乳化-凝膠法制備煙用海藻酸鈣爆珠

尹團章，陳 浩，楊光遠，冷 海，張 磊，蔡 超，陳金強，陳 勝*

1. 湖北中煙工業有限責任公司，武漢市東西湖區金山大道1355 號 430040

2. 武漢黃鶴樓新材料科技開發有限公司，武漢市東西湖區金山大道1355 號 430040

3. 武漢黃鶴樓香精香料有限公司，武漢市東西湖區金山大道1355 號 430040

煙用爆珠作為一種濾棒添加物質［1］，不僅能改善卷煙煙氣口味，還能優化用戶體驗感，提升品牌在市場中的好感度。國內市場煙用爆珠生產工藝主要有脈沖切割成型工藝和重力切割成型工藝，脈沖切割工藝中精油溶劑為橄欖油體系，而重力切割工藝中精油溶劑為辛癸酸甘油酯（ODO）體系［2］。因為爆珠芯液和囊材之間存在配伍性，無論脈沖切割成型工藝或是重力切割成型工藝，均不能同時適應于橄欖油體系和ODO體系的爆珠生產。因此，開發一種新的爆珠制備方法，兼容用于兩種精油溶劑體系爆珠的生產，豐富爆珠生產方式，顯得尤為重要。

海藻酸鈉因其良好的成膜、成囊性和生物相容性已被應用于海藻酸鈉-聚賴氨酸-海藻酸鈉（APA）微膠囊［3］、海藻酸鈉-殼聚糖-海藻酸鈉（ACA）微膠囊［4］、海藻酸鈣-羧甲基纖維素鈉液芯微膠囊以及海藻酸鈣凝膠珠體系中［5-6］。其中，海藻酸鈣-羧甲基纖維素鈉液芯微膠囊具有機械強度高、生物相容性好、壁材易得且傳質性能好等優點，是一種有應用潛力的微膠囊體系。通過乳化-凝膠化法制備的海藻酸鈣微球，能成功包裹以色拉油為溶劑的大豆功能肽，使功能肽的緩釋性能和穩定性得到較大提高［7］。在乳化-凝膠法的基礎上，通過靜電噴霧法制備海藻酸鈣-羧甲基纖維素鈉液芯微膠囊，制得的微膠囊粒徑均勻、成囊性好［8］。另外，以纖維素硫酸鈉替代羧甲基纖維素鈉作為增稠劑，也可以在纖維素硫酸鈉使用量較小的條件下通過乳化-凝膠法制備得到中空的海藻酸鈣微膠囊［9］。但是, 乳化-凝膠法制備的液芯微膠囊僅局限于醫藥領域的臨床應用，且制備的微囊粒徑較小（微米級）。現有文獻報道乳化-凝膠法制備的液芯微膠囊最大粒徑約0.4 mm（400 μm）［10］，這和煙用爆珠的直徑較為接近，為實現煙用提供了可能。因此，開展煙用爆珠乳化-凝膠法的制備方法的研究，建立一種新的成型工藝，以期實現新工藝制備的爆珠在卷煙中的應用。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

煙用爆珠（直徑3.5 mm、脈沖法制備），ODO、薄荷精油（武漢黃鶴樓香精香料有限公司提供）；海藻酸鈉（SA）（食品級，3 種1%溶液的黏度分別為8、16和20 mPa·s，青島海之林生物科技公司）；CaCl2、吐溫80（Tween 80）、司班20（Span 20）、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）和聚乙烯醇（PVA，分析純）（阿拉丁試劑公司）；甘油（食品級，中國醫藥上海化學試劑公司）；殼聚糖（食品級，青島明月海藻集團有限公司）。

滾筒干燥器、3.5 mm 單通道滴頭（自制）；LUMiSizer651 型乳液分散性測試儀［羅姆（江蘇）儀器有限公司］；RW20 型攪拌機、T25 型均質機（德國IKA 集團）；TWCL-B 型磁力攪拌器（上海普渡生化科技有限公司）；NDJ-5S型旋轉黏度計（上海昌吉地質儀器有限公司）；ME3002E 型電子天平（感量：0.01 g）和PL8001E 型電子天平（感量：0.1 g）［梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司）］；TYB01型注射泵（上海雷弗電子有限公司）；CTS-I型煙用爆珠綜合檢測儀（成都瑞拓科技股份有限公司）；SDH01 型恒溫恒濕箱（上海建恒儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 爆珠的乳化-凝膠法制備工藝

借鑒文獻中乳化-凝膠法反滴法［9］，將含有鈣離子的乳化液滴加到海藻酸鈉成型液中，鈣離子由內向外滲透，并與成型液中海藻酸鈉形成海藻酸鈣凝膠粒子，包裹住含有油相的乳化滴，生成球形的爆珠稚珠，再通過洗丸和滾筒干燥，制備成爆珠。

