銳孔法制備谷氨酸鈉微膠囊及其緩釋性的研究

吳玲玲，張 慜*，劉亞萍

（1.江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122；2.廣東嘉豪食品有限公司，廣東 中山 528447）

谷氨酸鈉（Monosodium glutamate，MSG）是火鍋雞粉中的主要成分和呈鮮物質，由于火鍋雞粉在長時間的高溫熬煮過程中，會出現鮮味物質釋放過快的不良現象，而一般吃火鍋時間都較長，所以研究開發一種耐煮火鍋雞粉具有重大研究意義[1-2]。因此，以谷氨酸鈉為包埋對象，采用微膠囊技術可以有效地使其鮮味緩慢釋放，避免在熬煮過程中出現鮮味物質釋放過快的不良現象，為后續開發耐煮火鍋雞粉提供理論依據，具有現實意義。

微膠囊技術是指利用一定的工藝手段和成膜材料對某些固體、液體或氣體等核心物質進行包埋，從而形成微小封閉顆粒的技術[3-5]。微膠囊技術具有保護芯材，控制芯材釋放，降低或掩蓋不良味道及延長保質期等優勢[6-9]。合適壁材的選擇是影響微膠囊性能的重要指標之一[10]。而海藻酸鈉是一種無毒可降解的天然材料，具有諸多優勢，如生物相容性良好、廉價易得等，且成膠機制簡單，海藻酸鈉在室溫條件下，即可與Ca2+生成具有“蛋盒”結構的海藻酸鈣[11]。

目前制備微膠囊的方法繁多，其中銳孔法因其設備簡單、操作簡便、投資少、所制得的微膠囊形態和粒徑都較為均一等優勢而備受關注[12]。它的原理是利用銳孔裝置將芯材與壁材的混合液逐滴加入到凝固液中，形成微膠囊產品。本試驗選取海藻酸鈉為壁材、以氯化鈣為凝固劑，采用銳孔法制備谷氨酸鈉微膠囊，以成型效果和包埋率為主要考察指標，通過單因素和正交試驗得到制備工藝的最佳條件，并對所得的微膠囊進行形貌分析和緩釋試驗，以及利用電子鼻測定其在沸水熬煮過程中風味的變化，以期獲得一種具有良好成型效果、包埋率高，同時具有良好緩釋效果的微膠囊產品。

1 材料與方法

1.1 材料

谷氨酸鈉：廣東嘉豪食品有限公司提供；海藻酸鈉，氯化鈣，氫氧化鈉，甲醛，95%乙醇：均為分析純，購買于國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

T18型高速剪切分散機：德國IKA公司產品；注射器：無錫市宇壽醫療器械股份有限公司產品；HH-S型水浴鍋：鄭州長城科技工貿有限公司產品；PL203型電子分析天平：梅特勒-托利多儀器產品；pHS-3C酸度計：上海精密科學儀器有限公司產品；磁力攪拌器：85-2，江蘇省金壇市環宇科學儀器廠制造；KQ3200DE型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司產品；Quanta200掃描電鏡：美國FEI公司產品；iNose：上海瑞芬貿易有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程 壁材（海藻酸鈉）+蒸餾水→混合攪拌→50℃加熱攪拌至完全溶解+芯材 （谷氨酸鈉）→高速剪切分散→銳孔造粒→凝固浴 （氯化鈣溶液）固化→清洗→分離→干燥→成品

1.3.2 操作要點

1）海藻酸鈉溶液的配制：稱取一定質量的海藻酸鈉與適量蒸餾水混合并迅速攪拌，在50℃的恒溫水浴鍋中放置1～2 h，使海藻酸鈉充分吸水溶脹，以待使用[12]。

2）壁材和芯材混合液的配制：向冷卻至室溫的壁材溶液中按一定質量分數加入谷氨酸鈉，攪拌后用高速剪切分散機以轉速5 000 r/min分散5～10min，備用。

3）凝固浴CaCl2溶液的配制：配制不同質量分數的氯化鈣溶液，冷卻至常溫，靜置，備用。

4）銳孔造粒：將裝有凝固浴溶液的燒杯放在溫度可控、以一定轉速攪拌的磁力攪拌器上，用5 mL注射器勻速推出芯材和壁材混合液的小液滴，并保持其下滴高度為5 cm與速度為1 mL/min，使其勻速滴入已凝固浴溶液中，形成微膠囊。

