CN115350658B - 一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法。该优化方法首先选用β‑环糊精与明胶作为微囊包被的制作材料，根据百里香酚精油的特性优化微囊制作的工艺流程。其次，通过单因素实验的方式确定β‑环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C对成品微囊包埋率的影响。最后，通过三因素三水平的响应面实验，分析不同影响因素对微囊包埋率的影响情况，从而确定最佳的百里香酚精油微囊包被制粒的工艺参数，以此工艺参数生产制备百里香酚精油微囊，以提高百里香酚精油微囊的缓释性能与理化特性。
Description
技术领域
本发明涉及精油包被制粒技术，尤其涉及一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法。
背景技术
微囊包被制粒的工艺方法可以有效保护包覆物质的药性与营养性，有效延长包覆物质的存储时间，相比于直接使用的植物饲料添加剂对于改善动物生产性能有着直观的提升。微囊技术在饲料工业中的应用不断成熟，如CN201410792831.7等所述。现有技术中，百里香酚精油的微囊包被制粒工艺并没有考虑所包覆植物精油饲料添加剂的种类与成分。由于微囊内包覆的百里香酚精油成分、用途均不相同，采用统一的微囊包被制粒工艺在一定程度上会限制百里香酚的包埋率，降低原百里香酚精油的实际应用效果。因此，现有技术希望创新一种百里香酚精油微囊包被制粒工艺的优化方法，以期根据限制条件提高百里香酚精油包被制粒的应用的价值。
发明内容
本发明提出了一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，提供一种利用β-环糊精与明胶作为材料制备用以包被百里香酚精油的微囊制粒工艺的优化方法。在进行单因素实验的基础上，选取β-环糊精与明胶质量比例、反应温度、反应时间作为三个变量，构建以百里香酚精油最大吸收峰为响应值的三因素三水平实验，通过构建的多元二次方程进行多元回归分析，从而确定百里香酚精油微囊包被制粒的最佳工艺参数。
本申请的发明目的可通过以下步骤实现：
步骤1：将百里香酚精油在无水乙醇中溶解，持续搅拌至溶解均匀，得到百里香酚精油的乙醇溶液；
步骤2：对百里香酚精油的乙醇溶液进行全波长扫描，记录百里香酚精油的乙醇溶液最大吸收峰Y处于的波段；
步骤3：将质量比例A的β-环糊精与明胶分别溶解于水中，使明胶溶液与β-环糊精溶液均匀混合，加入百里香酚精油得到混合溶液，并根据第一工艺条件处理所述混合溶液；
步骤4：对混合溶液进行冰水浴，根据第二工艺条件持续加入10%浓度的氢氧化钠溶液，控制当前混合溶液温度保持在B，反应时间C分钟；
步骤5：在混合溶液中加入固化剂，持续搅拌至固化，静置后对溶液进行过滤，得到湿囊；
步骤6：将湿囊放置在干燥器皿中，根据第三工艺条件冷冻干燥湿囊，得到包被微囊；
步骤7：以所述β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C为三个单因素变量，重复步骤1至6，测定最大吸收峰Y处的包埋率的响应值；
步骤8：确定β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C的至少一个工艺限制条件；
步骤9：以反应时间、β-环糊精与明胶质量比例、反应温度作为自变量，构建与包埋率的多元二次方程，获得包埋率的响应曲面图，确定所述工艺限制条件下的最佳质量比例、反应温度以及反应时间。
在本发明中，所述第一工艺条件为在1200r/min条件下对混合溶液持续离心3min，加入乙酸调节pH=4，继续对混合溶液进行搅拌35min。
在本发明中，所述第二工艺条件为溶液温度降低至10℃，调节pH提高至6。
在本发明中，所述第三工艺条件为在5-10℃的环境下冷却24h，再在0-3℃的环境下冷冻。
在本发明中，选取β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C三个变量因素进行单因素测定，确定相关变量的最优取值水平，在最优水平两侧选取2个对称水平，按照Box-Benhnken的响应面设计原则进行三因素三水平的实验测定。
在本发明中，所述响应值为制成的百里香酚精油微囊的包埋率，反应时间、β-环糊精与明胶质量比例、反应温度作为自变量，构建与百里香酚精油微囊的包埋率的多元二次方程，构建百里香酚精油微囊的包埋率的响应曲面图，并通过实验结果，得到最佳制备工艺。
在本发明中，所述最佳制备工艺为：β-环糊精与明胶的质量比A=7:1、反应温度B=63.4℃、反应时间C=144min。
