牛至（Origanum vulgare L.）和柔毛薄荷（Minthostachys mollis）精油的微胶囊化：物理化学性质及抗菌活性

《Journal of Agriculture and Food Research》：Microencapsulation of essential oils from Origanum vulgare L. and Minthostachys mollis: Physicochemical properties and antimicrobial activity

本研究从秘鲁采集牛至（O. vulgare）和mu?a（M. mollis）植物，提取其精油并采用β-环糊精喷雾干燥法进行微胶囊化。通过GC-MS分析鉴定出53种和56种挥发性成分，氧代单萜类（如百里酚、香芹酚）为主要成分。微胶囊化后，mu?a的包封效率（87%）和产率（19%）显著高于牛至（72%、16%），且在水分活性（Aw<0.3）、热稳定性（TGA）和XRD结晶性方面表现更优。抗菌实验表明，微胶囊精油对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径分别为2.5-4.7cm和2.5-4.5cm，且能维持48小时以上的持续抑菌效果。结论证实微胶囊化有效提升了精油在复杂环境中的稳定性与可控释放能力，为功能性材料开发提供新策略。

　　本研究聚焦于两种植物精油——百里香（Origanum vulgare）和穆娜（Minthostachys mollis）的特性分析及其微胶囊化后的应用潜力。通过微胶囊化技术，研究人员旨在解决精油在实际应用中面临的挥发性高、水溶性差以及易受环境因素影响等限制。本文对精油的化学组成、物理化学特性、抗氧化与抗菌性能以及微胶囊化后的稳定性进行了全面探讨，为未来在食品、医药和化妆品行业中的应用提供了理论依据和实验支持。

### 精油的化学组成

百里香精油和穆娜精油均富含挥发性化合物，其中主要成分为单萜氧化物，如芳樟醇、香芹酮和萜烯醇。在百里香精油中，萜烯-4-醇的含量最高，占比30.4%，其次是γ-萜烯醇（21.3%）和顺式樟脑醇（18.1%），并含有少量的其他化合物，如百里香酚（12%）、对-聚伞花醛（11.3%）等。而在穆娜精油中，主要成分是戊烯酮（41.9%），其次是百里香酚（23.1%）、桉叶油（18.4%）、异薄荷酮（11.2%）和对-甲基苯乙烯（4.5%）。这些化合物的含量差异反映了植物种类、地理来源以及提取方法对精油化学组成的影响。

研究中通过气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）对精油进行了详细分析，结果表明，百里香精油含有53种挥发性成分，而穆娜精油则含有56种。这些成分的分布差异不仅影响精油的化学特性，也决定了其在不同应用场景中的表现。例如，百里香精油中的百里香酚和萜烯-4-醇对微生物细胞膜具有显著的破坏作用，而穆娜精油中的戊烯酮和异薄荷酮则表现出较强的抗菌和抗真菌活性。

### 微胶囊化的必要性

精油的高挥发性和低水溶性使其在直接使用时面临诸多挑战。为了克服这些限制，微胶囊化技术被引入，通过将精油包裹在保护性的壁材中，提高其在储存和应用过程中的稳定性。本研究中，使用了β-环糊精（β-CD）作为壁材，通过喷雾干燥法进行微胶囊化处理。β-CD是一种天然的环状糊精，具有良好的水溶性和分子包封能力，能够有效减少精油在环境中的挥发损失，并提高其在水性体系中的分散性。

在微胶囊化过程中，穆娜精油表现出更高的包封效率（87±2%）和产率（19±3%），而百里香精油的包封效率为72±3%，产率为16±2%。这一差异可能与两种精油的化学组成及挥发性有关。例如，穆娜精油中的戊烯酮和异薄荷酮具有更高的亲和力，能够更好地与β-CD结合，从而提高其包封效率。此外，微胶囊化后的精油在水中的溶解度均高于83%，表明其具备良好的水溶性，适合在水性介质中使用。

### 抗菌活性的评估

为了评估微胶囊化精油的抗菌性能，研究采用了宏观稀释法和琼脂扩散法。结果表明，两种精油在自由形式下均表现出较高的抗菌活性，对大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的最小抑菌浓度（MIC）和最小杀菌浓度（MBC）较低，表明其具有较强的抗菌能力。然而，微胶囊化后的精油表现出稍高的MIC和MBC值，说明其抗菌活性受到一定影响。尽管如此，微胶囊化仍然能够维持一定的抗菌效果，且通过控制释放，能够延长其作用时间。

在琼脂扩散法中，百里香精油在自由形式下对金黄色葡萄球菌的抑菌圈直径达到了4.3 cm，而穆娜精油则达到了4.7 cm。这一结果表明，穆娜精油在抗菌活性方面略优于百里香精油。同时，微胶囊化后的精油也表现出良好的抗菌效果，其抑菌圈直径均超过了2.5 cm，表明其具有作为抗菌材料的潜力。

### 抗氧化活性的评估

除了抗菌性能，精油的抗氧化能力同样被评估。研究通过DPPH自由基清除法测定了精油的抗氧化活性，结果表明，自由形式的百里香精油具有更高的抗氧化能力（59±2 mg Trolox/g），而微胶囊化后的百里香精油抗氧化能力有所下降（16±0.2 mg Trolox/g）。这可能是因为微胶囊化过程中部分挥发性抗氧化成分流失，同时β-CD与精油中的活性成分之间可能存在一定的相互作用，从而影响其抗氧化活性。

