β-环糊精微胶囊的制备及其在电子烟烟液中的应用

巩效伟，张 霞，陆欣宇，朱东来，牛云蔚 ，李廷华，杨 继 ，李寿波*

1.云南中烟工业有限责任公司技术中心，昆明市五华区红锦路367号 650231

2.上海应用技术大学，上海市奉贤区海泉路100号 201418

3.上海香料研究所，上海市徐汇区南宁路480号 200232

电子烟（E-cigarette）是通过电加热烟液使其雾化而供消费者吸入的装置，既能满足烟草消费需求，又一定程度上降低了烟草的危害。作为一种新型烟草制品，近年来发展势头迅猛［1］。电子烟烟液是电子烟的重要组成部分，其优劣直接关系到电子烟的使用效果和抽吸感受［2-3］。电子烟烟液中通常含有一定比例的香气成分和烟碱，这些物质因易挥发或易氧化［4］而导致在储存过程中存在香气变淡、香气质变差、颜色变深、劲头变小等问题，影响电子烟的抽吸品质和货架期［5］。

微胶囊技术可以利用天然或合成高分子材料，将敏感物质包封形成微米或纳米级别的颗粒［6-7］，具有保护芯材物质免受环境影响，隔离活性成分，降低挥发性，控制芯材物质释放等作用［8］。芯材的包封方法主要包括喷雾干燥、挤出、包结络合和凝聚［9］，如能采用合适的壁材，将香气成分及烟碱进行有效包覆，使之在电子烟烟液的调配与贮藏过程中保持稳定，有望解决前述问题。

环糊精类化合物具有环外亲水、环内疏水的特性［10］，是一种常用的微胶囊包合壁材［11-12］。其中，β-环糊精价格低廉、安全无毒、无刺激性，广泛用于医药与食品工业［13-14］。为此，以β-环糊精为壁材，采用包结络合法分别制备了以己酸乙酯、薄荷醇、烟草香精和烟碱为芯材的4 种微胶囊，通过多种表征方法证实微胶囊包合物的形成和稳定性的提高，进一步研究了微胶囊化后的香气成分和烟碱在电子烟烟液中的释放行为，并对其感官质量进行了评价，旨在为提高电子烟烟液中香气成分和烟碱在抽吸过程中释放的稳定性、延长烟液货架期提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

图1 实验用电子烟及其组成部件Fig.1 Experimental e-cigarette and its constituent elements

丙三醇（医药级，99.9%，美国Alfa Aesar 公司）；1，2-丙二醇（食品级，99%，美国陶氏公司，以下简称丙二醇）；己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪、2，4-庚二烯醛、β-环糊精（食品级，上海阿达玛斯试剂有限公司）；烟碱（99%，美国Sigma 公司）。

GC7890-5975MS 气相色谱-质谱联用仪（美国Agilent 公司）；S-3400N 扫描式电子显微镜（日本Hitachi 公司）；ZNS3600/Nano-ZS 纳米粒度和电位仪（英国Malvern 公司）；Q5000 IR 热重分析仪、Q2000 差示扫描量热仪（美国Waters 公司）；VERTEX-70 傅里叶红外光谱分析仪（简称FTIR，德国Bruker 公司）；SM450 直线型吸烟机（英国Cerulean 公司）；SCIENTZ-10N 冷冻干燥机（宁波新芝生物科技股份有限公司）；8510-MTH 超声波发生器（美国Branson 公司）；HY-8 调速振荡器（常州国华电器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 微胶囊香料和微胶囊烟碱的制备

1.2.1.1 微胶囊香料

（1）微胶囊己酸乙酯：在圆底三口烧瓶中加入8 g β-环糊精和 32 g 蒸馏水，400 r/min 下搅拌 30 min，使β-环糊精充分分散。在β-环糊精水溶液中缓慢加入1.6 g 己酸乙酯，添加完毕后，在水浴温度40 ℃、转速400 r/min 下反应4 h。反应完成后，待反应体系温度降至室温后，将析出的固体过滤、洗涤和冷冻干燥，得到微胶囊己酸乙酯。

（2）微胶囊薄荷醇：其制备方法与微胶囊己酸乙酯类似，不同之处在于使用6 g β-环糊精、34 g蒸馏水和2 g 薄荷醇，在温度50 ℃下反应。

（3）微胶囊烟草香精：其制备方法也与微胶囊己酸乙酯类似，不同之处在于使用7 g β-环糊精、63 g 蒸馏水和1 g 烟草香精，在温度30 ℃下反应7 h。其中，烟草香精包括以下质量百分比的组分：三甲基吡嗪80%，甲基环戊烯醇酮5%，β-紫罗兰酮5%，δ-癸内酯5%，丁香酚5%。

