彭群，段翰英，葉之壯，陸潔毅，王超*

1(暨南大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，廣東 廣州，510632)2(廣州百花香料股份有限公司，廣東 廣州，510632)

甜橙油由多種揮發(fā)性風(fēng)味成分構(gòu)成，其中萜烯類化合物占比高于90%，是很多食品產(chǎn)品中天然香氣成分的來源[1]。其主要香味物質(zhì)苧烯對光、熱和氧氣十分敏感，易導(dǎo)致風(fēng)味損失和氧化產(chǎn)生不愉快的味道[2]，而應(yīng)用微膠囊技術(shù)可以將風(fēng)味物質(zhì)從液態(tài)的形式轉(zhuǎn)變成固態(tài)的干燥粉末，從而保護(hù)風(fēng)味物質(zhì)避免受與外界的不良反應(yīng)，使風(fēng)味的損失最小化，并能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)味的緩釋釋放[2-3]。而實(shí)現(xiàn)微膠囊化的最常用的技術(shù)是噴霧干燥技術(shù)[4-5]。

噴霧干燥技術(shù)相當(dāng)于給揮發(fā)性風(fēng)味分子筑就了一層“保護(hù)膜”，保護(hù)其避免揮發(fā)和氧化損失，但是微膠囊在加工、運(yùn)輸和貯藏過程中容易受到光、氧、熱和酸堿環(huán)境的影響[6]，導(dǎo)致其基質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而改變微膠囊中分子的物理狀態(tài)、分子的運(yùn)動、分子間的空隙以及空間體積等[7-12]，因此“保護(hù)膜”坍塌，風(fēng)味分子遷移擴(kuò)散揮發(fā)，導(dǎo)致氧化損失。目前，已經(jīng)有很多研究證實(shí)，在微膠囊中較小的油滴將被更好地保留，并且表面油含量更低[4,13-14]。但是目前的研究僅限于1 μm以上的乳液，納米級乳液的微囊化對包埋后風(fēng)味穩(wěn)定性的影響并沒有明確的研究，而乳液的粒徑大小對風(fēng)味的釋放具有關(guān)鍵性的作用。本文以變性淀粉(CAPSUL?)和麥芽糊精為復(fù)配壁材，采用高壓微射流和噴霧干燥技術(shù)制備不同粒徑大小的甜橙油納米微膠囊，并通過加速實(shí)驗(yàn)探究乳液粒徑對產(chǎn)品微囊化效率和表面顆粒形態(tài)的影響，同時(shí)采用Avrami方程分析粒徑對D-檸檬烯釋放特性的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料

甜橙油，廣州百花香料股份有限公司；松香甘油酯，武漢遠(yuǎn)成共創(chuàng)科技有限公司；變性淀粉(CAPSUL?，食品級)，宜瑞安食品配料公司；麥芽糊精(酯化度為18，食品級)，河南飛天有限公司；2-庚酮(色譜級)，上海阿拉丁生化科技有限公司；正己烷(分析純)，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

T25 Basic ULTRA-TURRAX高剪切混合器, 德國IKA-Werke公司；Nano DeBEE高壓微射流機(jī), 美國BEE公司；LA-950激光散射粒度分析儀，日本Horiba公司；SD-1500噴霧干燥機(jī)，上海沃迪試驗(yàn)科技有限公司；7890A-5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國安捷倫科技；EVO-MA15掃描電子顯微鏡，德國ZEISS公司；PL203電子天平，梅特勒-托利多(上海)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程

壁材+蒸餾水→壁材溶液+混合油(甜橙油+松香甘油酯)→初乳化→均質(zhì)→噴霧干燥→甜橙油納米微膠囊

1.2.2 水包油乳液的制備

按照實(shí)驗(yàn)配方要求的量將壁材溶解于恒溫80 ℃的蒸餾水中，攪拌至完全溶解后常溫下放置過夜。再緩慢均勻加入甜橙油和松香甘油酯的混合油，剪切混合5 min后得到粗乳液，均勻分成4份，此時(shí)收集乳液。通過控制均質(zhì)的壓力大小來實(shí)現(xiàn)制備不同粒徑大小的乳液。調(diào)節(jié)高壓微射流不同壓力，將剩余3份粗乳液分別對應(yīng)地在2 000 psi壓力下通過1次，5 000 psi 壓力下通過2次，22 000 psi 壓力下通過3次，并分別收集乳液。之后將4份乳液分別加入等量的麥芽糊精，攪拌混合均勻后收集乳液并分別標(biāo)記為：大粒徑乳液(large-size emulsion，LE)；中等粒徑乳液(medium-size emulsion，ME)；小粒徑乳液(small-size emulsion，SE)；納米乳液(nano-emulsion，NE)。

