劉雙雙，那治國(guó)，徐 飛，初 眾，張彥軍,*

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所，海南 萬(wàn)寧 571533；2.黑龍江東方學(xué)院食品與環(huán)境工程學(xué)部，黑龍江 哈爾濱 150066；3.國(guó)家重要熱帶作物工程技術(shù)研究中心，海南 萬(wàn)寧 571533）

香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）是名貴的天然香料植物之一，屬于典型的熱帶經(jīng)濟(jì)作物，素有“食品香料之王”的美譽(yù)[1-3]。香草蘭新鮮豆莢沒(méi)有任何特殊氣味，在進(jìn)行一系列的固化后能夠產(chǎn)生約200 種富含香草特征風(fēng)味和香氣的化合物[2]。香草蘭精油（vanilla essential oil，VO）是從其豆莢中獲得的揮發(fā)性芳香族液體，其香氣清新，具有讓人醒目的作用[4-5]，廣泛用于食品調(diào)味劑、香水和化妝品美容護(hù)理等方面[6]。然而，由于香草蘭精油的有效成分揮發(fā)性大、溶解度低，在空氣、光、濕氣和高溫條件下容易降解，這使得香草蘭精油具有芳香味揮發(fā)較快、不易加工運(yùn)輸、釋放不可控制等缺點(diǎn)[3]。因此，有效降低香草蘭精油揮發(fā)性并提高其熱穩(wěn)定性是解決這些問(wèn)題和擴(kuò)大香草蘭精油應(yīng)用的關(guān)鍵。

微膠囊技術(shù)是指利用天然的或人工合成的高分子化合物壁材將芯材連續(xù)、完全地包覆起來(lái)形成固體顆粒，是一種控制釋放或保護(hù)活性物質(zhì)的有效方法[7-8]。由于被包覆的芯材與外界隔絕，因此可以免受氧氣、濕氣、光照、細(xì)菌等對(duì)其的影響。在適當(dāng)?shù)臈l件下，通過(guò)外部刺激或緩釋作用將芯材的功能呈現(xiàn)出來(lái)。微膠囊技術(shù)目的在于隔離兩相物質(zhì)、控制釋放、改善物質(zhì)的物理性質(zhì)、屏蔽不良?xì)馕叮捎谄淞６刃?，易分散和懸浮在水中形成膠體溶液[9]。壁材的功能特性是微膠囊功能特性的主要決定因素，壁材的選擇也直接影響微膠囊產(chǎn)品的功能特性、工藝條件和成本，因此，壁材的選擇尤為重要[10-13]。Yang Ziming等利用殼聚糖為壁材，制備了包埋率為92%的香草蘭精油微膠囊[3]。肖作兵等以殼聚糖和三磷酸鈉為壁材，制備了粒徑為100 nm左右，但包埋率為25.56%的微膠囊[14]。雖然前人在香草蘭精油微膠囊方面做了初步研究，但普遍存在成本較高且實(shí)驗(yàn)條件不易控制、不適合連續(xù)生產(chǎn)、包埋率低等問(wèn)題，缺乏產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)參數(shù)。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)菠蘿蜜種子淀粉可以成為香草蘭精油包埋的良好壁材，但存在緩釋性能較差的問(wèn)題，不適合工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。

因此，本實(shí)驗(yàn)利用不同壁材以及壁材組合對(duì)香草蘭精油進(jìn)行包埋，采用噴霧干燥和冷凍干燥的方式制備香草蘭精油顆粒，通過(guò)對(duì)微膠囊形態(tài)表征、包埋率、緩釋性及溶解性的比較，最終篩選出包埋香草蘭精油的最適壁材，以期為工業(yè)化生產(chǎn)香草蘭精油微膠囊提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

香草蘭精油 馬來(lái)西亞Rentak Timur公司；β-環(huán)糊精（β-cyclodextrin，β-CD）、麥芽糊精（maltodextrin，MD）曲阜天利藥用輔料有限公司；辛烯基琥珀酸淀粉鈉（octenylsuccinate starch sodium，OSS）、酪蛋白（casein，CS） 江西金立德食品科技有限公司；香蘭素標(biāo)準(zhǔn)品 美國(guó)Sigma公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

B-290噴霧干燥機(jī)、R-215旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 瑞士BüCHI公司； Scientz-150高壓均質(zhì)機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；冰箱 合肥美菱股份有限公司；DF-101集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 予華儀器責(zé)任有限公司；Mastersizer2000 激光粒度儀 英國(guó)馬爾文儀器有限公司；S-4800掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；高效液相色譜儀 美國(guó)安捷倫公司。

