楊繼,陸欣宇,朱瑞芝,劉春波,何沛,劉志華
1.云南中煙工業有限責任公司技術中心(昆明 650231);2.上海應用技術大學香精香料技術與工程學院(上海 201418);3.上海香料研究所(上海 200232)
煙草香精的香氣成分通常組成復雜、化學性質不穩定且揮發性強,若未經特殊處理,在貯藏過程中往往易受環境影響而導致呈香物質的揮發與香氣品質的劣化[1],嚴重影響加香產品的抽吸品質和貨架期。
微膠囊技術[2]系利用天然或合成的壁材物質將功能性芯材包裹成微小粒子形態。通過微膠囊技術對香氣成分進行包埋后,可以延緩其揮發和變質過程,實現提高緩釋性和穩定性的目的[3]。例如,采用油脂、蛋白和膠質等作為壁材制備的益生菌微膠囊可以顯著提高活菌含量,增加對酸性消化環境抗性,延長益生菌保留時間,因此,在食品工業中已被廣泛應用[4]。
在新型煙草制品領域,最近我們首次創新性地將β-環糊精為壁材的煙草香精微膠囊應用在電子煙煙油中,有效改善了電子煙逐口抽吸香氣和煙堿減弱的問題,延長了電子煙煙液的保存時間、提升了抽吸的感官質量[5]。
由于煙草香精成本較高,為實現規模化制備,有必要進一步優化其制備工藝,以提高微膠囊的包埋率和產率。在前期研究基礎上,對通過飽和水溶液法制備煙草香精的β-環糊精微膠囊進行包埋;利用紅外光譜驗證包合物的形成;采用正交試驗篩選最佳制備工藝參數并進行驗證試驗;對微膠囊煙草香精貯藏緩釋性能進行考察,為其在煙草加香應用提供參考。
β-環糊精(食品級,上海阿達瑪斯試劑有限公司);煙草香精(上海香料研究所自制);氯仿(分析純,上海阿達瑪斯試劑有限公司);二氯甲烷(分析純,上海阿達瑪斯試劑有限公司)。
Cary-50紫外見分光光度儀(美國瓦里安有限公司);VERTEX-70傅里葉紅外光譜分析儀(簡稱FTIR,德國 Bruker 公司);ME-104E分析天平(梅特勒-托利多國際股份有限公司);524G恒溫磁力攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)。
1.2.1 微膠囊的制備及其產率測定
基于實際規模化生產條件考慮,選擇水相法進行制備[6]:將煙草香精與β-環糊精的混合物按照一定質量比(1∶3,1∶5,1∶7)加入去離子水充分分散,添加完畢后,維持50 ℃繼續攪拌反應8 h。將析出的固體過濾、洗滌和干燥,得到微膠囊煙草香精,稱其質量并按式(1)計算產率。
1.2.2 微膠囊中煙草香精的標準曲線繪制
按照參考文獻[7]方法,配制質量濃度分別為0,0.2,0.4,0.6,0.8和1.0 mg/mL的煙草香精氯仿溶液,在最大吸收波長處測其吸光度。然后取煙草香精溶液的質量濃度為橫坐標,吸光度為縱坐標,繪制其標準曲線。
1.2.3 微膠囊中煙草香精含量的測定與包埋率的計算
取0.5 g微膠囊煙草香精溶于200 mL水,用二氯甲烷萃取3次,合并油層蒸除溶劑,用氯仿定容至50 mL,在最大吸收波長處測其吸光度,通過標準曲線方程計算濃度,得到煙草香精含量。用參考文獻[8]方法,按式(2)計算包埋率。
1.2.4 微膠囊包合物的驗證
取煙草香精、微膠囊煙草香精、空白環糊精樣品,分別用KBr壓片后進行紅外光譜的掃描(掃描范圍400~4000 cm-1、分辨率2 cm-1、次數32次)。通過比較紅外光譜區吸收峰差異,驗證包合物的形成[9]。
1.2.5 評價指標與正交試驗設計[10]
綜合多指標進行加權評價,可較全面地反映微膠囊煙草香精的制備情況,有助于更好優化工藝參數水平。包埋率是衡量微膠囊包埋效果的重要指標,一般包埋率越高,則煙草香精的包埋效果越好,對煙草香精穩定性提高效果愈大。產率在實際生產中也具有重要意義,在投入量確定的情況下,產率越高,則原料的有效利用率越高。因此,綜合評分加權處理時,將主要指標包埋率與次要指標產率的權重系數分別定為0.7與0.3,以試驗中獲得的最大包埋率和最大產率數值為基準,進行綜合分的加權折算,綜合分按式(3)計算。
根據前期預試驗進行條件優化,選取影響包埋工藝的芯壁比(A)、包埋溫度(B)、攪拌時間(C)為因素,采用 L9(33)正交表開展三因素三水平的正交試驗。基于微膠囊包埋率和產率的綜合分為評價指標,確定最佳制備參數,正交因素水平方案見表1。
