β-環糊精包埋黑胡椒油樹脂工藝研究

朱東方，陳勇，黃國清

（青島農業大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109）

黑胡椒油樹脂是由黑胡椒的干制漿果經有機溶劑、超臨界流體等浸提所得，為淡黃綠色至深綠色半固體，含5%～26%的揮發油和30%～55%的胡椒堿，具有黑胡椒油的特征香氣和味道，可以直接代替黑胡椒粉添加至食品中[1]。黑胡椒油樹脂除了具有調節風味的作用，還具有抗氧化、抗炎癥、抗菌等功效[2]，因此在食品領域有廣范的應用。但是黑胡椒油樹脂中的部分成分易揮發、易氧化、遇光不穩定，且油樹脂的運輸及使用均不方便[2]，這在一定程度上制約了其在食品工業中的應用。微膠囊化是提高其穩定性的重要方法[3]，復凝聚是目前在黑胡椒油樹脂微囊化中應用較多的方法。孫欣等[4]通過美拉德反應改性的大豆分離蛋白與殼聚糖之間的復凝聚反應對黑胡椒油樹脂進行包埋，顯著提高了其貯藏穩定性。嚴善春等[5]以殼聚糖和阿拉伯膠為壁材通過復凝聚反應制備了具有緩釋性能的黑胡椒精油微膠囊。另外，噴霧干燥技術也已被用于黑胡椒油樹脂的包埋，Shaikh等[6]發現阿拉伯膠比變性淀粉能更有效的提高黑胡椒油樹脂的穩定性。

β-環糊精（β-cyclodextrin，β-CD）是由 7個 D-葡萄糖經環狀聯結而成的化合物，具有一個相對疏水的中心和一個相對親水的表面，因此可用于疏水性物質的包埋。β-環糊精包埋方法主要有超聲波法、研磨法、共沉淀法、飽和水溶液法、噴霧干燥法、臨界流體法、冷凍干燥法等，其中飽和水溶液法是將β-CD制成飽和水溶液，然后加入被包埋物攪拌，冷藏、沉淀、過濾、洗滌、干燥即得微膠囊[7]。飽和水溶液法操作簡單，具有較高的包埋效率和包埋產率，因此具有明顯的優勢。β-CD在黑胡椒油樹脂包埋中的應用已有少量報道，且這些研究多注重于芯材功能性質和穩定性的變化。王冠群等[8]利用β-CD的麥芽糖基衍生物通過飽和水溶液法成功包埋了黑胡椒精油，芯材的穩定性和水溶性均得到了顯著提高。Teixeira等[2]通過研磨法和冷凍干燥法利用β-CD對黑胡椒油樹脂進行包埋，顯著提高了芯材的貯藏穩定性，且研磨法比冷凍干燥法能更有效的提高芯材的熱穩定性、抗氧化活性及抗菌活性。β-CD在其它油脂的包埋中也有類似研究。紀俊敏等[9]以收率和包合率為指標，采用飽和水溶液法制備核桃油-β-CD包合物，可明顯提高核桃油的氧化穩定性和水溶性。王賽丹等[10]以β-CD為壁材，采用飽和水溶液法制備的香根油微膠囊具有很好的熱穩定性。王冰清等[11]以β-CD為壁材，采用飽和水溶液法制備的獼猴桃籽油微膠囊，流動性良好且貯藏穩定性高。岳淑麗等[12]以β-CD為壁材，采用飽和水溶液法制備了包埋率較高的桉葉精油微膠囊。另外，β-CD也已被用于姜油樹脂的包埋[13]。但目前尚未見到將β-CD通過飽和水溶液法對黑胡椒油樹脂進行包埋及包埋后對食品風味影響的報道。

因此，本文以β-CD為壁材，以黑胡椒油樹脂為芯材，采用飽和水溶液法對其進行包埋，考察不同因素對包埋效果的影響，確定最佳包埋工藝，然后對所得微膠囊在香腸中的應用進行研究，對于拓展黑胡椒油樹脂在食品加工中的應用范圍具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑胡椒油樹脂（食品級）：鄭州雪麥龍食品香料有限公司；β-CD（食品級）：天津博迪化工股份有限公司；石油醚、三氯甲烷（均為分析純）：萊陽市康德化工有限公司；精鹽：山東寒亭第一鹽場；豬前肘肉：市售；AB型乳化腌制劑：青島市李滄科苑食品調料廠。

