β-環糊精微膠囊的制備及其在電子煙煙液中的應用

鞏效偉，張 霞，陸欣宇，朱東來，牛云蔚 ，李廷華，楊 繼 ，李壽波*

1.云南中煙工業有限責任公司技術中心，昆明市五華區紅錦路367號 650231

2.上海應用技術大學，上海市奉賢區海泉路100號 201418

3.上海香料研究所，上海市徐匯區南寧路480號 200232

電子煙（E-cigarette）是通過電加熱煙液使其霧化而供消費者吸入的裝置，既能滿足煙草消費需求，又一定程度上降低了煙草的危害。作為一種新型煙草制品，近年來發展勢頭迅猛［1］。電子煙煙液是電子煙的重要組成部分，其優劣直接關系到電子煙的使用效果和抽吸感受［2-3］。電子煙煙液中通常含有一定比例的香氣成分和煙堿，這些物質因易揮發或易氧化［4］而導致在儲存過程中存在香氣變淡、香氣質變差、顏色變深、勁頭變小等問題，影響電子煙的抽吸品質和貨架期［5］。

微膠囊技術可以利用天然或合成高分子材料，將敏感物質包封形成微米或納米級別的顆粒［6-7］，具有保護芯材物質免受環境影響，隔離活性成分，降低揮發性，控制芯材物質釋放等作用［8］。芯材的包封方法主要包括噴霧干燥、擠出、包結絡合和凝聚［9］，如能采用合適的壁材，將香氣成分及煙堿進行有效包覆，使之在電子煙煙液的調配與貯藏過程中保持穩定，有望解決前述問題。

環糊精類化合物具有環外親水、環內疏水的特性［10］，是一種常用的微膠囊包合壁材［11-12］。其中，β-環糊精價格低廉、安全無毒、無刺激性，廣泛用于醫藥與食品工業［13-14］。為此，以β-環糊精為壁材，采用包結絡合法分別制備了以己酸乙酯、薄荷醇、煙草香精和煙堿為芯材的4 種微膠囊，通過多種表征方法證實微膠囊包合物的形成和穩定性的提高，進一步研究了微膠囊化后的香氣成分和煙堿在電子煙煙液中的釋放行為，并對其感官質量進行了評價，旨在為提高電子煙煙液中香氣成分和煙堿在抽吸過程中釋放的穩定性、延長煙液貨架期提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

圖1 實驗用電子煙及其組成部件Fig.1 Experimental e-cigarette and its constituent elements

丙三醇（醫藥級，99.9%，美國Alfa Aesar 公司）；1，2-丙二醇（食品級，99%，美國陶氏公司，以下簡稱丙二醇）；己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪、2，4-庚二烯醛、β-環糊精（食品級，上海阿達瑪斯試劑有限公司）；煙堿（99%，美國Sigma 公司）。

GC7890-5975MS 氣相色譜-質譜聯用儀（美國Agilent 公司）；S-3400N 掃描式電子顯微鏡（日本Hitachi 公司）；ZNS3600/Nano-ZS 納米粒度和電位儀（英國Malvern 公司）；Q5000 IR 熱重分析儀、Q2000 差示掃描量熱儀（美國Waters 公司）；VERTEX-70 傅里葉紅外光譜分析儀（簡稱FTIR，德國Bruker 公司）；SM450 直線型吸煙機（英國Cerulean 公司）；SCIENTZ-10N 冷凍干燥機（寧波新芝生物科技股份有限公司）；8510-MTH 超聲波發生器（美國Branson 公司）；HY-8 調速振蕩器（常州國華電器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 微膠囊香料和微膠囊煙堿的制備

