β-环糊精包埋黑胡椒油树脂工艺研究

朱东方，陈勇，黄国清

（青岛农业大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266109）

黑胡椒油树脂是由黑胡椒的干制浆果经有机溶剂、超临界流体等浸提所得，为淡黄绿色至深绿色半固体，含5%～26%的挥发油和30%～55%的胡椒碱，具有黑胡椒油的特征香气和味道，可以直接代替黑胡椒粉添加至食品中[1]。黑胡椒油树脂除了具有调节风味的作用，还具有抗氧化、抗炎症、抗菌等功效[2]，因此在食品领域有广范的应用。但是黑胡椒油树脂中的部分成分易挥发、易氧化、遇光不稳定，且油树脂的运输及使用均不方便[2]，这在一定程度上制约了其在食品工业中的应用。微胶囊化是提高其稳定性的重要方法[3]，复凝聚是目前在黑胡椒油树脂微囊化中应用较多的方法。孙欣等[4]通过美拉德反应改性的大豆分离蛋白与壳聚糖之间的复凝聚反应对黑胡椒油树脂进行包埋，显著提高了其贮藏稳定性。严善春等[5]以壳聚糖和阿拉伯胶为壁材通过复凝聚反应制备了具有缓释性能的黑胡椒精油微胶囊。另外，喷雾干燥技术也已被用于黑胡椒油树脂的包埋，Shaikh等[6]发现阿拉伯胶比变性淀粉能更有效的提高黑胡椒油树脂的稳定性。

β-环糊精（β-cyclodextrin，β-CD）是由 7个 D-葡萄糖经环状联结而成的化合物，具有一个相对疏水的中心和一个相对亲水的表面，因此可用于疏水性物质的包埋。β-环糊精包埋方法主要有超声波法、研磨法、共沉淀法、饱和水溶液法、喷雾干燥法、临界流体法、冷冻干燥法等，其中饱和水溶液法是将β-CD制成饱和水溶液，然后加入被包埋物搅拌，冷藏、沉淀、过滤、洗涤、干燥即得微胶囊[7]。饱和水溶液法操作简单，具有较高的包埋效率和包埋产率，因此具有明显的优势。β-CD在黑胡椒油树脂包埋中的应用已有少量报道，且这些研究多注重于芯材功能性质和稳定性的变化。王冠群等[8]利用β-CD的麦芽糖基衍生物通过饱和水溶液法成功包埋了黑胡椒精油，芯材的稳定性和水溶性均得到了显著提高。Teixeira等[2]通过研磨法和冷冻干燥法利用β-CD对黑胡椒油树脂进行包埋，显著提高了芯材的贮藏稳定性，且研磨法比冷冻干燥法能更有效的提高芯材的热稳定性、抗氧化活性及抗菌活性。β-CD在其它油脂的包埋中也有类似研究。纪俊敏等[9]以收率和包合率为指标，采用饱和水溶液法制备核桃油-β-CD包合物，可明显提高核桃油的氧化稳定性和水溶性。王赛丹等[10]以β-CD为壁材，采用饱和水溶液法制备的香根油微胶囊具有很好的热稳定性。王冰清等[11]以β-CD为壁材，采用饱和水溶液法制备的猕猴桃籽油微胶囊，流动性良好且贮藏稳定性高。岳淑丽等[12]以β-CD为壁材，采用饱和水溶液法制备了包埋率较高的桉叶精油微胶囊。另外，β-CD也已被用于姜油树脂的包埋[13]。但目前尚未见到将β-CD通过饱和水溶液法对黑胡椒油树脂进行包埋及包埋后对食品风味影响的报道。

因此，本文以β-CD为壁材，以黑胡椒油树脂为芯材，采用饱和水溶液法对其进行包埋，考察不同因素对包埋效果的影响，确定最佳包埋工艺，然后对所得微胶囊在香肠中的应用进行研究，对于拓展黑胡椒油树脂在食品加工中的应用范围具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑胡椒油树脂（食品级）：郑州雪麦龙食品香料有限公司；β-CD（食品级）：天津博迪化工股份有限公司；石油醚、三氯甲烷（均为分析纯）：莱阳市康德化工有限公司；精盐：山东寒亭第一盐场；猪前肘肉：市售；AB型乳化腌制剂：青岛市李沧科苑食品调料厂。

