菠萝蜜种子淀粉制备香草兰微胶囊的工艺研究

张彦军　朱红梅　田建文　徐飞　初众

摘 要 以菠萝蜜种子淀粉为壁材，采用饱和水溶液法制备香草兰精油微胶囊，以包埋产率为指标，采用响应面分析法对微胶囊的包埋条件进行优化探讨。结果表明：5个单因素中，影响最显著的因素为壁芯材比例、包埋温度和包埋时间。响应面优化得到香草兰精油微胶囊的最佳工艺条件为壁芯材比例为7.5 ∶ 1；包埋时间72 min；包埋温度54 ℃，此条件下的包埋产率为（95.46±0.2）%，包埋率为（76.35±0.6）%，载油量为（27.73±0.3）%。试验证明，此条件结果与模型预测值相吻合，此工艺条件可为菠萝蜜种子淀粉包埋香草兰精油微胶囊工艺提供理论依据。

关键词 菠萝蜜种子淀粉；香草兰精油；饱和水溶液法；微胶囊；响应面法

中图分类号 S667.8；TS225.19 文献标识码 A

Abstract The microcapsule embedding condition was optimized by the response surface analysis based on vanilla essential oil microcapsuled by jackfruit seed starch by the saturated aqueous solution method. Five main variables of significance for the yields were studied including the ratio of wall material to vanilla essential oil， embedding time and temperature， and a Box-Benhnken Design（BBD）was used based on the results of single factor tests. This resulted in the optimal condition in regards of the ratio of wall material to vanilla essential oil， embedding time and temperature at 7.5 ∶ 1（g ∶ g）， 72 min， and 54 ℃， respectively. Under the optimal condition， the experimental yield of microcapsule was 95.46%±0.2%， encapsulation efficiency and oil content of the essential oil microcapsule reached 76.35%±0.6% and 27.73%±0.3%， respectively， which was in good agreement with the value predicted by the model. This process conditions would provide a theory basis for the embedding of vanilla essence oil microcapsule by jackfruit seed starch.

Key words Jackfruit seed starch； vanilla essential oil； saturated aqueous solution method； microcapsule； response surface methodology

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.06.023

菠萝蜜和香草兰均为典型的特色热带经济作物。一方面，富含淀粉（可达60%）的菠萝蜜种子常被视为副产物丢弃，导致天然淀粉资源的严重浪费，同时又造成环境污染[1-2]；另一方面香草兰提取物（如香草兰精油），在海南高温高湿气候条件下，易挥发变质，不易直接储藏加工[3-5]。已有研究者从化学组成、糊化特性、凝胶特性、结晶性、流变特性等角度考察菠萝蜜种子淀粉的功能特性，表明其中含有32%直链淀粉[6]，而直链淀粉内腔疏水外侧亲水，融合其溶解度高、吸水性和吸油性强、粘度低、成膜性好等性质[7-8]，证明其能够通过疏水相互作用与疏水性芯材形成结晶态微胶囊。因此，菠萝蜜种子淀粉有可能成为香草兰精油的新型微胶囊壁材。近几年对菠萝蜜种子的主要化学成分、物化特性、加工特性等分析测定，以及对改性菠萝蜜种子淀粉的特性研究及其作为食品增稠剂的利用等研究增多[9-10]，但種子淀粉作为壁材的研究并未见报道。

