秦　艷，康林芝，云　帆，王　娜，唐惠奇

（廣州市澳鍵豐澤生物科技股份有限公司，廣東廣州　510760）

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沉香精油微膠囊的制備及其在卷煙紙中的應(yīng)用研究

秦艷，康林芝，*云帆，王娜，唐惠奇

（廣州市澳鍵豐澤生物科技股份有限公司，廣東廣州510760）

對(duì)沉香精油微膠囊的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并將制備的沉香精油微膠囊添加到卷煙紙中對(duì)卷煙進(jìn)行加香試驗(yàn)。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上選取試驗(yàn)因素與水平，根據(jù)Box-Behnken Design（BBD）設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面分析法，依據(jù)回歸分析確定工藝條件的影響因素，以沉香精油包埋率為響應(yīng)值做響應(yīng)面分析試驗(yàn)。結(jié)果表明，沉香精油微膠囊制備的最佳工藝為明膠∶阿拉伯膠=1∶1（m∶m），壁材總濃度1.07%，芯壁比例3∶2，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度0.19%，酶固定化時(shí)間6 h，沉香精油的包埋率可達(dá)98.18%；制備的微膠囊化沉香精油能有效地掩蓋卷煙雜氣，降低卷煙刺激性，使卷煙具有甜潤(rùn)感，且煙氣柔和細(xì)膩。

沉香精油；微膠囊；響應(yīng)面分析；卷煙

0　引言

沉香為瑞香科沉香屬植物白木香Aquilaria sinensis（Lour.）Gilg含樹脂的木材，亦稱為國(guó)產(chǎn)沉香、中國(guó)沉香［1］。沉香味辛、苦，性微溫，具有行氣止痛、溫中止嘔、納氣平喘之功效［2］，分布于廣東、海南、廣西、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類、芳香族化合物及少量的脂肪酸等［3］。沉香精油常作為天然植物精油應(yīng)用于煙草中，因?yàn)樗粌H具有獨(dú)特的香氣和風(fēng)味，而且對(duì)人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)有一定的功效。此外，沉香還具有一定的抗菌作用［4］。但是，當(dāng)沉香精油加入卷煙紙中用于加香時(shí)，存在揮發(fā)性強(qiáng)的問題，且易氧化或遇光分解，造成香精原料的浪費(fèi)且效果不明顯，使其不能很好地運(yùn)用。

微膠囊技術(shù)，即微膠囊化（Microencapsulation）是一種用成膜材料把固體或液體包覆形成微小粒子的技術(shù)［5-6］。將高揮發(fā)性的香料通過微膠囊包覆，可以提高香料的穩(wěn)定性，使其能夠在燃吸狀態(tài)下釋放出香氣成分，起到改進(jìn)卷煙主流煙氣味道與品質(zhì)的作用，達(dá)到增香的目的。本研究主要是研究制備一種沉香精油微膠囊，并在卷煙紙制造過程中施加，以其增加燃吸時(shí)芯材的釋放，為沉香精油在煙草加工提供一定的基礎(chǔ)。

1　試驗(yàn)材料與儀器

1.1試驗(yàn)材料與試劑

沉香精油，采用超臨界CO2流體萃取法制取；明膠、阿拉伯膠、醋酸、氫氧化鈉均為分析純，廣州化學(xué)試劑公司產(chǎn)品；谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶，酶活60 U/g（食品級(jí)），廣州市暨生元生物科技有限公司產(chǎn)品。

1.2試驗(yàn)儀器

UV-2100型紫外可見分光光度計(jì)，尤尼柯上海儀器有限公司產(chǎn)品；ZY-8000型噴霧干燥機(jī)，上海紫裕公司產(chǎn)品；電子顯微鏡，日本NIKON公司產(chǎn)品。

