甜橙油由多种挥发性风味成分构成，其中萜烯类化合物占比高于90%，是很多食品产品中天然香气成分的来源[1]。其主要香味物质苧烯对光、热和氧气十分敏感，易导致风味损失和氧化产生不愉快的味道[2]，而应用微胶囊技术可以将风味物质从液态的形式转变成固态的干燥粉末，从而保护风味物质避免受与外界的不良反应，使风味的损失最小化，并能够实现风味的缓释释放[2-3]。而实现微胶囊化的最常用的技术是喷雾干燥技术[4-5]。
喷雾干燥技术相当于给挥发性风味分子筑就了一层“保护膜”，保护其避免挥发和氧化损失，但是微胶囊在加工、运输和贮藏过程中容易受到光、氧、热和酸碱环境的影响[6]，导致其基质结构发生变化从而改变微胶囊中分子的物理状态、分子的运动、分子间的空隙以及空间体积等[7-12]，因此“保护膜”坍塌，风味分子迁移扩散挥发，导致氧化损失。目前，已经有很多研究证实，在微胶囊中较小的油滴将被更好地保留，并且表面油含量更低[4,13-14]。但是目前的研究仅限于1 μm以上的乳液，纳米级乳液的微囊化对包埋后风味稳定性的影响并没有明确的研究，而乳液的粒径大小对风味的释放具有关键性的作用。本文以变性淀粉(CAPSUL®)和麦芽糊精为复配壁材，采用高压微射流和喷雾干燥技术制备不同粒径大小的甜橙油纳米微胶囊，并通过加速实验探究乳液粒径对产品微囊化效率和表面颗粒形态的影响，同时采用Avrami方程分析粒径对D-柠檬烯释放特性的影响。
1 材料与方法
1.1 实验材料
1.1.1 主要实验材料
甜橙油，广州百花香料股份有限公司；松香甘油酯，武汉远成共创科技有限公司；变性淀粉(CAPSUL®，食品级)，宜瑞安食品配料公司；麦芽糊精(酯化度为18，食品级)，河南飞天有限公司；2-庚酮(色谱级)，上海阿拉丁生化科技有限公司；正己烷(分析纯)，天津市大茂化学试剂厂。
1.1.2 主要仪器设备
T25 Basic ULTRA-TURRAX高剪切混合器, 德国IKA-Werke公司；Nano DeBEE高压微射流机, 美国BEE公司；LA-950激光散射粒度分析仪，日本Horiba公司；SD-1500喷雾干燥机，上海沃迪试验科技有限公司；7890A-5975C气相色谱-质谱联用仪，美国安捷伦科技；EVO-MA15扫描电子显微镜，德国ZEISS公司；PL203电子天平，梅特勒-托利多(上海)有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 工艺流程
壁材+蒸馏水→壁材溶液+混合油(甜橙油+松香甘油酯)→初乳化→均质→喷雾干燥→甜橙油纳米微胶囊
1.2.2 水包油乳液的制备
按照实验配方要求的量将壁材溶解于恒温80 ℃的蒸馏水中，搅拌至完全溶解后常温下放置过夜。再缓慢均匀加入甜橙油和松香甘油酯的混合油，剪切混合5 min后得到粗乳液，均匀分成4份，此时收集乳液。通过控制均质的压力大小来实现制备不同粒径大小的乳液。调节高压微射流不同压力，将剩余3份粗乳液分别对应地在2 000 psi压力下通过1次，5 000 psi 压力下通过2次，22 000 psi 压力下通过3次，并分别收集乳液。之后将4份乳液分别加入等量的麦芽糊精，搅拌混合均匀后收集乳液并分别标记为：大粒径乳液(large-size emulsion，LE)；中等粒径乳液(medium-size emulsion，ME)；小粒径乳液(small-size emulsion，SE)；纳米乳液(nano-emulsion，NE)。
1.2.3 喷雾干燥
将制备好的不同粒径大小的新鲜乳液按照设定的操作条件进行喷雾干燥，操作条件为：进风温度150 ℃，出风温度60 ℃，风机速度 50.0 Hz，蠕动泵转速为1 100 mL。最后收集粉末并分别标记为：大粒径粉末(large-size powder，LP)；中等粒径粉末(medium-size powder，MP)；小粒径粉末(small-size powder，SP)；纳米粒径粉末(nano-size powder，NP)。
