吸潮對(duì)食用香精香料微膠囊質(zhì)構(gòu)和聲學(xué)特性的影響

萬(wàn)義，吳考，喬冬玲，錢(qián)虹，姜發(fā)堂，蹇順華，熊玲，陳勝，*，費(fèi)翔，尹嵩

（1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院菲利普斯親水膠體研究中心，湖北武漢430068；2.黃鶴樓科技園（集團(tuán)）有限公司，湖北武漢430000；3.四川三聯(lián)新材料有限公司，四川成都610000）

香精香料在日常生活及食品工業(yè)中都得到了廣泛使用，其具備的特殊香味不僅能提供愉悅的氣味[1]，也對(duì)人體健康有益。天然食用香料如生姜[2]、肉桂[3]等被發(fā)現(xiàn)含有多種抗氧化抗菌等有益成分，這些有益成分也可降低糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)并有利于相關(guān)治療[4]。關(guān)于香精成分的研究已有較多報(bào)道，例如佟亞楠等[5]針對(duì)食用香精香料中的萜烯醇酯進(jìn)行了測(cè)定；焦夢(mèng)悅等[6]對(duì)雞蛋中的香氣成分進(jìn)行了表征。

微膠囊是一類(lèi)含有壁材和芯材的固體制劑，已廣泛用于藥品、食品和保健品[7-8]，可起到掩蓋不良?xì)馕都熬忈尩男Ч⑾憔懔习竦街睆綖?μm～5000 μm的半透性或者封閉性的微膠囊，讓內(nèi)容物在特定的條件下以可控的速度釋放，可有效克服傳統(tǒng)液體香精揮發(fā)性較強(qiáng)容易損失、容易受環(huán)境因素影響造成保香困難、品質(zhì)下降等缺點(diǎn)，是食用香精香料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大方向[9]。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)微膠囊壁材配方的優(yōu)化來(lái)提高微膠囊對(duì)生物活性物質(zhì)的保護(hù)效果或者緩釋效果的研究逐漸成為熱點(diǎn)[10]。例如孫艷文等[11]對(duì)丁香精油微膠囊工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并用于豬肉保鮮。郭詩(shī)琦等[12]基于包載效果對(duì)藍(lán)莓酒肝清微膠囊的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化。張小菊等[13-17]發(fā)現(xiàn)葡甘聚糖經(jīng)羧甲基化后，溶解性、抗潮性、成膜性能等得到顯著改善，可作為空心膠囊的壁材生產(chǎn)原料。龍曉燕等[7]使用魔芋葡甘聚糖和明膠制備了空心微膠囊并進(jìn)行配方優(yōu)化，最優(yōu)配方在模擬胃液中的崩解時(shí)間較長(zhǎng)，有望成為新的胃滯留制劑。何磊等[18]根據(jù)壁材的不同分類(lèi)介紹了食用香料香精納微膠囊的制備方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。亦有部分研究者著重于微膠囊的生產(chǎn)工藝研究，提高芯材包埋效果及生產(chǎn)穩(wěn)定性。例如邱碧寧等[19]使用噴霧干燥法制備了檸檬醛微膠囊并對(duì)其穩(wěn)定性開(kāi)展了研究，為香料微膠囊的制備提供了參考。鄭義等[20]考察了噴霧干燥技術(shù)對(duì)桂花微膠囊包埋率的影響，并對(duì)壁材配比及其他工藝生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

