沉香精油微胶囊的制备及其在卷烟纸中的应用研究

秦　艳，康林芝，云　帆，王　娜，唐惠奇

（广州市澳键丰泽生物科技股份有限公司，广东广州　510760）



沉香精油微胶囊的制备及其在卷烟纸中的应用研究

秦艳，康林芝，*云帆，王娜，唐惠奇

（广州市澳键丰泽生物科技股份有限公司，广东广州510760）

对沉香精油微胶囊的制备工艺进行了优化，并将制备的沉香精油微胶囊添加到卷烟纸中对卷烟进行加香试验。在单因素试验基础上选取试验因素与水平，根据Box-Behnken Design（BBD）设计三因素三水平的响应面分析法，依据回归分析确定工艺条件的影响因素，以沉香精油包埋率为响应值做响应面分析试验。结果表明，沉香精油微胶囊制备的最佳工艺为明胶∶阿拉伯胶=1∶1（m∶m），壁材总浓度1.07%，芯壁比例3∶2，谷氨酰胺转氨酶浓度0.19%，酶固定化时间6 h，沉香精油的包埋率可达98.18%；制备的微胶囊化沉香精油能有效地掩盖卷烟杂气，降低卷烟刺激性，使卷烟具有甜润感，且烟气柔和细腻。

沉香精油；微胶囊；响应面分析；卷烟

0　引言

沉香为瑞香科沉香属植物白木香Aquilaria sinensis（Lour.）Gilg含树脂的木材，亦称为国产沉香、中国沉香［1］。沉香味辛、苦，性微温，具有行气止痛、温中止呕、纳气平喘之功效［2］，分布于广东、海南、广西、福建等地。沉香的有效成分是沉香精油，其主要成分包括倍半萜类、芳香族化合物及少量的脂肪酸等［3］。沉香精油常作为天然植物精油应用于烟草中，因为它不仅具有独特的香气和风味，而且对人体的中枢神经系统、消化系统、呼吸系统、循环系统有一定的功效。此外，沉香还具有一定的抗菌作用［4］。但是，当沉香精油加入卷烟纸中用于加香时，存在挥发性强的问题，且易氧化或遇光分解，造成香精原料的浪费且效果不明显，使其不能很好地运用。

微胶囊技术，即微胶囊化（Microencapsulation）是一种用成膜材料把固体或液体包覆形成微小粒子的技术［5-6］。将高挥发性的香料通过微胶囊包覆，可以提高香料的稳定性，使其能够在燃吸状态下释放出香气成分，起到改进卷烟主流烟气味道与品质的作用，达到增香的目的。本研究主要是研究制备一种沉香精油微胶囊，并在卷烟纸制造过程中施加，以其增加燃吸时芯材的释放，为沉香精油在烟草加工提供一定的基础。

1　试验材料与仪器

1.1试验材料与试剂

沉香精油，采用超临界CO2流体萃取法制取；明胶、阿拉伯胶、醋酸、氢氧化钠均为分析纯，广州化学试剂公司产品；谷氨酰胺转氨酶，酶活60 U/g（食品级），广州市暨生元生物科技有限公司产品。

1.2试验仪器

UV-2100型紫外可见分光光度计，尤尼柯上海仪器有限公司产品；ZY-8000型喷雾干燥机，上海紫裕公司产品；电子显微镜，日本NIKON公司产品。

2　试验方法

2.1微胶囊的制备

称取一定质量的明胶和阿拉伯胶，其中明胶和阿拉伯胶的比例为1∶1，将称取的2种胶体置于40℃水浴中，加热使其充分溶解于一定量的蒸馏水中，然后将这2种溶液混合均匀，再加入一定量的沉香精油，用高速分散机在10 000 r/min条件下持续乳化2～3 min，形成均匀的乳状液。

将均匀乳状液倒入三角瓶中，加蒸馏水稀释到一定的质量浓度，于40℃下搅拌，并用10%的醋酸溶液调节体系到一定的pH值，使明胶与阿拉伯胶产生凝聚，并恒温15 min。凝聚相在油性囊芯周围聚集并形成包覆。