5）固化、干燥：將微膠囊放在用磁力攪拌器攪拌的凝固浴中使其固化30 min，獲得濕微膠囊，用蒸餾水反復沖洗直至表面無CaCl2殘留，隨后放置在38℃烘箱中進行干燥，最終得到成品。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 微膠囊化包埋率 1）微膠囊產品中總谷氨酸鈉含量測定：準確稱取1.00 g微膠囊化谷氨酸鈉，加入少量95%乙醇，研磨幾分鐘，使海藻酸鈣完全溶解破壁，再加入少量蒸餾水，攪拌，超聲20min，使谷氨酸鈉完全溶解，離心后取上清液。用適量蒸餾水反復洗滌殘渣，收集洗滌液并過濾，定容至100 mL，利用甲醛法測定MSG含量。2）微膠囊產品表面谷氨酸鈉含量測定：準確稱取1.00 g微膠囊化谷氨酸鈉，加入少量蒸餾水，充分攪拌，使微膠囊表面的谷氨酸鈉完全溶解在水中，離心后取上清液。用適量蒸餾水反復洗滌殘渣，收集洗滌液并過濾，定容至100 mL，利用甲醛法測定MSG含量。3）微膠囊化包埋率的計算公式為

式中：ER為包埋率，W1為微膠囊產品總谷氨酸鈉的含量，W2為微膠囊產品表面谷氨酸鈉的含量。

1.4.2 單因素試驗設計 為考察海藻酸鈉質量分數、CaCl2質量分數、芯壁比、包埋溫度以及針頭直徑5個因素對谷氨酸鈉微膠囊化效果的影響，分別設定不同水平制備微膠囊，以成型效果和包埋率為評價指標，在固定其他因素的條件下，按照一定秩序分別探究各因素不同水平對微膠囊化效果的影響。

1.4.3 正交優化試驗 在單因素試驗的基礎上，通過方差分析選擇出對包埋率有顯著影響的因素，以此來探究制備微膠囊的最佳工藝條件。采用正交試驗對谷氨酸鈉微膠囊工藝進一步優化，考察A（海藻酸鈉質量分數）、B（CaCl2質量分數）、C（芯壁比）以及D（針頭直徑）對微膠囊制備的影響，選擇L9（34）正交試驗，因素水平如表1所示。

表1 L9（34）正交試驗因素水平表Table 1 Factorsand levelsofL9 （34） orthogonal experiment

1.4.4 微膠囊的微觀形態觀察 按照1.3.2節的方法制備樣品，使用掃描電子顯微鏡觀察微膠囊的表面和內部切面微觀結構。

1.4.5 微膠囊在沸水中的釋放 稱取等質量的微膠囊分別放入8個250 mL燒杯中，再按照1∶50（m/V）加入等體積的沸水，用雙層保鮮膜封口，再將裝有微膠囊的燒杯放入沸水鍋中進行熬煮140 min，每隔20 min取出一個燒杯進行流動水冷卻，再利用甲醛法測定谷氨酸鈉質量分數，并計算出釋放率，繪制釋放曲線。

1.4.6 電子鼻測定 將熬煮過后的樣品溶液30mL，平均分為3份，置于電子鼻專用樣品測試瓶中，室溫下密封放置1 h，待樣品揮發性成分積累到一定的質量分數并充滿樣品測試瓶上部的頂空空間，然后將電子鼻檢測探頭插入樣品測試瓶中采集檢測信號。電子鼻使用前預熱0.5 h，并進行清洗，每測試一個樣品后，都對電子鼻檢測探頭進行清洗，清洗結束后進行下次的掃描。測試參數為氣體流量1 L/min，測試時間 120 s，清洗時間 120 s，每個樣品平行做3次。結果用主成分分析圖（PCA圖）和雷達圖表示。在傳感器陣列系統中有14個傳感器，所代表的成分如表2所示。

表2 電子鼻中不同傳感器代表的風味成分Table 2 Flavor components represented by different sensors in electronic nose

