正交試驗法優(yōu)選煙草香精的β-環(huán)糊精微膠囊制備工藝

楊繼，陸欣宇，朱瑞芝，劉春波，何沛，劉志華

1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心（昆明 650231）；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)香精香料技術(shù)與工程學(xué)院（上海 201418）；3.上海香料研究所（上海 200232）

煙草香精的香氣成分通常組成復(fù)雜、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定且揮發(fā)性強，若未經(jīng)特殊處理，在貯藏過程中往往易受環(huán)境影響而導(dǎo)致呈香物質(zhì)的揮發(fā)與香氣品質(zhì)的劣化[1]，嚴(yán)重影響加香產(chǎn)品的抽吸品質(zhì)和貨架期。

微膠囊技術(shù)[2]系利用天然或合成的壁材物質(zhì)將功能性芯材包裹成微小粒子形態(tài)。通過微膠囊技術(shù)對香氣成分進行包埋后，可以延緩其揮發(fā)和變質(zhì)過程，實現(xiàn)提高緩釋性和穩(wěn)定性的目的[3]。例如，采用油脂、蛋白和膠質(zhì)等作為壁材制備的益生菌微膠囊可以顯著提高活菌含量，增加對酸性消化環(huán)境抗性，延長益生菌保留時間，因此，在食品工業(yè)中已被廣泛應(yīng)用[4]。

在新型煙草制品領(lǐng)域，最近我們首次創(chuàng)新性地將β-環(huán)糊精為壁材的煙草香精微膠囊應(yīng)用在電子煙煙油中，有效改善了電子煙逐口抽吸香氣和煙堿減弱的問題，延長了電子煙煙液的保存時間、提升了抽吸的感官質(zhì)量[5]。

由于煙草香精成本較高，為實現(xiàn)規(guī)?；苽?，有必要進一步優(yōu)化其制備工藝，以提高微膠囊的包埋率和產(chǎn)率。在前期研究基礎(chǔ)上，對通過飽和水溶液法制備煙草香精的β-環(huán)糊精微膠囊進行包埋；利用紅外光譜驗證包合物的形成；采用正交試驗篩選最佳制備工藝參數(shù)并進行驗證試驗；對微膠囊煙草香精貯藏緩釋性能進行考察，為其在煙草加香應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

β-環(huán)糊精（食品級，上海阿達瑪斯試劑有限公司）；煙草香精（上海香料研究所自制）；氯仿（分析純，上海阿達瑪斯試劑有限公司）；二氯甲烷（分析純，上海阿達瑪斯試劑有限公司）。

Cary-50紫外見分光光度儀（美國瓦里安有限公司）；VERTEX-70傅里葉紅外光譜分析儀（簡稱FTIR，德國 Bruker 公司）；ME-104E分析天平（梅特勒-托利多國際股份有限公司）；524G恒溫磁力攪拌器（上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 微膠囊的制備及其產(chǎn)率測定

基于實際規(guī)模化生產(chǎn)條件考慮，選擇水相法進行制備[6]：將煙草香精與β-環(huán)糊精的混合物按照一定質(zhì)量比（1∶3，1∶5，1∶7）加入去離子水充分分散，添加完畢后，維持50 ℃繼續(xù)攪拌反應(yīng)8 h。將析出的固體過濾、洗滌和干燥，得到微膠囊煙草香精，稱其質(zhì)量并按式（1）計算產(chǎn)率。

1.2.2 微膠囊中煙草香精的標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

按照參考文獻[7]方法，配制質(zhì)量濃度分別為0，0.2，0.4，0.6，0.8和1.0 mg/mL的煙草香精氯仿溶液，在最大吸收波長處測其吸光度。然后取煙草香精溶液的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制其標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 微膠囊中煙草香精含量的測定與包埋率的計算

取0.5 g微膠囊煙草香精溶于200 mL水，用二氯甲烷萃取3次，合并油層蒸除溶劑，用氯仿定容至50 mL，在最大吸收波長處測其吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算濃度，得到煙草香精含量。用參考文獻[8]方法，按式（2）計算包埋率。

1.2.4 微膠囊包合物的驗證

取煙草香精、微膠囊煙草香精、空白環(huán)糊精樣品，分別用KBr壓片后進行紅外光譜的掃描（掃描范圍400～4000 cm-1、分辨率2 cm-1、次數(shù)32次）。通過比較紅外光譜區(qū)吸收峰差異，驗證包合物的形成[9]。

1.2.5 評價指標(biāo)與正交試驗設(shè)計[10]

綜合多指標(biāo)進行加權(quán)評價，可較全面地反映微膠囊煙草香精的制備情況，有助于更好優(yōu)化工藝參數(shù)水平。包埋率是衡量微膠囊包埋效果的重要指標(biāo)，一般包埋率越高，則煙草香精的包埋效果越好，對煙草香精穩(wěn)定性提高效果愈大。產(chǎn)率在實際生產(chǎn)中也具有重要意義，在投入量確定的情況下，產(chǎn)率越高，則原料的有效利用率越高。因此，綜合評分加權(quán)處理時，將主要指標(biāo)包埋率與次要指標(biāo)產(chǎn)率的權(quán)重系數(shù)分別定為0.7與0.3，以試驗中獲得的最大包埋率和最大產(chǎn)率數(shù)值為基準(zhǔn)，進行綜合分的加權(quán)折算，綜合分按式（3）計算。

根據(jù)前期預(yù)試驗進行條件優(yōu)化，選取影響包埋工藝的芯壁比（A）、包埋溫度（B）、攪拌時間（C）為因素，采用 L9(33)正交表開展三因素三水平的正交試驗。基于微膠囊包埋率和產(chǎn)率的綜合分為評價指標(biāo)，確定最佳制備參數(shù)，正交因素水平方案見表1。

