響應(yīng)面分析法優(yōu)化茶油微膠囊噴霧干燥工藝

范方宇，常艷瓊，董選剛，郭 安，郭 磊，王振興

(西南林業(yè)大學(xué)西南山地森林資源保育與利用省部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650224)

茶油是中國(guó)特有的新興優(yōu)質(zhì)食用油脂，根據(jù)Asia Pulse報(bào)道，中國(guó)的茶籽油在2020年產(chǎn)量將達(dá)到250t。茶油營(yíng)養(yǎng)豐富，茶油的脂肪組成合理，與世界上公認(rèn)的最好木本植物油——橄欖油極其相似，被譽(yù)為“東方的橄欖油”。茶油還含有豐富的維生素E、維生素D、胡蘿卜素等，最重要的還含有角鯊烯成分，所以在某種程度上它的營(yíng)養(yǎng)功能超過(guò)了橄欖油［1－2］。

近年來(lái)茶油研究越來(lái)越多，但大多數(shù)都集中在對(duì)于其成分的分析和提取，如 Zhong等［3－4］研究冷榨茶油的揮發(fā)性成分為戊醛到壬醛等9種飽和醛，Jiaojiao Yuan［5］利用紅外透射光譜分析茶油的脂肪酸組成，況小玲［6］以不同加工工藝對(duì)比提取過(guò)程對(duì)油茶油風(fēng)味物質(zhì)的影響，證明加工方式也能影響茶油風(fēng)味物質(zhì)的含量等。茶油的深加工方面的研究資料文獻(xiàn)較少，近年來(lái)得以開展，主要集中于其微囊化研究，如葛昕采用不同壁材組合對(duì)有茶籽油進(jìn)行了微膠囊化的研究［7］，李麗采用噴霧干燥法對(duì)茶油進(jìn)行了微膠囊化研究［8］，油脂的微膠囊化主要采取的是噴霧干燥法［9－10］。

響應(yīng)面分析法用來(lái)優(yōu)化若干獨(dú)立變量影響一個(gè)(或多個(gè))響應(yīng)變量的實(shí)驗(yàn)條件［11］，目前已經(jīng)在各領(lǐng)域廣泛使用。食品領(lǐng)域采用響應(yīng)面法研究實(shí)驗(yàn)工藝條件的文獻(xiàn)也是很多［12－13］。本文利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化茶油微膠囊噴霧干燥條件，尋找適合茶籽油微膠囊的工藝條件。同時(shí)對(duì)茶油深加工的研究可促進(jìn)茶油行業(yè)的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

茶油 云南臨滄佳源食品有限責(zé)任公司、純度100%;大豆分離蛋白(SPI)谷神生物科技集團(tuán)有限公司、純度≥90%;麥芽糊精 山東西王食品有限公司、DE值:16～20;黃原膠 淄博中軒生化有限公司、純度99%;單甘脂 廣州市佳立士食品有限公司、純度99%;蔗糖酯 杭州瑞霖化工產(chǎn)品有限公司、純度99%，以上均為食用級(jí)。

石油醚((30～60℃沸程)、乙醚、無(wú)水乙醇，均分分析純。

DHG－9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海恒科學(xué)儀器有限公司;HH－2型數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市丹瑞電器廠;電子天平 Sartorins公司;SHR均質(zhì)機(jī) 上海申鹿均質(zhì)機(jī)有限公司;B－290噴霧干燥器 Buchi;JSM－6490LV掃描電子顯微鏡 日本電子制造。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 工藝流程 SPI溶解在60℃的蒸餾水中→加麥芽糊精和黃原膠(黃原膠與麥芽糊精充分拌勻)→加入茶油、蔗糖酯、單甘脂→均質(zhì)→噴霧干燥→成品

按要求取一定量的SPI在60℃條件下溶解于蒸餾水中(SPI與蒸餾水質(zhì)量比例約為1∶4)，溶解過(guò)程中要不斷攪拌，防止SPI結(jié)塊，同時(shí)將攪拌均勻的麥芽糊精和黃原膠緩慢混于溶解后的SPI溶液中，形成均勻溶液。同時(shí)向預(yù)先溶解的蔗糖酯、單甘脂中加入茶油并混勻后與之前的溶液混合。按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)濃度要求加入蒸餾水后在30MPa條件下均值10min。均質(zhì)后將溶液噴霧干燥，即可收集茶油微膠囊產(chǎn)品。