1.2 仪器与设备

电热恒温水浴锅（HH-2）：龙口市先科仪器有限公司；紫外分光光度计（UV-2000）：上海尤尼柯仪器有限公司；分析天平（MS304TS）：奥多斯科学仪器有限公司；低速大容量离心机（TDL-40B）：上海安亭科学仪器厂；漩涡混合器（MX-S）：上海市其林贝尔仪器有限公司；悬臂式数显搅拌器（GZ）：江阴市保利科研器械有限公司；烘箱（DAX-9243）：上海福玛实验设备有限公司；超声波清洗器（KQ-500B）：昆山市超声仪器有限公司；旋转蒸发器（RE-52B）：上海亚荣生化仪器厂；（FJ300-SH）数显分散均质机：上海标本模型厂；电子分析天平（AR1140）：山东鸿兴源食品有限公司；绞肉机（CM-2818）：成都敏红机械工贸有限公司；色彩色差计（KONICA-MINOLTA）：柯尼卡美能达投资有限公司；电磁炉（WK2102）：广东美的生活电器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 黑胡椒油树脂微胶囊的制备

称取一定量的β-CD于烧杯中，用蒸馏水将β-CD调至所需浓度，加入一定量的黑胡椒油树脂，在一定温度下用悬臂式搅拌器于400 r/min下搅拌一定时间，然后将所得湿浆于4℃冰箱中静置20 h～24 h后抽滤，在60℃烘箱中干燥即得黑胡椒油微胶囊。

1.3.2 黑胡椒油树脂包埋条件的优化

1.3.2.1 芯材与壁材质量比对黑胡椒油树脂包埋的影响

固定β-CD浓度为15%，分别按照芯材与壁材质量比 1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14 加入黑胡椒油树脂，在55℃下包埋120 min制备黑胡椒油树脂微胶囊，测定其包埋产率、包埋效率及色差。

1.3.2.2 β-CD浓度对黑胡椒油树脂包埋的影响

分别选取β-CD浓度为5%、10%、15%、20%、25%，按照芯壁质量比1∶10加入黑胡椒油树脂，于55℃下包埋120 min制备黑胡椒油树脂微胶囊，测定其包埋产率、包埋效率及色差。

1.3.2.3 包埋温度对黑胡椒油树脂包埋的影响

设定β-CD浓度为15%、芯壁质量比为1∶10，分别在 35、45、55、65、75 ℃下包埋 120 min 制备黑胡椒油树脂微胶囊，测定其包埋产率、包埋效率及色差。

1.3.2.4 包埋时间对黑胡椒油树脂包埋的影响

设定β-CD浓度为15%、芯壁质量比为1∶10，在55℃下分别搅拌 60、90、120、150、180 min 制备黑胡椒油树脂微胶囊，测定其包埋产率、包埋效率及色差。

1.3.3 黑胡椒油树脂包埋产率与包埋效率的测定

1.3.3.1 黑胡椒油标准曲线的制作

各取0.25 g黑胡椒油分别置于5支100 mL容量瓶中，用三氯甲烷定容至100 mL，定容后分别各取4、8、12、16、20 mL 溶液于另外 5 支 100 mL 容量瓶，再次用三氯甲烷定容至100 mL。以三氯甲烷为空白，在345 nm波长处测定其吸光值。以吸光值为纵坐标，黑胡椒油浓度为横坐标进行线性回归，得到线性回归方程。

1.3.3.2 微胶囊中表面含油量的测定

称取1.000 g黑胡椒油树脂微胶囊于锥形瓶中，用30 mL石油醚分3次洗涤，抽滤后合并滤液，将滤液置于旋转蒸发仪中蒸发去除石油醚，用三氯甲烷定容至25 mL，以三氯甲烷为空白对照在345 nm处测其吸光值，根据标准曲线计算黑胡椒油树脂微胶囊的表面含油量。

1.3.3.3 微胶囊中总含油量的测定

准确称取1.000g微胶囊产品，加入50mL三氯甲烷于摇床中140 r/min下振荡提取1.5 h，取适量提取液于10 mL具塞离心管中3 000 r/min离心15 min，吸取上清液于345 nm处以三氯甲烷为空白对照测定其吸光值，根据标准曲线计算黑胡椒油树脂的总含油量。

