锐孔法制备谷氨酸钠微胶囊及其缓释性的研究

吴玲玲，张 慜*，刘亚萍

（1.江南大学 食品学院，江苏 无锡 214122；2.广东嘉豪食品有限公司，广东 中山 528447）

谷氨酸钠（Monosodium glutamate，MSG）是火锅鸡粉中的主要成分和呈鲜物质，由于火锅鸡粉在长时间的高温熬煮过程中，会出现鲜味物质释放过快的不良现象，而一般吃火锅时间都较长，所以研究开发一种耐煮火锅鸡粉具有重大研究意义[1-2]。因此，以谷氨酸钠为包埋对象，采用微胶囊技术可以有效地使其鲜味缓慢释放，避免在熬煮过程中出现鲜味物质释放过快的不良现象，为后续开发耐煮火锅鸡粉提供理论依据，具有现实意义。

微胶囊技术是指利用一定的工艺手段和成膜材料对某些固体、液体或气体等核心物质进行包埋，从而形成微小封闭颗粒的技术[3-5]。微胶囊技术具有保护芯材，控制芯材释放，降低或掩盖不良味道及延长保质期等优势[6-9]。合适壁材的选择是影响微胶囊性能的重要指标之一[10]。而海藻酸钠是一种无毒可降解的天然材料，具有诸多优势，如生物相容性良好、廉价易得等，且成胶机制简单，海藻酸钠在室温条件下，即可与Ca2+生成具有“蛋盒”结构的海藻酸钙[11]。

目前制备微胶囊的方法繁多，其中锐孔法因其设备简单、操作简便、投资少、所制得的微胶囊形态和粒径都较为均一等优势而备受关注[12]。它的原理是利用锐孔装置将芯材与壁材的混合液逐滴加入到凝固液中，形成微胶囊产品。本试验选取海藻酸钠为壁材、以氯化钙为凝固剂，采用锐孔法制备谷氨酸钠微胶囊，以成型效果和包埋率为主要考察指标，通过单因素和正交试验得到制备工艺的最佳条件，并对所得的微胶囊进行形貌分析和缓释试验，以及利用电子鼻测定其在沸水熬煮过程中风味的变化，以期获得一种具有良好成型效果、包埋率高，同时具有良好缓释效果的微胶囊产品。

1 材料与方法

1.1 材料

谷氨酸钠：广东嘉豪食品有限公司提供；海藻酸钠，氯化钙，氢氧化钠，甲醛，95%乙醇：均为分析纯，购买于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

T18型高速剪切分散机：德国IKA公司产品；注射器：无锡市宇寿医疗器械股份有限公司产品；HH-S型水浴锅：郑州长城科技工贸有限公司产品；PL203型电子分析天平：梅特勒-托利多仪器产品；pHS-3C酸度计：上海精密科学仪器有限公司产品；磁力搅拌器：85-2，江苏省金坛市环宇科学仪器厂制造；KQ3200DE型超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司产品；Quanta200扫描电镜：美国FEI公司产品；iNose：上海瑞芬贸易有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程 壁材（海藻酸钠）+蒸馏水→混合搅拌→50℃加热搅拌至完全溶解+芯材 （谷氨酸钠）→高速剪切分散→锐孔造粒→凝固浴 （氯化钙溶液）固化→清洗→分离→干燥→成品

1.3.2 操作要点

1）海藻酸钠溶液的配制：称取一定质量的海藻酸钠与适量蒸馏水混合并迅速搅拌，在50℃的恒温水浴锅中放置1～2 h，使海藻酸钠充分吸水溶胀，以待使用[12]。

2）壁材和芯材混合液的配制：向冷却至室温的壁材溶液中按一定质量分数加入谷氨酸钠，搅拌后用高速剪切分散机以转速5 000 r/min分散5～10min，备用。

3）凝固浴CaCl2溶液的配制：配制不同质量分数的氯化钙溶液，冷却至常温，静置，备用。

4）锐孔造粒：将装有凝固浴溶液的烧杯放在温度可控、以一定转速搅拌的磁力搅拌器上，用5 mL注射器匀速推出芯材和壁材混合液的小液滴，并保持其下滴高度为5 cm与速度为1 mL/min，使其匀速滴入已凝固浴溶液中，形成微胶囊。

