全 文 ：第 22卷 第 9期
2006年 9月
农 业 工 程 学 报
Transactions of the CSAE
Vol. 22　 No. 9
Sep.　 2006
利用干酵母细胞微胶囊化丁香油的研究
邹克琴 1 , 王金宇 2※ , 李淑芬2 , 关文强3
( 1.中国计量学院生命科学学院 ,杭州 310018;　 2.天津大学化工学院绿色合成与转化教育部重点实验室 ,天津 300072;
3.国家农产品保鲜工程技术研究中心 ,天津 300384)
摘　要: 探讨以干酵母细胞作为囊壁材料制备微胶囊的可行性。 以丁香油为囊芯 ,通过正交试验优化微胶囊制备的工艺条
件。结果表明 ,选择包埋温度 70℃、包埋时间 9 h和丁香油与干酵母质量配比为 1∶ 1的条件比较适宜 ,微胶囊中丁香油包埋
率可以达到 41. 26% 。通过光学显微镜和电镜观察 ,丁香油微胶囊呈规则的球形 ,颗粒直径在 2. 0～ 4. 0μm之间 ,细胞质内能
观察到闪亮的油滴存在。在 100℃条件下加热 20 h,丁香油经微胶囊化后挥发速率下降 43. 25% ;丁香油微胶囊抑菌效果优于
同量的丁香油 ,具有一定的缓释效果。
关键词: 微胶囊 ; 干酵母 ; 丁香油 ; 挥发性 ; 缓释
中图分类号: T S202. 3　　　　文献标识码: A　　　　文章编号: 1002-6819( 2006) 09-0206-04
邹克琴 ,王金宇 ,李淑芬 ,等 .利用干酵母细胞微胶囊化丁香油的研究 [ J].农业工程学报 , 2006, 22( 9): 206- 209.
Zou Keqin, Wang Jinyu, Li Shufen, et al. M ic roencapsulation o f clov e bud oil by utilizing dried yeast cell [ J]. T ransactions
of th e CSAE, 2006, 22( 9): 206- 209. ( in Chinese with Eng lish abstract)
收稿日期: 2005-08-16　修订日期: 2006-06-12
作者简介:邹克琴 ( 1972- ) ,女 ,博士 ,主要从事微生物遗传育种及
其应用的研究。浙江省杭州市下沙高教西区　中国计量学院生命科
学学院 , 310018
※通讯作者: 王金宇 ( 1973- ) ,男 ,博士 ,主要从事天然产物研究与
开发工作。天津　天津大学化工学院绿色合成与转化教育部重点实
验室 , 300072。 Email: wang jinyu001@ 163. com
0　引　言
微胶囊技术是利用天然的或合成的高分子化合物
作为成膜材料制备微胶囊 [1, 2 ]。被包在微胶囊内部的物
质称为囊芯 ,外部由成膜材料形成的膜称为囊壁。通过
微胶囊化 ,可以使芯材物质免受外部环境的影响 ,降低
挥发性 ,提高稳定性 ,且微胶囊化还具有屏蔽异味、降低
毒性和控制释放等优点。微胶囊技术给食品工业和医药
工业带来了突破性的进展 ,目前已对核桃油、猕猴桃油、
鱼油、大蒜油、银杏叶提取物及姜油等实现了微胶囊
化 [2- 8 ]。 微胶囊的制备通常采用化学方法、物理方法和
物理化学方法三类。但这些方法一般都存在制备过程复
杂、控制条件要求精度高、成本高、产品质量稳定性差、
特别是合适囊壁材料选择困难等局限性。 20世纪 70年
代 , Shank发明利用酵母细胞作为天然囊壁材料制备微
胶囊的技术 [9, 10 ]。 由于酵母细胞呈球形或椭球形 ,以分
散的单细胞状态存在 ,直径在几微米到 20μm范围 ,完
整的细胞壁和细胞膜结构具有一定的强度和通透性 ,是
理想的囊壁材料。
与传统的微胶囊制备方法相比 ,以酵母细胞为囊壁
材料制备微胶囊具有以下优势 [10- 12 ]:制备过程中 ,不需
要或很少引入其他化学试剂 ,没有溶剂残留或脱除的问
题 ,非常适合药物和食品添加剂的包覆 ;酵母可以是发
