壁材对香草兰精油微胶囊物性与释放特性的影响

刘双双，那治国，徐 飞，初 众，张彦军,*

（1.中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南 万宁 571533；2.黑龙江东方学院食品与环境工程学部，黑龙江 哈尔滨 150066；3.国家重要热带作物工程技术研究中心，海南 万宁 571533）

香草兰（Vanilla planifolia Andrews）是名贵的天然香料植物之一，属于典型的热带经济作物，素有“食品香料之王”的美誉[1-3]。香草兰新鲜豆荚没有任何特殊气味，在进行一系列的固化后能够产生约200 种富含香草特征风味和香气的化合物[2]。香草兰精油（vanilla essential oil，VO）是从其豆荚中获得的挥发性芳香族液体，其香气清新，具有让人醒目的作用[4-5]，广泛用于食品调味剂、香水和化妆品美容护理等方面[6]。然而，由于香草兰精油的有效成分挥发性大、溶解度低，在空气、光、湿气和高温条件下容易降解，这使得香草兰精油具有芳香味挥发较快、不易加工运输、释放不可控制等缺点[3]。因此，有效降低香草兰精油挥发性并提高其热稳定性是解决这些问题和扩大香草兰精油应用的关键。

微胶囊技术是指利用天然的或人工合成的高分子化合物壁材将芯材连续、完全地包覆起来形成固体颗粒，是一种控制释放或保护活性物质的有效方法[7-8]。由于被包覆的芯材与外界隔绝，因此可以免受氧气、湿气、光照、细菌等对其的影响。在适当的条件下，通过外部刺激或缓释作用将芯材的功能呈现出来。微胶囊技术目的在于隔离两相物质、控制释放、改善物质的物理性质、屏蔽不良气味，由于其粒度小，易分散和悬浮在水中形成胶体溶液[9]。壁材的功能特性是微胶囊功能特性的主要决定因素，壁材的选择也直接影响微胶囊产品的功能特性、工艺条件和成本，因此，壁材的选择尤为重要[10-13]。Yang Ziming等利用壳聚糖为壁材，制备了包埋率为92%的香草兰精油微胶囊[3]。肖作兵等以壳聚糖和三磷酸钠为壁材，制备了粒径为100 nm左右，但包埋率为25.56%的微胶囊[14]。虽然前人在香草兰精油微胶囊方面做了初步研究，但普遍存在成本较高且实验条件不易控制、不适合连续生产、包埋率低等问题，缺乏产业化生产的技术参数。本课题组前期研究发现菠萝蜜种子淀粉可以成为香草兰精油包埋的良好壁材，但存在缓释性能较差的问题，不适合工业化生产应用。

因此，本实验利用不同壁材以及壁材组合对香草兰精油进行包埋，采用喷雾干燥和冷冻干燥的方式制备香草兰精油颗粒，通过对微胶囊形态表征、包埋率、缓释性及溶解性的比较，最终筛选出包埋香草兰精油的最适壁材，以期为工业化生产香草兰精油微胶囊提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

香草兰精油 马来西亚Rentak Timur公司；β-环糊精（β-cyclodextrin，β-CD）、麦芽糊精（maltodextrin，MD）曲阜天利药用辅料有限公司；辛烯基琥珀酸淀粉钠（octenylsuccinate starch sodium，OSS）、酪蛋白（casein，CS） 江西金立德食品科技有限公司；香兰素标准品 美国Sigma公司；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

B-290喷雾干燥机、R-215旋转蒸发仪 瑞士BÜCHI公司； Scientz-150高压均质机 宁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集热式恒温加热磁力搅拌器 予华仪器责任有限公司；Mastersizer2000 激光粒度仪 英国马尔文仪器有限公司；S-4800扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；高效液相色谱仪 美国安捷伦公司。

1.3 方法

1.3.1 OSS-香草兰精油微胶囊的制备

近沸水浴糊化OSS至澄清透明溶液，加入质量分数30%的麦芽糊精糖浆混合，冷却至45 ℃后，按芯、壁材质量比1∶4加入香草兰精油。将混合液以10 000 r/min高速分散3 min后进行高压均质，对所得乳状液进行喷雾干燥，得到微胶囊粉末（VO-OSS）[15-16]。

1.3.2 酪蛋白-香草兰精油微胶囊的制备

称取适量的酪蛋白，近沸水浴全部溶解，加入质量分数30%麦芽糊精糖浆溶液。将精油加热至65 ℃后加入质量分数1.0%单双甘油脂肪酸酯、0.3%双乙酰酒石酸单双甘油脂肪酸酯，按芯、壁材质量比1∶4加入香草兰精油。将混合液以10 000 r/min高速分散3 min后进行高压均质，对所得乳状液进行喷雾干燥，得到微胶囊粉末（VO-CS）[17]。

