三氯蔗糖微膠囊的制備與工藝優(yōu)化

陳楚雄 阮 偉 陳 偉 楊 明 李曼曼

1. 襄陽(yáng)市鴻琰實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司 湖北 襄陽(yáng) 441000

2. 湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司襄陽(yáng)卷煙廠 湖北 襄陽(yáng) 441099

1 研究背景

近年來(lái)，微膠囊技術(shù)已在食品、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。甜味劑的微膠囊化可增強(qiáng)其流動(dòng)性和耐高溫性，并可通過(guò)受控釋放延長(zhǎng)甜味的持續(xù)時(shí)間[1]。例如箭牌口香糖采用硬化油包覆甜味劑形成微膠囊，有貯存穩(wěn)定、釋放溫度高、釋放時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。彭雪[3]介紹了利用羥丙基甲基纖維素將阿斯巴甜膠囊化的方法。

三氯蔗糖是一種非營(yíng)養(yǎng)型強(qiáng)力甜味劑，由蔗糖通過(guò)氯化衍生等加工方法得到，其甜度可達(dá)蔗糖的600倍，是目前為止甜味最接近蔗糖的人工合成甜味劑[4]。受溫度和濕度等外界條件的影響，甜味劑在加工、儲(chǔ)存過(guò)程中極不穩(wěn)定。相比直接加入三氯蔗糖制作的食物，采用微膠囊技術(shù)對(duì)三氯蔗糖進(jìn)行包埋處理，可以有效增大其分子體積，提高耐高溫性，降低吸濕性，克服了食物在咀嚼初期甜味大量釋放、咀嚼過(guò)程甜味快速消失的缺陷，緩釋效果優(yōu)異。

復(fù)合凝聚法是指使用兩種帶相反電荷的高分子材料作為復(fù)合膠囊材料，在一定條件下與膠囊芯材交聯(lián)凝聚成膠囊的方法[5]。與其他方法相比，復(fù)合凝聚法工藝條件溫和，對(duì)芯材的損傷小，產(chǎn)品載量高，具有優(yōu)異的控釋特性[6]。復(fù)合凝聚法可用于改善食品的感官、力學(xué)性能、乳劑穩(wěn)定性和生物活性成分的口服生物利用度[7]。Sun J. S. 等[8]采用復(fù)合凝聚法制備了植物基香芹酚微膠囊，可用于食品防腐劑，在工業(yè)生產(chǎn)中具有應(yīng)用價(jià)值。Li Y. R. 等[9]采用復(fù)合凝聚法制備了以明膠和阿拉伯樹(shù)膠為壁材、阿維菌素為核心的緩釋微膠囊，提高了農(nóng)藥的利用率，可促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。

本研究擬以三氯蔗糖為膠囊芯材，大豆分離蛋白和海藻酸鈉作為膠囊壁材，安全無(wú)毒、生物活性好的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶為固化交聯(lián)劑，采用復(fù)合凝聚法制備三氯蔗糖微膠囊。利用單因素和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化微膠囊化制備條件參數(shù)，以獲得產(chǎn)率高、穩(wěn)定性好的三氯蔗糖膠囊化產(chǎn)品；并對(duì)微膠囊外觀形態(tài)進(jìn)行測(cè)定與表征。

2 材料與方法

2.1 原料與試劑

大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）、蔗糖脂肪酸酯，生物試劑，武漢欣申試化工科技有限公司。海藻酸鈉（sodium alginate，SA），分析純；三氯蔗糖，純度為98%；大豆油，試劑級(jí)。均為上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶，生物試劑，湖北伽瑪生物科技有限公司。氫氧化鈉、醋酸，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。去離子水，實(shí)驗(yàn)室超純水機(jī)制備。

2.2 儀器與設(shè)備

冷凍干燥機(jī)，Scientz-10N，寧波新芝生物科技股份有限公司。電動(dòng)攪拌器，D2010W，上海楊穎蒲儀器儀表制造有限公司。高速離心機(jī)，H1650，湖南湘儀儀器開(kāi)發(fā)有限公司。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，Regulus8100，日本日立公司。光學(xué)顯微鏡，CX33，日本OLYMPUS有限公司。粒度分析儀，Zetasizernano，馬爾文儀器有限公司。高效液相色譜儀，Agilent 1290，安捷倫科技有限公司。高剪切分散乳化均質(zhì)儀，GJB30-100，常州市均質(zhì)機(jī)械有限公司。

