張婉清,繆宏超
(紹興文理學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,浙江 紹興 312000)
微膠囊是一種人工合成的包絡(luò)物,它由具有一定強(qiáng)度和韌性的碳水化合物、蛋白質(zhì)或脂類物質(zhì)作為壁材,加上另一種與它可配伍、卻不發(fā)生反應(yīng)的芯材所組成[1]。微膠囊技術(shù)能夠有效地阻隔芯材與外界的接觸,減少揮發(fā),掩蓋不良?xì)馕?,還能改變物料的狀態(tài)、質(zhì)量、體積和性能,保護(hù)敏感成分,增強(qiáng)穩(wěn)定性,在紡織品芳香、抗菌整理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
β-CD 是一種環(huán)狀低聚糖,是微膠囊的優(yōu)良壁材,能夠使被包絡(luò)物質(zhì)的性質(zhì)變化,補(bǔ)償客體物質(zhì)在光、熱等多方面的缺陷,使難溶性物質(zhì)易于溶解并且更加穩(wěn)定,還能包裹住客體物質(zhì)氣味,且其生物兼容性好,無毒副作用,不會(huì)引起免疫反應(yīng),生產(chǎn)成本低[2]。桉葉精油提取自桉樹嫩枝或葉片的油腺細(xì)胞,其主要化學(xué)成分為小分子的萜類物質(zhì),且多為極性較弱或無極性小分子物質(zhì)[3],具有芳香氣味、廣泛的生物活性及廣譜的抗菌能力,對(duì)細(xì)菌、真菌、昆蟲、線蟲和螨蟲均有不同程度的抑制作用[4],在紡織品整理領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。本研究以β-CD 為壁材、桉葉精油為芯材制備了用于紡織品芳香及抗菌整理的桉葉精油微膠囊,對(duì)微膠囊的制備工藝進(jìn)行分析,以期獲得桉葉精油微膠囊的最佳制備條件,指導(dǎo)微膠囊的開發(fā)及生產(chǎn)。
無水乙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn))、β-環(huán)糊精(上海展云化工有限公司產(chǎn))、桉葉油醇(純度99%)(阿拉丁)。
HJ-4A 型數(shù)顯恒溫多頭磁力攪拌器(金壇區(qū)西城新瑞儀器廠產(chǎn))、SHB-ⅢA 型循環(huán)水式多用真空泵(浙江臺(tái)州求精真空泵有限公司產(chǎn))、KQ-500 型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn))、ALPHA 1-2 LD plus 型冷凍干燥機(jī)(德國CHRIST ALPHA 公司產(chǎn))、HH-2 型數(shù)顯恒溫水浴鍋(國華電器有限公司產(chǎn))、HD2010W型電動(dòng)數(shù)顯攪拌機(jī)(上海司樂儀器有限公司產(chǎn))。
稱取一定量的β-CD,將其加入70℃的去離子水中,攪拌得到β-CD 過飽和溶液。桉葉精油溶于乙醇溶液中,配制成桉葉精油乙醇溶液,然后逐滴滴入β-CD的飽和溶液中,在一定溫度下包埋一段時(shí)間后進(jìn)行抽濾,用無水乙醇清洗濾渣表面,冷凍干燥至恒重,取出研磨后,得到桉葉精油微膠囊。采用控制變量法,改變實(shí)驗(yàn)條件制備桉葉精油微膠囊,確定正確制備微膠囊的工藝。
1.4.1 桉葉精油微膠囊的包埋率測試
包埋率為包絡(luò)進(jìn)β-CD 的精油與制備時(shí)實(shí)際加進(jìn)飽和溶液中的精油的質(zhì)量之比,它是評(píng)價(jià)微膠囊包埋效果的重要指標(biāo),包埋率越大,包埋效果越好[5]。本研究采用干燥失重法測定微膠囊的包埋率。
包埋率計(jì)算如式(1)。其中:M桉葉油為精油質(zhì)量;M微膠囊為微膠囊重量;M濾渣為4.000g 桉葉精油微膠囊樣品加入30mL 無水乙醇,在超聲波清洗機(jī)中與80℃超聲震蕩40min,真空抽濾干燥至恒重得到的產(chǎn)物。
1.4.2 桉葉精油微膠囊制備工藝單因素試驗(yàn)
采用單因素試驗(yàn)研究包埋溫度(30℃、40℃、50℃、60℃)、包埋時(shí)間(1.0h、1.5h、2.0h、2.5h)和β-CD 質(zhì)量濃度(7.5g/mL、8.0g/mL、8.5g/mL、9.0 g/mL)等因素對(duì)桉葉精油-β-CD 微膠囊包埋率的影響。
1.4.3 桉葉精油微膠囊制備正交試驗(yàn)
為了對(duì)比不同包埋時(shí)間、包埋溫度和β-CD 濃度所制備的微膠囊包埋率,本實(shí)驗(yàn)選擇L9(34)正交表,以包埋溫度(A)、包埋時(shí)間(B)和β-CD 質(zhì)量濃度(C)為考慮因素,每一因素取3 個(gè)水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),如表1所示。對(duì)最終所得的正交實(shí)驗(yàn)表內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,選出最佳工藝條件。
