一种具有可控释放肉桂醛的抗菌微胶囊及其制备方法

1.本发明属于食品、药品及化工领域，具体涉及一种具有可控释放肉桂醛的抗菌微胶囊及其制备方法。


背景技术：

2.近些年，随着人们对天然来源的绿色资源及相关可持续更健康的产品的需求不断增加，来自芳香植物的精油得到了极大的关注。精油是天然抗菌剂，在食品、制药和化妆品行业具有巨大的应用潜力。肉桂醛(3-苯基-2-丙烯醛)是一种低分子量的疏水性芳香醛，是肉桂精油的主要活性成分。除了提供肉桂风味外，肉桂醛还具有非常优异的抗菌、抗氧化、抗真菌和抗炎活性。其安全性和有效性已获得粮农组织/世界卫生组织食品添加剂专家委员会(jecfa)的认证。然而，由于精油的高挥发性和低水溶性，精油的高效应用仍存在巨大的挑战。一些极端条件，例如在过热和过酸过碱环境，可能会导致活性成分的损失或降解，并进一步影响最终产品的风味、质地及货架期。
3.目前，常用封装肉桂醛的壁材包括环糊精、乳液、壳聚糖、果胶和海藻酸钠等非淀粉多糖。制备纳米乳液递送肉桂醛，其肉桂醛稳定性仅48h，且乳液制备过程中不可避免使用大量的表面活性剂吐温20(lwt-food science and technology,2015,60(1)，444-451)。用β-环糊精封装肉桂醛，肉桂醛仅可持续释放192h，且环糊精的成本比淀粉高(food hydrocolloids，2019,90,360-366)。使用超声波辅助交联壳聚糖和果胶制备肉桂醛微胶囊，并喷雾干燥得到最终样品(food hydrocolloids,2020,99，105316)。该方法步骤繁琐，原材料及设备成本较高，且喷雾干燥阶段需经历150℃高温，造成部分肉桂醛损失。开发成本低廉、技术简便、可控释放的肉桂醛微胶囊刻不容缓。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种操作简易，成本低廉，环境友好，可长效释放肉桂醛的具有可控释放肉桂醛的抗菌微胶囊及其制备方法。
5.本发明目的通过如下技术方案实现：
6.一种具有可控释放肉桂醛的抗菌微胶囊的制备方法，包括如下步骤：
7.(1)空心v型淀粉的制备
8.(a)将淀粉分散在乙醇水溶液1中配成淀粉乳，滴加naoh溶液；搅拌处理，滴加乙醇水溶液2，离心；
9.(b)将步骤(a)中得到的沉淀用乙醇水溶液3洗涤并分散，用乙醇盐酸溶液进行中和，离心，再分别用乙醇水溶液4和无水乙醇各洗涤一次，干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
10.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
11.将所述空心v型淀粉分散在包含肉桂醛的无水乙醇中，然后加入去离子水，使乙醇的质量浓度为40～60％；密封搅拌，冷却至室温后，离心，洗涤，干燥，得到具有可控释放肉
桂醛的抗菌微胶囊。
12.优选的，步骤(1)中，步骤(a)所述淀粉乳中淀粉的质量分数为3～15％；
13.优选的，步骤(1)中，步骤(a)所述的naoh溶液的浓度为2～4m；进一步优选的，所述的naoh溶液的浓度为2～3m；
14.优选的，步骤(1)中，步骤(a)所述淀粉乳、naoh溶液、乙醇水溶液2的质量比为70～90:30～70:10～30。
15.优选的，步骤(1)中，步骤(a)所述滴加naoh溶液在5～15min内完成，保证缓慢滴加避免速度过快造成局部聚集；
16.优选的，步骤(1)中，步骤(a)所述搅拌处理的时间为20～40min；
17.优选的，步骤(1)中，步骤(a)所述离心的转速为6000～10000g，时间为5～15min。
18.优选的，步骤(1)中，步骤(a)所述淀粉分散在乙醇水溶液1中后以50～150rpm/min的转速进行搅拌得到淀粉乳；进一步优选的，以100～150rpm/min的转速进行搅拌。
19.优选的，步骤(1)中，所述乙醇水溶液1、乙醇水溶液2和乙醇水溶液3中乙醇的质量分数为20～60％。进一步优选的，所述乙醇水溶液1、乙醇水溶液2和乙醇水溶液3中乙醇的质量分数为40～60％。
20.优选的，步骤(1)中，步骤(b)所述乙醇水溶液3洗涤的次数为1～3次；
21.优选的，步骤(1)中，步骤(b)所述乙醇盐酸溶液为盐酸分散在无水乙醇中，使盐酸的浓度为2～4m。
