《食品科学》：大连工业大学食品学院秦磊教授等：不同壁材对超声波喷雾-冷冻干燥制备香味缓释微胶囊的影响
微胶囊技术是食品加工中常用的方法，在国际上被广泛认可，也被视为二十一世纪开发研究的重点技术之一。不同挥发性物质在微胶囊中的保留能力与其本身分子直径、分子结构和不同的壁材等因素有重要关系。其中，选择制作微胶囊的壁材，是研发人员在食品生产中最为关注的重点。一般都会采用碳水化合物、脂类和蛋白质等类似物质作为微胶囊壁材，进而达到保留风味物质的效果。干燥是制作微胶囊的工艺核心。超声波喷雾-冷冻干燥技术结合喷雾干燥和冷冻干燥的优势，降低工艺成本，增大干燥接触面积，最终形成微胶囊粉体，由此减少挥发性成分的流失。
大连工业大学食品学院的赵凤、郑旭、秦磊*等人利用实验室搭建的超声波喷雾冷冻干燥器，选择食品领域常见的7 种壁材(
-环糊精、-环糊精、明胶、壳聚糖、葡聚糖、海藻糖、辛烯基琥珀酸淀粉钠)，对32 种风味标准品进行包埋，通过比较不同壁材的微观结构、包埋量和释放效果，对不同壁材进行评价和筛选，为速食的风味保留提供可行思路。
超声波喷雾-冷冻干燥装置制备微胶囊的过程如图1所示，大致上可以分为3 个步骤：雾化、冻结和干燥。首先使用注射泵带动样品液体通过管道输送到超声波喷头进行雾化。雾化器喷头能改善液滴的分散状态，能够生成均匀散发状的液滴，进而达到更好的雾化效果。然后雾化后的小液滴进入冷介质液氮中迅速形成悬浮的冻结颗粒，此过程需放置磁力搅拌器进行持续搅动，使液体样品均匀冻结。冻结过程是雾化后的液滴在低温条件下变成冰晶颗粒的过程，可分为快速冻结和慢速冻结。快速冻结维持的时间短，可形成细小状的冰晶，且颗粒结构分布均匀。慢速冻结由于冻结速度慢、维持的时间长，形成的冰晶形态粗大，且颗粒结构分布不均匀。最后使用真空冷冻干燥将冻结后的颗粒进行脱水处理除去溶剂，从而制备出来均匀的微胶囊粉体。
通过超声波喷雾-冷冻干燥技术制备的7 种不同壁材的微胶囊都呈现均匀粉体状，但当微胶囊粉体处于外部环境时，由于不同包埋壁材微胶囊的吸水性差异，会导致易吸水的微胶囊产生聚集，从而要进一步使用扫描电镜观察不同壁材包埋挥发性风味物质形成的微胶囊之间的微观结构差异。7 种壁材的微胶囊经扫描电镜放大300 倍和2 000 倍所观察到的微观结构如图2所示。由图2能够准确的看出，以壳聚糖、
-环糊精和辛烯基琥珀酸淀粉钠为壁材包埋的风味微胶囊发生聚集，体现出很差的颗粒性。而以葡聚糖、海藻糖、-环糊精和明胶为壁材包埋的风味微胶囊放大300 倍后均有较好的颗粒性，且经过对比微胶囊粒径可发现，以葡聚糖和海藻糖包埋的微胶囊颗粒分散较为均匀，具有较小的粒径，但-环糊精和明胶包埋的微胶囊颗粒相对较大，具有较大的粒径。在放大2 000 倍后的微胶囊球体显示出一定的结构差异，以葡聚糖和海藻糖包埋的微胶囊球体表面十分光滑，相比之下，以明胶和-环糊精包埋的微胶囊球体表面粗糙，可能是包埋量过大，导致微胶囊表面吸附上挥发性风味物质。被包埋的微胶囊需尽可能的避免出现孔径和裂痕，否则会逐渐失去壁材的保护效果，因此导致芯材的流失。表面十分光滑的圆球状是超声波喷雾-冷冻干燥制备的微胶囊理想形态，实际上会由于不同壁材性质和不同生产的基本工艺条件而使微胶囊形态产生差异。
经喷雾干燥后的7 种微胶囊壁材包埋挥发性风味物质的包埋率如图3所示。7 种壁材相比之下，
-环糊精所包埋风味物质的包埋率普遍较高，这与它特殊的结构有关。-环糊精是由7 个葡萄糖分子环状接连而形成的化合物，内部结构表现为疏水，外部结构表现为亲水，能更好地保护内部包埋物，尤其是极性较小的化合物。从芯材角度而言，分子质量较大、挥发性较低和极性较小的风味物质能更好地被包埋，如芳香族类化合物（苯甲腈、苯甲酸甲酯、苯甲醛、苯乙酮、苯并噻唑、麝香草酚）的包埋率较高，而分子质量较小、挥发性较高以及极性较大的酯类化合物（己酸甲酯、己酸乙酯）、烯烃类化合物（月桂烯、双戊烯）、醇类（L-香芹醇、苯甲醇、2-苯乙醇）、二甲基三硫以及具有高分子尺寸的烷烃类化合物（十七烷、十八烷）的包埋率相比来说较低。普遍较低的包埋率可能是由于在超声波喷雾冷冻干燥过程的雾化、冻结、干燥阶段，以及在固相微萃取富集过程中，挥发性风味物质产生了一定的损失，或微胶囊中的风味物质没有被全部释放。
-环糊精、海藻糖、壳聚糖、明胶、葡聚糖、辛烯基琥珀酸淀粉钠和-环糊精，分别对苯甲酸甲酯、4 ′ -甲基苯乙酮、正辛醇、壬醛、苯甲腈、香叶醇和麝香草酚的包埋效果最好，包埋量分别高达4.26、3.64、3.61、4.16、3.86、2.13 mg/g和3.39 mg/g。对于大部分挥发性风味物质，由于-环糊精的特殊结构，其包埋能力强于其他壁材。其中，-环糊精对麝香草酚、乙位紫罗兰酮、香叶醇和柠檬醛的包埋效果不如其他壁材，可能是受分子质量、挥发性、极性和分子大小的影响。不同挥发性风味物质被包埋的效果不同，烷烃类化合物（十七烷、十八烷）、醇类化合物（L-香芹醇、苯甲醇、2-苯乙醇）、酯类化合物（己酸甲酯、己酸乙酯）及二甲基三硫被包埋效果较差，芳香类化合物（如苯甲腈、苯甲醛和苯并噻唑等）均可被7 种壁材包埋，且效果良好。
