响应面法优化DHA藻油微胶囊工艺

林荣芳，徐梦豪，高丽伟，赵祥忠*

（1.齐鲁工业大学（山东省科学院）食品科学与工程学院，山东 济南 250353；2.山东中硕海洋科技有限公司，山东 日照 276800）

二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）是一种人体必需不饱和脂肪酸，可以显著促进婴幼儿智力与视力的发育，并具有保护视力、消炎、抗衰老、预防心血管疾病等重要作用[1-3]。DHA藻油主要由裂壶藻（Schizochytrium）、吾肯氏壶藻（Ulkenia amoeboida）等藻种代谢产生[4]，具有无重金属污染、腥味小、易吸收等优点，已被广泛添加到各类婴幼儿食品、保健品、功能性食品中[5]。DHA藻油由于多不饱和脂肪酸含量较高，加工、存储条件较为严苛，对光、热、氧气、金属等条件敏感，容易发生氧化酸败问题，降低DHA藻油功效，食用后损害人体健康[6-7]，极大限制了DHA藻油的应用范围，因此需要解决DHA藻油易氧化问题。添加各类防腐剂或微胶囊包埋成为提高DHA藻油稳定性最重要的两种方法[8-9]，相比防腐剂的使用，微胶囊化一方面可以掩盖DHA藻油中的不良风味，另一方面对人体无毒害，此方法能有效提高DHA藻油相关产品的生物利用度。

微胶囊包埋是一种选用特殊材料作为壁材，形成半密闭或密闭空间包埋固、液、气等物质的技术[10-11]，可以有效保留芯材原有营养成分与生物活性，提高芯材稳定性，掩盖芯材不良风味，已广泛应用于食品、化工、医药等领域。吕军伟等[12]以大豆分离蛋白和麦芽糊精为壁材对藻油进行微胶囊包埋，最优包埋条件下，藻油包埋率可达92.8%，产品具有良好的抗氧化性。袁博[13]的研究表明，以大豆分离蛋白与阿拉伯胶为壁材，微胶囊化后的DHA藻油氧化稳定性得到显著提高。

本研究以DHA藻油为芯材，阿拉伯胶、β-环糊精复配作为壁材，利用喷雾干燥制备DHA藻油微胶囊，以包埋率为考察指标，采用单因素试验与响应面优化试验探究最佳DHA藻油微胶囊化的制备工艺，借助热重分析、扫描电镜、粒径分布、傅里叶红外光谱等检测方法，分析DHA藻油微胶囊的稳定性与结构特征，为DHA藻油的微胶囊工厂化生产提供数据与理论支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

DHA藻油：齐鲁工业大学食品学院实验室；阿拉伯胶（分析纯）：天津市北辰方正试剂厂；β-环糊精（分析纯）、Tween-80（化学纯）：国药集团化学试剂有限公司；正己烷（分析纯）：天津市富宇精细化工有限公司。

1.2 仪器与设备

XT-03C体式显微镜：上海蒲拓光电仪器有限公司；AH-MINI2通用型高压均质机：安拓思纳米技术有限公司；ETD-2000离子溅射仪：北京博远微纳科技有限公司；EM-30 Plus台式扫描电镜：韩国COXEM公司；TGA-1热重分析仪：瑞士梅特勒-托利多公司；Mastersizer2000激光粒度仪：马尔文帕纳科公司；YC-015小型喷雾干燥机：上海雅程仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 DHA藻油微胶囊制备工艺流程

准确称取阿拉伯胶、β-环状糊精，加入300 mL蒸馏水放置在80℃水浴锅中进行溶解，3 500 r/min分散均质5 min，得到状态均匀的壁材；称取藻油15 g，固定Tween-80添加量为壁材的2%，6 000 r/min分散均质5 min；混合壁材与藻油，4 500 r/min分散均质5 min得到初乳化液，对初乳化液进行5 min高压均质，间隔10 min，重复操作4次。将均质后的乳液立即进行喷雾干燥。

1.3.2 包埋率的测定

参考汪鸿等[14]的方法并稍作改进，准确称取5 g DHA藻油微胶囊，加入50 mL正己烷进行溶解后过滤，使用50 mL正己烷重复冲洗3次，收集滤液进行旋蒸，测定DHA藻油微胶囊表面含油量。按式（1）计算包埋率。

