郝 辉，梁佳欣，张智轩，罗灿选，杨雯静，李天笑，贾学伟，李立鹏，许春平**

(1.河南中烟工业有限责任公司 技术中心，河南 郑州 450016；2.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南 郑州 450000)

随着烟草行业“减害降焦”工程的推进实施，卷烟制品的焦油含量减小，导致出现香味不足、烟味变淡、劲头变小等问题[1]，原因是大多数香味物质存在焦油中；而通过添加烟用香精香料的方式来弥补品质缺陷，既不增加焦油量，又可改善卷烟制品品质，是直接、快速、有效的方法之一[2-3].但大多数的烟用香精香料均存在强挥发性、香味散失快、易氧化分解、不易长时间储存等问题，传统的加香方法难以弥补在储存的过程中香精香料散失的问题[4].

微胶囊技术是利用天然高分子材料或合成材料将固体、液体或气体等活性物质包裹起来的一种较成熟的高新技术.此项技术可有效地保护易见光分解、氧化以及挥发性强的活性成分，从而达到控释或缓释的效果.张耀等[5]提取芦笋老茎中黄酮类物质并对其进行包埋，微胶囊在体外模拟胃肠消化研究中，具有定点缓释功能，有效提高黄酮类物质利用率.霍珊珊等[6]利用分子包埋法制备肉桂-山苍子复合植物精油（CLCEO）微胶囊，延长CLCEO的有效抑菌时间，扩大其在粮食储藏领域的应用.Zhao 等[7]用花生油体（OBs）包裹虾青素进行微胶囊化，可有效提高虾青素的保留率和贮存的稳定性.香叶醇是一种有效的驱虫剂，Ogilvie-Battersby等[8]采用复合凝聚法，以明胶-阿拉伯胶为囊材，制备香叶醇微胶囊；研究表明将其微胶囊化在空气中有良好的缓释效果.

微胶囊技术在常规卷烟中的应用研究较多且深入，多集中在烟用香精微胶囊的制备、烟丝加香、卷烟滤棒加香、卷烟纸加香等方面；但在加热不燃烧卷烟（以下简称加热卷烟）中研究不多，且处于发展阶段，如郭林青等[9]将薄荷型微胶囊应用在加热卷烟中，在一定程度上起到缓释效果，具有增加香气持久性的作用.本文采用复凝聚法将造纸法薄片料液进行微胶囊化并进行表征，将其应用在加热不燃烧卷烟不同部位进行缓释试验，为微胶囊技术在新型烟草制品中的应用提供一定的理论基础.

1 材料与方法

1.1 实验材料壳聚糖，中黏度（CS），上海麦克林生化科技有限公司；冰醋酸，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；司班80（S80），天津市光复精细化工研究所；三聚磷酸钠（TPP），分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司；二氯甲烷，分析纯，天津市富宇精细化工有限公司；造纸法薄片料液，加热卷烟及烟具，河南中烟工业有限责任公司提供.

1.2 实验仪器PL203 电子分析天平，上海予腾生物科技有限公司；SB-3200DT 超声波清洗机，宁波新芝生物科技股份有限公司；PHS-3E 台式pH 计，上海仪电科学仪器股份有限公司；MS-H280-Pro磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；SCIENTZ-10N 真空冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司；JSM-700IF 场发射扫描电子显微镜，日本电子公司；Q5000IR 热重分析仪，美国TA仪器；MICROTRACS3500 激光粒度分析仪，美国MICROTRAC 公司；Vertex 70 型傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR），德国布鲁克公司；Agilent 7890B-5977B GC/MSD，美国Agilent 仪器有限公司.

1.3 微胶囊的制备以造纸法薄片料液为芯材，壳聚糖为壁材，采用复凝聚法[10]制备微胶囊.称取去离子水和冰醋酸制成1%的冰醋酸溶液，加入一定量的壳聚糖超声溶解40 min，形成壳聚糖溶液；将乳化剂S80 和料液进行搅拌乳化10 min，乳化速率500 r/min，将其倒入壳聚糖溶液中超声混合15 min后，利用1 mol/L 氢氧化钠将溶液的pH 值调节至5.25；最后称取一定量的TPP 和去离子水，制成溶液缓慢滴加到其中，搅拌60 min 形成微胶囊乳状液，冷冻干燥后为微胶囊粉末.

1.4 微胶囊性能表征

1.4.1 平均粒径的检测 利用激光粒度仪，将微胶囊乳状液混匀后取1 mL 放入测量皿中，平行测量3 次，求出平均粒径.

1.4.2 表面结构表征 取微量微胶囊样品均匀的固定在导电胶上，在10 mA 电流条件下，进行120 s 喷金处理，然后通过场发射扫描电子显微镜，观察微胶囊的表面结构特征.