1.2 儀器與設備

電熱恒溫水浴鍋（HH-2）：龍口市先科儀器有限公司；紫外分光光度計（UV-2000）：上海尤尼柯儀器有限公司；分析天平（MS304TS）：奧多斯科學儀器有限公司；低速大容量離心機（TDL-40B）：上海安亭科學儀器廠；漩渦混合器（MX-S）：上海市其林貝爾儀器有限公司；懸臂式數顯攪拌器（GZ）：江陰市保利科研器械有限公司；烘箱（DAX-9243）：上海福瑪實驗設備有限公司；超聲波清洗器（KQ-500B）：昆山市超聲儀器有限公司；旋轉蒸發器（RE-52B）：上海亞榮生化儀器廠；（FJ300-SH）數顯分散均質機：上海標本模型廠；電子分析天平（AR1140）：山東鴻興源食品有限公司；絞肉機（CM-2818）：成都敏紅機械工貿有限公司；色彩色差計（KONICA-MINOLTA）：柯尼卡美能達投資有限公司；電磁爐（WK2102）：廣東美的生活電器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 黑胡椒油樹脂微膠囊的制備

稱取一定量的β-CD于燒杯中，用蒸餾水將β-CD調至所需濃度，加入一定量的黑胡椒油樹脂，在一定溫度下用懸臂式攪拌器于400 r/min下攪拌一定時間，然后將所得濕漿于4℃冰箱中靜置20 h～24 h后抽濾，在60℃烘箱中干燥即得黑胡椒油微膠囊。

1.3.2 黑胡椒油樹脂包埋條件的優化

1.3.2.1 芯材與壁材質量比對黑胡椒油樹脂包埋的影響

固定β-CD濃度為15%，分別按照芯材與壁材質量比 1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14 加入黑胡椒油樹脂，在55℃下包埋120 min制備黑胡椒油樹脂微膠囊，測定其包埋產率、包埋效率及色差。

1.3.2.2 β-CD濃度對黑胡椒油樹脂包埋的影響

分別選取β-CD濃度為5%、10%、15%、20%、25%，按照芯壁質量比1∶10加入黑胡椒油樹脂，于55℃下包埋120 min制備黑胡椒油樹脂微膠囊，測定其包埋產率、包埋效率及色差。

1.3.2.3 包埋溫度對黑胡椒油樹脂包埋的影響

設定β-CD濃度為15%、芯壁質量比為1∶10，分別在 35、45、55、65、75 ℃下包埋 120 min 制備黑胡椒油樹脂微膠囊，測定其包埋產率、包埋效率及色差。

1.3.2.4 包埋時間對黑胡椒油樹脂包埋的影響

設定β-CD濃度為15%、芯壁質量比為1∶10，在55℃下分別攪拌 60、90、120、150、180 min 制備黑胡椒油樹脂微膠囊，測定其包埋產率、包埋效率及色差。

1.3.3 黑胡椒油樹脂包埋產率與包埋效率的測定

1.3.3.1 黑胡椒油標準曲線的制作

各取0.25 g黑胡椒油分別置于5支100 mL容量瓶中，用三氯甲烷定容至100 mL，定容后分別各取4、8、12、16、20 mL 溶液于另外 5 支 100 mL 容量瓶，再次用三氯甲烷定容至100 mL。以三氯甲烷為空白，在345 nm波長處測定其吸光值。以吸光值為縱坐標，黑胡椒油濃度為橫坐標進行線性回歸，得到線性回歸方程。

1.3.3.2 微膠囊中表面含油量的測定

稱取1.000 g黑胡椒油樹脂微膠囊于錐形瓶中，用30 mL石油醚分3次洗滌，抽濾后合并濾液，將濾液置于旋轉蒸發儀中蒸發去除石油醚，用三氯甲烷定容至25 mL，以三氯甲烷為空白對照在345 nm處測其吸光值，根據標準曲線計算黑胡椒油樹脂微膠囊的表面含油量。

1.3.3.3 微膠囊中總含油量的測定

準確稱取1.000g微膠囊產品，加入50mL三氯甲烷于搖床中140 r/min下振蕩提取1.5 h，取適量提取液于10 mL具塞離心管中3 000 r/min離心15 min，吸取上清液于345 nm處以三氯甲烷為空白對照測定其吸光值，根據標準曲線計算黑胡椒油樹脂的總含油量。