2.3 三氯蔗糖微膠囊的制備

1）制備芯材乳液。常溫下將0.1 g三氯蔗糖溶于10 mL水中，加入2 mL大豆油和0.3 g蔗糖脂肪酸酯，將混合溶液置于均質(zhì)儀中以12 000 r/min乳化4 min，制得芯材乳液。

2）制備壁材溶液。將0.5 g大豆分離蛋白和0.5 g海藻酸鈉粉末溶于50 mL水中，滴加0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液，將溶液pH調(diào)至中性，40 ℃下攪拌30 min，制得壁材溶液。

3）復(fù)凝聚合成微膠囊。將芯材乳液倒入壁材溶液中，用醋酸溶液（體積分?jǐn)?shù)為10%）調(diào)節(jié)pH至3.0；20 min后用30 mL冰水稀釋降溫至5 ℃左右；用0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH至6.0；加入0.03 g谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶，在40 ℃下低速攪拌5 min，于常溫下固化1 h，過(guò)濾；用乙醇溶液（體積分?jǐn)?shù)為75%）洗滌、沉淀，冷凍干燥即得到微膠囊產(chǎn)品。冷凍干燥的操作條件如下：過(guò)程時(shí)長(zhǎng)為12 h，壓力為0.1 kPa以下，冷凝器溫度為-20 ℃。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

2.4.1 壁材的選擇

天然高分子普遍來(lái)自植物、動(dòng)物和微生物，具有可再生性、生物降解性和良好的成膜性，是制備微膠囊的理想壁材[10]。目前使用的天然高分子材料主要包括蛋白質(zhì)、多糖和瓊脂類，可以選擇其中一種或幾種的組合[11]。大豆分離蛋白來(lái)源易得，等電點(diǎn)（isoelectric point，pI）在4.1左右[12]。當(dāng)pH值低于其pI時(shí)，SPI具有良好的乳化性、凝膠性、溶解性和吸油性等性質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于乳制品、肉制品、飲料和烘焙等食品工業(yè)[13]。海藻酸鈉是一種從海藻中提取的陰離子線性多糖[14]，具備良好的生物相容性和膠凝性，成本低且無(wú)毒，有較高的應(yīng)用價(jià)值。調(diào)節(jié)溶液pH至大豆分離蛋白pI以下，大豆分離蛋白帶正電，海藻酸鈉帶負(fù)電，異種電荷的相互吸引引發(fā)大豆分離蛋白和海藻酸鈉的凝聚效應(yīng)，形成難溶性復(fù)合物，進(jìn)而包覆分散在溶液中的三氯蔗糖油水復(fù)合物。綜上，本研究選取大豆分離蛋白和海藻酸鈉作為壁材。

2.4.2 單因素試驗(yàn)

選取復(fù)凝聚pH（2.5, 3.0, 3.5, 4.0）、芯壁（質(zhì)量）比（3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3）、壁材比（大豆分離蛋白與海藻酸鈉質(zhì)量比1:1, 2:1, 3:1, 4:1）、壁材質(zhì)量濃度（0.01, 0.03, 0.05, 0.07 g/mL）、復(fù)凝聚時(shí)間（1, 3, 5,7 h）、固化pH（5.5, 6.0, 6.5, 7.0）作為試驗(yàn)因素，綜合分析各個(gè)因素對(duì)復(fù)合凝聚制備三氯蔗糖微膠囊的產(chǎn)率、微膠囊粒徑等的影響。

2.4.3 響應(yīng)面法優(yōu)化三氯蔗糖微膠囊工藝試驗(yàn)

為確定三氯蔗糖微膠囊的最佳工藝條件，綜合單因素試驗(yàn)的結(jié)果及分析，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，選擇Box-Behnken程序進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。以復(fù)凝聚pH（A）、芯壁比（B）、壁材比（C）、壁材質(zhì)量濃度（D）4個(gè)對(duì)微膠囊產(chǎn)率有顯著性影響的因子作為試驗(yàn)因素，以微膠囊產(chǎn)率（Y）作為輸出指標(biāo)。設(shè)計(jì)4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Factors and levels table of response surface experiment

2.5 三氯蔗糖微膠囊的表征及產(chǎn)率測(cè)定

2.5.1 微膠囊形貌表征及粒徑測(cè)定

使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡觀察微膠囊的形貌；使用粒度分析儀測(cè)定微膠囊粒徑。

