凯里红酸汤微胶囊制备及其工艺优化

杨裕民，王雪郦，3*，徐智虎，刘雪婷，邱树毅

（1.贵州大学 贵州省发酵工程与生物制药重点实验室，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 酿酒与食品工程学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025）

贵州省传统饮食中的酸汤是我国三大特色火锅底料之一，深受贵州少数民族的热爱，已成为当地居民的日常饮食习惯[1-2]。贵州酸汤以红辣椒或番茄发酵而成的红酸汤为主[3]，富含多种有机酸、维生素、氨基酸、多酚、黄酮等成分，具有调节人体肠道微生态平衡、降低胆固醇、抗氧化、抗衰老、清除自由基等功效[2，4-5]。“酸味醇厚”是贵州红酸汤最主要的感官特征，却常因贮藏环节遭遇技术“瓶颈”，目前红酸汤的贮藏方式主要为室温贮藏，甚至在无保质措施下直接灌装，缺乏对贮藏温度、贮藏环境的管理，从而导致红酸汤在贮藏销售环节中出现胀袋、生花、腐败微生物超标等问题，以及在食用过程中发出馊或氨臭味，降低了部分消费者的接受度[6]。

微胶囊技术已被广泛应用于食品加工领域，该技术主要利用成膜材料（壁材）包埋固体或液体（芯材）使其形成半透性或密封性微胶囊结构[7-8]。戚登斐等[9]为防止核桃油中的不饱和脂肪酸直接暴露在空气中导致酸败变质等问题，采用大豆分离蛋白、麦芽糊精、阿拉伯胶为壁材，利用喷雾干燥技术和冷冻干燥技术制备核桃油微胶囊，所得产品具有包埋率高、流动性好、溶解性好、总氧化值低、功能成分保留率高等特点。基于喷雾干燥技术生产效率高，可连续操作性强，能适用于大规模工业化生产等优点[10]，采用喷雾干燥技术制备凯里红酸汤微胶囊，有效保留酸汤原有营养成分的同时，降低直接光照、温度、湿度等外界环境因素对酸汤产品风味和品质的影响[11]。

本研究选用麦芽糊精及辛烯基琥珀酸淀粉钠（starch sodium octenylsuccinate，SSOS）为复配壁材，其中麦芽糊精具有溶解性好、热量低、流动性好、黏度低、来源广、价格低廉等特性，是一种优良的载体[12-13]；而辛烯基琥珀酸淀粉钠是由蜡质玉米淀粉经酯化、酶解得到的一种乳化剂和包埋剂，由于辛烯基具有两亲性[14]，因此在水包油型的乳化液中有着特殊的乳化稳定性。采用单因素和响应面试验，通过调整进风口温度、进料流量、芯材和壁材比例等条件，确定酸汤微胶囊的最佳制备工艺，为高品质、便携式酸汤火锅底料的研发生产提供理论支持和数据支撑，为满足酸汤多元化和快捷化的发展需求提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

1.1.1 材料

玉梦凯里红酸汤（主要成分番茄、红辣椒、糯米、食用盐、味精、鸡精、生姜、白砂糖、花椒、胡椒、木姜油）：贵州明洋食品有限公司。

1.1.2 化学试剂

麦芽糊精、辛烯基琥珀酸淀粉钠（SSOS）、磷酸三钙（均为食品级）：南京绿意生物科技有限公司；2,6-二叔丁基对甲酚、无水硫酸钠、偏磷酸、草酸、碳酸氢钠、2,6-二氯靛酚、甲酸、乙酸、α-萘酚苯基甲醇、丙酮、石油醚（均为分析纯）：成都金山化学试剂有限公司；抗坏血酸标准品（纯度＞95%）、番茄红素标准品（纯度＞95%）、辣椒素标准物质（纯度＞95%）、二氢辣椒素标准物质（纯度＞90%）：深圳海思安生物技术有限公司；甲醇、乙腈、二氯甲烷、四氢呋喃（均为色谱纯）：北京谱析科技有限公司。

1.2 仪器与设备

B-290型喷雾干燥设备：瑞士BUCHI仪器有限公司；HH-6数显恒温水浴锅：常州澳华仪器有限公司；TD5MD台式低速离心机：长沙迈佳森仪器设备有限公司；循环水式多用真空泵：郑州长城科工贸有限公司；FA1204B电子天平：上海天美天平仪器有限公司；1260Infinity 高效液相色谱仪：美国安捷伦有限公司；SRH60-70均质机：上海申鹿均质机有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 喷雾干燥设备工艺流程及操作要点