表1 正交因素水平表
1.2.6 驗證試驗
按照正交試驗得到的最佳工藝,進行3組平行試驗,對微膠囊煙草香精的包埋率與產率進行分析。
1.2.7 穩定性與緩釋性能評價[11]
在20 ℃恒溫下,以等當量液體煙草香精為參比,分別在第0,第30,第60和第90天觀察微膠囊煙草香精外觀性狀,并測定微膠囊質量變化和煙草香精保留率,對其儲存期間的穩定性與緩釋性能進行評價。
煙草香精的紫外光譜及其標準曲線如圖1所示。
圖1 煙草香精標準曲線(下圖為煙草香精紫外光譜)
從圖1的下圖可以看到,煙草香精的紫外光譜在277 nm處有一最大吸收波長。基于此波長測定最大吸光度(A)與質量濃度(C)的關系,通過線性回歸可以得到方程:A=0.31386C-0.00195,其相關系數R2=0.9993,表明標準曲線的擬合效果良好,可以用此方程計算煙草香精包埋量及包埋率。
環糊精、煙草香精、煙草香精微膠囊的紅外光譜圖如圖2所示。
由圖2可以看到,煙草香精微膠囊呈現與β-環糊精具有大致相似的紅外光譜圖形,但特征峰位置不完全一致。原料β-環糊精位于3227,2921和1654 cm-l的特征紅外吸收峰在煙草香精微膠囊中分別向短波數方向移動至3160,2910和1644 cm-l,峰強度也有所增加,表明有新的物相生成。原料煙草香精位于2859,1710和1659 cm-l的特征紅外吸收峰在煙草香精微膠囊中均已消失,這可能是因為β-環糊精包埋了煙草香精后使其振動受阻所致。
圖2 環糊精(A)、煙草香精(B)、煙草香精微膠囊(C)的紅外光譜圖
上述變化充分說明,β-環糊精與煙草香精存在主客體的分子間相互作用,形成了基于氫鍵連接的微膠囊包埋物。
不同因素與水平下試驗對應的包埋率、產率、綜合分及其均值與極差結果見表2,方差分析的結果列在表3中。
表2 試驗設計與結果
表3 方差分析
從表2中極差R的數值看,因素A的極差最大,其次是因素B,因素C的極差最小。結合表3的方差分析來看,因素A對產物綜合評分影響極顯著,而因素B和因素C對產物綜合評分影響相對不顯著。從表2各因素列中均值大小來看,影響最大的水平為A3、B1、C3。綜上,各因素對微膠囊煙草香精綜合評分由高到低的影響依次為芯壁比>包埋溫度>攪拌時間。綜上,制備工藝參數的最優組合方案為芯壁比1∶7、包埋溫度30 ℃,攪拌時間8 h。
由于9組正交試驗中并未試驗到優選工藝條件,因此需要按照制備工藝參數的最優組合方案進行驗證試驗,結果見表4。
表4 最佳工藝條件驗證結果
由表4可知,煙草香精的平均包埋率為61.1%、相對標準差為1.4%(n=3);微膠囊煙草香精的平均產率為86.4%、相對標準差為0.9%;綜合分的平均值為98.19、相對標準差為1.7%,且包埋率、產率和綜合分的相對標準差數值均小于2%。以上數據表明驗證試驗與正交試驗的結果相符合,微膠囊煙草香精的制備工藝合理、穩定、可控,優化后達到最佳水平。
微膠囊煙草香精的緩釋性能測定結果如表5所示。
表5 微膠囊煙草香精的緩釋性能
由表5可知,微膠囊煙草香精放置90 d后仍為黃色干燥粉末狀,外觀性狀基本無變化。90 d后,微膠囊的質量從初始的1.000 g隨貯藏時間延長而緩慢下降至0.987 g,煙草香精保留率為85.3%,表明其包埋的煙草香精處于非常緩慢的釋放過程。形成鮮明對比的是,同樣條件下放置的液體煙草香精參比物在8 d后即完全揮發。
研究采用飽和水溶液法制備微膠囊煙草香精,通過紅外光譜驗證了β-環糊精對煙草香精包合物的形成。以包埋率和產率的加權綜合分為指標,采用正交試驗設計優化制備參數條件,結果發現各因素對微膠囊煙草香精綜合評分由高到低的影響依次為芯壁比>包埋溫度>攪拌時間,其中芯壁比是主要影響因素。獲取并驗證得到的最優參數組合為芯壁比1∶7、包埋溫度30 ℃、攪拌時間8 h。在該條件下,微膠囊煙草香精的平均包埋率為61.1%,平均產率為86.4%。緩釋性能評價表明,膠囊煙草香精為流動性良好的黃色干燥粉末,放置90 d后性狀不變,煙草香精保留率為85.3%,總體上具有較好的緩釋性能,適合進行規模化制備。