酵工厂回收的废酵母 ,因此原料来源广泛、价格低廉 ;获
得的微胶囊产品大小均一、无毒、生物相溶性好、易生物
降解。 但是采用这种方法制备微胶囊 ,一般对所用酵母
都有特殊要求:如酵母需要经过特殊培养条件使细胞内
脂肪含量达到 40% (质量分数 )以上 [10 ] ;微胶囊制备过
程中酵母细胞需保持生物活性 [ 12] ,而且通常是以湿菌
体的形式使用 ,细胞含水量高 ,酵母细胞之间粘结成块、
分散性差 ,细胞表面的水化膜会影响脂溶性囊芯向酵母
细胞内渗透 ,且后续的干燥、造粒操作也比较困难。
丁香是一种名贵香料 ,从丁香花蕾中提取的丁香
油 ,主要成分是丁香酚、β -石竹烯等 ,它对食品常见的污
染菌有较强的抑制作用 [13 ] ,因此可以作为天然食品防
腐剂。但丁香油挥发性强 ,易受空气、光照影响而氧化变
质。
本文尝试利用酵母细胞微胶囊化丁香油 ,探讨以干
酵母细胞作为囊壁材料制备微胶囊的可行性 ,与文献
[9, 11, 12 ]方法相比 ,本试验采用干酵母 ,包埋速度快 ,
微胶囊化后续处理工艺简单 ;细胞内脂肪含量低于 5% ,
不需要经过特殊的培养工艺 ;所用酵母没有生物活性 ,
便于以后利用各种来源的没有活性的废酵母作原料 ,为
食品、医药微胶囊技术的推广应用提供参考。
1　材料与方法
1. 1　材料与试剂
干酵母 (湖北安琪酵母股份有限公司 ) ,其中脂肪含
量 2. 0% ～ 2. 5% ,使用前经过高温灭活处理 ;丁香花蕾
(天津中药饮片厂 ) ;丁香油 (自制 ) ;无水乙醇 (分析纯 ,
天津大学科威化工有限公司 )。
1. 2　试验仪器
超临界流体萃取仪 ( Spe-ed SFE型 ,美国 Applied
Sepa rations公司 ) ,恒温水浴振荡器 ( HZS-D型 ,哈尔滨
东联电子技术开发有限公司 ) ,真空干燥箱 ( ZK35型 ,
天津市华北实验仪器有限公司 ) ,显微镜 ( BX51,日本
Olympus公司 ) ,环境扫描电镜 ( XL-30TM P, Philips)。
206
1. 3　试验工艺流程图
图 1　试验工艺流程图
Fig . 1　 Flowchar t of experimental pr ocess
1. 3. 1　丁香油的制备
根据预试验对丁香油提取条件的优化结果 ,选择以
40～ 60目丁香花蕾粉作原料 ,在 70℃、 10 MPa下静态
萃取 30 min,然后在同样温度、压力下动态萃取 , CO2流
量为 1. 5 L /min, CO2总用量 120 L。丁香油萃取率约为
20% ,萃取的丁香油中丁香酚含量为 69. 20%。将多次提
取的丁香油合并混匀 ,作为制备微胶囊的原料。
1. 3. 2　丁香油微胶囊的制备
精密称取适量已经灭活的干酵母 ,放入磨口三角瓶
中 ,按不同的芯材比加入一定量的丁香油 ,加盖后放入
恒温水浴振荡器中。恒温恒速振荡一定时间后 ,精油即
可通过渗透扩散作用进入酵母细胞内部 ,形成微胶囊。
倾出 ,真空抽滤并回收未包入的精油。无水乙醇洗涤细
胞表面残留的精油 , 30℃真空干燥 20 min。收集微胶囊 ,
称重。芯材比是指丁香油 (囊芯 )和干酵母 (囊壁材料 )的
质量之比。
通过正交试验设计 ,研究了包埋温度、包埋时间和
芯材比 3个因素对微胶囊制备包埋率的影响。如表 1所
示。
表 1　正交试验因素水平表 L9 ( 34 )
T able 1　 Facto rs and levels o f o r thogonal experiment
水平 A温度 /℃
B
时间 /h
C
芯材比 /mL· g- 1
1 50 3 1∶ 1
2 60 6 2∶ 1
3 70 9 3∶ 1
微胶囊中丁香油包埋率的计算如下式
Y = [m ( B) - m ( A) ] /m ( B)× 100% ( 1)
式中　Y—— 丁香油包埋率 ; m ( A)—— 加入的干酵母
质量 , g; m ( B)—— 收集的微胶囊总质量 , g。
1. 3. 3　酵母微胶囊形貌的观察
