響應(yīng)面法優(yōu)化大鯢油微膠囊制備工藝

王 寒，于華忠，羅慶華，王建文，宋英杰

(1.吉首大學(xué) 林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000；2.吉首大學(xué) 大鯢資源保護(hù)與綜合利用湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000；3.張家界金鯢生物工程股份有限公司，湖南 張家界427000)

粉末油脂

響應(yīng)面法優(yōu)化大鯢油微膠囊制備工藝

王 寒1，2，于華忠1，羅慶華1，2，王建文3，宋英杰1，2

(1.吉首大學(xué) 林產(chǎn)化工工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000；2.吉首大學(xué) 大鯢資源保護(hù)與綜合利用湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 張家界 427000；3.張家界金鯢生物工程股份有限公司，湖南 張家界427000)

為了提高大鯢油的穩(wěn)定性，采用噴霧干燥法制備大鯢油微膠囊。對(duì)壁材進(jìn)行選擇后，以包埋率為指標(biāo)，研究壁材配比、壁芯材質(zhì)量比、壁材添加量和乳化劑添加量對(duì)大鯢油微膠囊化的影響。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，利用響應(yīng)面軟件Box-Behnken設(shè)計(jì)模型確定大鯢油微膠囊化的最佳工藝條件。結(jié)果表明：大鯢油微膠囊化的最佳工藝條件為壁材配比(β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠質(zhì)量比)3.44∶1、壁芯材質(zhì)量比5.37∶1、壁材添加量6.46%、乳化劑添加量2%(以壁材質(zhì)量計(jì))。在最佳工藝條件下，大鯢油微膠囊包埋率為88.06%。

大鯢油；中國(guó)大鯢；微膠囊；響應(yīng)面法

Abstract：In order to improve the stability of giant salamander oil,giant salamander oil microcapsule was prepared by spray drying method.After selection of wall materials,with embedding rate as index,the effects of ratio of wall materials,mass ratio of wall material to core material,dosage of wall material and dosage of emulsifier on the microencapsulation of giant salamander oil were studied.Based on single factor experiment,the optimal process conditions were determined by Box-Behnken design as follows: ratio of wall materials 3.44∶1,mass ratio of wall material to core material 5.37∶1,dosage of wall material 6.46% and dosage of emulsifier 2%(based on the mass of wall material).Under these conditions,the embedding rate of giant salamander oil microcapsule was 88.06%.

Keywords：giant salamander oil;Andriasdavidianus; microcapsule; response surface methodology

中國(guó)大鯢(Andriasdavidianus)屬于兩棲綱、有尾目、隱鰓鯢科。中國(guó)大鯢是一種傳統(tǒng)的名貴藥用動(dòng)物，具滋陰補(bǔ)腎、補(bǔ)血行氣的功效，被譽(yù)為“水中人參”[1]。研究發(fā)現(xiàn)大鯢脂肪中不飽和脂肪酸(UFA)含量高達(dá)76.58%，其中多不飽和脂肪酸(PUFA)含量為31.11%[2]，PUFA能有效預(yù)防心肌梗塞、降低血脂、抗氧化、抗衰老[3-4]等。但由于大鯢油不飽和度較高，在加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏期間易發(fā)生氧化酸敗現(xiàn)象，產(chǎn)生令人不愉悅的氣滋味、縮短貨架期、降低其生理功效[5-6]。因此，延緩大鯢油氧化對(duì)其功效和食用安全極為重要。

微膠囊化不僅可以實(shí)現(xiàn)魚(yú)油均勻分散，減少環(huán)境因素對(duì)魚(yú)油的氧化作用，掩蓋魚(yú)腥味，而且能有效控制魚(yú)油的釋放，提高消化吸收率，延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期[7]。目前微膠囊化的方法主要有噴霧干燥法[8]、分子包埋法[9]、銳孔凝固浴法[10]、凝聚法[11]等。其中噴霧干燥法是將芯材分散在壁材溶液中，然后在高溫氣流中將芯壁材的混合溶液霧化，使溶液中溶解壁材的溶劑迅速蒸發(fā)，使壁材固化并最終將芯材微膠囊化[8]。為保證大鯢油的綜合利用價(jià)值，采用噴霧干燥法對(duì)大鯢油進(jìn)行微膠囊制備，并采用響應(yīng)面法進(jìn)行工藝優(yōu)化，為大鯢油產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

