响应面法优化牡丹籽油微胶囊的制备工艺

李成忠 孙 燕 周 霞 郭 丹 张春晓 张焕新(江苏农牧科技职业学院，泰州 225300)

响应面法优化牡丹籽油微胶囊的制备工艺

李成忠 孙 燕 周 霞 郭 丹 张春晓 张焕新
(江苏农牧科技职业学院，泰州 225300)

以麦芽糊精和阿拉伯胶混合物为壁材，牡丹籽油为芯材，采用响应面法研究牡丹籽油微胶囊喷雾干燥制备工艺。通过单因素实验和响应面实验确定牡丹籽油微胶囊最佳制备工艺条件为：壁材配比3.28:1、芯材与壁材比1:6、均质压力42.09 MPa、进风温度213.82 ℃、进料速度8.89 mL/min。在此条件下，制备的微胶囊包埋率可达在90.93%；且微胶囊产品气味纯正，颗粒表面平整光滑，细小均匀，具有良好的流散性，牡丹籽油含量为13.52%，包埋效果好。

牡丹籽油 微胶囊 喷雾干燥 响应面法

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)为芍药科芍药属落叶灌木，原产于我国秦岭与大巴山一带山区，现各地有栽培，具有极高的观赏价值和药用价值[1]。牡丹籽为牡丹的成熟种子，是生产中药丹皮的副产品。牡丹籽富含人体必须的氨基酸、矿物质、维生素、多糖和脂肪酸等营养成分，油脂质量分数25%～30%，其中不饱和脂肪酸质量分数高达92%以上，必需脂肪酸中亚油酸和亚麻酸的质量分数分别在25.00%和40.00%左右[2-4]。研究表明，亚油酸具有抗氧化、调节血压、抑制胆固醇合成、预防糖尿病的作用；γ-亚麻酸有降低血脂和血压等保健功能，减少心脑血管发病率的功效比一般防治药物高出5倍[5-6]，极具开发价值。通过毒理学安全性评价，国家卫生部的2011年批准牡丹籽油作为新资源食品[7]。微胶囊技术是指利用天然的或者合成的高分子包囊材料，将固体、液体或气体物质包埋在微小、半透性或密封的胶囊内，使内容物在特定条件下以可控的速率进行释放的技术。通过微胶囊技术可以达到隔离活性成分、保护芯材免受环境影响、掩盖不良味道或气味、控制释放等目的[8]。牡丹籽油富含亚油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸，暴露在空气中，受环境因素的影响，极易发生氧化酸败[9]，不仅破坏了牡丹籽油中原有的营养物质及风味物质，降低了油脂的食用价值，而且严重影响了油脂的质量。

本研究以麦芽糊精和阿拉伯胶为壁材，牡丹籽油为芯材，采用喷雾干燥技术制备牡丹籽油微胶囊固态粉末产品，可以有效防止由氧气、光照、酸碱等外界因素对牡丹籽油在储运过程造成不良影响，提高其稳定性能[10-11]；同时，牡丹籽油微胶囊还可以作为营养强化剂添加在其他产品中，提高和改善产品营养和保健功能，为牡丹籽油的综合开发与利用拓宽途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

牡丹籽油：自制；阿拉伯胶、麦芽糊精(食品级)：西王药业有限公司；无水乙醚、无水乙醇均为分析纯：上海国药试剂有限公司；实验所用水均为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

BSA124S分析天平：赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；B-290型小型喷雾干燥机：瑞士Buchi有限公司；GYB30-6S高压均质机：上海东华均质机厂；101-2A电热恒温鼓风干燥箱：上海沪粤明科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 牡丹籽油微胶囊制备工艺：

阿拉伯胶+麦芽糊精→溶解→调配→牡丹籽油，初乳化→高压均质→喷雾干燥→牡丹籽油微胶囊，置干燥器内保存备用。

1.3.2 牡丹籽油包埋率的测定

1.3.2.1 微胶囊表面油含量的测定

采用Jafari等[12]的方法。准确称取2.0 g(准确至0.000 1 g)牡丹籽油微胶囊产品置于离心管中，加入20.0 mL石油醚，振荡1 min，离心5 min(3 000 r/min)，重复2次，合并上清液，将浓缩液置于已称量的干燥表面皿中，在恒温干燥箱中蒸干至恒重，用减重法得出计算微胶囊表面油含量。