在前期，本课题组开展了菠萝蜜种子淀粉作为微胶囊壁材的可行性探究试验，通过超声波法制备香草兰精油微胶囊，与壳聚糖及β-环糊精相比，种子淀粉制备的微胶囊包埋效果明显较优。主要是因为以下几点：（1）菠萝蜜种子淀粉为A型淀粉，结晶度达到43.8%，结构致密，吸水吸油性较好，成膜性优。在制备饱和壁材溶液时，淀粉分子内部因氢键的作用会结合水分子，使得淀粉颗粒膨胀明显，而淀粉颗粒外层直链淀粉与支链淀粉形成致密地网状结构，其中直链淀粉能够通过弱疏水相互作用与疏水性分子（香草兰精油）络合，网状结构可稳定络合物[6-7]。（2）由于低温真空冷冻干燥在低温、低压下进行，而且水分直接升华，因此在降低损失的同时可有效保护物料的完整性[11]。而其它2种壁材，因极易吸水溶胀而使微胶囊失去刚性易变形，进而导致粉末粘连；（3）由于内部疏水、外部亲水效应，而香草兰精油中含有大量的极性化合物，据“相似相溶”原理，精油更易与它们的外部结合[12-13]，使得它们制备的精油微胶囊包埋率、贮藏稳定性和缓释性不及种子淀粉微胶囊，货架期仅为160 d（种子淀粉微胶囊货架期达到250 d之久）；在此基础上采用4种物理方法（饱和水溶液法、分子包埋法、超声波法、喷雾干燥法）制备香草兰精油微胶囊并比较其制备效果，结果表明饱和水溶液法制备的香草兰精油微胶囊具有最好的缓释性及贮藏稳定性，进而成为微胶囊的最佳制备方法[14-16]。但是关于饱和水溶液法的制备工艺却未明确。

因此，本试验在前期实验基础上，利用菠萝蜜种子淀粉为壁材，采用饱和水溶液法制备微胶囊，通过单因素筛选试验而后采用响应面法对制备工艺条件进行优化，以获得科学且经济的制备工艺条件，以丰富种子淀粉的加工利用研究，为其开发利用提供理论基础，同时增大菠萝蜜发展的经济效益。

1 材料与方法

1.1 材料

菠萝蜜种子（马来西亚Ⅰ号）及香草兰精油均由中国热带农业科学院香料饮料研究所提供，菠萝蜜种子淀粉由碱液提取法制备；其它试剂均为分析纯。

盛蓝HZ-2010K多层恒温摇床（常州市三盛仪器制造有限公司）；B-290喷雾干燥机（瑞士BüCHI公司）；JY92-2D超声波细胞粉碎机、SB5200DT超声波清洗机、SCIENTZ-18ND真空冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 微胶囊的制备 利用饱和水溶液法制备以菠萝蜜种子淀粉为壁材，香草兰精油为芯材的微胶囊：加热溶解制备饱和壁材溶液，冷却后按照一定壁芯材比例滴加香草兰精油，混合均匀后进行均质处理，冷却至室温后4 ℃冰箱中静置冷藏过夜，经过抽滤、分离后干燥至恒重得到香草兰精油微胶囊。

1.2.2 微胶囊产率的测定 微胶囊产率即所得微胶囊粉末与原料壁芯材之间的总质量比值。

1.2.3 单因素实验 （1）壁芯材比例对微胶囊产率的影响。加热溶解制备饱和壁材溶液，冷却后逐滴滴加芯材，壁芯材比例分别设置为2 ∶ 1、4 ∶ 1、6 ∶ 1、8 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1，壁芯材混合均匀后恒温振荡处理60 min，温度为60 ℃，冷却至室温后静置冷藏（4 ℃）过夜，对微胶囊悬液进行抽滤，滤渣用适量蒸馏水冲洗，抽滤所得湿物料置于冷冻干燥机（-40 ℃）中预冻处理3 h，将预冻过的物料置于真空冷冻干燥机中，真空度为10 Pa，冷肼温度为-60 ℃。分四阶段真空冷冻干燥，第一阶段，在温度为-20 ℃条件下干燥1 h；第二阶段，在温度为0 ℃条件下干燥1 h，第三阶段，在温度为20 ℃条件下干燥1 h，第四阶段，在温度为30 ℃条件下干燥至恒重得到微胶囊粉末。

（2）均质方式对微胶囊产率的影响。加热溶解制备饱和壁材溶液，冷却后按壁芯材比例为1 ∶ 7逐滴滴加芯材，壁芯材混合均匀后均质处理60 min，温度为60 ℃，均质方式采用恒温振荡仪（180 r/min）、乳化分散机（4 000 r/min）、超声波清洗机（100 W）、超声波细胞破碎仪（100 W）4种，后续相同操作如（1），得到微胶囊粉末。