1.3 方法

1.3.1 OSS-香草蘭精油微膠囊的制備

近沸水浴糊化OSS至澄清透明溶液，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的麥芽糊精糖漿混合，冷卻至45 ℃后，按芯、壁材質(zhì)量比1∶4加入香草蘭精油。將混合液以10 000 r/min高速分散3 min后進(jìn)行高壓均質(zhì)，對(duì)所得乳狀液進(jìn)行噴霧干燥，得到微膠囊粉末（VO-OSS）[15-16]。

1.3.2 酪蛋白-香草蘭精油微膠囊的制備

稱(chēng)取適量的酪蛋白，近沸水浴全部溶解，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%麥芽糊精糖漿溶液。將精油加熱至65 ℃后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%單雙甘油脂肪酸酯、0.3%雙乙酰酒石酸單雙甘油脂肪酸酯，按芯、壁材質(zhì)量比1∶4加入香草蘭精油。將混合液以10 000 r/min高速分散3 min后進(jìn)行高壓均質(zhì)，對(duì)所得乳狀液進(jìn)行噴霧干燥，得到微膠囊粉末（VO-CS）[17]。

1.3.3 β-環(huán)糊精-香草蘭精油微膠囊的制備

60 ℃溶解30 min形成飽和β-CD溶液，冷卻至45 ℃，加入香草蘭精油。以10 000 r/min高速分散3 min后進(jìn)行高壓均質(zhì)，對(duì)所得乳狀液進(jìn)行噴霧干燥，得到微膠囊粉末（VO-β-CD）[18-19]。

1.3.4 β-環(huán)糊精＋麥芽糊精-香草蘭精油微膠囊的制備

60 ℃溶解30 min形成飽和β-CD溶液，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%麥芽糊精糖漿混合，冷卻至45 ℃，加入香草蘭精油。以10 000 r/min高速分散3 min后進(jìn)行高壓均質(zhì)，對(duì)所得乳狀液進(jìn)行噴霧干燥，得到微膠囊粉末（VO-MD）[20]。

1.3.5 4?種壁材制備的微膠囊感官指標(biāo)分析

對(duì)微膠囊固體顆粒及乳狀液進(jìn)行氣味、色澤及性狀進(jìn)行感官評(píng)價(jià)[21]。

1.3.6 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定

通過(guò)水分測(cè)定儀檢測(cè)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，檢測(cè)溫度為室溫。

1.3.7 掃描電子顯微鏡觀察

通過(guò)掃描電子顯微鏡檢查微膠囊的表面形態(tài)。將干燥的微膠囊固定在具有雙面膠帶的金屬短棒上，并通過(guò)金濺射涂布機(jī)在高真空蒸發(fā)器中涂覆金。然后在掃描電子顯微鏡上以20 kV的加速電壓觀察樣品。

1.3.8 微膠囊粒徑測(cè)定

通過(guò)激光粒度儀對(duì)微膠囊復(fù)水體系進(jìn)行檢測(cè)，稀釋體積分?jǐn)?shù)為0.5%，檢測(cè)溫度為25 ℃。

1.3.9 微膠囊包埋率的測(cè)定

表面油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定：將微膠囊用石油醚洗滌兩次。將得到的洗滌溶液轉(zhuǎn)移到預(yù)先恒質(zhì)量的空燒瓶中。表面油質(zhì)量分?jǐn)?shù)按式（1）[22]計(jì)算。

式中：m為微膠囊質(zhì)量/g；m1為干燥后空燒瓶質(zhì)量/g；m2為空燒瓶質(zhì)量/g。

采用堿性乙醚浸提法測(cè)定微膠囊中精油總質(zhì)量分?jǐn)?shù)（式（2））；包埋率按式（3）計(jì)算。

1.3.10 微膠囊乳液穩(wěn)定性測(cè)定

取一定量均質(zhì)后的乳狀液裝入帶有刻度的試管中，常溫靜置24 h，觀察分層情況，讀取游離水層體積[13]，乳液穩(wěn)定性按式（4）計(jì)算。

1.3.11 微膠囊的溶解度測(cè)定

將微膠囊粉末加入蒸餾水后離心，傾去上清液。將沉淀轉(zhuǎn)移至已知質(zhì)量的器皿中，置于105 ℃烘干至恒質(zhì)量，至前后兩次質(zhì)量差不超過(guò)1 mg[16]，按式（5）計(jì)算微膠囊溶解度。

式中：m為樣品質(zhì)量/g；m1為器皿質(zhì)量/g；m2為器皿與微膠囊中不溶物質(zhì)量/g；ω為樣品水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；

