老面馒头风味微胶囊的制备

钱龙德，刘 悦，张国治

（1.河南奥尼斯特食品有限公司，郑州 450003；
2.新乡工程学院食品工程学院，河南 新乡 453700；
3.河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001）

老面馒头作为北方的一种传统主食， 因其内部丰富的微生物菌群和特殊香甜的风味而倍受青睐。然而其风味稳定性差，容易受氧气、pH、温度和湿度等环境条件影响而散发， 影响人们对其的喜爱度及可口性。

微胶囊技术是利用天然或人工合成的高分子材料为壁材，将均匀分散的固体、液体或气体包封在其中的技术，有效保护芯材不受外界环境的影响，以达到降低风味物质挥发，控制芯材释放等目的，目前已广泛应用于化工、生物医药、食品、化妆品等多种领域。

在现代食品加工过程中， 对风味物质进行微胶囊化已有研究[1-2]，包埋风味物质可以显著提高其稳定性，改善理化特性、释放速率和生物利用率[3]。淀粉经化学、生物或物理改性后，可提升理化特性及结构特性，如乳化性、吸附性及多孔性等，得到更适于实际生产操作所需材料[4]。采用复合酶解及酯化反应法作用于淀粉时，引入亲水羧基和疏水辛烯基团，在界面形成一层稳定的膜层结构， 经真空冷冻干燥过程更易凝聚固化，提升包合效率。风味物质的包合方法分为热溶法、酸碱中和法、酶促反应法及超声辅助法等。

朱艳巧等[5]通过超声波辅助法，制备直链淀粉-肉桂醛复合物，超声波处理能够提高分子的乳化性、增大风味物质在直链淀粉中的分散程度， 使风味物质能够更好地嵌入直链淀粉的螺旋腔中， 且超声处理条件对结构、性能影响较大。

由于风味难以捕获，保存困难，直接对其进行微胶囊化难度大。因此本研究通过GC-MS 法筛选出老面馒头中关键香气成分配制有机溶液为芯材，酯化高直链玉米淀粉为壁材，采用超声辅助共沉淀结合微胶囊技术对风味物质包埋并进行工艺条件优化。

对微胶囊技术在食品加工中的应用提供理论依据和实验支撑。

1.1 材料与试剂

金苑特一粉，河南金苑粮油有限公司；
安琪高活性干酵母，安琪酵母股份有限公司；
老面，新乡市红旗区忆味土特产；
双效泡打粉，桂林市红星化工有限责任公司；
馒头改良剂，安琪酵母股份有限公司；
白糖，广州福正东海食品有限公司；
仲辛醇，上海源叶生物科技有限公司；
风味标准品，异戊醇、1-辛烯-3-醇、苯乙烯、1-壬烯、2-戊基呋喃、反-2-辛烯醛、壬醛、癸醛、椰子醛、癸酸乙酯、2,6-二叔丁基对甲酚、香叶基丙酮和β-紫罗兰酮，以上试剂均为分析级试剂，购自上海麦克林生化科技有限公司；
实验过程中所用其余试剂均为化学纯试剂。

1.2 仪器与设备

海氏厨师机（HM 740），青岛汉尚品牌管理有限公司；
系列高级面包醒发箱（FJ-Y），广东乐创电器有限公司；
气相色谱-质谱仪（GC-7890A），美国安捷伦科技有限公司；
50/20 μm 萃取头（DVB/CAR/PDMS），美国色谱科公司；
磁力搅拌油浴锅（XMTD-702， 上海恩谊科技有限公司；

数显酸度计 （PHS-3C），杭州雷磁分析仪器厂；
高速冷冻离心机（JW-1044R），安徽嘉文仪器装备有限公司；
真空冷冻干燥机（FD-100S），北京惠诚佳仪科技有限公司；
磁力搅拌器（HJ-6B），常州峥嵘仪器有限公司；
100 目标准试验筛（07J200），新乡市千振机械有限公司；
紫外可见分光光度计（A590），翱艺仪器上海有限公司；
电子天平（AL204），梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 老面风味筛选与定量