1.4.3 红外光谱检测 利用压片法，分别将壳聚糖、造纸法薄片料液微胶囊、造纸法薄片料液与干燥的KBr 进行压片处理，制备的压片要尽量薄、均匀且透明，扫描范围为400～4 000 cm-1，进行红外光谱分析.

1.4.4 热重分析 采用热重分析仪对造纸法薄片料液微胶囊、壳聚糖及造纸法薄片料液进行热稳定性分析.热重分析温度范围为25～800 ℃，升温速率10 ℃/min，载气为20 mL/min 氮气，空气流速为40 mL/min.

1.4.5 造纸法薄片料液挥发性香味成分分析准确称取1 g 造纸法薄片料液，加入20 mL 二氯甲烷萃取剂，进行20 min 的超声萃取.用注射器过孔径为0.22 μm 的有机滤膜转移至气质样品瓶中，同时加入20 μL 质量浓度为0.898 7 mg/mL 的乙酸苯乙酯（内标物质）共1 mL，进行GC-MS 分析.

色谱条件：载气为氦气；载气流速1.0 mL/min；进样口温度230 ℃；DB-5 ms(30 m×ϕ250 μm，0.25 μm)毛细管柱；进样量1 μL；不分流；升温程序，起始温度50 ℃，保持2 min，以3 ℃/min 升温至180 ℃，保持2 min，然后以6 ℃/min 升温至280 ℃，保持2 min.

质谱条件：接口温度280 ℃；离子源，EI 源；离子源温度230 ℃；四极杆温度150 ℃；采集模式为全扫描；电子能量，70 eV；质量扫描范围为35～550；检索谱库为NIST17 库；溶剂延迟15 min.

1.4.6 包埋率测定

1.4.6.1 微胶囊总油的测定 参照文献[11]，略有改动.准确称取1.0 g（精确至0.001 g）微胶囊样品、50 mL 二氯甲烷于烧杯中超声震荡30 min，再静止30 min，最后过滤到已知质量的锥形瓶中，低温水浴挥干二氯甲烷，用减重法计算出微胶囊总油的质量分数（w1）.

1.4.6.2 微胶囊表油的测定 参照文献[12]，略有改动.准确称取1.0 g（精确至0.001 g）的微胶囊样品放入离心管中，加入15 mL 二氯甲烷溶液，充分震荡30 s，离心2 min（6 000 r/min），反复3 次，然后合并上清液、过滤至已知质量的锥形瓶中，低温水浴浓缩，挥干二氯甲烷，用减重法得出产品表面油质量分数（w2）.

据公式（1）计算微胶囊的包埋率（M）：

1.4.7 微胶囊的含水率 准确称取微胶囊2.0 g为m，在105 ℃烘箱中烘2 h，取出在干燥器中冷却至室温，称重为m1；重复以上操作，烘箱干燥1 h，称重为m2，两者相差不超过0.05 g.据公式（2）计算微胶囊的水分质量分数：

微胶囊在室温条件下放置7 d.

1.4.8 加热卷烟的加香缓释实验 将微胶囊添加到加热卷烟的烟草段、降温段以及卷烟纸上，不同部位的添加量为0.000、0.010、0.015、0.020 g/支；置于温度（22±1）℃，相对湿度（60±2）%的恒温恒湿箱中平衡48 h 后进行感官评吸以及缓释效果分析；由7 名人员组成的专业评吸小组对上述加热卷烟进行综合感官评吸，评吸标准参照传统卷烟GB 5604.4—2005《卷烟第4 部分：感官技术要求》.

2 结果与分析

2.1 造纸法薄片料液挥发性香味物质分析根据表1 可知，造纸法薄片料液通过气相色谱-质谱检测定性的挥发性香味物质共有21 种，总质量分数为948.32 μg/g，主要是醛类、酮类、酯类、酸类、醇类等物质.根据在常温下饱和蒸气压大于70 Pa 的有机物是室温下挥发有机物（Volatile Organic Compounds）[13]，表1 中棕榈酸、硬脂酸、亚麻酸、肉豆蔻酸、9-羟基-4,7-巨豆二烯-3-酮、邻苯二甲酸二乙酯、己二酸二(2-乙基己)酯、亚油酸乙酯、棕榈酸乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、5-羟甲基糠醛、乙基香草醛、香草醛共13 种物质是室温下挥发性有机物，质量分数为743.52 μg/g，占总质量分数的78.40%，表明造纸法薄片料液挥发性较强，故采用微胶囊技术对料液进行包埋，改变料液的存在形态，以减少挥发散失.