通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)［14－16］，并結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)，選擇以黃原膠為總?cè)芤?.1%，乳化劑(單甘脂與蔗糖酯，比例為1∶1)為溶液固形物2%，噴霧空氣流量667L/h。同時(shí)，通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定了均質(zhì)壓力30MPa、時(shí)間10min，大豆蛋白與麥芽糊精比為1∶1，芯材與壁材比例為0.7∶2時(shí)茶油微膠囊包埋率好。進(jìn)風(fēng)溫度、固形物濃度、進(jìn)料流量三因素對(duì)實(shí)驗(yàn)影響比較大，因此選擇此三因素在相關(guān)條件下進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn) 以Box－Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用3因素3水平的響應(yīng)面分析法對(duì)進(jìn)風(fēng)溫度，固形物濃度，乳液流量三個(gè)因素與包埋率進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。采用Design Expert進(jìn)行分析。

表1 Box－Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experiment design of Box－Behnken

1.2.3 包埋率的計(jì)算

1.2.4 表面油的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取3.000～5.000g微膠囊粉末，將30mL石油醚分3次加入，每次振蕩時(shí)間2min，過(guò)濾并合并濾液，將濾液在70℃下烘干，蒸出石油醚，稱重，得油的質(zhì)量，即微膠囊表面油［15］。

1.2.5 總油的測(cè)定 采用堿性乙醚法提取總油。準(zhǔn)確稱取1.000g左右的微膠囊粉末，加入10mL 60℃蒸餾水中充分溶解，倒入分液漏斗中，加入1mL 25%的氨水搖勻，加入10mL無(wú)水乙醇，充分搖勻，冷卻后加入25mL乙醚，搖勻，打開塞子放出氣體，加入25mL石油醚，搖勻后靜置分層，取上層液，在70℃下烘干，稱重，得油的質(zhì)量，即微膠囊總油［16］。

1.2.6 微膠囊形態(tài)觀察 采用掃描電鏡(SEM)觀察微膠囊的表面結(jié)構(gòu)。將樣品分散在雙面膠上，吹去多余粉末。噴金，后用電鏡觀察微膠囊表面結(jié)構(gòu)。加速電壓為30kV。

1.2.7 數(shù)據(jù)分析 采用F檢驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析以評(píng)價(jià)模型的統(tǒng)計(jì)意義實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)據(jù)采用Design Expert軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 回歸模型的建立及顯著性檢驗(yàn) 采用Design Expert軟件通過(guò)回歸對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 Box－Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果Table 2 Experiment result of Box－Behnken

茶油微膠囊包埋率的響應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)根據(jù)Box－Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行了17組實(shí)驗(yàn)，其中5組中心點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。由Design Expert軟件對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多遠(yuǎn)回歸擬合，得到包埋率的回歸方程為:

式中:X1為進(jìn)風(fēng)溫度;X2為固形物濃度;X3為進(jìn)料流量。

對(duì)模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，實(shí)驗(yàn)選用的模型具有高度的顯著性(p＜0.0001)，表明該模型極顯著。失擬項(xiàng)在a=0.05水平上，不顯著(p=0.4244)，說(shuō)明回歸模型與實(shí)際情況模擬好，無(wú)失擬因素存在，可以用回歸方程代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。模型的為 0.9754，R2為0.9892，說(shuō)明該模型能解釋97.54%的響應(yīng)值，僅有總變異的2.46%不能用此模型來(lái)解釋，說(shuō)明該模型擬合程度良好。用此模型對(duì)噴霧干燥茶油微膠囊的包埋率進(jìn)行優(yōu)化是合適的。

該模型中可以看出，X2、X1X3、X2X3、X22、對(duì)茶油微膠囊的包埋率的影響高度顯著(p＜0.001)，X1、X3影響一般顯著(p＜0.05)，X12影響不顯著。