精制大鯢油：實(shí)驗(yàn)室自制，采用木瓜蛋白酶從大鯢尾部脂肪組織中提取[12]，大鯢尾部脂肪由張家界金鯢生物工程股份有限公司提供。

石油醚為分析純，南京化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；β-環(huán)狀糊精、阿拉伯膠、麥芽糊精、大豆分離蛋白均為食品級(jí)，河南中泰食化有限公司生產(chǎn)。

1.1.2 儀器與設(shè)備

噴霧干燥機(jī)，長(zhǎng)沙海凌生物科技有限公司；FJ200-SH高速數(shù)顯均質(zhì)機(jī)，上海標(biāo)本模型廠；HH-4 系列數(shù)顯水浴鍋，金壇市白塔新寶儀器廠；GZX-9146MBE數(shù)顯鼓風(fēng)恒溫干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 大鯢油微膠囊的制備

將壁材按比例配好，加入蒸餾水溶解后，加入芯材大鯢油和乳化劑大豆分離蛋白，經(jīng)高速分散后在8 000 r/min的轉(zhuǎn)速下均質(zhì)5 min得到乳化液，在5 mL/min 進(jìn)料速率下190.℃噴霧干燥即得到大鯢油微膠囊成品。

1.2.2 微膠囊化效果的評(píng)定[13]

采用包埋率來(lái)評(píng)價(jià)大鯢油微膠囊的效果，計(jì)算公式如下：

表面油含量：準(zhǔn)確稱(chēng)取一定質(zhì)量(m1)樣品到燒杯中，加入石油醚，攪拌2 min后過(guò)濾到質(zhì)量為m2的錐形瓶中，用石油醚洗滌燒杯和濾紙，在75.℃下烘干至恒重(m3)。進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。

總油含量：準(zhǔn)確稱(chēng)取一定質(zhì)量(m4)樣品到燒杯中，加入石油醚，超聲波破碎30 min后過(guò)濾到質(zhì)量為m5的錐形瓶中，用石油醚洗滌燒杯和濾紙，在75.℃下烘干至恒重(m6)。進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同壁材組合的影響

確定壁材總質(zhì)量為30 g，選取β-環(huán)狀糊精、阿拉伯膠、麥芽糊精、β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠(質(zhì)量比3∶1)、阿拉伯膠與麥芽糊精(質(zhì)量比1∶3)、β-環(huán)狀糊精與麥芽糊精(質(zhì)量比1∶1)6種材料為微膠囊壁材，加入蒸餾水使壁材添加量為10%，加入大鯢油使壁芯材質(zhì)量比為4∶1，乳化劑添加量為2%(以壁材質(zhì)量計(jì))[14]，均質(zhì)后噴霧干燥，不同壁材組合對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響見(jiàn)圖1。

注：1.β-環(huán)狀糊精；2.阿拉伯膠；3.麥芽糊精；4.β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠；5.β-環(huán)狀糊精與麥芽糊精；6.阿拉伯膠與麥芽糊精。

圖1不同壁材組合對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響

由圖1可以看出，包埋效果較好的壁材都是復(fù)合壁材，可能是不同的壁材組合更適合芯材的性質(zhì)，從而包埋率比較高。說(shuō)明壁材的性質(zhì)決定了微膠囊產(chǎn)品的品質(zhì)，如成膜性、溶解性、親油性等。在不同的復(fù)合壁材組合中，β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠組合的包埋率最高，為65.83%?？赡芤?yàn)棣?環(huán)狀糊精的錐形中空分子結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部親油外部親水的性質(zhì)，可以更好地將大鯢油包裹起來(lái)，阿拉伯膠良好的成膜性在噴霧干燥過(guò)程中可以有效地將大鯢油與β-環(huán)狀糊精形成的絡(luò)合物包埋起來(lái)，從而提高了包埋率。麥芽糊精溶解后的乳化液的穩(wěn)定性和成膜性較差，不適合做大鯢油微膠囊壁材。故選擇β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠復(fù)合壁材。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 壁材配比的影響