1.3.3 β-环糊精-香草兰精油微胶囊的制备

60 ℃溶解30 min形成饱和β-CD溶液，冷却至45 ℃，加入香草兰精油。以10 000 r/min高速分散3 min后进行高压均质，对所得乳状液进行喷雾干燥，得到微胶囊粉末（VO-β-CD）[18-19]。

1.3.4 β-环糊精＋麦芽糊精-香草兰精油微胶囊的制备

60 ℃溶解30 min形成饱和β-CD溶液，加入质量分数30%麦芽糊精糖浆混合，冷却至45 ℃，加入香草兰精油。以10 000 r/min高速分散3 min后进行高压均质，对所得乳状液进行喷雾干燥，得到微胶囊粉末（VO-MD）[20]。

1.3.5 4 种壁材制备的微胶囊感官指标分析

对微胶囊固体颗粒及乳状液进行气味、色泽及性状进行感官评价[21]。

1.3.6 水分质量分数的测定

通过水分测定仪检测水分质量分数，检测温度为室温。

1.3.7 扫描电子显微镜观察

通过扫描电子显微镜检查微胶囊的表面形态。将干燥的微胶囊固定在具有双面胶带的金属短棒上，并通过金溅射涂布机在高真空蒸发器中涂覆金。然后在扫描电子显微镜上以20 kV的加速电压观察样品。

1.3.8 微胶囊粒径测定

通过激光粒度仪对微胶囊复水体系进行检测，稀释体积分数为0.5%，检测温度为25 ℃。

1.3.9 微胶囊包埋率的测定

表面油质量分数的测定：将微胶囊用石油醚洗涤两次。将得到的洗涤溶液转移到预先恒质量的空烧瓶中。表面油质量分数按式（1）[22]计算。

式中：m为微胶囊质量/g；m1为干燥后空烧瓶质量/g；m2为空烧瓶质量/g。

采用碱性乙醚浸提法测定微胶囊中精油总质量分数（式（2））；包埋率按式（3）计算。

1.3.10 微胶囊乳液稳定性测定

取一定量均质后的乳状液装入带有刻度的试管中，常温静置24 h，观察分层情况，读取游离水层体积[13]，乳液稳定性按式（4）计算。

1.3.11 微胶囊的溶解度测定

将微胶囊粉末加入蒸馏水后离心，倾去上清液。将沉淀转移至已知质量的器皿中，置于105 ℃烘干至恒质量，至前后两次质量差不超过1 mg[16]，按式（5）计算微胶囊溶解度。

式中：m为样品质量/g；m1为器皿质量/g；m2为器皿与微胶囊中不溶物质量/g；ω为样品水分质量分数/%；

1.3.12 微胶囊的缓释性分析

将微胶囊置于60 ℃烘箱中，模拟动态释放条件。利用高效液相色谱法每隔1 d测定精油以及微胶囊产品中香兰素的保留率。具体参考朱红梅等[23-24]的方法并作适当修改。用无水乙醇溶解1.0 g样品并定容至25 mL后，上清液离心后用0.45 µm膜过滤，装入样品瓶待测。高效液相色谱条件：ZORBAX Eclipse Plus反相C18柱（100 mmh4.6 mm，3.5 µm）；进样量5 µL；检测器检测波长280 nm；流速1.0 mL/min；柱温30 ℃；流动相20%甲醇和80%醋酸水（体积分数0.5%醋酸）等梯度洗脱。用外标法进行定量分析[27]。

标准品溶液的配制：准确称取香兰素标品25 mg，用流动相（甲醇和体积分数0.5%醋酸水等比例混合溶液）溶解后，定容至25 mL棕色容量瓶并摇匀，即得到1 mg/mL的标准液。从中分别吸取出上述标准液 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL装入10 mL容量瓶中并定容至刻度，为10、20、30、40、50 µg/mL标准系列溶液，质量浓度由低到高依次进样。

1.4 数据处理与分析

所有实验均进行3 次重复，数据以平均值±标准差表示。采用SPSS 21.0.1软件中单因素方差分析法进行显著性分析，采用Origin 8.5软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 微胶囊感官评价分析