在本发明中，β-环糊精与明胶质量比例的工艺限制条件为3≤A≤7，反应时间的工艺限制条件为B＞100min，反应温度的工艺限制条件为50℃≤C≤70℃，并在此基础上进行单因素实验。
在本发明中，所述单因素实验的β-环糊精与明胶质量比例选取3:1、4:1、5:1、6:1、7：1，反应温度选取50℃、55℃、60℃、65℃、70℃，反应时间选取110min、120min、130min、140min、150min。
在本发明中，所述固化剂为谷氨酰胺转胺酶。
实施本发明的百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，具有以下有益效果：本发明利用β-环糊精与明胶作为微囊制作材料，相应的制作与生产工艺操作简单，在保持微囊缓释特性与理化性质不变的基础上，可以减少生产成本，适用于大规模批量生产线同步生产。基于Box-Benhnken设计原则进行优化实验与数据分析，确定了百里香酚精油微囊包被制粒工艺的最佳优化参数值，以固定配比与工艺条件生产，提高百里香酚精油的规模化生产效率。
附图说明
图1为本发明的一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法的流程图；
图2为本发明中β-环糊精与明胶质量比例对百里香酚精油微囊包被制粒包埋率的单因素实验图；
图3为本发明中反应温度对百里香酚精油微囊包被制粒包埋率的单因素实验图；
图4为本发明中反应时间对百里香酚精油微囊包被制粒包埋率的单因素实验图；
图5为本发明的反应时间与β-环糊精与明胶质量比例的响应面交互图；
图6为本发明的反应时间与β-环糊精与明胶质量比例的等高线图；
图7为本发明的反应温度与β-环糊精与明胶质量比例的响应面交互图；
图8为本发明的反应温度与β-环糊精与明胶质量比例的等高线图；
图9为本发明的反应时间与反应温度的响应面交互图；
图10为本发明的反应时间与反应温度的等高线图；
图11为本发明的实验结果的box图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
如图1所示的本发明的这种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，包括以下步骤：
步骤1：将百里香酚精油在无水乙醇中溶解，持续搅拌至溶解均匀，得到百里香酚精油的乙醇溶液。
步骤2：对百里香酚精油的乙醇溶液进行全波长扫描，记录百里香酚精油的乙醇溶液最大吸收峰Y处于的波段。
步骤3：将质量比例A的β-环糊精与明胶分别溶解于水中，使明胶溶液与β-环糊精溶液均匀混合，加入百里香酚精油得到混合溶液，并根据第一工艺条件处理所述混合溶液。
步骤4：对混合溶液进行冰水浴，根据第二工艺条件持续加入10%浓度的氢氧化钠溶液，控制当前混合溶液温度保持在B，反应时间C分钟。
步骤5：在混合溶液中加入固化剂，持续搅拌至固化，静置后对溶液进行过滤，得到湿囊。
步骤6：将湿囊放置在干燥器皿中，根据第三工艺条件冷冻干燥湿囊，得到包被微囊。
步骤7：以所述β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C为三个单因素变量，重复步骤1至6，测定最大吸收峰Y处的包埋率的响应值。具体测定方法为：选取微囊样本加入5mL无水乙醇，在50℃的条件下持续进行超声振荡，持续6min后进行涡流混合，持续10min，将得到的液体利用无水乙醇定容至50mL，取溶液中的10mL置于离心管中，采用4000r/min进行离心操作，取上层清液，在264nm波长段测定吸光度，得到包被制粒的微囊中百里香酚精油的质量M1，在百里香酚精油最大吸收峰的位置计算包埋率。百里香酚精油微囊包被制粒的包埋率K=(V-V1)/Vρ*100%，其中，V为百里香酚精油微囊的总油体积，V1为百里香酚精油的表面油体积，ρ为百里香酚精油的密度。
步骤8：确定β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C的至少一个工艺限制条件。
步骤9：以反应时间、β-环糊精与明胶质量比例、反应温度作为自变量，构建与包埋率的多元二次方程，获得包埋率的响应曲面图，确定所述工艺限制条件下的最佳质量比例、反应温度以及反应时间。
在本发明中，所述β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C为三个单因素变量，通过实验确定响应值，进行响应面分析。
传统制粒工艺中，100-200℃条件下纯百里香酚精油的自然损失率为47.1%，而本发明中百里香酚精油包被制粒得到的微囊在100-200℃条件下的损失率为21%，说明采用本发明的包被制粒工艺得到的百里香酚微囊壁材对壁芯产生了有效的保护作用。