以β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠為大鯢油微膠囊的壁材，在壁材添加量10%、壁芯材質(zhì)量比4∶1、乳化劑添加量2%條件下，均質(zhì)后噴霧干燥。不同壁材配比(β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠質(zhì)量比)對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同壁材配比對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響

由圖2可以看出，隨著β-環(huán)狀糊精比例的增加，微膠囊包埋率先急劇提高而后逐漸降低，在β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠的質(zhì)量比為3∶1時(shí)，包埋率達(dá)到最高，為75.54%。當(dāng)β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠的質(zhì)量比在3∶1～4∶1之間時(shí)，包埋率下降不明顯。當(dāng)β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠的質(zhì)量比增加到4∶1以上時(shí)，微膠囊包埋率逐漸降低，可能是由于噴霧干燥過(guò)程中阿拉伯膠比例較低，不能有效地包覆大鯢油與β-環(huán)狀糊精形成的絡(luò)合物，使包埋率降低。故選擇β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠的質(zhì)量比3∶1～4∶1進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 壁材添加量的影響

以β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠(質(zhì)量比3∶1)為大鯢油微膠囊的壁材，在壁芯材質(zhì)量比4∶1、乳化劑添加量2%條件下，均質(zhì)后噴霧干燥。不同壁材添加量對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 不同壁材添加量對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響

由圖3可以看出，隨壁材添加量的增加，微膠囊包埋率也在逐漸增加，在壁材添加量為6%時(shí)達(dá)到最高，為78.36%，之后隨壁材添加量的增加，微膠囊包埋率逐漸降低。壁材添加量的增加導(dǎo)致溶液黏度增加，使芯材和壁材結(jié)合受阻。并且過(guò)高的溶液濃度也使噴霧干燥的難度增加，霧化后的液滴易聚集粘連形成較大的顆粒附著在干燥塔壁上，不利于噴霧干燥過(guò)程中微膠囊囊壁的形成[15]。故選擇壁材添加量5%～7%進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 壁芯材質(zhì)量比的影響

以β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠(質(zhì)量比3∶1)為大鯢油微膠囊的壁材，在壁材添加量6%、乳化劑添加量2%條件下，均質(zhì)后噴霧干燥。不同壁芯材質(zhì)量比對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 不同壁芯材質(zhì)量比對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響

由圖4可以看出，隨著壁芯材質(zhì)量比的不斷提高，微膠囊包埋率逐漸提高，當(dāng)壁芯材質(zhì)量比在6∶1時(shí)包埋率最高，為84.62%，壁芯材質(zhì)量比在4∶1以后微膠囊包埋率雖然還在提高，但已經(jīng)趨于穩(wěn)定。分析原因是芯材比例的降低使芯材和壁材結(jié)合的效率更高，壁材對(duì)芯材的包埋效果更好，但同時(shí)芯材比例的降低會(huì)導(dǎo)致微膠囊載藥量的減少，壁材的浪費(fèi)。微膠囊產(chǎn)品在保證包埋率的前提下都期望得到較高的含油量，當(dāng)壁芯材質(zhì)量比在4∶1之后對(duì)包埋率影響不大?？紤]到微膠囊產(chǎn)品的載藥量問(wèn)題，故選擇壁芯材質(zhì)量比4∶1～6∶1進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.2.4 乳化劑添加量的影響

以β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠(質(zhì)量比3∶1)為大鯢油微膠囊的壁材，在壁材添加量6%、壁芯材質(zhì)量比4∶1條件下，均質(zhì)后噴霧干燥。不同乳化劑添加量對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 不同乳化劑添加量對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響

