乳化-凝膠法制備煙用海藻酸鈣爆珠

尹團(tuán)章，陳 浩，楊光遠(yuǎn)，冷 海，張 磊，蔡 超，陳金強(qiáng)，陳 勝*

1. 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢市東西湖區(qū)金山大道1355 號(hào) 430040

2. 武漢黃鶴樓新材料科技開(kāi)發(fā)有限公司，武漢市東西湖區(qū)金山大道1355 號(hào) 430040

3. 武漢黃鶴樓香精香料有限公司，武漢市東西湖區(qū)金山大道1355 號(hào) 430040

煙用爆珠作為一種濾棒添加物質(zhì)［1］，不僅能改善卷煙煙氣口味，還能優(yōu)化用戶體驗(yàn)感，提升品牌在市場(chǎng)中的好感度。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)煙用爆珠生產(chǎn)工藝主要有脈沖切割成型工藝和重力切割成型工藝，脈沖切割工藝中精油溶劑為橄欖油體系，而重力切割工藝中精油溶劑為辛癸酸甘油酯（ODO）體系［2］。因?yàn)楸樾疽汉湍也闹g存在配伍性，無(wú)論脈沖切割成型工藝或是重力切割成型工藝，均不能同時(shí)適應(yīng)于橄欖油體系和ODO體系的爆珠生產(chǎn)。因此，開(kāi)發(fā)一種新的爆珠制備方法，兼容用于兩種精油溶劑體系爆珠的生產(chǎn)，豐富爆珠生產(chǎn)方式，顯得尤為重要。

海藻酸鈉因其良好的成膜、成囊性和生物相容性已被應(yīng)用于海藻酸鈉-聚賴氨酸-海藻酸鈉（APA）微膠囊［3］、海藻酸鈉-殼聚糖-海藻酸鈉（ACA）微膠囊［4］、海藻酸鈣-羧甲基纖維素鈉液芯微膠囊以及海藻酸鈣凝膠珠體系中［5-6］。其中，海藻酸鈣-羧甲基纖維素鈉液芯微膠囊具有機(jī)械強(qiáng)度高、生物相容性好、壁材易得且傳質(zhì)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種有應(yīng)用潛力的微膠囊體系。通過(guò)乳化-凝膠化法制備的海藻酸鈣微球，能成功包裹以色拉油為溶劑的大豆功能肽，使功能肽的緩釋性能和穩(wěn)定性得到較大提高［7］。在乳化-凝膠法的基礎(chǔ)上，通過(guò)靜電噴霧法制備海藻酸鈣-羧甲基纖維素鈉液芯微膠囊，制得的微膠囊粒徑均勻、成囊性好［8］。另外，以纖維素硫酸鈉替代羧甲基纖維素鈉作為增稠劑，也可以在纖維素硫酸鈉使用量較小的條件下通過(guò)乳化-凝膠法制備得到中空的海藻酸鈣微膠囊［9］。但是, 乳化-凝膠法制備的液芯微膠囊僅局限于醫(yī)藥領(lǐng)域的臨床應(yīng)用，且制備的微囊粒徑較小（微米級(jí)）。現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道乳化-凝膠法制備的液芯微膠囊最大粒徑約0.4 mm（400 μm）［10］，這和煙用爆珠的直徑較為接近，為實(shí)現(xiàn)煙用提供了可能。因此，開(kāi)展煙用爆珠乳化-凝膠法的制備方法的研究，建立一種新的成型工藝，以期實(shí)現(xiàn)新工藝制備的爆珠在卷煙中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

煙用爆珠（直徑3.5 mm、脈沖法制備），ODO、薄荷精油（武漢黃鶴樓香精香料有限公司提供）；海藻酸鈉（SA）（食品級(jí)，3 種1%溶液的黏度分別為8、16和20 mPa·s，青島海之林生物科技公司）；CaCl2、吐溫80（Tween 80）、司班20（Span 20）、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）和聚乙烯醇（PVA，分析純）（阿拉丁試劑公司）；甘油（食品級(jí)，中國(guó)醫(yī)藥上海化學(xué)試劑公司）；殼聚糖（食品級(jí)，青島明月海藻集團(tuán)有限公司）。