2.5.2 微膠囊產(chǎn)率測(cè)定

微膠囊產(chǎn)率是評(píng)定微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，反映了微膠囊制備過(guò)程中三氯蔗糖的保留率[15]。將得到的微膠囊充分研磨后置于Falcon管中，添加0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液10 mL；將試管置于80 ℃超聲波浴中10 min；然后在4 000 r/min下離心5 min。去除上清液后過(guò)濾，用高效液相色譜法進(jìn)行測(cè)定，并按公式（1）計(jì)算微膠囊產(chǎn)率Y。

式中：M為制得微膠囊中三氯蔗糖的質(zhì)量；M0為初始加入三氯蔗糖的質(zhì)量。

2.5.3 微膠囊質(zhì)量評(píng)價(jià)

在5 mL模擬人工唾液中加入0.1 g三氯蔗糖微膠囊，在37 ℃條件下水浴攪拌，共設(shè)10組。每隔1 min從各組取出一個(gè)過(guò)濾，并用少許蒸餾水洗滌，收集洗滌后的微膠囊，測(cè)量其三氯蔗糖含量，再按式（2）計(jì)算釋放率η。

式中：m1為最初三氯蔗糖微膠囊中三氯蔗糖的質(zhì)量，通過(guò)平均產(chǎn)率計(jì)算得知；m2為經(jīng)人工唾液處理一定時(shí)長(zhǎng)后微膠囊中三氯蔗糖的質(zhì)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 三氯蔗糖微膠囊化工藝的單因素試驗(yàn)

3.1.1 復(fù)凝聚pH對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響

復(fù)凝聚pH對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響結(jié)果如圖1所示。由圖可知，三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率隨著復(fù)凝聚pH增加，呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)pH為3時(shí)，微膠囊化產(chǎn)率達(dá)到最大值72%。這是因?yàn)椋琾H低于SPI的等電點(diǎn)時(shí)，氨基基團(tuán)使SPI帶正電；pH高于SPI的等電點(diǎn)時(shí)，羧基基團(tuán)使SPI帶負(fù)電；正負(fù)電荷相等時(shí)則處于等電點(diǎn)。當(dāng)調(diào)節(jié)復(fù)凝聚pH至適宜的大小時(shí)，SPI中的正電荷達(dá)到較高數(shù)量，SA持有負(fù)電荷，此時(shí)溶液中帶相反電荷的分子數(shù)量相等，電荷中和率最大，因此SPI和SA復(fù)合凝聚程度最高。繼續(xù)降低或者增大pH，電荷中和率均有所降低，凝聚率下降[16]。在pH接近等電點(diǎn)時(shí)，微膠囊化產(chǎn)率大幅下降。綜上所述，復(fù)凝聚pH為3時(shí)微膠囊產(chǎn)率最高。

圖1 微膠囊產(chǎn)率與復(fù)凝聚pH的關(guān)系Fig. 1 Relationship between microcapsule yield and reagglutination pH

3.1.2 芯壁比對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響

芯壁比對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 微膠囊產(chǎn)率與芯壁比的關(guān)系Fig. 2 Relationship between microcapsule yield and core wall ratio

由圖2可知，不同芯壁比對(duì)微膠囊包埋率影響顯著，隨著芯壁比減小，三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)芯壁比為1:1時(shí)，產(chǎn)率最大，達(dá)到75%。當(dāng)芯壁比低時(shí)，SPI和SA濃度相對(duì)較高，溶液黏稠，合成的微膠囊壁材厚度較厚，不利于后續(xù)芯材的釋放，因此產(chǎn)率較低。當(dāng)芯壁比高時(shí)，產(chǎn)率不理想，這是因?yàn)楹铣傻奈⒛z囊壁材厚度較小，滲透性高，牢固性差，芯材處于飽和狀態(tài)，部分三氯蔗糖未被包覆導(dǎo)致浪費(fèi)[17]。綜上所述，芯壁比在1:1時(shí)微膠囊化產(chǎn)率最高。

