GC-MS测定复凝聚结合喷雾干燥法制备葱油香精微胶囊的热稳定性

刘楠楠，陈雪峰

(1.渭南师范学院 化学与材料学院，陕西 渭南 714000；2.陕西科技大学食品与生物工程学院，西安 710021)

食用香精作为食品添加剂的重要组成部分,在焙烤行业应用越来越广泛，但焙烤温度一般在200 ℃左右，香精的风味成分极易被高温破坏，从而影响产品品质[1]。因此，可以对食用香精进行微胶囊化，保护香精的风味成分，提高其热稳定性。本文用葱油香精为原料，使用复凝聚法对葱油香精进行初次包埋，其优点是产品在水中仍能保持微胶囊形态，经固化剂处理后，壁膜能够形成稳定的交联网状结构，在高温下壁膜不易破裂，复水后微胶囊状态得以保存，芯材便不会因为囊壁的破裂而挥发损失，再由喷雾干燥法作为二次包埋的方法，最终形成双层壁膜，这样芯材逸出的阻力大大增加，极好地巩固了微胶囊在高温下的热稳定性。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

葱油香精：深圳美醇特香精香料有限公司；阿拉伯胶：浙江一诺生物科技有限公司；食用明胶：深圳市振芯嘉贸易有限公司；谷氨酰胺转氨酶：泰兴市东圣食品科技有限公司；氢氧化钠(分析纯)：天津市天力化学试剂有限公司；食用乙酸、麦芽糊精：市购。

FA-B电子天平 上海荣宣仪器有限公司； 蔡司EVO18扫描电子显微镜；XS-402相差显微镜；PHS-25精密数显台式酸度计；L530离心机；DHG-9013A型鼓风干燥箱；MJ-250BP02A电动搅拌机；RGLWD1顺流立式喷雾干燥塔。

1.2 实验方法

1.2.1 葱油香精微胶囊的制备方法[2]

在一定浓度的阿拉伯胶水溶液中，按一定芯壁比加入葱油香精进行均质乳化，再加入一定浓度的明胶水溶液，均质后加热到45 ℃，置于45 ℃下20 min，将10%的食用乙酸缓慢滴加到混合体系中调pH到一定范围，此时壁材开始围绕芯材液滴凝聚并形成微胶囊，缓慢搅拌1 h并保持温度在45 ℃，加入固化剂(谷氨酰胺转氨酶)固化12 h，加入1 mol/L NaOH调节体系pH到7.0左右，离心(5000 r/min，20 min)，弃去上清液，收集湿胶囊，加入浓度为20%的阿拉伯胶和麦芽糊精混合液(阿拉伯胶∶麦芽糊精为1∶1)，通过喷雾干燥即得到葱油香精微胶囊。

1.2.2 葱油香精微胶囊的形态观察

在复凝聚的工艺过程中，吸取少量微胶囊分散液，放置于载玻片上，显微镜10(目镜)×40(物镜)下观测微胶囊结构。通过观察形成的微胶囊的形态、大小、壁膜厚度、破损情况等指标，制定微胶囊的品质标准，其标准见表1和图1。

表1 微胶囊的品质评价标准Table 1 Quality evaluation criteria of microcapsules

图1 微胶囊的品质评价标准Fig.1 Quality evaluation criteria of microcapsules

注：A品质标准为+++；B品质标准为++；C品质标准为+；D品质标准为-；E品质标准为--；F品质标准为---。

1.2.3 微胶囊包埋效率的测定[3]

复凝聚结合喷雾干燥法最终得到干燥的具有一定流动性的微胶囊产品，其包埋效果用包埋效率来表示，其公式如下：

1.2.4 葱油香精微胶囊的表面微观结构观察

将少许微胶囊样品置于扫描电子显微镜载物台的双面胶上，观察微胶囊的表面形态(加速电压为10 kV)[4]。

1.2.5 采用GC-MS分别在常温下、高温处理下(200 ℃，3 min)测定葱油香精、葱油香精微胶囊风味成分的变化[5]

分别称取0.3 g葱油香精(常温及高温处理后)、及0.3 g葱油香精微胶囊(高温处理后)，将以上3种样品中分别加入40 mL无水乙醚，超声萃取15 min，离心(5000 r/min,15 min)后取上清液并蒸发出部分溶剂，用无水乙醚定容至25 mL，样品中加入适量无水硫酸钠脱水后进行GC-MS分析。