穆娜精油的抗氧化能力也有所下降，从25±2 mg Trolox/g减少到9±2 mg Trolox/g。然而，即使在微胶囊化后，其仍然保持了一定的抗氧化能力，表明其具备作为抗氧化剂的潜力。研究还指出，精油的抗氧化活性需要在食品体系中进一步验证，因为微胶囊化可能改变其在实际应用中的功能表现。

### 微胶囊的物理化学特性

研究对微胶囊的物理化学特性进行了系统分析，包括溶解度、浊度、粘度、润湿性、水分含量、水活度（Aw）以及粒径和形状等。结果表明，两种微胶囊均表现出良好的水溶性，其溶解度均高于83%。此外，微胶囊的水活度较低（<0.3），表明其在储存过程中不易发生微生物污染，从而延长了产品的保质期。

在润湿性方面，百里香微胶囊表现出更快的分散速度（7.3±0.1秒），而穆娜微胶囊的润湿性稍慢（6.4±0.1秒）。这一差异可能与两种微胶囊的化学组成有关，其中百里香微胶囊由于含有较多的酚类化合物，可能更容易与水接触并发生反应。同时，微胶囊的粘度在2.3至2.6 MPa之间，表明其在水性体系中具有良好的流动性。

粒径分析显示，两种微胶囊的粒径均在250 μm左右，表明其具有均匀的球形结构。然而，穆娜微胶囊的粒径略小于百里香微胶囊，这可能与其化学组成及微胶囊化过程中的物理条件有关。此外，微胶囊的比表面积和周长也表现出一定的差异，其中百里香微胶囊的比表面积更大（73±4 μm2），而穆娜微胶囊的比表面积较小（47±1 μm2），这可能与它们的表面结构有关。

### 颜色和光学性质

微胶囊的颜色和光学性质是评估其在食品和农业应用中重要性的关键因素。通过CIELab颜色系统对微胶囊的光学性质进行了分析，结果显示，穆娜微胶囊的L*值（代表亮度）较高（51），而百里香微胶囊的L*值较低（48.01），表明穆娜微胶囊的外观更明亮。此外，穆娜微胶囊的a*值（代表红绿轴）和b*值（代表黄蓝轴）均表现出一定的变化，这可能与精油中的化学成分及其与β-CD的相互作用有关。

研究还发现，穆娜微胶囊的褐变指数（browning index）显著高于百里香微胶囊，这可能与其在微胶囊化过程中更容易发生热氧化反应有关。然而，这种颜色变化并不影响其抗菌性能，反而可能表明其具有更丰富的化学成分，从而具备更高的应用潜力。

### 热稳定性分析

为了进一步评估微胶囊的热稳定性，研究采用了差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TGA）。DSC结果显示，穆娜微胶囊的热稳定性优于百里香微胶囊。例如，穆娜微胶囊的起始熔点为120°C，峰值温度为136°C，而百里香微胶囊的起始熔点为104°C，峰值温度为123°C。这一差异可能与两种精油的化学组成及其与β-CD的相互作用有关，表明穆娜微胶囊在高温环境下更具稳定性。

TGA分析进一步揭示了微胶囊的热降解行为。结果表明，穆娜微胶囊在微胶囊化过程中表现出较低的初始质量损失（2%），说明其能够更好地保留挥发性成分。此外，穆娜微胶囊的主要热降解发生在313°C，质量损失为78%，而百里香微胶囊的主要热降解发生在320.8°C，质量损失为35%。这些结果表明，微胶囊化能够有效延缓精油的挥发，提高其热稳定性，从而延长其在工业应用中的有效寿命。

### 结论与应用前景

本研究的结论表明，通过喷雾干燥法将百里香和穆娜精油微胶囊化，能够显著提高其在储存和应用过程中的稳定性。尽管微胶囊化会略微降低精油的初始抗菌和抗氧化活性，但其能够通过控制释放机制，延长活性成分的持续作用时间。此外，穆娜微胶囊在包封效率、产率和水活度稳定性方面均优于百里香微胶囊，表明其在食品和农业领域具有更大的应用潜力。

研究还指出，微胶囊的物理化学特性，如溶解度、润湿性、粘度和粒径，对于其在不同应用场景中的表现具有重要影响。例如，较高的溶解度和较低的水活度使得微胶囊更适合用于食品包装和抗菌涂层。此外，微胶囊的光学性质和颜色变化也提供了关于其化学组成和稳定性的重要信息。

总体而言，本研究通过系统分析百里香和穆娜精油的化学组成、物理化学特性以及抗菌和抗氧化活性，揭示了微胶囊化在提升精油稳定性方面的重要作用。研究结果不仅为精油在食品、医药和化妆品行业的应用提供了理论支持，也为开发具有可控释放特性的生物活性材料提供了实践依据。未来的研究可以进一步探索不同壁材和工艺条件对微胶囊性能的影响，以优化其在实际应用中的表现。