1.3.1.1 老面馒头的制备

老面馒头（SSB: sourdough steamed bread）：和面（面粉 100 g、酵母 1 g、泡打粉 0.25 g、改良剂 0.25 g、 白砂糖 0.25 g 及 0.25 g 老面混匀）→醒发（40 min；
35 ℃；
RH: 85%）→整型→二次醒发（20 min）→蒸制（30 min）→成品。

安琪酵母馒头（ASB: Anqi steamed bread）：酵母发酵面团，制作方法同上，仅和面时未加老面，其余均保持一致。

1.3.1.2 风味物质检测

采用内标法， 色谱及质谱条件设置参照冯涛[6]等方法，并对前处理略做改动。

称取面团3 g，加入10 μL 的 200 mg/L 仲辛醇，置于棕色萃取瓶中。

萃取头老化20 min， 同时将萃取瓶置于80 ℃恒温水浴锅中老化平衡20 min， 萃取头插入瓶中80 ℃水浴吸附30 min 风味，插入进样口，解吸6 min，拔掉平衡吸附萃取头，进样检测。

1.3.1.3 老面馒头特征风味物质的筛选

芯材的制备采用香气活性值OAV 法，定性和定量的评价各挥发性化合物对老面馒头（SSB）特征香气的贡献度。

OAVs 采用OAV=c/T 公式计算，其中c为SSB 样品中每种化合物的总浓度（μg/kg），T 为水中的气味阈值（mg/L）[7]。

1.3.1.4 风味物质定性及定量分析

定性分析：
通过与标准谱库内谱图进行比较鉴定，保留结果大于850 的匹配度。

定量分析：
风味物质含量测定采用内标半定量法[8]，由化合物与内标物（仲辛醇）的峰面积的比值进行计算。

1.3.2 微胶囊壁材的制备

称取高直链玉米淀粉配制淀粉乳，加入pH=6.0的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液，40 ℃水浴30 min，加入质量分数为2%的复合酶（α-淀粉酶：糖化酶=6:1），50 ℃酶解 8 h，加入一定量的 NaOH（2 M）溶液调节pH=10.0 终止反应。

溶液冷却至35 ℃， 滴加8%（淀粉干基为标准，质量分数）的辛烯基琥珀酸酐（OSA, Octenyl Succinic Anhydride），过程中使用 1.0 M NaOH 溶液， 控制溶液 pH=8.5，2 h 后使用 1.0 M盐酸溶液调节溶液 pH= 6.5， 终止反应 （DS=0.0181）。

用70%乙醇、蒸馏水分别将沉淀物洗涤2次后，-40 ℃预冻冻存，后冷冻干燥72 h，过 100 目筛，得到微胶囊壁材。

1.3.3 风味微胶囊制备单因素实验

取一定量微胶囊壁材混合蒸馏水，50 ℃涡旋震荡30 min 使其均匀分布，形成稳定淀粉乳，保持淀粉乳处于均匀状态下将微胶囊芯材加入， 置于超声波细胞粉碎机中以不同功率和不同时间进行超声破碎， 转移置水浴锅中以不同时间、 不同温度水浴反应，4000 r/min 离心处理15 min，得到风味微胶囊沉淀。所得沉淀在-40 ℃冻存12 h，使微胶囊最大程度稳定下来， 后经过真空冷冻干燥72 h 得到絮状粉末，产物即为老面馒头风味微胶囊。

分别以芯壁质量比（1:1、2:1、4:1、6:1、8:1、10:1）、淀粉乳浓度（4%、6%、8%、10%、12%、14%）、包埋时间 （40 min、60 min、80 min、100 min、120 min、140 min）、包埋温度（40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65℃）、 超声功率 （200 W、250 W、300 W、350 W、400 W、450 W）、超声时间（3 min、5 min、7 min、9 min、13 min、15 min）为单因素进行试验，考察单因素对老面馒头风味微胶囊包埋率的影响，其它各值均不变。