2.1.2 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化 由圖1～圖3可以看出，進(jìn)風(fēng)溫度、固形物濃度、進(jìn)料流量三個(gè)因素間都存在著相互影響。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

由圖1可以看出當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度一定時(shí)，固形物濃度增加可以提高茶油微膠囊的包埋率，但是超過(guò)約18.2%時(shí)，又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)固形物濃度一定時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度的增加對(duì)包埋率而言略有增加，但是增加不明顯。但是，當(dāng)濃度過(guò)大時(shí)，如圖20.0%時(shí)，進(jìn)風(fēng)溫度的增加卻是大大降低了包埋率。因此二者的交互影響為一般顯著。這主要是由于物料濃度增大后，粘度增加，噴霧干燥時(shí)霧滴較大，如果溫度過(guò)低將導(dǎo)致干燥困難，溫度過(guò)高容易引起霧滴表層過(guò)快收縮引起膠囊破壞。

圖1 進(jìn)風(fēng)溫度和固形物濃度對(duì)微膠囊包埋率影響響應(yīng)面圖Fig.1 Respose surface of the inlet air temperature and solid content on the embedding rate of microcapsule

由圖2可以看出進(jìn)料流量和進(jìn)風(fēng)溫度二者交互影響顯著。主要是由于進(jìn)料過(guò)少，霧滴變小，此時(shí)干燥迅速。但如果溫度過(guò)高，容易引起膠囊干癟，導(dǎo)致芯材被擠壓出來(lái)。進(jìn)料過(guò)大，霧滴又偏大，溫度低時(shí)不宜干燥完全。因此二者需要找到合適的配合點(diǎn)才能使包埋率達(dá)到最高。

同樣的原因，在圖3中進(jìn)料流量和固形物濃度相互間也會(huì)產(chǎn)生顯著的交互影響。

根據(jù) Box－Behnken實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果，利用Design Expert軟件得到各個(gè)條件的最佳提取條件為進(jìn)風(fēng)溫度170℃，固形物濃度為16.63%，進(jìn)料流量為21mL/min，此條件下，微膠囊包埋率為90.49%。根據(jù)實(shí)際情況，選擇進(jìn)風(fēng)溫度170℃，固形物濃度為17%，進(jìn)料流量為21mL/min，此條件下，微膠囊包埋率為90.25%，與最佳條件預(yù)測(cè)值90.49%接近。

圖2 進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料流量對(duì)微膠囊包埋率影響響應(yīng)面圖Fig.2 Respose surface of the inlet air temperature and feed flow rate on the embedding rate of microcapsule

圖3 固形物濃度和進(jìn)料流量對(duì)微膠囊包埋率影響響應(yīng)面圖Fig.3 Respose surface of solid content and feed flow rate on the embedding rate of microcapsule

2.2 掃描電鏡觀察微膠囊表面結(jié)構(gòu)

在最佳工藝條件下，噴霧干燥產(chǎn)品經(jīng)掃描電鏡觀察表面結(jié)構(gòu)。圖4為放大10000倍下微膠囊的表面結(jié)構(gòu)。由圖可以看出，茶油微膠囊呈圓球形，表面光滑，無(wú)裂痕。囊壁致密完整，說(shuō)明芯材已經(jīng)被壁材包裹。同時(shí)微膠囊上有微凹陷，其原因是由于噴霧干燥過(guò)程中，霧滴迅速干燥致表面收縮產(chǎn)生的，為正?，F(xiàn)象。

圖4 茶油微膠囊電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM image of camellia seed oil microcapsule

3 結(jié)論

通過(guò)響應(yīng)面分析方法，以茶油微膠囊包埋率為主要目標(biāo)，確定了茶油微膠囊的最佳噴霧干燥條件為:進(jìn)風(fēng)溫度170℃，固形物濃度為17%，進(jìn)料流量為21mL/min，此條件下，微膠囊包埋率為90.25%。同時(shí)，采用掃描電鏡對(duì)微膠囊的形態(tài)進(jìn)行了觀察，其顆粒呈圓形，無(wú)裂縫。

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