2　試驗(yàn)方法

2.1微膠囊的制備

稱取一定質(zhì)量的明膠和阿拉伯膠，其中明膠和阿拉伯膠的比例為1∶1，將稱取的2種膠體置于40℃水浴中，加熱使其充分溶解于一定量的蒸餾水中，然后將這2種溶液混合均勻，再加入一定量的沉香精油，用高速分散機(jī)在10 000 r/min條件下持續(xù)乳化2～3 min，形成均勻的乳狀液。

將均勻乳狀液倒入三角瓶中，加蒸餾水稀釋到一定的質(zhì)量濃度，于40℃下攪拌，并用10%的醋酸溶液調(diào)節(jié)體系到一定的pH值，使明膠與阿拉伯膠產(chǎn)生凝聚，并恒溫15 min。凝聚相在油性囊芯周圍聚集并形成包覆。

用冰水浴使體系降溫至10℃左右，并用10%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至6.0，加入谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶，維持低速攪拌一定的時(shí)間，使微膠囊固化，得到微膠囊分散液。

將微膠囊分散液靜止分層，移去少量上清液后直接對(duì)其進(jìn)行噴霧干燥，可得固態(tài)流動(dòng)性的粉末微膠囊。

2.2微膠囊品質(zhì)評(píng)價(jià)方法

2.2.1微膠囊沉香精油產(chǎn)品的感官檢驗(yàn)

將沉香精油微膠囊產(chǎn)品倒在干凈桌面上，在自然光下觀察產(chǎn)品顏色、形狀和氣味。

2.2.2微膠囊包埋效率的測(cè)定

（1）微膠囊表面沉香精油的測(cè)定方法。稱取一定量的沉香精油微膠囊放入具塞三角瓶中，加40 mL無水的二氯甲烷，振蕩2 min，過濾，取濾液并加入一定量的無水硫酸鈉除水，過濾后濾液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，稱量，可得微膠囊表面沉香精油的質(zhì)量。

（2）微膠囊中沉香精油總量的測(cè)定方法。稱取一定量的沉香精油微膠囊放入具塞三角瓶中，加40 mL無水二氯甲烷，在30℃條件下振蕩30 min，過濾，取濾液并加入一定量的無水硫酸鈉除去水分，過濾，濾液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，稱量，可得微膠囊中沉香精油的總質(zhì)量。

（3）微膠囊包埋效率的測(cè)定。計(jì)算微膠囊產(chǎn)品中被包埋的沉香精油質(zhì)量與微膠囊產(chǎn)品中沉香精油總質(zhì)量之比，并以百分?jǐn)?shù)表示。

2.3沉香精油微膠囊的卷煙加香感官評(píng)價(jià)試驗(yàn)

將添加沉香精油微膠囊的卷煙紙卷制成卷煙，編號(hào)為A；以添加未經(jīng)微膠囊化得沉香精油卷煙紙卷制成卷煙，編號(hào)為B；以未加沉香精油的卷煙紙制成空白卷煙，編號(hào)為KB，組織專家進(jìn)行感官評(píng)定。感官評(píng)吸的要求，參照煙草行業(yè)YC/138—1998（煙草及煙草制品感官評(píng)價(jià)方法）［7］中的相關(guān)條款執(zhí)行。

3　結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用復(fù)凝聚法制備沉香精油，選取明膠、阿拉伯膠作為壁材來包埋芯材沉香精油，考察可能影響沉香精油包埋率和穩(wěn)定性的幾個(gè)因素（壁材總濃度、芯壁比、凝聚pH值、攪拌速度），并對(duì)沉香精油微膠囊的制備工藝進(jìn)行了響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

3.1凝聚pH值對(duì)沉香精油包埋率的影響

在不同凝聚pH值條件下制備沉香精油微膠囊，其他條件（G∶A=1∶1，壁材總濃度1%，芯壁比例1∶1，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度0.15%，酶固定化時(shí)間6 h）相同，計(jì)算不同凝聚pH值條件下沉香精油的包埋率。