3.1.3 壁材比對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響

壁材比對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響結(jié)果如圖3所示。壁材的選擇對(duì)于微膠囊性能起決定性作用[18]，合適的壁材比對(duì)微膠囊化產(chǎn)率的影響不可忽視。從圖3可以看出，三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率隨著大豆分離蛋白比重的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)大豆分離蛋白與海藻酸鈉質(zhì)量比例為3:1時(shí)，三氯蔗糖微膠囊的產(chǎn)率達(dá)到最大值73%。這是因?yàn)?，此時(shí)溶液中的正負(fù)電荷數(shù)目大致相等，則凈電荷達(dá)到最小值，凝聚反應(yīng)最為充分，產(chǎn)生的微膠囊數(shù)目達(dá)到最大值，對(duì)三氯蔗糖的包埋也最充分[19]。當(dāng)大豆分離蛋白比重較低時(shí)，SPI和SA正負(fù)電荷中和量較少，復(fù)合凝聚反應(yīng)不完全，因此包埋率較低；當(dāng)大豆分離蛋白比重較高時(shí)，溶液提供的正電荷過(guò)多，產(chǎn)生相應(yīng)的靜電斥力，使得已經(jīng)凝聚的物質(zhì)解離到水溶液中無(wú)法析出，包埋率也會(huì)降低。綜上所述，大豆分離蛋白與海藻酸鈉比例為3:1時(shí)微膠囊產(chǎn)率最高。

圖3 微膠囊產(chǎn)率與壁材比的關(guān)系Fig. 3 Relationship between microcapsule yield and wall material ratio

3.1.4 壁材質(zhì)量濃度對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響

壁材質(zhì)量濃度對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響結(jié)果如圖4所示。由圖可知，壁材質(zhì)量濃度對(duì)微膠囊化產(chǎn)率有顯著影響，三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率隨著壁材質(zhì)量濃度增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)壁材質(zhì)量濃度為0.03 g/mL時(shí)，微膠囊產(chǎn)率達(dá)到最大值74%。由此可見(jiàn)，適量的大豆分離蛋白和海藻酸鈉的添加量才能達(dá)到好的包埋效果。壁材量少，芯材量相對(duì)過(guò)量，易出現(xiàn)微膠囊不穩(wěn)定現(xiàn)象[20]；壁材過(guò)量，不僅浪費(fèi)材料，還會(huì)導(dǎo)致微膠囊囊壁過(guò)厚，進(jìn)一步影響緩釋效果[21]。綜上所述，壁材質(zhì)量濃度為0.03 g/mL時(shí)微膠囊產(chǎn)率最高。

圖4 微膠囊產(chǎn)率與壁材質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig. 4 Relationship between microcapsule yield and wall mass concentration

3.1.5 復(fù)凝聚時(shí)間對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響

復(fù)凝聚時(shí)間對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響結(jié)果如圖5所示。由圖可知，三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率隨著復(fù)凝聚時(shí)間增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)復(fù)凝聚時(shí)間為5 h時(shí)，三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率達(dá)到最大。微膠囊復(fù)凝聚時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)交聯(lián)不充分，制備的微膠囊囊壁較薄、牢固度不足，在外力作用下易破裂，微膠囊產(chǎn)率低；適當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于微膠囊形成，但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，容易造成微膠囊黏附聚集和囊壁破損。三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率在1～5 h內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但相差不大，說(shuō)明交聯(lián)固化過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)已近乎完成，這與所使用的交聯(lián)劑谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的高性能關(guān)系密切。因此，復(fù)凝聚時(shí)間選擇為5 h較好，不必再將復(fù)凝聚時(shí)間因素列入響應(yīng)面試驗(yàn)。

圖5 微膠囊產(chǎn)率與復(fù)凝聚時(shí)間的關(guān)系Fig. 5 Relationship between microcapsule yield and recondensation time

3.1.6 固化pH對(duì)微膠囊產(chǎn)率的影響

谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（又稱TG酶）可催化蛋白質(zhì)多肽發(fā)生分子內(nèi)和分子間共價(jià)交聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)微囊化。溫度為25 ℃時(shí)酶活性最高，在此條件下考察固化pH分別為5.5, 6.0, 6.5, 7.0時(shí)微膠囊產(chǎn)率，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，當(dāng)固化pH為5.5時(shí)，產(chǎn)率較低，不到60%；當(dāng)pH為6時(shí)，產(chǎn)率接近70%。從固化pH對(duì)微膠囊產(chǎn)率影響的結(jié)果來(lái)看，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶的最適pH為6。pH在5.5～7的范圍內(nèi)，微膠囊產(chǎn)率并沒(méi)有大幅波動(dòng)，結(jié)合成本因素，不再將固化pH因素列入響應(yīng)面試驗(yàn)。

圖6 微膠囊產(chǎn)率與固化pH的關(guān)系Fig. 6 Relationship between microcapsule yield and curing pH

