壁材對香草蘭精油微膠囊物性與釋放特性的影響

劉雙雙，那治國，徐 飛，初 眾，張彥軍,*

（1.中國熱帶農業(yè)科學院香料飲料研究所，海南 萬寧 571533；2.黑龍江東方學院食品與環(huán)境工程學部，黑龍江 哈爾濱 150066；3.國家重要熱帶作物工程技術研究中心，海南 萬寧 571533）

香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）是名貴的天然香料植物之一，屬于典型的熱帶經濟作物，素有“食品香料之王”的美譽[1-3]。香草蘭新鮮豆莢沒有任何特殊氣味，在進行一系列的固化后能夠產生約200 種富含香草特征風味和香氣的化合物[2]。香草蘭精油（vanilla essential oil，VO）是從其豆莢中獲得的揮發(fā)性芳香族液體，其香氣清新，具有讓人醒目的作用[4-5]，廣泛用于食品調味劑、香水和化妝品美容護理等方面[6]。然而，由于香草蘭精油的有效成分揮發(fā)性大、溶解度低，在空氣、光、濕氣和高溫條件下容易降解，這使得香草蘭精油具有芳香味揮發(fā)較快、不易加工運輸、釋放不可控制等缺點[3]。因此，有效降低香草蘭精油揮發(fā)性并提高其熱穩(wěn)定性是解決這些問題和擴大香草蘭精油應用的關鍵。

微膠囊技術是指利用天然的或人工合成的高分子化合物壁材將芯材連續(xù)、完全地包覆起來形成固體顆粒，是一種控制釋放或保護活性物質的有效方法[7-8]。由于被包覆的芯材與外界隔絕，因此可以免受氧氣、濕氣、光照、細菌等對其的影響。在適當的條件下，通過外部刺激或緩釋作用將芯材的功能呈現出來。微膠囊技術目的在于隔離兩相物質、控制釋放、改善物質的物理性質、屏蔽不良氣味，由于其粒度小，易分散和懸浮在水中形成膠體溶液[9]。壁材的功能特性是微膠囊功能特性的主要決定因素，壁材的選擇也直接影響微膠囊產品的功能特性、工藝條件和成本，因此，壁材的選擇尤為重要[10-13]。Yang Ziming等利用殼聚糖為壁材，制備了包埋率為92%的香草蘭精油微膠囊[3]。肖作兵等以殼聚糖和三磷酸鈉為壁材，制備了粒徑為100 nm左右，但包埋率為25.56%的微膠囊[14]。雖然前人在香草蘭精油微膠囊方面做了初步研究，但普遍存在成本較高且實驗條件不易控制、不適合連續(xù)生產、包埋率低等問題，缺乏產業(yè)化生產的技術參數。本課題組前期研究發(fā)現菠蘿蜜種子淀粉可以成為香草蘭精油包埋的良好壁材，但存在緩釋性能較差的問題，不適合工業(yè)化生產應用。

因此，本實驗利用不同壁材以及壁材組合對香草蘭精油進行包埋，采用噴霧干燥和冷凍干燥的方式制備香草蘭精油顆粒，通過對微膠囊形態(tài)表征、包埋率、緩釋性及溶解性的比較，最終篩選出包埋香草蘭精油的最適壁材，以期為工業(yè)化生產香草蘭精油微膠囊提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

香草蘭精油 馬來西亞Rentak Timur公司；β-環(huán)糊精（β-cyclodextrin，β-CD）、麥芽糊精（maltodextrin，MD）曲阜天利藥用輔料有限公司；辛烯基琥珀酸淀粉鈉（octenylsuccinate starch sodium，OSS）、酪蛋白（casein，CS） 江西金立德食品科技有限公司；香蘭素標準品 美國Sigma公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

B-290噴霧干燥機、R-215旋轉蒸發(fā)儀 瑞士BüCHI公司； Scientz-150高壓均質機 寧波新芝生物科技股份有限公司；冰箱 合肥美菱股份有限公司；DF-101集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 予華儀器責任有限公司；Mastersizer2000 激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司；S-4800掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；高效液相色譜儀 美國安捷倫公司。

