响应面法优化火麻仁油微胶囊喷雾干燥工艺的研究

石江传， 石佳， 于明晓， 赵伟学， 徐昊， 徐磊

1. 中国海洋大学食品科学与工程学院，山东 青岛 266100；2. 美泰科技(青岛)股份有限公司，山东 青岛 266400

火麻仁油中多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFAs)含量较高，可达90%以上，其中n-6/n-3 PUFA的比值为2，被世界卫生组织(WHO)和联合国粮农组织(FAO)认定为人体正常代谢的n-6/n-3 PUFA的最佳配比；另外，火麻仁油中含有丰富的维生素E、植物甾醇等生物活性成分，具有很好的抗氧化、降血脂、改善记忆的功效[1-4]。但火麻仁油稳定性差，自身易氧化酸败，产生异味，因此不利于储藏运输及在方便食品中的开发，限制了其应用领域及市场价值[5]。

目前，对火麻仁油的研究主要集中于油脂提取、化学成分及功能研究等方面。如耿晶娟等[6]通过研究证明水酶法提取火麻仁油的收率较高，可达83%以上；李永进等[7]从体内外抗氧化2个方面探究火麻仁油的抗氧化效果，体外实验证实火麻仁油能够显著清除DPPH自由基；小鼠体内实验证实，火麻仁油能够提高小鼠体内超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)的活性，降低丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，从而防止机体内的氧化损伤。但对于火麻仁油微囊化及包埋效果验证方面的研究鲜有报道。

基于此，本研究以火麻仁油为芯材、单双脂肪酸甘油酯为乳化剂、酪蛋白酸钠为壁材、固体玉米糖浆为填充剂、柠檬酸钠为缓冲盐、抗坏血酸棕榈酸钠为抗氧化剂，采用响应面法分析干物浓度、进风温度、出风温度对火麻仁油微胶囊包埋效果的影响，以确定最佳的喷雾干燥制备工艺；随后通过扫描电镜观察火麻仁油微胶囊表面形态结构，以确定包埋效果；并利用油脂氧化分析仪检测火麻仁油微胶囊的氧化稳定性。研究结果期望为火麻仁油的开发和应用提供理论和应用依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

火麻仁油购自辽宁俏牌生物科技有限公司；酪蛋白酸钠购自恒天然(中国)有限公司；单双脂肪酸甘油酯购自河南正通食品科技有限公司；固体玉米糖浆购自保龄宝生物股份有限公司；抗坏血酸棕榈酸钠购自帝斯曼江山制药(江苏)有限公司；柠檬酸钠购自青岛天嘉食品配料有限公司。

HHS-11-2电热恒温水浴锅(上海博迅实业有限公司)；BS223S型电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司)；PHS-3C pH计(上海雷磁仪器厂)；高速剪切机(弗鲁克流体机械制造有限公司)；SRH60-70高压均质机(上海申鹿均质机有限公司)；LPG型喷雾干燥塔(常州市科创干燥设备有限公司)；OXITEST油脂氧化分析仪(意大利VELP SCIENTIFICA公司)。

1.2 实验方法

1.2.1火麻仁油微胶囊的制备 火麻仁油微胶囊工艺配方如表1所示，将酪蛋白酸钠、固体玉米糖浆、柠檬酸钠和抗坏血酸棕榈酸钠加入到70 ℃蒸馏水中，用搅拌器低速搅拌至物料完全溶解，制得水相；然后将溶有单双脂肪酸甘油酯的火麻仁油缓慢加入水相中，同时用高速剪切机在转速为 2 500 r·min-1条件下混合10 min，得到预乳液；再将预乳液经过一二级压力分别为30 MPa和 5 MPa 的高压均质机进行乳化后，进行喷雾干燥制备得到火麻仁油微胶囊[8-11]。

表1 火麻仁油微胶囊工艺配方Table 1 Preparation of hemp seed oil microcapsule

1.2.2单因素实验 分别考察干物浓度(10%、20%、30%、40%、50%)、进风温度(150、160、170、180、190 ℃)、出风温度(65、70、75、80、85 ℃)3个因素对火麻仁油微胶囊包埋率的影响。研究某一单因素影响效果时，其他条件为固定值，分别为干物浓度40%，进风温度170 ℃，出风温度75 ℃[12-14]。

1.2.3响应面法优化火麻仁油微胶囊喷雾干燥工艺 在单因素实验的基础上，选取干物浓度、进风温度、出风温度3个因素进行优化，按照Box-Behnken实验设计因素和水平(表2)，以火麻仁油微胶囊包埋率为指标，通过响应面分析法确定最佳工艺条件。

