不同壁材對超聲波噴霧-冷凍干燥制備香味緩釋微膠囊的影響

趙 鳳，鄭 旭，周 政，黃旭輝，秦 磊

（大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，國家海洋食品工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116034）

微膠囊技術(shù)是食品加工中常用的方法，在國際上被廣泛認(rèn)可，也被視為二十一世紀(jì)開發(fā)研究的重點(diǎn)技術(shù)之一[1]。微膠囊可作為揮發(fā)性物質(zhì)的屏障，具有延遲風(fēng)味物質(zhì)釋放的作用，從而使風(fēng)味留存更久[2]。將微膠囊化工藝應(yīng)用于咖啡[3]、蛋糕[4]、肉制品[5]等食品中，對于延長食品風(fēng)味均達(dá)到良好的效果。

不同揮發(fā)性物質(zhì)在微膠囊中的保留能力與其本身分子直徑、分子結(jié)構(gòu)以及不同的壁材等因素有重要關(guān)系。其中，選擇制作微膠囊的壁材，是研發(fā)人員在食品生產(chǎn)中最為關(guān)注的重點(diǎn)。微膠囊壁材在微觀結(jié)構(gòu)上能夠形成致密的球型，可以使被包埋物質(zhì)有效避免光、氧和高溫等外界因素的不利影響，防止食品成分之間過早地相互作用，減少揮發(fā)性物質(zhì)的損失，并且能夠在特定條件下控制揮發(fā)性物質(zhì)釋放[6-8]。壁材的化學(xué)官能團(tuán)、溶解度、極性和揮發(fā)性決定了核心化合物的保留程度[9]。一般選用碳水化合物、脂類和蛋白質(zhì)等類似物質(zhì)作為微膠囊壁材，從而達(dá)到保留風(fēng)味物質(zhì)的效果[10]。其中，碳水化合物類壁材具有良好的溶解性和較低的黏度；蛋白質(zhì)類壁材可以很好地促進(jìn)乳液液滴聚合形成固體膜；脂質(zhì)類壁材抗氧化性較好，但制備微膠囊的效率不高，很少被應(yīng)用[11]。目前的研究中，鮮見不同壁材對揮發(fā)性物質(zhì)保留能力的系統(tǒng)性研究和評價(jià)。

干燥是制作微膠囊的工藝核心。干燥通常可避免化合物的生物降解，降低儲存和運(yùn)輸成本，并通過降低液體產(chǎn)品的水分活度和含水量達(dá)到抑制微生物活性的目的[12]。在現(xiàn)有的食品干燥技術(shù)中，冷凍干燥能夠相對較好地保留食品風(fēng)味，但成本較高[13-14]。熱風(fēng)干燥和噴霧干燥技術(shù)的高溫條件會導(dǎo)致?lián)]發(fā)性成分極易丟失[15-17]，故在微膠囊加工中應(yīng)用較少。超聲波噴霧-冷凍干燥技術(shù)結(jié)合噴霧干燥和冷凍干燥的優(yōu)勢，降低工藝成本，增大干燥接觸面積，最終形成微膠囊粉體，從而減少揮發(fā)性成分的流失。因此，超聲波噴霧-冷凍干燥技術(shù)在微膠囊的研制方面逐漸被廣泛應(yīng)用[18]。

本研究利用實(shí)驗(yàn)室搭建的超聲波噴霧冷凍干燥器，選擇食品領(lǐng)域常見的7 種壁材，對32 種風(fēng)味標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行包埋，通過比較不同壁材的微觀結(jié)構(gòu)、包埋量和釋放效果，對不同壁材進(jìn)行評價(jià)和篩選，為方便食品的風(fēng)味保留提供可行思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