滾筒干燥器、3.5 mm 單通道滴頭（自制）；LUMiSizer651 型乳液分散性測(cè)試儀［羅姆（江蘇）儀器有限公司］；RW20 型攪拌機(jī)、T25 型均質(zhì)機(jī)（德國(guó)IKA 集團(tuán)）；TWCL-B 型磁力攪拌器（上海普渡生化科技有限公司）；NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）；ME3002E 型電子天平（感量：0.01 g）和PL8001E 型電子天平（感量：0.1 g）［梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司）］；TYB01型注射泵（上海雷弗電子有限公司）；CTS-I型煙用爆珠綜合檢測(cè)儀（成都瑞拓科技股份有限公司）；SDH01 型恒溫恒濕箱（上海建恒儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 爆珠的乳化-凝膠法制備工藝

借鑒文獻(xiàn)中乳化-凝膠法反滴法［9］，將含有鈣離子的乳化液滴加到海藻酸鈉成型液中，鈣離子由內(nèi)向外滲透，并與成型液中海藻酸鈉形成海藻酸鈣凝膠粒子，包裹住含有油相的乳化滴，生成球形的爆珠稚珠，再通過(guò)洗丸和滾筒干燥，制備成爆珠。

乳化液的制備：先稱量去離子水，加入水相試劑（CaCl2、CMC-Na）和表面活性劑Tween 80，攪拌均勻，充分溶解；倒入油相（煙用香精，溶劑為ODO 或橄欖油）；放入IKA 均質(zhì)機(jī)下12 000 r/min 高速切割15 min，即為乳化液。

成型液的配制：將海藻酸鈉、Span 20 添加到去離子水中，邊攪拌邊添加，完全溶解后，即為成型液。

滴制：將制備好的乳化液裝入100 mL 注射器中，安置到雷弗注射泵中；通過(guò)PE 透明導(dǎo)管連接到3.5 mm滴頭上，滴頭固定到成型液上方；成型液放置在磁力攪拌器上，先攪動(dòng)成型液，速度600～900 r/min，中間形成漩渦；設(shè)置注射泵流量為3.0～4.5 mL/s，開(kāi)始滴制。

洗丸：將滴制成型的爆珠稚丸撈出后放入去離子水中，清洗5～8 min。

滾筒干燥：在溫度（22±2）℃，相對(duì)濕度（RH）40%～60%的環(huán)境條件下將爆珠投入滾筒干燥器中干燥3 h左右，即得成品爆珠。

1.2.2 乳化液穩(wěn)定性試驗(yàn)

將ODO和薄荷精油（橄欖油為溶劑）作為油相，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為乳化液的33%、50%和66%的比例添加到水相中進(jìn)行乳化，將制備的乳化液進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)不穩(wěn)定指數(shù)來(lái)表征乳化液的穩(wěn)定性。

1.2.3 CMC-Na添加量的梯度試驗(yàn)

進(jìn)行質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.2%，0.5%和1.0%的爆珠成型試驗(yàn)，通過(guò)干燥時(shí)間來(lái)確定CMC-Na最佳添加量，重復(fù)3次。

1.2.4 CaCl2添加量的梯度試驗(yàn)

進(jìn)行質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，2%，4%，6%，8%和10%的爆珠成型試驗(yàn)，通過(guò)爆珠能否成型和成品爆珠硬度來(lái)確定CaCl2最佳添加量。

1.2.5 防潮性試驗(yàn)

按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8% 分別配制CaCl2和殼聚糖的清洗液，攪拌均勻，將滴制好的爆珠稚丸放入其中進(jìn)行邊清洗邊交聯(lián)，交聯(lián)時(shí)間為0、10、20、30、60 min。干燥好的成品爆珠在22 ℃、70%RH和80%RH的溫濕度條件下放置20 min 后，進(jìn)行爆珠硬度的測(cè)定。

1.2.6 成品爆珠硬度的測(cè)定

采用煙用爆珠綜合檢測(cè)儀進(jìn)行成品爆珠硬度的測(cè)定，每批爆珠隨機(jī)取50 顆，用破裂壓力來(lái)表征硬度，重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 乳化液中水相和油相比例確定