1.2.4 新鲜乳液和重组乳液平均粒径(mean droplet diameter，MDD)和粒径分布的测定
新鲜乳液制备后直接测定MDD。粉末的MDD由重组乳液的MDD表征。重组乳液参照文献[15]配制：准确称取1.000 g粉末溶解于9 g水中，搅拌至完全溶解。将激光散射粒度分析仪设置好测量参数条件以及校正调零后，用胶头滴管吸取乳液后滴加到样品池中，超声30 s待红色条示数达80%时开始粒径的测定，重复3次测定取平均值。
1.2.5 总油量的测定
参考
等[16]的方法并有所改进。准确称取20.000 g粉末加入200 mL蒸馏水搅拌至完全溶解后转移到500 mL的圆底烧瓶中。在溶液中加入4个沸腾石，圆顶烧瓶连接Clevenger装置，顶部连接冷凝管。溶液在加热器的作用下沸腾，蒸馏持续3 h。最后从收集臂的刻度直接读取橙油的体积，体积乘以密度(0.844 g/mL，25 ℃)即为总油量。
1.2.6 表面油含量的测定
参考FINNEY等[17]的方法并有所改进。准确称取10.000 g粉末至干燥的烧杯中，加入50 mL正己烷和1 mL内标液，搅拌10 min后过滤并将残渣用正己烷清洗3次，合并滤液，滤液经过氮吹至1 mL后用GC-MS定量，表面油含量的计算如公式(1)所示：
表面油含量/[g·(100g)-1]
(1)
式中：ISam，内标2-庚酮的含量，mg/g；ISarea，2-庚酮的峰面积；ArLim，D-柠檬烯的峰面积；RRF，橙油与D-柠檬烯的相对比例。
1.2.7 载油率和微囊化效率的计算[18-19]
载油率的计算如公式(2)所示：
载油率
(2)
微囊化效率的计算如公式(3)所示：
微囊化效率
(3)
1.2.8 粉末贮藏稳定性的测定
分别称取不同粒径大小的粉末20 g置于33% RH相对湿度条件下的干燥器中，并于37 ℃恒温箱中储藏进行加速实验。湿度由MgCl2饱和盐溶液进行调节，饱和盐溶液按照国家标准GB5009.238—2016配制。分别在第0(样品平衡后)，1、2、3、4、5周时取样并用GC-MS测定D-柠檬烯的残留量。
1.2.8.1 D-柠檬烯释放特性的表征
甜橙油纳米微胶囊中D-柠檬烯的释放特性以D-柠檬烯的保留率为表征，计算方法如公式(4)所示：
D-柠檬烯保留率
(4)
式中：Dt，第t周粉末中D-柠檬烯的峰面积；D0，平衡后粉末中D-柠檬烯的峰面积；It，第t周测定时2-庚酮的峰面积；I0，平衡后测定时2-庚酮的峰面积。
GACULAJR等[20]曾用Avrami方程应用于货架期预测。为了更好地评价微胶囊中D-柠檬烯的释放特性，其释放曲线可由Avrami方程[21]拟合，方程如公式(5)所示：
R=exp[-(kt)n]
(5)
式中：R，D-柠檬烯的保留率；n，释放机制参数；k，释放速率常数；t，贮藏时间，周。
1.2.8.2 GC-MS 分析
参考YANG等[22]的方法并有所改进。称取0.15 g粉末，加入0.85 g蒸馏水搅拌至完全溶解，再缓慢加入4 mL内标液，静置5 min后将上述混合溶液过滤到进样瓶中，密封。进行下一步GC-MS分析。GC-MS设定升温程序为：初始温度为50 ℃，保持2 min，开始以升温速率为10 ℃/min升至140 ℃，保持2 min，之后以升温速率为30 ℃/min升至220 ℃，保持2 min。样品进样量为1 μL，不分流，溶剂延迟3.5 min。
1.2.8.3 表面颗粒形态的测定
粉末的表面颗粒形态由扫描电镜进行评价。分别称取约2 mg的样品固定于贴有双面胶的铜台上，喷金后等待测定[23]。选择不同的放大倍数对粉末粒子进行扫描，在15 kV加速电压下进行分析。
2 结果与分析
2.1 喷雾干燥前后甜橙油水包油乳液和重组乳液的MDD和粒径分布
