香草兰精油微胶囊的制备工艺优化及缓释性分析

刘双双 张彦军 徐飞 初众 那治国

摘 要 以辛烯基琥珀酸淀粉钠和麦芽糊精为壁材，香草兰精油为芯材，通过喷雾干燥的方式制备香草兰精油微胶囊。5种单因素实验结果表明：壁芯比、均质压力、固形物质量分数对包埋产率具有显著影响。通过响应面实验设计得到最佳制备香草兰精油微胶囊的工艺条件为壁芯质量比4∶1、均值压力20 MPa、固形物质量分数40%，该条件下包埋产率为（97.21±0.3）%，包埋率为（89.16±1.2）%。100 ℃加热30 h后，微胶囊的挥发率为22.12%，结果表明微胶囊能够显著降低精油的挥发速率。

关键词 辛烯基琥珀酸淀粉钠；香草兰精油；工艺优化；缓释性

中图分类号 TS201.1 文献标识码 A

Abstract Microcapsules of vanilla essential oil were prepared by spray drying， using starch sodium octenylsuccinate， maltodextrin and vanilla oil as wall materials and core material， respectively. The results of five single factors experiments showed that core to wall material ratio， homogenization pressure and solid concentration had significant influence on the embedding yield. The optimal conditions for the preparation of vanilla essential oil microcapsules by the response surface test were core to wall material ratio of 4：1， homogenization pressure of 20 MPa， solids concentration of 40%， respectively. Under the optimal conditions， vanilla essential oil microcapsule showed the embedding yield， the embedding rate with （97.21±0.3）%， （89.16±1.2）%， respectively. After processing with temperature 100 ℃ for 30 h， the releasing rate of microcapsules was 22.12%. The results showed that the microcapsules could significantly reduce the volatilization rate of the essential oils.

Keywords sodium octenylsuccinate starch； vanilla essential oil； process optimization； controlled-release properties

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.07.024

香草兰原产于墨西哥，是典型的热带经济作物。新鲜的香草兰豆荚无臭无味，但在固化的过程中能够产生约200种赋予香草特征的风味化合物，是世界上最受欢迎的香料之一[1-2]。香草兰精油是香草兰提取物之一，精油中含有豆荚中最主要的香气成分-香兰素，具有浓郁的香气，广泛应用在香水、化妆品、食品等领域中[3-4]。但精油中有效成分易受环境的影响，易挥发易氧化，这使得香草兰精油的香气成分释放较快，严重限制了应用性及持久留香性[5]。因此，如何有效降低挥发性，提高缓释性，是解决这些挑战和扩大应用的关键。目前，采用微胶囊技术能够解决这一关键性的问题。

纳米微胶囊技术可以将液体转化为固体颗粒，将易挥发的物质包覆在高分子材料中，使其免受环境的影响[6]。因此，微胶囊技术能够赋予延长和控制精油中易氧化易挥发成分的释放，提高贮藏稳定性。目前应用于制备微胶囊的壁材有很多种，主要有糊精类、胶类、蛋白类、壳聚糖等[7-9]。但在本课题组前期实验中，分别以β-环糊精、麦芽糊精、辛烯基琥珀酸淀粉钠、酪蛋白为壁材，通过对四种微胶囊产品的比较分析，得出以辛烯基琥珀酸淀粉钠为壁材的纳米微胶囊产品从干燥速度、油脂包埋率、货架稳定性、粉末油脂在水中的分散溶解能力都优于其他3种壁材，并且可以降低生产成本，适合工业化生产。在粉末香精中，以辛烯基琥珀酸淀粉钠为壁材，还具有良好的缓释作用。这主要是由于以下几点：首先，从结构上看，辛烯基琥珀酸淀粉钠在淀粉长链上同时引进了亲水基和疏水基，并且二者的比例是1∶1。其次，由于长链的作用，当作用于油/水乳状液时，亲水的羧酸基团伸入水中，亲油的烯基长链伸入油中，使长链在油水界面上形成一层很厚的界面膜，这使得辛烯基琥珀酸淀粉钠具有优良的乳化性和稳定性[10-12]。麥芽糊精成本较低，缺乏乳化性，但其能够在微胶囊的表面形成一层薄膜有效降低了精油的挥发率[13-14]。

因此，本研究将利用辛烯基琥珀酸淀粉钠为壁材，麦芽糊精为填充剂，通过单因素筛选试验后进行响应面分析，以微胶囊的包埋产率为指标筛选出最佳制备工艺，进一步对微胶囊的缓释性进行初步探讨，为香草兰精油纳米微胶囊的制备提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