22.优选的，步骤(1)中，步骤(b)所述干燥的温度为40～80℃；所述过筛为过100～200目筛；
23.优选的，步骤(1)中，步骤(b)所述乙醇水溶液4中乙醇的质量分数为70～90％。
24.优选的，步骤(2)中，加入去离子水后，所述空心v型淀粉的质量浓度为2～10％；进一步优选的，所述空心v型淀粉的质量浓度为5～10％；
25.优选的，步骤(2)中，所述空心v型淀粉与肉桂醛的质量比为2～5:1～2。
26.优选的，步骤(2)中，所述密封搅拌的时间为0.5～2h，温度为25～85℃。
27.优选的，步骤(1)中，步骤(a)所述淀粉为玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉和木薯淀粉中的至少一种；
28.优选的，步骤(2)中，所述洗涤为用无水乙醇洗涤，所述的干燥为在烘箱中30～60℃干燥。
29.上述的制备方法制备得到的具有可控释放肉桂醛的抗菌微胶囊。
30.与现有技术相比，本发明的优点在于：
31.(1)本发明制备的肉桂醛微胶囊可以高效包埋肉桂醛，复合物中肉桂醛的含量可达62.38mg/g。本发明将空心v型淀粉与肉桂醛在一定温度下的乙醇水溶液中进行复合。适当的乙醇浓度既可以提高肉桂醛在溶剂体系中的溶解度，又可以使淀粉链具有一定的可移动性，可使淀粉链与肉桂醛分子充分的接触并复合。适当的提高温度有利于增加分子的布朗运动，促进肉桂醛的包封。
32.(2)本发明制备的肉桂醛微胶囊可实现长效释放肉桂醛。与肉桂醛物理混合物相比，本发明制备的肉桂醛微胶囊在不同的温度或湿度条件下，肉桂醛的释放时间均显著延长。在实际应用中，可以根据需求选择温度和湿度以调控肉桂醛的释放，例如，在储存微胶
囊时选择低温干燥密封的环境；如需肉桂醛快速释放选择高温高湿的条件，以实现肉桂醛的可控释放。
33.(3)本发明制备的肉桂醛微胶囊具有显著的抗菌活性。10mg/l的微胶囊即可抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长，浓度增加到20mg/l对两种菌的抑制效果更加显著。
34.(4)本发明采用的原料为淀粉，具有资源丰富，成本低廉的特点；复合的溶剂为水和乙醇，溶剂绿色无毒环保，制备工艺简便，无需大型设备，既适合实验室操作，又可轻松实现工业化生产。
附图说明
35.图1为实施例1和对比实施例1肉桂醛微胶囊的x-射线衍射对比图。
具体实施方式
36.为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明要求保护的范围不仅仅局限于实例表述的范围。
37.微胶囊中肉桂醛的定量：
38.实施例中，复合物中肉桂醛的含量通过气相色谱定量。具体地，将15mg复合物分散在2ml乙酸乙酯和1ml去离子水中，进行涡旋、超声处理，直至复合物完全溶解，肉桂醛被萃取到有机相中。气相色谱搭配氢火焰离子检测器(fid)和安捷伦hp-5毛细管柱，氮气为载气。测试条件为：进样量1μl，分流比20:1；色谱柱起始温度为80℃，保持1min，30℃/min升温至250℃，保持2min；进样口温度为250℃；检测器温度为250℃；载流速率1ml/min。根据肉桂醛的标准品将其相应峰面积换算为浓度。
39.抗菌微胶囊的抑菌效果测试：
40.将菌种大肠杆菌atcc25922和金黄色葡萄球菌rn4220，挑适量菌种分别接种于lb液体培养基中，于37℃，180rpm培养，使用紫外分光光度计测菌液的od600值，将od600值控制在略小于1，取出后用灭菌的生理盐水稀释2倍，取160μl稀释后菌液加入到100ml lb固体培养基(琼脂含量0.7％-1％)中，制成平板。取适量实施例中淀粉肉桂醛复合物样品分别加入固体平板，设置空白对照组，放入37℃恒温箱中培养9h，观察结果。
41.对比实施例1
42.(1)空心v型淀粉的制备
43.将10g淀粉分散在70g乙醇水溶液(40％，w/w)中，以4g/min的速度滴加3m的naoh溶液50g。搅拌30min后，在常温下向淀粉乳中缓慢滴加20g乙醇水溶液(40％，w/w)，在8000g的转速下离心10min；