1.3.4 风味微胶囊制备响应面优化实验

Box-Behnken 响应曲面法优化老面馒头风味微胶囊制备工艺，根据单因素实验结果，进行响应试验设计与分析，选取超声时间（A）、水浴温度（B）、芯壁比（C）、淀粉乳浓度（D）、超声功率（E）5 个因素为自变量，微胶囊包埋率为响应值，因素水平编码表如表1 所示。

表1 因素编码表

1.3.5 风味微胶囊（FMSB， Flavor Microcapsules of Sourdough Steamed Bread）包埋率的测定

1.3.5.1 标准曲线的绘制

取用无水乙醇为空白，配制不同浓度的风味物质-乙醇溶液：0.2 mg/mL、0.4 mg/mL、0.6 mg/mL、0.8 mg/mL、1.0 mg/mL、1.2 mg/mL、1.4 mg/mL 在 310nm处测定吸光度。

以x 轴为风味物质混合液浓度，y 轴为吸光度，绘制标准校正曲线。

1.3.5.2 微胶囊的包埋率的测定

包埋率测定参照曾小兰[9]的方法，均过0.22 μm有机滤膜，消除杂质的影响。

1.3.6 结果与分析

各样品包埋率的测定均重复三次并求平均值，所有数据使用IBM SPSS Statistics 21 进行统计学分析；
Origin 2019 b 进行图形绘制。

2.1 老面风味筛选与定量

2.1.1 风味物质分析

如表2 所示，检测出的42 种风味物质中，含量最高的是醛类及呋喃类，占整体15%左右，是馒头香味中主要成分。

壬醛和苯甲醛是馒头挥发性风味物质中主要含有的醛类物质， 在老面馒头中含有8.55%及7.31%。

研究表明，老面馒头中挥发性特征香气物质与酿酒酵母具有显著相关性，Liu 等[10]使用酿酒酵母制备馒头时发现大量己醛出现， 醛类物质主要来源于馒头发酵过程中微生物的变化， 对发酵完成后风味的形成有重要作用， 是使得馒头呈现植物清香、水果香的主要原因之一[11]。

表2 普通馒头和老面馒头挥发性风味物质检测结果

老面馒头中1-戊醇、 新二氢香芹醇含量较高，分别为4.01%及3.02%， 醇类可以产生甜清带凉的轻微药草香气。

己酸乙酯、邻苯二甲酸二乙酯、2-羟基丙酸乙酯等关键酯类香气存在于老面馒头中，赋予老面馒头浓郁酯香。

酯类化合物大多来自于微生物的初级代谢， 如发酵过程酵母菌群的脂质代谢及乳酸菌的糖代谢， 由酶系催化过程所产生的一类化合物， 微生物代谢及积累速率远低于化学反应中的酯化速度。

2-正戊基呋喃在老面馒头样品中风味占比14.99%，大于其余29 种被检测出的风味物质，其特征果香、豆香、青草香赋予了老面馒头独特的浓郁味道，均为面制品加工中常检出的香气物质，对风味贡献显著，为老面馒头风味中的关键风味物质，闫博文[12]得到类似结论。

2.1.2 特征风味物质分析

通过标准品标准曲线确定风味物质在体系中所占浓度， 经香气阈值计算每种风味物质OAV 值[13]，选取OAV 值> 1 的风味物质作为老面馒头的特征风味物质，结果如表3 所示。由于一些标准品水溶性较差，在无水乙醇中溶解性较好，故选取无水乙醇溶液作为载体，配制浓度为5 mg/L 的风味乙醇溶液作为制备风味微胶囊的芯材。

表3 筛选出的OAV>1 挥发性化合物

2.2 风味微胶囊的单因素实验

2.2.1 芯壁质量比对微胶囊包埋率的影响

芯壁质量比对包埋率的影响如图1 所示， 随着芯壁质量比由2:1 至10:1，包埋率呈现先降低、后升高、 再降低趋势。

当芯壁比为8:1 时， 包埋率为71.53%，为该选择范围最适芯壁比条件。

可能是因为当芯材所占比例过大时， 壁材不足以支撑芯材所需淀粉含量，故在芯壁比较大时包埋率反而降低。因此， 选取芯壁质量比为6:1、8:1、10:1 进行后续响应面优化实验。