1.2.1.2 微胶囊烟碱

在圆底三口烧瓶中加入8 g β-环糊精和32 g蒸馏水，400 r/min 下搅拌30 min，使β-环糊精充分分散。在β-环糊精水溶液中缓慢加入1.2 g 烟碱，添加完毕后，在温度30 ℃、转速400 r/min 下反应4 h。反应完成后，待反应体系温度降至室温后，将析出的固体过滤、洗涤和冷冻干燥，即得到微胶囊烟碱。

1.2.2 微胶囊香料和微胶囊烟碱的表征

（1）微胶囊的包埋效果评价

微胶囊的产率=［干燥后微胶囊质量/（壁材质量+总芯材质量）］×100%

微胶囊装载率=（微胶囊中芯材质量/干燥后微胶囊质量）×100%

微胶囊对芯材的包埋率=（微胶囊中芯材质量/总芯材质量）×100%。

式中：壁材质量—微胶囊制备中添加的β-环糊精质量，g；总芯材质量—微胶囊制备过程中添加的芯材质量，g；微胶囊中芯材质量—干燥后微胶囊中的芯材质量，g。

（2）微胶囊粒径和形貌分析

采用纳米粒度和电位仪测定微胶囊在液体中的粒径大小及分布，其中分散介质为丙二醇，检测温度为25 ℃，稳定时间为20 min。采用扫描式电子显微镜观察并拍摄微胶囊的微观形貌，具体参数：放大倍数1 000 倍，加速电压15.0 kV，电流75 mA。

（3）微胶囊的热稳定性分析

采用热重分析（Thermogravimetric analysis，TGA）法分析微胶囊的热稳定性。分析条件：

样品坩埚材质：氧化铝；测试温度范围：室温～600 ℃；升温速率：10 ℃/min；保护反应气：氮气；流量：50 mL/min。

采用差示扫描量热（Differential scanning calorimetry，DSC）法分析微胶囊的热变化。分析条件：

加热温度范围：20～250 ℃；升温速率：10 ℃/min；吹扫气：氮气；流量：20～50 mL/min；参比：空坩埚。

（4）微胶囊特征官能团分析

采用FTIR 分析微胶囊特征官能团吸收的变化。分析参数：扫描范围400～4 000 cm-1、分辨率2 cm-1、扫描次数 32。

1.2.3 微胶囊香料和微胶囊烟碱在电子烟中应用效果

（1）微胶囊烟液配制

微胶囊烟液的配方：微胶囊己酸乙酯1.50%，微胶囊薄荷醇1.50%，微胶囊烟草香精1.50%，微胶囊烟碱1.50%，丙三醇37.60%，丙二醇56.40%。对照烟液中己酸乙酯、薄荷醇、烟草香精和烟碱的质量分数均与微胶囊烟液中的相同，具体配方：己酸乙酯0.14%，薄荷醇0.25%，烟草香精0.11%，烟碱0.21%，丙三醇39.72%，丙二醇59.57%。以上均为质量百分比。

（2）逐口抽吸成分释放分析

采用 CORESTA 推荐的电子烟抽吸模式［15］：抽吸容量55 mL、抽吸持续时间3 s、抽吸间隔30 s。

前处理：将制备的微胶囊烟液和对照烟液以相同的量分别添加到电子烟烟弹中，在直线型吸烟机上抽吸并每20 口捕集一次烟气，每支电子烟抽吸100 口，采用单层剑桥滤片捕集烟气释放物中的粒相部分，通过捕集器和吸烟机抽吸针筒之间串联接上两个分别装有10 mL 二氯甲烷溶液的吸收瓶，并将吸收瓶置于盛有干冰的冷阱捕集装置中，用以捕集穿过剑桥滤片的气相成分。待抽吸完毕后，将剑桥滤片置于50 mL 锥形瓶中，并将两个吸收瓶中的二氯甲烷溶液加入锥形瓶中，冰浴中超声20 min，用以提取剑桥滤片捕集的粒相部分，超声完毕后将提取液转移至50 mL 的锥形瓶中，加入20 mL 去离子水，在调速振荡器上以145 r/min 的转速液液反萃取10 min，待静置分层后，去除水相，有机相用无水Na2SO4干燥并过夜，彻底除去水分，过夜后的样品用0.22 µm 尼龙滤膜过滤，采用GC/MS 测定样品中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和烟碱的质量分数。每个样品3 个重复。GC/MS 分析条件：