1.3.3.4 黑胡椒油树脂包埋产率的计算

包埋产率是所得黑胡椒油树脂微胶囊的总含油量占微囊化过程中所加入的黑胡椒油量树脂的总含油量的比值，其计算公式如下。

式中：M2为加入的黑胡椒油树脂的总含油量，g；M1为黑胡椒油树脂微胶囊的总含油量，g。

1.3.3.5 黑胡椒油树脂包埋效率的计算

包埋效率是指被包埋在黑胡椒油树脂微胶囊内部的含油量占微胶囊中微胶囊总含油量的比值，计算公式如下。

式中：M2为黑胡椒油树脂微胶囊的表面含油量，g；M1为黑胡椒油树脂微胶囊的总含油量，g。

1.3.4 色差的测定

通过色差计测定产品的色差，以确定反应条件对微胶囊色泽的影响。称取适量（＞3 g）黑胡椒油树脂微胶囊粉末，置于规格为4 cm×5 cm的真空袋内，保持试样表面平整光滑，然后用色彩色差计测定反应物的L*值。每个样品均测定3次，取平均值。

1.3.5 流动性的测定

采用休止角法测定黑胡椒油树脂微胶囊的流动性。将一漏斗置于铁架台上，然后向漏斗中加入一定高度（H）的微胶囊粉末，将粉体注入到某一有限直径（R）的圆盘中心上，直到粉体堆积层斜边的物料沿圆盘边缘自动流出为止，停止注入，按下式计算其休止角θ。

式中：H为漏斗高度，cm；R为圆盘直径，cm；θ为微胶囊粉末休止角，°。

1.3.6 堆积密度的测定

取适量黑胡椒油树脂微胶囊粉末，准确称重（m）后置于带有刻度的100 mL量筒中，将量筒内的粉末上下振动100次后，读取量筒内粉末的体积，按下式计算堆积密度[14]。

式中：m为黑胡椒油树脂微胶囊粉末质量，g；v为量筒内粉末的体积，mL。

1.3.7 黑胡椒油树脂微胶囊的应用

1.3.7.1 香肠的制作

试验共分为4组，各组的配方如表1所示。将物料混合均匀后，将灌肠衣套在灌肠机的漏斗上，用勺子将肉馅加入灌肠机摇动。灌完后先系上肠衣一端，另一端旋转拧紧后再用绳子系紧即可，每段30 cm[15]。将香肠在沸水中煮30 min后冷却至室温25℃用于感官评定。

表1 香肠配方Table 1 Formula for sausage preparation g

1.3.7.2 感官评定

挑选10名感官评定员，对4种香肠制品的色泽、口感、风味和组织状态4个因素进行感官评定，并设4个等级，感官评定标准见表2。要求感官评定人员在评定前12 h内不喝酒、不吸烟、不吃辛辣等刺激食物，每感官评定完一个样品后，间隔10 min后再评价下一个样品，全部评价完后收集评定人员的评定表，计算平均分。

表2 香肠的感官评定标准Table 2 Standard for the sensory evaluation of black pepper oleoresin-supplemented sausage

1.4 数据统计与分析

除感官评定外，所有数据均测定3个平行，结果以平均值±标准差表示，然后使用SPSS统计软件对所得数据进行t检验和方差分析，当p<0.05时认为差异显著。

2 结果与分析

2.1 黑胡椒油树脂包埋条件的优化

2.1.1 芯材与壁材质量比对包埋效果及色差的影响

室温25℃下β-CD在水中的溶解度仅为1.85%，因此在本文选择的浓度下β-CD均处于过饱和状态。芯壁质量比对黑胡椒油微胶囊包埋效果及色差的影响如图1所示。

图1 芯壁质量比对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响Fig.1 Effect of core-wall mass ratio on the microencapsulation efficiency and microcapsule yield and L*value of black pepper oleoresin

由图1可知，随着包埋体系中壁材比例的增加，包埋产率呈现先升高后降低再略微升高的趋势，在芯壁质量比为1∶10时包埋产率达到最大值74.45%，分别是芯壁质量比为1：∶6和1∶14时的2倍和1.4倍，这一变化趋势与β-CD包埋大蒜油[16]及肉桂醛[17]时一致。包埋效率呈现出了先升高后降低的规律，与包埋产率基本类似，即在芯壁质量比为1∶10时达到最大值93.05%，当芯壁质量比偏离该比值时随之降低。这是由于芯材被包埋在β-CD的内腔，β-CD的量决定了能够容纳的芯材的量。当芯壁质量比由1∶6变化至1∶10时，β-CD能够包埋的芯材的量随之增加，体系中的黑胡椒油树脂能够被充分包埋，因此包埋效率和包埋产率均随之增加；但是当壁材质量继续增加时，由于β-CD浓度过高，导致反应体系的黏度过大，黑胡椒油树脂的迁移受阻，进而使得包埋效率和包埋产率反而开始下降。

