GC-MS測定復(fù)凝聚結(jié)合噴霧干燥法制備蔥油香精微膠囊的熱穩(wěn)定性

劉楠楠，陳雪峰

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，西安 710021)

食用香精作為食品添加劑的重要組成部分,在焙烤行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，但焙烤溫度一般在200 ℃左右，香精的風味成分極易被高溫破壞，從而影響產(chǎn)品品質(zhì)[1]。因此，可以對食用香精進行微膠囊化，保護香精的風味成分，提高其熱穩(wěn)定性。本文用蔥油香精為原料，使用復(fù)凝聚法對蔥油香精進行初次包埋，其優(yōu)點是產(chǎn)品在水中仍能保持微膠囊形態(tài)，經(jīng)固化劑處理后，壁膜能夠形成穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在高溫下壁膜不易破裂，復(fù)水后微膠囊狀態(tài)得以保存，芯材便不會因為囊壁的破裂而揮發(fā)損失，再由噴霧干燥法作為二次包埋的方法，最終形成雙層壁膜，這樣芯材逸出的阻力大大增加，極好地鞏固了微膠囊在高溫下的熱穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

蔥油香精：深圳美醇特香精香料有限公司；阿拉伯膠：浙江一諾生物科技有限公司；食用明膠：深圳市振芯嘉貿(mào)易有限公司；谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶：泰興市東圣食品科技有限公司；氫氧化鈉(分析純)：天津市天力化學(xué)試劑有限公司；食用乙酸、麥芽糊精：市購。

FA-B電子天平 上海榮宣儀器有限公司； 蔡司EVO18掃描電子顯微鏡；XS-402相差顯微鏡；PHS-25精密數(shù)顯臺式酸度計；L530離心機；DHG-9013A型鼓風干燥箱；MJ-250BP02A電動攪拌機；RGLWD1順流立式噴霧干燥塔。

1.2 實驗方法

1.2.1 蔥油香精微膠囊的制備方法[2]

在一定濃度的阿拉伯膠水溶液中，按一定芯壁比加入蔥油香精進行均質(zhì)乳化，再加入一定濃度的明膠水溶液，均質(zhì)后加熱到45 ℃，置于45 ℃下20 min，將10%的食用乙酸緩慢滴加到混合體系中調(diào)pH到一定范圍，此時壁材開始圍繞芯材液滴凝聚并形成微膠囊，緩慢攪拌1 h并保持溫度在45 ℃，加入固化劑(谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶)固化12 h，加入1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)體系pH到7.0左右，離心(5000 r/min，20 min)，棄去上清液，收集濕膠囊，加入濃度為20%的阿拉伯膠和麥芽糊精混合液(阿拉伯膠∶麥芽糊精為1∶1)，通過噴霧干燥即得到蔥油香精微膠囊。

1.2.2 蔥油香精微膠囊的形態(tài)觀察

在復(fù)凝聚的工藝過程中，吸取少量微膠囊分散液，放置于載玻片上，顯微鏡10(目鏡)×40(物鏡)下觀測微膠囊結(jié)構(gòu)。通過觀察形成的微膠囊的形態(tài)、大小、壁膜厚度、破損情況等指標，制定微膠囊的品質(zhì)標準，其標準見表1和圖1。

表1 微膠囊的品質(zhì)評價標準Table 1 Quality evaluation criteria of microcapsules

圖1 微膠囊的品質(zhì)評價標準Fig.1 Quality evaluation criteria of microcapsules

注：A品質(zhì)標準為+++；B品質(zhì)標準為++；C品質(zhì)標準為+；D品質(zhì)標準為-；E品質(zhì)標準為--；F品質(zhì)標準為---。

1.2.3 微膠囊包埋效率的測定[3]