色谱条件：色谱柱为：Agilent HP-5MS，进口样温度为250 ℃，柱程升温:初始温度为40 ℃，停留4 min，以3 ℃/min的速率一阶升温至50 ℃，以5 ℃/min的速率二阶升温至100 ℃，以8 ℃/min的速率三阶升温至230 ℃，保持8 min，流速为 0.8 mL/min。

质谱条件：电离方式为EI+，发射电流200 μA，离子源温度为200 ℃，电子能量70 eV，接口温度230 ℃，检测电压350 V。

2 结果与分析

2.1 复凝聚法制备葱油香精微胶囊工艺研究

2.1.1 壁材浓度对微胶囊成囊效果的影响

在阿拉伯胶∶明胶为1∶1、温度为45 ℃、pH为4.15、芯壁比为1∶2的条件下，通过使用不同的明胶和阿拉伯胶浓度，确定壁材用量对微胶囊的影响，实验结果见表2。

表2 不同壁材浓度对微胶囊成囊效果的品质评价Table 2 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules with different wall materials' concentration

由表2可知，当壁材浓度为1%时，包埋效果不是很好，微胶囊虽为球形但大小不均匀，且收率较小，壁膜较薄；当壁材浓度为2%时，微胶囊为圆整的球形，形状很规则，而且大小比较均匀，壁囊较厚，包裹效果好；当壁材浓度为3%时，出现大量未包埋的芯材和不规则的交联情况；当壁材浓度为4%时，芯材壁材都分散在溶液中，壁材几乎无法围绕芯材周围形成微胶囊。实验结果表明，在一定范围内，浓度适中(如2%)时明胶分子和阿拉伯胶分子能够充分、均匀接触，从而使得壁材容易在芯材油滴周围凝聚成囊，效果较好；当壁材浓度过低时，使得2种分子间发生聚合反应的几率下降，从而微胶囊的粒径较小，收率较低，形成的微胶囊外膜薄，稳定性差[6]；壁材浓度过高时，包埋效果也会下降，这是因为2种相反电荷的分子在高浓度时发生急剧的聚合反应，使得囊材不能均匀分散在小油滴周围，导致胶块的产生。综上可得最佳壁材浓度为2%。

2.1.2 芯壁比对微胶囊成囊效果的影响

控制壁材浓度为2%，在温度为45 ℃，pH为4.15，通过改变壁材与芯材的比例确定芯壁比对成囊效果的影响，实验结果见表3。

表3 芯壁比对微胶囊成囊效果的品质评价Table 3 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules with diferent core material-wall material ratios

由表3可知，当芯壁比为2∶1时，由于芯材浓度过高，芯材分散于连续相中的乳状液滴增加，更容易相互碰撞、聚集成不规则状态；当芯壁比为1∶1时，微胶囊形状大多为椭圆形，少数为不规则形，部分微胶囊中芯材液滴未被完全包埋；当芯壁比为1∶2时，形成微胶囊状态最好，芯材液滴被完全包埋，呈球形且大小基本均一；当芯壁比为1∶3时，壁材浓度过大，带相反电荷的壁材虽能围绕芯材凝聚，但之间互相碰撞的几率也增加，因此造成所形成的微胶囊形状不规则且颗粒之间有交联聚集现象，部分芯材未被包埋。

2.1.3 pH对微胶囊成囊效果的影响

固定壁材浓度为2%，芯壁比为1∶2，温度为45 ℃，调节pH分别为3.75，3.95，4.15，4.35，包埋情况见表4。

表4 不同pH对微胶囊成囊效果的品质评价Table 4 Quality evaluation of microencapsulation effect of microcapsules at different pH values

明胶是一种两性蛋白质，等电点在4.8～8.0之间[7]，当体系pH值低于等电点时，带正电；当体系pH值高于等电点时，带负电，而阿拉伯胶结构中含有-COO-，是一种阴离子多糖[8]，当溶液pH≥3.0时，其分子是聚阴离子。在pH为3.75～4.15的范围内，随着pH的下降，微胶囊囊壁逐渐变薄；当体系pH降至3.75时，芯材液滴未被全部包埋，且囊壁很薄，随着pH逐渐升高，囊壁逐渐变厚；当pH为4.15时，芯材被完全包埋，微胶囊囊壁厚实、无破损，颗粒大小规则；当pH为4.35时，没有微胶囊形成。因此，体系最佳的pH为4.15。

2.2 微胶囊表面微观结构的观察

图2 葱油香精微胶囊的表面微观结构(2000×)Fig.2 Surface microstructures of scallion oil essencemicrocapsules(2000×)