1.3 方法

1.3.1 OSS-香草蘭精油微膠囊的制備

近沸水浴糊化OSS至澄清透明溶液，加入質量分數30%的麥芽糊精糖漿混合，冷卻至45 ℃后，按芯、壁材質量比1∶4加入香草蘭精油。將混合液以10 000 r/min高速分散3 min后進行高壓均質，對所得乳狀液進行噴霧干燥，得到微膠囊粉末（VO-OSS）[15-16]。

1.3.2 酪蛋白-香草蘭精油微膠囊的制備

稱取適量的酪蛋白，近沸水浴全部溶解，加入質量分數30%麥芽糊精糖漿溶液。將精油加熱至65 ℃后加入質量分數1.0%單雙甘油脂肪酸酯、0.3%雙乙酰酒石酸單雙甘油脂肪酸酯，按芯、壁材質量比1∶4加入香草蘭精油。將混合液以10 000 r/min高速分散3 min后進行高壓均質，對所得乳狀液進行噴霧干燥，得到微膠囊粉末（VO-CS）[17]。

1.3.3 β-環(huán)糊精-香草蘭精油微膠囊的制備

60 ℃溶解30 min形成飽和β-CD溶液，冷卻至45 ℃，加入香草蘭精油。以10 000 r/min高速分散3 min后進行高壓均質，對所得乳狀液進行噴霧干燥，得到微膠囊粉末（VO-β-CD）[18-19]。

1.3.4 β-環(huán)糊精＋麥芽糊精-香草蘭精油微膠囊的制備

60 ℃溶解30 min形成飽和β-CD溶液，加入質量分數30%麥芽糊精糖漿混合，冷卻至45 ℃，加入香草蘭精油。以10 000 r/min高速分散3 min后進行高壓均質，對所得乳狀液進行噴霧干燥，得到微膠囊粉末（VO-MD）[20]。

1.3.5 4?種壁材制備的微膠囊感官指標分析

對微膠囊固體顆粒及乳狀液進行氣味、色澤及性狀進行感官評價[21]。

1.3.6 水分質量分數的測定

通過水分測定儀檢測水分質量分數，檢測溫度為室溫。

1.3.7 掃描電子顯微鏡觀察

通過掃描電子顯微鏡檢查微膠囊的表面形態(tài)。將干燥的微膠囊固定在具有雙面膠帶的金屬短棒上，并通過金濺射涂布機在高真空蒸發(fā)器中涂覆金。然后在掃描電子顯微鏡上以20 kV的加速電壓觀察樣品。

1.3.8 微膠囊粒徑測定

通過激光粒度儀對微膠囊復水體系進行檢測，稀釋體積分數為0.5%，檢測溫度為25 ℃。

1.3.9 微膠囊包埋率的測定

表面油質量分數的測定：將微膠囊用石油醚洗滌兩次。將得到的洗滌溶液轉移到預先恒質量的空燒瓶中。表面油質量分數按式（1）[22]計算。

式中：m為微膠囊質量/g；m1為干燥后空燒瓶質量/g；m2為空燒瓶質量/g。

采用堿性乙醚浸提法測定微膠囊中精油總質量分數（式（2））；包埋率按式（3）計算。

1.3.10 微膠囊乳液穩(wěn)定性測定

取一定量均質后的乳狀液裝入帶有刻度的試管中，常溫靜置24 h，觀察分層情況，讀取游離水層體積[13]，乳液穩(wěn)定性按式（4）計算。

1.3.11 微膠囊的溶解度測定

將微膠囊粉末加入蒸餾水后離心，傾去上清液。將沉淀轉移至已知質量的器皿中，置于105 ℃烘干至恒質量，至前后兩次質量差不超過1 mg[16]，按式（5）計算微膠囊溶解度。

