GC-MS測定復凝聚結合噴霧干燥法制備蔥油香精微膠囊的熱穩定性

劉楠楠，陳雪峰

(1.渭南師范學院 化學與材料學院，陜西 渭南 714000；2.陜西科技大學食品與生物工程學院，西安 710021)

食用香精作為食品添加劑的重要組成部分,在焙烤行業應用越來越廣泛，但焙烤溫度一般在200 ℃左右，香精的風味成分極易被高溫破壞，從而影響產品品質[1]。因此，可以對食用香精進行微膠囊化，保護香精的風味成分，提高其熱穩定性。本文用蔥油香精為原料，使用復凝聚法對蔥油香精進行初次包埋，其優點是產品在水中仍能保持微膠囊形態，經固化劑處理后，壁膜能夠形成穩定的交聯網狀結構，在高溫下壁膜不易破裂，復水后微膠囊狀態得以保存，芯材便不會因為囊壁的破裂而揮發損失，再由噴霧干燥法作為二次包埋的方法，最終形成雙層壁膜，這樣芯材逸出的阻力大大增加，極好地鞏固了微膠囊在高溫下的熱穩定性。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

蔥油香精：深圳美醇特香精香料有限公司；阿拉伯膠：浙江一諾生物科技有限公司；食用明膠：深圳市振芯嘉貿易有限公司；谷氨酰胺轉氨酶：泰興市東圣食品科技有限公司；氫氧化鈉(分析純)：天津市天力化學試劑有限公司；食用乙酸、麥芽糊精：市購。

FA-B電子天平 上海榮宣儀器有限公司； 蔡司EVO18掃描電子顯微鏡；XS-402相差顯微鏡；PHS-25精密數顯臺式酸度計；L530離心機；DHG-9013A型鼓風干燥箱；MJ-250BP02A電動攪拌機；RGLWD1順流立式噴霧干燥塔。

1.2 實驗方法

1.2.1 蔥油香精微膠囊的制備方法[2]

在一定濃度的阿拉伯膠水溶液中，按一定芯壁比加入蔥油香精進行均質乳化，再加入一定濃度的明膠水溶液，均質后加熱到45 ℃，置于45 ℃下20 min，將10%的食用乙酸緩慢滴加到混合體系中調pH到一定范圍，此時壁材開始圍繞芯材液滴凝聚并形成微膠囊，緩慢攪拌1 h并保持溫度在45 ℃，加入固化劑(谷氨酰胺轉氨酶)固化12 h，加入1 mol/L NaOH調節體系pH到7.0左右，離心(5000 r/min，20 min)，棄去上清液，收集濕膠囊，加入濃度為20%的阿拉伯膠和麥芽糊精混合液(阿拉伯膠∶麥芽糊精為1∶1)，通過噴霧干燥即得到蔥油香精微膠囊。

1.2.2 蔥油香精微膠囊的形態觀察

在復凝聚的工藝過程中，吸取少量微膠囊分散液，放置于載玻片上，顯微鏡10(目鏡)×40(物鏡)下觀測微膠囊結構。通過觀察形成的微膠囊的形態、大小、壁膜厚度、破損情況等指標，制定微膠囊的品質標準，其標準見表1和圖1。

表1 微膠囊的品質評價標準Table 1 Quality evaluation criteria of microcapsules

圖1 微膠囊的品質評價標準Fig.1 Quality evaluation criteria of microcapsules

注：A品質標準為+++；B品質標準為++；C品質標準為+；D品質標準為-；E品質標準為--；F品質標準為---。

1.2.3 微膠囊包埋效率的測定[3]

復凝聚結合噴霧干燥法最終得到干燥的具有一定流動性的微膠囊產品，其包埋效果用包埋效率來表示，其公式如下：

1.2.4 蔥油香精微膠囊的表面微觀結構觀察

將少許微膠囊樣品置于掃描電子顯微鏡載物臺的雙面膠上，觀察微膠囊的表面形態(加速電壓為10 kV)[4]。

1.2.5 采用GC-MS分別在常溫下、高溫處理下(200 ℃，3 min)測定蔥油香精、蔥油香精微膠囊風味成分的變化[5]

分別稱取0.3 g蔥油香精(常溫及高溫處理后)、及0.3 g蔥油香精微膠囊(高溫處理后)，將以上3種樣品中分別加入40 mL無水乙醚，超聲萃取15 min，離心(5000 r/min,15 min)后取上清液并蒸發出部分溶劑，用無水乙醚定容至25 mL，樣品中加入適量無水硫酸鈉脫水后進行GC-MS分析。

