肉桂醇微胶囊的制备工艺及其在卷烟中的应用

郭洪辉，张 峰，谢全灵，张廷贵，刘 雯，黄延俊，周培琛，茅中一，洪 专

（1. 自然资源部第三海洋研究所 海洋生物资源开发利用工程技术创新中心，福建 厦门 361005；2. 福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建 厦门 361022）

肉桂为樟科樟属植物肉桂（Cinnamomum cassiaPresl）的干燥树皮，其挥发油含量较高，主要有效成分有肉桂醛、肉桂醇、肉桂酸、香豆素及原儿茶酸等[1-2]。已有报道肉桂油在卷烟加工中的应用，如王晋等[3]合成肉桂酸改性的醋酸纤维素，添加到烟支滤棒中，能吸附卷烟主流烟气中的氨，使氨的释放量降低17.5%；许春平等[4]将肉桂醛微胶囊化，加入卷烟中能有效地减轻卷烟的杂气、降低刺激性，使烟香醇和。肉桂醇有类似风信子的独特香气，有甜味，可用于烟草产品中，但肉桂醇具有较强的挥发性，易氧化，遇光和热不稳定，留香期短[5]，因此，在贮存和使用上受到一定的限制。

当前，在低焦油、低危害、高香气的卷烟市场引领下，增香保润技术一直是烟草行业研究的热点。微胶囊技术是利用天然或合成的高分子材料（壁材）将固体、液体或气体（芯材）经包埋所形成的一种具有半透膜或密封囊膜的微型胶囊技术[6-7]。利用微胶囊技术将挥发性香精制成稳定的香精微胶囊应用于卷烟中，可以避免直接添加香精造成的留香期短、不易加工和贮存的缺陷，不仅能有效地抑制香精的挥发和氧化，增强稳定性，还具有一定的缓释性能[8-10]。

目前，将肉桂醇微胶囊化应用于卷烟中，尚无相关的文献报道。海带是一种大型的经济海藻，含有丰富的活性多糖成分，干海带中海藻酸钠的含量可达25%～30%[11-13]。为此，以海带中提取的海藻酸钠和明胶作为壁材，对肉桂醇进行包埋，考察工艺条件对包埋率的影响，结合造粒机制备肉桂醇微胶囊颗粒，并将其添加到卷烟滤棒中进行增香的研究，旨在为开发新型的烟用增香剂和赋香技术提供试验参考。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 试剂 明胶（食品级）购自河南博洋生物科技有限公司；果胶（食品级）购自西安浩天生物工程有限公司；阿拉伯胶（医药级）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；肉桂醇（98%）购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；海藻酸钠由海洋三所海洋生物资源开发利用工程技术创新中心从海带中提取；吐温60（化学纯）购自西陇科学股份有限公司；乙酸苯乙酯（标准物质）、乙酸乙酯（色谱纯）均购自百灵威公司。其他试剂为分析纯。

1.1.2 仪器 PD500高速分散匀浆机购自英国普律玛仪器有限公司，SY-6000 喷雾干燥机购自上海世远生物设备工程有限公司，YK-160 摇摆式造粒机购自江阴市凯越机械制造有限公司，Quanta450 扫描电镜购自美国FEI 公司，F-2700 紫外可见分光光度计购自日本日立公司，VERTEX70 傅里叶变换红外光谱仪购自德国布鲁克公司，TRACE1310/ISQ LT气相色谱-四极杆质谱仪购自美国Thermo 公司，7890A 气相色谱仪购自美国Agilent公司，RM20H 转盘型吸烟机购自德国Borgwaldt KC 公司。

1.2 肉桂醇微胶囊的制备

1.2.1 制备方法 称取10 g 的海藻酸钠至1 L 纯水中，搅拌溶解，再依次加入一定量的吐温60 和肉桂醇，充分搅拌形成均匀的混合液。配制等体积15 g/L的明胶溶液，在60 ℃水浴中搅拌使其完全溶解，并冷却至室温。将明胶水溶液缓慢加入到混合液中，利用高速分散匀浆机在3 500 r/min 的条件下均质5 min，形成均匀乳化液，在常温下继续搅拌1 h。最后将乳化液进行喷雾干燥，得到肉桂醇微胶囊粉末样品。

1.2.2 肉桂醇含量测定 准确称取10 mg 肉桂醇，用无水乙醇充分溶解后定容至10 mL，得到1 mg/mL肉桂醇乙醇溶液，再用无水乙醇稀释100 倍至0.01 mg/mL 作为储备液，用紫外可见分光光度计在波长220～300 nm对其进行扫描，确定肉桂醇的最大吸收峰为250 nm[5]。

