正交試驗(yàn)優(yōu)化復(fù)凝聚法制備液體香精微膠囊工藝

包清彬，王春麗，孔 凌，何 洋，孫 夢

（1.西華大學(xué)生物工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都大帝漢克生物科技有限公司，四川 成都 611130）

正交試驗(yàn)優(yōu)化復(fù)凝聚法制備液體香精微膠囊工藝

包清彬1，王春麗1，孔 凌2，何 洋1，孫 夢1

（1.西華大學(xué)生物工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都大帝漢克生物科技有限公司，四川 成都 611130）

為將液體香精加工成緩釋性固體粉末香精,以明膠和海藻酸鈉為壁材,用復(fù)凝聚法制備液體香精微膠囊,以包埋率為評價(jià)指標(biāo),研究了不同因素對微膠囊制備效果的影響,通過正交試驗(yàn)優(yōu)化工藝條件。結(jié)果表明,壁材為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%明膠溶液與0.5%海藻酸鈉溶液按3∶1的質(zhì)量比混合、液體香精與壁材質(zhì)量比1∶1、復(fù)凝pH 4.0～4.5條件下,平均包埋率達(dá)92.80%,對包埋率影響最大的因素為兩壁材的比例。用石油醚浸提,與同類固體粉末香精對比考察,驗(yàn)證了所包埋的微膠囊具有較好的緩釋效果。

液體香精；微膠囊；復(fù)凝聚法；明膠；海藻酸鈉

食品及飼料中使用的香精大都為以多種單體香原料，按一定的配方復(fù)配而成，其初始狀幾乎都為液體，為使用和儲運(yùn)方便，常常需要加工成固體粉末，現(xiàn)行生產(chǎn)中主要利用糊精、二氧化硅等食品添加劑進(jìn)行混合吸附成固體粉末，但其存在揮發(fā)快，留香期短等缺陷。通過微膠囊包被將液體香精變成固體粉末香精，是液體香精固體化的理想加工方式[1-4]。目前，應(yīng)用于實(shí)際中的微膠囊生產(chǎn)技術(shù)主要有物理法的噴霧干燥法，但此方法用于揮發(fā)性的香味物質(zhì)包埋時(shí)，香氣損失較大[5]，以物理化學(xué)原理中的復(fù)凝聚法技術(shù)制造液體香精的微膠囊則更適合香精的物性。倪悅等[6]以復(fù)凝聚法制備苦瓜籽油的微膠囊，產(chǎn)率達(dá)到87.7%，并能掩蓋苦瓜籽油的部分不良風(fēng)味；韓路等[7]以復(fù)凝聚法制備蘋果多酚微膠囊，蘋果多酚的包埋率達(dá)到93.2%；不少學(xué)者也以復(fù)凝聚法對其他物質(zhì)進(jìn)行了微膠囊包埋研究[8-13]。本研究結(jié)合香精生產(chǎn)工廠實(shí)際，以市場銷售及使用最多的復(fù)合調(diào)配液體香精為研究對象，進(jìn)行復(fù)凝聚法制備微膠囊技術(shù)探討，并考察微膠囊包被后的緩釋性能，而相關(guān)研究鮮見報(bào)道。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

液體香精及固體粉末香精（液體香精為油溶性，奶香味，主要由丁二酮、乙基麥芽酚、癸酸、丁位癸內(nèi)酯、丙位癸內(nèi)酯、香蘭素、乙基香蘭素等多種香原料復(fù)配而成；固體粉末香精為相同液體香精以糊精、二氧化硅吸附而成） 成都大帝漢克生物科技有限公司；明膠、海藻酸鈉、無水乙醇、石油醚 成都市科龍化工試劑廠；Fe(NO3)3·9H2O 天津博迪化工有限公司；冰醋酸（分析純） 武漢市江北化學(xué)試劑有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JJ-1 25W增力電動攪拌器 江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；FJ-200-S高速分散均質(zhì)機(jī) 上海貝爾特電機(jī)設(shè)備有限公司；SZCL型數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；DHG-9070A恒溫干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；721型可見光分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司；XSP-30光學(xué)顯微鏡 江西鳳凰光學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