1.3.12 微膠囊的緩釋性分析

將微膠囊置于60 ℃烘箱中，模擬動(dòng)態(tài)釋放條件。利用高效液相色譜法每隔1 d測(cè)定精油以及微膠囊產(chǎn)品中香蘭素的保留率。具體參考朱紅梅等[23-24]的方法并作適當(dāng)修改。用無(wú)水乙醇溶解1.0 g樣品并定容至25 mL后，上清液離心后用0.45 μm膜過(guò)濾，裝入樣品瓶待測(cè)。高效液相色譜條件：ZORBAX Eclipse Plus反相C18柱（100 mmh4.6 mm，3.5 μm）；進(jìn)樣量5 μL；檢測(cè)器檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm；流速1.0 mL/min；柱溫30 ℃；流動(dòng)相20%甲醇和80%醋酸水（體積分?jǐn)?shù)0.5%醋酸）等梯度洗脫。用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析[27]。

標(biāo)準(zhǔn)品溶液的配制：準(zhǔn)確稱(chēng)取香蘭素標(biāo)品25 mg，用流動(dòng)相（甲醇和體積分?jǐn)?shù)0.5%醋酸水等比例混合溶液）溶解后，定容至25 mL棕色容量瓶并搖勻，即得到1 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)液。從中分別吸取出上述標(biāo)準(zhǔn)液?0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL裝入10 mL容量瓶中并定容至刻度，為10、20、30、40、50 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，質(zhì)量濃度由低到高依次進(jìn)樣。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3?次重復(fù)，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。采用SPSS 21.0.1軟件中單因素方差分析法進(jìn)行顯著性分析，采用Origin 8.5軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微膠囊感官評(píng)價(jià)分析

表1 微膠囊感官評(píng)價(jià)得分Table1 Sensory characteristics of vanilla oil microcapsules

圖1 微膠囊外觀性狀Fig.1 Visual appearance of microcapsules

如表1、圖1所示，通過(guò)4?種不同的壁材制備的香草蘭精油微膠囊顏色分別為乳白色、乳白色、乳黃色、淺黃色，且都是均勻的粉末顆粒，分散性好，均具有香草味。4?組微膠囊的溶解性較好，不加熱或稍微加熱即可溶解，無(wú)結(jié)塊、無(wú)粘壁，沖泡性較好，沖調(diào)后的乳狀液表面無(wú)油滴。因此微膠囊的感官指標(biāo)性能良好。以O(shè)SS為壁材制備的微膠囊具有更好的沖泡性和溶解性且成本較低，將其作為食品添加劑或營(yíng)養(yǎng)保健品應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域具有很好的潛力。陳琳[16]也報(bào)道了以變性淀粉包埋的紫蘇油適合工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2 掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果

圖2 微膠囊掃描電子顯微鏡圖Fig.2 SEM images of microcapsules

如圖2所示，以β-CD為壁材制備的微膠囊，外形為塊狀，顆粒較分散，存在黏連的現(xiàn)象（圖2A）；以MD為壁材制備的微膠囊呈塊狀，顆粒分散較均勻，部分有黏連（圖2B）；以O(shè)SS為壁材制備的微膠囊，表面結(jié)構(gòu)光滑，呈球狀（圖2C）；以CS為壁材制備的微膠囊，呈球形，表面較光滑（圖2D）。根據(jù)Chen Qiong等[25]的報(bào)道，噴霧干燥的顆粒大部分呈球形規(guī)則的形狀；但Hundre等[26]指出，復(fù)配壁材中加入β-CD后，微膠囊的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出玻璃塊狀且表面結(jié)構(gòu)孔隙較多。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Chen Qiong[25]及Hundre[26]等的報(bào)道一致。如圖2所示，VO-β-CD、VO-MD呈現(xiàn)出非球型的玻璃塊狀，VO-OSS、VO-CS呈現(xiàn)球狀。產(chǎn)生差異一方面是由于不同壁材所具有的不同結(jié)構(gòu)性質(zhì)造成；另一方面是制備工藝條件的不同也會(huì)造成微膠囊形狀的不同[26]。圖2表明利用OSS和CS為壁材制備的微膠囊表現(xiàn)出光滑的表面，沒(méi)有裂縫，展現(xiàn)出更好的包合效果，這更有利于對(duì)芯材的保護(hù)，能夠制備出低滲透率、高保留率的微膠囊產(chǎn)品。