式中：m為樣品質量/g；m1為器皿質量/g；m2為器皿與微膠囊中不溶物質量/g；ω為樣品水分質量分數/%；

1.3.12 微膠囊的緩釋性分析

將微膠囊置于60 ℃烘箱中，模擬動態(tài)釋放條件。利用高效液相色譜法每隔1 d測定精油以及微膠囊產品中香蘭素的保留率。具體參考朱紅梅等[23-24]的方法并作適當修改。用無水乙醇溶解1.0 g樣品并定容至25 mL后，上清液離心后用0.45 μm膜過濾，裝入樣品瓶待測。高效液相色譜條件：ZORBAX Eclipse Plus反相C18柱（100 mmh4.6 mm，3.5 μm）；進樣量5 μL；檢測器檢測波長280 nm；流速1.0 mL/min；柱溫30 ℃；流動相20%甲醇和80%醋酸水（體積分數0.5%醋酸）等梯度洗脫。用外標法進行定量分析[27]。

標準品溶液的配制：準確稱取香蘭素標品25 mg，用流動相（甲醇和體積分數0.5%醋酸水等比例混合溶液）溶解后，定容至25 mL棕色容量瓶并搖勻，即得到1 mg/mL的標準液。從中分別吸取出上述標準液?0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL裝入10 mL容量瓶中并定容至刻度，為10、20、30、40、50 μg/mL標準系列溶液，質量濃度由低到高依次進樣。

1.4 數據處理與分析

所有實驗均進行3?次重復，數據以平均值±標準差表示。采用SPSS 21.0.1軟件中單因素方差分析法進行顯著性分析，采用Origin 8.5軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 微膠囊感官評價分析

表1 微膠囊感官評價得分Table1 Sensory characteristics of vanilla oil microcapsules

圖1 微膠囊外觀性狀Fig.1 Visual appearance of microcapsules

如表1、圖1所示，通過4?種不同的壁材制備的香草蘭精油微膠囊顏色分別為乳白色、乳白色、乳黃色、淺黃色，且都是均勻的粉末顆粒，分散性好，均具有香草味。4?組微膠囊的溶解性較好，不加熱或稍微加熱即可溶解，無結塊、無粘壁，沖泡性較好，沖調后的乳狀液表面無油滴。因此微膠囊的感官指標性能良好。以OSS為壁材制備的微膠囊具有更好的沖泡性和溶解性且成本較低，將其作為食品添加劑或營養(yǎng)保健品應用到各個領域具有很好的潛力。陳琳[16]也報道了以變性淀粉包埋的紫蘇油適合工業(yè)化生產。

2.2 掃描電子顯微鏡觀察結果

圖2 微膠囊掃描電子顯微鏡圖Fig.2 SEM images of microcapsules

如圖2所示，以β-CD為壁材制備的微膠囊，外形為塊狀，顆粒較分散，存在黏連的現象（圖2A）；以MD為壁材制備的微膠囊呈塊狀，顆粒分散較均勻，部分有黏連（圖2B）；以OSS為壁材制備的微膠囊，表面結構光滑，呈球狀（圖2C）；以CS為壁材制備的微膠囊，呈球形，表面較光滑（圖2D）。根據Chen Qiong等[25]的報道，噴霧干燥的顆粒大部分呈球形規(guī)則的形狀；但Hundre等[26]指出，復配壁材中加入β-CD后，微膠囊的結構呈現出玻璃塊狀且表面結構孔隙較多。本實驗結果與Chen Qiong[25]及Hundre[26]等的報道一致。如圖2所示，VO-β-CD、VO-MD呈現出非球型的玻璃塊狀，VO-OSS、VO-CS呈現球狀。產生差異一方面是由于不同壁材所具有的不同結構性質造成；另一方面是制備工藝條件的不同也會造成微膠囊形狀的不同[26]。圖2表明利用OSS和CS為壁材制備的微膠囊表現出光滑的表面，沒有裂縫，展現出更好的包合效果，這更有利于對芯材的保護，能夠制備出低滲透率、高保留率的微膠囊產品。