用冰水浴使体系降温至10℃左右，并用10%的氢氧化钠溶液调节pH值至6.0，加入谷氨酰胺转氨酶，维持低速搅拌一定的时间，使微胶囊固化，得到微胶囊分散液。

将微胶囊分散液静止分层，移去少量上清液后直接对其进行喷雾干燥，可得固态流动性的粉末微胶囊。

2.2微胶囊品质评价方法

2.2.1微胶囊沉香精油产品的感官检验

将沉香精油微胶囊产品倒在干净桌面上，在自然光下观察产品颜色、形状和气味。

2.2.2微胶囊包埋效率的测定

（1）微胶囊表面沉香精油的测定方法。称取一定量的沉香精油微胶囊放入具塞三角瓶中，加40 mL无水的二氯甲烷，振荡2 min，过滤，取滤液并加入一定量的无水硫酸钠除水，过滤后滤液旋转蒸发，称量，可得微胶囊表面沉香精油的质量。

（2）微胶囊中沉香精油总量的测定方法。称取一定量的沉香精油微胶囊放入具塞三角瓶中，加40 mL无水二氯甲烷，在30℃条件下振荡30 min，过滤，取滤液并加入一定量的无水硫酸钠除去水分，过滤，滤液旋转蒸发，称量，可得微胶囊中沉香精油的总质量。

（3）微胶囊包埋效率的测定。计算微胶囊产品中被包埋的沉香精油质量与微胶囊产品中沉香精油总质量之比，并以百分数表示。

2.3沉香精油微胶囊的卷烟加香感官评价试验

将添加沉香精油微胶囊的卷烟纸卷制成卷烟，编号为A；以添加未经微胶囊化得沉香精油卷烟纸卷制成卷烟，编号为B；以未加沉香精油的卷烟纸制成空白卷烟，编号为KB，组织专家进行感官评定。感官评吸的要求，参照烟草行业YC/138—1998（烟草及烟草制品感官评价方法）［7］中的相关条款执行。

3　结果与分析

试验采用复凝聚法制备沉香精油，选取明胶、阿拉伯胶作为壁材来包埋芯材沉香精油，考察可能影响沉香精油包埋率和稳定性的几个因素（壁材总浓度、芯壁比、凝聚pH值、搅拌速度），并对沉香精油微胶囊的制备工艺进行了响应面优化试验。

3.1凝聚pH值对沉香精油包埋率的影响

在不同凝聚pH值条件下制备沉香精油微胶囊，其他条件（G∶A=1∶1，壁材总浓度1%，芯壁比例1∶1，谷氨酰胺转氨酶浓度0.15%，酶固定化时间6 h）相同，计算不同凝聚pH值条件下沉香精油的包埋率。

凝聚pH值对沉香精油包埋率的影响见图1。

图1　凝聚pH值对沉香精油包埋率的影响

由图1可知，当凝聚pH值增加到4.0时，此时包埋率达到最大值；且随着凝聚pH值的继续增大，包埋率无显著差异。这主要是因为高分子壁材的电荷和电荷密度会随着凝聚pH值的变化而变化。Daniels R等人［8］研究表明复凝聚的最佳pH值与电平衡pH值有关，在电平衡pH值时，2种高分子电解值携带的相反电荷量相等。此时，2种高分子电解质分子之间的引力最大，形成的键强度也最大，所以这时微胶囊的包埋效果最好。Weinbreak F等人［9-10］也指出凝聚pH值对凝聚相的黏度影响很大，在特定凝聚pH值条件下，凝聚相的黏度较高，成囊效果好，制备的微胶囊效果也好。当明胶与阿拉伯胶的比例为1∶1，凝聚pH值为4.0时成囊好，微胶囊包埋效率也比较高。因此，试验选取凝聚pH值为4.0。