1.3.3.4 黑胡椒油樹脂包埋產率的計算

包埋產率是所得黑胡椒油樹脂微膠囊的總含油量占微囊化過程中所加入的黑胡椒油量樹脂的總含油量的比值，其計算公式如下。

式中：M2為加入的黑胡椒油樹脂的總含油量，g；M1為黑胡椒油樹脂微膠囊的總含油量，g。

1.3.3.5 黑胡椒油樹脂包埋效率的計算

包埋效率是指被包埋在黑胡椒油樹脂微膠囊內部的含油量占微膠囊中微膠囊總含油量的比值，計算公式如下。

式中：M2為黑胡椒油樹脂微膠囊的表面含油量，g；M1為黑胡椒油樹脂微膠囊的總含油量，g。

1.3.4 色差的測定

通過色差計測定產品的色差，以確定反應條件對微膠囊色澤的影響。稱取適量（＞3 g）黑胡椒油樹脂微膠囊粉末，置于規格為4 cm×5 cm的真空袋內，保持試樣表面平整光滑，然后用色彩色差計測定反應物的L*值。每個樣品均測定3次，取平均值。

1.3.5 流動性的測定

采用休止角法測定黑胡椒油樹脂微膠囊的流動性。將一漏斗置于鐵架臺上，然后向漏斗中加入一定高度（H）的微膠囊粉末，將粉體注入到某一有限直徑（R）的圓盤中心上，直到粉體堆積層斜邊的物料沿圓盤邊緣自動流出為止，停止注入，按下式計算其休止角θ。

式中：H為漏斗高度，cm；R為圓盤直徑，cm；θ為微膠囊粉末休止角，°。

1.3.6 堆積密度的測定

取適量黑胡椒油樹脂微膠囊粉末，準確稱重（m）后置于帶有刻度的100 mL量筒中，將量筒內的粉末上下振動100次后，讀取量筒內粉末的體積，按下式計算堆積密度[14]。

式中：m為黑胡椒油樹脂微膠囊粉末質量，g；v為量筒內粉末的體積，mL。

1.3.7 黑胡椒油樹脂微膠囊的應用

1.3.7.1 香腸的制作

試驗共分為4組，各組的配方如表1所示。將物料混合均勻后，將灌腸衣套在灌腸機的漏斗上，用勺子將肉餡加入灌腸機搖動。灌完后先系上腸衣一端，另一端旋轉擰緊后再用繩子系緊即可，每段30 cm[15]。將香腸在沸水中煮30 min后冷卻至室溫25℃用于感官評定。

表1 香腸配方Table 1 Formula for sausage preparation g

1.3.7.2 感官評定

挑選10名感官評定員，對4種香腸制品的色澤、口感、風味和組織狀態4個因素進行感官評定，并設4個等級，感官評定標準見表2。要求感官評定人員在評定前12 h內不喝酒、不吸煙、不吃辛辣等刺激食物，每感官評定完一個樣品后，間隔10 min后再評價下一個樣品，全部評價完后收集評定人員的評定表，計算平均分。

表2 香腸的感官評定標準Table 2 Standard for the sensory evaluation of black pepper oleoresin-supplemented sausage

1.4 數據統計與分析

除感官評定外，所有數據均測定3個平行，結果以平均值±標準差表示，然后使用SPSS統計軟件對所得數據進行t檢驗和方差分析，當p<0.05時認為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 黑胡椒油樹脂包埋條件的優化

2.1.1 芯材與壁材質量比對包埋效果及色差的影響

室溫25℃下β-CD在水中的溶解度僅為1.85%，因此在本文選擇的濃度下β-CD均處于過飽和狀態。芯壁質量比對黑胡椒油微膠囊包埋效果及色差的影響如圖1所示。

圖1 芯壁質量比對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響Fig.1 Effect of core-wall mass ratio on the microencapsulation efficiency and microcapsule yield and L*value of black pepper oleoresin

由圖1可知，隨著包埋體系中壁材比例的增加，包埋產率呈現先升高后降低再略微升高的趨勢，在芯壁質量比為1∶10時包埋產率達到最大值74.45%，分別是芯壁質量比為1：∶6和1∶14時的2倍和1.4倍，這一變化趨勢與β-CD包埋大蒜油[16]及肉桂醛[17]時一致。包埋效率呈現出了先升高后降低的規律，與包埋產率基本類似，即在芯壁質量比為1∶10時達到最大值93.05%，當芯壁質量比偏離該比值時隨之降低。這是由于芯材被包埋在β-CD的內腔，β-CD的量決定了能夠容納的芯材的量。當芯壁質量比由1∶6變化至1∶10時，β-CD能夠包埋的芯材的量隨之增加，體系中的黑胡椒油樹脂能夠被充分包埋，因此包埋效率和包埋產率均隨之增加；但是當壁材質量繼續增加時，由于β-CD濃度過高，導致反應體系的黏度過大，黑胡椒油樹脂的遷移受阻，進而使得包埋效率和包埋產率反而開始下降。