5）固化、干燥：将微胶囊放在用磁力搅拌器搅拌的凝固浴中使其固化30 min，获得湿微胶囊，用蒸馏水反复冲洗直至表面无CaCl2残留，随后放置在38℃烘箱中进行干燥，最终得到成品。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 微胶囊化包埋率 1）微胶囊产品中总谷氨酸钠含量测定：准确称取1.00 g微胶囊化谷氨酸钠，加入少量95%乙醇，研磨几分钟，使海藻酸钙完全溶解破壁，再加入少量蒸馏水，搅拌，超声20min，使谷氨酸钠完全溶解，离心后取上清液。用适量蒸馏水反复洗涤残渣，收集洗涤液并过滤，定容至100 mL，利用甲醛法测定MSG含量。2）微胶囊产品表面谷氨酸钠含量测定：准确称取1.00 g微胶囊化谷氨酸钠，加入少量蒸馏水，充分搅拌，使微胶囊表面的谷氨酸钠完全溶解在水中，离心后取上清液。用适量蒸馏水反复洗涤残渣，收集洗涤液并过滤，定容至100 mL，利用甲醛法测定MSG含量。3）微胶囊化包埋率的计算公式为

式中：ER为包埋率，W1为微胶囊产品总谷氨酸钠的含量，W2为微胶囊产品表面谷氨酸钠的含量。

1.4.2 单因素试验设计 为考察海藻酸钠质量分数、CaCl2质量分数、芯壁比、包埋温度以及针头直径5个因素对谷氨酸钠微胶囊化效果的影响，分别设定不同水平制备微胶囊，以成型效果和包埋率为评价指标，在固定其他因素的条件下，按照一定秩序分别探究各因素不同水平对微胶囊化效果的影响。

1.4.3 正交优化试验 在单因素试验的基础上，通过方差分析选择出对包埋率有显著影响的因素，以此来探究制备微胶囊的最佳工艺条件。采用正交试验对谷氨酸钠微胶囊工艺进一步优化，考察A（海藻酸钠质量分数）、B（CaCl2质量分数）、C（芯壁比）以及D（针头直径）对微胶囊制备的影响，选择L9（34）正交试验，因素水平如表1所示。

表1 L9（34）正交试验因素水平表Table 1 Factorsand levelsofL9 （34） orthogonal experiment

1.4.4 微胶囊的微观形态观察 按照1.3.2节的方法制备样品，使用扫描电子显微镜观察微胶囊的表面和内部切面微观结构。

1.4.5 微胶囊在沸水中的释放 称取等质量的微胶囊分别放入8个250 mL烧杯中，再按照1∶50（m/V）加入等体积的沸水，用双层保鲜膜封口，再将装有微胶囊的烧杯放入沸水锅中进行熬煮140 min，每隔20 min取出一个烧杯进行流动水冷却，再利用甲醛法测定谷氨酸钠质量分数，并计算出释放率，绘制释放曲线。

1.4.6 电子鼻测定 将熬煮过后的样品溶液30mL，平均分为3份，置于电子鼻专用样品测试瓶中，室温下密封放置1 h，待样品挥发性成分积累到一定的质量分数并充满样品测试瓶上部的顶空空间，然后将电子鼻检测探头插入样品测试瓶中采集检测信号。电子鼻使用前预热0.5 h，并进行清洗，每测试一个样品后，都对电子鼻检测探头进行清洗，清洗结束后进行下次的扫描。测试参数为气体流量1 L/min，测试时间 120 s，清洗时间 120 s，每个样品平行做3次。结果用主成分分析图（PCA图）和雷达图表示。在传感器阵列系统中有14个传感器，所代表的成分如表2所示。