試驗數據用Origin9.1軟件和SPSS22.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 海藻酸鈉質量分數對微膠囊化效果的影響海藻酸鈉質量分數不僅影響微膠囊的包埋率，而且關乎微膠囊的形狀、機械強度及成球難易程度[12-13]。由表3可知，海藻酸鈉質量分數對微膠囊化效果影響較為顯著（p＜0.05）。當海藻酸鈉質量分數較低時，與氯化鈣不能充分反應，致使形成較薄的微膠囊膜，且質地柔軟，形狀不規則，易破損，從而導致微膠囊包埋率較低。隨著海藻酸鈉質量分數的升高，微膠囊拖尾現象減弱，成型效果逐漸變好，包埋率也隨之增加。當其質量分達到2.0%時，微膠囊的成型效果較好，且包埋率最高。但當海藻酸鈉質量分數超過2.0%時，由于質量分數升高導致溶液黏度增加，難以通過針孔，擠壓成型越來越困難，拖尾現象加劇，質地硬度增加，包埋率下降。綜合上述考慮，海藻酸鈉質量分數為1.5%～2.5%范圍內較適宜。

表3 海藻酸鈉質量分數對微膠囊化效果的影響Table 3 Effect of sodium alginate concentration on microcapsule

2.1.2 CaCl2質量分數對微膠囊化效果的影響 銳孔法制備微膠囊過程中的Ca2+起了交聯劑的作用，使原本獨立的線性分子相互連接纏繞以此形成空間網狀結構，從而增大了體系的黏性，有利于微膠囊的形成。因此CaCl2凝固浴溶液的質量分數對微膠囊化效果有重要影響。從表4可以看出，當CaCl2質量分數較低時，凝固浴中沒有足夠的Ca2+與海藻酸鈉中的Na+進行交聯，所以微膠囊成型較慢，有拖尾現象，且形成的微膠囊膜表面黏性大，易粘連，質地柔軟，從而使得微膠囊包埋率也比較低。隨著CaCl2質量分數的升高，微膠囊表面迅速固化形成致密的海藻酸鈣層，有利于谷氨酸鈉的有效包埋，成型效果和硬度逐漸增強，對谷氨酸鈉的釋放起到減緩作用。當CaCl2質量分數為3.0%時，微膠囊包埋率最高。但當CaCl2質量分數過高時，包埋率又呈下降趨勢。這是因為CaCl2與海藻酸鈉外層迅速凝固，在內層固化前形成致密的交聯結構，使囊壁變厚、變脆，阻礙了Ca2+向微膠囊內層的繼續擴散和內層的充分包埋，由此形成的谷氨酸鈉微膠囊質地堅硬，在干燥過程中容易發生破碎[14]。綜合上述考慮，CaCl2質量分數為2%～4%范圍內較適宜。

2.1.3 芯壁比對微膠囊化效果的影響 由表5可知，芯壁比較低時，微膠囊成型效果較差；隨著芯壁比的增加，成型效果越來越好，而包埋率變化并不明顯，這可能是由于芯材用量少、壁材用量多，所形成的微膠囊囊壁厚而致密，不利于干燥，且微膠囊中的有效成分質量分數低。當芯壁比為1.5∶10時，微膠囊的成型效果和包埋率都較好。此后，即使芯壁比升高，由于芯材的增加，壁材不能將谷氨酸鈉完全包埋，部分谷氨酸鈉暴露在壁材表面，且壁材用量的減少使得形成的微膠囊膜較薄，質地硬度有所下降，不能很好的地保護內部的谷氨酸鈉，導致包埋率明顯下降。綜合上述考慮，芯材與壁材溶液的質量體積比為 1∶10～2∶10范圍內較適宜。

表4 CaCl2質量分數對微膠囊化效果的影響Table 4 Effect of calcium chloride concentration on microcapsule