称取一定质量的酸汤→与一定体积的水混合溶解→加热至沸腾→离心分离杂质→收集上清液→抽滤→水浴加热→加入复配壁材→加入抗结剂→喷雾干燥→收集产品操作要点：

称量：以固形物含量测定结果为依据，称取117.6 g红酸汤溶于500 mL蒸馏水中得到质量浓度为20 mg/mL的酸汤溶液，以此稀释配制成初始质量浓度为12 mg/mL的酸汤，各梯度浓度的酸汤溶液设置3个平行样，搅拌加热至沸腾，使风味物质充分溶解。

离心：在5 000 r/min条件下离心15 min，使得固体杂质与酸汤溶液分离。

抽滤：收集离心后的上清液用布氏漏斗抽滤处理，进一步除杂。

水浴加热：将处理好的酸汤溶液水浴加热至80 ℃，加入抗结剂磷酸三钙（0.25 mg/mL），搅拌后加入已水浴溶解的复配壁材，壁材为辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精按质量比1∶1混合，所加入壁材的质量浓度为24 mg/mL，持续水浴搅拌加热20 min，待壁材充分溶解。

喷雾干燥：开机预热后，设置进风口温度160 ℃、进料流量5 mL/min，先用蒸馏水上机进样清洗仪器10 min，再将配制好的酸汤溶液上机进行喷雾干燥。

计算包埋率：收集喷雾干燥后酸汤产品并称量，计算包埋率，其计算公式如下：

1.3.2 喷雾干燥制备酸汤微胶囊工艺优化

（1）单因素试验

进风口温度的确定：酸汤质量浓度为12 mg/mL，进料流量为5 mL/min，壁材辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精的质量比为1∶1，壁材与芯材质量比为6∶1，探究进风口温度（160 ℃、165 ℃、170 ℃、175 ℃、180 ℃）对包埋率的影响。

酸汤质量浓度的确定：进风口温度为170 ℃，进料流量5为mL/min，壁材辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精的质量比为1∶1，壁材与芯材质量比为6∶1，探究酸汤质量浓度（12 mg/mL、14 mg/mL、16 mg/mL、18 mg/mL、20 mg/mL）对包埋率的影响。

进料流量的确定：酸汤质量浓度为12 mg/mL，进风口温度为170 ℃，壁材辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精的质量比为1∶1，壁材与芯材质量比为6∶1，探究进料流量（5 mL/min、6 mL/min、7 mL/min、8 mL/min、9 mL/min）对包埋率的影响。

壁材复配比的确定：酸汤质量浓度为12 mg/mL，进风口温度为170 ℃，进料流量为5 mL/min，壁材与芯材质量比为6∶1，探究壁辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精质量比（3∶5、4∶5、1∶1、5∶4、5∶3）对包埋率的影响。

芯材壁材比例的确定：酸汤质量浓度为12 mg/mL，进风口温度为170 ℃，进料流量5 mL/min，壁材辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精的质量比为1∶1，探究壁材与芯材质量比（2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1）对包埋率的影响。

响应面试验：根据单因素试验结果，选择进风口温度（A）、进料流量（B）以及壁材与芯材质量比（C）为自变量，以包埋率（Y）为响应值，根据Box-Behnken试验设计使用Design-Expert 8.0.6软件设计3因素3水平试验，Box-Behnken试验因素与水平见表1。

表1 Box-Behnken试验因素与水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experiments

1.3.3 营养成分和感官特性的分析

按照1.3.1中工艺流程和操作要点准备好250 mL的酸汤溶液，再利用优化后的工艺条件通过喷雾干燥技术制备酸汤微胶囊，将得到的酸汤微胶囊粉末溶于250 mL蒸馏水中。通过下述方法分析酸汤溶液和酸汤微胶囊复溶后溶液中番茄红素、辣椒素、抗坏血酸、谷氨酸钠和有机酸成分的差异，采用感官评价方法对感官特性进行分析。

番茄红素参照农业行业标准NY/T 1651—2008《蔬菜及制品中番茄红素的测定高效液相色谱法》；辣椒素参照国标GB/T 21266—2007《辣椒及辣椒制品中辣椒素类物质测定及辣度表示方法》；抗坏血酸参照国标GB 5009.86—2016《食品安全国家标准食品中抗坏血酸的测定》；谷氨酸钠参照国标GB 1886.306—2020《食品安全国家标准食品添加剂谷氨酸钠》；有机酸参照酸碱滴定法测定[15]；感官评价由15名食品加工专业学生进行评定，评价标准如表2所示，分别从色、香、味和形4个因素对酸汤微胶囊进行评定，各因素所占权重依次为0.30、0.25、0.20、0.25，最终感官评价等级由各位的平均分数来确定。