根據(jù)待包埋香精的性質(zhì)，擬定復(fù)凝聚法對液體香精進(jìn)行微膠囊包埋的基本工藝流程為:壁材調(diào)制→加入液體香精→均質(zhì)乳化→凝聚→降溫固化→調(diào)pH值至堿性→靜置分層→分離干燥。

1.3.2 濕微膠囊外形檢驗(yàn)

初始液中濕微膠囊的形成是微膠囊是否包埋好的關(guān)鍵。檢查濕微膠囊是否形成，直觀有效的檢測方法就是在顯微鏡下觀察濕微膠囊的形態(tài)。將制取的微膠囊初始溶液涂片，在16×目鏡和40×物鏡條件下觀察，當(dāng)觀察結(jié)果為黑包白圓球狀物和一些形狀不太規(guī)則的黑包白色物時(shí)，即為生成的水包油型的濕微膠囊[14]。

1.3.3 未包埋率及包埋率測定

未包埋率指未被包埋入微膠囊的囊芯物質(zhì)占所加入的全部囊芯物質(zhì)的比例。通過實(shí)驗(yàn)探討，發(fā)現(xiàn)所包埋的液體復(fù)合香精能與Fe(NO3)3發(fā)生顯色反應(yīng)（同時(shí)，對市售的10 種以上液體復(fù)合香精進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象），使原來淡黃色的香精變?yōu)樽霞t色。為此，可用分光光度法測定未包埋香精量[15]，即通過香精質(zhì)量濃度-吸光度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，測定分層后水層中的未包埋香精量，按以下公式計(jì)算包埋率:

1.3.4 微膠囊制備工藝優(yōu)化

單因素試驗(yàn)以包埋率為指標(biāo)，依次考察壁材比（明膠與海藻酸鈉質(zhì)量比）、芯壁比（液體香精與壁材質(zhì)量比）、復(fù)凝pH值對微膠囊包埋率的影響。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，用正交試驗(yàn)優(yōu)化確定工藝參數(shù)，選用四因素三水平的正交試驗(yàn)，同時(shí)考察壁材及芯材添加順序的影響。

1.3.5 微膠囊緩釋性測定

將制備的液體香精微膠囊在石油醚中進(jìn)行萃取，定時(shí)測量萃取液的吸光度，根據(jù)吸光度隨時(shí)間的變化關(guān)系，可知香精從包埋微膠囊中的滲出量（速率），根據(jù)香精從微膠囊中的滲出情況，可推斷微膠囊的緩釋情況及包埋效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 香精質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線測定

取0.4 g/100 mL的香精溶液與0.015 mol/L的Fe(NO3)3溶液各10 mL，反應(yīng)后用蒸餾水稀釋2 倍，以Fe(NO3)3溶液作為參比液，測定其在不同波長條件下的吸光度，結(jié)果如圖1所示，表明最大吸收波長為520 nm。

通過對一定質(zhì)量濃度的香精溶液添加不同量的Fe(NO3)3溶液過量反應(yīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[16]和預(yù)計(jì)的待測水層中香精的量，確定標(biāo)準(zhǔn)曲線的香精溶液質(zhì)量濃度范圍，在520 nm波長條件下測定吸光度隨香精質(zhì)量濃度的變化，得到香精質(zhì)量濃度-吸光度的線性關(guān)系為y=2.250x，R2=0.996。

2.2 工藝路線可行性及有關(guān)條件的確定

根據(jù)擬定的基本工藝路線，進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，得到了適用于此次液體香精復(fù)凝聚法制備微膠囊的可行工藝條件:選用壁材為明膠（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%）和海藻酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%）混合液，將液體香精（芯材）加入壁材中，以10 000 r/min高速分散均質(zhì)乳化10 min，并保持體系溫度為50～55 ℃,醋酸調(diào)節(jié)pH 4.0～4.5,冰水浴降溫到5～10 ℃,攪拌固化10 min,用Na2CO3溶液調(diào)至pH 9,靜置,分層,離心分離,干燥。