凝聚pH值對(duì)沉香精油包埋率的影響見圖1。

圖1　凝聚pH值對(duì)沉香精油包埋率的影響

由圖1可知，當(dāng)凝聚pH值增加到4.0時(shí)，此時(shí)包埋率達(dá)到最大值；且隨著凝聚pH值的繼續(xù)增大，包埋率無顯著差異。這主要是因?yàn)楦叻肿颖诓牡碾姾珊碗姾擅芏葧?huì)隨著凝聚pH值的變化而變化。Daniels R等人［8］研究表明復(fù)凝聚的最佳pH值與電平衡pH值有關(guān)，在電平衡pH值時(shí)，2種高分子電解值攜帶的相反電荷量相等。此時(shí)，2種高分子電解質(zhì)分子之間的引力最大，形成的鍵強(qiáng)度也最大，所以這時(shí)微膠囊的包埋效果最好。Weinbreak F等人［9-10］也指出凝聚pH值對(duì)凝聚相的黏度影響很大，在特定凝聚pH值條件下，凝聚相的黏度較高，成囊效果好，制備的微膠囊效果也好。當(dāng)明膠與阿拉伯膠的比例為1∶1，凝聚pH值為4.0時(shí)成囊好，微膠囊包埋效率也比較高。因此，試驗(yàn)選取凝聚pH值為4.0。

3.2壁材總濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響

在不同壁材總濃度條件下制備沉香精油微膠囊，其他條件（G∶A=1∶1，凝聚pH值4.0，芯壁比例1∶1，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度0.15%，酶固定化時(shí)間 6 h）相同，計(jì)算不同壁材質(zhì)量濃度條件下沉香精油的包埋率。

壁材總濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響見圖2。

圖2　壁材總濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響

由圖2可知，隨著壁材總濃度由0.5%上升到1.5%，沉香精油的包埋率隨著濃度的上升而增加；當(dāng)總濃度繼續(xù)增加到4.0%，沉香精油的包埋率反而下降了。這可能是因?yàn)楸诓目倽舛鹊脑黾?，芯材濃度也?huì)隨著增加，此時(shí)單位面積中凝聚液滴和乳狀液滴增加，就更容易相互碰撞，聚集形成不規(guī)則的狀態(tài)。Burgess D F等人［11］的研究表明，當(dāng)凝聚相的黏度較高時(shí)，雖然有利于形成更穩(wěn)定的膠囊，但是如果黏度過高，包埋效果反而會(huì)減弱。壁材的濃度過低，雖然會(huì)有膠囊形成，但生產(chǎn)率降低。試驗(yàn)表明，當(dāng)壁材的總濃度為1.0%時(shí)，微膠囊的包埋率最高，此時(shí)形成的微膠囊也比較均勻，沒有大的結(jié)塊。

3.3芯壁比例對(duì)沉香精油包埋率的影響

在不同芯壁比例條件下制備沉香精油微膠囊，其他條件（G∶A=1∶1，凝聚pH值為4.0，壁材總濃度為1.0%，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為0.15%，酶固定化時(shí)間為6 h）相同，計(jì)算不同芯壁比例條件下沉香精油的包埋率。

芯壁比例對(duì)沉香精油包埋率的影響見圖3。

圖3　芯壁比例對(duì)沉香精油包埋率的影響

復(fù)合凝聚微膠囊技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)就是香精裝載量高［12］，確定合適的芯壁比是提高沉香精油包埋率的一個(gè)關(guān)鍵因素。如果芯材含量過高，反應(yīng)結(jié)束后漂浮表面的精油含量增加，芯材的利用率下降，造成芯材的浪費(fèi)；如果壁材含量過高，芯材包埋量少，則會(huì)造成壁材的浪費(fèi)。由圖3可知，當(dāng)芯壁比例為3∶2時(shí)，沉香精油的包埋率最大；比例過小或過大，沉香精油的包埋率減小。因此，試驗(yàn)選取的芯壁比例為3∶2。

3.4酶濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響

在固化劑谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度不同的條件下制備沉香精油微膠囊，其他條件（G∶A=1∶1，凝聚pH值為4.0，芯壁比3∶2，壁材總濃度為1.0%，酶固定化時(shí)間為6 h）相同，計(jì)算不同谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度條件下沉香精油的包埋率。