由圖5可以看出，隨著乳化劑添加量的增加，微膠囊包埋率沒(méi)有明顯的增加或降低趨勢(shì)，總體水平保持在83%～85%，在乳化劑添加量為2%時(shí)包埋率最大，為84.63%。分析原因是微膠囊壁材阿拉伯膠有較好的乳化性質(zhì)，可以部分替代乳化劑的功能，當(dāng)乳化劑添加量逐漸增加時(shí)，溶液濃度的增加不利于芯材壁材的結(jié)合，也增加了噴霧干燥的難度。綜上所述，選擇2%的乳化劑添加量進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

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

為確定大鯢油微膠囊的最佳工藝條件，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取壁材配比(A)、壁芯材質(zhì)量比(B)、壁材添加量(C)為自變量，大鯢油微膠囊包埋率(Y)為響應(yīng)值，采用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立Box-Behnken數(shù)學(xué)模型，確定最佳實(shí)驗(yàn)條件。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2，回歸模型的方差分析見(jiàn)表3。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素水平

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

通過(guò)Design-Expert軟件進(jìn)行回歸分析，得到各個(gè)因素與大鯢油微膠囊包埋率之間的多元二次回歸方程：Y=87.63-0.9A+3.38B+2.43C+1.41AB-0.31AC-0.43BC-5.12A2-5.23B2-3.77C2。

由表3可以看出，實(shí)驗(yàn)中的模型顯著性檢驗(yàn)P<0.01，說(shuō)明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義?；貧w方程中描述各因素與響應(yīng)值的關(guān)系顯著(R2=0.982 0)，說(shuō)明響應(yīng)值(包埋率)的變化有98.20%來(lái)源于所選變量，且實(shí)驗(yàn)所建立的一次項(xiàng)B、C，二次項(xiàng)A2、B2、C2與模型差異極顯著(P<0.01)，失擬項(xiàng)P>0.05，說(shuō)明建立的方程對(duì)實(shí)驗(yàn)的擬合度較好，該模型可以預(yù)測(cè)大鯢油微膠囊包埋的條件。

表3 回歸模型的方差分析

從回歸方程各因素的系數(shù)估計(jì)值A(chǔ)為-0.9、B為3.38和C為2.43，可知A對(duì)包埋率有負(fù)影響，B和C對(duì)包埋率有正影響，各因素對(duì)大鯢油微膠囊包埋率影響的主次順序?yàn)椋築>C>A，即壁芯材質(zhì)量比>壁材添加量>壁材配比，其中B和C對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響極顯著。

2.3.2 因素的交互作用對(duì)包埋率的影響

對(duì)大鯢油微膠囊包埋率有影響的3個(gè)因素(壁材配比A、壁芯材質(zhì)量比B和壁材添加量C)的交互作用進(jìn)行分析，分別得到各因素交互作用關(guān)系的響應(yīng)面圖和等高線(xiàn)圖，見(jiàn)圖6、圖7、圖8。

由圖6可以看出，A和B的改變都會(huì)使微膠囊包埋率呈現(xiàn)平緩的坡形變化，說(shuō)明兩者都對(duì)微膠囊的包埋率有一定的影響。當(dāng)A或B確定時(shí)，A的坡度明顯平緩于B的坡度，短軸在A的等高線(xiàn)上，說(shuō)明B對(duì)大鯢油包埋率的影響大于A。相比于圖7、圖8，圖6的等高線(xiàn)分布更趨向于橢圓，說(shuō)明A、B之間的相互作用對(duì)包埋率的影響顯著。

由圖7可以看出，A和C的改變同樣會(huì)使微膠囊包埋率呈現(xiàn)較平緩的坡度，說(shuō)明A和C都對(duì)包埋率有影響。當(dāng)A或C確定時(shí)，A的坡度更為平緩，說(shuō)明C對(duì)大鯢油包埋率的影響大于A。當(dāng)A和C在較低水平時(shí)，坡度趨勢(shì)明顯，在坡頂時(shí)坡度較為平緩，等高線(xiàn)在較低水平時(shí)的排列相比較高水平更為密集，相比于圖6、圖8，等高線(xiàn)更趨近于圓形，坡度最為平緩，說(shuō)明A、C之間的相互作用對(duì)包埋率的影響最小。