表1 微膠囊正交試驗(yàn)因素水平表
2.1.1 包埋溫度對(duì)桉葉精油微膠囊包埋率的影響
包埋溫度對(duì)微膠囊包埋率的影響如圖1,由圖1可知,包埋率隨包埋溫度呈先上升后下降的趨勢,這是因?yàn)橹苽湮⒛z囊時(shí),隨著包埋溫度升高,β-CD 溶解度提高,水中的β-環(huán)糊精固體物質(zhì)減少,因此桉葉精油分子在溶液中運(yùn)動(dòng)阻力減小,使得其在滴入飽和溶液后能夠更快、更自由地運(yùn)動(dòng),由此增大精油進(jìn)入β-CD 腔體的機(jī)會(huì),使包埋率增大。但由于桉葉精油在溫度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分精油揮發(fā)的現(xiàn)象,因此包埋溫度過高不利于β-CD 包埋精油,導(dǎo)致包埋率降低。因此,桉葉精油微膠囊較合適的包埋溫度為40℃。
圖1 包埋溫度對(duì)桉葉精油微膠囊包埋率的影響
2.1.2 包埋時(shí)間對(duì)桉葉精油微膠囊包埋率的影響
圖2 為包埋時(shí)間對(duì)桉葉精油微膠囊包埋率的影響。由圖2 可知,包埋率隨包埋時(shí)間的增加呈先增加后減少的趨勢,這是因?yàn)橄氆@得包埋率較高的桉葉精油微膠囊,精油與β-CD 必須有一定的接觸時(shí)間,因此包埋時(shí)間不能過短。若精油與β-CD 接觸時(shí)間較短,不能進(jìn)行充分接觸,直接降低桉葉精油進(jìn)入β-CD 腔體的概率,出現(xiàn)包埋不徹底的情況。但當(dāng)包埋時(shí)間達(dá)到一定值后,包埋率不但未繼續(xù)上升,反而出現(xiàn)下降。這是因?yàn)椋菏紫龋?CD 空腔的體積有限,當(dāng)包埋率達(dá)到一定值后,桉葉精油無法繼續(xù)進(jìn)入;其次,桉葉精油有一定的揮發(fā)性,包埋時(shí)間過長會(huì)增加其揮發(fā)量,同時(shí)也會(huì)破壞β-CD 與精油之間的連結(jié),反而降低包埋率。因此從正交實(shí)驗(yàn)得出,包埋時(shí)間控制在2h 左右效果較為穩(wěn)定,獲得的桉葉精油微膠囊包埋率較高。
圖2 包埋時(shí)間對(duì)桉葉精油微膠囊包埋率的影響
2.1.3 β-CD 濃度對(duì)桉葉精油微膠囊包埋率的影響
增大β-CD 質(zhì)量濃度,實(shí)質(zhì)上就是增大桉葉精油和β-CD 之間的壁芯比,圖3 為增大β-CD 濃度后對(duì)微膠囊包埋率的影響,從圖3 中可以得出,隨著β-CD濃度增大,包埋率先增大后減小。分析可知,當(dāng)β-CD質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0g/mL 時(shí),包埋率的平均值最大;當(dāng)β-CD 質(zhì)量濃度繼續(xù)增大,包埋率降低,主要原因是β-CD量增加,導(dǎo)致壁材大量增加,空腔不能被有效利用,因此包埋率降低;而當(dāng)β-CD 質(zhì)量濃度過低時(shí),桉葉精油的量占比上升,無法被有效包埋,使包埋率下降。
圖3 β-CD 濃度對(duì)桉葉精油微膠囊包埋率的影響
為了獲得微膠囊制備的最佳工藝條件,選擇L9(34)正交試驗(yàn)進(jìn)行分析。以包埋溫度(A)、包埋時(shí)間(B)和β-CD 質(zhì)量濃度(C)為考慮因素,每個(gè)因素選擇3 個(gè)水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析見表2,表中Ki是這一列里第i 個(gè)因素水平的包埋率平均值,R 是由這一列最大的Ki 減去最小的Ki 而得。
從表2 可以分析得出,本次正交試驗(yàn)所選擇的因素中,包埋率受包埋溫度的影響最大,影響第二的為包埋時(shí)間,影響最小的是β-CD 質(zhì)量濃度。以包埋率為指標(biāo),比較每列因素的包埋率平均值大小,可選出的最優(yōu)組合為A2B3C2。對(duì)該工藝條件進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證,得到最佳工藝條件即加入質(zhì)量濃度為8.0g/mL 的β-CD,在40℃下包埋2.0h 后制得的桉葉精油微膠囊包埋率最高。對(duì)此工藝條件進(jìn)行包埋率測試,重復(fù)試驗(yàn)3 次,計(jì)算平均率,得到桉葉精油微膠囊包埋率為72.68%。
表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果
以β-CD 為芯材、桉葉精油為壁材可制備出應(yīng)用于織物整理的桉葉精油微膠囊。對(duì)微膠囊制備過程中的包埋時(shí)間、包埋溫度和β-CD 的質(zhì)量濃度進(jìn)行單因素及正交試驗(yàn)分析,確定了微膠囊制備條件影響因素的排序,獲得最佳的制備條件,并通過測試制備獲得了微膠囊的包埋率。制備得到的桉葉精油微膠囊可以在芳香、抗菌等材料上發(fā)揮重要作用,具有一定的經(jīng)濟(jì)及應(yīng)用價(jià)值。