響應(yīng)面法優(yōu)化牡丹籽油微膠囊的制備工藝

李成忠 孫 燕 周 霞 郭 丹 張春曉 張煥新(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，泰州 225300)

響應(yīng)面法優(yōu)化牡丹籽油微膠囊的制備工藝

李成忠 孫 燕 周 霞 郭 丹 張春曉 張煥新
(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，泰州 225300)

以麥芽糊精和阿拉伯膠混合物為壁材，牡丹籽油為芯材，采用響應(yīng)面法研究牡丹籽油微膠囊噴霧干燥制備工藝。通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)確定牡丹籽油微膠囊最佳制備工藝條件為：壁材配比3.28:1、芯材與壁材比1:6、均質(zhì)壓力42.09 MPa、進(jìn)風(fēng)溫度213.82 ℃、進(jìn)料速度8.89 mL/min。在此條件下，制備的微膠囊包埋率可達(dá)在90.93%；且微膠囊產(chǎn)品氣味純正，顆粒表面平整光滑，細(xì)小均勻，具有良好的流散性，牡丹籽油含量為13.52%，包埋效果好。

牡丹籽油 微膠囊 噴霧干燥 響應(yīng)面法

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)為芍藥科芍藥屬落葉灌木，原產(chǎn)于我國(guó)秦嶺與大巴山一帶山區(qū)，現(xiàn)各地有栽培，具有極高的觀賞價(jià)值和藥用價(jià)值[1]。牡丹籽為牡丹的成熟種子，是生產(chǎn)中藥丹皮的副產(chǎn)品。牡丹籽富含人體必須的氨基酸、礦物質(zhì)、維生素、多糖和脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)成分，油脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～30%，其中不飽和脂肪酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)92%以上，必需脂肪酸中亞油酸和亞麻酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在25.00%和40.00%左右[2-4]。研究表明，亞油酸具有抗氧化、調(diào)節(jié)血壓、抑制膽固醇合成、預(yù)防糖尿病的作用；γ-亞麻酸有降低血脂和血壓等保健功能，減少心腦血管發(fā)病率的功效比一般防治藥物高出5倍[5-6]，極具開發(fā)價(jià)值。通過毒理學(xué)安全性評(píng)價(jià)，國(guó)家衛(wèi)生部的2011年批準(zhǔn)牡丹籽油作為新資源食品[7]。微膠囊技術(shù)是指利用天然的或者合成的高分子包囊材料，將固體、液體或氣體物質(zhì)包埋在微小、半透性或密封的膠囊內(nèi)，使內(nèi)容物在特定條件下以可控的速率進(jìn)行釋放的技術(shù)。通過微膠囊技術(shù)可以達(dá)到隔離活性成分、保護(hù)芯材免受環(huán)境影響、掩蓋不良味道或氣味、控制釋放等目的[8]。牡丹籽油富含亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸，暴露在空氣中，受環(huán)境因素的影響，極易發(fā)生氧化酸敗[9]，不僅破壞了牡丹籽油中原有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及風(fēng)味物質(zhì)，降低了油脂的食用價(jià)值，而且嚴(yán)重影響了油脂的質(zhì)量。

本研究以麥芽糊精和阿拉伯膠為壁材，牡丹籽油為芯材，采用噴霧干燥技術(shù)制備牡丹籽油微膠囊固態(tài)粉末產(chǎn)品，可以有效防止由氧氣、光照、酸堿等外界因素對(duì)牡丹籽油在儲(chǔ)運(yùn)過程造成不良影響，提高其穩(wěn)定性能[10-11]；同時(shí)，牡丹籽油微膠囊還可以作為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑添加在其他產(chǎn)品中，提高和改善產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)和保健功能，為牡丹籽油的綜合開發(fā)與利用拓寬途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

牡丹籽油：自制；阿拉伯膠、麥芽糊精(食品級(jí))：西王藥業(yè)有限公司；無水乙醚、無水乙醇均為分析純：上海國(guó)藥試劑有限公司；實(shí)驗(yàn)所用水均為蒸餾水。

