滿意度函數(shù)法對(duì)維生素A微膠囊的多目標(biāo)優(yōu)化

劉愛(ài)琴，羅超杰，周迪，代志凱，許新德，胡利東

（浙江醫(yī)藥股份有限公司新昌制藥廠，浙江新昌312500）

VA是一類有營(yíng)養(yǎng)活性的不飽和烴，包括視黃醇及相關(guān)的化合物和一些類胡蘿卜素[1]。VA可以維持正常的視覺(jué)反應(yīng)，缺乏時(shí)會(huì)引起暗適應(yīng)能力降低，嚴(yán)重時(shí)引起夜盲癥；VA可以維持上皮細(xì)胞的正常形成，可使皮膚柔軟細(xì)嫩，有防皺去皺功效，缺失時(shí)，會(huì)使上皮細(xì)胞的功能減退，導(dǎo)致皮膚彈性下降、干燥、粗糙、失去光澤[2]。除此之外，VA還具有加速生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)機(jī)體抵抗力的作用。目前，我國(guó)維生素A類營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑在嬰幼兒食品、乳制品和乳飲料等食品中應(yīng)用廣泛，其允許添加的種類包括維生素A醋酸酯（vitamin A acetate，RA） 和維生素 A 棕櫚酸酯（vitamin A palimate，RP）[3]。由于VA類對(duì)光、熱、氧不穩(wěn)定[4-5]，易發(fā)生光降解和氧化降解，因此，我們將維生素A醋酸酯進(jìn)行微膠囊化，其目的在于：（1）在維生素A醋酸酯周圍形成由壁材組成的保護(hù)層，從而與外界隔絕，可防止由于氧化、光照、熱等造成的氧化變質(zhì)，保持維生素A醋酸酯的生理功能；（2）將維生素A醋酸酯晶體從脂溶性固體轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄苑勰?，提高了其流?dòng)性、混合性和應(yīng)用性，便于食品加工與保存；（3）把維生素A醋酸酯產(chǎn)品作為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑，添加于不同的食品中，提高食品的附加值。

以明膠為壁材，對(duì)維生素A醋酸酯進(jìn)行微膠囊化實(shí)驗(yàn)，微膠囊化的包埋率和產(chǎn)品的保留率是評(píng)價(jià)微膠囊品質(zhì)的重要參數(shù)。因?yàn)樵u(píng)價(jià)涉及到多指標(biāo)，為了合理地、客觀地進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用響應(yīng)面曲線法和滿意度函數(shù)處理數(shù)據(jù)[6-7]，用滿意度綜合評(píng)價(jià)值對(duì)微膠囊品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了高包埋率、高保留率的雙目標(biāo)優(yōu)化，確定了維生素A醋酸酯微膠囊化的最佳工藝參數(shù)，同時(shí)也為響應(yīng)面曲線法和滿意度函數(shù)在微膠囊工藝研究和開發(fā)提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

維生素A醋酸酯晶體：浙江醫(yī)藥股份有限公司維生素廠生產(chǎn)；明膠：溫州羅塞洛明膠有限公司；麥芽糊精，糖漿，dl-a生育酚，二丁基羥基甲苯（BHT），蔗糖酯，抗壞血酸棕櫚酸酯，辛葵酸甘油酯。

SLS-60-70高壓均質(zhì)機(jī)：上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司；GLZ-5型高速離心噴霧干燥實(shí)驗(yàn)機(jī)：無(wú)錫市昂益達(dá)干燥設(shè)備廠；紫外可見分光光度儀UV-2450：SHIMADZU Comporation。

1.2 方法

1.2.1 維生素A醋酸酯微膠囊的制備工藝

1.2.2 維生素A醋酸酯微膠囊含量的檢測(cè)