图1 芯壁比对风味微胶囊包埋率的影响

2.2.2 淀粉乳浓度对微胶囊包埋率的影响

淀粉乳浓度对风味包埋率的影响如图2 所示，随着淀粉乳浓度的增多， 包埋率呈现先增加后降低的趋势，这可能是由于浓度较低时，绝大多数风味芯材没有地方留存，未被包封到，仅有小部分芯材包合进入淀粉分子内部，制备出部分微胶囊。但添加量超过6%时， 由于淀粉乳浓度大于最适合微胶囊化的浓度，所以包合反应不能完全发生[14]。当壁材添加量为6%时， 包埋率在该范围内的达到最高，为72.74%，故选择壁材添加量为4%、6%、8%进行后续实验。

图2 淀粉乳浓度对风味微胶囊包埋率的影响

2.2.3 包埋温度对微胶囊包埋率的影响

包埋温度对包埋率的影响如图3 所示， 包埋率随温度升高呈先增加、后降低趋势。适当的温度环境可以增大淀粉乳浓度，促进分子运动，增强芯材与壁材的相互作用。

当温度为45 ℃时，包埋率达到所选范围内的峰值高度，随着包埋温度大于45 ℃，包埋率随之降低。

这可能是因为淀粉与风味的复合类似于一种放热反应，过高的温度会发生逆反应过程，不利于反应的进行[15]。

因此，选取包埋温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃进行优化实验。

图3 包埋温度对风味微胶囊包埋率的影响

2.2.4 包埋时间对微胶囊包埋率的影响

包埋时间对风味包埋率的影响如图4 所示，随着包埋时间的递增，包埋率整体变化不大，在65%~70%间波动。

在包埋时间为60 min 时，包埋率达到最大值，为69.91%，结合实际生产条件，故选用60 min 进行后续响应面优化实验。

图4 包埋时间对风味微胶囊包埋率的影响

2.2.5 超声功率对微胶囊包埋率的影响

超声功率对FMSB 包埋率的影响如图 5 所示，包埋率随功率增加呈现先升高、后降低趋势。当超声功率为 450 W 时，包埋率高达 67.00%。经超声处理芯壁混合物时，位于无水乙醇中的水不溶性的极性、弱极性风味物质，在物理作用下更快地寻找OS-PS的螺旋空腔，迅速进入空隙中完成物理复合。具有双亲性的淀粉螺旋分子结构在超声粉碎的作用下与基团包合后形成一层牢固的外膜， 超声作用还可以为风味物质进入壁材的空腔提供一定通路[9]。

但过高的超声功率往往伴随着温度的变化， 可能造成芯材的挥发或壁材结构破坏， 甚至将已完成包合的芯材释放到溶液中，造成包埋率降低，故选取超声功率为400 W、450 W、500 W 进行后续响应面优化实验。

图5 超声功率对风味微胶囊包埋率的影响

2.2.6 超声时间对微胶囊包埋率的影响

超声时间对包埋率的影响如图6 所示， 随着超声时间增加，包埋率呈现先增加、后降低趋势。

超声处理过程首先是淀粉壁材的物理包覆， 随后是螺旋空腔的吸附，该处理条件类似于β-环糊精的包埋原理，不仅能够使壁材的乳化能力提高，还可以使得芯材在壁材内部均匀分散，属于一种比较稳定的方式。朱艳巧等[5]通过研究超声时间对肉桂醛包埋率的影响，短时间超声处理有助于降低溶液粘度，增加直链淀粉含量。

刘晓丽等[16]通过探究超声工艺对鱼油微胶囊化的影响， 证明超声辅助有利于包埋率及微胶囊稳定性的提高。所以，选取超声时间为11 min、13 min、15 min 进行后续实验。