1.2 儀器與設(shè)備

BSA124S分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；B-290型小型噴霧干燥機(jī)：瑞士Buchi有限公司；GYB30-6S高壓均質(zhì)機(jī)：上海東華均質(zhì)機(jī)廠；101-2A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 牡丹籽油微膠囊制備工藝：

阿拉伯膠+麥芽糊精→溶解→調(diào)配→牡丹籽油，初乳化→高壓均質(zhì)→噴霧干燥→牡丹籽油微膠囊，置干燥器內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 牡丹籽油包埋率的測(cè)定

1.3.2.1 微膠囊表面油含量的測(cè)定

采用Jafari等[12]的方法。準(zhǔn)確稱取2.0 g(準(zhǔn)確至0.000 1 g)牡丹籽油微膠囊產(chǎn)品置于離心管中，加入20.0 mL石油醚，振蕩1 min，離心5 min(3 000 r/min)，重復(fù)2次，合并上清液，將濃縮液置于已稱量的干燥表面皿中，在恒溫干燥箱中蒸干至恒重，用減重法得出計(jì)算微膠囊表面油含量。

1.3.2.2 微膠囊總油含量的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取2.0 g(準(zhǔn)確至0.000 1 g)牡丹籽油微膠囊產(chǎn)品置于干燥的小燒杯中，加入20.0 mL熱水，經(jīng)攪拌溶解后，依次加入10.0 mL石油醚、10.0 mL無水乙醚、10.0 mL無水乙醇進(jìn)行萃取，重復(fù)2次，合并萃取液，將濃縮液置于已稱量的干燥表面皿中，在恒溫干燥箱中蒸干至恒重，用減重法計(jì)算微膠囊總油含量。

1.3.2.3 微膠囊包埋率計(jì)算

1.3.3 微膠囊質(zhì)量評(píng)定

對(duì)噴霧干燥后得到的微膠囊進(jìn)行氣味、色澤、組織狀態(tài)評(píng)定[13]；水分含量、密度、粒度指標(biāo)等，按照中國(guó)藥典2010年版二部方法測(cè)定[14]。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

單因素實(shí)驗(yàn)主要研究壁材配比、芯材與壁材配比、均質(zhì)壓力、進(jìn)口風(fēng)溫度、進(jìn)料速度、對(duì)牡丹籽油微膠囊產(chǎn)品包埋率的影響。基本條件設(shè)定為：壁材配比(麥芽糊精:阿拉伯膠)為3:1，芯材與壁材配比1:6，均質(zhì)壓力40.0 MPa，進(jìn)口風(fēng)溫度200.0 ℃，進(jìn)料速度8 mL/min。改變其中一個(gè)因素，其他因素保持不變，分別考察各因素對(duì)牡丹籽油的影響，每組處理重復(fù)3次。

1.4.2 響應(yīng)面正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過單因素實(shí)驗(yàn)，選擇適宜的因素和水平按照Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行中心組實(shí)驗(yàn)，以牡丹籽油微膠囊產(chǎn)品的包埋率為響應(yīng)值，考察壁材配比、均質(zhì)壓力、進(jìn)口風(fēng)溫度、進(jìn)料速度4個(gè)因素對(duì)產(chǎn)品包埋率的影響，優(yōu)化噴霧干燥制備工藝。實(shí)驗(yàn)中各因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 牡丹籽油微膠囊化單因素分析

微膠囊化過程中，壁材的選擇是影響微膠囊產(chǎn)品包埋率的重要因素。理想壁材當(dāng)應(yīng)當(dāng)具備較高的水溶性，較低的黏度，優(yōu)質(zhì)的干燥成膜性等特點(diǎn)。阿拉伯膠無味、無色、無臭、水溶性好且黏度極低，具有良好的乳化性[8]。麥芽糊精和阿拉伯膠的配比的不同會(huì)導(dǎo)致壁材溶液乳化能力及黏度有較大差異，不僅影響微膠囊產(chǎn)品包埋率，而且會(huì)影響微膠囊產(chǎn)品的最終品質(zhì)。