表2 酸汤微胶囊感官评价标准Table 2 Sensory evaluation standards of sour soup microcapsules

续表

1.3.4 数据处理

采用Origin8.6、Excel2016、Design-Expert 8.0.6等软件进行试验数据处理，每个样品重复3次。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 进风口温度对酸汤微胶囊包埋率的影响

进风口温度对酸汤微胶囊包埋率的影响如图1所示，随着进风口温度在160～180 ℃范围内的升高，酸汤微胶囊包埋率呈先增加后减少的趋势。当进风口温度为160 ℃时喷雾过程黏壁现象较为严重，分析原因可能是低温使得原料含有的水分难以被蒸发，导致微胶囊颗粒不够干燥，造成产品的包埋率较低，且易在喷嘴处发生堵塞[16]。当进风口温度升高到165～175 ℃时，喷雾干燥包埋率大幅提升，黏壁现象得到极大改善；当进风口温度为175 ℃时，产品的包埋率达到最大值（62.91%），说明此进风口温度段能充分烘干液滴中的水分，使其形成足够干燥的微胶囊颗粒。当进风口温度升高到180 ℃时，喷雾干燥包埋率下降且产品物性较差，原因是高温条件下雾化液滴内部水分的蒸发速度比外部蒸发速度慢，导致其内部水分向外部迁移，从而使酸汤微胶囊颗粒结构出现裂缝。另外，高温还会引发多糖糖基化，加剧物料黏壁，导致酸汤的包埋率降低[17-18]。因此，最适进风口温度为175 ℃。

图1 进风口温度对酸汤微胶囊包埋率的影响Fig.1 Effect of inlet temperature on embedding rate of sour soup microcapsules

2.1.2 红酸汤质量浓度对酸汤微胶囊包埋率的影响

不同酸汤质量浓度对酸汤微胶囊包埋率的影响如图2所示，随着酸汤质量浓度在12～20 mg/mL范围内的增加，产品包埋率呈先上升后下降的趋势。当酸汤质量浓度为12～14 mg/mL时，包埋率随之增加；当酸汤质量浓度为14 mg/mL时，包埋率达到最高值（62.62%）；当酸汤质量浓度＞14 mg/mL之后，包埋率呈逐渐下降的趋势，可能是因为酸汤中固形物含量的增加导致料液黏度增大，使得入料难度增加，不利于液滴中水分的挥发，甚至形成大液滴造成喷嘴被堵、热熔型物质黏壁等现象。因此，最适酸汤质量浓度为14 mg/mL。

图2 酸汤质量浓度对酸汤微胶囊包埋率的影响Fig.2 Effect of sour soup mass concentration on embedding rate of sour soup microcapsules

2.1.3 进料流量对酸汤微胶囊包埋率的影响

进料流量对酸汤微胶囊包埋率的影响如图3所示，随着进料流量在5～9 mL/min范围内的增加，产品包埋率呈先上升后下降的趋势。当进料流量为5～6 mg/mL时，包埋率随之增加；当进料流量为6 mg/mL时，包埋率达到最高值（63.15%）；当进料流量＞6 mg/mL之后，包埋率呈逐渐下降的趋势。喷雾干燥设备存在最适干燥处理量，当干燥塔供热量与物料中水分蒸发所需热量平衡时，干燥塔有充足的热量将酸汤物料进行干燥，使得喷雾干燥的包埋率达到最大。然而，当进料流量过大时，干燥塔供热不足以满足物料中水分蒸发所需的热量，从而导致包埋率降低。另外，喷雾干燥设备的雾化器也有最大雾化范围，当进料流量过大时，溶液难以完全雾化，也会导致干燥塔传热效率下降，直接影响了微胶囊颗粒的包埋率[19]。因此，最适进料流量为6 mL/min。

图3 进料流量对酸汤微胶囊包埋率的影响Fig.3 Effect of feed flow rate on embedding rate of sour soup microcapsules