稀释储备液，分别配制质量浓度为1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 µg/mL 的 肉 桂 醇 乙 醇 溶 液，在250 nm 处测定吸光度，即可得到吸光度对肉桂醇质量浓度的标准工作曲线y=0.110 3x+0.016 2，其中R2=0.998 9（y：吸光度；x：肉桂醇质量浓度）。根据吸光度计算样品中肉桂醇含量。

1.2.3 包埋率测定 准确称取0.1 g 肉桂醇微胶囊样品于烧杯中，用10 mL 无水乙醇洗涤过滤。滤液稀释后测定250 nm 处的吸光度，根据标准工作曲线计算微胶囊表面残余的肉桂醇，记为m0。

另称取0.1 g 肉桂醇微胶囊，加入10 mL 无水乙醇，涡旋振荡1 min 后再用超声波超声10 min，分散完全后在6 000 r/min下离心5 min，吸取上清液稀释并测定其在250 nm 波长下的吸光度，根据标准工作曲线计算微胶囊中肉桂醇的总含量[14-15]，记为m1。

式中，Y为肉桂醇微胶囊包埋率，m0为微胶囊表面的肉桂醇含量，m1为微胶囊中的肉桂醇总含量。

1.2.4 壁材筛选 分别配制等质量浓度的明胶、果胶和阿拉伯胶水溶液，按照1.2 的方法，制备肉桂醇微胶囊，并测定肉桂醇含量和包埋率。

1.2.5 单因素试验 按照1.2.1 的方法制备肉桂醇微胶囊，分别考察不同质量浓度的海藻酸钠、明胶、吐温60、肉桂醇及不同反应时间对微胶囊包埋率的影响。

1.2.6 肉桂醇微胶囊的形貌结构表征 取少量肉桂醇微胶囊粉末，喷金后，用扫描电子显微镜（SEM）观察其表面结构；取0.05 g 的肉桂醇微胶囊粉末分散于1 mL无水乙醇中，用激光粒度分析仪测定微胶囊的粒径分布；利用傅里叶变换红外光谱仪对样品进行红外光谱分析，试验样品采用溴化钾压片法制备，样品与溴化钾的质量比为1∶50。

1.3 肉桂醇微胶囊在卷烟中的感官质量评价

为使肉桂醇微胶囊更好地添加到卷烟滤棒中，采用摇摆式造粒机将肉桂醇微胶囊制备成直径0.7～1.4 mm 的颗粒。主要工艺流程：先将肉桂醇微胶囊粉末与50%～75%的乙醇混匀，使其保持湿润状态，再经摇摆式造粒机造粒，得到肉桂醇微胶囊的湿颗粒，在80 ℃下干燥30 min后得到肉桂醇微胶囊颗粒，通过筛网分筛，封装备用。

将肉桂醇微胶囊颗粒按40、50、60、70 mg/支的量以三元空腔的形式加入滤棒制成试验烟，同时以未添加肉桂醇微胶囊的普通滤棒制成烟支作为空白对照。2种卷烟样品吸阻基本一致。将得到的烟支置于22 ℃和相对湿度60%环境中平衡48 h，组织10名专业评吸人员依据YC/T 497—2014《卷烟中式卷烟风格感官评价方法》和YC/T 530—2015《烤烟烟叶质量风格特色感官评价方法》对卷烟进行评吸。

1.4 肉桂醇微胶囊卷烟的逐口释放及稳定性评价

1.4.1 标准溶液配制 分别准确移取一定体积的标准储备溶液（肉桂醇）和内标（乙酸苯乙酯）储备溶液，至50 mL的容量瓶中，用乙酸乙酯定容至质量浓度为5.0～250.0µg/mL 的系列标准溶液，内标质量浓度为2.0µg/mL。使用转盘型吸烟机抽吸20 支对照卷烟，采用剑桥滤片捕集总粒相物。滤片用10 mL 乙酸乙酯萃取，萃取液采用10 mL 饱和NaCl溶液和0.5 mL 50 g/L 盐酸洗涤，经无水硫酸钠干燥后，用0.45 µm 聚四氟乙烯（PTFE）滤膜过滤，得到烟气基质溶液。分别移取2.0 mL 烟气基质溶液加入系列标准溶液，摇匀，静置，得到烟气基质匹配标准溶液。