香草兰精油，马来西亚Rentak Timur公司；辛烯基琥珀酸淀粉钠，江西金立德食品科技有限公司。

GYB-60-6S 高压均质机，上海东华高压均质机厂；IKA magic LAB多功能乳化分散机，德国IKA集团/艾卡（广州）仪器设备有限公司；DF-101集热式恒温加热磁力搅拌器，予华仪器责任有限公司；B-290喷雾干燥机，瑞士B?CHI公司。

1.2 方法

1.2.1 香草兰精油微胶囊的制备 以辛烯基琥珀酸淀粉钠为壁材，香草兰精油为芯材，沸水浴溶解辛烯基琥珀酸淀粉钠溶液至透明状，加入含水率30%的麦芽糊精溶液，冷却后加入香草兰精油混合，高速分散后进行高压均质处理，对所得乳状液进行喷雾干燥，得到固体微胶囊粉末。喷雾干燥条件参考朱红梅等[15]并做适当修改：出口温度为140 ℃，出口温度为90 ℃，蠕动泵转速为40%，自动喷嘴清洗6次。

1.2.2 香草兰精油微胶囊产率、包埋率的测定[16] 产率为所得微胶囊总质量与原料中芯材壁材总质量的百分比。

1.2.3 单因素实验设计 （1）芯壁比对微胶囊产率、包埋率的影响 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉钠水溶液至透明状后加入含水率为30%的麦芽糊精水溶液，冷却后加入香草兰精油，固形物含量为40%。设置芯壁材比例为1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，将混合均匀的溶液以6 000 r/min高速分散后以20 MPa的压力进行高压均质，对所得到均一的乳状液进行喷雾干燥得到微胶囊粉末。喷雾干燥条件为：进口温度140 ℃，出口温度为90 ℃，抽气速率为100%，蠕动泵转速为40%，進料流量为600 L/h，自动喷嘴清洗6次。

（2）混合壁材的比例对微胶囊产率、包埋率的影响 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉钠水溶液至透明状后加入含水率为30%的麦芽糊精水溶液，设置辛烯基琥珀酸淀粉钠∶麦芽糊精为1∶1、1∶2、1∶3、3∶1、2∶1，按芯壁比1∶4加入香草兰精油，固形物含量为40%，芯壁材混合后以6 000 r/min高速分散3 min，20 MPa进行高压均质，后续操作与（1）相同。

（3）固形物质量分数对微胶囊产率、包埋率的影响 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉钠水溶液至透明状，按辛烯基琥珀酸淀粉钠：麦芽糊精为1∶3的比例加入含水率为30%的麦芽糊精水溶液，按芯壁比1∶4加入香草兰精油，设置固形物含量为依次20%、30%、40%、50%、60%。后续操作与（1）相同。

（4）分散速度对微胶囊产率包埋率的影响 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉钠水溶液至透明状，按辛烯基琥珀酸淀粉钠：麦芽糊精为1∶3的比例加入含水率为30%的麦芽糊精水溶液，按芯壁比1∶4加入香草兰精油，固形物含量为40%，设置分散速度依次为4 000、5 000、6 000、7 000、8 000 r/min进行高速分散，后续操作与（1）相同。

（5）均质压力对微胶囊产率、包埋率的影响 沸水浴糊化辛烯基琥珀酸淀粉钠水溶液至透明状，按辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精为1∶3的比例加入含水率为30%的麦芽糊精水溶液，按芯壁比1∶4加入香草兰精油，固形物含量为40%，分散速度为6 000 r/min，设置均质压力依次为10、15、20、25、30 MPa对溶液进行高压均质，后续操作与（1）相同。

1.2.4 响应面优化实验 在单因素实验结果的基础上，利用Box-Benhnken Design建立数学模型，以芯壁比、均质压力、固形物质量分数为自变量，产率为响应值，利用Design-Expert 8.0.6软件对数据进行分析，设计三因素三水平实验，优化包埋香草兰精油的最佳工艺参数。实验编码、影响因素、变化水平如表1所示。