1.2.4火麻仁油微胶囊包埋率的测定 微胶囊表面油含量的测定：准确称取8.000 g(精确到0.001 g)样品置于锥形瓶中，加入石油醚(30～60 ℃)震荡提取5 min后，用滤纸过滤湿基样品，湿基样品按上述步骤重复1遍，合并2次滤液，在80 ℃温度条件下蒸馏，测定油脂的质量，从而计算出样品的表面油含量。

表2 Box-Behnken实验因素及水平Table 2 Experiment design of Box-Behnken

微胶囊总含油量测定：准确称取1.000 g(精确到0.001 g)样品，用10 mL水和2 mL氨水于60 ℃水解20 min，冷却后加入10 mL乙醇混匀，加入25 mL乙醚剧烈震荡100次左右，加入25 mL石油醚缓慢震荡30 s，静置分层后将醚层倒出，用5 mL乙醇、15 mL乙醚、15 mL石油醚重复上述步骤1次，用15 mL乙醚、15 mL石油醚重复上述步骤1次，合并提取液蒸馏，测定油脂的质量，所得值为样品的总含油量[15]。按照以下公式计算火麻仁油微胶囊包埋率：

包埋率=(样品中总含油量-表面油含量)/样品中总含油量×100%

1.2.5火麻仁油微胶囊的表面形态观察 利用扫描电子显微镜观察火麻仁油微胶囊表面形态结构。加速电压为2 kV，放大倍数为750倍。

1.2.6油脂氧化稳定性的测定 利用油脂氧化分析仪进行测定，准备样品5 g，将样品放入样品盖中，使用2个空的样品托盘放置在底层，将放有样品的样品盖至于顶层，之后放入样品槽中，密封。在实验温度90 ℃、氧压0.6 MPa条件下，测定氧化诱导期。

1.2.7数据处理 每组进行3次重复试验，采用Design-expert和Box-Behnken软件进行回归模型建立和响应面分析[16]。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1干物浓度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响 图1为进风温度170 ℃、出风温度75 ℃时，干物浓度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响。随着干物浓度的增加，火麻仁油微胶囊包埋率呈先升高后降低的趋势，在干物浓度为40%时，火麻仁油的包埋效果最好，包埋率可达91.8%。这可能是由于干物浓度增大，喷雾干燥过程中乳化液表面温度升高更快，壁材表壳形成更早，使得颗粒表面更坚硬，阻碍了芯材向外迁移，使包埋率提高；但随着干物浓度持续提高，使得乳化液水分蒸发剧烈，导致微胶囊表壳膨胀破裂，使油脂芯材析出，包埋率开始下降。

图1 干物浓度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响Fig.1 Effect of dry matter concentration on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

图2 进风温度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响Fig.2 Effect of air inlet temperature on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

2.1.2进风温度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响 图2为干物浓度40%、出风温度75 ℃时，进风温度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响。随着进风温度的升高，火麻仁油微胶囊包埋率呈先上升后降低的趋势，当进风温度达到170 ℃时，包埋率最高，达到91.6%。原因可能是：在喷雾干燥过程中，温度较低时，乳化液雾滴未能完全干燥形成囊壁或形成的囊壁薄软，容易导致芯材析出；而温度过高时，则形成的囊壁易褶皱变形，导致包埋率降低。因此，温度过高或过低都会影响微胶囊包埋率。

2.1.3出风温度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响 图3为干物浓度40%、进风温度170 ℃时，出风温度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响。随着出风温度的提高，火麻仁油微胶囊包埋率呈先升高后降低的趋势，当出风温度为75 ℃时，包埋率最高，达到91.5%。原因可能是：当出风温度较低，乳液在喷雾干燥过程中延迟干燥，导致微胶囊水分含量较高，产生回潮现象，微粒之间相互粘连，容易造成油脂析出；当出风温度较高时，容易使囊壁破裂，同时阻碍微胶囊之间的附聚，导致包埋率下降。

表4 回归方程方差分析Table 4 Analysis of variance for the fitted regression equation

注：**表示差异在P<0.01水平上具有统计学意义。

图3 出风温度对火麻仁油微胶囊包埋率的影响Fig.3 Effect of air temperature on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

2.2 响应面实验结果与分析

2.2.1回归模型的建立及显著性检验 根据Box-Behnken中心组合实验原理设计17组实验，其中，实验1～12为析因实验，13～17为中心实验。实验设计及结果见表3。

表3 Box-Behnken实验设计结果Table 3 Experiment result of Box-Behnken

采用Design-expert软件对表3数据进行回归拟合[17]，得到包埋率的回归方程为：

Y=92.3+1.5X1-1.04X2-1.54X3-1.93X1X2-1.43X1X3+3.5X2X3-6.4X12-5.83X22-4.97X32

模型中各因素的F值反映了各因素对响应值Y的影响程度，若F值越大，表明该因素对响应值的影响越大。从表4可知：FX1=78.38，FX2=37.5，FX3=82.35，即各因素对火麻仁油微胶囊包埋率影响程度大小顺序为：X3(出风温度)>X1(干物浓度)>X2(进风温度)。

