不同壁材對超聲波噴霧-冷凍干燥制備香味緩釋微膠囊的影響

趙 鳳，鄭 旭，周 政，黃旭輝，秦 磊

（大連工業大學食品學院，國家海洋食品工程技術研究中心，遼寧 大連 116034）

微膠囊技術是食品加工中常用的方法，在國際上被廣泛認可，也被視為二十一世紀開發研究的重點技術之一[1]。微膠囊可作為揮發性物質的屏障，具有延遲風味物質釋放的作用，從而使風味留存更久[2]。將微膠囊化工藝應用于咖啡[3]、蛋糕[4]、肉制品[5]等食品中，對于延長食品風味均達到良好的效果。

不同揮發性物質在微膠囊中的保留能力與其本身分子直徑、分子結構以及不同的壁材等因素有重要關系。其中，選擇制作微膠囊的壁材，是研發人員在食品生產中最為關注的重點。微膠囊壁材在微觀結構上能夠形成致密的球型，可以使被包埋物質有效避免光、氧和高溫等外界因素的不利影響，防止食品成分之間過早地相互作用，減少揮發性物質的損失，并且能夠在特定條件下控制揮發性物質釋放[6-8]。壁材的化學官能團、溶解度、極性和揮發性決定了核心化合物的保留程度[9]。一般選用碳水化合物、脂類和蛋白質等類似物質作為微膠囊壁材，從而達到保留風味物質的效果[10]。其中，碳水化合物類壁材具有良好的溶解性和較低的黏度；蛋白質類壁材可以很好地促進乳液液滴聚合形成固體膜；脂質類壁材抗氧化性較好，但制備微膠囊的效率不高，很少被應用[11]。目前的研究中，鮮見不同壁材對揮發性物質保留能力的系統性研究和評價。

干燥是制作微膠囊的工藝核心。干燥通常可避免化合物的生物降解，降低儲存和運輸成本，并通過降低液體產品的水分活度和含水量達到抑制微生物活性的目的[12]。在現有的食品干燥技術中，冷凍干燥能夠相對較好地保留食品風味，但成本較高[13-14]。熱風干燥和噴霧干燥技術的高溫條件會導致揮發性成分極易丟失[15-17]，故在微膠囊加工中應用較少。超聲波噴霧-冷凍干燥技術結合噴霧干燥和冷凍干燥的優勢，降低工藝成本，增大干燥接觸面積，最終形成微膠囊粉體，從而減少揮發性成分的流失。因此，超聲波噴霧-冷凍干燥技術在微膠囊的研制方面逐漸被廣泛應用[18]。

本研究利用實驗室搭建的超聲波噴霧冷凍干燥器，選擇食品領域常見的7 種壁材，對32 種風味標準品進行包埋，通過比較不同壁材的微觀結構、包埋量和釋放效果，對不同壁材進行評價和篩選，為方便食品的風味保留提供可行思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

β-環糊精（食品級，99%）、γ-環糊精（食品級，98.5%）、明膠（食品級，99%）、殼聚糖（食品級，99%）、葡聚糖（食品級，99%）、海藻糖（食品級，99%）、辛烯基琥珀酸淀粉鈉（食品級，99%）、苯乙烯（98%）、己酸甲酯（99.5%）、苯甲醛（99.5%）、二甲基三硫（98%）、苯甲腈（99.5%）、甲基庚烯酮（98%）、月桂烯（90%）、己酸乙酯（99%）、雙戊烯（95%）、苯甲醇（99.9%）、(E)-2-辛烯醛（95%）、苯乙酮（98%）、正辛醇（99.5%）、苯甲酸甲酯（98%）、壬醛（96%）、2-苯乙醇（99.5%）、1,2,4,5-四甲苯（99.8%）、乙酸糠硫醇酯（99%）、乙酸芐酯（99.7%）、L-薄荷醇（99.5%）、4’-甲基苯乙酮（98%）、L-香芹醇（97%）、香茅醇（99%）、苯并噻唑（96%）、香葉醇（99%）、檸檬醛（97%）、麝香草酚（99.9%）、椰子醛（98%）、1,3-二甲基萘（95%）、乙位紫羅蘭酮（97%）、十七烷（99.5%）、十八烷（99.5%）上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氘代正構壬烷（98%）、氘代正構十二烷（98%）、氘代正構十三烷（98%）、氘代正構十六烷（98%）、氘代正構十九烷（98%）美國CIL公司。