1.2.1.1 微膠囊香料

（1）微膠囊己酸乙酯：在圓底三口燒瓶中加入8 g β-環糊精和 32 g 蒸餾水，400 r/min 下攪拌 30 min，使β-環糊精充分分散。在β-環糊精水溶液中緩慢加入1.6 g 己酸乙酯，添加完畢后，在水浴溫度40 ℃、轉速400 r/min 下反應4 h。反應完成后，待反應體系溫度降至室溫后，將析出的固體過濾、洗滌和冷凍干燥，得到微膠囊己酸乙酯。

（2）微膠囊薄荷醇：其制備方法與微膠囊己酸乙酯類似，不同之處在于使用6 g β-環糊精、34 g蒸餾水和2 g 薄荷醇，在溫度50 ℃下反應。

（3）微膠囊煙草香精：其制備方法也與微膠囊己酸乙酯類似，不同之處在于使用7 g β-環糊精、63 g 蒸餾水和1 g 煙草香精，在溫度30 ℃下反應7 h。其中，煙草香精包括以下質量百分比的組分：三甲基吡嗪80%，甲基環戊烯醇酮5%，β-紫羅蘭酮5%，δ-癸內酯5%，丁香酚5%。

1.2.1.2 微膠囊煙堿

在圓底三口燒瓶中加入8 g β-環糊精和32 g蒸餾水，400 r/min 下攪拌30 min，使β-環糊精充分分散。在β-環糊精水溶液中緩慢加入1.2 g 煙堿，添加完畢后，在溫度30 ℃、轉速400 r/min 下反應4 h。反應完成后，待反應體系溫度降至室溫后，將析出的固體過濾、洗滌和冷凍干燥，即得到微膠囊煙堿。

1.2.2 微膠囊香料和微膠囊煙堿的表征

（1）微膠囊的包埋效果評價

微膠囊的產率=［干燥后微膠囊質量/（壁材質量+總芯材質量）］×100%

微膠囊裝載率=（微膠囊中芯材質量/干燥后微膠囊質量）×100%

微膠囊對芯材的包埋率=（微膠囊中芯材質量/總芯材質量）×100%。

式中：壁材質量—微膠囊制備中添加的β-環糊精質量，g；總芯材質量—微膠囊制備過程中添加的芯材質量，g；微膠囊中芯材質量—干燥后微膠囊中的芯材質量，g。

（2）微膠囊粒徑和形貌分析

采用納米粒度和電位儀測定微膠囊在液體中的粒徑大小及分布，其中分散介質為丙二醇，檢測溫度為25 ℃，穩定時間為20 min。采用掃描式電子顯微鏡觀察并拍攝微膠囊的微觀形貌，具體參數：放大倍數1 000 倍，加速電壓15.0 kV，電流75 mA。

（3）微膠囊的熱穩定性分析

采用熱重分析（Thermogravimetric analysis，TGA）法分析微膠囊的熱穩定性。分析條件：

樣品坩堝材質：氧化鋁；測試溫度范圍：室溫～600 ℃；升溫速率：10 ℃/min；保護反應氣：氮氣；流量：50 mL/min。

采用差示掃描量熱（Differential scanning calorimetry，DSC）法分析微膠囊的熱變化。分析條件：

加熱溫度范圍：20～250 ℃；升溫速率：10 ℃/min；吹掃氣：氮氣；流量：20～50 mL/min；參比：空坩堝。

（4）微膠囊特征官能團分析

采用FTIR 分析微膠囊特征官能團吸收的變化。分析參數：掃描范圍400～4 000 cm-1、分辨率2 cm-1、掃描次數 32。

1.2.3 微膠囊香料和微膠囊煙堿在電子煙中應用效果

（1）微膠囊煙液配制

微膠囊煙液的配方：微膠囊己酸乙酯1.50%，微膠囊薄荷醇1.50%，微膠囊煙草香精1.50%，微膠囊煙堿1.50%，丙三醇37.60%，丙二醇56.40%。對照煙液中己酸乙酯、薄荷醇、煙草香精和煙堿的質量分數均與微膠囊煙液中的相同，具體配方：己酸乙酯0.14%，薄荷醇0.25%，煙草香精0.11%，煙堿0.21%，丙三醇39.72%，丙二醇59.57%。以上均為質量百分比。