1.2.3 噴霧干燥

將制備好的不同粒徑大小的新鮮乳液按照設(shè)定的操作條件進(jìn)行噴霧干燥，操作條件為：進(jìn)風(fēng)溫度150 ℃，出風(fēng)溫度60 ℃，風(fēng)機(jī)速度 50.0 Hz，蠕動泵轉(zhuǎn)速為1 100 mL。最后收集粉末并分別標(biāo)記為：大粒徑粉末(large-size powder，LP)；中等粒徑粉末(medium-size powder，MP)；小粒徑粉末(small-size powder，SP)；納米粒徑粉末(nano-size powder，NP)。

1.2.4 新鮮乳液和重組乳液平均粒徑(mean droplet diameter，MDD)和粒徑分布的測定

新鮮乳液制備后直接測定MDD。粉末的MDD由重組乳液的MDD表征。重組乳液參照文獻(xiàn)[15]配制：準(zhǔn)確稱取1.000 g粉末溶解于9 g水中，攪拌至完全溶解。將激光散射粒度分析儀設(shè)置好測量參數(shù)條件以及校正調(diào)零后，用膠頭滴管吸取乳液后滴加到樣品池中，超聲30 s待紅色條示數(shù)達(dá)80%時(shí)開始粒徑的測定，重復(fù)3次測定取平均值。

1.2.5 總油量的測定

1.2.6 表面油含量的測定

參考FINNEY等[17]的方法并有所改進(jìn)。準(zhǔn)確稱取10.000 g粉末至干燥的燒杯中，加入50 mL正己烷和1 mL內(nèi)標(biāo)液，攪拌10 min后過濾并將殘?jiān)谜和榍逑?次，合并濾液，濾液經(jīng)過氮吹至1 mL后用GC-MS定量，表面油含量的計(jì)算如公式(1)所示：

表面油含量/[g·(100g)-1]

(1)

式中：ISam，內(nèi)標(biāo)2-庚酮的含量，mg/g；ISarea，2-庚酮的峰面積；ArLim，D-檸檬烯的峰面積；RRF，橙油與D-檸檬烯的相對比例。

1.2.7 載油率和微囊化效率的計(jì)算[18-19]

載油率的計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

微囊化效率的計(jì)算如公式(3)所示：

(3)

1.2.8 粉末貯藏穩(wěn)定性的測定

分別稱取不同粒徑大小的粉末20 g置于33% RH相對濕度條件下的干燥器中，并于37 ℃恒溫箱中儲藏進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)。濕度由MgCl2飽和鹽溶液進(jìn)行調(diào)節(jié)，飽和鹽溶液按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB5009.238—2016配制。分別在第0(樣品平衡后)，1、2、3、4、5周時(shí)取樣并用GC-MS測定D-檸檬烯的殘留量。

1.2.8.1D-檸檬烯釋放特性的表征

甜橙油納米微膠囊中D-檸檬烯的釋放特性以D-檸檬烯的保留率為表征，計(jì)算方法如公式(4)所示：

(4)

式中：Dt，第t周粉末中D-檸檬烯的峰面積；D0，平衡后粉末中D-檸檬烯的峰面積；It，第t周測定時(shí)2-庚酮的峰面積；I0，平衡后測定時(shí)2-庚酮的峰面積。

GACULAJR等[20]曾用Avrami方程應(yīng)用于貨架期預(yù)測。為了更好地評價(jià)微膠囊中D-檸檬烯的釋放特性，其釋放曲線可由Avrami方程[21]擬合，方程如公式(5)所示：

R=exp[-(kt)n]

(5)

