干燥(40 ℃,1 h)。

        1.2.3 檸檬微球載油率、包封率和產(chǎn)率 準(zhǔn)確稱量檸檬精油微球溶解在適量的二氯甲烷中,加入一定量體積的含0.1 g/100 mL的吐溫80的雙蒸餾水,磁力攪拌器攪拌過夜,以去除有機(jī)相。溶液過濾,用分光光度分析測(cè)定253 nm處吸光度(檸檬烯特征吸收)。用含0.1 g/100 mL吐溫80的雙蒸餾水配制不同濃度的檸檬精油,測(cè)定253 nm處吸光度作標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線確定包封精油含量[17]。根據(jù)式(2)~式(4)計(jì)算載油率、包封率和產(chǎn)率[18]。

        (2)

        (3)

        (4)

        式中:

        EE——包封率,%;

        mO——包封入微球的精油的質(zhì)量,g;

        mTO——投放精油的質(zhì)量,g;

        LE——負(fù)載率,%;

        mM——微球的質(zhì)量,g;

        Y——產(chǎn)率,%;

        mTW——投放壁材的質(zhì)量,g。

        1.2.4 檸檬微球緩釋性能測(cè)定 將定量的精油微球懸浮在已知體積的含0.1 g/100 mL Tween 80的雙蒸餾水中,用磁力攪拌器以200 r/min恒轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),溫度設(shè)定在25 ℃。每隔一定時(shí)間間隔,提取5 mL等量樣品,離心(4 000 r/min,3 min),取上清液測(cè)定253 nm處檸檬烯特征吸收,并補(bǔ)充同體積新鮮溶液于母液中。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線,從吸光度值確定釋放精油量。根據(jù)精油負(fù)載率,計(jì)算定量微球中精油總量,釋放精油量與微球負(fù)載量的比值為釋放百分率。重復(fù)以上操作,平行對(duì)照3組試驗(yàn),取平均值。

        1.2.5 檸檬精油抗氧化能力測(cè)定

        (1) 清除DPPH自由基能力:配制質(zhì)量濃度為0.1 mmol/mL 的DPPH乙醇溶液,備用。另取2 mL無水乙醇溶液和DPPH溶液,混合均勻,在517 nm處測(cè)定其吸光度值(A1);分別取質(zhì)量濃度為1,2,4,6,8 mg/mL檸檬精油乙醇溶液2 mL于5支比色管中,各加入DPPH乙醇溶液2 mL,混合均勻后放置于暗處反應(yīng)20 min,測(cè)定517 nm處吸光度值(A2);分別取質(zhì)量濃度為1,2,4,6,8 mg/mL檸檬精油乙醇溶液2 mL于5支比色管中,各加入2 mL乙醇溶液,測(cè)定其517 nm處吸光度值(A3)。根據(jù)式(5)計(jì)算檸檬精油對(duì)DPPH自由基的清除率。

        (5)

        式中:

        K——DPPH自由基清除率,%;

        A1——DPPH自由基517 nm處吸光度;

        A2——加樣后DPPH自由基吸光度;

        A3——樣品517 nm處吸光度。

        (2) 海藻酸鈉/明膠微球和PLGA微球清除DPPH自由基能力:燒杯中加入定量檸檬精油微球,用10 mL無水乙醇浸泡,于100 ℃超聲1 h,每隔一定時(shí)間取上清液0.1 mL并加入0.1 mmol/L的DPPH乙醇溶液3.9 mL,混合均勻后于暗處反應(yīng)20 min,于517 nm處測(cè)其吸光度值(A1)。另取一試管用0.1 mL無水乙醇代替試樣,所測(cè)吸光度為A2;取0.1 mL微球乙醇溶液并加入3.9 mL無水乙醇溶液,測(cè)定其吸光度值(A3)。每間隔測(cè)定上述的吸光度值。根據(jù)式(5)分別計(jì)算出兩種微球?qū)PPH自由基的清除率。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 檸檬精油的提取