通过改变不同的高压微射流压力以及通过次数制备不同粒径大小的甜橙油水包油乳液，如表1所示，通过只剪切和2 000 psi分别得到LE-3.383 μm和ME-0.542 μm，而通过5 000 psi和22 000 psi分别得到SE-0.221 μm和纳米乳液NE-0.200 μm。由图1可以看出，随着高压微射流压力的增加，乳液粒径分布范围越窄，粒子分散越均匀，并且向小粒径液滴偏移。这是因为高压微射流机以其特有的Y形结构在高压下使乳液中高速运动的物料自相碰撞[24]，从而产生粒径更小的乳液。但由于小液滴流动性增强，运动速度加快，小液滴又易聚集成大液滴，所以导致22 000 psi压力下制备的纳米乳液中含有少部分的大粒子。这也解释了通过2 000 psi的压力下获得的ME比只通过剪切无均质获得的LE粒径分布范围更广。
将不同粒径大小的乳液通过喷雾干燥制备甜橙油纳米微胶囊，如表1所示，乳液经过喷雾干燥后，粒子粒径有不同的变化。重组乳液MDD分别为LP-1.173 μm、 MP-0.684 μm、 SP-0.313 μm和NP-0.173 μm。由图1可得，喷雾干燥后LP的粒径分布呈现双峰分布，并且明显向较小粒径粒子偏移，从而获得重组乳液MDD显著地降低；同时MP也部分地向较小粒子偏移，但是由于粒子分散非常不均匀，重组乳液MDD有所增加。另外从SESP和NENP粒径分布图也可以很明显地看出，喷雾干燥后粒径分布少部分地向较大粒子偏移，获得的SP重组乳液MDD有所增加。同时NP中有少部分的大粒子液滴向小粒子变化，大粒子分布从4%降到了0.7%，获得的重组乳液MDD降低。喷雾干燥过程中产生的粒子粒径变化也可能与雾化器的转速和喷嘴的大小有关[17]。
表1 水包油乳液和重组乳液的平均粒径
Table 1 Droplet size of oil-in-water emulsion and reconstituted emulsion
注：同一列中不同小写字母代表差异显著(P<0.05)(下同)
均质压力/psi样品乳液重组乳液平均粒径/μm标准差/μm平均粒径/μm标准差/μm无均质LELP3.383a0.0531.173b0.1172 000MEMP0.542d0.1160.684c0.1735 000SESP0.221f0.0200.313e0.08122 000NENP0.200f0.0170.173f0.018
a- LELP;b- MEMP;c- SESP;d-NENP
图1 甜橙油水包油乳液和重组乳液的粒径分布
Fig.1 Droplet size distribution of sweet orange oil-in-water emulsions and reconstituted emulsions
2.2 重组乳液粒径对甜橙油纳米微胶囊物理性质的影响
甜橙油纳米微胶囊产品呈疏松粉末状，色泽呈乳白色，无杂质颗粒。由表2可知，NP中总油量最低；同样地，载油率也随着粒径的降低由99.6%降低到77.7%。微射流压力的增加以及通过次数的增加，加速了物料与均质阀之间的摩擦从而导致物料有一定的损失。另外，粒子尺寸越大的粉末其表面油含量越高，其微囊化效率也最低，但所有的不同粒径大小的粉末的微囊化效率都高于95%，表明包埋过程中粉末中的甜橙油挥发少，表面甚少破损。表面油含量与乳液粒径大小有关，低表面油含量对粉末的贮藏稳定性有重要的影响[1]。
表2 甜橙油纳米微胶囊的物理性质
Table 2 Physical properties of encapsulated sweet orange oil
样品总油量/[g·(20 g)-1粉末]表面油量/[mg橙油·(100 g)-1粉末]载油率/%微囊化效率/%LP1.39±0.009a11.40±0.052 9a99.6±0.605a95.9±0.000cMP1.10±0.008c8.09±0.010 0b80.7±0.620c96.3±0.000bSP1.18±0.008b2.97±0.015 2c87.7±0.722b98.7±0.000aNP0.928±0.008d 2.30±0.023 1d77.7±0.700d98.8±0.000a
2.3 重组乳液粒径对甜橙油纳米微胶囊D-柠檬烯稳定性的影响