將CaCl2、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、Tween 80和超純水作為水相，精油體系作為油相，進(jìn)行乳化形成乳化液。在25℃（室溫）下測(cè)試不同含油量乳化液樣品的不穩(wěn)定指數(shù)，比較乳化液的穩(wěn)定性。樣品1到樣品3 分別是以O(shè)DO 為油相的乳化液，其中油相所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33%、50%、66%；樣品4到樣品6分別是以薄荷精油為油相的乳化液，其中油相所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33%、50%、66%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1，橫坐標(biāo)表示分離時(shí)間，縱坐標(biāo)表示在該時(shí)間節(jié)點(diǎn)樣品的不穩(wěn)定指數(shù)。不穩(wěn)定指數(shù)越大則表示樣品越不穩(wěn)定。曲線圖的斜率越大，則表示樣品分離的速度越快。當(dāng)曲線與橫坐標(biāo)平行時(shí)，說(shuō)明樣品已經(jīng)完全分離。由圖1 可知，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，樣品4 不穩(wěn)定性曲線斜率最大，說(shuō)明分離速度最快，并且在大約700 min時(shí)完全分離，而其他樣品到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)不穩(wěn)定性還在增加。不穩(wěn)定性曲線在標(biāo)注位置相交，說(shuō)明此時(shí)樣品不穩(wěn)定性指數(shù)大小順序發(fā)生變化，具體見(jiàn)表1。

圖1 乳化液不穩(wěn)定性指數(shù)曲線圖Fig.1 Instability index curves of emulsion

表1 樣品不穩(wěn)定性指數(shù)排序Tab.1 Sample ranking based on their instability indexes

整體而言，ODO 溶劑體系和橄欖油溶劑體系均能形成穩(wěn)定的乳化液，薄荷精油油相乳化液的不穩(wěn)定性大于ODO油相乳化液的不穩(wěn)定性，這是由薄荷醇的揮發(fā)性造成的。ODO油相的乳化液，無(wú)論是油相與水相的比例為（質(zhì)量比，下同）1∶2（油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%），還是油相與水相的比例為2∶1（油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為66%），其穩(wěn)定性都大于油相與水相的比例為1∶1（油相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%）乳化液的穩(wěn)定性。為了能在爆珠中包載更多的香精，制備乳化液時(shí)選擇油相與水相的比例為2∶1。

2.2 成型液中海藻酸鈉及配比的確定

根據(jù)報(bào)道海藻酸鈉的使用濃度為1%［11］，開(kāi)展兩種黏度值（高黏度，20 mPa·s 和低黏度，8 mPa·s）海藻酸鈉1%溶液的配比試驗(yàn)，根據(jù)滴制出爆珠的硬度、圓度和有無(wú)漏油進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)，初步確定了成型液中高黏度海藻酸鈉和低黏度海藻酸鈉的配比（質(zhì)量比，下同）為4∶6到6∶4，最佳配比為1∶1（5∶5）（見(jiàn)表2）。

表2 成型液海藻酸鈉配比試驗(yàn)Tab.2 Ratio tests of sodium alginate in forming capsule liquid

成型液中配比1∶1 的海藻酸鈉在試驗(yàn)過(guò)程中其消耗量的檢測(cè)較為困難，因?yàn)樵诒榈牡沃瞥尚瓦^(guò)程中，高黏度和低黏度的海藻酸鈉的消耗量不同步，高黏度海藻酸鈉使用量大于低黏度海藻酸鈉的量（試驗(yàn)數(shù)據(jù)未給出）。重新進(jìn)行單黏度值海藻酸鈉的成型試驗(yàn)，配比1∶1 海藻酸鈉黏度值經(jīng)檢測(cè)為16 mPa·s，進(jìn)行黏度值為16 mPa·s 的單種海藻酸鈉成型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可知，采用高、低黏度配比為1∶1 的海藻酸鈉（黏度值為16 mPa·s）能滴制出爆珠稚丸，單個(gè)稚丸中透明的外殼為海藻酸鈣凝膠，乳白色內(nèi)芯為未破乳的芯液，自然攤干后也沒(méi)有滲油/漏油現(xiàn)象，因此確定使用16 mPa·s 的海藻酸鈉配制成型液并進(jìn)行爆珠的制備。

圖2 滴制成型的海藻酸鈣爆珠稚丸Fig.2 Breakable capsule pellets made from calcium alginate

2.3 羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）添加量的確定

羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）添加量對(duì)爆珠干燥過(guò)程中破乳時(shí)間的影響見(jiàn)表3。由表3可以看出，水相中CMC-Na的添加量越大，破乳的時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明CMC-Na 除具有成膜性外也具有保水功能［12］。CMC-Na 添加量達(dá)到水相的1%時(shí)，爆珠成膜性也較好，爆珠囊殼透明，抗裂性能均較好，但是，因?yàn)楸橥獠磕覛は雀稍锍尚停鴥?nèi)部芯液中的水分仍然繼續(xù)丟失，導(dǎo)致出現(xiàn)空心氣泡珠的現(xiàn)象（圖3c）。根據(jù)生產(chǎn)效率和滾筒干燥時(shí)破乳時(shí)間的要求（3 h左右），CMC-Na添加量為水相的0.5%時(shí)較好（圖3a、圖3b）。