采用紫外分光光度法測(cè)定維生素A醋酸酯的含量，取一定量的維生素A醋酸酯微膠囊產(chǎn)品，加入5 mL去離子水超聲至完全溶解，加入無(wú)水乙醇并定容，用分光光度法測(cè)定維生素A醋酸酯的含量。

1.2.3 VA醋酸酯微膠囊的效果評(píng)價(jià)

1.2.3.1 微膠囊化效率

微膠囊效率（又稱包埋率），是芯材真正被膠囊化包埋的比例，是VA微膠囊化實(shí)際被包埋量與理論被包埋量的比值，包埋率越高越好[8]。微膠囊效率檢測(cè)方法[9]，計(jì)算如下：

微膠囊化效率（%）=（1－產(chǎn)品表面的芯材含量/產(chǎn)品中的芯材含量）×100%

1.2.3.2 VA醋酸酯微膠囊保留率

VA醋酸酯微膠囊的貯藏穩(wěn)定性采用加速試驗(yàn)來(lái)考察，用保留率來(lái)評(píng)價(jià)，貯藏條件為40℃，敞口，相對(duì)濕度（RH）40%，一定時(shí)間段取出進(jìn)行紫外含量檢測(cè)。計(jì)算如下：

保留率（%）=存后產(chǎn)品中芯材的含量/貯存前產(chǎn)品中芯材的含量×100%

1.2.3.3 乳液穩(wěn)定性考察

經(jīng)微膠囊化制備的乳液，放置在55℃烘箱中，放置4 h～5 h后觀察是否分層，是否漂油。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)Box-Ben中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取膠糖比、抗氧化劑用量和乳化劑用量這3個(gè)對(duì)微膠囊化產(chǎn)品穩(wěn)定性影響顯著的因素，采用三因素三水平地響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Levels of experimental factors

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 維生素A醋酸酯晶體含量對(duì)微膠囊化的影響

將維生素A醋酸酯通過(guò)微膠囊化制備成50×104IU/g的水溶性干粉，對(duì)晶體含量的要求相對(duì)要高一些，晶體含量越高，微膠囊越容易包埋。所以分別選用晶體含量為：280×104、260×104、240×104、220×104、200×104、110×104IU/g進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 不同晶體含量對(duì)微膠囊效率的影響Table 2 The effect of the content of different crystal on the microencapsulation efficiency

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)晶體含量低于220×104IU/g時(shí)，經(jīng)微膠囊制備的乳液穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)漂油現(xiàn)象。晶體含量越低，要求投料量比例相對(duì)增加，致使微膠囊包埋難度加大，乳液漂油現(xiàn)象越嚴(yán)重，且包埋效率也相對(duì)較低。當(dāng)晶體含量高于220×104IU/g時(shí)，經(jīng)微膠囊制備的乳液穩(wěn)定性較好，但包埋效率較低。當(dāng)晶體含量達(dá)240×104IU/g或240×104IU/g以上時(shí)，包埋效率明顯提高，均高于95%，所以得出晶體含量要達(dá)到240×104IU/g或240×104IU/g以上。

2.1.2 明膠與蔗糖的添加比例對(duì)微膠囊化的影響

以微膠囊化的維生素A醋酸酯的保留率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)其微膠囊后的產(chǎn)品穩(wěn)定性，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。明膠與蔗糖的添加比例分別選用4∶1、3∶1、2∶1、1 ∶1、1 ∶2，結(jié)果如圖 1所示。

從圖1中我們可以得出明膠與蔗糖的最佳添加比例為3∶1。

2.1.3 抗氧化劑的篩選

抗氧化劑分別選用BHT、dl-α生育酚、不加抗氧化劑三組進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其他條件相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。

圖1 膠糖比對(duì)VA微膠囊的影響Fig.1 The effects of the ratio of gelatin and sugar on VA microcapsules

圖2 不同抗氧化劑對(duì)VA微膠囊的影響Fig.2 The effects of different antioxidant on VAmicrocapsules