色譜條件：色譜柱為：Agilent HP-5MS，進口樣溫度為250 ℃，柱程升溫:初始溫度為40 ℃，停留4 min，以3 ℃/min的速率一階升溫至50 ℃，以5 ℃/min的速率二階升溫至100 ℃，以8 ℃/min的速率三階升溫至230 ℃，保持8 min，流速為 0.8 mL/min。

質譜條件：電離方式為EI+，發射電流200 μA，離子源溫度為200 ℃，電子能量70 eV，接口溫度230 ℃，檢測電壓350 V。

2 結果與分析

2.1 復凝聚法制備蔥油香精微膠囊工藝研究

2.1.1 壁材濃度對微膠囊成囊效果的影響

在阿拉伯膠∶明膠為1∶1、溫度為45 ℃、pH為4.15、芯壁比為1∶2的條件下，通過使用不同的明膠和阿拉伯膠濃度，確定壁材用量對微膠囊的影響，實驗結果見表2。

表2 不同壁材濃度對微膠囊成囊效果的品質評價Table 2 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules with different wall materials' concentration

由表2可知，當壁材濃度為1%時，包埋效果不是很好，微膠囊雖為球形但大小不均勻，且收率較小，壁膜較??；當壁材濃度為2%時，微膠囊為圓整的球形，形狀很規則，而且大小比較均勻，壁囊較厚，包裹效果好；當壁材濃度為3%時，出現大量未包埋的芯材和不規則的交聯情況；當壁材濃度為4%時，芯材壁材都分散在溶液中，壁材幾乎無法圍繞芯材周圍形成微膠囊。實驗結果表明，在一定范圍內，濃度適中(如2%)時明膠分子和阿拉伯膠分子能夠充分、均勻接觸，從而使得壁材容易在芯材油滴周圍凝聚成囊，效果較好；當壁材濃度過低時，使得2種分子間發生聚合反應的幾率下降，從而微膠囊的粒徑較小，收率較低，形成的微膠囊外膜薄，穩定性差[6]；壁材濃度過高時，包埋效果也會下降，這是因為2種相反電荷的分子在高濃度時發生急劇的聚合反應，使得囊材不能均勻分散在小油滴周圍，導致膠塊的產生。綜上可得最佳壁材濃度為2%。

2.1.2 芯壁比對微膠囊成囊效果的影響

控制壁材濃度為2%，在溫度為45 ℃，pH為4.15，通過改變壁材與芯材的比例確定芯壁比對成囊效果的影響，實驗結果見表3。

表3 芯壁比對微膠囊成囊效果的品質評價Table 3 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules with diferent core material-wall material ratios

由表3可知，當芯壁比為2∶1時，由于芯材濃度過高，芯材分散于連續相中的乳狀液滴增加，更容易相互碰撞、聚集成不規則狀態；當芯壁比為1∶1時，微膠囊形狀大多為橢圓形，少數為不規則形，部分微膠囊中芯材液滴未被完全包埋；當芯壁比為1∶2時，形成微膠囊狀態最好，芯材液滴被完全包埋，呈球形且大小基本均一；當芯壁比為1∶3時，壁材濃度過大，帶相反電荷的壁材雖能圍繞芯材凝聚，但之間互相碰撞的幾率也增加，因此造成所形成的微膠囊形狀不規則且顆粒之間有交聯聚集現象，部分芯材未被包埋。

2.1.3 pH對微膠囊成囊效果的影響

固定壁材濃度為2%，芯壁比為1∶2，溫度為45 ℃，調節pH分別為3.75，3.95，4.15，4.35，包埋情況見表4。

表4 不同pH對微膠囊成囊效果的品質評價Table 4 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules at different pH values

明膠是一種兩性蛋白質，等電點在4.8～8.0之間[7]，當體系pH值低于等電點時，帶正電；當體系pH值高于等電點時，帶負電，而阿拉伯膠結構中含有-COO-，是一種陰離子多糖[8]，當溶液pH≥3.0時，其分子是聚陰離子。在pH為3.75～4.15的范圍內，隨著pH的下降，微膠囊囊壁逐漸變??；當體系pH降至3.75時，芯材液滴未被全部包埋，且囊壁很薄，隨著pH逐漸升高，囊壁逐漸變厚；當pH為4.15時，芯材被完全包埋，微膠囊囊壁厚實、無破損，顆粒大小規則；當pH為4.35時，沒有微膠囊形成。因此，體系最佳的pH為4.15。

2.2 微膠囊表面微觀結構的觀察

圖2 蔥油香精微膠囊的表面微觀結構(2000×)Fig.2 Surface microstructures of scallion oil essencemicrocapsules(2000×)

在明膠、阿拉伯膠濃度均為2%、芯壁比為1∶2、pH為4.15條件下得到的微膠囊通過離心收集濕微膠囊，加入二次包埋壁材進行噴霧干燥得到微膠囊產品，SEM觀察表面微觀結構，見圖2。

