大黄鱼微囊饲料原料浆复乳粒径的工艺条件建模

2020-07-09郭庆朱庆国林美凤邱曼丽潘瑞珍刘祖祥陈启发

福建农业科技 2020年4期

郭庆朱庆国林美凤邱曼丽潘瑞珍刘祖祥陈启发

摘要：制备大黄鱼仔稚鱼微胶囊饲料过程，为稳定料浆、获得适宜的产品粒度，对原料浆复乳浊液（emulsion）粒径的选配进行了工艺条件建模试验。将液态乳化剂占粉态芯材及壁材的重量百分数（E）、高剪切分散乳化机的转速（Q）和乳化机运转时长（T）共3个因素，作为考察的工艺条件变量;以镜检料浆多重乳浊液的粒径均值（D）作为响应的评估指标。采用均匀设计法做5次试验。对5次试验结果的数据进行逐步回归分析建模得：D（μm）=306.833-25.3E-0.006Q。判明，（E）是影响（D）的第一因数。预测（95%置信度）乳浊液粒径D（μm）值，结果可作为配制大黄鱼微囊饲料相宜料浆工艺条件的依据。

关键词：大黄鱼;微囊饲料;乳浊液粒径;均匀设计;逐步回归分析

中图分类号：S963 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2020）04-0017-06

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2020.04.003

Process Condition Modeling on the Particle Size of Multiple Emulsion of Slurry forPreparing the Micro encapsulated Diets of Pseudosciaena Crocea

GUO Qing1， ZHU Qing guo2，3， LIN Mei feng2， QIU Man li3，PAN Rui zhen1，2， LIU Zu xiang1， CHEN Qi fa2*

（1. Fujian Jinhualong Feed Co. Ltd.， Fuzhou， Fujian 350002， China; 2. Fujian Aquatic Feed Research Association，

Fuzhou， Fujian 350003， China; 3. Fujian Institute of Freshwater Fisheries， Fuzhou， Fujian 350002， China）

Abstract： In the preparation of micro encapsulated diets for the larvaes of Pseudosciaena crocea， in order to stabilize the slurry and obtain the appropriate product particle size， the process condition modeling test was carried out for the selection for the particle size of the multiple emulsion of slurry. The three factors including the weight percentage of liquid emulsifier in the powder core materials and wall materials （E）， the speed of the high shear disperse emulsifying machine （Q） and the operating time of the emulsifying machine （T） were taken as the variables of the process conditions. The mean particle size （D） of the multiple emulsions of slurry by microscopy was used as the evaluation index of the response. The uniform design method was used to carry out five tests. And then， after the stepwise regression analysis of the data obtained from the five tests， the modeling results were as follows： D（μm）=306.833-25.3E-0.006Q. It was determined that （E） was the first factor influencing （D）. The particle size D（μm） of the emulsion （95% confidence） was predicted， and the results obtained could be used as the basis for the process conditions of the suitable slurry for preparing the micro encapsulated diets of Pseudosciaena crocea.

Key words： Pseudosciaena crocea; Micro encapsulated diet; Particle size of the emulsion; Uniform design; Stepwise regression analysis

大黃鱼仔稚鱼微胶囊饲料粒度与水中稳定性是影响仔稚鱼的净能量得益（netenergy gain）、残饵对育苗水体自污染和育苗成活率必需的技术指标。是研发大黄鱼仔稚鱼微囊饲料产品的基本要求之一。朱庆国等项目组应用多相界面聚合、喷雾干燥成型法试制了大黄鱼仔稚鱼微囊配合饲料[1]。采用两步乳化法制备2膜3相多重乳浊液的料浆。第一步先将油溶性的乳化剂、内水相及油相混合，在高速剪切分散乳化器中采用高强度的乳化条件制得油包水（W/O）初乳，再把初乳倒入含有水溶性的乳化剂的水溶液中，采用较为温和的乳化条件乳化制得水包（W/O）初乳的W/O/W型多重乳浊液（emulsion），即复乳料浆[2-3]。影响复乳料浆稳定性的因素较多，其中乳浊液粒径大小和分布是评价多重乳液稳定性的主要指标。为满足大黄鱼仔稚鱼微胶囊饲料制品的粒径要求，获得稳定相宜的原料浆复乳的粒径，进行了原料浆复乳粒径制备工艺条件的初步建模试验[4]。即用系统测试方法来确定模型的参数，选出一个数据拟合得最好的模型，为制订大黄鱼仔稚鱼微胶囊饲料工艺参数提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验仪器

显微镜：OLYMPUSCX31（附专业图像处理软件Image Pro Plus 6.0）;计时秒表;电子秤（感应量0.001～500 g）;高速剪切分散乳化机号：SG400（10000 r·min-1，搅拌头为圆柱面，中档孔径）。