（3）包埋时间对微胶囊产率的影响。加热溶解制备饱和壁材溶液，冷却后按壁芯材比例为1 ∶ 7逐滴滴加芯材，壁芯材混合均匀后恒温振荡处理，处理时间分别设置为30、60、90和120 min，温度为60 ℃，后续操作如（1），得到微胶囊粉末。

（4）包埋温度对微胶囊产率的影响。加热溶解制备饱和壁材溶液，冷却后按壁芯材比例为1 ∶ 7逐滴滴加芯材，壁芯材混合均匀后恒温振蕩处理60 min，温度分别设置为30、40、50、60 ℃，后续相同操作如（1），得到微胶囊粉末。

（5）干燥方式对微胶囊产率的影响。加热溶解制备饱和壁材溶液，冷却后按壁芯材比例为1 ∶ 7逐滴滴加芯材，壁芯材混合均匀后恒温振荡处理60 min，温度为60 ℃中间操作如（1），干燥方式分别采用真空冷冻干燥、烘干以及喷雾干燥，干燥至恒重得到微胶囊粉末。其中真空冷冻干燥具体步骤与（1）相同；烘干是采用电热鼓风干燥箱，设置为40 ℃；喷雾干燥是采用喷雾干燥机，参数设置为：进口温度100 ℃，抽气速度100%，流量600 L/h，蠕动泵设置20%，自动喷嘴清洗次数6次。

1.2.4 微胶囊的包埋率及载油量的测定 微胶囊包埋率即为被包埋的精油含量与总油添加量的质量比值。表面油用石油醚浸提，而总油含量利用碱性乙醚提取法测定，具体步骤参考高媛媛等[17]补充具体内容的文献并做适当修改。载油量为被包埋的精油与所得微胶囊粉末的质量比值。

吸取5 g试样于抽脂瓶中，加入1.25 mL氨水，充分混匀，置60 ℃水浴中加热5 min，再振摇2 min，加入10 mL乙醇，充分摇匀，于冷水中冷却后，加入25 mL乙醚振摇0.5 min，再加入25 mL石油醚，震荡0.5 min。静止30 min，待上层液澄清时，读取醚层体积。用移液管将有机层吸入至已恒重的接受瓶中。再加乙醚、石油醚（2～3次）的重复提取（每次用15 mL），将有机层合并于同一接受瓶中。将接受瓶置于98～100 ℃干燥1 h后称量，再于98～100 ℃干燥0.5 h后称量，直至前后2次质量相差不超过1.0 mg，总油含量按下式计算：

1.2.5 响应面优化实验 在单因素实验的基础上，以壁芯材比例、包埋时间、包埋温度为自变量，进行三因素三水平响应面Box-Benhnken实验设计。以微胶囊产率作为响应值，利用Design-Expert 8.0.6软件对数据进行分析，得出饱和水溶液法制备以菠萝蜜种子淀粉为壁材的微胶囊最佳的工艺条件。实验因素与水平编码值见表1。

