响应面法优化薄荷香精微胶囊制备工艺的研究

陈科兵，杨 君，赵 生，朱丽云，马 林，*

(1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州450002; 2.浙江中烟工业有限责任公司，浙江杭州310012; 3.中国计量学院生命科学学院，浙江杭州310018)

响应面法优化薄荷香精微胶囊制备工艺的研究

陈科兵1，杨 君2，赵 生2，朱丽云3，马 林1，*

(1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南郑州450002; 2.浙江中烟工业有限责任公司，浙江杭州310012; 3.中国计量学院生命科学学院，浙江杭州310018)

以壳聚糖、海藻酸钠作为壁材，用复凝聚相法对薄荷香精进行包埋，通过海藻酸钠的单因素实验确定壳聚糖和海藻酸钠比例为1∶1，运用响应面分析法优化影响微胶囊包埋的主要因素:壁材浓度、芯材/壁材比、pH和搅拌速度，采用多元二次回归方程拟合上述四个因素与包埋率的函数关系，确定了复凝聚相法制备微胶囊的最佳条件为芯材/壁材比1∶1.5，搅拌速度2500r/min，壁材浓度0.5%和pH4.4，在此条件下包埋率为82.4%。

微胶囊，薄荷香精，响应面分析

表2 不同海藻酸钠浓度与0.5%壳聚糖的微胶囊

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

薄荷香精 杭州杭曼香精有限公司购买;薄荷醇 百灵威化学技术有限公司;壳聚糖，海藻酸钠，10%醋酸，吐温-80。

JB-2型恒温磁力搅拌器，YS100光学显微镜，摄影生物显微镜OLYMPUS BHT-312，日本岛津14C气相色谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 复凝聚相法工艺流程 把薄荷香精加入一定浓度的壳聚糖稀酸溶液中，加适量吐温-80乳化，搅拌均匀。调节体系温度为41℃左右，加入适量海藻酸钠溶液，并降低转速继续搅拌，得微胶囊水溶液，用微量甲醛进行交联固化。

1.2.2 壁材壳聚糖/海藻酸钠比例的选择 按照1.2.1工艺，分别以0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%海藻酸钠和0.5%壳聚糖进行单因素实验，通过显微镜观察微胶囊成囊情况，以显微镜视眼中微胶囊个数最多、粗测包埋率最高的壁材壳聚糖/海藻酸钠比例作为复凝聚相法制备微胶囊的最佳比例。

1.2.3 中心组合实验设计 在单因素实验的基础上，对复凝聚相法制备薄荷香精微胶囊工艺进行优化。根据Box-Behnken的中心组合设计原理，以壁材浓度、搅拌速度、pH和芯材/壁材比四个因素为自变量，以薄荷香精微胶囊的包埋率为响应值，设计了优化复凝聚相法制备微胶囊工艺的四因素三水平实验，其因素水平见表1。

表1 RSA实验因素水平表

1.2.4 包埋率的测定和计算 薄荷香精微胶囊乳液用0.25μm滤膜抽滤，滤液为未包埋香精，用阿贝折射仪测定未包埋薄荷香精的折射率，以薄荷香精浓度与折射率的标准曲线回归方程换算未包埋香精含量，用以下公式计算香精包埋率:

2 结果与分析

2.1 壁材壳聚糖/海藻酸钠比例的选择

海藻酸和海藻酸盐是由单糖醛酸聚合的多糖，单糖主要有两类型，即β-(1→4)D-甘露醛酸(M)与α-(1→4)L-古罗糖醛酸(G)，相对分子质量32000～250000。壳聚糖的化学名称是聚-2-氨基-2-脱氧-p-D葡萄糖，分子式为(C6H11O4N)n，壳聚糖溶于酸后，分子中胺基可与质子相结合，而使自身带正电荷。因为其分子结构中胺基活性基团的存在，可与海藻酸盐的羧基结合，形成复凝聚而成为微胶囊。根据理论分析，壳聚糖聚阳离子(单体分子量为161)与海藻酸聚阴离子(单体分子量为198)配比为161∶198时，壳聚糖的氨基和海藻酸的羧基成完全反应的比例，可以形成最佳复凝聚微胶囊。实验中设计不同浓度的海藻酸钠与0.5%壳聚糖进行微胶囊包埋，结果如表2。

从表2可知，在一定范围内随着海藻酸钠浓度的增加，包埋率增加较快，由于海藻酸钠和壳聚糖分子间发生的聚合反应，在海藻酸钠浓度为0.5%出现絮状胶块，随着浓度增加絮状胶块增加，包埋率亦随之增加，但趋于平缓。根据结果两者浓度在整个体系中不超过0.5%时可以得到分散、无粘丝的微胶囊，两者比例趋于1∶1时包埋率较高，实验结果与理论推断接近。

2.2 中心组合实验优化微胶囊工艺结果分析

2.2.1 RSA实验方案与结果 实验中采用温度为40℃，以薄荷香精微胶囊的包埋率为响应值，设计了四因素三水平的响应面分析实验，实验结果见表3。

2.2.2 响应面分析 根据响应面分析实验，得到壳聚糖/海藻酸钠为壁材制备薄荷香精的最佳工艺参数为:壁材浓度0.5%，搅拌速度2500r/min，pH4.4和芯材/壁材比1∶1.5，在此条件下包埋率为82.4%。运用minitab软件对响应值进行回归分析，经回归拟合后得到回归方程为:

y=80.3+1.0583A+1.3667B+0.9667C+4.675D -1.375A2-3.9125B2-2.3125C2-2.775D2-0.175AB-0.25AC+0.25AD+1.225BC-0.6BD-1.025CD，回归方程的方差分析见表4。