        提取檸檬精油經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法主要是冷榨和水蒸氣蒸餾法。傳統(tǒng)的冷榨雖然便捷,但冷榨會(huì)使香芹醇、萜等含量下降[13],而且容易溶入其他非芳香組分。而水蒸氣蒸餾得到的餾分為揮發(fā)性芳香組分,少有其他非香味成分,因而被采用。精油的揮發(fā)性成分由碳?xì)浠衔锖捅栋胼埔约昂跹苌铮喝⒋?、酯和氧化物組成。它也包括醇、醛和脂族酯。檸檬果皮精油主要成分為檸檬烯,占72.5%~76.4%,其次為β-蒎烯,占11.6%~18.7%。其他幾種單萜類化合物含量也較高,分別為松油烯(2.88%~8.26%)、α-蒎烯(1.4%~1.5%)和月桂烯(0.95%~1.12%)[19]。水蒸氣蒸餾方法獲得檸檬精油與超臨界萃取、壓榨法等相比,單萜、倍半萜、含氧化合物等主要成分的含量差別不大[20]。試驗(yàn)所得精油為無色透明的油狀物,密度為0.857~0.862,有香濃的檸檬味道,產(chǎn)率為6.79%,檸檬烯為其主要成分。

        2.2 檸檬精油微球的電鏡分析

        從圖1可以看出,無論是空白還是載油,海藻酸鈉/明膠微球都是徑粒均勻的球體或類球體,直徑約為2~4 μm,載油微球無明顯增大。PLGA微球徑?;驹?~10 μm,其載油微球比空白微球也無明顯增大,但表面明顯比海藻酸鈉/明膠光滑(圖2)。PLGA與海藻酸鈉雖分別為合成材料與天然材料,但都是易與生物體相容的高分子材料,其微球產(chǎn)品適宜于食品、藥品等相關(guān)行業(yè)應(yīng)用。徑粒微小的微球由于分散性更好,更易于投放及保存,更適宜于上述行業(yè)。海藻酸鹽液體的黏度很高,采用銳孔滴定等形成液滴的方法會(huì)產(chǎn)生大尺寸的微粒,試驗(yàn)所用的兩種方法制備的微球,徑粒相對(duì)較小,滿足其作為精油負(fù)載體的需求。

        圖1 海藻酸鈉/明膠微球Figure 1 SEM photograph of sodium alginate/gelatinmicrospheres

        圖2 PLGA微球掃描電鏡圖Figure 2 SEM photograph of PLGA microspheres

        2.3 兩種微球的載油率效果比較

        海藻酸鈉/明膠精油微球的包封率為(57.83±1.35)%,微球產(chǎn)品產(chǎn)率(62.16±1.80)%。PLGA微球包封率和產(chǎn)率都有所下降,分別為(13.07±1.62)%和(40.37±1.57)%(表1)。說明試驗(yàn)條件下,海藻酸鈉/明膠微球較PLGA微球?qū)幟示偷某休d效果好。在PLGA微球形成過程中,伴隨著溶劑蒸發(fā),可能存在精油的揮發(fā),從而引起包封率的變化。除了方法的差異之外,海藻酸鈉/明膠復(fù)合壁材組合,存在氨基、羥基、羰基等多種官能團(tuán),對(duì)包結(jié)行為較為有利,但微球表面相對(duì)而言不是特別光滑,使其更容易附著精油,可能也是其包封率較高的原因。

        表1 兩種微球的載油率效果比較

        2.4 兩種微球的緩釋性能分析

        如圖3所示,海藻酸鈉/明膠微球和PLGA微球中精油釋放過程,幾乎都可以概括為3個(gè)階段:快速釋放階段(前5 h)、持續(xù)穩(wěn)定釋放階段(5~16 h)和衰減階段(16 h后)。第一階段雖然釋放較快,但兩種微球均未出現(xiàn)爆發(fā)式的突釋,可能是受制備過程中初始水相溶劑的影響[21]。兩種微球在16 h時(shí)累計(jì)釋放率分別為39.9%和22.5%。而在16 h后兩種微球的釋放曲線趨勢(shì)較為平緩,24 h內(nèi)均未超過40%,出現(xiàn)了緩慢釋放階段,實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的釋放。