1.3 数据分析

利用Design-Expert 8.0.6软件设计实验因素水平，利用SPSS 21.0软件进行数据分析。

1.4 微胶囊的缓释性测定

分别称取2 g香草兰精油以及香草兰精油微胶囊放入烧杯中，贮藏在100 ℃烘箱中，每隔3 h称其质量，计算香精油和微胶囊的保留率。

2 结果与分析

2.1 5个单因素实验对香草兰精油微胶囊产率的影响

五种单因素对香草兰精油微胶囊产率的影响如图1所示。图1-A结果表明，壁芯材比例对微胶囊产率具有显著影响。当其他条件固定时，壁芯材比例的增加，微胶囊产率呈现先增大后减小的趋势。当壁芯比为4∶1时，包埋产率可达92.54%。当壁材质量一定时，随着芯材的添加量减少，壁材通过分子键连接在一起，对精油的包覆度不够导致空囊率高，随之产率也相应降低。彭颖等[17]得出相同的结论。图1-B结果显示，在相同条件下，复合壁材辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精比例为1∶3时，包埋产率最大为89.23%。随着麦芽糊精添加量的减少，对微胶囊的保护程度降低，导致在制备微胶囊的过程中，精油析出，降低产率。图1-C结果显示随着均质压力的增大，微胶囊产率呈现先增大后减少的趋势，当均质压力为20 MPa时可达到最大的包埋产率为89.62%。

通常情况下，压力越高，均质的物料粒径分散均匀，有利于提高乳状液的稳定性，从而得到微胶囊产品具有较高的包埋产率。但随着压力的升高，物料的发热率增大，高温将会影响微胶囊的包埋效果。另一方面，辛烯基琥珀酸淀粉钠结构中的长链在油水界面上形成一层很厚的界面膜，当压力升高时，乳状液液滴减小，体系表面自由能增加，体系处于不稳定状态，同时微胶囊的结构遭到破坏，导致包埋失败，降低产率[18]。对混合后的芯壁材溶液进行高速分散使混合溶液分散更加均匀，有利于芯材与壁材的结合。图1-D结果表明，分散速度对微胶囊产率的影响较小。设置分散速度最小为4 000 r/min，最大为8 000 r/min，对应的包埋产率分别为81.62%、86.52%，结合经济适用实际情况，选择6 000 r/min对芯壁材混合溶液进行分散。图1-E结果表明，不同固形物质量分数对微胶囊产率的影响较为显著，随着固形物含量的增加，微胶囊产率也增加，当固形物含量为40%时，微胶囊产率达到91.62%。单因素实验结果表明，壁芯比、均值压力、固形物质量分数对微胶囊包埋产率具有显著影响，在此基础上进行了响应面优化实验。

2.2 制备微胶囊的优化实验

2.2.1 响应面设计及结果分析 在单因素实验的基础上，以微胶囊包埋产率为响应值设计了三因素三水平的响应面实验方案，共17个实验点、12个分析点，5个为零点实验。结果如表2所示。当壁芯比为4∶1，均质压力为20 MPa，固形物质量分数为40%时，包埋产率达到最大值，为98.54%～98.18%，其他实验点结果均在15号实验点与零点实验结果之间，由此需进行下一步分析。

2.2.2 回归方程的建立与显著性分析 利用Design-Expert 8.0.6软件对表2数据通过二次多元回归分析对试验数据进行拟合，确立制备香草兰精油微胶囊的最优拟合二次多项式方程如下：

回归方程方差分析如表3所示。在回归模型中p<0.000 1<0.01，说明实验所选用二次回归模型极显著；失拟项中F=2.26，p=0.223 7，表示模型失拟项不显著；模型相关系数R2=0.996 0，表示响应值变化有99.6%是由自变量造成。此模型中，Adj R2=0.990 8，模型的变异系数为0.79%，表明此模型与实际值拟合度较高，可以进行对响应值的预测，可由此模型分析微胶囊的包埋产率。由回归模型中显著性可知，对微胶囊产率的影响的重要性依次为X3> X1>X2，即固形物含量>壁芯壁>均质压力。另外，模型中X1X3交互作用极显著，X12、X22、X32均极显著，说明整个响应面构成于各因素相互作用的基础上且交互作用良好。