表1 微胶囊感官评价得分Table1 Sensory characteristics of vanilla oil microcapsules

图1 微胶囊外观性状Fig.1 Visual appearance of microcapsules

如表1、图1所示，通过4 种不同的壁材制备的香草兰精油微胶囊颜色分别为乳白色、乳白色、乳黄色、浅黄色，且都是均匀的粉末颗粒，分散性好，均具有香草味。4 组微胶囊的溶解性较好，不加热或稍微加热即可溶解，无结块、无粘壁，冲泡性较好，冲调后的乳状液表面无油滴。因此微胶囊的感官指标性能良好。以OSS为壁材制备的微胶囊具有更好的冲泡性和溶解性且成本较低，将其作为食品添加剂或营养保健品应用到各个领域具有很好的潜力。陈琳[16]也报道了以变性淀粉包埋的紫苏油适合工业化生产。

2.2 扫描电子显微镜观察结果

图2 微胶囊扫描电子显微镜图Fig.2 SEM images of microcapsules

如图2所示，以β-CD为壁材制备的微胶囊，外形为块状，颗粒较分散，存在黏连的现象（图2A）；以MD为壁材制备的微胶囊呈块状，颗粒分散较均匀，部分有黏连（图2B）；以OSS为壁材制备的微胶囊，表面结构光滑，呈球状（图2C）；以CS为壁材制备的微胶囊，呈球形，表面较光滑（图2D）。根据Chen Qiong等[25]的报道，喷雾干燥的颗粒大部分呈球形规则的形状；但Hundre等[26]指出，复配壁材中加入β-CD后，微胶囊的结构呈现出玻璃块状且表面结构孔隙较多。本实验结果与Chen Qiong[25]及Hundre[26]等的报道一致。如图2所示，VO-β-CD、VO-MD呈现出非球型的玻璃块状，VO-OSS、VO-CS呈现球状。产生差异一方面是由于不同壁材所具有的不同结构性质造成；另一方面是制备工艺条件的不同也会造成微胶囊形状的不同[26]。图2表明利用OSS和CS为壁材制备的微胶囊表现出光滑的表面，没有裂缝，展现出更好的包合效果，这更有利于对芯材的保护，能够制备出低渗透率、高保留率的微胶囊产品。

2.3 产率、包埋率分析

微胶囊的包埋率是评价包合效果的重要指标，它能够反映芯材被包埋的程度。产率则是生产过程中衡量成本的重要依据。如图3所示，VO-MD、VO-CD、VO-CS、VO-OSS的产率分别为71.37%、73.825%、83.92%、84.17%，对应的包埋率分别为61.18%、64.33%、79.35%、78.04%。Hundre等[26]的报道指出，包埋率和产率呈正相关的趋势增长。本实验结果显示VO-CS的包埋率为79.35%，由于在制备VO-CS过程中加入乳化剂，赋予精油更好的流动性和分散性，提高了包埋率。而在加入乳化剂时需要加热精油，从而导致精油的有效成分挥发，降低产率。VO-MD的微胶囊产率和包埋率分别仅为71.37%、61.18%，这可能与β-CD的空间结构有关。根据Partanen等[19]的报道，当芯材的分子质量与β-CD空腔体积一致时，才能达到好的包埋效果。在制备VO-MD样品时，由于精油中有效成分较多，分子质量差异较大，限制了芯材进入壁材的空腔中，因此降低了微胶囊的产率和包埋率。而MD与β-CD的结合度不够，在干燥过程中产生薄膜依附在微胶囊的表面，从而影响产品的收集，降低了产率。在制备VO-CS样品时，乳化剂的添加使精油中挥发性物质含量减少，因此VO-CS风味损失较大。OSS本身具有乳化性和成膜性，且黏度低[27]，有利于湿胶囊的干燥，因此在保留芯材风味的同时具有较高的产率和包埋率。

图3 微胶囊的产率、包埋率Fig.3 Yields and encapsulation rates of microcapsules

2.4 粒径分布

图4 微胶囊的粒度分布Fig.4 Particle size distribution of microcapsules

粒径是评价微胶囊乳液体系质量的一个重要参数，粒径小的乳液更有利于被人体吸收，能够扩大应用范围。如图4所示，微胶囊的粒度呈正态分布，VO-OSS、VO-CS、VO-MD、VO-CD的平均粒径分别为194.4、251.2、411.8、473.7 nm。由于冷冻阶段冰晶团聚，VO-CD颗粒显示最高的平均粒径为473.7 nm；另一方面，2.2节结果显示VO-CD、VO-MD黏连严重，从而导致平均粒径高。陈岩等[28]的报道指出，粒径也是影响包埋率主要的因素之一，粒径小则包埋率会随之增高。结合2.4节结果，VO-OSS的表面油含量较低，有效地降低了颗粒平均粒径。本实验中喷雾干燥得到的VO-OSS、VO-CS粒度分散均匀，表明粒度集中在平均粒径190、250 nm左右。微胶囊粒径产生差异的原因一方面由于制备过程中水分瞬间蒸发的速率不同导致颗粒产生不同的收缩力度，从而得到不同粒径的微胶囊；另一方面由于乳状液的粒径受制备工艺的影响，均质压力高、乳化时间长、分散速度快从而得到粒径较小的微胶囊产品[29]。因此，壁材的结构性质显著影响微胶囊产品的形状、大小和总体结构。