色谱柱：Agilent HP-5MS 毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；载气：氦气；流速：1 mL/min；进样口温度：270 ℃；进样量：1 μL；分流比：1∶10；质量扫描范围：40～500 amu；升温程序：45 ℃（1。

（3）保存稳定性

抽吸模式：同“逐口抽吸成分释放分析”部分。

前处理：将制备的微胶囊烟液和对照烟液以相同的量分别添加到电子烟烟弹中，在室温下密封保存，分别在保存 0、45、90 d 后，用直线型吸烟机抽吸并一次性捕集50 口烟气，烟气的捕集及后续前处理方法同“逐口抽吸成分释放稳定性”部分。前处理后的样品采用GC/MS 测定其中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和烟碱的释放量。每个样品5 个重复。

GC/MS 测定方法：同“逐口抽吸成分释放分析”部分。

（4）微胶囊烟液的感官质量评价

评吸用微胶囊烟液和对照烟液的配方如下：

微胶囊己酸乙酯烟液（实验样）：微胶囊己酸乙酯4.00%，丙三醇38.40%，丙二醇57.60%；对照样：己酸乙酯0.37%，丙三醇39.85%，丙二醇59.78%；

微胶囊薄荷醇烟液（实验样）：微胶囊薄荷醇4.00%，丙三醇38.40%，丙二醇57.60%；对照样：薄荷醇0.67%，丙三醇39.73%，丙二醇59.60%；

微胶囊烟草香精烟液（实验样）：微胶囊烟草香精4.00%，丙三醇38.40%，丙二醇57.60%；对照样：烟草香精0.30%，丙三醇39.88%，丙二醇59.82%；

微胶囊烟碱烟液（实验样）：微胶囊烟碱4.00%，丙三醇38.40%，丙二醇57.60%；对照样：烟碱0.55%，丙三醇39.78%，丙二醇59.67%。

将制备的微胶囊烟液和对照烟液以相同的量分别添加到电子烟烟弹中，组织7 名具有烟草行业卷烟感官评吸资质的专家对电子烟样品进行感官质量评价。电子烟感官质量用烟雾量、香气、谐调、刺激性、杂气（味）和余味等6 个指标（表1）进行评价。各项目均以0.5 分为计分单元；各单项分别计算加权平均分，精确至0.01；感官质量合计得分以各单项加权平均分之和表示，精确至0.1。

2 结果与讨论

2.1 微胶囊香料和微胶囊烟碱的制备

制备得到8.88 g 微胶囊己酸乙酯粉末（图2a，产率92.5%），7.47 g 微胶囊薄荷醇粉末（图2b，产率93.4%），6.78 g 微胶囊烟草香精粉末（图2c，产率84.8%），7.58 g 微胶囊烟碱粉末（图2d，产率82.4%）。

2.2 微胶囊香料和微胶囊烟碱的表征

2.2.1 微胶囊的包埋效果评价

微胶囊对芯材的包埋效果采用装载率和包埋率加以评价，按1.2.2 节中的公式计算得到芯材的装载率和包埋率，结果见表2。

环糊精对芯材的包埋效果通常与芯材的分子结构和官能团差异密切相关。由表2 可知，微胶囊对薄荷醇和烟碱的装载率（＞15%）和包埋率（＞75%）较高，表明包结反应过程较完全，壁材可以很好地容纳薄荷醇和烟碱；相对而言，微胶囊己酸乙酯和微胶囊烟草香精的装载率（约10%）及包埋率（约55%）均稍低，表明包结反应过程中，壁材对己酸乙酯和烟草香精的容纳性不及薄荷醇和烟碱。

表2 微胶囊的装载率和包埋率Tab.2 Loading and embedding efficiencies of microcapsules

2.2.2 微胶囊粒径和形貌分析

（1）微胶囊粒径

微胶囊粒径的测定结果如表3所示，可以看到，所制备的4 种微胶囊在溶液中的粒径均为纳米级，且介于90～350 nm 之间，粒径分布较窄。

表3 微胶囊的数均粒径及分布范围Tab.3 Number averages of particle size and distribution ranges of microcapsules