β-環(huán)糊精（食品級，99%）、γ-環(huán)糊精（食品級，98.5%）、明膠（食品級，99%）、殼聚糖（食品級，99%）、葡聚糖（食品級，99%）、海藻糖（食品級，99%）、辛烯基琥珀酸淀粉鈉（食品級，99%）、苯乙烯（98%）、己酸甲酯（99.5%）、苯甲醛（99.5%）、二甲基三硫（98%）、苯甲腈（99.5%）、甲基庚烯酮（98%）、月桂烯（90%）、己酸乙酯（99%）、雙戊烯（95%）、苯甲醇（99.9%）、(E)-2-辛烯醛（95%）、苯乙酮（98%）、正辛醇（99.5%）、苯甲酸甲酯（98%）、壬醛（96%）、2-苯乙醇（99.5%）、1,2,4,5-四甲苯（99.8%）、乙酸糠硫醇酯（99%）、乙酸芐酯（99.7%）、L-薄荷醇（99.5%）、4’-甲基苯乙酮（98%）、L-香芹醇（97%）、香茅醇（99%）、苯并噻唑（96%）、香葉醇（99%）、檸檬醛（97%）、麝香草酚（99.9%）、椰子醛（98%）、1,3-二甲基萘（95%）、乙位紫羅蘭酮（97%）、十七烷（99.5%）、十八烷（99.5%）上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氘代正構(gòu)壬烷（98%）、氘代正構(gòu)十二烷（98%）、氘代正構(gòu)十三烷（98%）、氘代正構(gòu)十六烷（98%）、氘代正構(gòu)十九烷（98%）美國CIL公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DF-191S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、HH-S水浴鍋鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；電熱恒溫干燥箱上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；冷凍干燥機(jī) 沈陽航天新陽速凍廠；HYC-390海爾醫(yī)用冷藏箱 青島海爾特種電器有限公司；ADL310小型噴霧干燥器 日本Yamato公司；SU8010/PP3010T冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡日本Hitachi公司；PEN33電子鼻 德國Airsense公司；7890B/7010B氣相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀 安捷倫科技（中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

稱取7 種微膠囊壁材（β-環(huán)糊精、γ-環(huán)糊精、明膠、殼聚糖、葡聚糖、海藻糖、辛烯基琥珀酸淀粉鈉）各2 g添加到100 mL水中，40 ℃加熱使之完全溶解后，再加入10 μL揮發(fā)性風(fēng)味化合物標(biāo)準(zhǔn)品（混標(biāo)質(zhì)量濃度為0.8 mg/mL），最后振蕩搖勻。

1.3.2 超聲波噴霧-冷凍干燥制備微膠囊粉

使用超聲波進(jìn)行噴霧，噴霧條件為超聲功率3.0 W，進(jìn)料流量5 mL/min。將霧化、凍結(jié)后的結(jié)晶顆粒存放到－40 ℃退火5 h。然后在1 kPa干燥壓力條件下進(jìn)行真空冷凍干燥，凍干過程中隔板溫度為－25 ℃維持30 h，升溫至－15 ℃維持1 h，升溫至－5 ℃維持1 h，升溫至5 ℃維持1 h，最后升溫至20 ℃維持10 h。凍干結(jié)束后，快速將干燥的微膠囊粉密封且存放于干燥器中備用。

1.3.3 表觀形態(tài)觀察

微膠囊粉末的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)使用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察分析。將微膠囊粉緩緩置于樣品臺面貼有的單層雙側(cè)碳膠上，需去除多余的粉末使其充分粘貼在有導(dǎo)電膠粘劑的檢測臺上，經(jīng)5 mA、120 s噴金處理后，使微膠囊粉表面附著上厚度為10 nm左右的金層，通過導(dǎo)電檢測進(jìn)行掃描電鏡的成像觀察和圖像采集。

1.3.4 頂空固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜（headspacesolid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）分析

1.3.4.1 HS-SPME條件

分別取7 種微膠囊水溶液樣品990 μL于20 mL頂空進(jìn)樣瓶中，再加入10 μL 100 μg/mL同位素氘代正構(gòu)烷烴內(nèi)標(biāo)混標(biāo)，并將頂空瓶放置于50 ℃孵育40 min。插入SPME裝置萃取30 min進(jìn)行樣品風(fēng)味富集后，通過PAL自動進(jìn)樣器將吸附后的萃取頭置于GC-MS進(jìn)樣口解吸5 min，使風(fēng)味化合物進(jìn)入到色譜柱進(jìn)行GC-MS分析。

1.3.4.2 GC條件

色譜柱：毛細(xì)管色譜柱HP-5 MS（30 m×250 μm，0.25 μm）；升溫程序：45 ℃維持3 min，以升溫速率5 ℃/min從45 ℃升溫至280 ℃，并維持10 min；不分流模式進(jìn)樣，載氣（He）流速1 mL/min，進(jìn)樣口溫度260 ℃。

1.3.4.3 MS條件

電子電離源，電子能量70 eV，溶劑延遲4 min；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；以全掃描模式進(jìn)行掃描，質(zhì)量掃描范圍m/z40～400。