1.3 数据处理

利用响应面Box-Benhnken开展实验设计、SPSS 21.0软件计算和分析数据、利用Origin 8.5进行结果处理并绘图，所有数据均为3次实验的平均值。

2 结果与分析

2.1 5种单因素对微胶囊产率的影响

壁芯材比例对微胶囊产率的影响结果如图1-A所示，当其它条件固定时，随着壁芯材比例的加大，产率基本呈现逐渐增大的趋势，壁芯材比例为8 ∶ 1时产率可达（87.76±0.5）%，与壁芯材比例为6 ∶ 1、10 ∶ 1、12 ∶ 1时的产率相差不大， 它们对应的产率分别为（87.34±0.9）%、 （87.86±1.2）%、 （87.92±0.8）%，在壁材质量一定时，增加芯材含量可增大壁芯材之间的接触面积，加快络合速度，壁材添加量过少易导致包埋不完全而壁材量太大则会产生空囊，考虑到实际情况，选择壁芯材比例为8 ∶ 1为最佳包埋壁芯材比例。相同条件下，4种不同均质处理方式后产率大小依次为恒温振荡>超声波>乳化分散>超声波细胞破碎（图1-B），可能的原因是因为乳化分散更适合于小颗粒在流体中的粉碎、溶解、乳化过程，高剪切力可能会破坏种子淀粉的空间结构导致包埋失败；另一方面，超声波均质的超声波功率和超声时间不足使得包埋效果降低，或者超声过程中使得反应温度升高引起精油挥发，亦或是超声波的空化作用使得生成空微囊，导致结果偏低。因此选择恒温振荡处理方式。络合反应需要一定时间，时间太短使包埋不完全，但时间过长又易引起微囊解覆，增加表面油的含量并且耗能较大。随着包埋时间的延长，产率逐渐增高后又略有下降趋势，包埋60 min时产率最高，为（88.91±0.1）%（图1-C）。由图1-D可知，在一定范围内，随着温度升高，分子热运动加快，利于包埋，微胶囊产率也随着升高，但温度过高必定导致精油的挥发损失，从而大大降低包埋率[18]。当包埋温度为50 ℃时，产率为（89.15±0.3）%，比60 ℃略高（90.08±0.8）%，结合经济实用性考虑以50 ℃进行后续试验。不同的干燥方式对微胶囊产率的影响较为显著（图1-E），喷雾干燥、真空冷冻干燥、烘干3种方式对应的产率为（87.63±1.0）%、 （85.98±0.6）%、 （80.23±0.4）%。尽管喷雾干燥法的产率更高、且易被生产企业所接受和实现产业化，却在缓释型微胶囊应用时存在弊端，如香草兰精油为挥发油，含较多低沸点香气成分，喷雾干燥中高温操作易导致香气物质损失，严重影响风味。刘万龙[19]及Li等[20]表明，喷雾干燥法制备的微胶囊结构不致密，即包埋率低，这将降低微胶囊的功能特性。因此，本试验选择低温真空冷冻干燥。

2.2 微胶囊制备的优化实验

2.2.1 响应面实验设计及结果分析 根据响应面分析实验设计Box-Benhnken Design的设计原理，以微胶囊包埋产率为响应值设计了三因素三水平共17个试验点的响应面实验分析试验，其中12个为因素分析点，5个为零点，零点试验进行了3次，以估计误差。其因素水平选取及试验方案结果见表2，三个因素在对微胶囊包埋产率的影响均非常显著，且交互作用也显著（p≤0.05）。结合表2得出，当壁芯材比例为7 ∶ 1，包埋时间为40 min，包埋温度为50 ℃时，微胶囊产率最小，为80.53%。当壁芯材比例、包埋时间、包埋温度分别为8 ∶ 1、60 min、50 ℃，此时包埋产率最大为96.31%～97.35%，其他试验微胶囊产率结果介于4号和原点对应产率结果之间，由此需要进行下一步分析。

2.2.2 回归模型方差分析 利用Design-Expert 8.0.6软件对表2数据进行二次多元回归拟合和方差分析，得到产率Y对自变量X1、X2和X3的二次多项回归方程如下：

Y=-502.972 55+89.354 25·X1+1.310 34·X2+4.756 25·X3+0.091 25·X1·X2+0.213 25·X1·X3+0.004 937 5·X2·X3-6.443·X12-0.018 407·X22-0.065 855·X32

对上述回归模型进行方差分析，见表3。

由表3可知，该模型的p<0.000 1<0.01，说明实验选用的二次多项模型极其显著；失拟项p=0.144 2>0.05，模型失拟项不显著；模型复相关系数R2=0.995 1，说明因变量与自变量之间的线性关系显著。由F检验可得回归模型中各因素对微胶囊产率影响的重要性依次为：X1>X3>X2，即壁芯材比例>包埋温度>包埋时间。此模型可以用来进行响应值的预测。响应变量R2Adj=0.988 9，模型的变异系数（CV）为0.84%，因此模型与实际拟合较好，说明试验具有很高的可信性和准确性，可以用于分析响应值的变化。另外，模型中一次项X1、X2与X3极显著；交互项X1X2、X1X3极显著，X2X3显著；二次项X12、X22、X32均极显著；因此说明响应面基于各因素间的交互作用构成且交互作用良好。