1.2 儀器與設備

DF-191S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、HH-S水浴鍋鞏義市予華儀器有限責任公司；電熱恒溫干燥箱上海躍進醫療器械廠；冷凍干燥機 沈陽航天新陽速凍廠；HYC-390海爾醫用冷藏箱 青島海爾特種電器有限公司；ADL310小型噴霧干燥器 日本Yamato公司；SU8010/PP3010T冷場發射掃描電子顯微鏡日本Hitachi公司；PEN33電子鼻 德國Airsense公司；7890B/7010B氣相色譜-三重四極桿質譜聯用儀 安捷倫科技（中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

稱取7 種微膠囊壁材（β-環糊精、γ-環糊精、明膠、殼聚糖、葡聚糖、海藻糖、辛烯基琥珀酸淀粉鈉）各2 g添加到100 mL水中，40 ℃加熱使之完全溶解后，再加入10 μL揮發性風味化合物標準品（混標質量濃度為0.8 mg/mL），最后振蕩搖勻。

1.3.2 超聲波噴霧-冷凍干燥制備微膠囊粉

使用超聲波進行噴霧，噴霧條件為超聲功率3.0 W，進料流量5 mL/min。將霧化、凍結后的結晶顆粒存放到－40 ℃退火5 h。然后在1 kPa干燥壓力條件下進行真空冷凍干燥，凍干過程中隔板溫度為－25 ℃維持30 h，升溫至－15 ℃維持1 h，升溫至－5 ℃維持1 h，升溫至5 ℃維持1 h，最后升溫至20 ℃維持10 h。凍干結束后，快速將干燥的微膠囊粉密封且存放于干燥器中備用。

1.3.3 表觀形態觀察

微膠囊粉末的微觀形態結構使用冷場發射掃描電子顯微鏡進行觀察分析。將微膠囊粉緩緩置于樣品臺面貼有的單層雙側碳膠上，需去除多余的粉末使其充分粘貼在有導電膠粘劑的檢測臺上，經5 mA、120 s噴金處理后，使微膠囊粉表面附著上厚度為10 nm左右的金層，通過導電檢測進行掃描電鏡的成像觀察和圖像采集。

1.3.4 頂空固相微萃取-氣相色譜-質譜（headspacesolid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，HS-SPME-GC-MS）分析

1.3.4.1 HS-SPME條件

分別取7 種微膠囊水溶液樣品990 μL于20 mL頂空進樣瓶中，再加入10 μL 100 μg/mL同位素氘代正構烷烴內標混標，并將頂空瓶放置于50 ℃孵育40 min。插入SPME裝置萃取30 min進行樣品風味富集后，通過PAL自動進樣器將吸附后的萃取頭置于GC-MS進樣口解吸5 min，使風味化合物進入到色譜柱進行GC-MS分析。

1.3.4.2 GC條件

色譜柱：毛細管色譜柱HP-5 MS（30 m×250 μm，0.25 μm）；升溫程序：45 ℃維持3 min，以升溫速率5 ℃/min從45 ℃升溫至280 ℃，并維持10 min；不分流模式進樣，載氣（He）流速1 mL/min，進樣口溫度260 ℃。

1.3.4.3 MS條件

電子電離源，電子能量70 eV，溶劑延遲4 min；傳輸線溫度280 ℃；離子源溫度230 ℃；以全掃描模式進行掃描，質量掃描范圍m/z40～400。

1.3.5 揮發性風味成分的定性定量分析

GC-MS數據的定性分析由NIST 14譜庫檢索保留指數（retention index，RI）和化合物標準品共同確定。選擇相似度大于750的譜庫檢索結果作為鑒定結果。