1.3.2.2 微胶囊总油含量的测定

准确称取2.0 g(准确至0.000 1 g)牡丹籽油微胶囊产品置于干燥的小烧杯中，加入20.0 mL热水，经搅拌溶解后，依次加入10.0 mL石油醚、10.0 mL无水乙醚、10.0 mL无水乙醇进行萃取，重复2次，合并萃取液，将浓缩液置于已称量的干燥表面皿中，在恒温干燥箱中蒸干至恒重，用减重法计算微胶囊总油含量。

1.3.2.3 微胶囊包埋率计算

1.3.3 微胶囊质量评定

对喷雾干燥后得到的微胶囊进行气味、色泽、组织状态评定[13]；水分含量、密度、粒度指标等，按照中国药典2010年版二部方法测定[14]。

1.4 实验设计

1.4.1 单因素实验设计

单因素实验主要研究壁材配比、芯材与壁材配比、均质压力、进口风温度、进料速度、对牡丹籽油微胶囊产品包埋率的影响。基本条件设定为：壁材配比(麦芽糊精:阿拉伯胶)为3:1，芯材与壁材配比1:6，均质压力40.0 MPa，进口风温度200.0 ℃，进料速度8 mL/min。改变其中一个因素，其他因素保持不变，分别考察各因素对牡丹籽油的影响，每组处理重复3次。

1.4.2 响应面正交实验设计

通过单因素实验，选择适宜的因素和水平按照Box-Behnken实验设计进行中心组实验，以牡丹籽油微胶囊产品的包埋率为响应值，考察壁材配比、均质压力、进口风温度、进料速度4个因素对产品包埋率的影响，优化喷雾干燥制备工艺。实验中各因素与水平见表1。

表1 响应面实验设计因素水平表

2 结果与分析

2.1 牡丹籽油微胶囊化单因素分析

微胶囊化过程中，壁材的选择是影响微胶囊产品包埋率的重要因素。理想壁材当应当具备较高的水溶性，较低的黏度，优质的干燥成膜性等特点。阿拉伯胶无味、无色、无臭、水溶性好且黏度极低，具有良好的乳化性[8]。麦芽糊精和阿拉伯胶的配比的不同会导致壁材溶液乳化能力及黏度有较大差异，不仅影响微胶囊产品包埋率，而且会影响微胶囊产品的最终品质。

图1 各因素对微胶囊包埋率的影响

由图1可知，牡丹籽油微胶囊包埋率随着壁材比的改变而发生变化，当壁材配比为3:1时，包埋率达到最大值90.6%。因此，确定麦芽糊精和阿拉伯胶最佳配比为3:1。结果与阎师杰等[15]在研究核桃油微胶囊化过程所报道结果基本一致。芯材与壁材配比对微胶囊包埋率产生显著影响。随着芯材与壁材比例的增大，即阿拉伯胶和麦芽糊精添加量增大，微胶囊牡丹籽油包埋率快速提高，当1:6时，包埋率达到最高值87.21%；进一步增大芯材与壁材配比，牡丹籽油包埋率变化不大趋于平衡，但微胶囊含油降低；确定芯材与壁材的最适配比为1:6。

牡丹籽油包埋率随均质压力增大而升高，当压力大于40.0 MPa时，包埋率略有下降。均质充分有利于使芯材与壁材混合均匀。均质压力大小影响乳状液的平均粒径，粒径大小直接影响微胶囊的包埋率。压力增大，有利于芯材在壁材体系中均匀分散，均质后形成的液滴平均粒径较小，喷雾干燥后产品的包埋率提高。但均质压力过大，形成过小的液滴表面积大，表面能高，降低了乳化液的稳定性，导致微胶囊的包埋率降低[16]。喷雾干燥过程中最适的均质压力为40.0 MPa。牡丹籽油包埋率随进口风温度升高迅速增大，当进口风温升高至200.0 ℃时，包埋率到底最大值88.31%；继续提高进口风温度，包埋率呈明显下降趋势。主要原因在于进风温度低，微胶囊成膜速度降低，包埋效果差，同时产品的水分含量也会升高，流动性变差，影响产品的品质。提高进风温度，可较快的形成坚实的壁，有利于阻止芯材的损失，但进风温度过高时，水分散失速度过快，囊壁表面凹陷，同样影响产品的品质[8]。故选取200.0 ℃为最适进风温度。最佳的进料速度为8.0 mL/min。微胶囊制备过程中，进料速度对牡丹籽油包埋率也具有较大影响。进料速度慢，物料过度蒸发造成芯材损失严重，包埋率下降；进料速度过快，物料蒸发时间不足，不足以形成一定完整的微胶囊壁，产品的颗粒大，包埋率低。喷雾干燥过程中，只有保持合适的进料速度，才能获得最大的包埋率。