微膠囊粉末的L*值可以反映其亮度，因此可以間接表示其表面含油量。從圖1B可以看出，L*值的變化趨勢與圖1A中的包埋效率和包埋產率基本一致，即當芯壁質量比為1∶10時L*值最大、顏色最淺，表明此時表面含油量最低；當芯壁質量比偏離該比值時，L*值隨之下降，表明微膠囊的表面含油量有所增加。因此，選擇1∶10為最適芯壁質量比進行后續研究。

2.1.2 β-CD濃度對包埋效果及色差的影響

在飽和溶液法中，適當的β-CD濃度對于提高整個包埋過程的效率、降低成本具有重要意義。β-CD濃度對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響見圖2。

圖2 β-CD濃度對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響Fig.2 Effect of β-CD concentrations on microencapsulation efficiency and microcapsule yield and L*value of black pepper oleoresin

由圖2可知，當β-CD濃度從5%增加到15%時，黑胡椒油樹脂的包埋效率及包埋產率都有所提高，當β-CD濃度為15%時黑胡椒油微膠囊的包埋產率是濃度為5%時的1.5倍；而當β-CD濃度繼續增加時，包埋產率和包埋效率反而下降，這一趨勢與圖1A中的結果基本一致。這是由于在芯壁質量比一定的情況下，濃度的升高有利于增加其與芯材的接觸機會，進而使得包埋效率和包埋產率都隨之增加；但是當β-CD濃度過高時，反應體系的黏度增加，黑胡椒油樹脂的遷移受阻，大量芯材無法進入壁材的疏水性內腔，從而導致包埋效率和包埋產率降低。在利用β-CD通過超聲法包埋肉桂醛[17]以及通過乳化法包埋檸檬醛[18]時也觀察到了類似的規律。

從圖2B可以看出，當β-CD濃度為5%和25%時，所得黑胡椒油樹脂微膠囊的顏色較深；當β-CD濃度為10%、15%和20%時黑胡椒油微膠囊的L*值無顯著差異，但當β-CD濃度為15%時黑胡椒油微膠囊的包埋效果最好。因此選擇15%為最適β-CD濃度進行后續研究。

2.1.3 包埋溫度對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響

高溫有利于疏水性相互作用，因此包埋溫度也有可能會對黑胡椒油樹脂的包埋效果產生影響。包埋溫度對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響見圖3。

圖3 包埋溫度對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響Fig.3 Effect of temperature on the microencapsulation efficiency and microcapsule yield and L*value of black pepper oleoresin

由圖3A可知，在低溫范圍內，隨著溫度的升高，包埋效率和包埋產率均隨之增加，且均在55℃時達到最高，分別為93.05%和74.45%，且包埋產率的增加顯著，為35℃時的3倍。但是當溫度超過55℃時，包埋效率和產率逐漸下降，在75℃時包埋效率和包埋產率降至81.96%和38.27%，分別為55℃時的90%和50%。在利用β-CD通過超聲法包埋肉桂醛時也出現了類似的現象[17]。這是由于高溫有利于黑胡椒油樹脂的遷移，同時可增強其與β-CD疏水性內腔的相互作用，因此在一定范圍內包埋效率和包埋產率均隨著包埋溫度的升高而增加；但是當溫度過高時，黑胡椒油樹脂的揮發性增強導致部分損失，同時包埋是個放熱過程[19]，溫度過高會抑制包埋過程的進行，上述兩個因素共同導致了包埋效率和包埋產率的降低。

從圖3B可以看出，所得微膠囊粉末的L*值表現出了與包埋效率和包埋產率類似的規律，即當包埋溫度達到55℃時L*值最大，微膠囊的顏色最淺、表面油含量最低；包埋溫度達到75℃時L*值最小，微膠囊粉末的顏色最深、表面油含量最高。因此選擇55℃為最適包埋溫度進行后續研究。

2.1.4 包埋時間對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響

包埋時間對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響見圖4。

圖4 包埋時間對黑胡椒油樹脂微膠囊包埋效果及色差的影響Fig.4 Effect of inclusion time on the microencapsulation efficiency and microcapsule yield and L*value of black pepper oleoresin

由圖4A可知，包埋時間對黑胡椒油樹脂的包埋有重要影響。當包埋時間小于120 min時，包埋效率和包埋產率均隨著包埋時間的延長而增加，且在120 min時達到93.05%和74.45%，其中包埋產率增加最為明顯，約是60 min時的2.65倍。當包埋時間延長至150 min及以上時，包埋效率和包埋產率不再顯著變化，所得微膠囊粉末的L*值也表現出了類似的規律。這是由于疏水性成分向β-CD內腔的遷移是個自發的過程[20]，當包埋時間不夠長時，芯材無法充分遷移至壁材的內腔；當包埋時間達到120 min時，芯材可以充分擴散至壁材，此時再延長包埋時間，包埋效率和包埋產率也不再顯著變化。因此，選擇120 min為最佳包埋時間進行后續研究。