圖1 各因素對(duì)微膠囊包埋率的影響

由圖1可知，牡丹籽油微膠囊包埋率隨著壁材比的改變而發(fā)生變化，當(dāng)壁材配比為3:1時(shí)，包埋率達(dá)到最大值90.6%。因此，確定麥芽糊精和阿拉伯膠最佳配比為3:1。結(jié)果與閻師杰等[15]在研究核桃油微膠囊化過程所報(bào)道結(jié)果基本一致。芯材與壁材配比對(duì)微膠囊包埋率產(chǎn)生顯著影響。隨著芯材與壁材比例的增大，即阿拉伯膠和麥芽糊精添加量增大，微膠囊牡丹籽油包埋率快速提高，當(dāng)1:6時(shí)，包埋率達(dá)到最高值87.21%；進(jìn)一步增大芯材與壁材配比，牡丹籽油包埋率變化不大趨于平衡，但微膠囊含油降低；確定芯材與壁材的最適配比為1:6。

牡丹籽油包埋率隨均質(zhì)壓力增大而升高，當(dāng)壓力大于40.0 MPa時(shí)，包埋率略有下降。均質(zhì)充分有利于使芯材與壁材混合均勻。均質(zhì)壓力大小影響乳狀液的平均粒徑，粒徑大小直接影響微膠囊的包埋率。壓力增大，有利于芯材在壁材體系中均勻分散，均質(zhì)后形成的液滴平均粒徑較小，噴霧干燥后產(chǎn)品的包埋率提高。但均質(zhì)壓力過大，形成過小的液滴表面積大，表面能高，降低了乳化液的穩(wěn)定性，導(dǎo)致微膠囊的包埋率降低[16]。噴霧干燥過程中最適的均質(zhì)壓力為40.0 MPa。牡丹籽油包埋率隨進(jìn)口風(fēng)溫度升高迅速增大，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)溫升高至200.0 ℃時(shí)，包埋率到底最大值88.31%；繼續(xù)提高進(jìn)口風(fēng)溫度，包埋率呈明顯下降趨勢(shì)。主要原因在于進(jìn)風(fēng)溫度低，微膠囊成膜速度降低，包埋效果差，同時(shí)產(chǎn)品的水分含量也會(huì)升高，流動(dòng)性變差，影響產(chǎn)品的品質(zhì)。提高進(jìn)風(fēng)溫度，可較快的形成堅(jiān)實(shí)的壁，有利于阻止芯材的損失，但進(jìn)風(fēng)溫度過高時(shí)，水分散失速度過快，囊壁表面凹陷，同樣影響產(chǎn)品的品質(zhì)[8]。故選取200.0 ℃為最適進(jìn)風(fēng)溫度。最佳的進(jìn)料速度為8.0 mL/min。微膠囊制備過程中，進(jìn)料速度對(duì)牡丹籽油包埋率也具有較大影響。進(jìn)料速度慢，物料過度蒸發(fā)造成芯材損失嚴(yán)重，包埋率下降；進(jìn)料速度過快，物料蒸發(fā)時(shí)間不足，不足以形成一定完整的微膠囊壁，產(chǎn)品的顆粒大，包埋率低。噴霧干燥過程中，只有保持合適的進(jìn)料速度，才能獲得最大的包埋率。

2.2 牡丹籽油微膠囊制備工藝最佳工藝條件的確定

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[17-19]，對(duì)牡丹籽油微膠囊制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，不同因素水平組合條件下牡丹籽油微膠囊包埋率見表2。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

2.2.2 建立模型方程與顯著性檢驗(yàn)

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)29組不同因素組合條件下所得牡丹籽油的包埋率進(jìn)行回歸分析擬合，得到回歸方程模型方差分析及回歸方程系數(shù)估計(jì)值(表3)。

表3 回歸方程中回歸系數(shù)估計(jì)值和方差分析

注：P<0.05，顯著，*；P<0.001，極顯著，**。

由方差分析結(jié)果可看出，模型P<0.000 1，方程模型達(dá)到極顯著，失擬P=0.121 8>0.05，不顯著，表明二次模型成立[20]，應(yīng)用此模型可以預(yù)測(cè)牡丹籽油的包埋率及優(yōu)化噴霧干燥制備牡丹籽油微膠囊工藝。根據(jù)表3，去掉不顯著因素，獲得二次多項(xiàng)回歸方程：