在此工藝條件下得到的濕微膠囊，通過顯微鏡觀察，成小而較均勻的黑包白狀，固化后的微膠囊整體較均勻，如圖2所示。

2.3 壁材比對包埋率影響

在芯壁比1∶1、復(fù)凝pH 4.0～4.5、其余操作條件同確定的工藝條件下，改變壁材比，考察其對微膠囊包埋率的影響。由圖3可以看出，壁材比為2∶1時(shí)，微膠囊包埋率達(dá)到最大，大于和低于此均有下降的趨勢。

復(fù)凝聚法是通過使兩種或兩種以上高分子材料電荷相互中和凝聚[17]，復(fù)凝聚反應(yīng)時(shí)，材料間應(yīng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤?，超過或低于該比例，都不利于復(fù)凝聚反應(yīng)，因而會影響包埋率。在pH 4條件下明膠溶液帶有正電荷[18]，而海藻酸鈉溶液具有負(fù)電荷[19]，上述試驗(yàn)結(jié)果說明，明膠與海藻酸鈉溶液較佳的凝聚反應(yīng)比例在2∶1～3∶1之間，這與參考文獻(xiàn)[12]和[20]的結(jié)果相同。

2.4 芯壁比對包埋率影響

在壁材比2∶1、復(fù)凝pH 4.0～4.5、其余操作同確定的工藝條件下，考察芯壁比對微膠囊包埋率的影響。由圖4可以看出，芯壁比為2∶1～1∶1包埋率較高。

以物理方法制備微膠囊時(shí)，一般芯壁比低（壁材多）有利于提高包埋率，而上述試驗(yàn)結(jié)果說明，以明膠和海藻酸鈉為壁材的復(fù)凝聚法制備微膠囊，過多的壁材，并不能提高包埋率。這與韓路[7]、宋雙居[20]等的研究結(jié)果一致?？赡苁且?yàn)閺?fù)凝聚法是以壁材間的凝聚及改變壁材溶解度，使壁材包敷在分散的芯材外形成微膠囊[2]，過多的壁材可能會導(dǎo)致壁材直接凝聚而出，而不是包敷在分散的芯材外，具體原因還有待進(jìn)一步的深入研究。

2.5 復(fù)凝pH值對包埋率影響

在壁材比2∶1、芯壁比2∶1、其余操作同確定的工藝條件下，考察復(fù)凝pH值對微膠囊包埋率的影響。由圖5可以看出，復(fù)凝pH值為3.5～4.5范圍包埋率較高。

2.6 工藝參數(shù)的正交試驗(yàn)優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對芯壁比（A）、壁材比（B）、復(fù)凝pH值（D）進(jìn)行正交試驗(yàn)優(yōu)化。同時(shí)，在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，兩種壁材及芯材的添加混合順序?qū)Π裥Ч绊懸脖容^大，為此，在正交試驗(yàn)中增加考察兩種壁材及芯材混合的添加順序（C），進(jìn)行4 個(gè)因素正交試驗(yàn)。以微膠囊的包埋率為考察指標(biāo)，選用L9（34）正交表，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

由正交試驗(yàn)結(jié)果的極差R可知，各因素對微膠囊包埋率影響的主次為壁材比（B）＞芯壁比（A）＞添加順序（C）＞復(fù)凝pH值（D）；通過極差分析得最佳的工藝條件組合:壁材比3∶1、明膠與海藻酸鈉溶液直接混合后再加入液體香精、芯壁比1∶1、復(fù)凝pH 4.0～4.5。

對最佳工藝條件組合做3 組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得各次包埋率為93.10%、92.80%、92.50%，平均值為92.80%，說明優(yōu)化得到的最佳因素組合可靠。