44.将得到的沉淀用乙醇水溶液(40％，w/w)洗涤2次并分散，用3m的乙醇盐酸溶液进行中和，离心，再分别用乙醇水溶液(80％，w/w)和无水乙醇各洗涤一次，所得的淀粉至于40℃的烘箱中干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
45.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
46.将2g空心v型淀粉和2g肉桂醛充分搅拌混合，密封，在75℃下复合3h。冷却至室温后，离心，洗涤，40℃烘箱干燥。
47.经测试，所得复合物中肉桂醛的含量为17.20mg/g，在常温下可缓慢释放肉桂醛约
3天。20mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生的抑菌圈分别为3.80和3.20mm，抑菌效果较弱，这主要是因为微胶囊中包埋的肉桂醛含量较少。
48.对比实施例2
49.(1)空心v型淀粉的制备
50.将10g淀粉分散在70g乙醇水溶液(40％，w/w)中，以4g/min的速度滴加3m的naoh溶液50g。搅拌30min后，在常温下向淀粉乳中缓慢滴加20g乙醇水溶液(40％，w/w)，在8000g的转速下离心10min；
51.将得到的沉淀用乙醇水溶液(40％，w/w)洗涤2次并分散，用3m的乙醇盐酸溶液进行中和，离心，再分别用乙醇水溶液(80％，w/w)和无水乙醇各洗涤一次，所得的淀粉至于40℃的烘箱中干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
52.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
53.将2g空心v型淀粉和2g肉桂醛分散在36g去离子水中，将混合物密封在75℃下搅拌复合1h。冷却至室温后，离心，洗涤，40℃烘箱干燥。
54.经测试，所得复合物中肉桂醛的含量为6.24mg/g，在常温下可释放肉桂醛约0.5天。20mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌基本没有抑菌效果，这主要是因为微胶囊中包埋的肉桂醛含量过低。
55.对比实施例3
56.(1)空心v型淀粉的制备
57.将10g淀粉分散在70g乙醇水溶液(40％，w/w)中，以4g/min的速度滴加3m的naoh溶液50g。搅拌30min后，在常温下向淀粉乳中缓慢滴加20g乙醇水溶液(40％，w/w)，在8000g的转速下离心10min；
58.将得到的沉淀用乙醇水溶液(40％，w/w)洗涤2次并分散，用3m的乙醇盐酸溶液进行中和，离心，再分别用乙醇水溶液(80％，w/w)和无水乙醇各洗涤一次，所得的淀粉至于40℃的烘箱中干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
59.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
60.将2g空心v型淀粉和2g肉桂醛分散在36g无水乙醇中，将混合物密封在75℃下搅拌复合1h。冷却至室温后，离心，洗涤，40℃烘箱干燥。
61.经测试，所得复合物中肉桂醛的含量为9.53mg/g，在常温下可释放肉桂醛约1天。20mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌几乎无抑菌效果，这主要是因为微胶囊中包埋的肉桂醛含量较少。
62.实施例1
63.(1)空心v型淀粉的制备
64.将10g淀粉分散在70g乙醇水溶液(40％，w/w)中，以4g/min的速度滴加3m的naoh溶液50g。搅拌30min后，在常温下向淀粉乳中缓慢滴加20g乙醇水溶液(40％，w/w)，在8000g的转速下离心10min；
65.将得到的沉淀用乙醇水溶液(40％，w/w)洗涤2次并分散，用3m的乙醇盐酸溶液进行中和，离心，再分别用乙醇水溶液(80％，w/w)和无水乙醇各洗涤一次，所得的淀粉至于40℃的烘箱中干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
66.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