由圖8可以看出，B和C構(gòu)成的響應(yīng)面圖坡度平緩，當(dāng)C不變，隨著B(niǎo)水平的提高，包埋率緩慢提高，在5.0∶1～5.5∶1范圍內(nèi)達(dá)到最高點(diǎn)，隨后緩慢下降；當(dāng)B確定時(shí)，隨著C水平的提高，包埋率提高速率相對(duì)較快，在6.0%～6.5%范圍內(nèi)達(dá)到最高點(diǎn)，隨后緩慢下降，說(shuō)明B對(duì)大鯢油包埋率的影響大于C。

圖6Y=(A，B)的響應(yīng)面圖與等高線(xiàn)圖

綜上所述，3個(gè)因素之間的相互作用對(duì)微膠囊包埋率的影響主次順序?yàn)椋篈B>BC>AC。

2.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

由Design-Expert軟件得到最佳工藝參數(shù)為壁材配比3.44∶1、壁芯材質(zhì)量比5.37∶1、壁材添加量6.46%，在此工藝條件下微膠囊理論包埋率為 88.40%。嚴(yán)格按照預(yù)測(cè)最佳工藝條件進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，得到大鯢油微膠囊平均包埋率為88.06%，預(yù)測(cè)精度平均為99.62%，說(shuō)明了模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 結(jié) 論

以β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠為壁材，以大鯢油為芯材，經(jīng)噴霧干燥制備大鯢油微膠囊。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以微膠囊包埋率為響應(yīng)值，以壁材配比、壁芯材質(zhì)量比和壁材添加量3個(gè)因素為響應(yīng)因子建立二次回歸模型方程，3個(gè)因素對(duì)大鯢油微膠囊包埋率的影響順序?yàn)楸谛静馁|(zhì)量比>壁材添加量>壁材配比。采用響應(yīng)面法對(duì)微膠囊工藝進(jìn)一步優(yōu)化，獲得最佳工藝參數(shù)為壁材配比(β-環(huán)狀糊精與阿拉伯膠質(zhì)量比)3.44∶1、壁芯材質(zhì)量比5.37∶1、壁材添加量6.46%、乳化劑添加2%(以壁材質(zhì)量計(jì))，在此條件下大鯢油微膠囊包埋率達(dá)到88.06%。通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化微膠囊化工藝，有效提高了大鯢油微膠囊包埋率，實(shí)現(xiàn)噴霧干燥制備大鯢油微膠囊，為大鯢油產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。鑒于大鯢油價(jià)格較高，有待于優(yōu)化其他工藝參數(shù)，進(jìn)一步提高包埋率。

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Optimizationofpreparationprocessofgiantsalamanderoilmicrocapsulebyresponsesurfacemethodology

WANG Han1，2,YU Huazhong1,LUO Qinghua1，2,WANG Jianwen3,SONG Yingjie1，2

(1.Key Laboratory of Hunan Forest Products and Chemical Industry Engineering,Jishou University,Zhangjiajie 427000,Hunan,China; 2.Hunan Engineering Laboratory for Chinese Giant Salamander’s Resource Protection and Comprehensive Utilization,Jishou University,Zhangjiajie 427000,Hunan,China; 3.Zhangjiajie Jinni Biotechnology Co.,Ltd.,Zhangjiajie 427000,Hunan,China)

TS251.9;TS225.24

A

1003-7969(2017)09-0106-06

2017-01-24；

2017-06-16

大鯢資源保護(hù)與綜合利用工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目(DNGC1601)；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2017B711)

王 寒(1990)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯质称烽_(kāi)發(fā)與利用(E-mail)863196980@qq.com。

羅慶華，教授(E-mail)lqh700930@126.com。