1.3.5 揮發(fā)性風(fēng)味成分的定性定量分析

GC-MS數(shù)據(jù)的定性分析由NIST 14譜庫檢索保留指數(shù)（retention index，RI）和化合物標(biāo)準(zhǔn)品共同確定。選擇相似度大于750的譜庫檢索結(jié)果作為鑒定結(jié)果。

揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的定量分析采用多同位素內(nèi)標(biāo)法。同位素內(nèi)標(biāo)選擇性質(zhì)較穩(wěn)定的氘代正構(gòu)烷烴。

1.3.6 包埋率計(jì)算通過1.3.5節(jié)的定量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

式中：m1為每克壁材中加入風(fēng)味物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)量；m2為每克壁材中檢測到風(fēng)味物質(zhì)的質(zhì)量。

1.3.7 電子鼻測定

分別稱取2 mL噴霧干燥前、后的微膠囊水溶液樣品于20 mL頂空瓶中，加蓋封緊后，放置于50 ℃的恒溫水浴鍋中分別加熱10、20、30 min，然后使用電子鼻進(jìn)行測定。以潔凈空氣作載氣，氣流流量400 mL/min，連續(xù)采樣時間100 s，測定后清洗探頭時間40 s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Metabo Analyst 5.0進(jìn)行熱圖分析。利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波噴霧-冷凍干燥制備微膠囊

超聲波噴霧-冷凍干燥裝置制備微膠囊的過程如圖1所示，主要分為3 個步驟：霧化、凍結(jié)和干燥[19]。首先使用注射泵帶動樣品液體通過管道輸送到超聲波噴頭進(jìn)行霧化。霧化器噴頭可以改善液滴的分散狀態(tài)，能夠生成均勻散發(fā)狀的液滴，從而達(dá)到更好的霧化效果[20-21]。然后霧化后的小液滴進(jìn)入冷介質(zhì)液氮中迅速形成懸浮的凍結(jié)顆粒，此過程需放置磁力攪拌器進(jìn)行持續(xù)攪動，使液體樣品均勻凍結(jié)。凍結(jié)過程是霧化后的液滴在低溫條件下變成冰晶顆粒的過程，可分為快速凍結(jié)和慢速凍結(jié)?？焖賰鼋Y(jié)持續(xù)時間短，可形成細(xì)小狀的冰晶，且顆粒結(jié)構(gòu)分布均勻[22]。慢速凍結(jié)由于凍結(jié)速度慢、持續(xù)時間長，形成的冰晶形態(tài)粗大，且顆粒結(jié)構(gòu)分布不均勻[23]。最后使用真空冷凍干燥將凍結(jié)后的顆粒進(jìn)行脫水處理除去溶劑，從而制備出來均勻的微膠囊粉體。

圖1 超聲波噴霧-冷凍干燥裝置和微膠囊制備過程Fig.1 Ultrasonic spray-freeze drying device and preparation process of microcapsules

2.2 微膠囊表觀形態(tài)觀察

通過超聲波噴霧-冷凍干燥技術(shù)制備的7 種不同壁材的微膠囊都呈現(xiàn)均勻粉體狀，但當(dāng)微膠囊粉體處于外部環(huán)境時，由于不同包埋壁材微膠囊的吸水性差異，會導(dǎo)致易吸水的微膠囊產(chǎn)生聚集，從而需要進(jìn)一步使用掃描電鏡觀察不同壁材包埋揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)形成的微膠囊之間的微觀結(jié)構(gòu)差異。7 種壁材的微膠囊經(jīng)掃描電鏡放大300 倍和2 000 倍所觀察到的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可以看出，以殼聚糖、γ-環(huán)糊精和辛烯基琥珀酸淀粉鈉為壁材包埋的風(fēng)味微膠囊發(fā)生聚集，體現(xiàn)出很差的顆粒性。而以葡聚糖、海藻糖、β-環(huán)糊精和明膠為壁材包埋的風(fēng)味微膠囊放大300 倍后均有較好的顆粒性，且經(jīng)過對比微膠囊粒徑可發(fā)現(xiàn)，以葡聚糖和海藻糖包埋的微膠囊顆粒分散較為均勻，具有較小的粒徑，但β-環(huán)糊精和明膠包埋的微膠囊顆粒相對較大，具有較大的粒徑。在放大2 000 倍后的微膠囊球體顯示出一定的結(jié)構(gòu)差異，以葡聚糖和海藻糖包埋的微膠囊球體表面光滑，相比之下，以明膠和β-環(huán)糊精包埋的微膠囊球體表面粗糙，可能是包埋量過大，導(dǎo)致微膠囊表面吸附上揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)。被包埋的微膠囊需盡量避免出現(xiàn)孔徑和裂痕，否則會逐漸失去壁材的保護(hù)效果，從而導(dǎo)致芯材的流失[24]。表面光滑的圓球狀是超聲波噴霧-冷凍干燥制備的微膠囊理想形態(tài)，實(shí)際上會由于不同壁材性質(zhì)和不同生產(chǎn)工藝條件而使微膠囊形態(tài)產(chǎn)生差異[25]。