從圖2中可以看出添加抗氧化后產(chǎn)品穩(wěn)定性明顯提高，加速試驗(yàn)90 d時(shí)，添加dl-α生育酚的產(chǎn)品保留率比不添加抗氧化劑的提高了15.5%，添加BHT的產(chǎn)品保留率提高了34.3%，所以可以得出最佳抗氧化劑為BHT。

2.1.4 抗氧化劑添加量

在以上條件的基礎(chǔ)上，分別選用BHT的添加量為1%、2%、3%和4%，通過(guò)對(duì)微膠囊化的產(chǎn)品穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比得出如圖3。

圖3 抗氧劑添加量對(duì)VA微膠囊的影響Fig.3 The effects of the antioxidant addition on VAmicrocapsules

從圖3中可以看出，抗氧化劑添加量為2%時(shí)產(chǎn)品穩(wěn)定性相對(duì)較好，加速試驗(yàn)90 d左右，其保留率仍在90%以上。所以確定抗氧化劑BHT的最佳添加量為2%。

2.1.5 乳化劑的篩選

乳化劑分別選用單硬脂酸甘油酯、抗壞血酸棕櫚酸酯、辛葵酸甘油酯、三聚甘油單硬脂酸和蔗糖酯。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選用三聚甘油單硬脂酸和蔗糖酯作乳化劑，乳液穩(wěn)定性差，易分層；選用抗壞血酸棕櫚酸酯作乳化劑制備的產(chǎn)品顏色較暗，不符合要求；而單硬脂酸甘油酯和辛葵酸甘油酯作乳化制備的乳液穩(wěn)定性較好，且產(chǎn)品外觀顏色為淺黃色，對(duì)制備的產(chǎn)品進(jìn)行穩(wěn)定性考察。結(jié)果如表3。

表3 不同乳化劑對(duì)VA微膠囊的影響Table 3 The effect of different emulsifier on VAmicrocapsules

從表3中可以看出：?jiǎn)斡仓岣视王プ鳛槿榛瘎┊a(chǎn)品加速實(shí)驗(yàn)60 d后保留率在91.7%，60 d內(nèi)產(chǎn)品保留率均在90%以上，穩(wěn)定性較好，而辛葵酸甘油脂作為乳化劑制得的產(chǎn)品穩(wěn)定性相對(duì)略差一些，所以乳化劑選用單硬脂酸甘油酯。

2.1.6 乳化劑的添加量

在以上條件的基礎(chǔ)上，分別選用單硬脂酸甘油酯的添加量為1%、2%、3%和4%，通過(guò)對(duì)微膠囊化的產(chǎn)品穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比得出如圖4。

圖4 單硬脂酸甘油酯添加量對(duì)VA微膠囊的影響Fig.4 The effects of the glycerol monostearate addition on VA microcapsules

從圖4中穩(wěn)定性變化的整體趨勢(shì)可以看出，乳化劑的最佳添加量為3%。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)Box-Behnken的中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，分別以膠糖比、乳化劑用量和抗氧化劑用量分別作為自變量 X1、X2、X3，以微膠囊效率、保留率為響應(yīng)值 Y1、Y2，采用三因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表4，其中1-12是析因?qū)嶒?yàn)，13-15是中心試驗(yàn)，用來(lái)估計(jì)試驗(yàn)誤差。VA醋酸酯微膠囊包埋效率以及保留率所對(duì)應(yīng)的滿意度函數(shù)的設(shè)定見表5所示，由于保留率是評(píng)價(jià)產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)，也是我們開發(fā)產(chǎn)品的重要依據(jù)，與包埋效率相比較更重要，所以本文將包埋效率與保留率的權(quán)重分別設(shè)為0.4和0.6。

表4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 4 Response surface experimental design and results

表5 Response Desirability函數(shù)的設(shè)定Table 5 Design of Response Desirability function