表1 正交因素水平表

1.2.6 驗證試驗

按照正交試驗得到的最佳工藝，進行3組平行試驗，對微膠囊煙草香精的包埋率與產(chǎn)率進行分析。

1.2.7 穩(wěn)定性與緩釋性能評價[11]

在20 ℃恒溫下，以等當(dāng)量液體煙草香精為參比，分別在第0，第30，第60和第90天觀察微膠囊煙草香精外觀性狀，并測定微膠囊質(zhì)量變化和煙草香精保留率，對其儲存期間的穩(wěn)定性與緩釋性能進行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與擬合方程

煙草香精的紫外光譜及其標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

圖1 煙草香精標(biāo)準(zhǔn)曲線（下圖為煙草香精紫外光譜）

從圖1的下圖可以看到，煙草香精的紫外光譜在277 nm處有一最大吸收波長。基于此波長測定最大吸光度（A）與質(zhì)量濃度（C）的關(guān)系，通過線性回歸可以得到方程：A=0.31386C-0.00195，其相關(guān)系數(shù)R2=0.9993，表明標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合效果良好，可以用此方程計算煙草香精包埋量及包埋率。

2.2 微膠囊的紅外表征

環(huán)糊精、煙草香精、煙草香精微膠囊的紅外光譜圖如圖2所示。

由圖2可以看到，煙草香精微膠囊呈現(xiàn)與β-環(huán)糊精具有大致相似的紅外光譜圖形，但特征峰位置不完全一致。原料β-環(huán)糊精位于3227，2921和1654 cm-l的特征紅外吸收峰在煙草香精微膠囊中分別向短波數(shù)方向移動至3160，2910和1644 cm-l，峰強度也有所增加，表明有新的物相生成。原料煙草香精位于2859，1710和1659 cm-l的特征紅外吸收峰在煙草香精微膠囊中均已消失，這可能是因為β-環(huán)糊精包埋了煙草香精后使其振動受阻所致。

圖2 環(huán)糊精（A）、煙草香精（B）、煙草香精微膠囊（C）的紅外光譜圖

上述變化充分說明，β-環(huán)糊精與煙草香精存在主客體的分子間相互作用，形成了基于氫鍵連接的微膠囊包埋物。

2.3 正交試驗結(jié)果分析

不同因素與水平下試驗對應(yīng)的包埋率、產(chǎn)率、綜合分及其均值與極差結(jié)果見表2，方差分析的結(jié)果列在表3中。

表2 試驗設(shè)計與結(jié)果

表3 方差分析

從表2中極差R的數(shù)值看，因素A的極差最大，其次是因素B，因素C的極差最小。結(jié)合表3的方差分析來看，因素A對產(chǎn)物綜合評分影響極顯著，而因素B和因素C對產(chǎn)物綜合評分影響相對不顯著。從表2各因素列中均值大小來看，影響最大的水平為A3、B1、C3。綜上，各因素對微膠囊煙草香精綜合評分由高到低的影響依次為芯壁比＞包埋溫度＞攪拌時間。綜上，制備工藝參數(shù)的最優(yōu)組合方案為芯壁比1∶7、包埋溫度30 ℃，攪拌時間8 h。

由于9組正交試驗中并未試驗到優(yōu)選工藝條件，因此需要按照制備工藝參數(shù)的最優(yōu)組合方案進行驗證試驗，結(jié)果見表4。

表4 最佳工藝條件驗證結(jié)果

由表4可知，煙草香精的平均包埋率為61.1%、相對標(biāo)準(zhǔn)差為1.4%（n=3）；微膠囊煙草香精的平均產(chǎn)率為86.4%、相對標(biāo)準(zhǔn)差為0.9%；綜合分的平均值為98.19、相對標(biāo)準(zhǔn)差為1.7%，且包埋率、產(chǎn)率和綜合分的相對標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值均小于2%。以上數(shù)據(jù)表明驗證試驗與正交試驗的結(jié)果相符合，微膠囊煙草香精的制備工藝合理、穩(wěn)定、可控，優(yōu)化后達到最佳水平。

2.4 穩(wěn)定性與緩釋性能評價

微膠囊煙草香精的緩釋性能測定結(jié)果如表5所示。

表5 微膠囊煙草香精的緩釋性能

由表5可知，微膠囊煙草香精放置90 d后仍為黃色干燥粉末狀，外觀性狀基本無變化。90 d后，微膠囊的質(zhì)量從初始的1.000 g隨貯藏時間延長而緩慢下降至0.987 g，煙草香精保留率為85.3%，表明其包埋的煙草香精處于非常緩慢的釋放過程。形成鮮明對比的是，同樣條件下放置的液體煙草香精參比物在8 d后即完全揮發(fā)。

3 結(jié)論

研究采用飽和水溶液法制備微膠囊煙草香精，通過紅外光譜驗證了β-環(huán)糊精對煙草香精包合物的形成。以包埋率和產(chǎn)率的加權(quán)綜合分為指標(biāo)，采用正交試驗設(shè)計優(yōu)化制備參數(shù)條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各因素對微膠囊煙草香精綜合評分由高到低的影響依次為芯壁比＞包埋溫度＞攪拌時間，其中芯壁比是主要影響因素。獲取并驗證得到的最優(yōu)參數(shù)組合為芯壁比1∶7、包埋溫度30 ℃、攪拌時間8 h。在該條件下，微膠囊煙草香精的平均包埋率為61.1%，平均產(chǎn)率為86.4%。緩釋性能評價表明，膠囊煙草香精為流動性良好的黃色干燥粉末，放置90 d后性狀不變，煙草香精保留率為85.3%，總體上具有較好的緩釋性能，適合進行規(guī)模化制備。