复合壁材对苯甲酸钠的微胶囊化研究

章斌，侯小桢，许淼鑫，姚冰琪，郭仕仪，赖宣

（1.韩山师范学院生物系，广东潮州521041；2.广东济公保健食品有限公司，广东潮安515638）

复合壁材对苯甲酸钠的微胶囊化研究

章斌1，侯小桢1，许淼鑫1，姚冰琪1，郭仕仪1，赖宣2

（1.韩山师范学院生物系，广东潮州521041；2.广东济公保健食品有限公司，广东潮安515638）

以β-环糊精和阿拉伯胶为复合壁材，以包埋率为指标，采用Box-Behnken中心组合设计试验对超声法制备苯甲酸钠微胶囊的工艺条件进行优化。试验结果表明：超声法制备苯甲酸钠包合物的最佳工艺条件为β-CD∶阿拉伯胶质量比1∶2.72、超声波功率144 W，包埋温度56.8℃，芯/壁材质量比1∶3.53；回归方程预测的理论包埋率可达62.70%。

苯甲酸钠；复合壁材；超声波；微胶囊；响应面

苯甲酸钠（Sodium benzoate）是一种对酵母菌、霉菌和部分细菌的生长与繁殖均有较好抑制效果的酸性防腐剂，在果酱、碳酸饮料、果汁饮料、肉制品等食品加工中常添加使用。同时，也有大量研究表明，食品加工中过量使用苯甲酸钠易引起急性荨麻疹、血管性水肿、再生障碍性贫血，甚至致癌等人体健康损伤[1-3]。因此，考虑减少苯甲酸钠在食品加工中的使用量或降低其可能引起的毒性作用，已成为研究人员普遍关注的问题。

微胶囊技术具有改变物态、预先设计、控制释放、掩蔽不良气味、降低或避免食品添加剂之间的相互作用等优点[4]，在食品添加剂行业有着广泛的使用。壁材的组分与特性对微胶囊包埋效果及产品性能有着重要影响，因而选择合适的壁材是成功制备微胶囊产品的关键因素之一。阿拉伯胶、果胶、卡拉胶、黄原胶、β-环糊精、麦芽糊精等亲水胶体是常用的微胶囊壁材；但它们单独使用时常常存在不足之处，因而多与其他类型的壁材进行复配使用[5-6]。因此，本试验以β-环糊精和阿拉伯胶为复合壁材，采用超声法制备苯甲酸钠包合物并对其包埋工艺参数进行优化，以期为苯甲酸钠等防腐剂的微胶囊化提供一定试验参考。

1 材料和方法

1.1 材料与设备

β-环糊精：购自孟州市华兴生物化工有限公司；阿拉伯胶：河南豫中生物科技有限公司。苯甲酸钠：天津东大化工有限公司；氢氧化钠：西陇化工有限公司，分析纯。

UFJ-7200型紫外分光光度计：上海尤尼科仪器有限公司；AUW120型电子天平：上海精密科学仪器有限公司；DHG-9123A型电热恒温干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；LC-158BP型冷藏柜：海尔公司；KQ-5200DB型超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 苯甲酸钠标准曲线的制作[7-8]

吸取1 mg/mL苯甲酸钠标准溶液0、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 mL于100 mL容量瓶中，分别加入1 mL 40g/L的NaOH液，摇匀并用蒸馏水定容；然后于224nm波长处测定吸光度。以吸光度（A）为纵坐标，浓度C（mg/mL）为横坐标，绘制标准曲线。1.2.2苯甲酸钠包合物的制备[9]

取100 mL的热水于烧杯中，加入一定量β-CD和阿拉伯胶，充分搅拌；再加入1.00 g苯甲酸钠，待完全溶解后转移至超声设备中，在不同功率和不同温度条件下超声包埋不同时间，然后于4℃下冷藏48 h，抽滤得白色结晶粉末，干燥粉碎即得微胶囊产品。

1.2.3 包埋率计算

将1.2.2制备好的微胶囊产品用蒸馏水溶解并定容至100 mL，在224 nm处测吸光度，依据标曲公式计算微胶囊产品中的苯甲酸钠含量，再按如下公式计算包埋率[10]：

2 结果与分析

2.1 苯甲酸钠标准曲线的制作

苯甲酸钠标准曲线的制作见图1。

图1 苯甲酸钠标准曲线Fig.1 Standard curve of sodium benzoate

2.2 单因素试验

2.2.1 壁材配比对包埋率的影响

β-CD∶阿拉伯胶的质量比分别为4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，芯材/复合壁材质量比1∶5，包埋温度30℃，在120 W功率下超声包埋30 min，测定微胶囊产品包埋率，结果见图2。