采用SPME-GC-MS对不同孵育时间（40、80、120 min）的7 种壁材包埋的挥发性风味化合物含量进行仔细的检测。由图5A可知，随着孵育时间的延长，多数挥发性风味物质的释放量显著增加，这是由于微胶囊具有一定的缓释作用。其中，少数挥发性风味物质的释放量在孵育120 min时才增加，如
-环糊精包埋的苯甲酸甲酯、壬醛和明胶包埋的乙酸糠硫醇酯、L-香芹醇等，可能是由于这些微胶囊体系形成的结合位点和作用键需要较长的加热时间才能逐渐松动。不同壁材和芯材所制备的微胶囊可用于不相同的领域对缓释的需求，叶景鹏等将香精微胶囊用于线天仍保持清淡的香味，拥有非常良好的香味缓释效果。由图5B可看出，相比孵育时间，壁材种类对挥发性风味物质释放量的影响大。-环糊精对大多数挥发性风味物质的包埋量较大，且由其制备得到的微胶囊具备比较好的耐热性质，与其他壁材相比，其包埋后的挥发性风味化合物释放量更高，差异越来越明显。而乙位紫罗兰酮、L-薄荷醇、L-香芹醇、乙酸苄酯、香叶醇和麝香草酚化合物，被包埋后的释放效果较差，是因为-环糊精对以上化合物的包埋量较小。上述根据结果得出，不同孵育时间对于包埋后的风味物质释放效果影响明显，但并不是主要影响因素，相比之下，壁材种类对包埋后的挥发性风味物质的释放效果影响更明显。
-环糊精包埋前后的挥发性风味物质的电子鼻对比结果，如图6所示。图6B中被包埋后的挥发性风味物质随着孵育时间的延长而逐步释放，且传感器W5S的响应值逐渐高于其他传感器，气味轮廓也慢慢趋近于图6A。当孵育时间达到30 min时，挥发性风味物质包埋前后的电子鼻雷达图整体轮廓非常相似，包埋后释放开来的各挥发性风味物质含量浓度比例与包埋前相似，说明包埋风味物质的微胶囊具有一定的缓释作用，且能够还原风味物质整体的香味特征。图6B中的雷达图响应强度明显低于图6A，这是由于微胶囊的包裹限制了挥发性风味物质的释放和扩散，使包埋后的风味物质没有完全释放，整体释放量相对较少，这也恰恰说明本研究中的微胶囊能够达到缓释风味的效果。
本实验研究不同壁材对挥发性风味物质包埋效果的差异。根据结果得出，搭建的超声波喷雾-冷冻干燥装置可用于微胶囊的制备。与其他壁材包埋的微胶囊微观结构相比，以葡聚糖和海藻糖包埋的微胶囊球体表面较为光滑，而以明胶和
-环糊精包埋的微胶囊球体表面相对粗糙。由HS-SPME-GC-MS法得到的检测结果可知，-环糊精的包埋能力强于其他包埋壁材，且包埋后的挥发性风味物质释放量更高。在被包埋的32 种挥发性风味物质中，芳香类化合物被7 种壁材包埋效果更好。多数挥发性风味物质的释放量随孵育时间的延长而增加，即微胶囊具有缓释作用。通过电子鼻雷达图可看出，当孵育时间达到30 min时，包埋前后的整体轮廓非常相似，说明包埋后香味缓释效果的还原度比较高。因此，可利用超声波喷雾-冷冻干燥技术制备风味缓释微胶囊，且-环糊精是较为理想的包埋壁材，这将为食品制造业中微胶囊制备技术的开发及壁材的选择提供一定的理论依据。
本 文《不同壁材对超声波喷雾-冷冻干燥制备香味缓释微胶囊的影响》来源于《食品科学》2023年44卷第22期296-303页，作者：赵凤，郑旭，周政，黄旭辉，秦磊。DOI:10.7506/spkx0213-123。 点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。
实习编辑：渤海大学食品科学与工程学院 王雨婷 ；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。
为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科学技术创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，登赫（上海）生命科学有限公司、北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团、嘉必优生物技术（武汉）股份有限公司、北京三元食品股份有限公司赞助的“第一届大食物观·未来食品科学技术创新国际研讨会”即将于2024年5月16-17日在中国 北京召开。
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