噴霧干燥法制備肉豆蔻精油微膠囊及表征

蓋旭 姜子濤 韓希鳳 周園

摘要：以阿拉伯膠和麥芽糊精為復(fù)合壁材，以肉豆蔻精油為芯材，采用噴霧干燥法制備微膠囊，并對其形態(tài)、釋放性和吸濕性進(jìn)行表征。結(jié)果表明，以包埋率為指標(biāo)，經(jīng)Box-Behnken Design響應(yīng)面實驗優(yōu)化的微膠囊制備工藝為壁材濃度2.01%、芯壁比0.92、進(jìn)風(fēng)口溫度185.56 ℃，此時預(yù)測包埋率為79.53%。3個因素的影響程度為芯壁比＞進(jìn)風(fēng)口溫度＞壁材濃度。包埋后的微膠囊呈規(guī)則飽滿的球形，粒徑分布于5～9μm，室溫下在水中釋放性良好，并且貯藏時具有一定的吸濕性。

關(guān)鍵詞：肉豆蔻精油；阿拉伯膠；麥芽糊精；噴霧干燥；微膠囊；響應(yīng)面法

中圖分類號：TS224.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-9973（2024）06-0189-06

Preparation of Microcapsules of Myristica fragrans Houtt. Essential Oil

by Spray Drying Method and Their Characterization

GAI Xu¹， JIANG Zi-tao^1，2*， HAN Xi-feng¹， ZHOU Yuan¹

（1.School of Food Engineering， Tianjin Tianshi College， Tianjin 301700， China; 2.School of

Biotechnology and Food Science， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract： With Arabic gum and maltodextrin as the composite wall materials and Myristica fragrans Houtt. essential oil as the core material， microcapsules are prepared by spray drying method， and the morphology， release property and hygroscopicity are characterized. The results show that with the embedding rate as the index， the preparation process of microcapsules optimized by Box-Behnken Design response surface experiment is wall material concentration of 2.01%， core material-wall material ratio of 0.92 and inlet temperature of 185.56 ℃， at this time， the predicted embedding rate is 79.53%. The influence degree of the three factors is core material-wall material ratio>inlet temperature>wall material concentration. After embedding， the microcapsules appear as regular and full spherical shapes， and the particle size ranges from 5μm to 9μm.The microcapsules have good release property in water at room temperature and have certain hygroscopicity during storage.

Key words： Myristica fragrans Houtt. essential oil; Arabic gum; maltodextrin; spray drying; microcapsules; response surface method

收稿日期：2023-11-23

基金項目：天津市教委科研計劃項目（2023KJ287）

作者簡介：蓋旭（1986—），女，講師，碩士，研究方向：食品加工與分析、微膠囊。

*通信作者：姜子濤（1956—），男，教授，博士，研究方向：食品分析與添加劑。

肉豆蔻精油是從調(diào)味香料肉豆蔻（Myristica fragrans Houtt.）的干燥種仁中提取的具有芳香氣味、與水不相溶、但可溶于乙醚、氯仿、乙醇等有機(jī)溶劑的揮發(fā)性油狀液體^[1]。研究表明，其主要分為肉豆蔻醚、甲基丁香酚、檜烯、α-蒎烯、β-蒎烯、欖香素及萜烯醇類等物質(zhì)^[2-4]，因而具有良好的抗氧化、抗菌和抗癌等功能，在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域具有重要的開發(fā)利用價值^[5-7]。

微膠囊化技術(shù)可以減少芯材與外界氧氣、光、水分等的反應(yīng)，有效保護(hù)精油等揮發(fā)性物質(zhì)的有效成分，使其穩(wěn)定性增強(qiáng)，釋放周期延長^[8-10]。近年來，關(guān)于制備肉豆蔻精油微膠囊的研究不多，在國內(nèi)包埋的壁材局限于β-環(huán)糊精、辛烯基琥珀酸淀粉酯和麥芽糊精等 ^[11-12]；在國外，Aisyah等^[13]和Matulyte等^[14]采用明膠-麥芽糊精、明膠-阿拉伯膠、乳清分離蛋白-阿拉伯膠及藻酸鈉-氯化鈣等組合壁材包埋肉豆蔻精油的方法，得到了較高的包埋率。本研究以阿拉伯膠和麥芽糊精為組合壁材，采用單因素實驗和響應(yīng)面實驗對噴霧干燥法制備肉豆蔻精油微膠囊的工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對微膠囊產(chǎn)品進(jìn)行表征，為肉豆蔻中揮發(fā)性功能成分的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