2.3 產率、包埋率分析

微膠囊的包埋率是評價包合效果的重要指標，它能夠反映芯材被包埋的程度。產率則是生產過程中衡量成本的重要依據。如圖3所示，VO-MD、VO-CD、VO-CS、VO-OSS的產率分別為71.37%、73.825%、83.92%、84.17%，對應的包埋率分別為61.18%、64.33%、79.35%、78.04%。Hundre等[26]的報道指出，包埋率和產率呈正相關的趨勢增長。本實驗結果顯示VO-CS的包埋率為79.35%，由于在制備VO-CS過程中加入乳化劑，賦予精油更好的流動性和分散性，提高了包埋率。而在加入乳化劑時需要加熱精油，從而導致精油的有效成分揮發(fā)，降低產率。VO-MD的微膠囊產率和包埋率分別僅為71.37%、61.18%，這可能與β-CD的空間結構有關。根據Partanen等[19]的報道，當芯材的分子質量與β-CD空腔體積一致時，才能達到好的包埋效果。在制備VO-MD樣品時，由于精油中有效成分較多，分子質量差異較大，限制了芯材進入壁材的空腔中，因此降低了微膠囊的產率和包埋率。而MD與β-CD的結合度不夠，在干燥過程中產生薄膜依附在微膠囊的表面，從而影響產品的收集，降低了產率。在制備VO-CS樣品時，乳化劑的添加使精油中揮發(fā)性物質含量減少，因此VO-CS風味損失較大。OSS本身具有乳化性和成膜性，且黏度低[27]，有利于濕膠囊的干燥，因此在保留芯材風味的同時具有較高的產率和包埋率。

圖3 微膠囊的產率、包埋率Fig.3 Yields and encapsulation rates of microcapsules

2.4 粒徑分布

圖4 微膠囊的粒度分布Fig.4 Particle size distribution of microcapsules

粒徑是評價微膠囊乳液體系質量的一個重要參數，粒徑小的乳液更有利于被人體吸收，能夠擴大應用范圍。如圖4所示，微膠囊的粒度呈正態(tài)分布，VO-OSS、VO-CS、VO-MD、VO-CD的平均粒徑分別為194.4、251.2、411.8、473.7 nm。由于冷凍階段冰晶團聚，VO-CD顆粒顯示最高的平均粒徑為473.7 nm；另一方面，2.2節(jié)結果顯示VO-CD、VO-MD黏連嚴重，從而導致平均粒徑高。陳巖等[28]的報道指出，粒徑也是影響包埋率主要的因素之一，粒徑小則包埋率會隨之增高。結合2.4節(jié)結果，VO-OSS的表面油含量較低，有效地降低了顆粒平均粒徑。本實驗中噴霧干燥得到的VO-OSS、VO-CS粒度分散均勻，表明粒度集中在平均粒徑190、250 nm左右。微膠囊粒徑產生差異的原因一方面由于制備過程中水分瞬間蒸發(fā)的速率不同導致顆粒產生不同的收縮力度，從而得到不同粒徑的微膠囊；另一方面由于乳狀液的粒徑受制備工藝的影響，均質壓力高、乳化時間長、分散速度快從而得到粒徑較小的微膠囊產品[29]。因此，壁材的結構性質顯著影響微膠囊產品的形狀、大小和總體結構。

2.5 水分質量分數分析

圖5 微膠囊的水分質量分數Fig.5 Moisture contents of microcapsules

如圖5所示，V O-O S S的水分質量分數最高（1.76%），VO-MD的水分質量分數最低（1.01%），這是由于MD具有較強的吸濕性所致。根據Tonon等[30]的報道，干燥過程中的主要驅動力是溫度差，因此溫度差越大干燥程度越高。但4?種壁材制備的微膠囊產品水分質量分數都不超過5%，表示產品在貯藏過程中不易發(fā)生霉變，不易吸潮結塊，均有利于貯藏。