圖2 不同微膠囊包埋壁材的掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of microcapsules prepared with different wall materials

2.3 不同包埋壁材中揮發(fā)性風(fēng)味化合物的定量分析

經(jīng)噴霧干燥后的7 種微膠囊壁材包埋揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的包埋率如圖3所示。7 種壁材相比之下，β-環(huán)糊精所包埋風(fēng)味物質(zhì)的包埋率普遍較高，這與它特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。β-環(huán)糊精是由7 個葡萄糖分子環(huán)狀接連而形成的化合物，內(nèi)部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為疏水，外部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為親水，能更好地保護(hù)內(nèi)部包埋物，尤其是極性較小的化合物[26]。從芯材角度而言，分子質(zhì)量較大、揮發(fā)性較低和極性較小的風(fēng)味物質(zhì)能更好地被包埋[27]，如芳香族類化合物（苯甲腈、苯甲酸甲酯、苯甲醛、苯乙酮、苯并噻唑、麝香草酚）的包埋率較高，而分子質(zhì)量較小、揮發(fā)性較高以及極性較大的酯類化合物（己酸甲酯、己酸乙酯）、烯烴類化合物（月桂烯、雙戊烯）、醇類（L-香芹醇、苯甲醇、2-苯乙醇）、二甲基三硫以及具有高分子尺寸的烷烴類化合物（十七烷、十八烷）的包埋率相對較低。普遍較低的包埋率可能是由于在超聲波噴霧冷凍干燥過程的霧化、凍結(jié)、干燥階段，以及在固相微萃取富集過程中，揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)生了一定的損失，或微膠囊中的風(fēng)味物質(zhì)沒有被全部釋放。

圖3 不同壁材包埋揮發(fā)性風(fēng)味化合物的包埋率Fig.3 Encapsulation efficiencies of different wall materials for volatile flavor compounds

2.4 不同壁材包埋揮發(fā)性風(fēng)味化合物的包埋量對比

由圖4可知，不同壁材包埋揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的效果存在差異。β-環(huán)糊精、海藻糖、殼聚糖、明膠、葡聚糖、辛烯基琥珀酸淀粉鈉和γ-環(huán)糊精，分別對苯甲酸甲酯、4′-甲基苯乙酮、正辛醇、壬醛、苯甲腈、香葉醇和麝香草酚的包埋效果最好，包埋量分別高達(dá)4.26、3.64、3.61、4.16、3.86、2.13 mg/g和3.39 mg/g。對于大部分揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，由于β-環(huán)糊精的特殊結(jié)構(gòu)[26]，其包埋能力強(qiáng)于其他壁材，這在高凱[28]和李萍[29]等的研究中，均有所體現(xiàn)。其中，β-環(huán)糊精對麝香草酚、乙位紫羅蘭酮、香葉醇和檸檬醛的包埋效果不如其他壁材，可能是受分子質(zhì)量、揮發(fā)性、極性和分子大小的影響[27]。不同揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)被包埋的效果不同，烷烴類化合物（十七烷、十八烷）、醇類化合物（L-香芹醇、苯甲醇、2-苯乙醇）、酯類化合物（己酸甲酯、己酸乙酯）及二甲基三硫被包埋效果較差，芳香類化合物（如苯甲腈、苯甲醛和苯并噻唑等）均可被7 種壁材包埋，且效果良好。

圖4 不同壁材包埋揮發(fā)性風(fēng)味化合物的包埋量Fig.4 Amounts of volatile flavor compounds encapsulated with different wall materials