肉豆蔻精油：實驗室自提；麥芽糊精（DE值為16～20）：河南省萬邦實業(yè)有限公司；阿拉伯膠：山東華宜生物科技有限公司；司盤-80（分析純）：天津市大茂化學(xué)試劑廠；無水乙醇（分析純）：天津市匯杭化工科技有限公司；實驗用水為去離子水。

1.2 儀器與設(shè)備

YP1201N電子天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司；ZNCL-TS智能磁力攪拌器 上海申釜儀器有限公司；RCD-1A高速均質(zhì)乳化機(jī) 常州蘇瑞儀器有限公司；YC-1800實驗型噴霧干燥機(jī) 上海雅程儀器設(shè)備有限公司；DDS-307數(shù)顯電導(dǎo)率儀 杭州奧立龍儀器有限公司；紫外可見分光光度計 日本島津公司；FTIR920紅外光譜儀 上海托普儀器有限公司；SU1510掃描電子顯微鏡 日立高新技術(shù)公司那珂事業(yè)所；SB-3200DTDN超聲波清洗機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 肉豆蔻精油的提取

稱取80目肉豆蔻粉末，按料水比1∶10加入去離子水，水蒸氣蒸餾提取5 h，冷卻，靜置分層，收集精油。

1.4 肉豆蔻精油標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

取0.5 g肉豆蔻精油，用無水乙醇定容至100 mL，搖勻，制成濃度為5 000 mg/L的母液；用無水乙醇將母液逐級稀釋至濃度為1，2，4，8，16，32，40 mg/L的系列工作液，待測。

取適量40 mg/L的工作液于石英比色皿中，在200～800 nm紫外可見光下掃描，繪制吸收圖譜，確定肉豆蔻精油的最大吸收波長；在最大吸收波長處測量系列工作液的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.5 微膠囊的制備

稱取組合壁材（阿拉伯膠∶麥芽糊精為2∶1）1.5 g，加入去離子水100 mL，在60 ℃下攪拌，使其充分溶解，然后邊攪拌邊滴加肉豆蔻精油1.5 g，再加入0.015%的司盤-80，混勻，在10 000 r/min下均質(zhì)9 min，得到乳化液。

所得乳化液即刻在進(jìn)風(fēng)口溫度185 ℃、進(jìn)料蠕動泵轉(zhuǎn)速30 r/min的條件下噴霧干燥，得到微膠囊粉末。

1.6 乳化液穩(wěn)定性的測定

采用電導(dǎo)率法^[15]。每30 s測量一次樣品乳化液的電導(dǎo)率，以時間為橫坐標(biāo)、電導(dǎo)率的變化率為縱坐標(biāo)作圖，擬合的線性方程的斜率作為乳化液穩(wěn)定性系數(shù)K。K越小，表明乳化液的電阻隨時間推移的變化越小，體系的穩(wěn)定性越好。

1.7 微膠囊包埋率的測定

稱取微膠囊0.2 g，加入10 mL無水乙醇混勻，以5 000 r/min離心5 min，取上清液在222 nm處測定吸光度，根據(jù)精油標(biāo)準(zhǔn)曲線計算微膠囊表面油質(zhì)量。棄去上清液，用玻璃棒充分碾碎微膠囊后加入10 mL無水乙醇，超聲振蕩10 min，離心后測定吸光度，計算微膠囊內(nèi)部油質(zhì)量。包埋率的計算公式如下：

包埋率（%）=微膠囊內(nèi)部油質(zhì)量（mg）微膠囊表面油質(zhì)量（mg）+微膠囊內(nèi)部油質(zhì)量（mg）×100%。

1.8 單因素實驗設(shè)計

1.8.1 乳化液穩(wěn)定性單因素實驗

選擇4個因素，其中壁材濃度分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%，壁材比（阿拉伯膠∶麥芽糊精）分別為1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，芯壁比分別為1∶3、1∶2、1∶1、3∶2、2∶1，均質(zhì)時間分別為1，3，6，9，12，15 min，按1.4中方法制備乳化液，測定乳化液穩(wěn)定性系數(shù)。

1.8.2 包埋率單因素實驗

在乳化液穩(wěn)定性實驗的基礎(chǔ)上，選擇3個因素，其中壁材濃度分別為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%，芯壁比分別為1∶3、1∶2、1∶1、3∶2、2∶1，噴霧干燥的進(jìn)風(fēng)口溫度分別為175，180，185，190，195 ℃，制備微膠囊，測定包埋率。