酶濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響見圖4。

圖4　酶濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶已廣泛應(yīng)用于各類食品中［13］，試驗(yàn)選取谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（Transglutaminase，TG） 作為沉香精油微膠囊制作的固化劑。酶法固化具有交聯(lián)作用強(qiáng)、無毒等優(yōu)點(diǎn)，且制備的微膠囊壁膜具有很好的熱穩(wěn)定性，密封性能也比較好。由圖4可知，在特定的條件下，隨著TG酶濃度的增加，包埋率逐漸升高；當(dāng)酶濃度超過0.15%后，沉香精油的包埋率沒有顯著提高。因此，試驗(yàn)選取的酶濃度為0.15%。

3.5酶固定化時(shí)間對(duì)沉香精油包埋率的影響

酶固定化時(shí)間對(duì)沉香精油包埋率的影響見圖5。

圖5　酶固定化時(shí)間對(duì)沉香精油包埋率的影響

在酶固定化時(shí)間不同的條件下制備沉香精油微膠囊，其他條件（G∶A=1∶1，凝聚pH值為4.0，芯壁比例為3∶2，壁材總濃度為1.0%，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶濃度為0.15%）相同，計(jì)算不同酶固定化時(shí)間條件下沉香精油的包埋率。

由圖5可知，隨著酶固定化時(shí)間的增加，沉香精油的包埋率顯著上升；但當(dāng)酶固定化時(shí)間超過4 h以后，沉香精油的包埋率沒有顯著增加。酶用量和固定化時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，酶用量多時(shí)所需時(shí)間短，酶用量少時(shí)所需時(shí)間長(zhǎng)。固化好的微膠囊密封性大大加強(qiáng)，溫水中加熱時(shí)間再長(zhǎng)囊壁也不會(huì)破裂，只會(huì)緩慢釋放芯材。因此，試驗(yàn)選取酶固定化時(shí)間為4 h。

3.6制備沉香精油微膠囊工藝的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

響應(yīng)面分析法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、化工、生物技術(shù)等方面，其目的是在現(xiàn)有的試驗(yàn)基礎(chǔ)上尋找到試驗(yàn)范圍上因素的最佳組合和響應(yīng)值的最優(yōu)值，以確定最佳提取工藝參數(shù)［14］。

3.6.1響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)對(duì)凝聚pH值、壁材總濃度、芯壁比例、谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酸濃度、酶固定化時(shí)間進(jìn)行綜合考慮，采用三因素三水平，根據(jù)Box Behnken Design（BBD）設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)微膠囊包埋沉香精油的響應(yīng)面試驗(yàn)。

響應(yīng)面三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1，Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及其響應(yīng)值見表2。

表1　響應(yīng)面三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表2　Box-Behnken設(shè)計(jì)方案及其響應(yīng)值

3.6.2響應(yīng)面試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的建立

按照Design Expert軟件中的Box-Behnken Design模型對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到沉香精油包埋率對(duì)芯壁比例（A）、酶濃度（B）、壁材總濃度（C）的二次多項(xiàng)回歸模型為：

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結(jié)果

二次模型的方差分析結(jié)果見表3。

由表3可知，模型顯著性水平p＜0.000 1，表明二次方程模型達(dá)到極顯著水平；R2和AdjR2分別為0.997 5和0.994 3說明該模型擬合度良好，同時(shí)失擬項(xiàng)p=0.069＞0.05，即模型差異不顯著，說明模型殘差均由隨機(jī)誤差引起。

對(duì)回歸模型系數(shù)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果可知，回歸方程的一次項(xiàng)A、B差異極顯著，C差異顯著；二次項(xiàng)A2，B2，C2差異極顯著，交互項(xiàng)除AC極顯著，AB與BC差異高度顯著。