67.将2g空心v型淀粉分散在包含2g肉桂醛的无水乙醇中，然后加入16g的去离子水，使乙醇的浓度为50％(w/w)。将混合物密封在75℃下搅拌复合1h。冷却至室温后，离心，洗涤，40℃烘箱干燥。
68.经测试，所得复合物中肉桂醛的含量为62.38mg/g，在常温下可缓慢释放肉桂醛20天。10mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生的抑菌圈分别是6.30和9.25mm；20mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生的抑菌圈分别是10.10和11.30mm。肉桂醛微胶囊可以显著抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。
69.对比实施例1中，干法制备的肉桂醛微胶囊中肉桂醛的包埋率较低，在储藏过程中肉桂醛的释放速率太快，且由于肉桂醛的包埋量低，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效果不好，不利于食品工业的应用。对比实施例2中，v型淀粉与肉桂醛的复合环境为水，而肉桂醛在纯水中的溶解性较差，不利于肉桂醛分子与淀粉链的充分接触，因此导致较低的肉桂醛包埋量，也不具备抗菌特性。对比实施例3中，复合环境为纯无水乙醇，由于肉桂醛分子的疏水性，无水乙醇具有比v型淀粉疏水空腔更强的竞争肉桂醛的能力，因此复合时肉桂醛更倾向于溶解在溶剂中，造成复合物中肉桂醛包埋率较低。干法、纯水或纯无水乙醇均不利于肉桂醛和v型淀粉的复合；在中等浓度的乙醇水溶液下，淀粉链具有一定的自由度，肉桂醛在溶剂中适当溶解，有利于肉桂醛分子更多的进入直链淀粉的螺旋空腔。
70.与对比实施例相比，本实施例1中湿法包埋肉桂醛的含量得到显著提升，释放时间大大提升，并且具有良好的抗大肠柑橘和金黄色葡萄球菌的效果。湿法中良好的溶剂环境有利于分散淀粉和肉桂醛分子充分的接触，适当浓度(50％)的乙醇有利于提高肉桂醛的溶解度和淀粉链的移动性。图1为实施例1和对比实施例1肉桂醛微胶囊的x-射线衍射对比图，实施例1所得样品衍射峰尖锐、半峰宽很窄，说明结晶结构更致密，结晶更完美，而对比实施例1所的样品衍射峰较柔和，且无定型“馒头峰”区域较大，说明其结晶有序性较差，且结晶数目较少。较高的温度增加分子的热运动，并且在乙醇水溶液韧化作用下，直链淀粉可以排列成更有序更稳定的结构，形成更多的单螺旋空腔，提供更多位点与肉桂醛分子结合。因此，肉桂醛的包埋含量大大提高。由于结晶排列整齐，有序性高，肉桂醛在可以实现长效的缓慢释放。肉桂醛包埋含量高且释放缓慢的特点使其具有优异的抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的特性，从而达到可控释放和抗菌的目的。
71.实施例2
72.(1)空心v型淀粉的制备
73.将10g淀粉分散在70g乙醇水溶液(40％，w/w)中，以4g/min的速度滴加3m的naoh溶液50g。搅拌30min后，在常温下向淀粉乳中缓慢滴加20g乙醇水溶液(40％，w/w)，在8000g的转速下离心10min；
74.将得到的沉淀用乙醇水溶液(40％，w/w)洗涤2次并分散，用3m的乙醇盐酸溶液进行中和，离心，再分别用乙醇水溶液(80％，w/w)和无水乙醇各洗涤一次，所得的淀粉至于40℃的烘箱中干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
75.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
76.将2g空心v型淀粉分散在包含2g肉桂醛的无水乙醇中，然后加入20g的去离子水，使乙醇的浓度为40％(w/w)。将混合物密封在75℃下搅拌复合1h。冷却至室温后，离心，洗涤，40℃烘箱干燥。
77.经测试，所得复合物中肉桂醛的含量为59.48mg/g，在常温下可缓慢释放肉桂醛约19天。20mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生的抑菌圈分别是9.25和10.58mm。
78.实施例3
79.(1)空心v型淀粉的制备