2.2.3 响应面结果分析、优化及验证 三种因素交互作用对微胶囊产率影响的响应面与等高线如图2所示。等高线的形状能够反映这两种因素交互作用的强弱，结合对应的响应面图能够分析自变量对响应值的影响。当等高线越接近圆形，表明这两种因素对响应值的影响不显著；反之，越接近椭圆，对响应值影响越显著。图2结果表明，芯壁比与固形物质量分数，均质压力与壁芯比两因素交互作用显著，与2.2模型方差分析结果一致。通过回归方程预测的最佳工艺条件为：壁芯材比例为4.3∶1，均质压力为20.1 MPa，固形物质量分数为41.61%，在此条件下，包埋产率达到最大值（98.15±0.8）%。在实验水平范围内，对模型预测最大响应值对应的因素进行实验验证。考虑到实际操作条件，故选定参数为壁芯材比为4∶1，均质压力为20 MPa，固形物质量分数为40%，进行3次重复实验。在此条件下测得微胶囊产率为（97.21±0.3）%，与模型预测值较为接近，偏差为0.94%。表明该模型能够完成对微胶囊包埋产率的工艺优化，能够很好地反映包埋效果。

2.3 微胶囊包埋率的测定

微胶囊的包埋产率，包埋率能够反映微胶囊的包合效果以及利用价值。Hundre等[19]的报道指出，包埋产率和包埋率呈正相关的趋势增长。因此本研究以包埋产率为响应值，在简化实验操作的基础上也能够反映出微胶囊的包埋效率。在壁芯材比为4∶1，均质压力为20 MPa，固形物质量分数为40%下测得微胶囊包埋产率为（97.21±0.3）%，包埋率为（89.16±1.2）%。在本课题组前期未优化的实验条件下测得微胶囊的包埋产率为（83.92±0.9）%，对应的包埋率为（78.04±1.8）%。通过对比得知，在工艺优化的基础上，包埋效率显著提高。

2.4 微胶囊的缓释性分析

精油及微胶囊的挥发率如图3所示。随着加热时间的延长，精油和微胶囊的挥发率呈现逐渐升高的变化趋势，但两者挥发速率不同。结果表明，在加热30 h后，精油的挥发率达到76.21%，而微胶囊的挥发速率为22.12%；在18 h后，微胶囊的挥发速率趋于平缓。这是因为辛烯基琥珀酸淀粉鈉对精油起到了一定的保护作用，有效地阻止了芯材中有效成分的挥发，避免了环境对精油的影响[17]。由此可知，精油的微胶囊化更有利于精油功能与功效的持久释放。

3 讨论

Lertsutthiwong等[20]研究表明，增加芯材的含量能够增大芯壁材的接触面积提高包埋产率，但芯材质量过多会导致壁材包覆不完全，使精油依附在微胶囊表面，在制备过程中精油的挥发及粘壁损失严重导致产率降低。刘文妮等[18]研究表明，固形物质量高，乳液较黏稠，在干燥的过程中能够形成致密的网状结构，能够阻碍芯材扩散到壁材表面，但固形物质量达到60%时，产率反而下降。这一方面是由于当溶液中固形物质量升高时，溶液达到饱和状态，溶解不完全而出现沉淀，降低了微胶囊包埋产率；另一方面，溶液中固形物含量过高，导致分子运动空间减小而发生聚集，影响包埋效果[21]。杨海燕等[21]研究以酪蛋白和麦芽糊精为壁材进行复配，得到包埋率为85.83%的甜杏仁油微胶囊。壁材的复配使用能够增加微胶囊的包埋效率，在微胶囊的制备过程，麦芽糊精能够形成一层薄膜依附在微胶囊的表面，对芯材起到一定的保护作用[22]。

本文在单因素实验的基础上发现壁芯比、均质压力、固形物质量分数对包埋产率影响显著。以包埋产率为响应值，采用响应面实验方法设计三因素三水平的工艺优化，结果表明壁芯比和固形物质量分数对响应值影响显著。制备工艺最优参数为：壁芯比为4∶1，均质压力为20 MPa，固形物质量分数为40%，此条件下，包埋产率为（97.21±0.3）%，包埋率为（89.16±1.2）%。贮藏过程中发现微胶囊具有良好的缓释作用。由此可知，对精油的微胶囊化能够降低精油的挥发，壁材的复配使用也能够提高微胶囊的包埋效率。

相对于其他制备方法，本研究在制备微胶囊过程中不需要加入乳化剂、固化剂等，能够保持精油的天然成分不受破坏。此工艺条件制备的香草兰精油微胶囊具有浓郁的精油香气，能够作为天然调味品、抗氧化剂和食品调味剂等，具有广阔应用空间和市场价值。基于研究结论，本课题可以在香草兰精油微胶囊的应用方面开展研究，扩大实际应用性。

参考文献

[1] Baqueiro-Pe?a I， Guerrero-Beltrán J ?. Vanilla （Vanilla planifolia Andr.）， its residues and other industrial by-products for recovering high value flavor molecules： A review[J]. Journal of Applied Research on Medicinal & Aromatic Plants， ， 2017（6）：1-9.