3.2壁材总浓度对沉香精油包埋率的影响

在不同壁材总浓度条件下制备沉香精油微胶囊，其他条件（G∶A=1∶1，凝聚pH值4.0，芯壁比例1∶1，谷氨酰胺转氨酶浓度0.15%，酶固定化时间 6 h）相同，计算不同壁材质量浓度条件下沉香精油的包埋率。

壁材总浓度对沉香精油包埋率的影响见图2。

图2　壁材总浓度对沉香精油包埋率的影响

由图2可知，随着壁材总浓度由0.5%上升到1.5%，沉香精油的包埋率随着浓度的上升而增加；当总浓度继续增加到4.0%，沉香精油的包埋率反而下降了。这可能是因为壁材总浓度的增加，芯材浓度也会随着增加，此时单位面积中凝聚液滴和乳状液滴增加，就更容易相互碰撞，聚集形成不规则的状态。Burgess D F等人［11］的研究表明，当凝聚相的黏度较高时，虽然有利于形成更稳定的胶囊，但是如果黏度过高，包埋效果反而会减弱。壁材的浓度过低，虽然会有胶囊形成，但生产率降低。试验表明，当壁材的总浓度为1.0%时，微胶囊的包埋率最高，此时形成的微胶囊也比较均匀，没有大的结块。

3.3芯壁比例对沉香精油包埋率的影响

在不同芯壁比例条件下制备沉香精油微胶囊，其他条件（G∶A=1∶1，凝聚pH值为4.0，壁材总浓度为1.0%，谷氨酰胺转氨酶浓度为0.15%，酶固定化时间为6 h）相同，计算不同芯壁比例条件下沉香精油的包埋率。

芯壁比例对沉香精油包埋率的影响见图3。

图3　芯壁比例对沉香精油包埋率的影响

复合凝聚微胶囊技术的一个重要优势就是香精装载量高［12］，确定合适的芯壁比是提高沉香精油包埋率的一个关键因素。如果芯材含量过高，反应结束后漂浮表面的精油含量增加，芯材的利用率下降，造成芯材的浪费；如果壁材含量过高，芯材包埋量少，则会造成壁材的浪费。由图3可知，当芯壁比例为3∶2时，沉香精油的包埋率最大；比例过小或过大，沉香精油的包埋率减小。因此，试验选取的芯壁比例为3∶2。

3.4酶浓度对沉香精油包埋率的影响

在固化剂谷氨酰胺转氨酶浓度不同的条件下制备沉香精油微胶囊，其他条件（G∶A=1∶1，凝聚pH值为4.0，芯壁比3∶2，壁材总浓度为1.0%，酶固定化时间为6 h）相同，计算不同谷氨酰胺转氨酶浓度条件下沉香精油的包埋率。

酶浓度对沉香精油包埋率的影响见图4。

图4　酶浓度对沉香精油包埋率的影响

谷氨酰胺转氨酶已广泛应用于各类食品中［13］，试验选取谷氨酰胺转氨酶（Transglutaminase，TG） 作为沉香精油微胶囊制作的固化剂。酶法固化具有交联作用强、无毒等优点，且制备的微胶囊壁膜具有很好的热稳定性，密封性能也比较好。由图4可知，在特定的条件下，随着TG酶浓度的增加，包埋率逐渐升高；当酶浓度超过0.15%后，沉香精油的包埋率没有显著提高。因此，试验选取的酶浓度为0.15%。

3.5酶固定化时间对沉香精油包埋率的影响

酶固定化时间对沉香精油包埋率的影响见图5。

图5　酶固定化时间对沉香精油包埋率的影响

在酶固定化时间不同的条件下制备沉香精油微胶囊，其他条件（G∶A=1∶1，凝聚pH值为4.0，芯壁比例为3∶2，壁材总浓度为1.0%，谷氨酰胺转氨酶浓度为0.15%）相同，计算不同酶固定化时间条件下沉香精油的包埋率。