        圖3 兩種微球的緩釋曲線Figure 3 Cumulative release curves from two kindsof microspheres

        2.5 檸檬精油微球的抗氧化能力

        據(jù)報(bào)道[19],約34種柑桔類精油及其組分對(duì)DPPH自由基都具有清除活性,并且所有成分的清除活性均在17.7%~64.0%。試驗(yàn)所提取的檸檬精油對(duì)DPPH自由基有明顯的清除作用,清除率隨著檸檬精油濃度的增加而增大,最高達(dá)到72.36%,具有很強(qiáng)的抗氧化能力。精油之所以能清除自由基,在于其組分中具有共軛雙鍵的次生物質(zhì)或酚類、多羥基類物質(zhì),比如香芹醇、檸檬烯、大茴香醇等,它們通過轉(zhuǎn)移電子或氫給自由基從而實(shí)現(xiàn)清除目的。精油微球化使用,無法定量與精油抗氧化性比較,但其自由基清除能力與其緩釋行為應(yīng)存在相關(guān)性。圖4是兩種微球?qū)PPH自由基的清除率隨著浸泡時(shí)間的變化曲線,隨著時(shí)間的延長,兩者對(duì)DPPH自由基的清除率逐漸增高。0~6 h兩種微球的DPPH自由基清除率呈迅速增加趨勢(shì),但在6 h之后兩種微球?qū)PPH自由基的清除率呈緩慢增加趨勢(shì)。由于包封的精油含量不同,雖然等量的海藻酸鈉/明膠微球在同樣的時(shí)間內(nèi)釋放百分率相同,但釋放的凈質(zhì)量不同。海藻酸鈉/明膠微球釋放的精油多于PLGA微球的,因而清除效果優(yōu)于PLGA微球。雖然兩者清除效果有差別,但兩者對(duì)DPPH自由基的清除率與其精油緩釋行為一致。與未包封的檸檬精油相比,微球中檸檬精油,由于高分子量的壁材在水化后形成了一層厚厚的凝膠層,起到了屏障作用,使精油逐漸緩緩溶出逐步發(fā)揮作用。這種釋放速率較慢,需要延續(xù)時(shí)間逐漸累積清除效果,但可以控制釋放行為。

        圖4 包被海藻酸鈉/明膠與PLGA的精油微球的DPPH清除率

        2.6 精油微球的熱穩(wěn)定性分析

        由圖5可知,海藻酸鈉/明膠微球分解為4個(gè)階段,而PLGA微球分解近似分為3個(gè)階段。海藻酸鈉/明膠微球升溫到180 ℃時(shí)失重可分為兩個(gè)階段,初始在達(dá)到50 ℃前,失重和緩,失重較少,為表面攜帶少量精油或少部分水分子揮發(fā)[22];從50~180 ℃失重曲線變陡,失重量明顯增大,到拐點(diǎn)超過20%,主要對(duì)應(yīng)于精油及結(jié)合水損失[23]。階段三對(duì)應(yīng)180~210 ℃的升溫過程中,失重約為30%~80%,應(yīng)為主要壁材分解階段。最后階段,海藻酸鈉/明膠微球在210~500 ℃時(shí)恒重,表明還有些許材料殘余,這應(yīng)該與無機(jī)鈣通過配位與材料交聯(lián)有關(guān)。

        圖5 兩種微球的熱穩(wěn)定性曲線Figure 5 Thermal stability curves of two kindsof microspheres

        而PLGA微球在第一階段升溫至200 ℃時(shí),PLGA微球的整體熱失重趨勢(shì)比較平穩(wěn),失重不足10%,應(yīng)為芯材揮發(fā)過程。在階段二,對(duì)應(yīng)200~270 ℃的升溫過程中,包含了20%~90%的失重,這意味著壁材的分解[24]。最后,由250 ℃升溫至500 ℃的過程中,PLGA微球的壁材和芯材已經(jīng)完全分解揮發(fā)殆盡。

        微球不同的失重曲線主要來自壁材材質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異,PLGA聚合分子本身比海藻酸鈉有較高的分解溫度,從而也表現(xiàn)在微球特點(diǎn)上。鈣離子交聯(lián)海藻酸鈉/明膠,并未給微球主體分解帶來額外明顯的穩(wěn)定作用。雖然兩種微球在180 ℃以下,幾乎可以穩(wěn)定存在,但PLGA微球表現(xiàn)出了更好的對(duì)熱穩(wěn)定性。

        3 結(jié)論

        水蒸氣蒸餾方法提取得到檸檬精油,產(chǎn)率為6.79%;然后以海藻酸鈉/明膠和PLGA壁材,分別采用乳化交聯(lián)法和溶劑蒸發(fā)方法制備微球。兩者均得到了徑粒在10 μm以內(nèi)的微球,海藻酸鈉/明膠微球包封率和產(chǎn)量均高于PLGA微球的;比較緩釋行為,海藻酸鈉/明膠微球,24 h內(nèi)累積釋放率微高于PLGA微球,但PLGA微球的熱穩(wěn)定性強(qiáng)于前者,可以在200 ℃下穩(wěn)定存在。如應(yīng)用于冷飲類食品,海藻酸鈉/明膠微球具有優(yōu)勢(shì),但PLGA微球可能更適用于需要高溫烘培的食品。相比文獻(xiàn)[13-14,22,24]記錄的同壁材微球,試驗(yàn)制備的兩類微球徑粒更小,使之能很好地分散在食品基質(zhì)中,而不影響食品本身的特性。

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