揮發性風味物質的定量分析采用多同位素內標法。同位素內標選擇性質較穩定的氘代正構烷烴。

1.3.6 包埋率計算通過1.3.5節的定量結果進行計算。公式如下：

式中：m1為每克壁材中加入風味物質標準品的質量；m2為每克壁材中檢測到風味物質的質量。

1.3.7 電子鼻測定

分別稱取2 mL噴霧干燥前、后的微膠囊水溶液樣品于20 mL頂空瓶中，加蓋封緊后，放置于50 ℃的恒溫水浴鍋中分別加熱10、20、30 min，然后使用電子鼻進行測定。以潔凈空氣作載氣，氣流流量400 mL/min，連續采樣時間100 s，測定后清洗探頭時間40 s。

1.4 數據處理

采用Metabo Analyst 5.0進行熱圖分析。利用SPSS 19.0軟件進行統計分析。運用Excel軟件進行數據處理及圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 超聲波噴霧-冷凍干燥制備微膠囊

超聲波噴霧-冷凍干燥裝置制備微膠囊的過程如圖1所示，主要分為3 個步驟：霧化、凍結和干燥[19]。首先使用注射泵帶動樣品液體通過管道輸送到超聲波噴頭進行霧化。霧化器噴頭可以改善液滴的分散狀態，能夠生成均勻散發狀的液滴，從而達到更好的霧化效果[20-21]。然后霧化后的小液滴進入冷介質液氮中迅速形成懸浮的凍結顆粒，此過程需放置磁力攪拌器進行持續攪動，使液體樣品均勻凍結。凍結過程是霧化后的液滴在低溫條件下變成冰晶顆粒的過程，可分為快速凍結和慢速凍結?？焖賰鼋Y持續時間短，可形成細小狀的冰晶，且顆粒結構分布均勻[22]。慢速凍結由于凍結速度慢、持續時間長，形成的冰晶形態粗大，且顆粒結構分布不均勻[23]。最后使用真空冷凍干燥將凍結后的顆粒進行脫水處理除去溶劑，從而制備出來均勻的微膠囊粉體。

圖1 超聲波噴霧-冷凍干燥裝置和微膠囊制備過程Fig.1 Ultrasonic spray-freeze drying device and preparation process of microcapsules

2.2 微膠囊表觀形態觀察

通過超聲波噴霧-冷凍干燥技術制備的7 種不同壁材的微膠囊都呈現均勻粉體狀，但當微膠囊粉體處于外部環境時，由于不同包埋壁材微膠囊的吸水性差異，會導致易吸水的微膠囊產生聚集，從而需要進一步使用掃描電鏡觀察不同壁材包埋揮發性風味物質形成的微膠囊之間的微觀結構差異。7 種壁材的微膠囊經掃描電鏡放大300 倍和2 000 倍所觀察到的微觀結構如圖2所示。由圖2可以看出，以殼聚糖、γ-環糊精和辛烯基琥珀酸淀粉鈉為壁材包埋的風味微膠囊發生聚集，體現出很差的顆粒性。而以葡聚糖、海藻糖、β-環糊精和明膠為壁材包埋的風味微膠囊放大300 倍后均有較好的顆粒性，且經過對比微膠囊粒徑可發現，以葡聚糖和海藻糖包埋的微膠囊顆粒分散較為均勻，具有較小的粒徑，但β-環糊精和明膠包埋的微膠囊顆粒相對較大，具有較大的粒徑。在放大2 000 倍后的微膠囊球體顯示出一定的結構差異，以葡聚糖和海藻糖包埋的微膠囊球體表面光滑，相比之下，以明膠和β-環糊精包埋的微膠囊球體表面粗糙，可能是包埋量過大，導致微膠囊表面吸附上揮發性風味物質。被包埋的微膠囊需盡量避免出現孔徑和裂痕，否則會逐漸失去壁材的保護效果，從而導致芯材的流失[24]。表面光滑的圓球狀是超聲波噴霧-冷凍干燥制備的微膠囊理想形態，實際上會由于不同壁材性質和不同生產工藝條件而使微膠囊形態產生差異[25]。