表3 CMC-Na添加量對(duì)干燥破乳時(shí)間的影響（n=3）Tab.3 Effect of CMC-Na addition rate on demulsification time（n=3）

圖3 0.5% 和1% CMC-Na添加量制備的爆珠Fig.3 Breakable capsules prepared at CMC-Na addition rates of 0.5% and 1%

2.4 CaCl2添加量的確定

不同CaCl2添加量對(duì)成品爆珠硬度的影響結(jié)果見(jiàn)表4，其中爆珠硬度用其破裂壓力值表征。由表4可知，CaCl2濃度太低，爆珠不能成型。CaCl2濃度為4%～10%（質(zhì)量濃度，下同）的范圍內(nèi)，4%濃度CaCl2滴制的爆珠，能承受的壓力值較小，硬度不夠，不適宜在煙用嘴棒中添加；6%和10%濃度CaCl2制備的爆珠，雖然大部分的壓力值在標(biāo)準(zhǔn)范圍10～20 N（15 N±5 N）之間，但是達(dá)不到批次檢測(cè)合格率（80%以上）要求；8%濃度CaCl2制備的爆珠硬度值較好，也能達(dá)到批次檢測(cè)合格率要求。因此優(yōu)化的CaCl2濃度應(yīng)為8%。

表4 CaCl2添加量對(duì)成品爆珠硬度的影響（n=3）Tab.4 Effect of CaCl2 addition rate on hardness of breakable capsules（n=3）

2.5 成型液中甘油添加量的確定

此方法滴制的爆珠，在干燥過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果：自然攤干的爆珠（圖4c、圖4d），晶瑩透亮，沒(méi)有漏油/滲油現(xiàn)象（圖5c）；利用轉(zhuǎn)筒干燥的爆珠（圖4a、圖4b），表面較渾濁，部分會(huì)出現(xiàn)滲油/漏油現(xiàn)象（圖5a、圖5b）。滾筒干燥的成品爆珠表面不透亮，是因?yàn)檗D(zhuǎn)筒干燥器的內(nèi)壁不太潔凈，干燥過(guò)程中滾動(dòng)的珠子粘上了微塵等顆粒，導(dǎo)致沒(méi)有自然攤干的爆珠晶瑩透亮。出現(xiàn)滲油/漏油的原因可能是，形成的爆珠囊殼硬度達(dá)到要求，但是彈性和韌性不夠，延展度不足，在干燥后收縮過(guò)程中，爆珠受到碰撞、相互擠壓，因囊殼柔韌性不足而出現(xiàn)裂縫和裂口，進(jìn)而導(dǎo)致滲油/漏油。為提升爆珠囊殼的延展度和韌性，通過(guò)在囊殼中添加增塑劑的方法，可防止爆珠在干燥過(guò)程中因碰撞擠壓而導(dǎo)致囊殼皸裂。

圖4 干燥后的成品爆珠Fig.4 Image of dried breakable capsules

圖5 爆珠在10×顯微鏡中的圖像Fig.5 Images of dried breakable capsules under 10× microscope; bar=1 mm

增塑劑對(duì)成品爆珠滲油/漏油的影響結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，在成型液中添加1.0%或2.0%的甘油或者0.2%的聚乙烯醇（PVA），均能夠提升此工藝制備的爆珠囊殼的韌性，有效解決干燥后成品爆珠的滲油/漏油問(wèn)題（見(jiàn)圖6b）。雖然PVA 也能達(dá)到防止囊殼皸裂的效果，但從經(jīng)濟(jì)考慮而選擇添加量為1.0%的甘油作為增塑劑。

圖6 滲油/漏油爆珠（a）和正常爆珠（b）在吸油紙上的油點(diǎn)Fig.6 Blots in oil-absorbing paper for breakable capsules with oil seeping/leaking（a）and normal capsules（b）

表5 不同增塑劑對(duì)爆珠滲油/漏油的影響Tab.5 Effects of different plasticizers on oil seeping/leaking from breakable capsules