由图2和图3可知，乳液粒径对D-柠檬烯的稳定性由显著影响。随着粒径降低，NP表现出最低的D-柠檬烯释放速率。随着粒径的增加，LP也表现出较低的释放速率，原因可能是LP比表面积减小降低了D-柠檬烯释放的有效表面积。另外，风味分子以小液滴的形态镶嵌在壁材基质中，风味分子的释放特性也取决于粉末表面多孔性、表面完整性以及风味物质的分布，而这些性质与粉末的形态结构直接相关[23]。喷雾干燥后将粉末立即做扫描电镜，发现4种粉末分散性均较好，少许聚结，且颗粒表面形态大都相同(呈近似立体球形)，但不同的粉末颗粒粒径大小不一样(图4)。经相同湿度贮藏4周后，粉末由于受到水分子的影响表现出不同的颗粒形态变化。如图5所示，相比其他粉末，MP颗粒发生明显聚集，立体球形结构塌陷成大块且粘连，所以MP的表面颗粒形态相比最初颗粒形态最不完整，从而造成MP中D-柠檬烯释放速率提高，稳定性降低。而相较于MP，LP和SP颗粒聚集性较低，大部分能维持其表面球形结构，因此D-柠檬烯还受到基质的保护。NP颗粒经4周后始终保持良好的分散性以及表面形态结构，D-柠檬烯的稳定性显著高于其他大粒径的粉末。REINECCIUS等[13]也表明喷雾干燥后粉末表面颗粒形态越完整D-柠檬烯的稳定性越高。
图2 甜橙油纳米微胶囊在33% RH和37 ℃的贮藏过程中D-柠檬烯释放特性曲线
Fig.2 Release time-courses of D-limonene in encapsulated sweet orange oil stored at 33% RH and 37 ℃
另外，Avrami方程的释放机制参数n与释放机理有关[22]。当n=1时表明为一级反应释放机制，n<1(n=0.54)时表明D-柠檬烯的分子扩散速度受限。当n>1时，表明D-柠檬烯释放速率随着时间加快。由图3可知，NP、SP和LP的n值都在1以下，表明粉末中D-柠檬烯的释放受到扩散机制的影响；MP的n值大于1，表明D-柠檬烯释放速率不受扩散机制限制，D-柠檬烯的释放随着时间的延长而增加。
图3 重组乳液粒径对甜橙油纳米微胶囊在相对湿度33%和37 ℃的贮藏过程中D-柠檬烯释放速率常数和释放机制参数的影响
Fig.3 Effect of reconstituted emulsion size on the release rate constantand release mechanism factor of d-limonene for the encapsulated sweet orange oil stored at retative humidity 33% and 37 ℃
a-LP;b-MP;c-SP;d-NP图4 喷雾干燥后甜橙油纳米微胶囊的扫描电镜图像
Fig.4 Scanning electron microscope images of encapsulated sweet orange oil after spray drying
a-LP；b-MP；c-SP；d-NP图5 甜橙油纳米微胶囊在37 ℃和相对湿度33%下贮藏第4周的表面颗粒形态
Fig.5 Surface Particle morphology of encapsulated sweet orange oil stored at 37 ℃ and relative humidity 33% for 4 weeks
3 结论
比较了不同粒径大小的甜橙油纳米微胶囊的物理性质以及采用Avrami’s公式分析了其在相对湿度33%和37 ℃的贮藏条件下D-柠檬烯的稳定性。结果发现，粒子粒径越大，微胶囊表面油含量越高，微囊化效率越低；纳米尺寸的甜橙油胶囊在贮藏过程中D-柠檬烯释放速率最低，稳定性最高；随着粒径的增加，D-柠檬烯释放速率降低主要是因为比表面积减少；纳米微胶囊的表面颗粒形态对产品的稳定性有显著的影响，粒子表面形态越完整其稳定性越高。
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