包埋率Y/%=-358.743 58+14.008 50A+3.489 72B+3.254 67C+1.616 92D-0.485 75AB+0.177 50AC+1.311 25AD-6.435 58A2-0.064 956B2-0.011 595C2-1.331 40D2(R2=0.929 7)

該方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.964 2，說明該模型能解釋96.42%響應(yīng)值的變化，即該模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)具有良好的擬合性，實(shí)驗(yàn)誤差小[20]。

由表3可知，影響牡丹籽油微膠囊包埋率的因素主次為：B>C>A>D，即均質(zhì)壓力>進(jìn)口風(fēng)溫度>壁材配比>進(jìn)料速度。其中均質(zhì)壓力、進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響達(dá)到極顯著程度，壁材配比、進(jìn)料速度在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)包埋率也具有顯著影響，且壁材配比與均質(zhì)壓力、進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)料速度之間具有交互作用。

2.2.3 牡丹籽油微膠囊包埋率響應(yīng)面分析與最優(yōu)工藝條件的確定

為直觀地反映壁材配比、均質(zhì)壓力、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料速度四因素及交互作用對(duì)響應(yīng)值包埋率的影響，將其中兩個(gè)因素固定在零水平，應(yīng)用Model Graph程序作壁材配比與均質(zhì)壓力、進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)料速度交互作用的響應(yīng)面圖及等高線圖，結(jié)果見圖2、圖3、圖4。

圖2 壁材配比和均質(zhì)壓力交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

圖3 壁材配比和進(jìn)風(fēng)溫度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

圖4 壁材配比和進(jìn)料速度交互影響微膠囊包埋率的響應(yīng)面及等高線圖

響應(yīng)面圖形是由響應(yīng)值包埋率(Y)對(duì)應(yīng)于影響因素壁材配比(A)、均質(zhì)壓力(B)、進(jìn)口風(fēng)溫度(C)、進(jìn)料速度(D)所構(gòu)成的三維空間的曲面圖及其在二維平面上的等高線圖。由圖2可知，隨著壁材配比和均質(zhì)壓力增大，牡丹籽油包埋率迅速增大后降低，等高線圖形為橢圓形，表明壁材配比和均質(zhì)壓力的交互作用對(duì)牡丹籽油包埋率的影響極其顯著。由此可見選擇合適的壁材配比和均質(zhì)壓力，可以在一定程度提高牡丹籽油的包埋率。由圖3可知，隨著壁材配比增大與進(jìn)風(fēng)溫度的升高，牡丹籽油包埋率先升高然后下降，等高線形狀橢圓形，說明壁材配比和進(jìn)風(fēng)溫度的交互作用對(duì)牡丹籽油包埋率也顯著影響[21-22]；由圖4可知，隨著壁材配比和進(jìn)料速度增大，牡丹籽油包埋率迅速提高然后緩慢下降，壁材配比和進(jìn)料速度的交互作用對(duì)包埋率也有顯著影響。同時(shí)，根據(jù)等高線圖形的形狀可以看出，該實(shí)驗(yàn)中各因素交互作用對(duì)牡丹籽油微膠囊包埋率的影響大小依次為：壁材配比和均質(zhì)壓力>壁材配比和進(jìn)風(fēng)溫度>壁材配比和進(jìn)料速度。因此，在噴霧干燥制備牡丹籽油微膠囊實(shí)際生產(chǎn)過程中，在壁材配比固定條件下，可以通過控制均質(zhì)壓力、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料速度等因素提高包埋率。