乳化液的制備：先稱量去離子水，加入水相試劑（CaCl2、CMC-Na）和表面活性劑Tween 80，攪拌均勻，充分溶解；倒入油相（煙用香精，溶劑為ODO 或橄欖油）；放入IKA 均質機下12 000 r/min 高速切割15 min，即為乳化液。

成型液的配制：將海藻酸鈉、Span 20 添加到去離子水中，邊攪拌邊添加，完全溶解后，即為成型液。

滴制：將制備好的乳化液裝入100 mL 注射器中，安置到雷弗注射泵中；通過PE 透明導管連接到3.5 mm滴頭上，滴頭固定到成型液上方；成型液放置在磁力攪拌器上，先攪動成型液，速度600～900 r/min，中間形成漩渦；設置注射泵流量為3.0～4.5 mL/s，開始滴制。

洗丸：將滴制成型的爆珠稚丸撈出后放入去離子水中，清洗5～8 min。

滾筒干燥：在溫度（22±2）℃，相對濕度（RH）40%～60%的環境條件下將爆珠投入滾筒干燥器中干燥3 h左右，即得成品爆珠。

1.2.2 乳化液穩定性試驗

將ODO和薄荷精油（橄欖油為溶劑）作為油相，按照質量分數為乳化液的33%、50%和66%的比例添加到水相中進行乳化，將制備的乳化液進行穩定性試驗，通過檢測不穩定指數來表征乳化液的穩定性。

1.2.3 CMC-Na添加量的梯度試驗

進行質量分數為0，0.2%，0.5%和1.0%的爆珠成型試驗，通過干燥時間來確定CMC-Na最佳添加量，重復3次。

1.2.4 CaCl2添加量的梯度試驗

進行質量分數為0，2%，4%，6%，8%和10%的爆珠成型試驗，通過爆珠能否成型和成品爆珠硬度來確定CaCl2最佳添加量。

1.2.5 防潮性試驗

按照質量分數為0.8% 分別配制CaCl2和殼聚糖的清洗液，攪拌均勻，將滴制好的爆珠稚丸放入其中進行邊清洗邊交聯，交聯時間為0、10、20、30、60 min。干燥好的成品爆珠在22 ℃、70%RH和80%RH的溫濕度條件下放置20 min 后，進行爆珠硬度的測定。

1.2.6 成品爆珠硬度的測定

采用煙用爆珠綜合檢測儀進行成品爆珠硬度的測定，每批爆珠隨機取50 顆，用破裂壓力來表征硬度，重復3次。

2 結果與分析

2.1 乳化液中水相和油相比例確定

將CaCl2、羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、Tween 80和超純水作為水相，精油體系作為油相，進行乳化形成乳化液。在25℃（室溫）下測試不同含油量乳化液樣品的不穩定指數，比較乳化液的穩定性。樣品1到樣品3 分別是以ODO 為油相的乳化液，其中油相所占的質量分數分別為33%、50%、66%；樣品4到樣品6分別是以薄荷精油為油相的乳化液，其中油相所占的質量分數分別為33%、50%、66%。試驗結果見圖1，橫坐標表示分離時間，縱坐標表示在該時間節點樣品的不穩定指數。不穩定指數越大則表示樣品越不穩定。曲線圖的斜率越大，則表示樣品分離的速度越快。當曲線與橫坐標平行時，說明樣品已經完全分離。由圖1 可知，在實驗開始后，樣品4 不穩定性曲線斜率最大，說明分離速度最快，并且在大約700 min時完全分離，而其他樣品到實驗結束時不穩定性還在增加。不穩定性曲線在標注位置相交，說明此時樣品不穩定性指數大小順序發生變化，具體見表1。

圖1 乳化液不穩定性指數曲線圖Fig.1 Instability index curves of emulsion

表1 樣品不穩定性指數排序Tab.1 Sample ranking based on their instability indexes

整體而言，ODO 溶劑體系和橄欖油溶劑體系均能形成穩定的乳化液，薄荷精油油相乳化液的不穩定性大于ODO油相乳化液的不穩定性，這是由薄荷醇的揮發性造成的。ODO油相的乳化液，無論是油相與水相的比例為（質量比，下同）1∶2（油相質量分數為33%），還是油相與水相的比例為2∶1（油相質量分數為66%），其穩定性都大于油相與水相的比例為1∶1（油相質量分數為50%）乳化液的穩定性。為了能在爆珠中包載更多的香精，制備乳化液時選擇油相與水相的比例為2∶1。