（2）微胶囊形貌

通过扫描电镜观察壁材β-环糊精与包结物微观表面形态差异，据此判断是否形成微胶囊。图3为β-环糊精以及4 种微胶囊包合物的扫描电镜结果，放大倍率相同。可以看出，壁材β-环糊精和4种微胶囊样品的形状和尺寸均有明显不同：其中，β-环糊精的颗粒表面粗糙，边缘呈现不规则形状，说明其为非晶体状态；而4 种微胶囊的表面光滑平整，呈现为紧密、规则的晶体状态，其中，微胶囊己酸乙酯为长板条状或菱形片状混合结晶，微胶囊薄荷醇为较规整的菱形六面体结晶，微胶囊烟草香精为大小不一的六面体结晶，微胶囊烟碱为较规整的菱形片状结晶。β-环糊精与微胶囊的形状和尺寸的差异，说明4 种芯材的确与β-环糊精形成了新的稳定包合状态，包埋效果比较理想。

2.2.3 微胶囊的热稳定性分析

（1）热重分析

图3 微胶囊扫描电镜图Fig.3 SEM micrographs of microcapsule samples

环糊精微胶囊的热稳定性考察结果如图4所示。从图4a 可知，己酸乙酯的热失重过程主要发生在25～156 ℃之间，其质量损失接近100%，主要由其剧烈挥发所致。β-环糊精热失重过程分几个阶段：25～120 ℃之间，是残留水分的挥发，质量损失2.8%；120～300 ℃之间，为稳定区，质量仅损失0.3%；300～600 ℃之间，其分解失重，其中310 ℃开始明显分解，最大分解温度为334 ℃，质量损失88.0%。微胶囊己酸乙酯的热失重过程有以下几个阶段：29～125 ℃之间是游离水分与少量己酸乙酯挥发失重，质量损失5.8%；125～306 ℃之间质量缓缓下降，主要是己酸乙酯从β-环糊精腔内缓慢挥发所致，质量损失7.2%；而306～600 ℃间主要是壁材分解失重，其从306 ℃开始，最大分解温度332 ℃，质量损失82.8%。可见，微胶囊与纯β-环糊精在加热过程中的稳定性显著不同。

从TGA 曲线对比可见，与芯材相比，微胶囊的热稳定性明显得到改善，而其与壁材热分解曲线的差异则表明己酸乙酯与β-环糊精发生了作用，形成了微胶囊。

同理，在微胶囊薄荷醇、微胶囊烟草香精和微胶囊烟碱体系中也观察到类似情况，相关参数见表4。

图4 壁材、芯材和微胶囊的TGA 曲线Fig.4 TGA curves of wall material, core material and the microcapsules

表4 壁材、芯材和微胶囊在不同温度区间内的质量损失Tab.4 Mass loss rates of wall material, core material and microcapsules at different temperature ranges

（2）热变化测定

图5 为壁材、芯材、微胶囊香料和微胶囊烟碱DSC 分析曲线。由图5a 可见，己酸乙酯在138 ℃时存在热流的最大负值（-0.9 W/g），可归结为己酸乙酯挥发吸热所致。壁材β-环糊精的DSC 曲线较为平缓，仅在219 ℃有一微小的吸热特征峰，表明其性质稳定无分解。与单纯的壁材或芯材的DSC 曲线不同，微胶囊己酸乙酯的DSC 曲线并非两者的简单叠加，而是随温度升高，在50～200 ℃范围内存在先升后降的吸热趋势，并分别在100、72、142、178 ℃时存在热流的最大负值（-1.0 W/g）和3 个极大负值（-0.8、-0.5、-0.3 W/g）。据此推测己酸乙酯与β-环糊精发生了分子间的作用，生成了新的物相，即形成己酸乙酯的β-环糊精超分子包结物。

同理，在薄荷醇微胶囊、烟草香精微胶囊和烟碱微胶囊体系中也观察到类似情况，相关参数见表5。

图5 壁材、芯材和微胶囊的DSC 曲线Fig.5 DSC curves of wall material, core material and microcapsules

表5 壁材、芯材和微胶囊在不同温度区间内的热流-温度峰值Tab.5 Heat peaks of wall material, core material and microcapsules at different temperature ranges

2.2.4 微胶囊特征官能团分析

图6 为各个物质的红外光谱图。由图6a 包合前后对比可见，原先壁材β-环糊精的红外光谱中，位于 3 227 cm-1、2 921 cm-1的峰消失，而在 3 080 cm-1、2 865 cm-1出现了新的红外吸收峰；特别是己酸乙酯C=O 键的伸缩振动峰由包合前的1 726 cm-1蓝移至包合后的 1 731 cm-1；而β-环糊精的O—H 键的弯曲振动峰也从由包合前的1 654 cm-1红移至包合后的1 649 cm-1。上述红外吸收峰的变化表明存在有效的主客体间相互作用，即客体分子包埋于主体β-环糊精内腔中，靠疏水作用维持结合。进一步证明形成了新的己酸乙酯β-环糊精包结物微胶囊。