2.1.4 辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精质量比对酸汤微胶囊包埋率的影响

微胶囊壁材的选择需要综合考虑壁材的成膜性、生物降解性、乳化稳定性等，而工业化生产还需要考虑壁材的来源广泛性以及价值等，研究表明，壁材选择的合理性对微胶囊的包埋率以及稳定性具有重要意义[20]。除此之外，壁材复配比例的设定对酸汤乳液的液滴尺寸和微胶囊的稳定性具有直接影响[21]。辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精质量比对酸汤微胶囊包埋率的影响如图4所示，当辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精质量比为3∶5、4∶5、1∶1时，酸汤微胶囊包埋率随之增大；当辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精质量比为1∶1时，酸汤微胶囊包埋率相对较高（60.31%）且产品质量较好；当辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精质量比为5∶3时产品包埋率最高，但产品颗粒较为稀松，颜色较淡，酸汤风味较弱。研究表明，辛烯基琥珀酸淀粉钠含量较高时，会使产品乳化程度加大而出现液滴聚结的现象[22]，而适当比例的添加辛烯基琥珀酸淀粉钠可以保持适宜的液滴饱和度，从而产生尺寸较小的液滴，通常液滴微小的乳液，其絮凝速率较慢，有利于微胶囊产品稳定性的提高[23]。因此，最佳辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精质量比为1∶1。

图4 辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精质量比对酸汤微胶囊包埋率的影响Fig.4 Effect of mass ratio of starch sodium octenylsuccinate and maltodextrin on embedding rate of sour soup microcapsules

2.1.5 壁材与芯材质量比对酸汤微胶囊包埋率的影响

研究表明，当壁芯比例较低时壁材含量较少，难以完全包裹芯材，无法形成完整的封闭性胶囊体，从而导致产品的包埋率较低。当壁芯比例较高时壁材含量较多，乳液黏度增加，导致喷雾干燥时间延长，使产品因高温时间的增加更易发生氧化，从而造成芯材功能性成分的散失[24]。壁材与芯材质量比对酸汤微胶囊包埋率的影响如图5所示，随着壁材与芯材质量比在2∶1～10∶1范围内的增加，酸汤微胶囊包埋率呈先升高后下降的趋势。当壁材与芯材质量比为2∶1～4∶1时，包埋率随之增加；当壁材与芯材质量比为4∶1时，包埋效果最好，产品包埋率达到最高值（62.58%）；当壁材与芯材质量比＞4∶1之后，包埋率有所下降。因此，最适壁材与芯材质量比为4∶1。

图5 壁材与芯材的比例对酸汤微胶囊包埋率的影响Fig.5 Effect of wall material and core material ratio on embedding rate of sour soup microcapsules

2.2 响应面试验结果分析

2.2.1 响应面试验结果及方差分析

在单因素试验结果基础上，选择进风口温度（A）、进料流量（B）以及壁材与芯材质量比（C）为自变量，包埋率（Y）为响应值，采用Design-Expert 8.0.6软件进行3因素3水平Box-Behnken试验，Box-Behnken试验结果见表3，方差分析见表4。

表3 Box-Behnken试验设计结果Table 3 Results of Box-Behnken experiments design

表4 回归模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

续表

根据表3结果，利用Design-Expert 8.0.6软件对数据进行回归分析，得到二次回归方程如下：Y=69.34-4.38A-1.20B+1.16C-2.08AB-0.49AC+0.54BC-7.92A2-2.66B2-5.98C2

由表4可知，该模型P值＜0.000 1，说明响应面模型极显著；失拟项误差P值=0.125 1＞0.05，则在α=0.05水平上不显著。决定系数R2=0.986 9，模型的校正决定系数R2Adj=0.970 0，说明该数学模型可以很好的用于预测固态酸汤微胶囊的包埋率。从响应值的多项回归模型方程来看，一次项A、交互项AB、二次项A2、B2、C2对包埋率影响极显著（P＜0.01），一次项B和C对包埋率影响显著（P＜0.05），且影响酸汤微胶囊包埋率的因素大小顺序分别为进风口温度＞进料流量＞壁材芯材质量比。

2.2.2 响应面分析

各因素间交互作用对酸汤微胶囊包埋率影响的响应曲面和等高线见图6。

图6 各因素交互作用对包埋率影响的响应面和等高线Fig.6 Response surface plots and contour lines of effects of interactions between various factors on embedding rate

由6-a可知，进风口温度与进料流量的响应曲面较为陡峭，表明进风口温度和进料流量两个因素对包埋率的交互作用较为显著，而沿进料流量轴向等高线密集度较大，等高线呈椭圆形，表明进风口温度与进料流量两因素交互作用较强，影响极显著（P＜0.01）。由6-b可知，进风口温度与壁材芯材比例的响应曲面较为陡峭，表明这两个因素对酸汤微胶囊包埋率的交互作用较为敏感，但等高线呈圆形，表明两因素交互作用较弱，影响不显著（P＞0.05）。由6-c可知，进料流量与壁材芯材比例的响应曲面较为陡峭，表明这两个因素对酸汤微胶囊包埋率的交互作用较为显著，但等高线呈圆形，表明进料流量与壁材芯材比例交互作用较弱，影响不显著（P＞0.05）。