1.9 響應(yīng)面實驗設(shè)計

綜合單因素實驗情況，以包埋率為指標(biāo)，選擇壁材濃度、芯壁比、進(jìn)風(fēng)口溫度3個因素，每個因素3個水平，采用Box-Behnken Design（BBD）響應(yīng)面法（RSM）優(yōu)化微膠囊制備工藝，采用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。響應(yīng)面實驗因素水平見表1。

表1 響應(yīng)面實驗因素與水平

Table 1 Factors and levels of response surface experiment

水平因素A壁材濃度/%B芯壁比C進(jìn)風(fēng)口溫度/℃-11.51∶218002.01∶118512.53∶2190

1.10 微膠囊的表征實驗

1.10.1 紅外吸收光譜

取干燥的KBr粉末200 mg，分別將組合壁材粉末、肉豆蔻精油、微膠囊粉末各2～3 mg于瑪瑙研缽中充分研磨混勻，壓片后用紅外光譜儀進(jìn)行掃描，記錄譜圖。

1.10.2 微膠囊的掃描電鏡觀察

微膠囊的掃描電鏡分析按照文獻(xiàn)[15]的方法進(jìn)行。取適量微膠囊粉末撒在貼有雙面膠的樣品臺上，吹掉多余粉末，離子濺射儀鍍金1 min后，用掃描電鏡（SEM）觀察微膠囊的表面形態(tài)，加速電壓5 kV。

1.10.3 微膠囊的釋放性

按照文獻(xiàn)[16]的方法測定微膠囊的釋放性。準(zhǔn)確稱取10 mg微膠囊粉末置于盛有去離子水的比色皿（1 cm×1 cm）液面上，連續(xù)觀察120 min，記錄其在222 nm處的吸光度值隨時間推移的變化。

1.10.4 微膠囊的吸濕性

按照文獻(xiàn)[17]的方法測定微膠囊的吸濕性。準(zhǔn)確稱量20 mg微膠囊干粉末于干燥恒重的玻璃培養(yǎng)皿中，在25 ℃下，將其敞口放置在盛有飽和NaCl溶液的干燥器中，7 d內(nèi)每隔一段時間取出稱重，吸濕率為每100 g微膠囊干粉的吸濕量，計算公式如下：

吸濕率（g/100 g干粉）=放置吸濕時間微膠囊粉末質(zhì)量（g）－微膠囊粉末初始質(zhì)量（g）微膠囊粉末初始質(zhì)量（g）×100。

2 結(jié)果分析

2.1 肉豆蔻精油的紫外吸收光譜

肉豆蔻精油的紫外吸收光譜見圖1，標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2。

由圖1可知，肉豆蔻精油在200～290 nm范圍內(nèi)有不同程度的紫外吸收，其中在217 nm和222 nm處有最大吸收峰。因此，選擇222 nm進(jìn)行實驗參數(shù)測定。

由圖2可知，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y=0.025 3x+0.045，R²=0.998 3，肉豆蔻精油在1～32 mg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

2.2 單因素實驗結(jié)果

2.2.1 壁材濃度對乳化液穩(wěn)定性的影響

不同壁材濃度下的K值見圖3。

由圖3可知，當(dāng)壁材濃度過低時，溶液的黏度較低，不足以形成較穩(wěn)定的油/水型乳化液；隨著壁材濃度的增加，乳化液的黏度增加，粒子碰撞機(jī)會減少，K值明顯降低，當(dāng)壁材濃度為1.5%時K值最小；之后，K值略有增大，當(dāng)壁材濃度大于2.5%時，溶液過于黏稠、流動性差，導(dǎo)致乳化和后續(xù)噴霧干燥困難。因此，壁材濃度在1.5%～2.5%范圍內(nèi)乳化液的穩(wěn)定性較好。

2.2.2 壁材比對乳化液穩(wěn)定性的影響

不同壁材比下的K值見圖4。

高DE值的麥芽糊精具有低黏度、良好的溶解性以及氧化穩(wěn)定性，添加麥芽糊精后其高溶解度可以降低液滴的表觀黏度，也有利于后續(xù)乳化液的霧化及干燥^[18]。而阿拉伯膠是常用的增稠劑，由圖4可知，隨著壁材比的增加，曲線呈現(xiàn)先降后升的趨勢。當(dāng)阿拉伯膠∶麥芽糊精為2∶1時，K值最低，乳化液的黏度適中，穩(wěn)定性最佳；當(dāng)阿拉伯膠添加量過大時，黏度過高，使得攪拌和乳化困難。因此，壁材比為2∶1較適宜。