由图5可知，随着酶固定化时间的增加，沉香精油的包埋率显著上升；但当酶固定化时间超过4 h以后，沉香精油的包埋率没有显著增加。酶用量和固定化时间呈负相关关系，酶用量多时所需时间短，酶用量少时所需时间长。固化好的微胶囊密封性大大加强，温水中加热时间再长囊壁也不会破裂，只会缓慢释放芯材。因此，试验选取酶固定化时间为4 h。

3.6制备沉香精油微胶囊工艺的响应面优化试验

响应面分析法已经广泛应用于食品工业、化工、生物技术等方面，其目的是在现有的试验基础上寻找到试验范围上因素的最佳组合和响应值的最优值，以确定最佳提取工艺参数［14］。

3.6.1响应面优化试验设计

根据单因素试验对凝聚pH值、壁材总浓度、芯壁比例、谷氨酰胺转氨酸浓度、酶固定化时间进行综合考虑，采用三因素三水平，根据Box Behnken Design（BBD）设计法设计微胶囊包埋沉香精油的响应面试验。

响应面三因素三水平试验设计见表1，Box-Behnken设计方案及其响应值见表2。

表1　响应面三因素三水平试验设计

表2　Box-Behnken设计方案及其响应值

3.6.2响应面试验数学模型的建立

按照Design Expert软件中的Box-Behnken Design模型对表2的数据进行多元回归拟合，得到沉香精油包埋率对芯壁比例（A）、酶浓度（B）、壁材总浓度（C）的二次多项回归模型为：

Y=97.66+1.53A+3.08B+2.36C-15.34A2-7.44B2-7.64C2+1.32AB-0.11AC-1.16BC.

表3　二次模型的方差分析结果

二次模型的方差分析结果见表3。

由表3可知，模型显著性水平p＜0.000 1，表明二次方程模型达到极显著水平；R2和AdjR2分别为0.997 5和0.994 3说明该模型拟合度良好，同时失拟项p=0.069＞0.05，即模型差异不显著，说明模型残差均由随机误差引起。

对回归模型系数显著性检验结果可知，回归方程的一次项A、B差异极显著，C差异显著；二次项A2，B2，C2差异极显著，交互项除AC极显著，AB与BC差异高度显著。

综上所述，说明模型拟合程度良好，试验误差小。因此，该模型可较好地描述各因素与相应值之间的真实关系，可利用模型来分析和预测制备沉香精油微胶囊的工艺结果。

3.6.3响应面优化与分析

利用Design Expert 7.1.6软件，绘制各影响因素对沉香精油包埋率的响应曲面图，分析芯壁比例（A）、酶浓度（B）、壁材总浓度（C）对沉香精油包埋率的影响。响应曲面的坡度平缓说明随着处理条件的变化，响应值的大小不受影响；但当曲面坡度陡峭时，则说明响应值对处理条件的改变非常敏感［15］。

芯壁比例与酶浓度对沉香精油包埋率的影响见图6，芯壁比例与壁材总浓度对沉香精油包埋率的影响见图7，壁材总浓度与酶浓度对沉香精油包埋率的影响见图8。

由图6～图8可知，芯壁比例、酶浓度、壁材总浓度对沉香精油包埋率的影响极为显著，表现为曲面较陡，其中壁材总浓度对沉香精油包埋率的影响最大。另外，结合等高线的疏密程度可看出，图6和图7响应面曲面较陡且等高线较紧密，故酶浓度与芯壁比例、壁材总浓度与芯壁比例之间的交互作用较强，而壁材总浓度与酶浓度之间的交互作用较弱。

图6　芯壁比例与酶浓度对沉香精油包埋率的影响

图7　芯壁比例与壁材总浓度对沉香精油包埋率的影响

图8　壁材总浓度与酶浓度对沉香精油包埋率的影响

3.6.4优化与验证

从上述回归模型中求得最优工艺条件为芯壁比例3∶2，酶浓度0.19%，壁材总浓度1.07%，沉香精油包埋率的理论值为98.176 4%。由于以上最佳条件未包括在响应面优化的17组试验中，需进一步进行试验验证。为了操作方便，将以上条件修正为芯壁比例3∶2，酶浓度0.19%，壁材总浓度1.1%。验证试验结果表明，在最佳提取条件下，沉香精油包埋率为97.810%（RSD=0.58%）与预测值相差不大，说明该方程与实际情况拟合很好，充分验证了所建模型的正确性，说明响应面法适用于优化制备沉香精油微胶囊的工艺。