[2] Karathanos V T， Mourtzinos I， Yannakopoulou K， et al. Study of the solubility， antioxidant activity and structure of inclusion complex of vanillin with β-cyclodextrin[J]. Food Chemistry， 2007， 101（2）： 652-658.

[3] Ramachandra Rao S， Ravishankar G A. Vanilla flavour： production by conventional and biotechnological routes[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture， 2000， 80（3）： 289-304.

[4] Gounaris Y. Biotechnology for the production of essential oils， flavours and volatile isolates. A review[J]. Flavour & Fragrance Journal， 2010， 25（5）： 367-386.

[5] Bakkali F， Averbeck S， Averbeck D， et al. Biological effects of essential oils-a review[J]. Food & Chemical Toxicology， 2008， 46（2）： 446-475.

[6] 张团红， 胡小玲， 乔吉超， 等. 纳米胶囊的制备方法与结构性能的研究进展[J]. 化工进展， 2006， 25（5）： 502-506.

[7] Cano-Higuita D， Malacrida C， Telis V. Stability of curcumin microencapsulated by spray and freeze drying in binary and ternary matrices of maltodextrin， gum arabic and modified starch[J]. Journal of Food Processing and Preservation， 2015， 39（6）： 2 049-2 060.

[8] Butstraen C， Salaün F. Preparation of microcapsules by complex coacervation of gum Arabic and chitosan[J]. Carbohydrate Polymers， 2014， 99： 608-616.

[9] 徐 晶， 劉 欢， 夏光辉， 等. β-环糊精包埋柠檬醛微胶囊工艺优化及其缓释性能[J]. 食品科学， 2014， 35（14）： 82-86.

[10] 张燕萍， 龚 臣. 低粘度辛烯基琥珀酸淀粉酯作微胶囊壁材的研究[J]. 食品科学， 2006， 27（1）： 148-152.

[11] 聂文文， 肖志刚， 张焕丽， 等. 辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备、性质及应用研究[J]. 食品工业， 2017， 38（3）： 190-193.

[12] 石 燕， 李 翠， 郑为完， 等. 淀粉酯的物化特性及对月见草油微胶囊品质的影响[J]. 食品与发酵工业， 2017， 43（1）： 55-59.

[13] 成亚斌， 黄凯信， 宋贤良， 等. 响应面试验优化盐焗鸡卤汁分离鸡油微胶囊化工艺[J]. 食品科学， 2015， 36（14）： 39-43.

[14] 黄洁虹. 变性淀粉包埋多不饱和油脂氧化稳定性的研究[D]. 广州： 广东工业大学， 2015.

[15] 朱红梅， 张彦军， 田建文， 等. 四种物理方法制备香草兰精油微胶囊的比较分析[J]. 食品科学， 2017， 38（21）： 106-111.

[16] Lv Y， Yang F， Li X Y， et al. Formation of heat-resistant nanocapsules of jasmine essential oil via gelatin/gum arabic based complex coacervation[J]. Food Hydrocolloids， 2014， 35： 305-314.

[17] 彭 颖， 姜子涛， 李 荣. 辛烯基琥珀酸淀粉酯包埋肉桂精油微胶囊的研究[J]. 中国调味品， 2011， 36（12）： 48-51.

[18] 刘文妮， 沈科萍， 张 忠， 等. 响应面法优化孜然精油微胶囊工艺[J]. 食品科学， 2014， 35（18）： 17-21.

[19] Hundre S Y， Karthik P， Anandharamakrishnan C. Effect of whey protein isolate and β-cyclodextrin wall systems on stability of microencapsulated vanillin by spray-freeze drying method[J]. Food Chemistry， 2015， 174： 16-24.

[20] Lertsutthiwong P， Noomun K， Jongaroonngamsang N， et al. Preparation of alginate nanocapsules containing turmeric oil[J]. Carbohydrate Polymers， 2008， 74（2）： 209-214.

[21] 杨海燕， 于 蒙， 刘姗姗， 等. 冷冻干燥法制备甜杏仁油微胶囊[J]. 食品科学， 2012， 33（18）： 36-40.

[22] Wang Q， Lei H， Jiang L，， et al. Optimization and evaluation of microencapsulation of star anise oleoresin[J]. Journal of Food Processing & Preservation， 2015， 38（5）： 2 129-2 136