由SAS8.1對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，獲得回歸方程為：

D=0.76+0.19825X1+0.037X2+0.011X3-0.15X1X1-0.012X1X2-0.066 5X1X3-0.024X2X2-0.147X2X3-0.16X3X3，R2=0.978 5，RMSE=0.051 16 調(diào)整決定系數(shù)（R2adj）為0.939 8，表明模型的擬合度良好，預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值之間具有高度的相關(guān)性。由方差分析表6可以看出，對(duì)模型進(jìn)行F檢驗(yàn)，模型P=0.001 194，表明模型顯著性可靠。采用t檢驗(yàn)對(duì)模型的各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果顯示，X1、X12、X1*X3、X2*X3、X32的 P值小于0.05，為顯著項(xiàng)，其他項(xiàng)P值大于0.05，表明各因素的交互影響不顯著。

表6 回歸方程的方差分析Table 6 Analysis of variance of the regression equation

利用SAS8.1統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析得出響應(yīng)曲面和等高線圖（圖5），各因素及其交互作用對(duì)相應(yīng)值的影響趨勢(shì)可通過(guò)該組圖直觀反應(yīng)出來(lái)。

圖5顯示：膠糖添加比例、乳化劑添加量和抗氧化劑添加量之間的交互作用對(duì)VA微膠囊化產(chǎn)品品質(zhì)的影響，乳化劑添加量和抗氧化劑添加量的交互作用極顯著，膠糖比和抗氧化劑添加量之間的交互作用顯著，而膠糖比和乳化劑添加量的交互作用不顯著。這說(shuō)明試驗(yàn)中這三個(gè)因素對(duì)VA微膠囊效果的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而受線性回歸影響。

SAS工具箱給出最大相應(yīng)值D（Y）=0.882，其對(duì)應(yīng)的 X1、X2、X3編碼值分別為 0.778、1、-0.556，即膠糖比為3.389：1、抗氧化劑用量為2%，乳化劑用量為2.722%?？紤]到實(shí)際操作的便利，將各工藝參數(shù)稍作調(diào)整，分別為：膠糖比為3.4∶1、抗氧化劑用量為2%，乳化劑用量為2.7%。

圖5 VA微膠囊化產(chǎn)品的響應(yīng)面及等高線圖Fig.5 Response surface and contour plots of the VAmicrocapsules

2.3 最佳條件的驗(yàn)證試驗(yàn)

為檢驗(yàn)響應(yīng)曲面法和滿意度函數(shù)所得結(jié)果的可靠性，采用上述優(yōu)化工藝條件，重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，微膠囊化效率的平均值為96.4%，保留率的平均值（60 d）為92.81%。與模擬預(yù)測(cè)值基本一致。

3 討論

一般的微膠囊化優(yōu)化大多以單因素實(shí)驗(yàn)、正交試驗(yàn)以及單一的響應(yīng)曲面為主，只能針對(duì)單一變量進(jìn)行優(yōu)化，而當(dāng)存在多個(gè)變量時(shí)，針對(duì)某一因變量的最適參數(shù)往往無(wú)法同時(shí)滿足其他因變量的優(yōu)化要求。目前基于相應(yīng)曲面法已開發(fā)出多種的多目標(biāo)優(yōu)化方案，其中滿意度函數(shù)是較為常用的一種，在生物醫(yī)藥、色譜分離等方面應(yīng)用較多[10-11]，而在微膠囊化優(yōu)化領(lǐng)域鮮有報(bào)道。

以微膠囊效率、保留率為目標(biāo)，利用響應(yīng)曲面及滿意度函數(shù)法對(duì)VA醋酸酯微膠囊化配方中的膠糖比、抗氧化劑用量和乳化劑用量進(jìn)行優(yōu)化，確定了它們的最佳添加量分別為3.4∶1、2%和2.7%，利用VA醋酸酯微膠囊最佳配方參數(shù)得到微膠囊化效率為96.4%，保留率（60 d）為92.81%。

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