表2 电子鼻中不同传感器代表的风味成分Table 2 Flavor components represented by different sensors in electronic nose

试验数据用Origin9.1软件和SPSS22.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 海藻酸钠质量分数对微胶囊化效果的影响海藻酸钠质量分数不仅影响微胶囊的包埋率，而且关乎微胶囊的形状、机械强度及成球难易程度[12-13]。由表3可知，海藻酸钠质量分数对微胶囊化效果影响较为显著（p＜0.05）。当海藻酸钠质量分数较低时，与氯化钙不能充分反应，致使形成较薄的微胶囊膜，且质地柔软，形状不规则，易破损，从而导致微胶囊包埋率较低。随着海藻酸钠质量分数的升高，微胶囊拖尾现象减弱，成型效果逐渐变好，包埋率也随之增加。当其质量分达到2.0%时，微胶囊的成型效果较好，且包埋率最高。但当海藻酸钠质量分数超过2.0%时，由于质量分数升高导致溶液黏度增加，难以通过针孔，挤压成型越来越困难，拖尾现象加剧，质地硬度增加，包埋率下降。综合上述考虑，海藻酸钠质量分数为1.5%～2.5%范围内较适宜。

表3 海藻酸钠质量分数对微胶囊化效果的影响Table 3 Effect of sodium alginate concentration on microcapsule

2.1.2 CaCl2质量分数对微胶囊化效果的影响 锐孔法制备微胶囊过程中的Ca2+起了交联剂的作用，使原本独立的线性分子相互连接缠绕以此形成空间网状结构，从而增大了体系的黏性，有利于微胶囊的形成。因此CaCl2凝固浴溶液的质量分数对微胶囊化效果有重要影响。从表4可以看出，当CaCl2质量分数较低时，凝固浴中没有足够的Ca2+与海藻酸钠中的Na+进行交联，所以微胶囊成型较慢，有拖尾现象，且形成的微胶囊膜表面黏性大，易粘连，质地柔软，从而使得微胶囊包埋率也比较低。随着CaCl2质量分数的升高，微胶囊表面迅速固化形成致密的海藻酸钙层，有利于谷氨酸钠的有效包埋，成型效果和硬度逐渐增强，对谷氨酸钠的释放起到减缓作用。当CaCl2质量分数为3.0%时，微胶囊包埋率最高。但当CaCl2质量分数过高时，包埋率又呈下降趋势。这是因为CaCl2与海藻酸钠外层迅速凝固，在内层固化前形成致密的交联结构，使囊壁变厚、变脆，阻碍了Ca2+向微胶囊内层的继续扩散和内层的充分包埋，由此形成的谷氨酸钠微胶囊质地坚硬，在干燥过程中容易发生破碎[14]。综合上述考虑，CaCl2质量分数为2%～4%范围内较适宜。

2.1.3 芯壁比对微胶囊化效果的影响 由表5可知，芯壁比较低时，微胶囊成型效果较差；随着芯壁比的增加，成型效果越来越好，而包埋率变化并不明显，这可能是由于芯材用量少、壁材用量多，所形成的微胶囊囊壁厚而致密，不利于干燥，且微胶囊中的有效成分质量分数低。当芯壁比为1.5∶10时，微胶囊的成型效果和包埋率都较好。此后，即使芯壁比升高，由于芯材的增加，壁材不能将谷氨酸钠完全包埋，部分谷氨酸钠暴露在壁材表面，且壁材用量的减少使得形成的微胶囊膜较薄，质地硬度有所下降，不能很好的地保护内部的谷氨酸钠，导致包埋率明显下降。综合上述考虑，芯材与壁材溶液的质量体积比为 1∶10～2∶10范围内较适宜。

表4 CaCl2质量分数对微胶囊化效果的影响Table 4 Effect of calcium chloride concentration on microcapsule