表1 造纸法薄片料液挥发性香味成分分析Tab.1 Analysis of volatile aroma components of papermaking sheet casing solution

酯类物质具有低阈值，对烟草制品香吃味有重要的影响，通常单体酯类具有果香、甜香、或葡萄酒香气，且与烟草香气协调[14].烯类物质中的新植二烯是重要的中性香味成分，具有令人愉快的甜香，能增进烟气的香吃味.9-羟基-4,7-巨豆二烯-3-酮、4,7,9-巨豆三烯-3-酮、4-羟基-β-二氢大马酮是烟草中类胡萝卜素降解产生的重要香味成分，可增加烟气花香、木香等.(+)-异薄荷醇具有清凉的薄荷香味；棕榈酸具有甜的蜡质香气，可协调烟香，增加烟气丰富度[15]；乙基香草醛、香草醛均具有香荚兰豆的香气，5-羟甲基糠醛有焦糖香，有报道称其会产生焦糊味[16]，但其整体有助于调和烟气，改善吸味，减少刺激性.

2.2 微胶囊的表面形态表征微胶囊干燥后，利用场发射扫描电镜对微胶囊微观的表面形貌结构进行表征，均为放大30 000 倍的外观，如图1 所示：微胶囊呈现近似圆球状或椭球状，微胶囊结构致密且表面囊壁较为光滑，但存在少量的皱缩和塌陷，个体间的黏连情况较为严重，可能在冷冻干燥的过程中，水分的散失，以及在高速电子束的冲击下造成的，黏连情况还可能是微胶囊壁材的吸湿造成的.

图1 造纸法薄片料液微胶囊的扫描电镜图Fig.1 Scanning electron microscope of papermaking sheet casing solution microcapsules

2.3 微胶囊的平均粒径通过MICROTRACS3500激光粒度仪，对微胶囊乳状液进行粒径检测，从图2可知，微胶囊的粒径分布曲线呈现正态分布且范围较集中，表明微胶囊的颗粒大小较均匀[17-18].造纸法薄片料液微胶囊的平均粒径是240 nm 左右，达到了纳米级.

图2 微胶囊的粒径分布图Fig.2 The particle size distribution of microcapsules

2.4 微胶囊的基本理化性质用复凝聚法制备出的造纸法薄片料液微胶囊呈现出淡淡的金黄色，为粉末状而且均匀细腻.料液在壁材内部的包埋情况为：造纸法薄片料液微胶囊包埋率为34.11%；微胶囊在室温的环境条件下，放置7 d 的水分质量分数为9.37%，水分质量分数在放置7 d 后仍保持在较小的数值，表明将造纸法薄片料液微胶囊化后长时间内不易霉变，便于储存.

2.5 微胶囊的红外分析造纸法薄片料液由于含有较多酯类、酮类、酸类、烯类、醛类、酚类、醇类以及酰胺类化合物等，在图3 中造纸法薄片料液的红外光谱可明显地看的到1 649.07 cm-1的吸收峰是由于C＝ C 双键的伸缩振动以及醇、酚、酮、醛酸、酯的C＝ O 伸缩振动引起的；1 076.23 cm-1和1 039.59 cm-1是由于C—O—C 的对称和不对称伸缩振动引起的酯谱带；989.44 cm-1和920.01 cm-1是乙烯型化合物振动偶合产生很强的＝ CH2面外变形振动，是端烯存在的特征；839.00 cm-1是芳烃对双取代的吸收峰.

图3 壳聚糖、造纸法薄片料液、微胶囊及壳聚糖与造纸法薄片料液混合物的FTIR 光谱Fig.3 FTIR spectra of chitosan,papermaking sheet casing solution,microcapsule and mixture of chitosan and papermaking sheet casing solution

在壳聚糖红外光谱（图3）中，可明显看到1 654.85 cm-1是由于酰胺中C＝ O 的伸缩振动和N—H 的面内变形振动引起的；1 377.12 cm-1是酰胺中C—N 的伸缩振动产生；1 068.52 cm-1是醇的C—O 键的伸缩振动引起的.

在壳聚糖与造纸法薄片料液的物理混合物的FTIR 谱（图3）中，壳聚糖和造纸法薄片料液的特征峰都有，峰的伸缩振动强度与单独两者相比有所降低，但相差不大.

造纸法薄片料液微胶囊的红外谱图与壳聚糖较为相似，但与物理混合物相比又有明显差异.造纸法薄片料液微胶囊红外谱图3 中壳聚糖、料液的特征峰都有，没有其他物质的特征吸收峰，仅1 743.58 cm-1处的吸收峰是壳聚糖与三聚磷酸钠交联引起的，不是由化学反应引起的；微胶囊的红外图谱中相比造纸法薄片料液、壳聚糖的的吸收峰强度有所减弱，这表明有料液包裹在微胶囊中所导致的[19]，证明包埋成功.