在本实施例中，单因素实验分别分析反应温度B、反应时间C、β-环糊精与明胶质量比例A对于百里香酚精油微囊的包埋率所产生的影响。
（1）β-环糊精与明胶质量比例A对百里香酚精油微囊的包埋率所产生的影响
按照本实施例中制作百里香酚精油微囊的步骤方法制得成品微囊，β-环糊精与明胶质量比例选取3:1、4:1、5:1、6:1、7:1，得到5个样品微囊。单因素实验得到的结果如图2所示。为了适应实际生产，本实施例设置β-环糊精与明胶比例的工艺限制条件。β-环糊精与明胶质量比例最大值为7：1，超过该比例值后，微囊制粒在温度高于38℃的情况下存在热溶解情况，不利于保存与运输。故在本实施例中单因素实验中，取β-环糊精与明胶质量比例的5个变量中，微囊包埋率最高的变量值作为最佳条件。
（2）反应温度B对百里香酚精油微囊的包埋率所产生的影响
按照本实施例中制作百里香酚精油微囊的步骤方法制得成品微囊，反应温度选取
50℃、55℃、60℃、65℃、70℃，得到5个样品微囊。单因素实验得到的结果如图3所示。本实施
例设置反应温度的工艺限制条件，保证原料反应完全。在工艺限制条件下，通过模拟不同反
应温度条件下得到的微囊的缓释性能S，通过曲线模型进行拟合后得到
，其中，F为
β-环糊精与明胶融合的极限温度，t为反应时间，M为混合溶液的固化条件温度，本实施例
中，M取62℃，at为不同反应时间下的反应速率常数，根据拟合后的反应温度的工艺限制条
件为50℃-70℃。
（3）反应时间C对百里香酚精油微囊的包埋率所产生的影响
按照本实施例中制作百里香酚精油微囊的步骤方法制得成品微囊，反应时间选取110min、120min、130min、140min、150min，得到5个样品微囊，单因素实验得到的结果如图4所示。为了保证pH能够达到工艺要求，本实施例设置反应时间的工艺限制条件。在工艺限制条件下，反应时间需要保证高于100min，确保溶液的pH能够达到工艺要求水平，若反应时间小于100min，则会导致明胶与β-环糊精之间制备微粒后由于静电的相互作用导致两者之间的共价键产生破坏，芯材会不断分解与释放，产生质量损失，无法起到高效的百里香酚精油的分解控制效果。
本实施例的最佳制备工艺为：β-环糊精与明胶的质量比A=7:1、反应温度B=65℃、反应时间C=140min。
实施例二
本实施例提供了响应面的实验分析方法。
选取β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C三个变量因素进行单因素测定，确定相关变量的最优取值水平，在最优水平两侧选取2个对称水平，按照Box-Benhnken的响应面设计原则进行三因素三水平的实验测定，响应值为百里香酚精油微囊的包埋率，反应时间、β-环糊精与明胶质量比例、反应温度作为自变量，构建与百里香酚精油微囊的包埋率的多元二次方程如下：
Y=-31.64750+0.925350*A+6.772*B+5.10958*C-0.0024*A*B+0.000083*B*C+0.06*A2-0.003017*B2-0.6407-0.212292*C2。
采用Design-Expert软件进行响应面分析，Box-Benhnken的三因素三水平实验在25个实验点上进行取值，实验点1-22为析因点，自变量A、B、C构成的三维顶点组成响应面。得到的响应面分析实验设计结果如表1-1。
表1-1 响应面分析实验设计结果
参照图5-图11，构建百里香酚精油最大吸收峰的响应曲面图，并通过实验结果，得到最佳制备工艺。最佳制备工艺为：β-环糊精与明胶质量比例为7:1，反应温度为63.4℃、反应时间为144min。
在本实施例中，制备完成的百里香酚精油微囊的理化性质测定的步骤与结果如下：
以蒸馏水为分散剂，通过粒度仪对微囊的粒径进行测量，测定样品折射率为1.47、1.29。测定的样本吸收率为0。
取制作完成的百里香酚精油微囊，加入溴化钾粉末之后进行碾磨混合，并通过压片机将样本制作成透明片状，通过FTIR仪选取波长500-4500cm-1的范围中进行全波段扫描，得到的最终分辨率为0.084cm-1。
采用TGA设备对样品的热释放曲线进行测定，设置初始温度保持在25℃，终止温度控制在500℃，保持升温速率低于25℃/min，选择氮气为载气，通过流量为20L/min。
微囊的玻璃化转变温度采用DSC仪测量。将微囊样品加入DSC仪的样品盒中，选择空白样品盒作为对照，调节初始温度与终止温度为0-100℃，保持升温速率为10℃/min。