2.2 牡丹籽油微胶囊制备工艺最佳工艺条件的确定

2.2.1 响应面实验设计及结果

在单因素实验基础上，采用Box-Behnken实验设计[17-19]，对牡丹籽油微胶囊制备工艺进行优化，不同因素水平组合条件下牡丹籽油微胶囊包埋率见表2。

表2 Box-Behnken实验设计及结果

2.2.2 建立模型方程与显著性检验

应用Design-Expert 8.0.6统计分析软件对29组不同因素组合条件下所得牡丹籽油的包埋率进行回归分析拟合，得到回归方程模型方差分析及回归方程系数估计值(表3)。

表3 回归方程中回归系数估计值和方差分析

注：P<0.05，显著，*；P<0.001，极显著，**。

由方差分析结果可看出，模型P<0.000 1，方程模型达到极显著，失拟P=0.121 8>0.05，不显著，表明二次模型成立[20]，应用此模型可以预测牡丹籽油的包埋率及优化喷雾干燥制备牡丹籽油微胶囊工艺。根据表3，去掉不显著因素，获得二次多项回归方程：

包埋率Y/%=-358.743 58+14.008 50A+3.489 72B+3.254 67C+1.616 92D-0.485 75AB+0.177 50AC+1.311 25AD-6.435 58A2-0.064 956B2-0.011 595C2-1.331 40D2(R2=0.929 7)

该方程的复相关系数为0.964 2，说明该模型能解释96.42%响应值的变化，即该模型与实际实验具有良好的拟合性，实验误差小[20]。

由表3可知，影响牡丹籽油微胶囊包埋率的因素主次为：B>C>A>D，即均质压力>进口风温度>壁材配比>进料速度。其中均质压力、进风温度对反应的影响达到极显著程度，壁材配比、进料速度在实验范围内对包埋率也具有显著影响，且壁材配比与均质压力、进风温度进料速度之间具有交互作用。

2.2.3 牡丹籽油微胶囊包埋率响应面分析与最优工艺条件的确定

为直观地反映壁材配比、均质压力、进风温度、进料速度四因素及交互作用对响应值包埋率的影响，将其中两个因素固定在零水平，应用Model Graph程序作壁材配比与均质压力、进风温度进料速度交互作用的响应面图及等高线图，结果见图2、图3、图4。

图2 壁材配比和均质压力交互影响微胶囊包埋率的响应面及等高线图

图3 壁材配比和进风温度交互影响微胶囊包埋率的响应面及等高线图

图4 壁材配比和进料速度交互影响微胶囊包埋率的响应面及等高线图

响应面图形是由响应值包埋率(Y)对应于影响因素壁材配比(A)、均质压力(B)、进口风温度(C)、进料速度(D)所构成的三维空间的曲面图及其在二维平面上的等高线图。由图2可知，随着壁材配比和均质压力增大，牡丹籽油包埋率迅速增大后降低，等高线图形为椭圆形，表明壁材配比和均质压力的交互作用对牡丹籽油包埋率的影响极其显著。由此可见选择合适的壁材配比和均质压力，可以在一定程度提高牡丹籽油的包埋率。由图3可知，随着壁材配比增大与进风温度的升高，牡丹籽油包埋率先升高然后下降，等高线形状椭圆形，说明壁材配比和进风温度的交互作用对牡丹籽油包埋率也显著影响[21-22]；由图4可知，随着壁材配比和进料速度增大，牡丹籽油包埋率迅速提高然后缓慢下降，壁材配比和进料速度的交互作用对包埋率也有显著影响。同时，根据等高线图形的形状可以看出，该实验中各因素交互作用对牡丹籽油微胶囊包埋率的影响大小依次为：壁材配比和均质压力>壁材配比和进风温度>壁材配比和进料速度。因此，在喷雾干燥制备牡丹籽油微胶囊实际生产过程中，在壁材配比固定条件下，可以通过控制均质压力、进风温度、进料速度等因素提高包埋率。