2.2.3 芯壁比對乳化液穩(wěn)定性的影響

不同芯壁比下的K值見圖5。

由圖5可知，隨著芯材比例的增加，曲線呈現(xiàn)先降后升的趨勢。在芯壁比為1∶1時K值最低，此時油滴在壁材溶液中分散得更加均勻穩(wěn)定；當(dāng)油的比例增大時，包圍在油滴外部的壁材層相對較薄，此狀態(tài)下的油易與水相層分離而聚集。因此，芯壁比為1∶1較適宜。

2.2.4 均質(zhì)時間對乳化液穩(wěn)定性的影響

不同均質(zhì)時間下的K值見圖6。

由圖6可知，適當(dāng)延長乳化液的均質(zhì)時間，可以使油滴更小、在水相中分散得更均勻，增加乳化液的穩(wěn)定性，K值在6 min時達(dá)到最低；之后變化不大，乳化液均處于比較穩(wěn)定的階段。為提高實驗效率，防止精油在長時間均質(zhì)后氧化和損失，均質(zhì)時間為6 min較適宜。

2.2.5 壁材濃度對微膠囊包埋率的影響

不同壁材濃度下的包埋率見圖7。

由圖7可知，逐漸增加壁材濃度，溶液的黏度和乳化性增大，減少了芯材向壁材表面的遷移，芯材更好地被包埋；當(dāng)壁材濃度為2.0%時，包埋率最大；隨后壁材濃度繼續(xù)增大，導(dǎo)致進(jìn)料液的黏度過大從而霧化困難，噴霧干燥損失率較大，且導(dǎo)致噴頭易堵塞。因此，壁材濃度為2.0%較適宜。

2.2.6 芯壁比對包埋率的影響

不同芯壁比下的包埋率見圖8。

由圖8可知，當(dāng)芯壁比為1∶1時，包埋效果最好，包埋率可達(dá)78.01%；當(dāng)芯壁比大于3∶2時，包埋率顯著下降。因此，芯壁比為1∶1較適宜。

2.2.7 進(jìn)風(fēng)口溫度對包埋率的影響

不同進(jìn)風(fēng)口溫度下的包埋率見圖9。

由圖9可知，進(jìn)風(fēng)口溫度較低時，微膠囊干燥不充分、易黏壁，包埋率和產(chǎn)量降低。一定范圍內(nèi)，提高進(jìn)風(fēng)口溫度，壁材在芯材表面快速形成一層硬殼，可以大大降低肉豆蔻精油受熱的揮發(fā)及氧化，微膠囊包埋率明顯上升；當(dāng)進(jìn)風(fēng)口溫度為185 ℃時，包埋率最高；隨后包埋率略有下降，這可能是因為過高的進(jìn)風(fēng)口溫度會導(dǎo)致微膠囊壁材成膜性不好，降低膠囊的質(zhì)量。因此，進(jìn)風(fēng)口溫度為185 ℃較適宜。

2.3 響應(yīng)面實驗結(jié)果與分析

肉豆蔻精油微膠囊制備工藝的響應(yīng)面實驗結(jié)果見表2，回歸方程方差分析結(jié)果見表3。各因素交互作用對微膠囊包埋率的影響見圖10～圖12。

使用Design Expert軟件進(jìn)行二次多項式擬合得到預(yù)測模型回歸方程：Y=79.31+0.65A-1.64B+1.53C+0.42AB-2AC+1.67BC-8.93A²-4.75B²-5.56C²，對擬合方程手動優(yōu)化，剔除不顯著項，得到簡化模型方程：Y=79.31+0.65A-1.64B+1.53C-2AC+1.67BC-8.93A²-4.75B²-5.56C²。

由表3可知，模型的F=173.32，P＜0.000 1，為回歸顯著型；失擬項不顯著；一次項B、C極顯著，A顯著；交互項AC、BC極顯著，AB不顯著；二次項均為極顯著。3個因素對微膠囊包埋率的影響順序為芯壁比（B）＞進(jìn)風(fēng)口溫度（C）＞壁材濃度（A）。由RSM得出最優(yōu)方案：壁材濃度為2.01%，芯壁比為0.92，進(jìn)風(fēng)口溫度為185.56 ℃，此時預(yù)測包埋率為79.53%。該模型的擬合性和可靠性良好，可用于肉豆蔻精油微膠囊制備工藝條件的預(yù)測。