设定强光照、光照、避光、无光、有氧与无氧的环境中对百里香酚精油微囊进行缓释性能的测定。缓释性能R=(V0-Vn)/V0，其中，Vn微囊制备后的第n天中存储的百里香酚精油体积大小，V0为最初制备后，其中存储的百里香酚精油体积大小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将百里香酚精油在无水乙醇中溶解，持续搅拌至溶解均匀，得到百里香酚精油的乙醇溶液；
步骤2：对百里香酚精油的乙醇溶液进行全波长扫描，记录百里香酚精油的乙醇溶液最大吸收峰Y处于的波段；
步骤3：将质量比例A的β-环糊精与明胶分别溶解于水中，使明胶溶液与β-环糊精溶液均匀混合，加入百里香酚精油得到混合溶液，并根据第一工艺条件处理所述混合溶液；所述第一工艺条件为在1200r/min条件下对混合溶液持续离心3min，加入乙酸调节pH=4，继续对混合溶液进行搅拌35min；
步骤4：对混合溶液进行冰水浴，根据第二工艺条件持续加入10%浓度的氢氧化钠溶液，所述第二工艺条件为溶液温度降低至10℃，调节pH提高至6；控制当前混合溶液温度保持在B，反应时间C分钟；
步骤5：在混合溶液中加入固化剂，持续搅拌至固化，静置后对溶液进行过滤，得到湿囊；
步骤6：将湿囊放置在干燥器皿中，根据第三工艺条件冷冻干燥湿囊，得到包被微囊；
步骤7：以所述β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C为三个单因素变量，重复步骤1至6，测定最大吸收峰Y处的包埋率；
步骤8：确定β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C的至少一个工艺限制条件；
步骤9：选取β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B、反应时间C三个变量因素进行单因素测定，确定相关变量的最优取值水平后，在最优水平两侧选取2个对称水平，按照BoxBenhnken的响应面设计原则进行三因素三水平的实验测定，并以反应时间C、β-环糊精与明胶质量比例A、反应温度B作为自变量，构建与包埋率的多元二次方程，获得包埋率的响应曲面图，确定最佳制备工艺；
其中包埋率的测定方法为，选取微囊样本加入5mL无水乙醇，在50℃的条件下持续进行超声振荡，持续6min后进行涡流混合，持续10min，将得到的液体利用无水乙醇定容至50mL，取溶液中的10mL置于离心管中，采用4000r/min进行离心操作，取上层清液，在264nm波长段测定吸光度，得到包被制粒的微囊中百里香酚精油的质量M1，在百里香酚精油最大吸收峰的位置计算包埋率，百里香酚精油微囊包被制粒的包埋率K=(V-V1)/V *100%，其中，V为百里香酚精油微囊的总油体积，V1为百里香酚精油微囊的表面油体积；
进行反应温度B对百里香酚精油微囊的包埋率所产生的影响的单因素实验时，选取不同温度，按照上述步骤制得成品微囊，同时，在工艺限制条件下，通过模拟不同反应温度条件下得到的微囊的缓释性能S，通过曲线模型进行拟合后得到
，其中，F为β-环糊精与明胶融合的极限温度，t为反应时间，M为混合溶液的固化条件温度，at为不同反应时间下的反应速率常数。
2.根据权利要求1所述的一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，其特征在于，所述第三工艺条件为在5-10℃的环境下冷却24h，再在0-3℃的环境下冷冻。
3.根据权利要求1所述的一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，其特征在于，所述最佳制备工艺为：β-环糊精与明胶的质量比A=7:1、反应温度B=63.4℃、反应时间C=144min。
4.根据权利要求1所述的一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，其特征在于，β-环糊精与明胶质量比例的工艺限制条件为3≤A≤7，反应时间的工艺限制条件为C＞100min，反应温度的工艺限制条件为50℃≤B≤70℃，并在此基础上进行单因素实验。
5.根据权利要求4所述的一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，其特征在于，所述单因素实验的β-环糊精与明胶质量比例选取3:1、4:1、5:1、6:1、7：1，反应温度选取50℃、55℃、60℃、65℃、70℃，反应时间选取110min、120min、130min、140min、150min。
6.根据权利要求1所述的一种百里香酚精油包被制粒工艺的优化方法，其特征在于，所述固化剂为谷氨酰胺转胺酶。
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