表5 芯壁比對微膠囊化的影響Table 5 Effect of the core to wall material ratio on microcapsule

2.1.4 包埋溫度對微膠囊化效果的影響 由表6可知，包埋溫度較低時，包埋率也比較低。導致這個的原因是海藻酸鈉在溫度比較低時的黏度較大，對銳孔法造粒有不良影響。隨著包埋溫度的升高，微膠囊硬度有所增強，包埋率也緩慢升高。這可能是由于溫度的升高，海藻酸鈉分子間鏈段纏結得到一定程度的舒展，導致其與Ca2+結合成網狀結構的阻力變小。當包埋溫度為50℃時，微膠囊的成型效果和包埋率都比較好。但溫度過高時，由于過度受熱容易導致海藻酸鈉分子中的G段與M段的結構單元斷裂，較難與Ca2+交聯成網狀結構，使其凝膠性能降低[12，15]。方差分析結果表明，包埋溫度對微膠囊化效果影響不顯著（p＞0.05），所以在正交優化試驗中不再考慮包埋溫度，包埋溫度最終確定為50℃。

表6 包埋溫度對包埋率的影響Table 6 Effect of embedding temperature on microcapsule

2.1.5 針頭直徑對微膠囊化效果的影響 針頭直徑的大小不同，會直接導致銳孔法造粒過程擠出的液滴體積也不同。從表7可以看出，隨著注射器針頭直徑的增大，微膠囊顆粒大小也逐漸增大，所以制得的微膠囊產品總表面積變小，從而導致微膠囊包埋的谷氨酸鈉質量分數減少，因此產品的包埋率呈下降趨勢。當針頭直徑小于0.60 mm時，針頭擠出溶液所需壓力較大，這是因為海藻酸鈉溶液黏度較大，使得造粒困難，并且此時對微膠囊的形態影響較小。綜合上述考慮，針頭直徑為0.55～0.70 mm范圍內較適宜。

表7 針頭直徑對微膠囊化效果的影響Table 7 Effect of needle size on microencapsulation

2.2 正交優化試驗

根據單因素試驗結果，確定包埋溫度為50℃，采用正交試驗對谷氨酸鈉微膠囊工藝進一步優化，考察A（海藻酸鈉質量分數）、B（CaCl2質量分數）、C（芯壁比）以及D（針頭直徑）對微膠囊包埋率的影響，設計L9（34）正交試驗。正交試驗結果及極差分析見表8。

由表8可知，各因素的影響順序為：A＞B＞C＞D，即海藻酸鈉質量分數＞CaCl2質量分數＞芯壁比＞針頭直徑。銳孔法制備谷氨酸鈉微膠囊的最佳工藝條件組合為：A2B2C3D3。采用正交優化后所得的最優工藝條件，即海藻酸鈉質量分數2.0%、CaCl2質量分數3.0%、芯壁比 2∶10、針頭直徑 0.70 mm，進行驗證試驗，制備3批微膠囊，測定包埋率依次為82.45%、81.22%和81.91%，平均包埋率為81.86%，且成型難度適中，不拖尾，微膠囊質地較硬，結果驗證了該優化工藝的可行性。

表8 正交試驗結果及極差分析Table 8 Orthogonal experiment results and analysis of range

2.3 微膠囊的微觀形態

如圖1所示為銳孔法優化工藝下制得的微膠囊干燥前后的表面形態圖，從圖中可以看出，谷氨酸鈉微膠囊干燥前呈大小均勻的圓球形，干燥后的產品形態仍保持較好。由圖2（a）和圖2（b）可以看出表面有凸起，這可能是干燥過程中失水導致的，而內部結構完整性和致密性都很好。由圖2（c）和圖2（d）可以看出微膠囊表面無明顯變形現象，結構仍保持完整，內部包含了芯材，表明銳孔法對芯材進行了很好的包埋保護作用，可以實現芯材的緩慢釋放。

圖1 微膠囊產品干燥前后的表面形態Fig.1 Surface Morphology of anterior and posterior drying microcapsules products

圖2 微膠囊產品干燥后的掃描電鏡圖Fig.2 SEM of posterior drying microcapsules products

2.4 微膠囊在沸水中的釋放

由圖3可知，未經包埋的谷氨酸鈉在沸水熬煮過程中，開始釋放很快，谷氨酸鈉釋放率高達99.58%，隨著時間的延長，谷氨酸鈉含量幾乎不變，140 min后釋放率為99.96%。而谷氨酸鈉微膠囊在熬煮初期釋放率僅為1.54%，這是由于壁材的作用，較好地保護了芯材；隨著時間的延長，谷氨酸鈉微膠囊的釋放率增加較為明顯，在120 min時釋放率達到94.62%；120 min后基本保持平穩趨勢變化較小。這說明銳孔法制備微膠囊過程中形成的堅固的海藻酸鈣對芯材有良好的緩釋作用，在沸水中緩釋時間長達2 h。