80.将10g淀粉分散在70g乙醇水溶液(40％，w/w)中，以4g/min的速度滴加3m的naoh溶液50g。搅拌30min后，在常温下向淀粉乳中缓慢滴加20g乙醇水溶液(40％，w/w)，在8000g的转速下离心10min；
81.将得到的沉淀用乙醇水溶液(40％，w/w)洗涤2次并分散，用3m的乙醇盐酸溶液进行中和，离心，再分别用乙醇水溶液(80％，w/w)和无水乙醇各洗涤一次，所得的淀粉至于40℃的烘箱中干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
82.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
83.将2g空心v型淀粉分散在包含2g肉桂醛的无水乙醇中，然后加入12g的去离子水，使乙醇的浓度为60％(w/w)。将混合物密封在75℃下搅拌复合1h。冷却至室温后，离心，洗涤，40℃烘箱干燥。
84.经测试，所得复合物中肉桂醛的含量为51.04mg/g，在常温下可缓慢释放肉桂醛约21天。20mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生的抑菌圈分别是9.53和10.52mm。
85.实施例4
86.(1)空心v型淀粉的制备
87.将10g淀粉分散在70g乙醇水溶液(40％，w/w)中，以4g/min的速度滴加3m的naoh溶液50g。搅拌30min后，在常温下向淀粉乳中缓慢滴加20g乙醇水溶液(40％，w/w)，在8000g的转速下离心10min；
88.将得到的沉淀用乙醇水溶液(40％，w/w)洗涤2次并分散，用3m的乙醇盐酸溶液进行中和，离心，再分别用乙醇水溶液(80％，w/w)和无水乙醇各洗涤一次，所得的淀粉至于40℃的烘箱中干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
89.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
90.将2g空心v型淀粉分散在包含2g肉桂醛的无水乙醇中，然后加入16g的去离子水，使乙醇的浓度为50％(w/w)。将混合物密封在85℃下搅拌复合1h。冷却至室温后，离心，洗涤，40℃烘箱干燥。
91.经测试，所得复合物中肉桂醛的含量为45.99mg/g，在常温下释放60％肉桂醛需17天。20mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生的抑菌圈分别是9.85和11.20mm。
92.实施例5
93.(1)空心v型淀粉的制备
94.将10g淀粉分散在70g乙醇水溶液(40％，w/w)中，以4g/min的速度滴加3m的naoh溶液50g。搅拌30min后，在常温下向淀粉乳中缓慢滴加20g乙醇水溶液(40％，w/w)，在8000g的转速下离心10min；
95.将得到的沉淀用乙醇水溶液(40％，w/w)洗涤2次并分散，用3m的乙醇盐酸溶液进
行中和，离心，再分别用乙醇水溶液(80％，w/w)和无水乙醇各洗涤一次，所得的淀粉至于40℃的烘箱中干燥，粉碎过筛，得到空心v型淀粉；
96.(2)空心v型淀粉包埋肉桂醛制备抗菌微胶囊
97.将2g空心v型淀粉分散在包含2g肉桂醛的无水乙醇中，然后加入16g的去离子水，使乙醇的浓度为50％(w/w)。将混合物密封在65℃下搅拌复合1h。冷却至室温后，离心，洗涤，40℃烘箱干燥。
98.经测试，所得复合物中肉桂醛的含量为42.60mg/g，在常温下释放50％肉桂醛需15天。20mg/ml的肉桂醛微胶囊对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌产生的抑菌圈分别是10.22和10.67mm。
99.本发明提出的一种具有可控释放肉桂醛的抗菌微胶囊及其制备方法，可高效包埋肉桂醛并实现长效释放肉桂醛，具有显著的抗菌活性；成本低廉，制备工艺简便，无需大型设备，既适合实验室操作，又可轻松实现工业化生产。
100.需要说明的是，对于本发明所属的技术领域的普通技术人员来说，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。