取少量丁香油微胶囊颗粒 ,置于小烧杯中 ,加入少
量蒸馏水 ,搅拌摇匀成菌悬液 ,制成水浸片 ,在光学显微
镜下观察。
取少量干酵母或丁香油微胶囊 ,撒在电镜的样品盖
上 ,喷金 ,然后在高压真空条件下进行成像观察。
1. 3. 4　丁香油微胶囊挥发度的测定
取 6个 10 mL小烧杯 ,分别加入 200 mg丁香油、 0.
5 g微胶囊 (包埋率为 40% ,即包埋有丁香油 200 mg )各
3份 ,放入 100℃的烘箱中 ,每隔一定时间称重 ,计算挥
发率。
丁香油挥发率 ( VC )和微胶囊中丁香油的挥发率
(Vm )的计算如式 ( 2)和式 ( 3)。
VC = [m ( C) - m ( D) ] /m ( C)× 100% ( 2)
Vm = [m ( E) - m ( F) ] /m ( E)Y× 100% ( 3)
式中　 VC—— 丁香油挥发率 ; m ( C)—— 丁香油的初
始质量 , mg; m ( D)—— 某一时间丁香油的剩余质量 ,
mg; Vm—— 微胶囊中丁香油的挥发率 ; m ( E)—— 微
胶囊总质量 , mg; m ( F)—— 微胶囊剩余质量 , mg;
Y—— 微胶囊中丁香油包埋率。
1. 3. 5　丁香油微胶囊缓释抑菌试验
取 5 g新鲜馒头 (含水率 47. 6% ) 3份 ,分别放在 3个
250 mL烧杯中。取 100 mg丁香油或 250 mg酵母微胶
囊 (包埋有 100 mg丁香油 )放于 10 mL小烧杯中 ,然后
再将小烧杯放入大烧杯中 ,另外一个烧杯作为对照。用
塑料薄膜密封 250 m L烧杯 ,室温 ( 20～ 30℃ )下放置 ,观
察馒头长菌状况。同时做 5组平行试验。
2　结果与分析
2. 1　丁香油微胶囊制备工艺参数优化
通过正交试验优化微胶囊的制备工艺 ,结果如表 2
所示。 通过极差分析可以看出:包埋温度对包埋效果影
响最大: 随包埋温度升高 ,微胶囊中丁香油包埋率也随
之增大。当温度为 50℃时 ,包埋率很低 ,只有 3. 32% ;当
温度为 60℃时 ,包埋率略有提高 ,达到 6. 97% ;而当温度
为 70℃时 ,包埋率迅速增加 ,达到 27. 50%。这可能是因
为:温度升高 ,一方面 ,使分子运动速度加快 ,促进丁香
油向酵母细胞内部扩散 ;同时温度升高降低了丁香油的
黏度 ,使之渗透扩散能力增强 ;另一方面 ,温度升高 ,可
能会使细胞壁和细胞膜的通透性增加 ,这些因素都会使
丁香油包埋率增大。 随着包埋时间延长 ,包埋率也呈增
大的趋势 ,但相对包埋温度影响较小。芯材比对包埋效
果影响最小 ,且随丁香油配比增大 ,包埋率反而下降 ,这
一变化规律有些反常 ,原因有待进一步探讨。
表 2　正交试验方案及结果
Table 2　 Design and results of o r tho gonal experiment
试验号 A/℃ B /h C /mL· g- 1 Y /%
1 1( 50) 1( 3) 1( 1∶ 1) 4. 47
2 1 2( 6) 2( 2∶ 1) 3. 11
3 1 3( 9) 3( 3∶ 1) 2. 38
4 2( 60) 1 2 1. 86
5 2 2 3 4. 93
6 2 3 1 14. 13
7 3( 70) 1 3 13. 08
8 3 2 1 29. 29
9 3 3 2 40. 12
K 1 9. 96 19. 41 47. 88
K 2 20. 91 37. 32 45. 09
K 3 82. 50 56. 64 20. 40
k1 3. 32 6. 47 15. 96
k2 6. 97 12. 44 15. 03
k3 27. 50 18. 88 6. 80
R 24. 18 12. 41 9. 17
207　第 9期 邹克琴等:利用干酵母细胞微胶囊化丁香油的研究
　　通过正交试验得出各因素的最佳水平组合为
A3B3 C1 ,即包埋温度 70℃、包埋时间 9 h、芯材质量比为 1