1.4.2 卷烟样品制备 将肉桂醇微胶囊颗粒按50 mg/支的量以三元空腔的形式加入滤棒制成试验烟，以添加了等量肉桂醇的烟支作为对照组。2 种卷烟样品吸阻基本一致。

1.4.4 稳定性评价 任意取20 支试验卷烟和对照卷烟分别放置1、15、30 d、60 d，用直径44 mm 剑桥滤片捕集每支卷烟整个抽吸过程的主流烟气中的总粒相物，每个滤片用10 mL内标萃取液萃取，超声萃取30 min，萃取液经0.45µm 滤膜过滤后，得到样品溶液，并按1.4.3中的检测条件测定抽吸过程中总烟气的肉桂醇含量。

1.5 数据处理

所有试验均重复3次，结果表示为平均值±标准差，使用Excel 2013作图分析。

2 结果与分析

2.1 肉桂醇微胶囊制备工艺优化结果

2.1.1 壁材筛选 将明胶、果胶和阿拉伯胶分别与海藻酸钠复合，制备肉桂醇微胶囊，其肉桂醇含量和包埋率如图1 所示。从图1 可以看到，以明胶为复合壁材制备的微胶囊，肉桂醇含量为13.7%，包埋率约为80%，均明显高于果胶和阿拉伯胶。故选择明胶与海藻酸钠复合制备肉桂醇微胶囊。

图1 不同壁材对肉桂醇微胶囊中肉桂醇含量和包埋率的影响Fig.1 Effects of different wall materials on cinnamyl alcohol content and embedding rate of cinnamyl alcohol microcapsules

2.1.2 单因素试验结果 如图2a所示，随着海藻酸钠质量浓度的增加，肉桂醇微胶囊的包埋率先增大后逐渐减小。当海藻酸钠质量浓度低于10 g/L 时，有可能造成微胶囊的机械强度不够，孔隙增多，肉桂醇在包埋过程中容易扩散出微胶囊。海藻酸钠质量浓度高于10 g/L时，乳液会更加黏稠，流动性降低，不利于喷雾干燥，肉桂醇的损失量增加[4]。因此，海藻酸钠最佳质量浓度为10 g/L。

明胶质量浓度对微胶囊包埋率的影响如图2b所示。随着明胶质量浓度的增加，肉桂醇微胶囊的包埋率逐渐增大，在明胶质量浓度为15 g/L时，微胶囊的包埋率最大，而后逐渐下降。因此，明胶的最佳质量浓度为15 g/L。

从图2c 可以看出，随着吐温60 添加量的增加，微胶囊的包埋率也进一步增大，在添加量为2 g/L时，微胶囊的包埋率达到最大，而后缓慢下降。由此可见，吐温60 的最佳质量浓度为2 g/L，在此条件下乳液最为稳定。

肉桂醇质量浓度对微胶囊包埋率的影响见图2d。肉桂醇作为芯材，添加量增大时，会造成芯壁比升高，壁材对肉桂醇的包埋能力下降。从图2d可以看到，当肉桂醇质量浓度为20 g/L时，微胶囊的包埋效果最佳。

形成乳液的搅拌时间对包埋率的影响如图2e所示，适当增加反应时间会提高包埋率，当反应时间为1 h 时，包埋率达到最高，而后包埋率随着反应时间的延长反而逐渐降低。

图2 海藻酸钠（a）、明胶（b）、吐温60（c）、肉桂醇（d）的质量浓度和反应时间（e）对肉桂醇微胶囊包埋率的影响Fig.2 Effects of concentration of sodium alginate（a），gelatin（b），Tween 60（c）and cinnamyl alcohol（d）and reaction time（e）on embedding rate of cinnamyl alcohol microcapsules

2.1.3 形貌表征 采用最佳反应条件制备肉桂醇微胶囊乳液，设定喷雾干燥机的进风温度为125 ℃，出风温度为90 ℃，进料速度为10 mL/min，对微胶囊乳液进行喷雾干燥。在此条件下，制备的肉桂醇微胶囊样品肉桂醇含量为27.2%，微胶囊包埋率为82.1%。

如图3a 所示，通过扫描电镜观察，肉桂醇微胶囊大多呈球形结构，粒径主要分布在5～30µm，表面结构完整，有大量的褶皱但少有裂纹。图3b为肉桂醇微胶囊的粒径分布情况，可以看出，平均粒径为8.1µm，粒径的分布范围与扫描电镜观察结果基本相符。