式中：R，D-檸檬烯的保留率；n，釋放機(jī)制參數(shù)；k，釋放速率常數(shù)；t，貯藏時(shí)間，周。

1.2.8.2 GC-MS 分析

參考YANG等[22]的方法并有所改進(jìn)。稱取0.15 g粉末，加入0.85 g蒸餾水?dāng)嚢柚镣耆芙?，再緩慢加? mL內(nèi)標(biāo)液，靜置5 min后將上述混合溶液過濾到進(jìn)樣瓶中，密封。進(jìn)行下一步GC-MS分析。GC-MS設(shè)定升溫程序?yàn)椋撼跏紲囟葹?0 ℃，保持2 min，開始以升溫速率為10 ℃/min升至140 ℃，保持2 min，之后以升溫速率為30 ℃/min升至220 ℃，保持2 min。樣品進(jìn)樣量為1 μL，不分流，溶劑延遲3.5 min。

1.2.8.3 表面顆粒形態(tài)的測定

粉末的表面顆粒形態(tài)由掃描電鏡進(jìn)行評價(jià)。分別稱取約2 mg的樣品固定于貼有雙面膠的銅臺上，噴金后等待測定[23]。選擇不同的放大倍數(shù)對粉末粒子進(jìn)行掃描，在15 kV加速電壓下進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴霧干燥前后甜橙油水包油乳液和重組乳液的MDD和粒徑分布

通過改變不同的高壓微射流壓力以及通過次數(shù)制備不同粒徑大小的甜橙油水包油乳液，如表1所示，通過只剪切和2 000 psi分別得到LE-3.383 μm和ME-0.542 μm，而通過5 000 psi和22 000 psi分別得到SE-0.221 μm和納米乳液NE-0.200 μm。由圖1可以看出，隨著高壓微射流壓力的增加，乳液粒徑分布范圍越窄，粒子分散越均勻，并且向小粒徑液滴偏移。這是因?yàn)楦邏何⑸淞鳈C(jī)以其特有的Y形結(jié)構(gòu)在高壓下使乳液中高速運(yùn)動的物料自相碰撞[24]，從而產(chǎn)生粒徑更小的乳液。但由于小液滴流動性增強(qiáng)，運(yùn)動速度加快，小液滴又易聚集成大液滴，所以導(dǎo)致22 000 psi壓力下制備的納米乳液中含有少部分的大粒子。這也解釋了通過2 000 psi的壓力下獲得的ME比只通過剪切無均質(zhì)獲得的LE粒徑分布范圍更廣。

將不同粒徑大小的乳液通過噴霧干燥制備甜橙油納米微膠囊，如表1所示，乳液經(jīng)過噴霧干燥后，粒子粒徑有不同的變化。重組乳液MDD分別為LP-1.173 μm、 MP-0.684 μm、 SP-0.313 μm和NP-0.173 μm。由圖1可得，噴霧干燥后LP的粒徑分布呈現(xiàn)雙峰分布，并且明顯向較小粒徑粒子偏移，從而獲得重組乳液MDD顯著地降低；同時(shí)MP也部分地向較小粒子偏移，但是由于粒子分散非常不均勻，重組乳液MDD有所增加。另外從SESP和NENP粒徑分布圖也可以很明顯地看出，噴霧干燥后粒徑分布少部分地向較大粒子偏移，獲得的SP重組乳液MDD有所增加。同時(shí)NP中有少部分的大粒子液滴向小粒子變化，大粒子分布從4%降到了0.7%，獲得的重組乳液MDD降低。噴霧干燥過程中產(chǎn)生的粒子粒徑變化也可能與霧化器的轉(zhuǎn)速和噴嘴的大小有關(guān)[17]。

表1 水包油乳液和重組乳液的平均粒徑

a- LELP;b- MEMP;c- SESP;d-NENP

2.2 重組乳液粒徑對甜橙油納米微膠囊物理性質(zhì)的影響

甜橙油納米微膠囊產(chǎn)品呈疏松粉末狀，色澤呈乳白色，無雜質(zhì)顆粒。由表2可知，NP中總油量最低；同樣地，載油率也隨著粒徑的降低由99.6%降低到77.7%。微射流壓力的增加以及通過次數(shù)的增加，加速了物料與均質(zhì)閥之間的摩擦從而導(dǎo)致物料有一定的損失。另外，粒子尺寸越大的粉末其表面油含量越高，其微囊化效率也最低，但所有的不同粒徑大小的粉末的微囊化效率都高于95%，表明包埋過程中粉末中的甜橙油揮發(fā)少，表面甚少破損。表面油含量與乳液粒徑大小有關(guān)，低表面油含量對粉末的貯藏穩(wěn)定性有重要的影響[1]。