2.2.2响应面图和等高线图分析 为了能直观反映出2个因素间交互作用显著程度，根据回归方程做出各因素对火麻仁油微胶囊包埋率的3D响应面图和等高线图(图4)。响应面图坡度的陡峭程度直观反映了各因素对响应面的影响，两两因素均有交互作用；等高线形状反映了交互效果的强弱，椭圆形表示交互作用显著，圆形则相反[17]。通过3D响应面图和等高线图可以看出，干物质浓度、进风温度和出风温度两两交互作用对火麻仁油微胶囊包埋率的影响都极为显著，其所对应的等高线图均呈椭圆。结合表4可以得出2个因素交互显著性影响因素为：X2X3>X1X2>X1X3，即进风温度与出风温度交互作用对火麻仁油微胶囊包埋率影响最为显著。

图4 影响火麻仁油微胶囊包埋率的各因素响应面图和等高线图Fig.4 Response curves and contour map of the factors influencing embedding rate of hemp seed oil microcapsules

根据Box-Behnken实验所得的结果，利用Design Expert软件得到最佳工艺条件：干物浓度为41.74%，进风温度为168.09 ℃，出风温度为73.76 ℃，此条件下，微胶囊包埋率最大，可以达到92.72%。为了验证模型的准确性，同时考虑工艺条件便于操作，将微胶囊最佳工艺条件修正为：干物浓度为42%，进风温度为168 ℃，出风温度为74 ℃。用修正后的工艺条件进行5次重复验证实验，得到火麻仁油微胶囊平均包埋率在92.15%，与理论预测值相对标准偏差为0.29%，表明该模型预测性好，具有很好的工艺操作效果。

2.3 火麻仁油微胶囊包埋效果及氧化稳定性分析

通过扫描电镜对火麻仁油微胶囊的形态进行观察分析，从图5可以看出其微胶囊颗粒呈圆形，表面光滑无裂缝，说明火麻仁油微胶囊的包埋效果较好。

采用油脂氧化分析仪测定火麻仁油的氧化稳定性。由图6可知，对照组火麻仁油的氧化诱导期时间较短，大约在5 h左右，且油脂氧化的速率较快；而试验组火麻仁油微胶囊的氧化诱导期时间比较长，能够达到30 h以上，说明与火麻仁油相比，火麻仁油微胶囊的抗氧化性强，稳定性好，油脂不易产生氧化变质。因此，通过对火麻仁油进行微胶囊包埋可以较大程度地提高油脂的稳定性，延长货架期[18-19]。

图6 油脂氧化稳定性测试结果Fig.6 Test results of oil oxidation stability

3 讨论

目前对于火麻仁油的研究主要集中于油脂提取、化学成分及功能研究等方面，对于火麻仁油微囊化的研究鲜有报道。本研究通过喷雾干燥法制备火麻仁油微胶囊，以包埋率为主要研究目标。通过单因素实验和响应面分析法确定各因素对火麻仁油微胶囊包埋率影响程度大小顺序为：X3(出风温度)>X1(干物浓度)>X2(进风温度)；X2(进风温度)与X3(出风温度)交互作用对火麻仁油微胶囊包埋率影响最为显著。分析得出制备火麻仁油微胶囊的最佳工艺条件为：干物浓度为41.74%、进风温度为168.09 ℃、出风温度为73.76 ℃；修正后工艺条件为干物浓度42%、进风温度168 ℃、出风温度74 ℃，在此条件下制备火麻仁油微胶囊包埋率可达92.15%，相对标准偏差为0.29%<0.5%，说明模型设计合理。

载油率、包埋率和氧化稳定性是衡量油脂微胶囊的重要参数，在提高微胶囊载油率的同时，如何提高包埋率和维持油脂的氧化稳定性是不容忽略的问题。本研究制备的火麻仁油微胶囊在扫描电镜下表面光滑无裂痕，氧化诱导期可达30 h以上，说明此工艺制备的火麻仁油微胶囊具有很好的包埋效果和氧化稳定性，为火麻仁油的深层次开发和应用提供了理论和应用依据。然而，本研究仅以包埋率为主要指标，对喷雾干燥法制备火麻仁油微胶囊的工艺参数进行了优化，并未研究配方中乳化剂及抗氧化体系对微胶囊氧化稳定性的影响。同时，也未研究其他工艺条件对于微胶囊包埋效果的影响，为进一步提升火麻仁油微胶囊的品质，后续可在配方组成、乳化均质参数等方面开展更加深入的研究工作。