微胶囊粉末的L*值可以反映其亮度，因此可以间接表示其表面含油量。从图1B可以看出，L*值的变化趋势与图1A中的包埋效率和包埋产率基本一致，即当芯壁质量比为1∶10时L*值最大、颜色最浅，表明此时表面含油量最低；当芯壁质量比偏离该比值时，L*值随之下降，表明微胶囊的表面含油量有所增加。因此，选择1∶10为最适芯壁质量比进行后续研究。

2.1.2 β-CD浓度对包埋效果及色差的影响

在饱和溶液法中，适当的β-CD浓度对于提高整个包埋过程的效率、降低成本具有重要意义。β-CD浓度对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响见图2。

图2 β-CD浓度对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响Fig.2 Effect of β-CD concentrations on microencapsulation efficiency and microcapsule yield and L*value of black pepper oleoresin

由图2可知，当β-CD浓度从5%增加到15%时，黑胡椒油树脂的包埋效率及包埋产率都有所提高，当β-CD浓度为15%时黑胡椒油微胶囊的包埋产率是浓度为5%时的1.5倍；而当β-CD浓度继续增加时，包埋产率和包埋效率反而下降，这一趋势与图1A中的结果基本一致。这是由于在芯壁质量比一定的情况下，浓度的升高有利于增加其与芯材的接触机会，进而使得包埋效率和包埋产率都随之增加；但是当β-CD浓度过高时，反应体系的黏度增加，黑胡椒油树脂的迁移受阻，大量芯材无法进入壁材的疏水性内腔，从而导致包埋效率和包埋产率降低。在利用β-CD通过超声法包埋肉桂醛[17]以及通过乳化法包埋柠檬醛[18]时也观察到了类似的规律。

从图2B可以看出，当β-CD浓度为5%和25%时，所得黑胡椒油树脂微胶囊的颜色较深；当β-CD浓度为10%、15%和20%时黑胡椒油微胶囊的L*值无显著差异，但当β-CD浓度为15%时黑胡椒油微胶囊的包埋效果最好。因此选择15%为最适β-CD浓度进行后续研究。

2.1.3 包埋温度对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响

高温有利于疏水性相互作用，因此包埋温度也有可能会对黑胡椒油树脂的包埋效果产生影响。包埋温度对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响见图3。

图3 包埋温度对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响Fig.3 Effect of temperature on the microencapsulation efficiency and microcapsule yield and L*value of black pepper oleoresin

由图3A可知，在低温范围内，随着温度的升高，包埋效率和包埋产率均随之增加，且均在55℃时达到最高，分别为93.05%和74.45%，且包埋产率的增加显著，为35℃时的3倍。但是当温度超过55℃时，包埋效率和产率逐渐下降，在75℃时包埋效率和包埋产率降至81.96%和38.27%，分别为55℃时的90%和50%。在利用β-CD通过超声法包埋肉桂醛时也出现了类似的现象[17]。这是由于高温有利于黑胡椒油树脂的迁移，同时可增强其与β-CD疏水性内腔的相互作用，因此在一定范围内包埋效率和包埋产率均随着包埋温度的升高而增加；但是当温度过高时，黑胡椒油树脂的挥发性增强导致部分损失，同时包埋是个放热过程[19]，温度过高会抑制包埋过程的进行，上述两个因素共同导致了包埋效率和包埋产率的降低。

从图3B可以看出，所得微胶囊粉末的L*值表现出了与包埋效率和包埋产率类似的规律，即当包埋温度达到55℃时L*值最大，微胶囊的颜色最浅、表面油含量最低；包埋温度达到75℃时L*值最小，微胶囊粉末的颜色最深、表面油含量最高。因此选择55℃为最适包埋温度进行后续研究。

2.1.4 包埋时间对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响

包埋时间对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响见图4。

图4 包埋时间对黑胡椒油树脂微胶囊包埋效果及色差的影响Fig.4 Effect of inclusion time on the microencapsulation efficiency and microcapsule yield and L*value of black pepper oleoresin

由图4A可知，包埋时间对黑胡椒油树脂的包埋有重要影响。当包埋时间小于120 min时，包埋效率和包埋产率均随着包埋时间的延长而增加，且在120 min时达到93.05%和74.45%，其中包埋产率增加最为明显，约是60 min时的2.65倍。当包埋时间延长至150 min及以上时，包埋效率和包埋产率不再显著变化，所得微胶囊粉末的L*值也表现出了类似的规律。这是由于疏水性成分向β-CD内腔的迁移是个自发的过程[20]，当包埋时间不够长时，芯材无法充分迁移至壁材的内腔；当包埋时间达到120 min时，芯材可以充分扩散至壁材，此时再延长包埋时间，包埋效率和包埋产率也不再显著变化。因此，选择120 min为最佳包埋时间进行后续研究。