3.2 三氯蔗糖微膠囊化工藝的響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果與方差分析

采用Box-Behnken設(shè)計(jì)響應(yīng)面法優(yōu)化復(fù)合凝聚制備三氯蔗糖微膠囊的工藝條件，以三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率為響應(yīng)值，優(yōu)化復(fù)凝聚pH、芯壁比、壁材比和壁材質(zhì)量濃度這4個(gè)影響因子，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

表2 Box-Behnken 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Design scheme and results of response surface experiment

對(duì)所有組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，得到各個(gè)因素與三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率之間的多元二次回歸模型方程：

從方程一次項(xiàng)回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小可以得到各個(gè)影響因素對(duì)三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率的影響程度由大到小依次為：芯壁比（B）、壁材質(zhì)量濃度（D）、壁材比（C）、復(fù)凝聚pH（A）。

為了進(jìn)一步說(shuō)明二次回歸方程模型的有效性，對(duì)回歸方程模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

在本試驗(yàn)中，模型顯著性檢驗(yàn)P＜0.0001，表明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[22]。方程一次項(xiàng)中芯壁比（B）影響極顯著；交互項(xiàng)AB、AC、AD、BC、CD與二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對(duì)三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率的影響均為極顯著；而交互項(xiàng)BD的影響不顯著。經(jīng)失擬項(xiàng)檢驗(yàn)，P值為0.8353＞0.05，表明失擬項(xiàng)不顯著，回歸方程與試驗(yàn)擬合程度好；模型R2為0.9985，R2adj為0.9971，表明預(yù)測(cè)值和實(shí)際值具有較好的相關(guān)性。因此，回歸模型（3）可用來(lái)對(duì)三氯蔗糖微膠囊工藝過(guò)程進(jìn)行初步分析和預(yù)測(cè)。

表3 回歸模型的方差分析表Table 3 Variance analysis of response surface experiment results

3.2.2 各因素交互作用的響應(yīng)曲面圖和等高線圖分析

等高線和三維曲面圖能更加直觀地分析各因素及其交互作用對(duì)響應(yīng)值的影響，分析結(jié)果如圖7～12所示。

圖7 復(fù)凝聚pH和芯壁比交互作用的響應(yīng)曲面與等高線Fig. 7 Response surface graph and contour map effects of the interaction between reagglutination pH and core-wall ratio on yield

圖8 復(fù)凝聚pH和壁材比交互作用的響應(yīng)曲面與等高線Fig. 8 Response surface graph and contour map effects of the interaction between reagglutination pH and wall-material ratio on yield

圖9 復(fù)凝聚pH和壁材質(zhì)量濃度交互作用的響應(yīng)曲面與等高線Fig. 9 Response surface graph and contour map effects of the interaction between reagglutination pH and wall mass concentration on yield

圖10 芯壁比和壁材比交互作用的響應(yīng)曲面與等高線Fig. 10 Response surface graph and contour map effects of the interaction between core-wall ratio and wall-material ratio on yield

圖11 芯壁比和壁材質(zhì)量濃度交互作用的響應(yīng)曲面與等高線Fig. 11 Response surface graph and contour map effects of the interaction between core-wall ratio and wall mass concentration on yield

圖12 壁材比和壁材質(zhì)量濃度交互作用的響應(yīng)曲面與等高線圖Fig. 12 Response surface graph and contour map effects of the interaction between wall-material ratio and wall mass concentration on yield

由圖7～12可知，等高線圖均呈橢圓形，說(shuō)明各因素交互作用對(duì)三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率的影響顯著。從三維曲面圖可知，當(dāng)復(fù)凝聚pH一定時(shí)，隨著芯壁比、壁材質(zhì)量濃度、壁材比的增加，產(chǎn)率先升高后降低；當(dāng)芯壁比一定時(shí)，隨著壁材質(zhì)量濃度和壁材比的增加，產(chǎn)率先升高后降低；當(dāng)壁材比一定時(shí)，隨著壁材質(zhì)量濃度的增加，產(chǎn)率先升高后降低。兩因素的交互作用對(duì)三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率影響的顯著性與表3中的顯著性分析一致。