復(fù)凝聚結(jié)合噴霧干燥法最終得到干燥的具有一定流動性的微膠囊產(chǎn)品，其包埋效果用包埋效率來表示，其公式如下：

1.2.4 蔥油香精微膠囊的表面微觀結(jié)構(gòu)觀察

將少許微膠囊樣品置于掃描電子顯微鏡載物臺的雙面膠上，觀察微膠囊的表面形態(tài)(加速電壓為10 kV)[4]。

1.2.5 采用GC-MS分別在常溫下、高溫處理下(200 ℃，3 min)測定蔥油香精、蔥油香精微膠囊風味成分的變化[5]

分別稱取0.3 g蔥油香精(常溫及高溫處理后)、及0.3 g蔥油香精微膠囊(高溫處理后)，將以上3種樣品中分別加入40 mL無水乙醚，超聲萃取15 min，離心(5000 r/min,15 min)后取上清液并蒸發(fā)出部分溶劑，用無水乙醚定容至25 mL，樣品中加入適量無水硫酸鈉脫水后進行GC-MS分析。

色譜條件：色譜柱為：Agilent HP-5MS，進口樣溫度為250 ℃，柱程升溫:初始溫度為40 ℃，停留4 min，以3 ℃/min的速率一階升溫至50 ℃，以5 ℃/min的速率二階升溫至100 ℃，以8 ℃/min的速率三階升溫至230 ℃，保持8 min，流速為 0.8 mL/min。

質(zhì)譜條件：電離方式為EI+，發(fā)射電流200 μA，離子源溫度為200 ℃，電子能量70 eV，接口溫度230 ℃，檢測電壓350 V。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)凝聚法制備蔥油香精微膠囊工藝研究

2.1.1 壁材濃度對微膠囊成囊效果的影響

在阿拉伯膠∶明膠為1∶1、溫度為45 ℃、pH為4.15、芯壁比為1∶2的條件下，通過使用不同的明膠和阿拉伯膠濃度，確定壁材用量對微膠囊的影響，實驗結(jié)果見表2。

表2 不同壁材濃度對微膠囊成囊效果的品質(zhì)評價Table 2 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules with different wall materials' concentration

由表2可知，當壁材濃度為1%時，包埋效果不是很好，微膠囊雖為球形但大小不均勻，且收率較小，壁膜較??；當壁材濃度為2%時，微膠囊為圓整的球形，形狀很規(guī)則，而且大小比較均勻，壁囊較厚，包裹效果好；當壁材濃度為3%時，出現(xiàn)大量未包埋的芯材和不規(guī)則的交聯(lián)情況；當壁材濃度為4%時，芯材壁材都分散在溶液中，壁材幾乎無法圍繞芯材周圍形成微膠囊。實驗結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，濃度適中(如2%)時明膠分子和阿拉伯膠分子能夠充分、均勻接觸，從而使得壁材容易在芯材油滴周圍凝聚成囊，效果較好；當壁材濃度過低時，使得2種分子間發(fā)生聚合反應(yīng)的幾率下降，從而微膠囊的粒徑較小，收率較低，形成的微膠囊外膜薄，穩(wěn)定性差[6]；壁材濃度過高時，包埋效果也會下降，這是因為2種相反電荷的分子在高濃度時發(fā)生急劇的聚合反應(yīng)，使得囊材不能均勻分散在小油滴周圍，導(dǎo)致膠塊的產(chǎn)生。綜上可得最佳壁材濃度為2%。

2.1.2 芯壁比對微膠囊成囊效果的影響

控制壁材濃度為2%，在溫度為45 ℃，pH為4.15，通過改變壁材與芯材的比例確定芯壁比對成囊效果的影響，實驗結(jié)果見表3。

表3 芯壁比對微膠囊成囊效果的品質(zhì)評價Table 3 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules with diferent core material-wall material ratios