图2 壁材配比对包埋率的影响Fig.2 Influence of wall material ratio on embedding rate

阿拉伯胶具有黏度低、乳化性、稳定性和成膜性良好的特性，在微胶囊化过程中，在一定使用量范围内，其在复合壁材中含量的增加有利于增加壁材的包裹能力，从而可使微胶囊化效率升高。从图2可看出，随β-CD∶阿拉伯胶质量比的增大，苯甲酸钠包埋率也随之增大，在1∶3时达到最大，同时微胶囊产品质量在各壁材比例下的差别不大。因此，本实验选择1∶3为最佳的壁材配比。

2.2.2 超声功率对微胶囊包埋率的影响

β-CD∶阿拉伯胶质量比1∶3，芯材/复合壁材质量比1∶5，包埋温度30℃，分别在80、100、120、140、160、180、200 W功率下超声包埋30 min，测定微胶囊产品包埋率，结果见图3。

图3 包埋功率对包埋率的影响Fig.3 Influence of power on embedding rate

从图3可看出，超声功率的增大使声波产生的空化效应和热效应渐强，苯甲酸钠分子运动扩散速度加快，进入壁材空腔的量也随之增多，包埋率也相应升高，在140 W时达至最大77.4%；继续增大功率，高功率所产生的机械效应在一定程度上对已包埋的微胶囊产品有所破坏，导致包埋率反而降低。

2.2.3 超声波包埋时间对微胶囊包埋率的影响

β-CD∶阿拉伯胶质量比1∶3，芯材/复合壁材质量比1∶5，包埋温度30℃，在140 W功率件下分别超声包埋10、20、30、40、50、60 min，测定微胶囊产品包埋率，结果见图4。

图4 包埋时间对包埋率的影响Fig.4 Influence of time on embedding rate

包埋时间的延长一方面可使芯材与壁材更充分地接触，使包埋率增大；同时，超声处理时间的增加使声波热效应增强，β-CD和阿拉伯胶在水溶液中的溶解度增大，被包埋的苯甲酸钠量亦随之增多，包埋率相应增大。另一方面，由于包埋反应是放热反应，随超声处理时间的增加，声波热效应引起溶液温度的升高，在一定程度上促使包埋反应向反方向进行[11]。从图4可看出，包埋率在20 min时达到最大，此时通过结晶获得的微胶囊产品质量也最多。因此选择20 min为最优超声包埋时间。

2.2.4 超声包埋温度对微胶囊包埋率的影响

β-CD∶阿拉伯胶质量比1∶3，芯材/复合壁材质量比1∶5，功率140 W，分别在20、30、40、50、60℃下超声包埋20 min，测定微胶囊产品包埋率，结果见图5。

图5 包埋温度对包埋率的影响Fig.5 Influence of temperature on embedding rate

从图5可看出，在不同的超声包埋温度下，包埋率始终在39.6%至40.6%之间波动，变化不大；而不同包埋温度下所制得的微胶囊产品质量却有较大差异。其次，温度对β-CD溶解度的影响较大：溶液温度过低时，β-CD的溶解度明显降低，不利于微胶囊的形成；若温度过高，β-CD和阿拉伯胶不能复合形成坚固的囊壁，也不利于微胶囊的形成。因此，综合二者考虑，包埋温度以50℃为宜。

2.2.5 芯材与复合壁材的质量比对微胶囊包埋率的影响

β-CD∶阿拉伯胶质量比1∶3，包埋温度50℃，功率140 W，在m芯材：m复合壁材分别为1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10条件下超声包埋20 min，结果见图6。

图6 芯/壁材质量比对包埋率的影响Fig.6 Effect of core/wall ratio on embedding rate

随芯材/壁材质量比的增大，苯甲酸钠微胶囊的形成机率逐渐增加，包埋率在m芯材∶m壁材为1∶4时达到最大值；继续增大复合壁材用量，壁材之间碰撞的机会增加，一定程度上减少了壁材与芯材之间的接触，包埋率反而有所降低，因此选择1∶4（g/g）为最佳芯/壁材质量比。

2.3 响应面优化试验

为优化超声法制备苯甲酸钠微胶囊的工艺条件，选取壁材配比、超声波功率、包埋温度、芯/壁材质量比4因素开展Box-Behnken中心组合设计试验；因子编码值和试验结果分别见表1和表2。

表1 Box-Behnken中心组合因素水平编码表Table 1Factors and levels of Box-Behnken central component experiments design

表2 Box-Behnken中心组合设计实验结果Table 2Results of Box-Behnken experiments

2.3.1 回归模型的建立及可靠性检验

运用SAS RSREG程序对表2的27个响应值进行回归拟合，得二次多项回归模型方程：Y＝61.55-1.13X1-0.05X2+3.49X3+0.84X4-6.96X12-4.43X1X2-6.06X1X3-5.03X1X4-3.42X22-3.72X2X3-6.00X2X4-6.57X32-9.82X3X4-6.12X42。同时，对上述回归模型进行方差分析，结果如表3所示。