图6 超声时间对风味微胶囊包埋率的影响

2.3 微胶囊制备工艺优化结果

2.3.1 响应面实验设计方案及结果

根据单因素实验结果，可以看出超声时间（A）、水浴温度（B）、芯壁比（C）、淀粉乳浓度（D）、超声功率（E）对包埋率影响较大，故选取这五种因素为影响因子， 利用Design-Expert 13 软件设计响应面实验，实验方案设计结果见表4。

2.3.2 模型的方差分析

由表4 知， 拟合后得到风味微胶囊包埋率与因素间的二次多项回归方程如下：包埋率（%）=71.83+2.17 A+1.15 B-2.09 C-1.41 D-1.37 E-2.35 AB+0.63 AC-0.21 AD+1.73 AE+3.54 BC+0.99 BD-2.13 BE-0.45 CD-0.16 CE-1.11 DE-5.90 A2-7.89 B2-5.46 C2-10.63 D2-8.09

表4 响应面设计方案及结果

36 0 0 0 1 1 48.20 37 1 0 0 1 0 56.49 38 1 1 0 0 0 57.76 39 0 1 0 1 0 55.57 40 -1 0 -1 0 0 61.95 41 0 -1 0 0 1 56.74 42 0 0 1 0 1 53.21 43 0 -1 1 0 0 50.6 44 0 0 0 0 0 72.59 45 0 0 -1 -1 0 58.83 46 -1 0 1 0 0 56.99

对该模型进行显著性检验及方差分析结果见表5。

由表 5 可知，模型的 F 值=47.06，且 P 值<0.01，这表示该模型具有统计学意义。

失拟项P>0.05 不显著， 相关系数R2=0.9741 说明模型与实验之间的拟合没有较大差异，模型成立。

表中一次项< 0.05，显著；
二次项< 0.01，极显著，交互项 AB、AE、BC、BE<0.05，说明交互作用对包埋率影响显著，影响风味微胶囊包埋率由大到小的因素水平依次为：
超声时间>芯壁比>超声功率>淀粉乳浓度>水浴温度。

在本实验的条件范围内，超声处理对响应值影响较大，超声处理造成淀粉结构破坏， 淀粉表面呈现不规则变化，淀粉乳化性提高为外部环境提供通道，更好地包裹风味进入淀粉颗粒内部。

表5 显著性检验及方差分析结果

2.3.3 两因素交互作用对风味微胶囊包埋率的影响

由图7 所得响应面和等高线图， 等高线图为椭圆形时说明两因素之间具有显著交互作用， 与方差分析结果一致， 由该图可直观看出各因素之间对包埋率具有显著影响。

图7 两因素交互作用对风味微胶囊包埋率影响的响应曲面及等高线图

2.3.4 风味微胶囊包埋率验证实验

对响应面优化得出的最佳制备工艺条件进行可靠性检验， 依据现实适当调整工艺条件：
超声时间13 min，超声功率447 W，水浴温度45 ℃，水浴时间60 min，芯壁质量比6.26:1 ，淀粉乳浓度为7.88%。在该条件下进行三次重复验证试验， 此时得到的实际老面馒头包埋率为70.93%±0.14%， 与理论值72.32%接近，验证值和预测值的误差在可接受范围内，验证了回归模型的合理性，结果真实可靠。

本文采用GC-MS 法结合香气活性值法， 筛选出老面馒头中13 种特征风味， 以改性淀粉为壁材，老面馒头特征风味为芯材， 采用分子包埋结合超声辅助共沉淀法， 设计响应曲面实验优化微胶囊制备工艺， 结合单因素实验得出超声处理对包埋率影响最大， 且响应面优化最佳制备工艺为：
超声时间13.33 min，超声功率447 W，水浴温度45 ℃，水浴时间 60 min， 芯壁质量比 6.26:1， 淀粉乳浓度为7.88%，所得风味微胶囊包埋率为72.32%，进行3 次重复验证试验可得包埋率为70.93%，证明结果真实可靠。