表2 甜橙油納米微膠囊的物理性質(zhì)

2.3 重組乳液粒徑對甜橙油納米微膠囊D-檸檬烯穩(wěn)定性的影響

由圖2和圖3可知，乳液粒徑對D-檸檬烯的穩(wěn)定性由顯著影響。隨著粒徑降低，NP表現(xiàn)出最低的D-檸檬烯釋放速率。隨著粒徑的增加，LP也表現(xiàn)出較低的釋放速率，原因可能是LP比表面積減小降低了D-檸檬烯釋放的有效表面積。另外，風(fēng)味分子以小液滴的形態(tài)鑲嵌在壁材基質(zhì)中，風(fēng)味分子的釋放特性也取決于粉末表面多孔性、表面完整性以及風(fēng)味物質(zhì)的分布，而這些性質(zhì)與粉末的形態(tài)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)[23]。噴霧干燥后將粉末立即做掃描電鏡，發(fā)現(xiàn)4種粉末分散性均較好，少許聚結(jié)，且顆粒表面形態(tài)大都相同(呈近似立體球形)，但不同的粉末顆粒粒徑大小不一樣(圖4)。經(jīng)相同濕度貯藏4周后，粉末由于受到水分子的影響表現(xiàn)出不同的顆粒形態(tài)變化。如圖5所示，相比其他粉末，MP顆粒發(fā)生明顯聚集，立體球形結(jié)構(gòu)塌陷成大塊且粘連，所以MP的表面顆粒形態(tài)相比最初顆粒形態(tài)最不完整，從而造成MP中D-檸檬烯釋放速率提高，穩(wěn)定性降低。而相較于MP，LP和SP顆粒聚集性較低，大部分能維持其表面球形結(jié)構(gòu)，因此D-檸檬烯還受到基質(zhì)的保護(hù)。NP顆粒經(jīng)4周后始終保持良好的分散性以及表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，D-檸檬烯的穩(wěn)定性顯著高于其他大粒徑的粉末。REINECCIUS等[13]也表明噴霧干燥后粉末表面顆粒形態(tài)越完整D-檸檬烯的穩(wěn)定性越高。

圖2 甜橙油納米微膠囊在33% RH和37 ℃的貯藏過程中D-檸檬烯釋放特性曲線

另外，Avrami方程的釋放機(jī)制參數(shù)n與釋放機(jī)理有關(guān)[22]。當(dāng)n=1時(shí)表明為一級反應(yīng)釋放機(jī)制，n<1(n=0.54)時(shí)表明D-檸檬烯的分子擴(kuò)散速度受限。當(dāng)n>1時(shí)，表明D-檸檬烯釋放速率隨著時(shí)間加快。由圖3可知，NP、SP和LP的n值都在1以下，表明粉末中D-檸檬烯的釋放受到擴(kuò)散機(jī)制的影響；MP的n值大于1，表明D-檸檬烯釋放速率不受擴(kuò)散機(jī)制限制，D-檸檬烯的釋放隨著時(shí)間的延長而增加。

圖3 重組乳液粒徑對甜橙油納米微膠囊在相對濕度33%和37 ℃的貯藏過程中D-檸檬烯釋放速率常數(shù)和釋放機(jī)制參數(shù)的影響

a-LP;b-MP;c-SP;d-NP圖4 噴霧干燥后甜橙油納米微膠囊的掃描電鏡圖像

a-LP；b-MP；c-SP；d-NP圖5 甜橙油納米微膠囊在37 ℃和相對濕度33%下貯藏第4周的表面顆粒形態(tài)

3 結(jié)論

比較了不同粒徑大小的甜橙油納米微膠囊的物理性質(zhì)以及采用Avrami’s公式分析了其在相對濕度33%和37 ℃的貯藏條件下D-檸檬烯的穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粒子粒徑越大，微膠囊表面油含量越高，微囊化效率越低；納米尺寸的甜橙油膠囊在貯藏過程中D-檸檬烯釋放速率最低，穩(wěn)定性最高；隨著粒徑的增加，D-檸檬烯釋放速率降低主要是因?yàn)楸缺砻娣e減少；納米微膠囊的表面顆粒形態(tài)對產(chǎn)品的穩(wěn)定性有顯著的影響，粒子表面形態(tài)越完整其穩(wěn)定性越高。