3.7沉香精油微胶囊在卷烟中的应用结果

表4　添加微胶囊香料的卷烟样品感官评价

添加微胶囊香料的卷烟样品感官评价见表4。

对添加沉香精油微胶囊的卷烟进行感官评价，主要从香气特征、烟气特征及口感特征3个方面对卷烟进行评价，香气特征主要包括香气质、香气量和协调性3个方面，烟气特征包括细腻程度、刺激性和杂气3个方面，口感特征主要从刺激性、甜度及干净程度来进行评价。

由感官评价结果可以看出，卷烟A、卷烟B与空白对照组相比，二者的整体感官品质有很大的提高。烟气特征方面，卷烟A烟气细腻程度明显增加、刺激性明显降低、杂气显著降低，卷烟B较空白组加香效果有所增加，但弱于卷烟A；香气特征方面，卷烟A和B的香气优于KB组，且协调性也有所提高且卷烟A优于卷烟B；口感特征方面，卷烟A的刺激性、甜度及干净程度均是最好的。因此，利用微胶囊化沉香精油对卷烟进行加香可以很好地改善卷烟的吃味、降低刺激、改善香气质和杂气。

［1］中国医学科学院药物研究所.中草药现代研究第3卷 ［M］.北京：北京医科大学/北京协和医科大学联合出版社，1997：46-58.

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［3］林峰，梅文莉，吴娇，等.人工结香法所产沉香挥发性成分的GC-MS分析 ［J］.中药材，2010，33（2）：222-225.

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［5］梁治齐.微胶囊技术及其应用 ［M］.北京：中国轻工业出版社，1999：1-53.

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［13］王金水，赵谋明.转谷氨酰胺酶的性质、制备及在食品加工中的应用 ［J］.中国调味品，2005（9）：13-19.

［14］余小翠，刘高峰.响应面分析法在中药提取和制备工艺中的应用 ［J］.中药材，2010，33（10）：1 651-1 655.

［15］陈莉，屠康，王海，等.采用响应面曲面法对采后红富士苹果热处理条件的优化 ［J］.农业工程学报，2006，22（2）：159-163.◇

Manufacturing Microcapsules of Eaglewood Oil and Application in Cigarette Paper

QIN Yan，KANG Linzhi，*YUN Fan，WANG Na，TANG Huiqi
（Guangzhou Alchemy Biotechnology Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510760，China）

The technology of preparing eaglewood oil microcapsules is studied，and the sensery evaluation of application in cigarette are assessed.Based on the single factor analysis，a 3-factor，3-level Box-Behnken experimental design is applied to evaluate the effect of the three factors，including wall-materials concentration，core-to-wall materials ratio and enzyme concentration.The optimal preparation conditions are as follow：the ratio of gelatin and sodium alginate is 1∶1（m∶m），the wall-materials concentration of 1.07%，ratio of core wall is 3∶2，glutamine transaminase concentration of 0.19%，the immobilization time of enzyme is 6 h.Under these conditions，the embedding rate of eaglewood oil can reach 98.18%.In addition，the application of microcapsules in tobacco papers showed that eaglewood oil microencapsulation successfully reduced the offensive odor and irritancy of tobacco，enhanced the sweet ordor of cigarette，and it also maked the smoke gas soft and fine.

essential oil of eaglewood；microcapsules；response surface methodology；tobacco

TS195.2

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.07.032

1671-9646（2016）07b-0009-05

2016-06-03

秦艳（1985— ），女，硕士，研究方向为农产品加工及贮藏工程。*

云帆（1974— ），男，硕士，研究方向为食品生物技术及管理。