2.2 成型液中海藻酸鈉及配比的確定

根據報道海藻酸鈉的使用濃度為1%［11］，開展兩種黏度值（高黏度，20 mPa·s 和低黏度，8 mPa·s）海藻酸鈉1%溶液的配比試驗，根據滴制出爆珠的硬度、圓度和有無漏油進行優化，經過一系列的試驗，初步確定了成型液中高黏度海藻酸鈉和低黏度海藻酸鈉的配比（質量比，下同）為4∶6到6∶4，最佳配比為1∶1（5∶5）（見表2）。

表2 成型液海藻酸鈉配比試驗Tab.2 Ratio tests of sodium alginate in forming capsule liquid

成型液中配比1∶1 的海藻酸鈉在試驗過程中其消耗量的檢測較為困難，因為在爆珠的滴制成型過程中，高黏度和低黏度的海藻酸鈉的消耗量不同步，高黏度海藻酸鈉使用量大于低黏度海藻酸鈉的量（試驗數據未給出）。重新進行單黏度值海藻酸鈉的成型試驗，配比1∶1 海藻酸鈉黏度值經檢測為16 mPa·s，進行黏度值為16 mPa·s 的單種海藻酸鈉成型試驗。試驗結果見圖2。由圖2 可知，采用高、低黏度配比為1∶1 的海藻酸鈉（黏度值為16 mPa·s）能滴制出爆珠稚丸，單個稚丸中透明的外殼為海藻酸鈣凝膠，乳白色內芯為未破乳的芯液，自然攤干后也沒有滲油/漏油現象，因此確定使用16 mPa·s 的海藻酸鈉配制成型液并進行爆珠的制備。

圖2 滴制成型的海藻酸鈣爆珠稚丸Fig.2 Breakable capsule pellets made from calcium alginate

2.3 羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）添加量的確定

羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）添加量對爆珠干燥過程中破乳時間的影響見表3。由表3可以看出，水相中CMC-Na的添加量越大，破乳的時間越長，說明CMC-Na 除具有成膜性外也具有保水功能［12］。CMC-Na 添加量達到水相的1%時，爆珠成膜性也較好，爆珠囊殼透明，抗裂性能均較好，但是，因為爆珠外部囊殼先干燥成型，而內部芯液中的水分仍然繼續丟失，導致出現空心氣泡珠的現象（圖3c）。根據生產效率和滾筒干燥時破乳時間的要求（3 h左右），CMC-Na添加量為水相的0.5%時較好（圖3a、圖3b）。

表3 CMC-Na添加量對干燥破乳時間的影響（n=3）Tab.3 Effect of CMC-Na addition rate on demulsification time（n=3）

圖3 0.5% 和1% CMC-Na添加量制備的爆珠Fig.3 Breakable capsules prepared at CMC-Na addition rates of 0.5% and 1%

2.4 CaCl2添加量的確定

不同CaCl2添加量對成品爆珠硬度的影響結果見表4，其中爆珠硬度用其破裂壓力值表征。由表4可知，CaCl2濃度太低，爆珠不能成型。CaCl2濃度為4%～10%（質量濃度，下同）的范圍內，4%濃度CaCl2滴制的爆珠，能承受的壓力值較小，硬度不夠，不適宜在煙用嘴棒中添加；6%和10%濃度CaCl2制備的爆珠，雖然大部分的壓力值在標準范圍10～20 N（15 N±5 N）之間，但是達不到批次檢測合格率（80%以上）要求；8%濃度CaCl2制備的爆珠硬度值較好，也能達到批次檢測合格率要求。因此優化的CaCl2濃度應為8%。

表4 CaCl2添加量對成品爆珠硬度的影響（n=3）Tab.4 Effect of CaCl2 addition rate on hardness of breakable capsules（n=3）

2.5 成型液中甘油添加量的確定

此方法滴制的爆珠，在干燥過程中，會出現不同的結果：自然攤干的爆珠（圖4c、圖4d），晶瑩透亮，沒有漏油/滲油現象（圖5c）；利用轉筒干燥的爆珠（圖4a、圖4b），表面較渾濁，部分會出現滲油/漏油現象（圖5a、圖5b）。滾筒干燥的成品爆珠表面不透亮，是因為轉筒干燥器的內壁不太潔凈，干燥過程中滾動的珠子粘上了微塵等顆粒，導致沒有自然攤干的爆珠晶瑩透亮。出現滲油/漏油的原因可能是，形成的爆珠囊殼硬度達到要求，但是彈性和韌性不夠，延展度不足，在干燥后收縮過程中，爆珠受到碰撞、相互擠壓，因囊殼柔韌性不足而出現裂縫和裂口，進而導致滲油/漏油。為提升爆珠囊殼的延展度和韌性，通過在囊殼中添加增塑劑的方法，可防止爆珠在干燥過程中因碰撞擠壓而導致囊殼皸裂。