2.3 產(chǎn)率、包埋率分析

微膠囊的包埋率是評(píng)價(jià)包合效果的重要指標(biāo)，它能夠反映芯材被包埋的程度。產(chǎn)率則是生產(chǎn)過(guò)程中衡量成本的重要依據(jù)。如圖3所示，VO-MD、VO-CD、VO-CS、VO-OSS的產(chǎn)率分別為71.37%、73.825%、83.92%、84.17%，對(duì)應(yīng)的包埋率分別為61.18%、64.33%、79.35%、78.04%。Hundre等[26]的報(bào)道指出，包埋率和產(chǎn)率呈正相關(guān)的趨勢(shì)增長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示VO-CS的包埋率為79.35%，由于在制備VO-CS過(guò)程中加入乳化劑，賦予精油更好的流動(dòng)性和分散性，提高了包埋率。而在加入乳化劑時(shí)需要加熱精油，從而導(dǎo)致精油的有效成分揮發(fā)，降低產(chǎn)率。VO-MD的微膠囊產(chǎn)率和包埋率分別僅為71.37%、61.18%，這可能與β-CD的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)Partanen等[19]的報(bào)道，當(dāng)芯材的分子質(zhì)量與β-CD空腔體積一致時(shí)，才能達(dá)到好的包埋效果。在制備VO-MD樣品時(shí)，由于精油中有效成分較多，分子質(zhì)量差異較大，限制了芯材進(jìn)入壁材的空腔中，因此降低了微膠囊的產(chǎn)率和包埋率。而MD與β-CD的結(jié)合度不夠，在干燥過(guò)程中產(chǎn)生薄膜依附在微膠囊的表面，從而影響產(chǎn)品的收集，降低了產(chǎn)率。在制備VO-CS樣品時(shí)，乳化劑的添加使精油中揮發(fā)性物質(zhì)含量減少，因此VO-CS風(fēng)味損失較大。OSS本身具有乳化性和成膜性，且黏度低[27]，有利于濕膠囊的干燥，因此在保留芯材風(fēng)味的同時(shí)具有較高的產(chǎn)率和包埋率。

圖3 微膠囊的產(chǎn)率、包埋率Fig.3 Yields and encapsulation rates of microcapsules

2.4 粒徑分布

圖4 微膠囊的粒度分布Fig.4 Particle size distribution of microcapsules

粒徑是評(píng)價(jià)微膠囊乳液體系質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，粒徑小的乳液更有利于被人體吸收，能夠擴(kuò)大應(yīng)用范圍。如圖4所示，微膠囊的粒度呈正態(tài)分布，VO-OSS、VO-CS、VO-MD、VO-CD的平均粒徑分別為194.4、251.2、411.8、473.7 nm。由于冷凍階段冰晶團(tuán)聚，VO-CD顆粒顯示最高的平均粒徑為473.7 nm；另一方面，2.2節(jié)結(jié)果顯示VO-CD、VO-MD黏連嚴(yán)重，從而導(dǎo)致平均粒徑高。陳巖等[28]的報(bào)道指出，粒徑也是影響包埋率主要的因素之一，粒徑小則包埋率會(huì)隨之增高。結(jié)合2.4節(jié)結(jié)果，VO-OSS的表面油含量較低，有效地降低了顆粒平均粒徑。本實(shí)驗(yàn)中噴霧干燥得到的VO-OSS、VO-CS粒度分散均勻，表明粒度集中在平均粒徑190、250 nm左右。微膠囊粒徑產(chǎn)生差異的原因一方面由于制備過(guò)程中水分瞬間蒸發(fā)的速率不同導(dǎo)致顆粒產(chǎn)生不同的收縮力度，從而得到不同粒徑的微膠囊；另一方面由于乳狀液的粒徑受制備工藝的影響，均質(zhì)壓力高、乳化時(shí)間長(zhǎng)、分散速度快從而得到粒徑較小的微膠囊產(chǎn)品[29]。因此，壁材的結(jié)構(gòu)性質(zhì)顯著影響微膠囊產(chǎn)品的形狀、大小和總體結(jié)構(gòu)。

2.5 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析

圖5 微膠囊的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.5 Moisture contents of microcapsules

如圖5所示，V O-O S S的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高（1.76%），VO-MD的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低（1.01%），這是由于MD具有較強(qiáng)的吸濕性所致。根據(jù)Tonon等[30]的報(bào)道，干燥過(guò)程中的主要驅(qū)動(dòng)力是溫度差，因此溫度差越大干燥程度越高。但4?種壁材制備的微膠囊產(chǎn)品水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)都不超過(guò)5%，表示產(chǎn)品在貯藏過(guò)程中不易發(fā)生霉變，不易吸潮結(jié)塊，均有利于貯藏。