隨著食品微膠囊研究應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入，對(duì)其品質(zhì)穩(wěn)定性的研究逐步得到重視。受生產(chǎn)工藝、儲(chǔ)運(yùn)條件、消費(fèi)環(huán)境等影響，微膠囊容易出現(xiàn)包埋效果差異、吸潮、破損等情況，不易發(fā)現(xiàn)并可能影響其消費(fèi)品質(zhì)，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。微膠囊的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)與其品質(zhì)相關(guān)[21]。Liu等[22]發(fā)現(xiàn)破碎聲強(qiáng)與胡蘿卜的質(zhì)構(gòu)特性（感官脆性）具備顯著相關(guān)性（p＜0.01）。因此可能通過(guò)檢測(cè)部分指標(biāo)（如破碎聲音強(qiáng)度和質(zhì)構(gòu)特性指標(biāo)）判斷微膠囊的品質(zhì)變化。本研究以6種食用香精香料微膠囊為對(duì)象，分析微膠囊吸潮后質(zhì)構(gòu)特性（破碎力、最大擠壓形變量）與破碎聲音強(qiáng)度的變化，為微膠囊的品質(zhì)判斷提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋葡甘聚糖：力誠(chéng)生物科技有限公司；瓊脂：食品級(jí)，環(huán)球瓊脂工業(yè)有限公司；香精（菊花味、薄荷味、藏紅花味、獼猴桃味、陳皮味、水蜜桃味）：食品級(jí)，上海旭梅香精有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BGR-350膠囊滴制設(shè)備：云南巴菰生物科技有限公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀：英國(guó)Stable Micro System公司；SM-S-1-01高精度爆珠聲響檢測(cè)儀：武漢銳致科技有限公司；AR323CN分析天平：上海奧豪斯有限公司；MDQ-30-30M數(shù)顯千分尺：Mitutoyo日本三豐公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

稱(chēng)取適量的瓊脂和魔芋葡甘聚糖加水在90℃水浴鍋中攪拌溶解，配成膠液，90℃保溫。膠液和內(nèi)相香精成分經(jīng)膠囊滴制設(shè)備制備出直徑為2.5 mm和3.5 mm的濕膠囊，經(jīng)熱風(fēng)干燥制成微膠囊樣品，如表1所示。測(cè)試開(kāi)始前，所有樣品均放置在相對(duì)濕度為57.6%或100%，溫度為25℃的環(huán)境中平衡7 d，以比較微膠囊吸潮前后條件的質(zhì)構(gòu)特性和破碎聲學(xué)性質(zhì)差異。

1.3.2 食用香精香料微膠囊物理特性

1.3.2.1 食用香精香料微膠囊直徑大小

隨機(jī)選取食用香精香料微膠囊樣品30顆，使用螺旋測(cè)微儀對(duì)微膠囊直徑進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

表1 食用香精香料微膠囊樣品Table 1 Edible flavor microcapsule samples

1.3.2.2 食用香精香料微膠囊水分含量

參照國(guó)標(biāo)GB 5009.3-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》，采用直接干燥法使用烘箱對(duì)微膠囊的水分含量進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 食用香精香料微膠囊的質(zhì)構(gòu)及聲響特性

1.3.3.1 食用香精香料微膠囊破碎力與最大形變量

參考張錦中等[23]的方法，并略作修改。由TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定食用香精香料微膠囊破碎性能。測(cè)試過(guò)程中使用的探頭為P/5型號(hào)。采用質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)為破碎力（N）、下壓感應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的壓縮比（%，即為微膠囊最大形變量）。測(cè)定參數(shù)的設(shè)置如下：

測(cè)試模式和選項(xiàng)：Compression，測(cè)試前、測(cè)試中和測(cè)試后探頭速度分別為1.00、1.00、2.00 mm/s。壓縮比設(shè)置為75.0%，觸發(fā)力為5.0 g。每種樣品至少重復(fù)30次測(cè)試。

1.3.3.2 食用香精香料破碎聲響效果測(cè)試

參考孫中雷等[24]的方法，并略作修改。使用SM-S-1-01高精度爆珠聲響檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為：環(huán)境噪音＜40 dB，下壓速度1.0 mm/s，聲音強(qiáng)度檢測(cè)范圍30 dB～120 dB，聲音數(shù)據(jù)記錄間隔0.01 s，每種樣品至少重復(fù)30次測(cè)試。按照公式（1）計(jì)算微膠囊破碎聲音強(qiáng)度 S（dB）。