由表3可知，當芯壁比為2∶1時，由于芯材濃度過高，芯材分散于連續(xù)相中的乳狀液滴增加，更容易相互碰撞、聚集成不規(guī)則狀態(tài)；當芯壁比為1∶1時，微膠囊形狀大多為橢圓形，少數(shù)為不規(guī)則形，部分微膠囊中芯材液滴未被完全包埋；當芯壁比為1∶2時，形成微膠囊狀態(tài)最好，芯材液滴被完全包埋，呈球形且大小基本均一；當芯壁比為1∶3時，壁材濃度過大，帶相反電荷的壁材雖能圍繞芯材凝聚，但之間互相碰撞的幾率也增加，因此造成所形成的微膠囊形狀不規(guī)則且顆粒之間有交聯(lián)聚集現(xiàn)象，部分芯材未被包埋。

2.1.3 pH對微膠囊成囊效果的影響

固定壁材濃度為2%，芯壁比為1∶2，溫度為45 ℃，調(diào)節(jié)pH分別為3.75，3.95，4.15，4.35，包埋情況見表4。

表4 不同pH對微膠囊成囊效果的品質(zhì)評價Table 4 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules at different pH values

明膠是一種兩性蛋白質(zhì)，等電點在4.8～8.0之間[7]，當體系pH值低于等電點時，帶正電；當體系pH值高于等電點時，帶負電，而阿拉伯膠結(jié)構(gòu)中含有-COO-，是一種陰離子多糖[8]，當溶液pH≥3.0時，其分子是聚陰離子。在pH為3.75～4.15的范圍內(nèi)，隨著pH的下降，微膠囊囊壁逐漸變??；當體系pH降至3.75時，芯材液滴未被全部包埋，且囊壁很薄，隨著pH逐漸升高，囊壁逐漸變厚；當pH為4.15時，芯材被完全包埋，微膠囊囊壁厚實、無破損，顆粒大小規(guī)則；當pH為4.35時，沒有微膠囊形成。因此，體系最佳的pH為4.15。

2.2 微膠囊表面微觀結(jié)構(gòu)的觀察

圖2 蔥油香精微膠囊的表面微觀結(jié)構(gòu)(2000×)Fig.2 Surface microstructures of scallion oil essencemicrocapsules(2000×)

在明膠、阿拉伯膠濃度均為2%、芯壁比為1∶2、pH為4.15條件下得到的微膠囊通過離心收集濕微膠囊，加入二次包埋壁材進行噴霧干燥得到微膠囊產(chǎn)品，SEM觀察表面微觀結(jié)構(gòu)，見圖2。

2.3 GC-MS分析蔥油香精(常溫及高溫處理下)、蔥油香精微膠囊(高溫下)的揮發(fā)性成分

蔥油香精(常溫及高溫處理下)、蔥油香精微膠囊(高溫處理下)的揮發(fā)性成分總離子流圖見圖3、揮發(fā)性成分見表5～表7。

圖3 蔥油香精常溫及高溫處理、蔥油香精微膠囊高溫處理的揮發(fā)性成分總離子流圖Fig.3 Total ion flow diagram of volatile components ofscallion oil essence treated at room temperature andhigh temperature and treated with microcapsulesof scallion oil essence at high temperature

序號保留時間(min)名稱相對含量(%)121.623茴香腦87.2649221.492三烯丙基胺4.0481333.926環(huán)庚烯3.1208425.350二丁基羥基甲苯2.2622525.9352-氨基-5-甲基-5-苯基-2惡唑啉-4-酮1.219633.852環(huán)己烯1.1523

表6 高溫處理下蔥油香精揮發(fā)性成分分析(200 ℃，3 min)(按相對含量順序排序)Table 6 Analysis of volatile components of scallion oil essence after high temperature treatment(200°，3 min)(ranked by relative content)

續(xù) 表

表7 高溫處理下蔥油香精微膠囊揮發(fā)性成分分析(200°，3 min)(按相對含量順序排序)Table 7 Volatile component analysis of scallion oil essence microcapsules under high temperature treatment(200°，3 min) (ranked by relative content)