2.6 乳液穩(wěn)定性及溶解度分析

圖6 微膠囊的乳液穩(wěn)定性、溶解度Fig.6 Emulsion stability and solubility of microcapsules

微膠囊乳液穩(wěn)定性、溶解度結(jié)果如圖6所示，結(jié)果顯示，VO-β-CD、VO-MD、VO-CS、VO-OSS的乳液穩(wěn)定性分別為66.67%、72.76%、95.37%、97.82%，對(duì)應(yīng)的溶解度分別為64.14%、69.22%、93.50%、96.31%。根據(jù)Zhang Yating等的報(bào)道，溶液的穩(wěn)定性與壁材的性質(zhì)有關(guān)，壁材溶解后出現(xiàn)沉淀分層，則微膠囊乳液的穩(wěn)定性也較差[31]。本實(shí)驗(yàn)中，VO-MD在制備過(guò)程中加入MD后，降低了壁材的黏度，提高了乳液穩(wěn)定性和溶解度。陳琳指出，利用噴霧干燥方式制備的微膠囊產(chǎn)品要求壁材具有良好的乳化性、成膜性及干燥特性[16]。由于VO-CS中加入了乳化劑，乳液穩(wěn)定性和溶解度分別為95.37%、93.50%，表現(xiàn)出較好的乳化性。由于OSS本身就具有較強(qiáng)的乳化能力和成膜性，且在水溶液中易分散，因此乳狀液穩(wěn)定性及溶解度都最高，分別達(dá)到97.82%和96.31%。此外，粒徑越小，越有利于粉末顆粒的溶解，這與2.4節(jié)結(jié)果一致。

2.7 緩釋性分析

圖7 微膠囊的緩釋性Fig.7 Sustained-release properties of microcapsules

如圖7所示，在VO-OSS、VO-MD、VO-β-CD、V O-C S、V O中，1 0 d后香蘭素的保留率分別為（5 5.8 5 f1.1 0）%、（5 4.6 2 f1.3 0）%、（5 4.2 4 f 1.3 0）%、（5 0.9 2 f1.2 0）%、（21.90f0.90）%。VO-CS、VO中香蘭素的保留率具有顯著性差異（P＜0.05）；VO-OSS、VO-MD、VO-β-CD中香蘭素的保留率差異不顯著（P＞0.05）。未包埋的精油第7天時(shí)，香蘭素的保留率為25%，之后趨勢(shì)趨于平緩，微膠囊中香蘭素的保留率有相同的變化趨勢(shì)，但幅度明顯減小，在10 d后測(cè)得香蘭素保留率仍然大于50%。這是由于壁材形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將精油包覆其中，減少了精油與環(huán)境的接觸，能夠有效地控制精油的釋放[32]。在前6 d香蘭素釋放較快，這是由于在制備過(guò)程中精油中有效成分少部分依附在微膠囊的表面，表面的精油優(yōu)先釋放出來(lái)[31,33]。而后釋放速率降低，則需通過(guò)外部刺激將內(nèi)部精油釋放出來(lái)。Wang Qin等[20]的報(bào)道指出，包埋率低的微膠囊產(chǎn)品緩釋性也相對(duì)較差。但本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之相反，以酪蛋白為壁材的微膠囊產(chǎn)品的包埋率高，但緩釋性卻最差，這可能是由于制備過(guò)程中的溫度影響了釋放速率，溫度高致使微膠囊中精油中有效成分快速揮發(fā)。結(jié)合2.2、2.4節(jié)結(jié)果，表面結(jié)構(gòu)光滑、粒徑小則形成的微膠囊結(jié)構(gòu)致密，壁材的孔隙度相對(duì)較小，香蘭素的釋放速率也較緩慢。因此，以O(shè)SS為壁材的微膠囊產(chǎn)品顯示出更好的緩釋效果。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比分析4?種不同壁材制備的香草蘭精油微膠囊產(chǎn)品的差異，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：相比于其他3?種壁材，以O(shè)SS為壁材的微膠囊產(chǎn)品具有更好的包埋效果，其產(chǎn)率、包埋率、溶解度、乳液穩(wěn)定性分別為84.17%、78.04%、96.31%、97.82%，平均粒徑為190 nm，顯微鏡結(jié)構(gòu)顯示微膠囊表面結(jié)構(gòu)光滑、呈球形，在貯藏過(guò)程中緩釋效果最好，故將其作為食品添加劑具有很好的潛力。通過(guò)對(duì)比4?種微膠囊的所有指標(biāo)，OSS可以作為制備香草蘭精油較佳的壁材。另外由于OSS價(jià)格低，適合應(yīng)用到連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且能夠生產(chǎn)出性能優(yōu)良的微膠囊產(chǎn)品。