2.6 微胶囊的热重分析通过分析热重曲线，我们可以知道样品热稳定性的信息，对TG 曲线进一步求一阶导数得到DTG 曲线[20].如图4 所示造纸法薄片料液、壳聚糖、造纸法薄片料液微胶囊的热重分析曲线，造纸法薄片料液在27.17～251.10 ℃阶段迅速分解，质量损失率达到87.70%.

图4 造纸法薄片料液微胶囊、造纸法薄片料液及壁材的TG 曲线和DTG 曲线Fig.4 TG curves and DTG curves of microcapsule of papermaking sheet casing solution,papermaking sheet casing solution and wall material

由图4 的壳聚糖TG 图知，在23.06～139.90 ℃阶段造成少量的质量损失，可能是由于壳聚糖水分的散失，为第1 失重阶段；在139.90～392.20 ℃阶段质量损失较大，达到52.75%，是壳聚糖大部分的分解造成的，为第2 失重阶段；第3 失重阶段为392.20～592.70 ℃，是剩余壳聚糖的分解.

造纸法薄片料液微胶囊的失重过程为36.23～78.01 ℃阶段，由于微胶囊表面的水分和少量的造纸法薄片料液的散失，有少量的质量损失（Δm/m）；在78.01～378.30 ℃阶段，TG 曲线斜率较大，失重速率快，高达56.39%，可能是壁材的分解导致微胶囊内部的料液释放造成的；在378.30～485.10 ℃阶段分解速率有所降低，失重为10.78%，可能是芯材减少造成的；在485.10～608.50 ℃阶段失重速率缓慢，曲线达到平缓，芯材仅剩少量壁材还未分解完全[12,21-22].造纸法薄片料液微胶囊的失重过程同为3 段，与壳聚糖大致相同，可以看出与芯材料液相比，壳聚糖与料液间的静电作用、氢键等作用力的存在使芯材微胶囊化后的热稳定性具有很大程度的提升，失重速率较芯材慢[17,23]，可以更好地延缓芯材的释放、阻止其氧化变质等.

2.7 加热卷烟的加香缓释实验由表2 可知，造纸法薄片料液微胶囊应用在3 种不同部位的加香缓释效果差异较显著，添加在烟草段的整体效果较好，可能与烟具的加热方式（周向加热、中心加热）有关，导致微胶囊的受热温度有差异；本实验烟具采用周向加热的方式，在烟草段和卷烟纸上的受热温度比较高，微胶囊破裂多、香味物质释放多，逐口一致性提升较明显，刺激性减轻明显，加香缓释效果较好；在降温段的受热温度与前者相比较低，微胶囊破裂少、有效香味成分释放少，逐口一致性提升不明显.

表2 加热不燃烧卷烟加香缓释结果Tab.2 The flavoring and slow release results of heat-not-burn cigarettes

不同微胶囊添加量的结果分析表明，添加量为0.015 g/支的整体效果最好，可明显减轻刺激性，增加香气量，略微提升香气质，细腻烟气，余味回甜；添加量小于0.015 g/支时，刺激性降低、香气量增加不明显，且劲头小；添加量大于0.015 g/支时，添加在降温段的吸阻变大，呛刺感明显，劲头较强，有不适感.

加热卷烟在抽吸过程中有香气量不足、烟气丰富性差、逐口香气不均匀等问题，添加微胶囊后具有一定的缓释效果，添加在烟草段0.015 g/支的加热卷烟主要表现在抽吸的2～5 口间，其逐口的香气量较为一致，5 口后香气量明显减弱，在一定程度上可改善加热卷烟的逐口一致性.

3 结论

分析造纸法薄片料液的挥发性香味成分，然后利用复凝聚法制备造纸法薄片料液微胶囊，对其进行性能表征以及在加热卷烟中加香缓释实验，分析结果可知：造纸法薄片料液含有的21 种挥发性香味成分中有13 种易挥发性，占总质量分数的78.40%，表明料液易挥发散失，有包埋的必要性；由红外和热重分析可知，料液被成功包埋成微胶囊，且提高了料液的热稳定性，减少料液的挥发散失；微胶囊粒径达到纳米级，外观是淡淡的金黄色粉末，观察扫描电镜图则近似为椭球状，大小较为均一；在烟草段添加0.015 g/支微胶囊的效果最好，具有一定的缓释效果，体现在抽吸的2～5 口间的香气量较为一致，且具有降低刺激性、提高香气量、提高劲头、柔和烟气的效果，为微胶囊技术在加热卷烟中的应用研究提供一定理论基础，进一步拓宽微胶囊技术的应用范围.