綜上所述，說明模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小。因此，該模型可較好地描述各因素與相應(yīng)值之間的真實(shí)關(guān)系，可利用模型來分析和預(yù)測(cè)制備沉香精油微膠囊的工藝結(jié)果。

3.6.3響應(yīng)面優(yōu)化與分析

利用Design Expert 7.1.6軟件，繪制各影響因素對(duì)沉香精油包埋率的響應(yīng)曲面圖，分析芯壁比例（A）、酶濃度（B）、壁材總濃度（C）對(duì)沉香精油包埋率的影響。響應(yīng)曲面的坡度平緩說明隨著處理?xiàng)l件的變化，響應(yīng)值的大小不受影響；但當(dāng)曲面坡度陡峭時(shí)，則說明響應(yīng)值對(duì)處理?xiàng)l件的改變非常敏感［15］。

芯壁比例與酶濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響見圖6，芯壁比例與壁材總濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響見圖7，壁材總濃度與酶濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響見圖8。

由圖6～圖8可知，芯壁比例、酶濃度、壁材總濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響極為顯著，表現(xiàn)為曲面較陡，其中壁材總濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響最大。另外，結(jié)合等高線的疏密程度可看出，圖6和圖7響應(yīng)面曲面較陡且等高線較緊密，故酶濃度與芯壁比例、壁材總濃度與芯壁比例之間的交互作用較強(qiáng)，而壁材總濃度與酶濃度之間的交互作用較弱。

圖6　芯壁比例與酶濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響

圖7　芯壁比例與壁材總濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響

圖8　壁材總濃度與酶濃度對(duì)沉香精油包埋率的影響

3.6.4優(yōu)化與驗(yàn)證

從上述回歸模型中求得最優(yōu)工藝條件為芯壁比例3∶2，酶濃度0.19%，壁材總濃度1.07%，沉香精油包埋率的理論值為98.176 4%。由于以上最佳條件未包括在響應(yīng)面優(yōu)化的17組試驗(yàn)中，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為了操作方便，將以上條件修正為芯壁比例3∶2，酶濃度0.19%，壁材總濃度1.1%。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳提取條件下，沉香精油包埋率為97.810%（RSD=0.58%）與預(yù)測(cè)值相差不大，說明該方程與實(shí)際情況擬合很好，充分驗(yàn)證了所建模型的正確性，說明響應(yīng)面法適用于優(yōu)化制備沉香精油微膠囊的工藝。

3.7沉香精油微膠囊在卷煙中的應(yīng)用結(jié)果

表4　添加微膠囊香料的卷煙樣品感官評(píng)價(jià)

添加微膠囊香料的卷煙樣品感官評(píng)價(jià)見表4。

對(duì)添加沉香精油微膠囊的卷煙進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，主要從香氣特征、煙氣特征及口感特征3個(gè)方面對(duì)卷煙進(jìn)行評(píng)價(jià)，香氣特征主要包括香氣質(zhì)、香氣量和協(xié)調(diào)性3個(gè)方面，煙氣特征包括細(xì)膩程度、刺激性和雜氣3個(gè)方面，口感特征主要從刺激性、甜度及干凈程度來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由感官評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，卷煙A、卷煙B與空白對(duì)照組相比，二者的整體感官品質(zhì)有很大的提高。煙氣特征方面，卷煙A煙氣細(xì)膩程度明顯增加、刺激性明顯降低、雜氣顯著降低，卷煙B較空白組加香效果有所增加，但弱于卷煙A；香氣特征方面，卷煙A和B的香氣優(yōu)于KB組，且協(xié)調(diào)性也有所提高且卷煙A優(yōu)于卷煙B；口感特征方面，卷煙A的刺激性、甜度及干凈程度均是最好的。因此，利用微膠囊化沉香精油對(duì)卷煙進(jìn)行加香可以很好地改善卷煙的吃味、降低刺激、改善香氣質(zhì)和雜氣。

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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

秦艷（1985— ），女，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程。*

云帆（1974— ），男，碩士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)及管理。