2.4 微膠囊表征實驗結(jié)果與分析

2.4.1 紅外吸收光譜

阿拉伯膠和麥芽糊精、肉豆蔻精油及微膠囊的紅外光譜掃描結(jié)果見圖13～圖15。

由圖13～圖15可知，微膠囊和組合壁材在3 421.3 cm^-1附近出現(xiàn)的吸收峰主要與阿拉伯膠和麥芽糊精的O—H伸縮振動有關(guān)^[19]，說明微膠囊中含有壁材。肉豆蔻精油在1 638.0 cm^-1處的特征峰與CC的振動有關(guān)，在913.3，993.9 cm^-1處的特征峰與C—H的彎曲振動有關(guān)^[20]；在1 511.6，1 464.6 cm^-1處的特征峰與C—H的彎曲振動有關(guān)；在1 261.9，1 238.1，1 131.9，1 033.0 cm^-1處的特征峰可能與-CH₂的彎曲振動以及C—O的伸縮振動有關(guān)^[17]；微膠囊在1 261.9，1 238.1，1 131.9，1 033.0 cm^-1附近的振動吸收峰強(qiáng)度明顯減弱，在1 511.6，1 464.6，993.9，913.3 cm^-1處的特征峰消失，說明肉豆蔻精油已被壁材包埋。

2.4.2 微膠囊的形態(tài)

肉豆蔻精油微膠囊的掃描電鏡照片見圖16。

由圖16可知，噴霧干燥后的微膠囊呈飽滿的圓球形，表面光滑、無裂縫，部分產(chǎn)品表面凹陷，這可能是微膠囊中水分蒸發(fā)速度有異，致使霧化液滴與高溫空氣接觸后液滴表面所形成的膜呈現(xiàn)褶皺態(tài)。微膠囊的粒徑分布于5～9μm。

2.4.3 微膠囊的釋放性

微膠囊的溶解速率測定結(jié)果見圖17。

由圖17可知，隨著儲存時間的增加，微膠囊溶液的吸光度在20 min之前快速增加，微膠囊在20～100 min繼續(xù)溶解但速度變緩，在100 min左右溶液基本達(dá)到平衡。因此，微膠囊在室溫條件下遇水能夠較好溶解，釋放性良好。

2.4.4 微膠囊的吸濕性

肉豆蔻精油微膠囊貯藏在相對濕度為75%環(huán)境下的吸濕率見圖18。

由圖18可知，微膠囊在0～12 h吸濕率快速增加，此后增長速度減緩，3 d后微膠囊進(jìn)入解吸階段，吸濕率略有下降；6 d后達(dá)到13.28%，并趨于平穩(wěn)。這可能是因為麥芽糊精為淀粉水解后的多糖，阿拉伯膠是阿拉伯半乳糖寡糖、多聚糖和蛋白糖的混合物，它們均具有一定的吸濕性。貯藏期間觀察發(fā)現(xiàn)隨著存放時間的增加，微膠囊粉末的顏色由白色逐漸變黃，由粉末態(tài)逐漸黏連成塊。

3 結(jié)論

以肉豆蔻精油為芯材，以阿拉伯膠和麥芽糊精為組合壁材，采用噴霧干燥法制備肉豆蔻精油微膠囊，經(jīng)以乳化液穩(wěn)定性和包埋率為指標(biāo)的單因素實驗后，進(jìn)行三因素三水平BBD響應(yīng)面實驗，優(yōu)化后的制備工藝為壁材濃度2.01%、芯壁比0.92、進(jìn)風(fēng)口溫度185.56 ℃，此時包埋率為79.53%。3個因素對包埋率的影響程度為芯壁比＞進(jìn)風(fēng)口溫度＞壁材濃度，實驗建立的模型較可靠。微膠囊的表征實驗表明，微膠囊成功包埋，呈規(guī)則飽滿的球形，表面光滑、無裂縫，粒徑分布在5～9μm；室溫下，微膠囊在水中的溶解性良好，在貯藏時具有一定的吸濕性。研究表明采用該法制備肉豆蔻精油微膠囊是可行的。

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