GC-MS分析可知，蔥油香精原料中共鑒定出相對含量大于1%的揮發(fā)性成分6種，如烯類、酮類、芳香類等物質(zhì)(見圖3和表5)，其中蔥油香精的特征風味成分茴香腦相對含量高達87%。經(jīng)過高溫處理(200 ℃，3 min)后，蔥油香精的成分發(fā)生了很大變化，產(chǎn)生了醛類、炔類、酸類等18種揮發(fā)性物質(zhì)，原因可能是在高溫作用下自身的氧化分解，酸敗及物質(zhì)間產(chǎn)生了互相反應(yīng)等一系列化學(xué)變化，而其主要的特征成分茴香腦在經(jīng)過高溫處理后已經(jīng)全部揮發(fā)殆盡(見圖3和表6),經(jīng)復(fù)凝聚噴霧干燥法制備的蔥油香精高溫處理后經(jīng)測定，相對含量大于1%的成分有9種，其中茴香腦相對含量仍為31.32%(見圖3和表7)。結(jié)果表明，蔥油香精在沒有包埋的情況下，無法耐受高溫，其特征的風味成分已經(jīng)全部喪失。經(jīng)復(fù)凝聚結(jié)合噴霧干燥包埋后，雖然在高溫下其成分發(fā)生了一定變化，但其特征的風味成分能夠得到較大的保護。

3 討論

目前文獻中報道的微膠囊產(chǎn)品主要還是以單一包埋方法為主，如噴霧干燥法、復(fù)凝聚法、分子包埋法等等，而兩種方法結(jié)合在一起的鮮有報道，提高芯材的穩(wěn)定性是制備微膠囊的主要目的，趙婕等[9]利用阿拉伯膠、麥芽糊精采用噴霧干燥法對薏米糠油進行包埋，通過TG和DSC分析了產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性，TG分析產(chǎn)品快速分解溫度在200 ℃左右，DSC分析其玻璃化轉(zhuǎn)化溫度在35.1 ℃，在常溫下基本能保持產(chǎn)品的穩(wěn)定性。強軍鋒等[10]用明膠和海藻酸鈉對維生素E進行了包埋，在150 ℃下測定了VE的保留率，結(jié)果表明微膠囊化后的保留率提高了37%。李翔宇等[11]復(fù)凝聚法和二次包埋工藝制備了DHA微膠囊，與本文不同的是其二次包埋用了離心干燥法，壁材選用了變性淀粉，僅對工藝進行了優(yōu)化。在本文中，采用復(fù)凝聚結(jié)合噴霧干燥法運用在微膠囊制備工藝上是較為新穎的一種方法，能夠彌補噴霧干燥法溶解性好，在高溫高濕環(huán)境中容易造成芯材損失的缺點。在復(fù)凝聚工藝階段，研究了壁材濃度、芯壁比、pH對復(fù)凝聚蔥油香精微膠囊包埋效果、形態(tài)的影響，得到最佳工藝為：壁材濃度為2%，芯壁比為1∶2，pH值為4.15,加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶，通過與明膠中蛋白質(zhì)分子形成共價鍵，催化蛋白質(zhì)分子間交聯(lián)，從而穩(wěn)定壁材保持微膠囊的形態(tài)。在此基礎(chǔ)上進行噴霧干燥，既能進行二次包埋，達到雙重保護，又能制成干燥的微膠囊產(chǎn)品。經(jīng)GC-MS測定了蔥油香精包埋前后的熱穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高溫處理后，蔥油香精中主要的風味物質(zhì)茴香腦從87%降至幾乎為0。而采用二次包埋法制得的微膠囊再經(jīng)過高溫處理后，雖然也有一些物質(zhì)的揮發(fā)損失，但是其中茴香腦相對含量仍有31.32%，說明此方法在高溫下對芯材能夠起到有效的保護作用。