圖4 干燥后的成品爆珠Fig.4 Image of dried breakable capsules

圖5 爆珠在10×顯微鏡中的圖像Fig.5 Images of dried breakable capsules under 10× microscope; bar=1 mm

增塑劑對成品爆珠滲油/漏油的影響結果見表5。由表5可知，在成型液中添加1.0%或2.0%的甘油或者0.2%的聚乙烯醇（PVA），均能夠提升此工藝制備的爆珠囊殼的韌性，有效解決干燥后成品爆珠的滲油/漏油問題（見圖6b）。雖然PVA 也能達到防止囊殼皸裂的效果，但從經濟考慮而選擇添加量為1.0%的甘油作為增塑劑。

圖6 滲油/漏油爆珠（a）和正常爆珠（b）在吸油紙上的油點Fig.6 Blots in oil-absorbing paper for breakable capsules with oil seeping/leaking（a）and normal capsules（b）

表5 不同增塑劑對爆珠滲油/漏油的影響Tab.5 Effects of different plasticizers on oil seeping/leaking from breakable capsules

2.6 爆珠防潮工藝的研究

此方法制備的爆珠，因為其囊材大部分為海藻酸鹽，其吸濕性較為明顯，在高濕環境下容易吸潮軟化，失去爆珠的脆響性能。因此在洗丸工藝步驟中，通過添加CaCl2、殼聚糖進行了離子交聯試驗，以期增加成品爆珠的防潮性。

添加濃度為0.8%的CaCl2進行交聯，結果表明，交聯后爆珠的硬度有所增加但增加幅度較小，防潮性能沒有增加。

添加濃度為0.8%的殼聚糖進行交聯，試驗結果見表6。由表6可知，濃度為0.8%的殼聚糖能夠起到一定的防潮作用。隨著交聯時間的延長，干燥后的爆珠防潮性較好，交聯30 min制備的爆珠在70%RH條件下不會吸潮變軟。而交聯60 min 制備的爆珠，防潮效果和交聯30 min 制備的爆珠一樣，能耐受70%RH 的條件，但仍不能耐受80%RH 的高濕度條件。因此，優化步驟是在洗丸環節添加0.8%殼聚糖于超純水中，既可以清洗爆珠稚丸，又同時發生離子交聯反應以增強成品爆珠的防潮性能。

表6 0.8%殼聚糖對爆珠防潮性能的影響（n=3）Tab.6 Effect of 0.8% chitosan on moisture resistance of breakable capsules（n=3）

2.7 成品爆珠的硬度測試

使用煙用爆珠綜合檢測儀，對成品爆珠進行壓力值的檢測來表征硬度。根據所檢測的爆珠硬度指標形成的雷達圖（圖7）可知，利用本方法制備的爆珠和脈沖法制備的爆珠的壓力值范圍基本一致，絕大部分在10～20 N之間，符合湖北中煙煙用爆珠的硬度標準（15±5 N）。

圖7 表征爆珠硬度的壓力值雷達圖Fig.7 Radar maps of pressure values of breakable capsules prepared by this method（left）and by pulse method（right）

2.8 成品爆珠合格率的快速檢測

將干燥好的成品爆珠放置到一次性杯中，倒入95%酒精，能對爆珠的成品合格率進行快速直接的初步判斷。正常爆珠、氣泡爆珠、未破乳爆珠、部分破乳爆珠，都能清晰地顯示出來。圖8中所示，正常爆珠在酒精的浸泡下，圓珠透明無雜質；氣泡爆珠顯現明顯的空心；未破乳的爆珠呈現出不透明的乳白色；部分破乳的爆珠則會顯示不同的乳白色圖案，如圖中的“牦牛”等。

圖8 成品爆珠在95%酒精中顯像和10×顯微鏡中的圖像Fig.8 Images of breakable capsules in 95% alcohol solution under 10× microscope

此種簡易判斷方法，快速方便，便于操作。滴制的爆珠干燥后在酒精的浸泡下，明顯呈現出爆珠的成品質量，能大致判斷出氣泡珠、“圖案”爆珠（破乳不完全）、未破乳爆珠的比例，快速地提供直觀的成品爆珠的批次初次合格率。

3 結論

通過乳化-凝膠法能夠成功制備出符合生產要求的煙用海藻酸鈣爆珠，實現對ODO溶劑體系精油和橄欖油溶劑體系精油的有效包裹。在此爆珠制備方法中，乳化液中水相和油相的質量比為1∶2；水相中，羧甲基纖維素鈉添加量為0.5%，氯化鈣添加量為8%；成型液中，海藻酸鈉（1%濃度）的黏度值為16 mPa·s，添加1.0%甘油可以增強爆珠囊殼的韌性進而防止爆珠滾筒干燥時皸裂。另外，采用酒精能簡易快速檢測成品爆珠的初次合格率。