在明胶、阿拉伯胶浓度均为2%、芯壁比为1∶2、pH为4.15条件下得到的微胶囊通过离心收集湿微胶囊，加入二次包埋壁材进行喷雾干燥得到微胶囊产品，SEM观察表面微观结构，见图2。

2.3 GC-MS分析葱油香精(常温及高温处理下)、葱油香精微胶囊(高温下)的挥发性成分

葱油香精(常温及高温处理下)、葱油香精微胶囊(高温处理下)的挥发性成分总离子流图见图3、挥发性成分见表5～表7。

图3 葱油香精常温及高温处理、葱油香精微胶囊高温处理的挥发性成分总离子流图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

序号保留时间(min)名称相对含量(%)121.623茴香脑87.2649221.492三烯丙基胺4.0481333.926环庚烯3.1208425.350二丁基羟基甲苯2.2622525.9352-氨基-5-甲基-5-苯基-2恶唑啉-4-酮1.219633.852环己烯1.1523

表6 高温处理下葱油香精挥发性成分分析(200 ℃，3 min)(按相对含量顺序排序)Table 6 Analysis of volatile components of scallion oil essence after high temperature treatment(200°，3 min)(ranked by relative content)

续 表

表7 高温处理下葱油香精微胶囊挥发性成分分析(200°，3 min)(按相对含量顺序排序)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，葱油香精原料中共鉴定出相对含量大于1%的挥发性成分6种，如烯类、酮类、芳香类等物质(见图3和表5)，其中葱油香精的特征风味成分茴香脑相对含量高达87%。经过高温处理(200 ℃，3 min)后，葱油香精的成分发生了很大变化，产生了醛类、炔类、酸类等18种挥发性物质，原因可能是在高温作用下自身的氧化分解，酸败及物质间产生了互相反应等一系列化学变化，而其主要的特征成分茴香脑在经过高温处理后已经全部挥发殆尽(见图3和表6),经复凝聚喷雾干燥法制备的葱油香精高温处理后经测定，相对含量大于1%的成分有9种，其中茴香脑相对含量仍为31.32%(见图3和表7)。结果表明，葱油香精在没有包埋的情况下，无法耐受高温，其特征的风味成分已经全部丧失。经复凝聚结合喷雾干燥包埋后，虽然在高温下其成分发生了一定变化，但其特征的风味成分能够得到较大的保护。

3 讨论

目前文献中报道的微胶囊产品主要还是以单一包埋方法为主，如喷雾干燥法、复凝聚法、分子包埋法等等，而两种方法结合在一起的鲜有报道，提高芯材的稳定性是制备微胶囊的主要目的，赵婕等[9]利用阿拉伯胶、麦芽糊精采用喷雾干燥法对薏米糠油进行包埋，通过TG和DSC分析了产品的热稳定性，TG分析产品快速分解温度在200 ℃左右，DSC分析其玻璃化转化温度在35.1 ℃，在常温下基本能保持产品的稳定性。强军锋等[10]用明胶和海藻酸钠对维生素E进行了包埋，在150 ℃下测定了VE的保留率，结果表明微胶囊化后的保留率提高了37%。李翔宇等[11]复凝聚法和二次包埋工艺制备了DHA微胶囊，与本文不同的是其二次包埋用了离心干燥法，壁材选用了变性淀粉，仅对工艺进行了优化。在本文中，采用复凝聚结合喷雾干燥法运用在微胶囊制备工艺上是较为新颖的一种方法，能够弥补喷雾干燥法溶解性好，在高温高湿环境中容易造成芯材损失的缺点。在复凝聚工艺阶段，研究了壁材浓度、芯壁比、pH对复凝聚葱油香精微胶囊包埋效果、形态的影响，得到最佳工艺为：壁材浓度为2%，芯壁比为1∶2，pH值为4.15,加入谷氨酰胺转氨酶，通过与明胶中蛋白质分子形成共价键，催化蛋白质分子间交联，从而稳定壁材保持微胶囊的形态。在此基础上进行喷雾干燥，既能进行二次包埋，达到双重保护，又能制成干燥的微胶囊产品。经GC-MS测定了葱油香精包埋前后的热稳定性，发现经过高温处理后，葱油香精中主要的风味物质茴香脑从87%降至几乎为0。而采用二次包埋法制得的微胶囊再经过高温处理后，虽然也有一些物质的挥发损失，但是其中茴香脑相对含量仍有31.32%，说明此方法在高温下对芯材能够起到有效的保护作用。