表5 芯壁比对微胶囊化的影响Table 5 Effect of the core to wall material ratio on microcapsule

2.1.4 包埋温度对微胶囊化效果的影响 由表6可知，包埋温度较低时，包埋率也比较低。导致这个的原因是海藻酸钠在温度比较低时的黏度较大，对锐孔法造粒有不良影响。随着包埋温度的升高，微胶囊硬度有所增强，包埋率也缓慢升高。这可能是由于温度的升高，海藻酸钠分子间链段缠结得到一定程度的舒展，导致其与Ca2+结合成网状结构的阻力变小。当包埋温度为50℃时，微胶囊的成型效果和包埋率都比较好。但温度过高时，由于过度受热容易导致海藻酸钠分子中的G段与M段的结构单元断裂，较难与Ca2+交联成网状结构，使其凝胶性能降低[12，15]。方差分析结果表明，包埋温度对微胶囊化效果影响不显著（p＞0.05），所以在正交优化试验中不再考虑包埋温度，包埋温度最终确定为50℃。

表6 包埋温度对包埋率的影响Table 6 Effect of embedding temperature on microcapsule

2.1.5 针头直径对微胶囊化效果的影响 针头直径的大小不同，会直接导致锐孔法造粒过程挤出的液滴体积也不同。从表7可以看出，随着注射器针头直径的增大，微胶囊颗粒大小也逐渐增大，所以制得的微胶囊产品总表面积变小，从而导致微胶囊包埋的谷氨酸钠质量分数减少，因此产品的包埋率呈下降趋势。当针头直径小于0.60 mm时，针头挤出溶液所需压力较大，这是因为海藻酸钠溶液黏度较大，使得造粒困难，并且此时对微胶囊的形态影响较小。综合上述考虑，针头直径为0.55～0.70 mm范围内较适宜。

表7 针头直径对微胶囊化效果的影响Table 7 Effect of needle size on microencapsulation

2.2 正交优化试验

根据单因素试验结果，确定包埋温度为50℃，采用正交试验对谷氨酸钠微胶囊工艺进一步优化，考察A（海藻酸钠质量分数）、B（CaCl2质量分数）、C（芯壁比）以及D（针头直径）对微胶囊包埋率的影响，设计L9（34）正交试验。正交试验结果及极差分析见表8。

由表8可知，各因素的影响顺序为：A＞B＞C＞D，即海藻酸钠质量分数＞CaCl2质量分数＞芯壁比＞针头直径。锐孔法制备谷氨酸钠微胶囊的最佳工艺条件组合为：A2B2C3D3。采用正交优化后所得的最优工艺条件，即海藻酸钠质量分数2.0%、CaCl2质量分数3.0%、芯壁比 2∶10、针头直径 0.70 mm，进行验证试验，制备3批微胶囊，测定包埋率依次为82.45%、81.22%和81.91%，平均包埋率为81.86%，且成型难度适中，不拖尾，微胶囊质地较硬，结果验证了该优化工艺的可行性。

表8 正交试验结果及极差分析Table 8 Orthogonal experiment results and analysis of range

2.3 微胶囊的微观形态

如图1所示为锐孔法优化工艺下制得的微胶囊干燥前后的表面形态图，从图中可以看出，谷氨酸钠微胶囊干燥前呈大小均匀的圆球形，干燥后的产品形态仍保持较好。由图2（a）和图2（b）可以看出表面有凸起，这可能是干燥过程中失水导致的，而内部结构完整性和致密性都很好。由图2（c）和图2（d）可以看出微胶囊表面无明显变形现象，结构仍保持完整，内部包含了芯材，表明锐孔法对芯材进行了很好的包埋保护作用，可以实现芯材的缓慢释放。

图1 微胶囊产品干燥前后的表面形态Fig.1 Surface Morphology of anterior and posterior drying microcapsules products