2.6 乳液穩(wěn)定性及溶解度分析

圖6 微膠囊的乳液穩(wěn)定性、溶解度Fig.6 Emulsion stability and solubility of microcapsules

微膠囊乳液穩(wěn)定性、溶解度結果如圖6所示，結果顯示，VO-β-CD、VO-MD、VO-CS、VO-OSS的乳液穩(wěn)定性分別為66.67%、72.76%、95.37%、97.82%，對應的溶解度分別為64.14%、69.22%、93.50%、96.31%。根據Zhang Yating等的報道，溶液的穩(wěn)定性與壁材的性質有關，壁材溶解后出現沉淀分層，則微膠囊乳液的穩(wěn)定性也較差[31]。本實驗中，VO-MD在制備過程中加入MD后，降低了壁材的黏度，提高了乳液穩(wěn)定性和溶解度。陳琳指出，利用噴霧干燥方式制備的微膠囊產品要求壁材具有良好的乳化性、成膜性及干燥特性[16]。由于VO-CS中加入了乳化劑，乳液穩(wěn)定性和溶解度分別為95.37%、93.50%，表現出較好的乳化性。由于OSS本身就具有較強的乳化能力和成膜性，且在水溶液中易分散，因此乳狀液穩(wěn)定性及溶解度都最高，分別達到97.82%和96.31%。此外，粒徑越小，越有利于粉末顆粒的溶解，這與2.4節(jié)結果一致。

2.7 緩釋性分析

圖7 微膠囊的緩釋性Fig.7 Sustained-release properties of microcapsules

如圖7所示，在VO-OSS、VO-MD、VO-β-CD、V O-C S、V O中，1 0 d后香蘭素的保留率分別為（5 5.8 5 f1.1 0）%、（5 4.6 2 f1.3 0）%、（5 4.2 4 f 1.3 0）%、（5 0.9 2 f1.2 0）%、（21.90f0.90）%。VO-CS、VO中香蘭素的保留率具有顯著性差異（P＜0.05）；VO-OSS、VO-MD、VO-β-CD中香蘭素的保留率差異不顯著（P＞0.05）。未包埋的精油第7天時，香蘭素的保留率為25%，之后趨勢趨于平緩，微膠囊中香蘭素的保留率有相同的變化趨勢，但幅度明顯減小，在10 d后測得香蘭素保留率仍然大于50%。這是由于壁材形成的網狀結構將精油包覆其中，減少了精油與環(huán)境的接觸，能夠有效地控制精油的釋放[32]。在前6 d香蘭素釋放較快，這是由于在制備過程中精油中有效成分少部分依附在微膠囊的表面，表面的精油優(yōu)先釋放出來[31,33]。而后釋放速率降低，則需通過外部刺激將內部精油釋放出來。Wang Qin等[20]的報道指出，包埋率低的微膠囊產品緩釋性也相對較差。但本實驗結果與之相反，以酪蛋白為壁材的微膠囊產品的包埋率高，但緩釋性卻最差，這可能是由于制備過程中的溫度影響了釋放速率，溫度高致使微膠囊中精油中有效成分快速揮發(fā)。結合2.2、2.4節(jié)結果，表面結構光滑、粒徑小則形成的微膠囊結構致密，壁材的孔隙度相對較小，香蘭素的釋放速率也較緩慢。因此，以OSS為壁材的微膠囊產品顯示出更好的緩釋效果。

3 結 論

本實驗通過對比分析4?種不同壁材制備的香草蘭精油微膠囊產品的差異，根據實驗結果得出以下結論：相比于其他3?種壁材，以OSS為壁材的微膠囊產品具有更好的包埋效果，其產率、包埋率、溶解度、乳液穩(wěn)定性分別為84.17%、78.04%、96.31%、97.82%，平均粒徑為190 nm，顯微鏡結構顯示微膠囊表面結構光滑、呈球形，在貯藏過程中緩釋效果最好，故將其作為食品添加劑具有很好的潛力。通過對比4?種微膠囊的所有指標，OSS可以作為制備香草蘭精油較佳的壁材。另外由于OSS價格低，適合應用到連續(xù)工業(yè)生產，不僅可以降低生產成本，而且能夠生產出性能優(yōu)良的微膠囊產品。