（2）逐口抽吸成分釋放分析

采用 CORESTA 推薦的電子煙抽吸模式［15］：抽吸容量55 mL、抽吸持續時間3 s、抽吸間隔30 s。

前處理：將制備的微膠囊煙液和對照煙液以相同的量分別添加到電子煙煙彈中，在直線型吸煙機上抽吸并每20 口捕集一次煙氣，每支電子煙抽吸100 口，采用單層劍橋濾片捕集煙氣釋放物中的粒相部分，通過捕集器和吸煙機抽吸針筒之間串聯接上兩個分別裝有10 mL 二氯甲烷溶液的吸收瓶，并將吸收瓶置于盛有干冰的冷阱捕集裝置中，用以捕集穿過劍橋濾片的氣相成分。待抽吸完畢后，將劍橋濾片置于50 mL 錐形瓶中，并將兩個吸收瓶中的二氯甲烷溶液加入錐形瓶中，冰浴中超聲20 min，用以提取劍橋濾片捕集的粒相部分，超聲完畢后將提取液轉移至50 mL 的錐形瓶中，加入20 mL 去離子水，在調速振蕩器上以145 r/min 的轉速液液反萃取10 min，待靜置分層后，去除水相，有機相用無水Na2SO4干燥并過夜，徹底除去水分，過夜后的樣品用0.22 μm 尼龍濾膜過濾，采用GC/MS 測定樣品中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和煙堿的質量分數。每個樣品3 個重復。GC/MS 分析條件：

色譜柱：Agilent HP-5MS 毛細管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；載氣：氦氣；流速：1 mL/min；進樣口溫度：270 ℃；進樣量：1 μL；分流比：1∶10；質量掃描范圍：40～500 amu；升溫程序：45 ℃（1。

（3）保存穩定性

抽吸模式：同“逐口抽吸成分釋放分析”部分。

前處理：將制備的微膠囊煙液和對照煙液以相同的量分別添加到電子煙煙彈中，在室溫下密封保存，分別在保存 0、45、90 d 后，用直線型吸煙機抽吸并一次性捕集50 口煙氣，煙氣的捕集及后續前處理方法同“逐口抽吸成分釋放穩定性”部分。前處理后的樣品采用GC/MS 測定其中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和煙堿的釋放量。每個樣品5 個重復。

GC/MS 測定方法：同“逐口抽吸成分釋放分析”部分。

（4）微膠囊煙液的感官質量評價

評吸用微膠囊煙液和對照煙液的配方如下：

微膠囊己酸乙酯煙液（實驗樣）：微膠囊己酸乙酯4.00%，丙三醇38.40%，丙二醇57.60%；對照樣：己酸乙酯0.37%，丙三醇39.85%，丙二醇59.78%；

微膠囊薄荷醇煙液（實驗樣）：微膠囊薄荷醇4.00%，丙三醇38.40%，丙二醇57.60%；對照樣：薄荷醇0.67%，丙三醇39.73%，丙二醇59.60%；

微膠囊煙草香精煙液（實驗樣）：微膠囊煙草香精4.00%，丙三醇38.40%，丙二醇57.60%；對照樣：煙草香精0.30%，丙三醇39.88%，丙二醇59.82%；

微膠囊煙堿煙液（實驗樣）：微膠囊煙堿4.00%，丙三醇38.40%，丙二醇57.60%；對照樣：煙堿0.55%，丙三醇39.78%，丙二醇59.67%。

將制備的微膠囊煙液和對照煙液以相同的量分別添加到電子煙煙彈中，組織7 名具有煙草行業卷煙感官評吸資質的專家對電子煙樣品進行感官質量評價。電子煙感官質量用煙霧量、香氣、諧調、刺激性、雜氣（味）和余味等6 個指標（表1）進行評價。各項目均以0.5 分為計分單元；各單項分別計算加權平均分，精確至0.01；感官質量合計得分以各單項加權平均分之和表示，精確至0.1。