二次多项回归模型中二次项A2、B2、C2、D2系数均为负值，说明响应面开口向下(图2、图3、图4)，方程有极大值。对回归方程求导，并令其等于零，可以得到曲面的最高点，即获得雾干燥制备牡丹籽油微胶囊的最佳工艺条件：4个主要因素的最佳水平值，分别为：壁材配比3.28:1、均质压力42.09 MPa、进风温度213.82 ℃、进料速度8.89 mL/min，在此条件下，牡丹籽油微胶囊包埋率的预测值为90.89%。

2.2.4 验证实验

根据响应面优化的最佳工艺参数(壁材配比3.28:1、均质压力42.09 MPa、进风温度213.82 ℃、进料速度8.89 mL·min-1)，喷雾干燥制备牡丹籽油微胶囊，做3组验证实验，测得微胶囊包埋率分别为90.26%、91.12%、91.43%，重复性较好，平均包埋率90.93%。与该条件下包埋率的理论预测值90.89%相比，相对误差小于1%，说明采用响应面法优化得到的喷雾干燥制备牡丹籽油微胶囊生产工艺参数准确可靠。

2.2.5 牡丹籽油微胶囊的物性分析

气味纯正，乳白色，颗粒细小均匀，流散性、混合性良好；含水量：2.38%；密度：0.79 g/cm3；粒度：大小在10.0～15.0 μm；牡丹籽油含量：13.52%。

3 结论

通过单因素实验和响应面实验设计，考察了不同因素对牡丹籽油微胶囊包埋率的影响，结果表明：均质压力>进口风温度>壁材配比>进料速度。其中均质压力、进风温度对反应的影响达到极显著程度，壁材配比、进料速度在实验范围内对包埋率也具有显著影响，且壁材配比与均质压力、进风温度进料速度之间具有显著的交互作用。确定了喷雾干燥法制备牡丹籽油微胶囊的最优条件：壁材配比3.28:1、芯材与壁材比1:6、均质压力42.09 MPa、进风温度213.82 ℃、进料速度8.89 mL·min-1。在此条件下，微胶囊的包埋率为90.93%；由此工艺所制备的牡丹籽油微胶囊产品具有良好的感官及物化特性，牡丹籽油含量为13.52%。研究结果对牡丹籽油的深加工和综合开发利用具有十分重要的意义。

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The Preparation Optimization of Peony Seed Oil Microcapsule Using Response Surface Methodology

Li Chengzhong Sun Yan Zhou Xia Guo Dan Zhang Chunxiao Zhang Huanxin
(Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College,Taizhou 225300)

The paper studied the technological conditions of the spray-drying method for the preparation of microcapsule with the maltodextrin and Arabic gum compound as wall material,peony seed oil as core material.The optimum processing parameters which were defined by single-factor experiments and the response surface methodology for the microencapsulation were as follows:the composition of the proper ratio of wall to material was the 3.28∶1,ratio of core material to wall material was 1∶6,the homogeneous pressure was 42.09 MPa,the inlet wind temperature for the spray-drying was 213.82 ℃ and the feed speed was 8.89 mL/min.The microcapsule particles of peony seed oil aregenuine in smell,smooth,evenly distributed and tiny,and had good fluxion property.The micro-encapsulation encapsulating rate under the optimized technology was 90.93%，and the peony seed oil content was 13.52%.

peony seed oil,microcapsule,spray-drying,response surface methodology

TS239

A

1003-0174(2017)12-0081-06

时间：2017-12-21 09:08:08

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2864.TS.20171221.0907.002.html

江苏省“青蓝工程”资助项目(苏教师〔2016〕15号)，江苏省林业三新工程项目(LYSX〔2015〕03)，江苏省林业科技创新与推广项目(LYKJ〔2017〕35)

2017-06-08

李成忠，男，1980年出生，副教授，植物资源利用及栽培

张焕新，男，1972年出生，教授，粮食、油脂及植物蛋白工程