表3 RSA实验方案与结果

表4 回归方程的方差分析

从表4可以看出，方程的F值为18.84，查F分布的临界表，得F＞F0.01(14，12)=3.80，说明上述回归方程描述各因子与响应值之间的关系时，其应变量与全体自变量之间的线性关系是显著的，复相关系数的平方R2=95.65%，说明这种实验方法是可靠的。

根据回归方程，作出响应面立体图，见图1，RSA方法的图形是特定的响应值Y和对应的因素A、B、C、D构成的一个三维空间图，可以直观地反映各因素对响应值的影响，根据响应面优化图可以得出各因素在微胶囊复凝聚工艺中的相互作用，确认合适的工艺条件，由图1可以看出，因素D(芯材/壁材比)对微胶囊包埋率的影响最为显著，表现为曲线较陡，所以芯材/壁材比在实验过程中要严格控制，实验中随着芯材囊材比例增加，即芯材含量增加或囊材含量降低，在相同的乳化时间和搅拌速度下，芯材分散于连续相中的颗粒直径增大，导致微胶囊直径变大，壁材分散于溶液中的含量降低，造成包埋率的下降。其次搅拌速度影响较大，搅拌速度的影响主要在于微胶囊直径。随着搅拌速度的增加，微胶囊的直径减小，因为速度增加，芯材油滴直径变小，微胶囊直径变小。最后是壁材浓度和pH，这两者对微胶囊包埋率的影响在曲线上表现为较平滑。

图1 芯材/壁材比、搅拌速度、壁材浓度和pH两两交互的响应面曲线图

3 讨论

3.1 薄荷香精经微胶囊后其释放的问题尤为重要，选用壳聚糖、海藻酸钠作为囊材进行微胶囊化后，囊壁的厚薄和微胶囊直径的大小不同会影响囊心扩散速率，另外微胶囊的孔隙率以及外界因素等也将对薄荷香精的释放产生影响，还有待于进一步研究。

3.2 Minitab是一种有效的统计技术，它是利用实验数据，通过建立数学模型来解决受多因素影响的最优组合问题。有效控制了实验干扰，对实验进行全面的优化分析，大大提高了实验方案的合理性、数据处理的可靠性及实验结果的直观性。总之，Minitab、SAS、ED等软件在实验设计中将起到越来越重要的作用，在食品工业中的应用会更加广泛。

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Optimization of preparation technology of mint flavor microencapsulate with RSM

CHEN Ke-bing1，YANG Jun2，ZHAO Sheng2，ZHU Li-yun3，MA Lin1，*
(1.College of Food and Biological Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China; 2.China Tobacco Zhejiang Industrial Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China; 3.College of Life Sciences，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

The preparation technology of mint flavor microencapsulate was studied in this paper，with double plase separation-coacevation used by chitosan-alginate.The ratio of 1∶1 of chitosan to alginate was obtained by alginate’s single factor experiment.By response surface method，the main microcapsule factors were optimized，including wall-material concentration，the ratio of core-material to wall-material，pH and shaked rate.Using multiquadratic regression equation to fit the functional relationships between four above factors and the embedding rate，the optimal microencapsulation conditions by double plase separation-coacevation were determined as following，the ratio of core-material to wall-material 1∶1.5，shaked rate 2500r/min，wall-material concentration 0.5% and pH 4.4，the embedding rate was 82.4%.

microcapsule;mint flavor;response surface methodology

TS201.1

B

1002-0306(2011)03-0324-04

薄荷香精含薄荷醇75%～85%，薄荷酮5%～15%、乙酸薄荷酯、萜烯等成分。薄荷香精因具有清凉活性而广泛应用于食品和饮料行业［1-3］。鉴于薄荷香精极易升华或挥发，不仅在生产过程中产生了强烈的刺激，而且影响了产品的寿命。只有有效地保护薄荷香精的稳定性，才能制得品质较好的薄荷食品。微胶囊技术是一种用成膜材料把固体或液体包覆使形成微小粒子的技术，广泛应用于食品工业中，其优势在于缓释、使囊心免受外界因素影响。制备微胶囊的方法有很多，国内外现有报道的方法有复凝聚相法、喷雾干燥法和分子包结法等，包囊材料有β-环糊精、明胶、阿拉伯胶、麦芽糊精等多种。壳聚糖(Chitosan)是一种天然阳离子多糖，可降解、具有良好的成膜性和生物相容性及一定的抗菌和抗肿瘤等优异性能，原料易得，价格便宜。近两年国内陆续有单位开展以壳聚糖作为食品微胶囊化的囊壁材料方面的研究，但普遍存在包埋率不高的问题，结果不是十分理想［4-7］，而海藻酸钠是一种从天然褐藻中提取的聚阴离子多糖的钠盐，可以与聚阳离子(如壳聚糖)通过静电相互作用，在微胶囊表面复合一层聚电解质半透膜。利用壳聚糖-海藻酸钠制备头孢曲松、中药提取物微粒等在医药应用中有报道［8-9］，但在食品中作为两者同时作为壁材尚未见报道。本文用壳聚糖、海藻酸钠作为囊壁材料，采用复凝聚相法对薄荷香精进行微胶囊化，系统地探讨了壳聚糖浓度、海藻酸钠浓度、芯壁比、pH、搅拌速度等因素对微胶囊化效果的影响，确定了最佳工艺条件，制得了包埋率高、产品质量好的薄荷香精微胶囊。

2009-09-27 *通讯联系人

陈科兵(1978-)，男，工程师，主要从事卷烟香料研究。