图3 肉桂醇微胶囊的SEM结果（a）及粒径分布（b）Fig.3 SEM（a）and particle size distribution（b）of cinnamyl alcohol microcapsules

2.1.4 红外分析 肉桂醇的红外光谱（图4a）中，3-320.37 cm-1为肉桂醇的羟基特征峰，2 862.33 cm-1为C-H 的伸缩振动峰，1 662.84 cm-1、965.33 cm-1和918.31 cm-1均为-CH=CH- 的伸缩振动峰，3 027.79 cm-1、738.02 cm-1和689.61 cm-1均为苯环上氢键的伸缩振动峰[16]。肉桂醇微胶囊的红外光谱（图4b）中，出现了明胶的酰胺Ⅰ带1 636.63 cm-1，酰胺Ⅱ带1 543.28 cm-1和酰胺Ⅲ带1 248.00 cm-1[17]，以及海藻酸中C-O-C 的伸缩振动峰1 030.62 cm-1[18]。肉桂醇经包埋后，-OH 的伸缩振动峰移至3 420.12 cm-1，原位于965.33 cm-1的-CH=CH-伸缩振动峰蓝移至969.28 cm-1，苯环上氢键的伸缩振动分别移至741.09 cm-1和694.33 cm-1。

图4 肉桂醇（a）及肉桂醇微胶囊（b）的红外分析结果Fig.4 Infrared spectrum analysis results of cinnamyl alcohol（a）and cinnamyl alcohol microcapsules（b）

2.2 肉桂醇微胶囊在卷烟中的感官质量评价

50 mg/支时，卷烟的抽吸效果最佳。肉桂醇微胶囊的加入使得卷烟的香韵明显增强，香气丰满性提升，而且与自然烟香协调，能降低刺激性，舒适性好。

表1 不同肉桂醇微胶囊添加量的卷烟评吸效果Tab.1 Cigarette smoking effect of different dosages of cinnamyl alcohol microcapsules

从图5a 可以看出，在香气风格方面，添加肉桂醇微胶囊能够明显增强卷烟的辛香、花香、甜香等香韵，对清香、果香、奶香、膏香、烘焙香等香韵无影响，且烟支燃吸过程香韵特征的一致性好于对照样。从图5b 可以看出，在烟气特性方面，添加肉桂醇微胶囊的卷烟能够改善烟气的细腻、柔和度，增加润感，且能够掩盖杂气，对香气、丰富性、劲头、浓度等指标无影响。

图5 添加50 mg/支肉桂醇微胶囊与未添加肉桂醇微胶囊卷烟的香气风格（a）和烟气特性（b）感官评价结果Fig.5 Aroma style（a）and smoke characteristic（b）of cigarettes with 50 mg/stick of cinnamyl alcohol microcapsules and without cinnamyl alcohol microcapsules

2.3 肉桂醇微胶囊卷烟的逐口释放分析

含有肉桂醇微胶囊卷烟和对照卷烟（含等量肉桂醇的卷烟）烟气中肉桂醇的逐口释放规律如图6所示。通过对比可以看出，虽然卷烟中含等量的肉桂醇，但两者的释放规律完全不同。对照卷烟的肉桂醇逐口释放量随着抽吸口序的递增呈指数级上升，而含有肉桂醇微胶囊的卷烟，第1 口释放量较低，第2～6口呈现逐口均匀上升的趋势，但总体上较为稳定。

图6 肉桂醇微胶囊对卷烟烟气中肉桂醇逐口释放的影响Fig.6 Effect of cinnamyl alcohol microcapsules on the puff-by-puff release of cinnamyl alcohol in cigarette smoke

2.4 肉桂醇微胶囊卷烟的贮存稳定性

不同放置时间对含有肉桂醇微胶囊的卷烟及对照卷烟的影响如图7 所示。从图7 可以看出，放置1 d 时，两者抽吸过程中总烟气的肉桂醇含量几乎相等。随着放置时间的延长，对照卷烟烟气中的肉桂醇含量急剧下降，与含有肉桂醇微胶囊卷烟相比，两者的差距明显拉大，在15 d 时下降到约1.86µg/支；当放置60 d 时，总烟气的肉桂醇含量约为初始值的71.8%。而含有肉桂醇微胶囊的卷烟在长时间放置时，抽吸过程中总烟气的肉桂醇含量明显较对照卷烟稳定，在放置60 d 时，烟气中肉桂醇含量约为2.08µg/支，为初始值的87.4%。