1.2 试验材料

（1）芯材：依配方组分预混合并经超微粉碎的粉态原料。通过胶体磨（JMLB65）匀质处理。（2）壁材：辛烯基琥珀酸淀粉钠+鲜蛋清。（3）乳化剂[3]：失水山梨醇单油酸酯+聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯。

1.3 试验设计

建模思路：喷雾干燥法制备大黄鱼仔稚鱼微胶囊饲料的芯材及壁材配方组分复杂，其化学成分和结构各异。料浆溶胶多相分散系的界面特性导致料浆体系的热不稳定性，直接影响料浆多重乳浊液粒径大小和分布，关联着大黄鱼仔稚鱼微胶囊饲料制成品的粒径和粒度分布等。本试验回避粉态芯材及壁材等组分的复杂、多相界面、多元体系相图计算模拟的难点，将大黄鱼仔稚鱼微胶囊饲料的料浆溶胶视为一个“黑箱”系统，切中实用工艺条件要求，运用均匀设计法试验解解难点。将液态乳化剂占粉态芯材及壁材的重量百分数E、高剪切分散乳化机的转速V和乳化搅拌机运转时长T共3个因素，作为考察的工艺条件参数变量;以镜检测定多核复合乳浊液的粒径均值D作为响应的评估指标。选用U5（54）的使用表安排方案，做5次试验。对5次试验结果的数据进行多元线性逐步回归分析，判别影响粒径因数的强弱顺序，建立回归方程，剔除次要参数变量，选出一个数据拟合得最好的模型，为制订大黄鱼仔稚鱼微胶囊饲料工艺参数提供依据。

1.3.1 检测料浆复乳粒径对每次试验的料浆采样编号，用光学显微镜观测，由其图像软件Image Pro Plus 6.0处理[4]，测定料浆复乳粒径，数据采用 Excel建表存档，以平均数±标准差表示。

1.3.2 采用均匀设计方法安排试验方案（1）选用均匀设计表。为满足充分均匀布点[3，5-6]，UN（Nm）中，通常需满足N≥m/2+1。本试验的变量因素m=3，扩宽为m=4，选定U5（54）表及其使用表，见表1、表2。（2）试验方案固定料浆配方。选好SG400、10000 r·min-1型高剪切分散乳化机的搅拌头圆柱面中档孔径，把实际剪切线速度参数直接转化为乳化搅拌机的转速Q。3个变量因素经相关研究前期试验[1]，其边界值分别是：液态乳化剂占粉态芯材及壁材的重量百分数E为9.5%～5.5%，高剪切分散乳化机的转速Q为2500～8500 r·min-1，乳化机搅拌运转时长T为4～12 min。

选用U5（54）表中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ 3列，将3个因素的边界值区间分别设定五因素水平，见表1因素及水平设定表。再将表1因素水平表的元素，分别放到U5（54）使用表的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ3列的对应点位。即是将表中抽象的水平替换成因素相对应的

参数水平值，得U5（54）试验方案见表3。

1.4 数据统计分析

对每个编号的试验样品镜检、并经图像软件Image Pro Plus 6.0处理所得多重复合乳浊液的粒径数据以平均数±标准差表示，采用 Excel建表。回归分析采用SPSS 18.0 软件相关程序处理。

2 结果与分析

2.1 镜检测定料浆复乳粒径

试验得到料浆的W/O/W型复合乳浊液样品在600倍光学显微镜下观察、并经图像软件Image Pro Plus 6.0处理。如图1所示，在大的液滴内包含有小的液滴，是一种多核不定形两膜三相体系。乳液颗粒大小为19～180 μm。

2.2 乳浊液的粒径数据

依表3的设定方案进行5次试验的料浆采样品，镜检复乳粒径，并经图像软件Image Pro Plus 6.0处理[4，8]所测得多重乳浊液的粒径数据汇总见表4。

2.3 均匀设计试验结果

依表3的设定进行5次的试验方案及响应见表5。

2.4 逐步回归分析建模

2.4.1 逐步回归分析逐步回归分析法是向前引進变量法和向后剔除变量法的综合运用，是一种较常用的选模方法。采用SPSS18.0 软件对表5，即是对5次试验方案及响应结果的数据进行多元线性逐步回归分析[7-9]，得表6、表7和表8。

表6说明，自变量被依次引入回归方程后，两个回归模型的复相关系数R的变化，比较了两个回归方程模型的性能。R表示自变量乳化剂比率E及搅拌机转速V与因变量乳浊液粒径D相关的密切程度。标准估计误差表示自变量的影响因素被剔除后，因变量本身的变异（误差）。由表6可见，当乳化剂比率E“被引入回归方程”， R值为0.948，标准估计误差为15.47224，拟合优度R方值为0.865;当搅拌机转速Q“被引入回归方程”，R值为0.999，标准估计误差为3.06660，R方值为0.995，接近于1。都很高。可见自变量依次“被引入回归方程”后，其复相关系数R以及拟合优度R方值都逐渐变大，标准估计误差逐渐变小。表明，依本次试验条件，回归模型Ⅱ拟合优度比模型Ⅰ高。