二次多項(xiàng)回歸模型中二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2系數(shù)均為負(fù)值，說明響應(yīng)面開口向下(圖2、圖3、圖4)，方程有極大值。對(duì)回歸方程求導(dǎo)，并令其等于零，可以得到曲面的最高點(diǎn)，即獲得霧干燥制備牡丹籽油微膠囊的最佳工藝條件：4個(gè)主要因素的最佳水平值，分別為：壁材配比3.28:1、均質(zhì)壓力42.09 MPa、進(jìn)風(fēng)溫度213.82 ℃、進(jìn)料速度8.89 mL/min，在此條件下，牡丹籽油微膠囊包埋率的預(yù)測(cè)值為90.89%。

2.2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)(壁材配比3.28:1、均質(zhì)壓力42.09 MPa、進(jìn)風(fēng)溫度213.82 ℃、進(jìn)料速度8.89 mL·min-1)，噴霧干燥制備牡丹籽油微膠囊，做3組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測(cè)得微膠囊包埋率分別為90.26%、91.12%、91.43%，重復(fù)性較好，平均包埋率90.93%。與該條件下包埋率的理論預(yù)測(cè)值90.89%相比，相對(duì)誤差小于1%，說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的噴霧干燥制備牡丹籽油微膠囊生產(chǎn)工藝參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

2.2.5 牡丹籽油微膠囊的物性分析

氣味純正，乳白色，顆粒細(xì)小均勻，流散性、混合性良好；含水量：2.38%；密度：0.79 g/cm3；粒度：大小在10.0～15.0 μm；牡丹籽油含量：13.52%。

3 結(jié)論

通過單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察了不同因素對(duì)牡丹籽油微膠囊包埋率的影響，結(jié)果表明：均質(zhì)壓力>進(jìn)口風(fēng)溫度>壁材配比>進(jìn)料速度。其中均質(zhì)壓力、進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響達(dá)到極顯著程度，壁材配比、進(jìn)料速度在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)包埋率也具有顯著影響，且壁材配比與均質(zhì)壓力、進(jìn)風(fēng)溫度進(jìn)料速度之間具有顯著的交互作用。確定了噴霧干燥法制備牡丹籽油微膠囊的最優(yōu)條件：壁材配比3.28:1、芯材與壁材比1:6、均質(zhì)壓力42.09 MPa、進(jìn)風(fēng)溫度213.82 ℃、進(jìn)料速度8.89 mL·min-1。在此條件下，微膠囊的包埋率為90.93%；由此工藝所制備的牡丹籽油微膠囊產(chǎn)品具有良好的感官及物化特性，牡丹籽油含量為13.52%。研究結(jié)果對(duì)牡丹籽油的深加工和綜合開發(fā)利用具有十分重要的意義。

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The Preparation Optimization of Peony Seed Oil Microcapsule Using Response Surface Methodology

Li Chengzhong Sun Yan Zhou Xia Guo Dan Zhang Chunxiao Zhang Huanxin
(Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College,Taizhou 225300)

The paper studied the technological conditions of the spray-drying method for the preparation of microcapsule with the maltodextrin and Arabic gum compound as wall material,peony seed oil as core material.The optimum processing parameters which were defined by single-factor experiments and the response surface methodology for the microencapsulation were as follows:the composition of the proper ratio of wall to material was the 3.28∶1,ratio of core material to wall material was 1∶6,the homogeneous pressure was 42.09 MPa,the inlet wind temperature for the spray-drying was 213.82 ℃ and the feed speed was 8.89 mL/min.The microcapsule particles of peony seed oil aregenuine in smell,smooth,evenly distributed and tiny,and had good fluxion property.The micro-encapsulation encapsulating rate under the optimized technology was 90.93%，and the peony seed oil content was 13.52%.

peony seed oil,microcapsule,spray-drying,response surface methodology

TS239

A

1003-0174(2017)12-0081-06

時(shí)間：2017-12-21 09:08:08

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2864.TS.20171221.0907.002.html

江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目(蘇教師〔2016〕15號(hào))，江蘇省林業(yè)三新工程項(xiàng)目(LYSX〔2015〕03)，江蘇省林業(yè)科技創(chuàng)新與推廣項(xiàng)目(LYKJ〔2017〕35)

2017-06-08

李成忠，男，1980年出生，副教授，植物資源利用及栽培

張煥新，男，1972年出生，教授，糧食、油脂及植物蛋白工程