∶ 1。对最佳组合条件经过 3次重复验证试验 ,获得的微
胶囊包埋率平均结果是 41. 26% ,略高于正交试验最大
值 ( 9号 )。
因此 ,选择包埋时间 9 h、包埋温度 70℃、芯材质量
比为 1∶ 1作为微胶囊制备条件比较适宜 ,微胶囊中丁
香油包埋率可达 41. 26% 。
2. 2　丁香油微胶囊形貌的观察
图 2、图 3分别为干酵母细胞和丁香油微胶囊 (包埋
率 41. 26% )在光学显微镜和扫描电镜下的形貌图。可以
看出: 在光学显微镜下 ,悬浮在水中的酵母细胞或微胶
囊以分散的单个状态存在 ,呈规则的球形或椭球形 ,大
小均一 ;酵母细胞包埋丁香油后 ,体积稍微有增大 ,细胞
中心能观察到闪亮的油滴存在。 通过电镜观察 ,丁香油
微胶囊外形颗粒圆整 , 表面光滑、致密、无裂纹和孔隙 ,
粒径分布均匀 ,颗粒直径在 2. 0～ 4. 0μm之间。
图 2酵母细胞及丁香油微胶囊的显微图像 (× 400)
Fig. 2　 Microscope image of y east cell
and clov e bud oil micr ocapsule(× 400)
图 3　干酵母细胞及丁香油微胶囊的扫描电镜照片 (× 4000)
Fig. 3　 Scanning electron micro scope image of dried
yeast cell and the clov e bud oil micro capsule(× 4000)
2. 3　丁香油微胶囊的挥发性试验
降低丁香油的挥发度是进行微胶囊化的主要目的
之一 ,因此本试验考查了丁香油微胶囊化前后挥发速率
的变化 ,具体结果如图 4。可以看出 ,丁香油具有较强的
挥发性 ,随加热时间延长 ,丁香油和丁香油微胶囊的质
量都不断下降 ,但二者的挥发速率不同:在 100℃高温下
加热 20 h后 ,丁香油挥发率为 58. 29% ,剩余质量只有
41. 71% ;丁香油经微胶囊化后挥发率只有 15. 04% ,下
降 43. 25% ,远远低于丁香油的挥发速率。另外 ,没有加
热处理以前 ,丁香油清亮透明 ,呈淡黄色 ;当加热 4 h
后 ,颜色变深呈红褐色 ; 20 h后呈深褐色 ,颜色变化可
能是一些不饱和键被氧化引起 ,表明丁香油中一些化学
成分发生了改变。由此可见 ,微胶囊化可以显著降低丁
香油的挥发速率 ,更有利于长久的发挥其功效。
图 4　在 100℃下丁香油及其微胶囊的挥发性测定
Fig. 4　 Vo latility o f clov e bud oil
and its micr ocapsule at 100℃
2. 4　丁香油微胶囊缓释抑菌试验
从表 3可以看出 ,空白对照组放置 2 d后馒头表面
即出现霉斑 , 7 d后长满一层密密的绿苔 (青霉菌等 )。
丁香油组放置 13～ 15 d后 ,小杯中的丁香油已全部挥
发干净 ,再过 2～ 3 d后就生出绿色霉斑 ;而微胶囊开始
出现霉斑时间要滞后丁香油组 4～ 5 d。因此表明丁香油
微胶囊抑菌效果优于同量的丁香油 ,且具有一定的缓释
效果。
表 3　丁香油微胶囊缓释抑菌试验
Table 3　 Sustained-release antiseptic effect
of clov e bud oil micr ocapsule
样　品 空白对照组 丁香油组 微胶囊组
出现霉斑时间 /d 2～ 3 14～ 17 21～ 22
3　结　论
1)利用低脂肪含量且没有活性的干酵母细胞作为
囊壁材料制备微胶囊具有可行性。在包埋时间 9 h、包埋
温度 70℃和芯材质量比为 1∶ 1条件下制得的微胶囊 ,
丁香油包埋率可以达到 41. 26%。
2) 通过显微镜和电镜观察 ,丁香油微胶囊呈规则
的球形 ,颗粒直径在 2. 0～ 4. 0μm之间 ,细胞质内能观
察到闪亮油滴的存在。
3)在 100℃下加热 20 h ,丁香油经酵母细胞微胶囊
化后 ,挥发率下降 43. 25% ,有利于更长久的发挥其功