綜上，黑胡椒油樹脂最適包埋條件為芯壁質量比1∶10、β-CD濃度15%、包埋溫度55℃、包埋時間120min。

2.2 黑胡椒油樹脂微膠囊流動性及堆積密度

流動性和堆積密度對于微膠囊粉末的貯存、運輸和使用有重要影響[21]。因此，本文在上述確定的最適條件的基礎上研究了部分變量對所得微膠囊粉末流動性和堆積密度的影響，結果如表3所示。

表3 部分樣品的堆積密度和流動性Table 3 Bulk density and fluidity of some black pepper oleoresin microcapsules

由表3可知，樣品1的流動性最好，休止角僅為27.5°，而樣品3的休止角高達63.8°，流動性最差。微膠囊粉末的流動性與微膠囊表面的含油量、包埋效率有直接關系。當微膠囊表面含油量較高時，微膠囊之間相互粘連，使得流動性變差。通過比較樣品1～4的制備條件可以看出，芯壁質量比對微膠囊粉末的流動性有重要影響，當壁材含量較低時，芯材不能完全被壁材的疏水性內腔接納，導致微膠囊粉末表面的含油量增加，進而使得流動性變差。

反應條件對黑胡椒油樹脂微膠囊的堆積密度也有較大影響。樣品3的堆積密度最小，僅為0.56 g/mL，在最適條件下制備的樣品1的堆積密度最大，達到了0.72 g/mL。

圖5為在本文確定的最適條件下制備的黑胡椒油樹脂微膠囊的外觀。

圖5 在最佳條件下制備的黑胡椒油樹脂微膠囊的外觀形態Fig.5 Appearance of the black pepper oleoresin microcapsule prepared under optimized conditions

由圖5可知，樣品呈淡黃色、顆粒細小、質地均勻、易于流動，聞起來具有黑胡椒油典型的香氣、外觀潔白、堆積緊實，具有較好的商品性。

2.3 黑胡椒油樹脂微膠囊在香腸中的應用

目前關于黑胡椒油樹脂β-CD微膠囊的應用多集中在對活性成分的保護上，而對其在食品工業中的應用還鮮有報道。因此，本文以香腸為對象就其在食品工業中的實際應用進行了初步研究，結果如表4所示。

表4 添加不同形式黑胡椒調味料香腸的感官評定結果Table 4 Sensory evaluation results of the sausage flavored with black pepper of different forms

由表4可知，與未添加黑胡椒的樣品（A）相比，添加調味料可以顯著改善香腸的感官品質。黑胡椒的形式對其調味效果有重要影響，以黑胡椒粉的形式添加時感官評價結果最好，其次是黑胡椒油樹脂微膠囊，直接以黑胡椒油樹脂的形式添加時效果最差。其中，以微膠囊形式添加時香腸的色澤、組織狀態和口感均優于或接近B、C兩組，但是風味較差。可能是由于黑胡椒粉和黑胡椒油樹脂本身有較深顏色，故會使得香腸原本的色澤受到一定影響，而黑胡椒油樹脂微膠囊呈淺黃色，因此對香腸色澤影響不大。在口感方面，因β-CD有一定甜味，因此添加了黑胡椒油樹脂微膠囊的香腸微甜，且咀嚼時黑胡椒的香味能夠爆發出來，因此口感最好。而以黑胡椒油樹脂形式直接添加時，因香腸樣品需要煮制，揮發性成分大量損失，使得口感較差。就風味而言，以微膠囊形式添加時的效果最差，這是由于風味物質多為揮發性成分，其被包埋在β-CD內腔，揮發性變差，導致香腸的風味下降。

3 結論

本文以β-CD為壁材通過飽和水溶液法制備了黑胡椒油樹脂微膠囊，通過單因素試驗確定了其最適包埋條件為芯壁質量比1∶10、β-CD濃度15%、包埋溫度55℃、包埋時間120 min。在此條件下得到的黑胡椒油樹脂微膠囊產品為淡黃色疏松狀粉末，具有一定的黑胡椒油香氣，顆粒細小均勻，具有良好的流動性和較高的堆積密度。將其添加至香腸后，香腸仍具有良好的彈性，口味偏甜且具有黑胡椒油典型的滋氣味，因此在食品工業中具有潛在的應用價值。