圖2 不同微膠囊包埋壁材的掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of microcapsules prepared with different wall materials

2.3 不同包埋壁材中揮發性風味化合物的定量分析

經噴霧干燥后的7 種微膠囊壁材包埋揮發性風味物質的包埋率如圖3所示。7 種壁材相比之下，β-環糊精所包埋風味物質的包埋率普遍較高，這與它特殊的結構有關。β-環糊精是由7 個葡萄糖分子環狀接連而形成的化合物，內部結構表現為疏水，外部結構表現為親水，能更好地保護內部包埋物，尤其是極性較小的化合物[26]。從芯材角度而言，分子質量較大、揮發性較低和極性較小的風味物質能更好地被包埋[27]，如芳香族類化合物（苯甲腈、苯甲酸甲酯、苯甲醛、苯乙酮、苯并噻唑、麝香草酚）的包埋率較高，而分子質量較小、揮發性較高以及極性較大的酯類化合物（己酸甲酯、己酸乙酯）、烯烴類化合物（月桂烯、雙戊烯）、醇類（L-香芹醇、苯甲醇、2-苯乙醇）、二甲基三硫以及具有高分子尺寸的烷烴類化合物（十七烷、十八烷）的包埋率相對較低。普遍較低的包埋率可能是由于在超聲波噴霧冷凍干燥過程的霧化、凍結、干燥階段，以及在固相微萃取富集過程中，揮發性風味物質產生了一定的損失，或微膠囊中的風味物質沒有被全部釋放。

圖3 不同壁材包埋揮發性風味化合物的包埋率Fig.3 Encapsulation efficiencies of different wall materials for volatile flavor compounds

2.4 不同壁材包埋揮發性風味化合物的包埋量對比

由圖4可知，不同壁材包埋揮發性風味物質的效果存在差異。β-環糊精、海藻糖、殼聚糖、明膠、葡聚糖、辛烯基琥珀酸淀粉鈉和γ-環糊精，分別對苯甲酸甲酯、4′-甲基苯乙酮、正辛醇、壬醛、苯甲腈、香葉醇和麝香草酚的包埋效果最好，包埋量分別高達4.26、3.64、3.61、4.16、3.86、2.13 mg/g和3.39 mg/g。對于大部分揮發性風味物質，由于β-環糊精的特殊結構[26]，其包埋能力強于其他壁材，這在高凱[28]和李萍[29]等的研究中，均有所體現。其中，β-環糊精對麝香草酚、乙位紫羅蘭酮、香葉醇和檸檬醛的包埋效果不如其他壁材，可能是受分子質量、揮發性、極性和分子大小的影響[27]。不同揮發性風味物質被包埋的效果不同，烷烴類化合物（十七烷、十八烷）、醇類化合物（L-香芹醇、苯甲醇、2-苯乙醇）、酯類化合物（己酸甲酯、己酸乙酯）及二甲基三硫被包埋效果較差，芳香類化合物（如苯甲腈、苯甲醛和苯并噻唑等）均可被7 種壁材包埋，且效果良好。

圖4 不同壁材包埋揮發性風味化合物的包埋量Fig.4 Amounts of volatile flavor compounds encapsulated with different wall materials