表7说明，逐步引入影响最大的因素变量后，对其各自偏回归系数的方差分析。模型Ⅰ仅引入乳化剂比率E偏回归系数的F统计量为26.739，P=0.014，说明显著性t检验结果显著。当引入乳化剂比率E和搅拌机转速V两个变量因素得模型Ⅱ的偏回归系数的F统计量为377.514，P=0.003≤0.01，t检验结果显著性非常高，选定模型Ⅱ确切无疑。

模型I的乳化机搅拌时长T偏相关因素的t=-0.691，P=0.561≥0.01，t检验不显著;模型Ⅱ中T因素的t=7.113，P=0.089≥0.01，t检验不显著，对粒径D的影响无统计学意义，都被剔除。

2.4.2 建立回归方程模型表8可知，回归方程Ⅰ的E偏回归复相关系数R为-0.948;回归方程Ⅱ的E偏回归复相关系数R为-0.999。t=-26.089，P=0.001≤0.01，t检验结果显著性非常高。方差膨胀因子VIF的值均为1.000，不大，远小于10。因此，自变量E和Q之间不存在多重共线性。这些都表明：液态乳化剂占粉态芯材及壁材的重量百分数E是影响大黄鱼微胶囊饲料原浆W/O/W型多重复合乳浊液粒径的第一变量因素。依据表9模型方程的偏回归系数及其t检验结果，建立以下回归方程。

回归方程Ⅰ：

D（μm）=276.169-25.3E

回归方程Ⅱ：

D（μm）=306.833-25.3E-0.006Q

2.4.3 乳浊液粒径D（μm）的预测依本次试验条件，乳浊液粒径D（μm）预测值和残差值，以及95%置信度的左右端点值见表9。如表9所示，可以看到未标准化D预测值PRE1、未标准化残差值RES1、预测区间左右端点值LICI1和UICI1。

3 讨论与结论

刘文丽等[2，10]认为，W/O/W型多重乳液具有独特的“两膜三相”多隔室结构。乳化剂类型与用量是影响W/O/W型多重乳液的粒径大小和分布及稳定性的因素。乳化剂在乳化液的形成和稳定性中起着重要作用，包括降低界面张力，产生界面张力梯度，在乳化过程中减少絮凝，激发界面不稳定性等。本研究运用灰色系统概念与基本原理[11]，采用均匀设计法安排试验方案，取得“小样本、贫信息”数据，经由多元线性逐步回归建模，求得多重复乳料浆配制不确定性过程“黑箱”外部特征参数的输入与输出之因果关系，判明，液态乳化剂占粉态芯材和壁材的百分率E是影响喷雾干燥法制备大黄鱼微胶囊饲料、影响料浆W/O/W型复乳粒径的第一因素。结果与相关文献的观点吻合[2-9，11-12]，可鉴。

本试验获得拟合优度最好的模型，即回归方程Ⅱ：D（μm）=306.833-25.3E-0.006Q，或回归方程Ⅰ：D（μm）=276.169-25.3E，都是简单的线性方程。采用调节液态乳化剂占粉态芯材及壁材的重量百分数E的数值作为主工艺条件参数，来控制大黄鱼微胶囊饲料浆W/O/W型复合乳浊液的粒径，较简便，易操作。依本次试验条件，可从表9得知复乳粒径D的预测值和残差值，以及95%置信度的左右端点值，作为调制稳定性相宜的料浆、确定E和V参数值的依据。

参考文献：

[1]朱庆国.大黄鱼仔稚鱼微胶囊饲料粒径及水中稳定性评估[J].福建农业学报，2018，33（2）：114-119.

[2]刘文丽，焦纬洲，刘有智，等.W/O/W型多重乳液的稳定性和应用研究进展[J].日用化学工业，2012，42（5）：366-370.

[3]赵振国.应用胶体与界面化学[M].北京：化学工业出版社，2008：168-169.

[4]朱庆国. IPP图像分析技术在稚幼鲍壳长测量中的应用 [J].福建农业学报，2013，28（10）：1050-1053.

[5]方開泰.均匀设计与均匀设计表[M].北京：科学出版社，1994.

[6]赵选民.试验设计方法[M].北京：科学出版社，2007：169-190.

[7]张力.SPSS 13.0在生物统计中的应用[M].厦门：厦门大学出版社，2006.

[8]MARK M M.数学建模方法与分析[M].刘来福，杨淳，黄海洋，译.北京：机械工业出版社，2005.

[9]熊德之，张志军，罗进.概率论与数理统计及其应用（第二版） [M]. 北京：科学出版社，2009.

[10]丁立云，曹义虎.水产微囊饲料生产工艺研究进展[J].广东饲料，2011，20（11）：36-38.

[11]刘思峰.灰色系统理论及其应用（第八版）[M].北京：科学出版社，2017.