2 結果與討論

2.1 微膠囊香料和微膠囊煙堿的制備

制備得到8.88 g 微膠囊己酸乙酯粉末（圖2a，產率92.5%），7.47 g 微膠囊薄荷醇粉末（圖2b，產率93.4%），6.78 g 微膠囊煙草香精粉末（圖2c，產率84.8%），7.58 g 微膠囊煙堿粉末（圖2d，產率82.4%）。

2.2 微膠囊香料和微膠囊煙堿的表征

2.2.1 微膠囊的包埋效果評價

微膠囊對芯材的包埋效果采用裝載率和包埋率加以評價，按1.2.2 節中的公式計算得到芯材的裝載率和包埋率，結果見表2。

環糊精對芯材的包埋效果通常與芯材的分子結構和官能團差異密切相關。由表2 可知，微膠囊對薄荷醇和煙堿的裝載率（＞15%）和包埋率（＞75%）較高，表明包結反應過程較完全，壁材可以很好地容納薄荷醇和煙堿；相對而言，微膠囊己酸乙酯和微膠囊煙草香精的裝載率（約10%）及包埋率（約55%）均稍低，表明包結反應過程中，壁材對己酸乙酯和煙草香精的容納性不及薄荷醇和煙堿。

表2 微膠囊的裝載率和包埋率Tab.2 Loading and embedding efficiencies of microcapsules

2.2.2 微膠囊粒徑和形貌分析

（1）微膠囊粒徑

微膠囊粒徑的測定結果如表3所示，可以看到，所制備的4 種微膠囊在溶液中的粒徑均為納米級，且介于90～350 nm 之間，粒徑分布較窄。

表3 微膠囊的數均粒徑及分布范圍Tab.3 Number averages of particle size and distribution ranges of microcapsules

（2）微膠囊形貌

通過掃描電鏡觀察壁材β-環糊精與包結物微觀表面形態差異，據此判斷是否形成微膠囊。圖3為β-環糊精以及4 種微膠囊包合物的掃描電鏡結果，放大倍率相同?？梢钥闯?，壁材β-環糊精和4種微膠囊樣品的形狀和尺寸均有明顯不同：其中，β-環糊精的顆粒表面粗糙，邊緣呈現不規則形狀，說明其為非晶體狀態；而4 種微膠囊的表面光滑平整，呈現為緊密、規則的晶體狀態，其中，微膠囊己酸乙酯為長板條狀或菱形片狀混合結晶，微膠囊薄荷醇為較規整的菱形六面體結晶，微膠囊煙草香精為大小不一的六面體結晶，微膠囊煙堿為較規整的菱形片狀結晶。β-環糊精與微膠囊的形狀和尺寸的差異，說明4 種芯材的確與β-環糊精形成了新的穩定包合狀態，包埋效果比較理想。

2.2.3 微膠囊的熱穩定性分析

（1）熱重分析

圖3 微膠囊掃描電鏡圖Fig.3 SEM micrographs of microcapsule samples

環糊精微膠囊的熱穩定性考察結果如圖4所示。從圖4a 可知，己酸乙酯的熱失重過程主要發生在25～156 ℃之間，其質量損失接近100%，主要由其劇烈揮發所致。β-環糊精熱失重過程分幾個階段：25～120 ℃之間，是殘留水分的揮發，質量損失2.8%；120～300 ℃之間，為穩定區，質量僅損失0.3%；300～600 ℃之間，其分解失重，其中310 ℃開始明顯分解，最大分解溫度為334 ℃，質量損失88.0%。微膠囊己酸乙酯的熱失重過程有以下幾個階段：29～125 ℃之間是游離水分與少量己酸乙酯揮發失重，質量損失5.8%；125～306 ℃之間質量緩緩下降，主要是己酸乙酯從β-環糊精腔內緩慢揮發所致，質量損失7.2%；而306～600 ℃間主要是壁材分解失重，其從306 ℃開始，最大分解溫度332 ℃，質量損失82.8%?？梢?，微膠囊與純β-環糊精在加熱過程中的穩定性顯著不同。