圖3 谷氨酸鈉和谷氨酸鈉微膠囊在沸水中的釋放曲線Fig.3 Release curve of MSG and MSG microcapsule in boiling water

2.5 電子鼻結果分析

主成分分析屬于多元統計分析方法的一種，指將多個變量通過線性變換，選出較少個數重要變量的一種方法，用于區分不同樣品之間的差異[16]。由圖4可知，各樣品之間沒有交叉重疊部分，圖4（a）和圖4（b）中的識別指數DI值均高于90%，說明谷氨酸鈉和谷氨酸鈉微膠囊在沸水中熬煮不同時間的差異變化都很顯著，因此電子鼻能很好地將不同時間的樣品進行區分。圖4（a）中第一主成分貢獻率達到99.3%，且隨著時間的延長，樣品主成分值依次減小；第二主成分貢獻率占0.4%，累積方差貢獻率高達99.7%，說明主成分1和2包含了谷氨酸鈉在沸水熬煮過程中不同時間下所對應樣品的大量信息。圖4（b）中第一主成分貢獻率為89.9%，且樣品主成分值在0～120 min內隨著時間的延長依次增大，140 min時有所下降；第二主成分貢獻率為7.1%，累積方差貢獻率高達97.0%，說明所選擇的不同時間下所對應的樣品能很好地反映谷氨酸鈉微膠囊在沸水熬煮過程中總體的信息。

雷達圖是圖形綜合評價方法之一，能夠給人以形象、直觀的評價依據。由圖5可知，傳感器S2、S5、S8和S11響應值較大，說明谷氨酸鈉和谷氨酸鈉微膠囊在熬煮過程中，變化較大的風味物質主要有硫化物類、吡嗪類香氣成分、氮氧化合物和揮發性有機化合物。圖5（a）中谷氨酸鈉在沸水熬煮過程中，各傳感器的響應值隨著時間的延長逐漸減小，說明原谷氨酸鈉在熬煮過程中風味物質不斷降低；而圖5（b）中谷氨酸鈉微膠囊在沸水中熬煮的0～120 min內，各傳感器響應值不斷增加，140 min時有所下降。這也充分說明了銳孔法制備的谷氨酸鈉微膠囊具有良好的緩釋效果，在沸水中緩釋時間可長達2 h。

圖4 在沸水中熬煮不同時間的樣品電子鼻主成分分析圖Fig.4 Principalcomponentanalysisofsamplesat different time in boiling water using electronic nose

圖5 在沸水中熬煮不同時間的樣品電子鼻分析的雷達圖Fig.5 Radar chart of samples at different time in boiling water using electronic nose

3 結 語

本試驗以海藻酸鈉為壁材，采用銳孔法對谷氨酸鈉微膠囊的制備進行了研究。最優的工藝條件為海藻酸鈉質量分數2.0%、CaCl2質量分數3.0%、芯壁質量體積比2∶10、包埋溫度50℃、針頭直徑0.70 mm，在該條件下，所制得的微膠囊平均包埋率為81.86%。優化之后的最佳工藝條件下制備的微膠囊呈大小均一的圓球形，成型難度適中，不拖尾，質地較硬。干燥前后的微膠囊表面無明顯變形現象，內部結構完整性和致密性較好，對芯材實現了包埋。電子鼻能較好地區分不同熬煮時間下的樣品，且緩釋試驗和電子鼻測定結果均表明該法制備微膠囊過程中形成的堅固的海藻酸鈣對芯材有良好的緩釋作用，在沸水中緩釋時間可以長達2 h。因此，銳孔法制備的谷氨酸鈉微膠囊可更好地滿足人們對火鍋雞粉中鮮味物質緩慢釋放的要求，具有廣闊的市場應用前景。