2.3 GC-MS分析蔥油香精(常溫及高溫處理下)、蔥油香精微膠囊(高溫下)的揮發性成分

蔥油香精(常溫及高溫處理下)、蔥油香精微膠囊(高溫處理下)的揮發性成分總離子流圖見圖3、揮發性成分見表5～表7。

圖3 蔥油香精常溫及高溫處理、蔥油香精微膠囊高溫處理的揮發性成分總離子流圖Fig.3 Total ion flow diagram of volatile components ofscallion oil essence treated at room temperature andhigh temperature and treated with microcapsulesof scallion oil essence at high temperature

序號保留時間(min)名稱相對含量(%)121.623茴香腦87.2649221.492三烯丙基胺4.0481333.926環庚烯3.1208425.350二丁基羥基甲苯2.2622525.9352-氨基-5-甲基-5-苯基-2惡唑啉-4-酮1.219633.852環己烯1.1523

表6 高溫處理下蔥油香精揮發性成分分析(200 ℃，3 min)(按相對含量順序排序)Table 6 Analysis of volatile components of scallion oil essence after high temperature treatment(200°，3 min)(ranked by relative content)

續 表

表7 高溫處理下蔥油香精微膠囊揮發性成分分析(200°，3 min)(按相對含量順序排序)Table 7 Volatile component analysis of scallion oil essence microcapsules under high temperature treatment(200°，3 min) (ranked by relative content)

GC-MS分析可知，蔥油香精原料中共鑒定出相對含量大于1%的揮發性成分6種，如烯類、酮類、芳香類等物質(見圖3和表5)，其中蔥油香精的特征風味成分茴香腦相對含量高達87%。經過高溫處理(200 ℃，3 min)后，蔥油香精的成分發生了很大變化，產生了醛類、炔類、酸類等18種揮發性物質，原因可能是在高溫作用下自身的氧化分解，酸敗及物質間產生了互相反應等一系列化學變化，而其主要的特征成分茴香腦在經過高溫處理后已經全部揮發殆盡(見圖3和表6),經復凝聚噴霧干燥法制備的蔥油香精高溫處理后經測定，相對含量大于1%的成分有9種，其中茴香腦相對含量仍為31.32%(見圖3和表7)。結果表明，蔥油香精在沒有包埋的情況下，無法耐受高溫，其特征的風味成分已經全部喪失。經復凝聚結合噴霧干燥包埋后，雖然在高溫下其成分發生了一定變化，但其特征的風味成分能夠得到較大的保護。

3 討論

目前文獻中報道的微膠囊產品主要還是以單一包埋方法為主，如噴霧干燥法、復凝聚法、分子包埋法等等，而兩種方法結合在一起的鮮有報道，提高芯材的穩定性是制備微膠囊的主要目的，趙婕等[9]利用阿拉伯膠、麥芽糊精采用噴霧干燥法對薏米糠油進行包埋，通過TG和DSC分析了產品的熱穩定性，TG分析產品快速分解溫度在200 ℃左右，DSC分析其玻璃化轉化溫度在35.1 ℃，在常溫下基本能保持產品的穩定性。強軍鋒等[10]用明膠和海藻酸鈉對維生素E進行了包埋，在150 ℃下測定了VE的保留率，結果表明微膠囊化后的保留率提高了37%。李翔宇等[11]復凝聚法和二次包埋工藝制備了DHA微膠囊，與本文不同的是其二次包埋用了離心干燥法，壁材選用了變性淀粉，僅對工藝進行了優化。在本文中，采用復凝聚結合噴霧干燥法運用在微膠囊制備工藝上是較為新穎的一種方法，能夠彌補噴霧干燥法溶解性好，在高溫高濕環境中容易造成芯材損失的缺點。在復凝聚工藝階段，研究了壁材濃度、芯壁比、pH對復凝聚蔥油香精微膠囊包埋效果、形態的影響，得到最佳工藝為：壁材濃度為2%，芯壁比為1∶2，pH值為4.15,加入谷氨酰胺轉氨酶，通過與明膠中蛋白質分子形成共價鍵，催化蛋白質分子間交聯，從而穩定壁材保持微膠囊的形態。在此基礎上進行噴霧干燥，既能進行二次包埋，達到雙重保護，又能制成干燥的微膠囊產品。經GC-MS測定了蔥油香精包埋前后的熱穩定性，發現經過高溫處理后，蔥油香精中主要的風味物質茴香腦從87%降至幾乎為0。而采用二次包埋法制得的微膠囊再經過高溫處理后，雖然也有一些物質的揮發損失，但是其中茴香腦相對含量仍有31.32%，說明此方法在高溫下對芯材能夠起到有效的保護作用。