图7 肉桂醇微胶囊对卷烟贮存稳定性的影响Fig.7 Effect of cinnamyl alcohol microcapsules on storage stability of cigarettes

3 结论与讨论

3.1 肉桂醇微胶囊壁材筛选

在进行微胶囊壁材筛选时，分别考察了明胶、果胶和阿拉伯胶与海藻酸钠复合对包埋的影响。试验结果表明，明胶与海藻酸钠作为复合壁材时制备的肉桂醇微胶囊包埋效果最好。这可能是因为与果胶相比，明胶具有更好的胶凝性、机械性能和成膜性，可以增加微胶囊的强度和弹性，提高包埋率[19]。明胶和阿拉伯胶均含有蛋白质基团，属于天然高分子乳化剂，当包裹肉桂醇时，亲油基通过静电相互作用吸附肉桂醇，而外部的亲水基通过溶胀或电离与水发生相互作用，从而将肉桂醇与水隔离[20]。与明胶不同的是，阿拉伯胶是多糖和蛋白质的组合结构，对油水界面的亲和力较低，乳化效果较差[21]。阿拉伯胶作为复合壁材时的包埋率明显低于明胶，而且阿拉伯胶与海藻酸钠复合容易出现样品结块成团的现象，因此，选用明胶与海藻酸钠复合制备肉桂醇微胶囊。采用最佳反应条件制备肉桂醇微胶囊，红外光谱分析显示，以海藻酸钠、明胶作为复合壁材能够有效地包埋肉桂醇。

3.2 肉桂醇微胶囊增强卷烟的香韵

香精微胶囊的加入能在一定程度上提高卷烟的吸食品质，如许春平等[4]将肉桂醛微胶囊添加于卷烟滤棒与烟支接合处，能促进烟香醇和，刺激性减弱，但其气息偏重，不能很好地与烟草本香协调；白晓莉等[22]将树花精油微胶囊添加于卷烟的滤棒中，能使卷烟的香气量和香气质略有增加，茶香香韵增加明显[19]。香精微胶囊可添加于卷烟的烟丝中、滤棒和烟丝之间或滤棒中，本研究将肉桂醇微胶囊添加于卷烟的滤棒中，烟支燃吸时微胶囊中包裹的肉桂醇开始释放，防止了香精直接燃烧而改变风味，既能保持肉桂醇原有的香味，又能衬托出卷烟的特征香气[9]。与其他香精微胶囊相比，肉桂醇微胶囊的添加不仅能使卷烟的香韵明显增强，而且与自然烟香更加协调，舒适性更好。

3.3 肉桂醇微胶囊具有缓释效果

肉桂醇微胶囊添加到卷烟滤棒中可以显著改善肉桂醇逐口释放的均匀稳定性，使香气更加持久协调。这说明微胶囊包覆对肉桂醇起到了良好的保护作用。本研究采用海藻酸钠与明胶的复合壁材，明胶能与海藻酸钠通过范德华力、氢键和静电作用等多种力相互作用[22]，弥补了单一壁材的缺陷，缓释效果更好，在受热时，复合微胶囊壁材逐渐发生形变，产生孔洞或裂缝，使包裹其中的肉桂醇扩散而缓慢释放出来，避免了未包覆时肉桂醇高温突释的现象[23-24]。

3.4 肉桂醇微胶囊提高贮存稳定性

在稳定性试验中，添加肉桂醇微胶囊的卷烟，在抽吸过程中总烟气的肉桂醇含量随时间的延长下降缓慢，与对照卷烟相比，稳定性得到明显改善，表明肉桂醇经微胶囊包埋后减少了肉桂醇分子的外逸，海藻酸钠作为一种天然阴离子多糖，其分子链上含有大量极性基团，易与明胶相结合，在肉桂醇香精外形成一层包覆良好、致密的复合囊膜，有效抑制了肉桂醇挥发，增强了贮存的稳定性[25-26]。

综上可知，将肉桂醇微胶囊添加于卷烟滤棒中，能够明显增强卷烟的香韵，改善烟气的细腻、柔和度，增加润感，且能有效掩盖杂气，降低刺激性，使烟香醇和。与直接添加肉桂醇的卷烟相比，含肉桂醇微胶囊的卷烟逐口释放量更加均匀平稳，贮存的稳定性也明显提高。本研究利用可规模化生产的肉桂醇微胶囊增香，大大提升了卷烟的香气和烟气特征，为新型增香剂在卷烟中的应用提供方法和技术的支撑。