2.5 不同壁材包埋的微膠囊釋放效果分析

采用SPME-GC-MS對不同孵育時間（40、80、120 min）的7 種壁材包埋的揮發(fā)性風(fēng)味化合物含量進(jìn)行檢測。由圖5A可知，隨著孵育時間的延長，多數(shù)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的釋放量明顯增加，這是由于微膠囊具有一定的緩釋作用[30]。其中，少數(shù)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的釋放量在孵育120 min時才增加，如β-環(huán)糊精包埋的苯甲酸甲酯、壬醛和明膠包埋的乙酸糠硫醇酯、L-香芹醇等，可能是由于這些微膠囊體系形成的結(jié)合位點(diǎn)和作用鍵需要較長的加熱時間才能逐漸松動。不同壁材和芯材所制備的微膠囊可用于不同領(lǐng)域?qū)忈尩男枨骩31]，葉景鵬等[32]將香精微膠囊用于真絲織物，在第120天仍保持清淡的香味，具有良好的香味緩釋效果。由圖5B可看出，相比孵育時間，壁材種類對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)釋放量的影響大。β-環(huán)糊精對大多數(shù)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的包埋量較大，且由其制備得到的微膠囊具有較好的耐熱性質(zhì)[33]，與其他壁材相比，其包埋后的揮發(fā)性風(fēng)味化合物釋放量更高，差異更加明顯。而乙位紫羅蘭酮、L-薄荷醇、L-香芹醇、乙酸芐酯、香葉醇和麝香草酚化合物，被包埋后的釋放效果較差，是因?yàn)棣?環(huán)糊精對以上化合物的包埋量較小。上述結(jié)果表明，不同孵育時間對于包埋后的風(fēng)味物質(zhì)釋放效果影響明顯，但并不是主要影響因素，相比之下，壁材種類對包埋后的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的釋放效果影響更明顯。

圖5 不同壁材包埋揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)釋放效果分析Fig.5 Release efficiency of volatile flavor compounds encapsulated with different wall materials

2.6 電子鼻分析

使用β-環(huán)糊精包埋前后的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的電子鼻對比結(jié)果，如圖6所示。圖6B中被包埋后的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)隨著孵育時間的延長而逐步釋放，且傳感器W5S的響應(yīng)值逐漸高于其他傳感器，氣味輪廓也慢慢趨近于圖6A。當(dāng)孵育時間達(dá)到30 min時，揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)包埋前后的電子鼻雷達(dá)圖整體輪廓非常相似，包埋后釋放出來的各揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)含量濃度比例與包埋前相似，說明包埋風(fēng)味物質(zhì)的微膠囊具有一定的緩釋作用，且能夠還原風(fēng)味物質(zhì)整體的香味特征。圖6B中的雷達(dá)圖響應(yīng)強(qiáng)度顯著低于圖6A，這是由于微膠囊的包裹限制了揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的釋放和擴(kuò)散，使包埋后的風(fēng)味物質(zhì)沒有完全釋放，整體釋放量相對較少，這也恰恰說明本研究中的微膠囊可以達(dá)到緩釋風(fēng)味的效果。

圖6 揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)包埋前（A）、后（B）的電子鼻雷達(dá)圖對比Fig.6 Comparison of electronic nose radar plots of volatile flavor substances before (A) and after (B) encapsulation

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)研究不同壁材對揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)包埋效果的差異。結(jié)果表明，搭建的超聲波噴霧-冷凍干燥裝置可用于微膠囊的制備。與其他壁材包埋的微膠囊微觀結(jié)構(gòu)相比，以葡聚糖和海藻糖包埋的微膠囊球體表面較為光滑，而以明膠和β-環(huán)糊精包埋的微膠囊球體表面相對粗糙。由HS-SPME-GC-MS法得到的檢測結(jié)果可知，β-環(huán)糊精的包埋能力強(qiáng)于其他包埋壁材，且包埋后的揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)釋放量更高。在被包埋的32 種揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)中，芳香類化合物被7 種壁材包埋效果更好。多數(shù)揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的釋放量隨孵育時間的延長而增加，即微膠囊具有緩釋作用。通過電子鼻雷達(dá)圖可看出，當(dāng)孵育時間達(dá)到30 min時，包埋前后的整體輪廓非常相似，說明包埋后香味緩釋效果的還原度比較高。因此，可利用超聲波噴霧-冷凍干燥技術(shù)制備風(fēng)味緩釋微膠囊，且β-環(huán)糊精是較為理想的包埋壁材，這將為食品工業(yè)中微膠囊制備技術(shù)的開發(fā)及壁材的選擇提供一定的理論依據(jù)。