2.2.3 验证试验

利用软件Design-Expert8.0.6优化，分析得到固态酸汤微胶囊包埋率的最佳制备工艺条件为：进风口温度为173.68℃，进料流量为5.89 mL/min，壁材芯材质量比为4.20∶1，在此条件下酸汤微胶囊包埋率理论值为70.04%。为检验预测结果与真实情况的一致性，对上述优化条件进行验证试验。但同时考虑到实际操作情况，将酸汤微胶囊最佳制备工艺条件修正为：进风口温度为174 ℃，进料流量为6 mL/min，壁材与芯材比值为4∶1。在此优化条件下进行3次平行验证试验，得到酸汤微胶囊包埋率实际值为70.1%，与酸汤微胶囊包埋率预测值70.04%相对误差较小，表明试验结果的准确性较好，说明响应面法优化制备酸汤微胶囊工艺是可行的。

2.3 红酸汤微胶囊制备对原有营养成分和感官特征的保留情况分析

包埋率是评价酸汤微胶囊质量的重要指标之一[25]，除此之外，由于酸汤中富有的多种有机酸、维生素、氨基酸、辣椒素、番茄红素等功能成分[5]，所以还需考虑酸汤微胶囊制备过程对酸汤中原有营养成分的保留率。本试验对该4种营养成分（决定了红酸汤的色、香、味）进行了基础分析，拟为工业化生产提供数据基础，酸汤微胶囊制备前后各营养成分见表5。

表5 酸汤微胶囊的制备对原有酸汤中营养成分的影响Table 5 Effect of the preparation of sour soup microcapsules on nutritional components of original sour soup

由表5可知，本试验以苹果酸、醋酸、酒石酸、柠檬酸和乳酸作为有机酸的评价因子；谷氨酸钠作为氨基酸的评价因子；抗坏血酸作为维生素的评价因子；辣椒素、二氢辣椒素和番茄红素作为功能性成分的评价因子。对有机酸类物质和功能性物质的平均保留率分别为87.70%、68.40%，对氨基酸、维生素的保留率分别为72.80%、70.97%，说明酸汤微胶囊的制备能够最大限度地保留酸汤中原有营养成分。酸汤微胶囊的制备会在一定程度上造成原有酸汤中营养成分的损失，主要原因为采用煮沸溶解，且喷雾干燥过程采用常压喷雾干燥，导致原有酸汤中热敏性和易挥发性的营养成分损失[28]。

在产品感官评定中，15名学生依据表2中感官评价标准对酸汤微胶囊进行色、香、味和形4个因素的评定，经权重计算后产品最终感官可达86.72分。对照酸汤溶液而言，微胶囊复溶后溶液呈粉红色、色泽较为均匀、液体较为澄清，具有红酸汤特征风味、香味协调、无异味，酸爽可口、口感较为细腻，具有少许沉淀、无漂浮物。

3 结论

采用单因素试验及响应面试验优化制备凯里红酸汤微胶囊的工艺条件。结果表明，凯里红酸汤微胶囊的最佳制备工艺条件为：辛烯基琥珀酸淀粉钠与麦芽糊精的质量比1∶1、红酸汤质量浓度14 mg/mL、壁材与芯材的质量比4∶1、进风口温度174 ℃、进料流量6 mL/min。在此优化条件下，制备的凯里红酸汤微胶囊的包埋率为70.1%，产品为粉红色粉末状，颗粒均匀、细腻，具有很好的感官特性。凯里红酸汤中含有多种有机酸、维生素、氨基酸、辣椒素、番茄红素等功能成分，制备成酸汤微胶囊后对有机酸类物质和功能性物质的平均保留率分别为87.70%、68.40%，对氨基酸、维生素的保留率分别为72.80%、70.97%。本研究将凯里传统红酸汤与现代微胶囊技术工艺相结合，既保留了酸汤中原有的营养因子，开发了新型的红酸汤产品，又方便了产品的运输和贮存，有效延长了红酸汤的货架期。同时，制备工艺的优化和最佳条件的选定也为酸汤微胶囊的扩大生产提供了理论支持和实验探究。