综上，黑胡椒油树脂最适包埋条件为芯壁质量比1∶10、β-CD浓度15%、包埋温度55℃、包埋时间120min。

2.2 黑胡椒油树脂微胶囊流动性及堆积密度

流动性和堆积密度对于微胶囊粉末的贮存、运输和使用有重要影响[21]。因此，本文在上述确定的最适条件的基础上研究了部分变量对所得微胶囊粉末流动性和堆积密度的影响，结果如表3所示。

表3 部分样品的堆积密度和流动性Table 3 Bulk density and fluidity of some black pepper oleoresin microcapsules

由表3可知，样品1的流动性最好，休止角仅为27.5°，而样品3的休止角高达63.8°，流动性最差。微胶囊粉末的流动性与微胶囊表面的含油量、包埋效率有直接关系。当微胶囊表面含油量较高时，微胶囊之间相互粘连，使得流动性变差。通过比较样品1～4的制备条件可以看出，芯壁质量比对微胶囊粉末的流动性有重要影响，当壁材含量较低时，芯材不能完全被壁材的疏水性内腔接纳，导致微胶囊粉末表面的含油量增加，进而使得流动性变差。

反应条件对黑胡椒油树脂微胶囊的堆积密度也有较大影响。样品3的堆积密度最小，仅为0.56 g/mL，在最适条件下制备的样品1的堆积密度最大，达到了0.72 g/mL。

图5为在本文确定的最适条件下制备的黑胡椒油树脂微胶囊的外观。

图5 在最佳条件下制备的黑胡椒油树脂微胶囊的外观形态Fig.5 Appearance of the black pepper oleoresin microcapsule prepared under optimized conditions

由图5可知，样品呈淡黄色、颗粒细小、质地均匀、易于流动，闻起来具有黑胡椒油典型的香气、外观洁白、堆积紧实，具有较好的商品性。

2.3 黑胡椒油树脂微胶囊在香肠中的应用

目前关于黑胡椒油树脂β-CD微胶囊的应用多集中在对活性成分的保护上，而对其在食品工业中的应用还鲜有报道。因此，本文以香肠为对象就其在食品工业中的实际应用进行了初步研究，结果如表4所示。

表4 添加不同形式黑胡椒调味料香肠的感官评定结果Table 4 Sensory evaluation results of the sausage flavored with black pepper of different forms

由表4可知，与未添加黑胡椒的样品（A）相比，添加调味料可以显著改善香肠的感官品质。黑胡椒的形式对其调味效果有重要影响，以黑胡椒粉的形式添加时感官评价结果最好，其次是黑胡椒油树脂微胶囊，直接以黑胡椒油树脂的形式添加时效果最差。其中，以微胶囊形式添加时香肠的色泽、组织状态和口感均优于或接近B、C两组，但是风味较差。可能是由于黑胡椒粉和黑胡椒油树脂本身有较深颜色，故会使得香肠原本的色泽受到一定影响，而黑胡椒油树脂微胶囊呈浅黄色，因此对香肠色泽影响不大。在口感方面，因β-CD有一定甜味，因此添加了黑胡椒油树脂微胶囊的香肠微甜，且咀嚼时黑胡椒的香味能够爆发出来，因此口感最好。而以黑胡椒油树脂形式直接添加时，因香肠样品需要煮制，挥发性成分大量损失，使得口感较差。就风味而言，以微胶囊形式添加时的效果最差，这是由于风味物质多为挥发性成分，其被包埋在β-CD内腔，挥发性变差，导致香肠的风味下降。

3 结论

本文以β-CD为壁材通过饱和水溶液法制备了黑胡椒油树脂微胶囊，通过单因素试验确定了其最适包埋条件为芯壁质量比1∶10、β-CD浓度15%、包埋温度55℃、包埋时间120 min。在此条件下得到的黑胡椒油树脂微胶囊产品为淡黄色疏松状粉末，具有一定的黑胡椒油香气，颗粒细小均匀，具有良好的流动性和较高的堆积密度。将其添加至香肠后，香肠仍具有良好的弹性，口味偏甜且具有黑胡椒油典型的滋气味，因此在食品工业中具有潜在的应用价值。