式中：S0為最大聲音強(qiáng)度之前的環(huán)境噪音聲音強(qiáng)度，dB；S1為儀器運(yùn)行過(guò)程中捕獲的最大聲音強(qiáng)度，dB。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測(cè)試結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差顯示。使用SPSS 19.0和OriginPro 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用ANOVA 進(jìn)行圖基（Tukey’s）差異分析，以 p＜0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 食用香精香料微膠囊物理特性分析

食用香精香料微膠囊的百粒重和直徑大小測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 食用香精香料微膠囊樣品的物理特性Table 2 Physical properties of edible flavor microcapsule samples

由表2中數(shù)據(jù)可以看出。雖然大微膠囊和小微膠囊的設(shè)定直徑尺寸分別為3.5 mm和2.5 mm，但實(shí)測(cè)數(shù)值均存在一定差異。小微膠囊的直徑均值范圍為2.61 mm～2.92 mm，大微膠囊的直徑均值范圍為3.34 mm～3.36 mm。P-1的直徑波動(dòng)范圍最大，達(dá)到了0.35 mm。比較數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)滴制法制備該微膠囊，設(shè)定尺寸越小，則其實(shí)際尺寸大小越難控制，這與該制備方法下壁材與芯材兩相的相容性相關(guān)，需要在工業(yè)生產(chǎn)中加強(qiáng)監(jiān)控。

2.2 高濕環(huán)境對(duì)食用香精香料微膠囊水分含量的影響

微膠囊的水分含量過(guò)高將容易引發(fā)結(jié)塊、霉變等問(wèn)題[25]。微膠囊的吸潮前后的水分含量變化如表3所示。

表3 吸潮前后食用微膠囊的水分含量Table 3 The moisture content of edible flavor microcapsule samples before and after moisture absorption

在高平衡相對(duì)濕度情況下平衡7 d后，微膠囊出現(xiàn)了顯著吸潮現(xiàn)象，其含水量顯著提升，這主要是由于膠皮為親水性材料，易吸水所致，這種變化將對(duì)微膠囊的品質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。但由于微膠囊內(nèi)含揮發(fā)性香精香料成分，通過(guò)烘箱法測(cè)量微膠囊的水分易出現(xiàn)微囊破碎的情況，其水分測(cè)量并不一定準(zhǔn)確，需要引起注意。

2.3 食用香精香料微膠囊破碎性能分析

本研究選用的食用香精香料微膠囊吸潮前后的破碎力和最大形變量如圖1和圖2所示。

圖1 吸潮前后的食用香精香料微膠囊樣品破碎力Fig.1 Broken force of edible flavor microcapsule samples before and after moisture absorption

圖2 吸潮前后的食用香精香料微膠囊樣品最大擠壓形變量Fig.2 Maximum deformation percentage of edible flavor microcapsule samples before and after moisture absorption

結(jié)果表明，吸潮前，微膠囊的破碎力均值分布范圍為10.04 N～17.78 N，存在較大差異，因此使用不同芯材會(huì)對(duì)微膠囊的破碎力有顯著影響，這可能與芯材與壁材的相容性、壁材的分布均一性有關(guān)。吸潮后，微膠囊的破碎率均值分布范圍為11.53 N～16.38 N，依舊具備較大的變化范圍。吸潮后，多數(shù)微膠囊的破碎強(qiáng)度出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，這是由于微膠囊膠皮吸濕變軟后，其硬度減小，受擠壓變形后容易破碎所致。但P-1樣品的破碎強(qiáng)度變化不是很明顯，Y-2樣品的破碎強(qiáng)度出現(xiàn)了顯著上升，這可能是由于這兩類(lèi)樣品的芯材和壁材結(jié)合較為致密，且壁材厚度較為均一，在受壓之后其能較好的分散壓力，使抗壓強(qiáng)度不變或提升。同時(shí)，微膠囊的破碎力均具備較大的方差，這將影響吸潮前后數(shù)據(jù)比較。所以吸潮后，微膠囊的破碎強(qiáng)度出現(xiàn)升高、不變或降低的情況，通過(guò)微膠囊的破碎強(qiáng)度變化判斷微膠囊的儲(chǔ)藏期間的吸潮情況存在較大困難。