表3 回归模型方差分析结果Table 3Analysis of variance for regression model

续表3 回归模型方差分析结果Continue table 3Analysis of variance for regression model

表3结果显示：方程复相关系数平方R2为0.9515，说明95.15%的变化能通过该模型解释；同时，失拟项在0.05水平上显著（P=0.027 2＜0.05），说明可用建立的模型对超声法包埋苯甲酸钠的包埋率进行分析和预测。此外，一次项X3，交互项X1X2、X1X3、X1X4、X2X4、X3X4，二次项X12、X22、X32、X42对包埋率影响极显著（P＜0.01）；交互项X2X3对包埋率影响较显著（P＜0.05）。

同时，在选取的各因素范围内，对回归模型分析可得超声法制备苯甲酸钠微胶囊的包埋率最佳工艺条件为：β-CD∶阿拉伯胶质量比1∶2.72、超声波功率144.3 W，包埋温度56.8℃，芯/壁材质量比1∶3.53；回归方程预测的理论包埋率可达62.70%。

2.3.2 响应面分析

以包埋率为响应指标值，对壁材配比、超声波功率、包埋温度和芯/壁材质量比4个因素进行响应面分析，响应面等高线图如图7所示。

图7 各因素交互作用等高线图Fig.7 Response surface for the pairwise interactive effects of four variables on embedding rate

图7中的各等高线图直观地反映了各因素间的交互作用情况，等高线图越扁平，表示因素之间的相互影响越大[12]。从图中可看出：包埋温度对苯甲酸钠微胶囊化的影响最为显著，表现为曲线相对较陡；而壁材配比、超声波功率和芯/壁材质量比的等高曲线较为平滑，随其数值的增加或减少，响应值变化较小，对包埋率影响不显著。

3 结论

1）建立了一个以包埋率为目标值的二次多项回归模型：Y=61.55-1.13X1-0.05X2+3.49X3+0.84X4-6.96X12-4.43X1X2-6.06X1X3-5.03X1X4-3.42X22-3.72X2X3-6.00X2X4-6.57X32-9.82X3X4-6.12X42，方差分析结果表明拟合检验显著；决定系数R2Adj达0.895 0，说明该模型能较好地预测超声法制备苯甲酸钠微胶囊的变化规律。

2）因素交互效应分析结果表明：X1（壁材配比）与X2（超声功率）、X1（壁材配比）与X3（包埋温度）、X1（壁材配比）与X4（芯/壁材质量比）、X2（超声功率）与X4（芯/壁材质量比）、X3（包埋温度）与X4（芯/壁材质量比）两两间的交互作用显著地影响超声法制备苯甲酸钠微胶囊的包埋效果。

3）可用于制备微胶囊的壁材有海藻酸盐、明胶、淀粉、黄原胶、壳聚糖、卡拉胶等多种[13-14]，本实验仅初步探讨了β-环糊精和阿拉伯胶作为复合壁材对苯甲酸钠的包埋效果；为更好地筛选超声法制备苯甲酸钠微胶囊的适宜壁材，需在今后的研究工作中做进一步探讨。

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Research on Microencapsulation of Sodium Benzoate with Composite Wall Material

ZHANG Bin1，HOU Xiao-zhen1，XU Miao-xin1，YAO Bing-qi1，GUO Shi-yi1，LAI Xuan2
（1.Department of Biology，Hanshan Normal College，Chaozhou 521041，Guangdong，China；2.Guangdong Ji Gong Health Food Co.，LTD.，Chao'an 515638，Guangdong，China）

Taking β-cyclodextrin and Arabic gum as compound wall material and embedding rate of sodium benzoate as main index，the Box-Behnken response surface methodology for optimization of sodium benzoate microcapsules by ultrasound method was conducted.Results showed that optimum process conditions of preparation of sodium benzoate clathrate by ultrasonic was mβ-CD∶mgumArabic1∶2.72，ultrasonic embedding power 144 W，embedding temperature 56.8℃，core/wall material ratio 1∶3.53，the theoretical embedding rate predicted by regression equation can reach 62.70%under this condition.

sodium benzoate；composite wall；ultrasonic；microencapsulation；response surface

2013-12-15

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.02.001

国家星火计划项目（2011GA780023）；国家大学生创新创业训练项目（200310578016）；广东省大学生创新创业训练项目（1057813026）；韩山师范学院2012年大学生创新性实验计划项目（2012039）

章斌（1981—），男（汉），讲师，硕士，从事食品加工与质量安全方面的教学与研究。