從TGA 曲線對比可見，與芯材相比，微膠囊的熱穩定性明顯得到改善，而其與壁材熱分解曲線的差異則表明己酸乙酯與β-環糊精發生了作用，形成了微膠囊。

同理，在微膠囊薄荷醇、微膠囊煙草香精和微膠囊煙堿體系中也觀察到類似情況，相關參數見表4。

圖4 壁材、芯材和微膠囊的TGA 曲線Fig.4 TGA curves of wall material, core material and the microcapsules

表4 壁材、芯材和微膠囊在不同溫度區間內的質量損失Tab.4 Mass loss rates of wall material, core material and microcapsules at different temperature ranges

（2）熱變化測定

圖5 為壁材、芯材、微膠囊香料和微膠囊煙堿DSC 分析曲線。由圖5a 可見，己酸乙酯在138 ℃時存在熱流的最大負值（-0.9 W/g），可歸結為己酸乙酯揮發吸熱所致。壁材β-環糊精的DSC 曲線較為平緩，僅在219 ℃有一微小的吸熱特征峰，表明其性質穩定無分解。與單純的壁材或芯材的DSC 曲線不同，微膠囊己酸乙酯的DSC 曲線并非兩者的簡單疊加，而是隨溫度升高，在50～200 ℃范圍內存在先升后降的吸熱趨勢，并分別在100、72、142、178 ℃時存在熱流的最大負值（-1.0 W/g）和3 個極大負值（-0.8、-0.5、-0.3 W/g）。據此推測己酸乙酯與β-環糊精發生了分子間的作用，生成了新的物相，即形成己酸乙酯的β-環糊精超分子包結物。

同理，在薄荷醇微膠囊、煙草香精微膠囊和煙堿微膠囊體系中也觀察到類似情況，相關參數見表5。

圖5 壁材、芯材和微膠囊的DSC 曲線Fig.5 DSC curves of wall material, core material and microcapsules

表5 壁材、芯材和微膠囊在不同溫度區間內的熱流-溫度峰值Tab.5 Heat peaks of wall material, core material and microcapsules at different temperature ranges

2.2.4 微膠囊特征官能團分析

圖6 為各個物質的紅外光譜圖。由圖6a 包合前后對比可見，原先壁材β-環糊精的紅外光譜中，位于 3 227 cm-1、2 921 cm-1的峰消失，而在 3 080 cm-1、2 865 cm-1出現了新的紅外吸收峰；特別是己酸乙酯C=O 鍵的伸縮振動峰由包合前的1 726 cm-1藍移至包合后的 1 731 cm-1；而β-環糊精的O—H 鍵的彎曲振動峰也從由包合前的1 654 cm-1紅移至包合后的1 649 cm-1。上述紅外吸收峰的變化表明存在有效的主客體間相互作用，即客體分子包埋于主體β-環糊精內腔中，靠疏水作用維持結合。進一步證明形成了新的己酸乙酯β-環糊精包結物微膠囊。

同理，在微膠囊薄荷醇、微膠囊煙草香精和微膠囊煙堿體系中也觀察到類似情況，相關參數見表6。

圖6 壁材、芯材和微膠囊的紅外光譜圖Fig.6 FTIR spectra of wall material, core material and microcapsules

表6 壁材、芯材和微膠囊的紅外官能團特征波數對比Tab.6 FTIR feature peaks of wall material, core material and microcapsules