2.7 微膠囊的緩釋效果

以正交試驗(yàn)優(yōu)化組制備的微膠囊產(chǎn)品（平均包埋率92.80%）與用同一種液體香精以一般吸附法生產(chǎn)的粉末香精（工廠實(shí)際產(chǎn)品），用石油醚浸泡提取，并在520 nm波長處測定提取液吸光度，探討微膠囊包埋后產(chǎn)品緩釋情況，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可看出，一般吸附法生產(chǎn)的粉末香精，吸光度上升很快，說明香精釋放速率很快，在5 h左右達(dá)到最大釋放峰，而后略下降，可能是因?yàn)獒尫畔憔糠謸]發(fā)等原因所致。微膠囊包埋產(chǎn)品吸光度變化很緩慢，24 h后都沒有太明顯的上升，說明香精被包埋后釋放很緩慢，也進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)凝聚法微膠囊包埋香精效果較好。

3 結(jié) 論

對液體香精用復(fù)凝聚技術(shù)生產(chǎn)微膠囊方法可行，奶香味油溶性液體香精復(fù)凝聚法制備微膠囊適合的工藝條件為:明膠與海藻酸鈉質(zhì)量比3∶1、明膠與海藻酸鈉溶液直接混合后再加入液體香精、芯壁比1∶1、復(fù)凝pH 4.0～4.5。在此工藝條件下，平均包埋率可達(dá)92.80%，產(chǎn)品緩釋性較好。

影響復(fù)凝聚法微膠囊包埋率的幾個(gè)重要因素的主次為：壁 材比＞芯壁比＞兩壁材與芯材添加順序＞復(fù)凝pH值。

工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)表明，較多的液體復(fù)合香精與Fe(NO3)3有顯色反應(yīng)，因此，可以選用Fe(NO3)3溶液作為顯色劑，以顯色方法，用分光光度計(jì)對微膠囊包埋率、緩釋情況等質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行檢測，簡單而行之有效，便于生產(chǎn)實(shí)際操作。

用復(fù)凝聚技術(shù)生產(chǎn)香精香料微膠囊，可以避免噴霧干燥等方法的高溫?fù)p失問題，具有獨(dú)特的優(yōu)越性，但目前技術(shù)還不夠成熟，大規(guī)模用于生產(chǎn)實(shí)際的也不多，以上探討可為進(jìn)一步的工程實(shí)踐提供一些參考。同時(shí)，復(fù)凝聚法生產(chǎn)微膠囊最終產(chǎn)品通過常規(guī)的離心分離、干燥后，產(chǎn)品形態(tài)不好，這也是需要進(jìn)一步探討的問題。

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Application of Orthogonal Array Design to Optimize the Preparation of Liquid Essence Microcapsules by Complex Coacervation

BAO Qingbin1, WANG Chunli1, KONG Ling2, HE Yang1, SUN Meng1
(1. School of Bioengineering, Xihua University, Chengdu 610039, China; 2. DadHank (Chengdu) Biotech Corp., Chengdu 611130, China)

The preparation of sustained-release essence powder by microencapsulating liquid essence with gelatin and sodium alginate as the coating materials using a complex coacervation method was optimized for improved embedding rate using an orthogonal array design. It was demonstrated that the average embedding rate was 92.80% when the complex coacervation was carried out at pH ranging from 4.0 to 4.5 using a coating material consisting of a 3:1 (by mass) mixture of 1% gelatin and 0.5% sodium alginate with a ratio of wall material to core material of 1:1 (by mass). The ratio between the two coating materials was found to be the factor with the greatest influence on embedding efficiency. Compared with ordinary essence powder after extraction with petroleum ether, the microcapsule could be effectively released in a sustained manner.

liquid essence; microencapsulation; complex coacervation; gelatin; sodium alginate

TS264.3

A

10.7506/spkx1002-6630-201510007

2014-10-07

教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(Z2012018)

包清彬(1962—),男,教授,碩士,研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)與糧食工程。E-mail：bao717@126.com