2.2.3 响應面分析与优化 响应曲面设计方法（Response Surface Methodology，RSM）是利用合理的试验设计方法并通过实验得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法[21-22]。本试验采用Box-Benhnken Design的实验设计，根据回归方程进行逐步回归，做出两两相互影响的响应面和等高线图（如图2所示）。等高线的形状可以反映交互效应的强弱，可结合所拟合的响应曲面的形状，分析因素对指标的影响。图2直观地反映了各因素对产率的影响，由图看出等高线为椭圆形，这表明壁芯材比例、包埋时间和包埋温度两两因素交互作用显著，这与前面模型方差分析的结果一致。回归方程预测的最佳工艺条件为：壁芯材比例为7.61 ∶ 1，包埋时间为71.26 min，包埋温度为53.36 ℃，此时包埋产率达到最大值（96.80±0.3）%。

图2-A、B、C分别反映的是壁芯材比例和包埋时间、壁芯材比例和包埋温度、包埋时间与包埋温度对微胶囊产率的交互影响，分别在7 ∶ 1～8 ∶ 1与70～80 min、7 ∶ 1～8 ∶ 1与50～55 ℃、70～80 min与50～55 ℃范围内，存在微胶囊包埋产率的极值。3个影响因素中壁芯材比例是最显著的影响因素，其次是包埋温度和包埋时间。

2.2.4 验证实验 在试验水平范围内，进行最大响应值对应的因素条件的验证试验。根据实际的可操作性，调整参数（壁芯材比例为：7.5 ∶ 1；包埋时间为：72 min；包埋温度：54 ℃）进行3次重复验证试验，测得微胶囊包埋产率为（95.46±0.2）%，与模型预测值较为接近（偏差为1.34%），表明该模型对微胶囊包埋产率工艺条件优化可行。

2.2.5 微胶囊包埋率及载油量测定 微胶囊产率、包埋率及载油量指标均反映芯材保留率及应用价值的重要指标[23]。本试验以包埋产率为响应指标，一是因为包埋率与产率有直接关系；二是简化试验操作。测定上述验证试验下制得微胶囊的包埋率为（76.35±0.6）%，载油量为（27.73±0.3）%。而本课题组前期实验中，未进行优化的饱和水溶液法制备的香草兰精油微胶囊，它所对应的包埋产率为75.16%，包埋率为69.42%，载油量为22.65%，因此包埋效率显著提高。

3 结论

本试验以包埋产率为评价指标，利用响应面分析法从壁芯材比例、包埋时间及包埋温度等方面探究通过饱和水溶液法制备微胶囊（以菠萝蜜种子淀粉为壁材，香草兰精油为芯材）的影响因素，最优制备工艺参数为：壁芯材比例7.5 ∶ 1；包埋时间72 min；包埋温度54 ℃，且三因素对微胶囊包埋效率均影响显著。在最优参数下微胶囊包埋产率高达（96.80±0.3）%，包埋率为（76.35±0.6）%，载油量为（27.73±0.3）%，空囊率低，与未优化条件下制备的微胶囊相比，包埋效率显著提高。

基于本实验的结论，本课题今后可以在以下几个方面进行更进一步的研究：

（1）在制备工艺优化条件下，进行香气成分检测以及结构性质测定，以获得结构稳定、包埋效率高以及贮藏、缓释性能优的种子淀粉微胶囊。

（2）本文选择香草兰精油为芯材，可以考虑运用菠萝蜜种子淀粉包埋其它类型物质，或添加营养元素至芯材，以拓宽种子淀粉壁材的应用范围以及制备出更加实用的微胶囊。

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