2.5 水分质量分数分析

图5 微胶囊的水分质量分数Fig.5 Moisture contents of microcapsules

如图5所示，V O-O S S的水分质量分数最高（1.76%），VO-MD的水分质量分数最低（1.01%），这是由于MD具有较强的吸湿性所致。根据Tonon等[30]的报道，干燥过程中的主要驱动力是温度差，因此温度差越大干燥程度越高。但4 种壁材制备的微胶囊产品水分质量分数都不超过5%，表示产品在贮藏过程中不易发生霉变，不易吸潮结块，均有利于贮藏。

2.6 乳液稳定性及溶解度分析

图6 微胶囊的乳液稳定性、溶解度Fig.6 Emulsion stability and solubility of microcapsules

微胶囊乳液稳定性、溶解度结果如图6所示，结果显示，VO-β-CD、VO-MD、VO-CS、VO-OSS的乳液稳定性分别为66.67%、72.76%、95.37%、97.82%，对应的溶解度分别为64.14%、69.22%、93.50%、96.31%。根据Zhang Yating等的报道，溶液的稳定性与壁材的性质有关，壁材溶解后出现沉淀分层，则微胶囊乳液的稳定性也较差[31]。本实验中，VO-MD在制备过程中加入MD后，降低了壁材的黏度，提高了乳液稳定性和溶解度。陈琳指出，利用喷雾干燥方式制备的微胶囊产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中加入了乳化剂，乳液稳定性和溶解度分别为95.37%、93.50%，表现出较好的乳化性。由于OSS本身就具有较强的乳化能力和成膜性，且在水溶液中易分散，因此乳状液稳定性及溶解度都最高，分别达到97.82%和96.31%。此外，粒径越小，越有利于粉末颗粒的溶解，这与2.4节结果一致。

2.7 缓释性分析

图7 微胶囊的缓释性Fig.7 Sustained-release properties of microcapsules

如图7所示，在VO-OSS、VO-MD、VO-β-CD、V O-C S、V O中，1 0 d后香兰素的保留率分别为（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中香兰素的保留率具有显著性差异（P＜0.05）；VO-OSS、VO-MD、VO-β-CD中香兰素的保留率差异不显著（P＞0.05）。未包埋的精油第7天时，香兰素的保留率为25%，之后趋势趋于平缓，微胶囊中香兰素的保留率有相同的变化趋势，但幅度明显减小，在10 d后测得香兰素保留率仍然大于50%。这是由于壁材形成的网状结构将精油包覆其中，减少了精油与环境的接触，能够有效地控制精油的释放[32]。在前6 d香兰素释放较快，这是由于在制备过程中精油中有效成分少部分依附在微胶囊的表面，表面的精油优先释放出来[31,33]。而后释放速率降低，则需通过外部刺激将内部精油释放出来。Wang Qin等[20]的报道指出，包埋率低的微胶囊产品缓释性也相对较差。但本实验结果与之相反，以酪蛋白为壁材的微胶囊产品的包埋率高，但缓释性却最差，这可能是由于制备过程中的温度影响了释放速率，温度高致使微胶囊中精油中有效成分快速挥发。结合2.2、2.4节结果，表面结构光滑、粒径小则形成的微胶囊结构致密，壁材的孔隙度相对较小，香兰素的释放速率也较缓慢。因此，以OSS为壁材的微胶囊产品显示出更好的缓释效果。

3 结 论

本实验通过对比分析4 种不同壁材制备的香草兰精油微胶囊产品的差异，根据实验结果得出以下结论：相比于其他3 种壁材，以OSS为壁材的微胶囊产品具有更好的包埋效果，其产率、包埋率、溶解度、乳液稳定性分别为84.17%、78.04%、96.31%、97.82%，平均粒径为190 nm，显微镜结构显示微胶囊表面结构光滑、呈球形，在贮藏过程中缓释效果最好，故将其作为食品添加剂具有很好的潜力。通过对比4 种微胶囊的所有指标，OSS可以作为制备香草兰精油较佳的壁材。另外由于OSS价格低，适合应用到连续工业生产，不仅可以降低生产成本，而且能够生产出性能优良的微胶囊产品。