3.2.3 最優(yōu)條件的確定及驗(yàn)證

通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)三氯蔗糖微膠囊的響應(yīng)面分析，得到最優(yōu)工藝參數(shù)，即復(fù)凝聚pH為3.01、芯壁比為1.27、壁材比（大豆分離蛋白與海藻酸鈉質(zhì)量比）為3.01、壁材質(zhì)量濃度為0.0304 g/mL，理論微膠囊產(chǎn)率為75.26%。為了驗(yàn)證軟件給出的最佳工藝條件，嚴(yán)格設(shè)置試驗(yàn)條件進(jìn)行5組平行試驗(yàn)，最終結(jié)果顯示三氯蔗糖微膠囊的平均產(chǎn)率為75.19%，與理論產(chǎn)率相差不大，誤差在可接受范圍內(nèi)；且75.19%的產(chǎn)率高于單因素實(shí)驗(yàn)所制備得到的三氯蔗糖微膠囊的產(chǎn)率，證實(shí)了響應(yīng)面得到的最佳工藝參數(shù)可靠。

3.3 三氯蔗糖微膠囊形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

按最優(yōu)工藝參數(shù)制備的三氯蔗糖微膠囊的光學(xué)顯微鏡圖像如圖13所示。從圖可以看出，微膠囊呈球狀，三氯蔗糖油水乳液被包覆在壁材內(nèi)部，微膠囊具有連續(xù)的壁，沒(méi)有裂縫或明顯的孔隙，這些特性對(duì)于保護(hù)和保留封裝材料非常重要。此外，少許未被包覆的三氯蔗糖油水乳液貼附在微膠囊壁上。

圖13 三氯蔗糖微膠囊的光學(xué)顯微鏡圖像Fig. 13 OM images of sucralose microcapsules

在掃描電子顯微鏡下觀察微膠囊顆粒及表面的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖14所示。從圖可以看出，絕大部分微膠囊表面光滑平整，致密性良好，部分微膠囊在凍干過(guò)程中被破壞，壁材破裂。合成的微膠囊粒徑大體分布在50 μm左右。

圖14 三氯蔗糖微膠囊的掃描電鏡形態(tài)結(jié)構(gòu)圖像Fig. 14 SEM images of sucralose microcapsules

3.4 三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)價(jià)

經(jīng)人工唾液處理后三氯蔗糖微膠囊釋放率的變化見(jiàn)表4，釋放率擬合曲線見(jiàn)圖15。三氯蔗糖釋放規(guī)律符合一級(jí)釋放動(dòng)力學(xué)規(guī)律，釋放動(dòng)力學(xué)方程為：η=46.452 01(1-e-0.15628t)，擬合度高于0.9959。在初始2 min，釋放率較低，只有12.02%；隨著時(shí)間延長(zhǎng)，釋放率逐漸增加。

表4 三氯蔗糖微膠囊經(jīng)人工唾液處理后的釋放率Table 4 Release rates of sucralose microcapsules treated with artificial saliva

圖15 三氯蔗糖微膠囊釋放率擬合曲線Fig. 15 Fitting curve of the release rate of sucralose microcapsules

三氯蔗糖微膠囊理化指標(biāo)如表5所示。由表可知，三氯蔗糖微膠囊含水率為3.6%，符合食品工業(yè)對(duì)干燥固體粉末的含水率不超過(guò)4%的要求[23]。

表5 三氯蔗糖微膠囊理化指標(biāo)Table 5 Physical and chemical indexes of sucralose microcapsules

4 結(jié)論

綜上所述，可得以下結(jié)論：

1）通過(guò)單因素試驗(yàn)初步分析復(fù)凝聚pH、芯壁（質(zhì)量）比、壁材比（大豆分離蛋白與海藻酸鈉的質(zhì)量比）、壁材質(zhì)量濃度、固化時(shí)間、固化pH等6個(gè)條件，對(duì)復(fù)合凝聚法制備三氯蔗糖微膠囊的影響，證實(shí)了三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率受復(fù)凝聚pH、芯壁比、壁材比和壁材質(zhì)量濃度的影響較大。

2）采用Box-Behnken試驗(yàn)，以三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率為響應(yīng)值，以復(fù)凝聚pH、芯壁比、壁材比和壁材質(zhì)量濃度4個(gè)因素為響應(yīng)因子，建立二次回歸方程模型。經(jīng)檢驗(yàn)該方程擬合較好，可預(yù)測(cè)三氯蔗糖微膠囊化產(chǎn)率。

3）依據(jù)二次回歸模型，確定了三氯蔗糖微膠囊化的最佳工藝條件：復(fù)凝聚 pH為3.01，芯壁比為1.27，壁材比為3.01、壁材質(zhì)量濃度為0.0304 g/mL。在該條件下三氯蔗糖微膠囊產(chǎn)率為75.19%。