2.3 微膠囊香料和微膠囊煙堿在電子煙中的應用效果

2.3.1 逐口抽吸成分釋放分析

圖7 為電子煙逐口抽吸過程中單位煙氣中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和煙堿的釋放量變化情況。可以看出，在1—20 口的電子煙煙氣中，實驗組4 種成分的釋放量與對照組相當，隨著抽吸口數的增加，對照組中4 種成分的釋放量均有明顯下降趨勢，而實驗組中4 種成分的釋放量均有上升趨勢?？赡艿脑颍簩τ趯φ战M來說，己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和煙堿4 種成分在煙液中均為游離態；且4 種成分的沸點分別為167、216、137 和247 ℃，均低于丙三醇的沸點（290 ℃），該4種成分均易揮發，所以其向煙氣中轉移的速率比丙三醇和丙二醇快；隨抽吸口數的增加四者在煙液中的濃度越來越低，因此對照組中4 種成分在煙氣中的釋放量有下降趨勢。而對于微膠囊煙液來說，4 種成分在煙液中主要以包埋于微膠囊中的形式存在，游離態較少；微膠囊受熱釋放出芯材（己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和煙堿），微膠囊中芯材向煙液中釋放的速率高于煙液中芯材向煙氣中轉移的速率，所以煙液中游離態芯材濃度逐漸升高。因此實驗組中4 種成分的釋放量均有上升趨勢。

圖7 電子煙逐口抽吸過程中單位煙氣中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和煙堿釋放量變化Fig.7 Deliveries of ethyl caproate, menthol, trimethylpyrazine and nicotine per unit smoke of e-cigarette during puff-by-puff puffing

2.3.2 保存穩定性

圖8 為電子煙保存 0、45 和 90 d 后抽吸，單位煙氣中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和煙堿釋放量的變化情況。由圖8a 可知，電子煙保存45 和90 d后，對照組和實驗組均未檢測到己酸乙酯，可能是己酸乙酯的高揮發性所致；由圖8b 可知，電子煙未儲存時，實驗組和對照組單位煙氣中薄荷醇的釋放量相當，隨保存時間的延長，至45 d 時對照組樣品單位煙氣中薄荷醇釋放量明顯高于對照組，到90 d時兩者的差距進一步拉大；由圖8c 可知，三甲基吡嗪和薄荷醇有相似的趨勢；由圖8d 可知，隨保存時間延長，對照組樣品抽吸時單位煙氣煙堿釋放量呈明顯的下降趨勢，而實驗組樣品單位煙氣煙堿釋放量基本處于穩定狀態，說明微膠囊對煙堿起到了保護作用，使煙堿的穩定性大大增加。

2.3.3 微膠囊煙液的感官質量評價

微膠囊煙液的評吸結果見表7。可知，微膠囊煙液的感官質量均優于對照煙液，主要是由于微膠囊煙液的香氣更好，具體表現為微膠囊煙液的香氣更加綿長，單口抽吸的均一性更好。

圖8 電子煙保存不同時間后抽吸時單位煙氣中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和煙堿釋放量變化Fig.8 Deliveries of ethyl caproate, menthol, trimethylpyrazine and nicotine per unit smoke of e-cigarettes during puffing after storing for different periods

表7 微膠囊煙液與對照煙液的評吸結果Tab.7 Sensory evaluation results of microcapsule e-liquids and the control （分）

3 結論

①以己酸乙酯、薄荷醇、煙草香精和煙堿為芯材，以β-環糊精為壁材，制備了4 種電子煙用微膠囊原料，表征結果顯示上述4 種芯材與β-環糊精均形成了微膠囊包合物，其粒徑范圍為90～350 nm，產率范圍為82.4%～93.4%，裝載率范圍為8.1%～20.3%，包埋率范圍為55.0%～78.6%；②微膠囊原料應用結果表明，β-環糊精微膠囊包覆技術能夠改善電子煙逐口抽吸香氣和煙堿減弱的問題，并能延長電子煙煙液的保存時間，提升其感官質量。