图2 微胶囊产品干燥后的扫描电镜图Fig.2 SEM of posterior drying microcapsules products

2.4 微胶囊在沸水中的释放

由图3可知，未经包埋的谷氨酸钠在沸水熬煮过程中，开始释放很快，谷氨酸钠释放率高达99.58%，随着时间的延长，谷氨酸钠含量几乎不变，140 min后释放率为99.96%。而谷氨酸钠微胶囊在熬煮初期释放率仅为1.54%，这是由于壁材的作用，较好地保护了芯材；随着时间的延长，谷氨酸钠微胶囊的释放率增加较为明显，在120 min时释放率达到94.62%；120 min后基本保持平稳趋势变化较小。这说明锐孔法制备微胶囊过程中形成的坚固的海藻酸钙对芯材有良好的缓释作用，在沸水中缓释时间长达2 h。

图3 谷氨酸钠和谷氨酸钠微胶囊在沸水中的释放曲线Fig.3 Release curve of MSG and MSG microcapsule in boiling water

2.5 电子鼻结果分析

主成分分析属于多元统计分析方法的一种，指将多个变量通过线性变换，选出较少个数重要变量的一种方法，用于区分不同样品之间的差异[16]。由图4可知，各样品之间没有交叉重叠部分，图4（a）和图4（b）中的识别指数DI值均高于90%，说明谷氨酸钠和谷氨酸钠微胶囊在沸水中熬煮不同时间的差异变化都很显著，因此电子鼻能很好地将不同时间的样品进行区分。图4（a）中第一主成分贡献率达到99.3%，且随着时间的延长，样品主成分值依次减小；第二主成分贡献率占0.4%，累积方差贡献率高达99.7%，说明主成分1和2包含了谷氨酸钠在沸水熬煮过程中不同时间下所对应样品的大量信息。图4（b）中第一主成分贡献率为89.9%，且样品主成分值在0～120 min内随着时间的延长依次增大，140 min时有所下降；第二主成分贡献率为7.1%，累积方差贡献率高达97.0%，说明所选择的不同时间下所对应的样品能很好地反映谷氨酸钠微胶囊在沸水熬煮过程中总体的信息。

雷达图是图形综合评价方法之一，能够给人以形象、直观的评价依据。由图5可知，传感器S2、S5、S8和S11响应值较大，说明谷氨酸钠和谷氨酸钠微胶囊在熬煮过程中，变化较大的风味物质主要有硫化物类、吡嗪类香气成分、氮氧化合物和挥发性有机化合物。图5（a）中谷氨酸钠在沸水熬煮过程中，各传感器的响应值随着时间的延长逐渐减小，说明原谷氨酸钠在熬煮过程中风味物质不断降低；而图5（b）中谷氨酸钠微胶囊在沸水中熬煮的0～120 min内，各传感器响应值不断增加，140 min时有所下降。这也充分说明了锐孔法制备的谷氨酸钠微胶囊具有良好的缓释效果，在沸水中缓释时间可长达2 h。

图4 在沸水中熬煮不同时间的样品电子鼻主成分分析图Fig.4 Principalcomponentanalysisofsamplesat different time in boiling water using electronic nose

图5 在沸水中熬煮不同时间的样品电子鼻分析的雷达图Fig.5 Radar chart of samples at different time in boiling water using electronic nose

3 结 语

本试验以海藻酸钠为壁材，采用锐孔法对谷氨酸钠微胶囊的制备进行了研究。最优的工艺条件为海藻酸钠质量分数2.0%、CaCl2质量分数3.0%、芯壁质量体积比2∶10、包埋温度50℃、针头直径0.70 mm，在该条件下，所制得的微胶囊平均包埋率为81.86%。优化之后的最佳工艺条件下制备的微胶囊呈大小均一的圆球形，成型难度适中，不拖尾，质地较硬。干燥前后的微胶囊表面无明显变形现象，内部结构完整性和致密性较好，对芯材实现了包埋。电子鼻能较好地区分不同熬煮时间下的样品，且缓释试验和电子鼻测定结果均表明该法制备微胶囊过程中形成的坚固的海藻酸钙对芯材有良好的缓释作用，在沸水中缓释时间可以长达2 h。因此，锐孔法制备的谷氨酸钠微胶囊可更好地满足人们对火锅鸡粉中鲜味物质缓慢释放的要求，具有广阔的市场应用前景。