2.5 不同壁材包埋的微膠囊釋放效果分析

采用SPME-GC-MS對不同孵育時間（40、80、120 min）的7 種壁材包埋的揮發性風味化合物含量進行檢測。由圖5A可知，隨著孵育時間的延長，多數揮發性風味物質的釋放量明顯增加，這是由于微膠囊具有一定的緩釋作用[30]。其中，少數揮發性風味物質的釋放量在孵育120 min時才增加，如β-環糊精包埋的苯甲酸甲酯、壬醛和明膠包埋的乙酸糠硫醇酯、L-香芹醇等，可能是由于這些微膠囊體系形成的結合位點和作用鍵需要較長的加熱時間才能逐漸松動。不同壁材和芯材所制備的微膠囊可用于不同領域對緩釋的需求[31]，葉景鵬等[32]將香精微膠囊用于真絲織物，在第120天仍保持清淡的香味，具有良好的香味緩釋效果。由圖5B可看出，相比孵育時間，壁材種類對揮發性風味物質釋放量的影響大。β-環糊精對大多數揮發性風味物質的包埋量較大，且由其制備得到的微膠囊具有較好的耐熱性質[33]，與其他壁材相比，其包埋后的揮發性風味化合物釋放量更高，差異更加明顯。而乙位紫羅蘭酮、L-薄荷醇、L-香芹醇、乙酸芐酯、香葉醇和麝香草酚化合物，被包埋后的釋放效果較差，是因為β-環糊精對以上化合物的包埋量較小。上述結果表明，不同孵育時間對于包埋后的風味物質釋放效果影響明顯，但并不是主要影響因素，相比之下，壁材種類對包埋后的揮發性風味物質的釋放效果影響更明顯。

圖5 不同壁材包埋揮發性風味物質釋放效果分析Fig.5 Release efficiency of volatile flavor compounds encapsulated with different wall materials

2.6 電子鼻分析

使用β-環糊精包埋前后的揮發性風味物質的電子鼻對比結果，如圖6所示。圖6B中被包埋后的揮發性風味物質隨著孵育時間的延長而逐步釋放，且傳感器W5S的響應值逐漸高于其他傳感器，氣味輪廓也慢慢趨近于圖6A。當孵育時間達到30 min時，揮發性風味物質包埋前后的電子鼻雷達圖整體輪廓非常相似，包埋后釋放出來的各揮發性風味物質含量濃度比例與包埋前相似，說明包埋風味物質的微膠囊具有一定的緩釋作用，且能夠還原風味物質整體的香味特征。圖6B中的雷達圖響應強度顯著低于圖6A，這是由于微膠囊的包裹限制了揮發性風味物質的釋放和擴散，使包埋后的風味物質沒有完全釋放，整體釋放量相對較少，這也恰恰說明本研究中的微膠囊可以達到緩釋風味的效果。

圖6 揮發性風味物質包埋前（A）、后（B）的電子鼻雷達圖對比Fig.6 Comparison of electronic nose radar plots of volatile flavor substances before (A) and after (B) encapsulation

3 結論

本實驗研究不同壁材對揮發性風味物質包埋效果的差異。結果表明，搭建的超聲波噴霧-冷凍干燥裝置可用于微膠囊的制備。與其他壁材包埋的微膠囊微觀結構相比，以葡聚糖和海藻糖包埋的微膠囊球體表面較為光滑，而以明膠和β-環糊精包埋的微膠囊球體表面相對粗糙。由HS-SPME-GC-MS法得到的檢測結果可知，β-環糊精的包埋能力強于其他包埋壁材，且包埋后的揮發性風味物質釋放量更高。在被包埋的32 種揮發性風味物質中，芳香類化合物被7 種壁材包埋效果更好。多數揮發性風味物質的釋放量隨孵育時間的延長而增加，即微膠囊具有緩釋作用。通過電子鼻雷達圖可看出，當孵育時間達到30 min時，包埋前后的整體輪廓非常相似，說明包埋后香味緩釋效果的還原度比較高。因此，可利用超聲波噴霧-冷凍干燥技術制備風味緩釋微膠囊，且β-環糊精是較為理想的包埋壁材，這將為食品工業中微膠囊制備技術的開發及壁材的選擇提供一定的理論依據。