同理，在微胶囊薄荷醇、微胶囊烟草香精和微胶囊烟碱体系中也观察到类似情况，相关参数见表6。

图6 壁材、芯材和微胶囊的红外光谱图Fig.6 FTIR spectra of wall material, core material and microcapsules

表6 壁材、芯材和微胶囊的红外官能团特征波数对比Tab.6 FTIR feature peaks of wall material, core material and microcapsules

2.3 微胶囊香料和微胶囊烟碱在电子烟中的应用效果

2.3.1 逐口抽吸成分释放分析

图7 为电子烟逐口抽吸过程中单位烟气中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和烟碱的释放量变化情况。可以看出，在1—20 口的电子烟烟气中，实验组4 种成分的释放量与对照组相当，随着抽吸口数的增加，对照组中4 种成分的释放量均有明显下降趋势，而实验组中4 种成分的释放量均有上升趋势。可能的原因：对于对照组来说，己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和烟碱4 种成分在烟液中均为游离态；且4 种成分的沸点分别为167、216、137 和247 ℃，均低于丙三醇的沸点（290 ℃），该4种成分均易挥发，所以其向烟气中转移的速率比丙三醇和丙二醇快；随抽吸口数的增加四者在烟液中的浓度越来越低，因此对照组中4 种成分在烟气中的释放量有下降趋势。而对于微胶囊烟液来说，4 种成分在烟液中主要以包埋于微胶囊中的形式存在，游离态较少；微胶囊受热释放出芯材（己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和烟碱），微胶囊中芯材向烟液中释放的速率高于烟液中芯材向烟气中转移的速率，所以烟液中游离态芯材浓度逐渐升高。因此实验组中4 种成分的释放量均有上升趋势。

图7 电子烟逐口抽吸过程中单位烟气中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和烟碱释放量变化Fig.7 Deliveries of ethyl caproate, menthol, trimethylpyrazine and nicotine per unit smoke of e-cigarette during puff-by-puff puffing

2.3.2 保存稳定性

图8 为电子烟保存 0、45 和 90 d 后抽吸，单位烟气中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和烟碱释放量的变化情况。由图8a 可知，电子烟保存45 和90 d后，对照组和实验组均未检测到己酸乙酯，可能是己酸乙酯的高挥发性所致；由图8b 可知，电子烟未储存时，实验组和对照组单位烟气中薄荷醇的释放量相当，随保存时间的延长，至45 d 时对照组样品单位烟气中薄荷醇释放量明显高于对照组，到90 d时两者的差距进一步拉大；由图8c 可知，三甲基吡嗪和薄荷醇有相似的趋势；由图8d 可知，随保存时间延长，对照组样品抽吸时单位烟气烟碱释放量呈明显的下降趋势，而实验组样品单位烟气烟碱释放量基本处于稳定状态，说明微胶囊对烟碱起到了保护作用，使烟碱的稳定性大大增加。

2.3.3 微胶囊烟液的感官质量评价

微胶囊烟液的评吸结果见表7。可知，微胶囊烟液的感官质量均优于对照烟液，主要是由于微胶囊烟液的香气更好，具体表现为微胶囊烟液的香气更加绵长，单口抽吸的均一性更好。

图8 电子烟保存不同时间后抽吸时单位烟气中己酸乙酯、薄荷醇、三甲基吡嗪和烟碱释放量变化Fig.8 Deliveries of ethyl caproate, menthol, trimethylpyrazine and nicotine per unit smoke of e-cigarettes during puffing after storing for different periods

表7 微胶囊烟液与对照烟液的评吸结果Tab.7 Sensory evaluation results of microcapsule e-liquids and the control （分）

3 结论

①以己酸乙酯、薄荷醇、烟草香精和烟碱为芯材，以β-环糊精为壁材，制备了4 种电子烟用微胶囊原料，表征结果显示上述4 种芯材与β-环糊精均形成了微胶囊包合物，其粒径范围为90～350 nm，产率范围为82.4%～93.4%，装载率范围为8.1%～20.3%，包埋率范围为55.0%～78.6%；②微胶囊原料应用结果表明，β-环糊精微胶囊包覆技术能够改善电子烟逐口抽吸香气和烟碱减弱的问题，并能延长电子烟烟液的保存时间，提升其感官质量。