效。馒头防腐实验表明丁香油微胶囊抑菌效果优于同量
的丁香油 ,具有一定的缓释效果。
[参　考　文　献 ]
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Microencapsulation of clove bud oil by util izing dried yeast cell
Zou Keqin
1 , Wang Jinyu
2※ , Li Shufen 2 , GuanWenqiang 3
( 1. College of Lif e Science, China J iliang University , Hangzhou 310018, China;
2. Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education , School of Chemical
Engineering and Technology , T ianjin University , Tianjin 300072, China;　 3. National Engineering
Technology Research Center for Preservation of Agricultural Products, T ianjin 300384, China )
Abstract: The feasibility of preparing microcapsule wi th dried yeast ( S. cerev isiae ) cell as w all ma teria ls was
studied. The clov e bud oil ( CBO) was selected as core materials. The condi tions for CBO microencapsula tion were
optimized by orthogonal experiment . Resul ts show tha t the encapsulating yield of CBO reaches 41. 26% under the
conditions of encapsulating temperature of 70℃ , encapsula ting time of 9 h and the ratio of CBO mass to yeast
mass of 1∶ 1. The mo rpholog y of the CBO micro capsule observed wi th optical microscope and scanning elect ron
microscope( SEM ) is g lobal, and the pa rticle diameter is 2. 0～ 4. 0μm. The twinkling CBO drip can be found in
the yeast cy toplasm. Af ter being encapsulated in yeast cell, the vola tile v elo city of CBO is reduced by 43. 25% .
The antiseptic ef fect of CBO encapsulated by dried yeast cell is bet ter than that of the equal quanti ty of CBO, and
the microcapsule has some sustained-release antiseptic effect.
Key words: micro encapsule; dried yeast; clov e bud oi l; v olati li ty; sustained-release
209　第 9期 邹克琴等:利用干酵母细胞微胶囊化丁香油的研究