2.6 爆珠防潮工藝的研究

此方法制備的爆珠，因?yàn)槠淠也拇蟛糠譃楹Ｔ逅猁}，其吸濕性較為明顯，在高濕環(huán)境下容易吸潮軟化，失去爆珠的脆響性能。因此在洗丸工藝步驟中，通過(guò)添加CaCl2、殼聚糖進(jìn)行了離子交聯(lián)試驗(yàn)，以期增加成品爆珠的防潮性。

添加濃度為0.8%的CaCl2進(jìn)行交聯(lián)，結(jié)果表明，交聯(lián)后爆珠的硬度有所增加但增加幅度較小，防潮性能沒(méi)有增加。

添加濃度為0.8%的殼聚糖進(jìn)行交聯(lián)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，濃度為0.8%的殼聚糖能夠起到一定的防潮作用。隨著交聯(lián)時(shí)間的延長(zhǎng)，干燥后的爆珠防潮性較好，交聯(lián)30 min制備的爆珠在70%RH條件下不會(huì)吸潮變軟。而交聯(lián)60 min 制備的爆珠，防潮效果和交聯(lián)30 min 制備的爆珠一樣，能耐受70%RH 的條件，但仍不能耐受80%RH 的高濕度條件。因此，優(yōu)化步驟是在洗丸環(huán)節(jié)添加0.8%殼聚糖于超純水中，既可以清洗爆珠稚丸，又同時(shí)發(fā)生離子交聯(lián)反應(yīng)以增強(qiáng)成品爆珠的防潮性能。

表6 0.8%殼聚糖對(duì)爆珠防潮性能的影響（n=3）Tab.6 Effect of 0.8% chitosan on moisture resistance of breakable capsules（n=3）

2.7 成品爆珠的硬度測(cè)試

使用煙用爆珠綜合檢測(cè)儀，對(duì)成品爆珠進(jìn)行壓力值的檢測(cè)來(lái)表征硬度。根據(jù)所檢測(cè)的爆珠硬度指標(biāo)形成的雷達(dá)圖（圖7）可知，利用本方法制備的爆珠和脈沖法制備的爆珠的壓力值范圍基本一致，絕大部分在10～20 N之間，符合湖北中煙煙用爆珠的硬度標(biāo)準(zhǔn)（15±5 N）。

圖7 表征爆珠硬度的壓力值雷達(dá)圖Fig.7 Radar maps of pressure values of breakable capsules prepared by this method（left）and by pulse method（right）

2.8 成品爆珠合格率的快速檢測(cè)

將干燥好的成品爆珠放置到一次性杯中，倒入95%酒精，能對(duì)爆珠的成品合格率進(jìn)行快速直接的初步判斷。正常爆珠、氣泡爆珠、未破乳爆珠、部分破乳爆珠，都能清晰地顯示出來(lái)。圖8中所示，正常爆珠在酒精的浸泡下，圓珠透明無(wú)雜質(zhì)；氣泡爆珠顯現(xiàn)明顯的空心；未破乳的爆珠呈現(xiàn)出不透明的乳白色；部分破乳的爆珠則會(huì)顯示不同的乳白色圖案，如圖中的“牦牛”等。

圖8 成品爆珠在95%酒精中顯像和10×顯微鏡中的圖像Fig.8 Images of breakable capsules in 95% alcohol solution under 10× microscope

此種簡(jiǎn)易判斷方法，快速方便，便于操作。滴制的爆珠干燥后在酒精的浸泡下，明顯呈現(xiàn)出爆珠的成品質(zhì)量，能大致判斷出氣泡珠、“圖案”爆珠（破乳不完全）、未破乳爆珠的比例，快速地提供直觀的成品爆珠的批次初次合格率。

3 結(jié)論

通過(guò)乳化-凝膠法能夠成功制備出符合生產(chǎn)要求的煙用海藻酸鈣爆珠，實(shí)現(xiàn)對(duì)ODO溶劑體系精油和橄欖油溶劑體系精油的有效包裹。在此爆珠制備方法中，乳化液中水相和油相的質(zhì)量比為1∶2；水相中，羧甲基纖維素鈉添加量為0.5%，氯化鈣添加量為8%；成型液中，海藻酸鈉（1%濃度）的黏度值為16 mPa·s，添加1.0%甘油可以增強(qiáng)爆珠囊殼的韌性進(jìn)而防止爆珠滾筒干燥時(shí)皸裂。另外，采用酒精能簡(jiǎn)易快速檢測(cè)成品爆珠的初次合格率。