微膠囊的最大形變量越小，則微膠囊剛性更強(qiáng)，膠皮彈性越小，受擠壓容易破碎，影響儲(chǔ)藏穩(wěn)定性；微膠囊的形變量越大，則捏破微膠囊需要作用的距離越長(zhǎng)，微膠囊塑性強(qiáng)，不易破碎。吸潮前，6種微膠囊的最大形變量均值分布范圍為33.5%～46.5%；吸潮后，其最大形變量分布范圍為47.3%～61%。結(jié)果表明，在微膠囊吸潮以后，其耐形變能力得到了很大的提升，這是由于膠皮吸水后，水對(duì)其膠皮分子起到的塑化作用所致。6種微膠囊吸潮前后的最大形變量均值存在著較大差異，這說(shuō)明最大形變量可較好的反應(yīng)微膠囊的儲(chǔ)藏期間的吸潮變化。但同時(shí)需要注意的是，最大形變量的標(biāo)準(zhǔn)差較大，可能影響到對(duì)微膠囊吸潮程度的判斷。

2.4 食用香精香料微膠囊破碎聲音強(qiáng)度分析

當(dāng)前使用聲學(xué)特性判斷食品品質(zhì)的研究報(bào)道很少，如公茂法等[26]使用禽蛋蛋殼聲音對(duì)禽蛋品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。6種食用香精香料微膠囊的破碎聲響均值如圖3所示。

圖3 吸潮前后的食用香精香料微膠囊樣品破碎聲音強(qiáng)度Fig.3 Broken sound intensity of edible flavor microcapsule samples before and after moisture absorption

吸潮前，6種微膠囊的破碎聲音強(qiáng)度均值變化范圍為76.9 dB～83.8 dB，均較為接近，這表明微膠囊的破碎聲強(qiáng)可能主要受壁材影響。吸潮后，相應(yīng)變化范圍為65.2 dB～70.1 dB，所有樣品吸潮后的破碎聲音強(qiáng)度均有顯著下降。同時(shí)，所有的樣品的破碎聲強(qiáng)均具備較小的標(biāo)準(zhǔn)差，其結(jié)果可重復(fù)性好。因此，破碎聲音強(qiáng)度的波動(dòng)對(duì)微膠囊吸潮較為敏感，微膠囊在吸潮后，其破碎聲強(qiáng)均會(huì)出現(xiàn)顯著下降，便于比較，可將破碎聲音強(qiáng)度作為評(píng)判微膠囊儲(chǔ)藏期間品質(zhì)變化的指標(biāo)。

3 結(jié)論

對(duì)6種食用香精香料微膠囊吸潮前后的質(zhì)構(gòu)特性（破碎力、最大形變量）和破碎聲音強(qiáng)度進(jìn)行分析。結(jié)果表明在芯材不同的情況下，小微膠囊的（φ=2.5 mm）的實(shí)測(cè)直徑波動(dòng)較大，大微膠囊（φ=3.5 mm）的實(shí)測(cè)直徑和3.5 mm較為接近，因此生產(chǎn)直徑越小的微膠囊其品質(zhì)控制越難，并可能與滴制法生產(chǎn)條件下壁材和芯材的相容性相關(guān)。微膠囊樣品吸潮后，其破碎力可能降低、不變或升高，不便于判斷微膠囊吸潮情況；吸潮后，最大形變量均值顯著升高，但標(biāo)準(zhǔn)差較大，可能會(huì)影響判斷；吸潮后，微膠囊的破碎聲強(qiáng)出現(xiàn)顯著下降，且標(biāo)準(zhǔn)差小，結(jié)果準(zhǔn)確。因此可將微膠囊的破碎聲強(qiáng)作為食品香精香料微膠囊儲(chǔ)藏期間品質(zhì)劣變的判斷指標(biāo)。