式中：M为DHA藻油包埋率，%；X为称取的DHA藻油微胶囊质量，g；X1为DHA藻油微胶囊表面含油量，g。

1.3.3 热重分析（thermogravimetric analyzer，TGA）

取适量DHA藻油微胶囊粉末置于同步热重分析仪样品盘中，仪器升温程序：升温范围45℃～800℃，10℃/min，保护气与反应气均为N2，保护气流速20 mL/min，反应气流速50 mL/min，绘制对应热重损失趋势图。

1.3.4 扫描电镜分析

将DHA藻油微胶囊粉末均匀涂布于导电胶布，离子溅射仪对DHA藻油微胶囊进行喷金处理，台式扫描电镜观察其表面结构，加速电压为20 kV，放大倍数为100倍～5 000倍。

1.3.5 粒径分析

DHA藻油微胶囊加入去离子水进行溶解，稀释至合适浓度，用Mastersizer2000激光粒度仪进行粒径测量。

1.3.6 傅里叶红外光谱分析

取适量DHA藻油、DHA藻油微胶囊粉末、混合壁材进行红外光谱检测，红外光谱检测范围400 cm-1～4 000 cm-1。

1.4 DHA藻油微胶囊制备工艺优化

1.4.1 单因素试验

1.4.1.1 进风温度对包埋率的影响

固定进料速度19 r/min，固形物浓度16%，芯壁质量比 2∶7，壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比为 1∶2，考察进风温度（150、155、160、165、170、175 ℃）对 DHA藻油包埋率的影响。

1.4.1.2 进料速度对包埋率的影响

固定进风温度160℃，固形物浓度16%，芯壁质量比 2∶7，壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比为 1∶2，考察进料速度（9、11、13、15、17、19 r/min）对 DHA 藻油包埋率的影响。

1.4.1.3 固形物浓度对包埋率的影响

固定进风温度160℃，进料速度19 r/min，芯壁质量比 2∶7，壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比为 1∶2，考察固形物浓度（10%、13%、16%、19%、22%、25%）对DHA藻油包埋率的影响。

1.4.1.4 芯壁质量比对包埋率的影响

固定进风温度160℃，进料速度19 r/min，固形物浓度 16%，壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比为 1∶2，考察芯壁质量比（1∶1、2∶3、1∶2、2∶5、1∶3、2∶7）对 DHA 藻油包埋率的影响。

1.4.1.5 壁材质量比对包埋率的影响

固定进风温度160℃，进料速度19 r/min，固形物浓度 16%，芯壁质量比 2∶7，考察壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比（1∶1、2∶3、1∶2、2∶5、1∶3、2∶7）对 DHA 藻油包埋率的影响。

1.4.2 响应面设计

在单因素试验基础上，选取进风温度、芯壁质量比、进料速度、壁材质量比4个因素，利用Design-Expert 10.0根据Box-Behnken中心组合原理进行四因素三水平响应面设计，以包埋率为考察指标，优化DHA藻油微胶囊工艺条件。

1.5 数据处理

试验数据均表示为平均值±标准差，采用Origin 8.0软件进行线性回归分析及作图，Design-Expert 10.0软件进行响应面优化试验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 进风温度对包埋率的影响

进风温度对包埋率的影响见图1。

图1 进风温度对包埋率的影响Fig.1 The influence of inlet air temperature on the mcroencapuslation efficiency

由图1可知，DHA藻油的包埋率随进风温度的升高呈现先增大后降低的趋势。较低的进风温度会降低水分蒸发速度，乳化液滴表面不能及时形成坚硬的微胶囊外壁，从而导致壁材不能完全包埋藻油滴。同时较高的残留水分在喷雾干燥过程中极易造成乳化液黏连管壁，降低包埋率与出品率。随着进风温度的提高，水分蒸发加速，微胶囊表面外壳的成形速率提高，包埋率随之升高，在170℃时DHA藻油的包埋率达到91.27%。但过高的进风温度会破坏微胶囊外壳的稳定状态，造成外壳破裂，内芯的DHA藻油外渗，随之包埋率下降。

2.1.2 进料速度对包埋率的影响

进料速度对包埋率的影响见图2。

图2 进料速度对包埋率的影响Fig.2 The influence of feed rate on the microencapuslation efficiency

由图2可知，随着喷雾干燥器进料速度的增加，DHA藻油包埋率呈先增高后下降的趋势。进料速度较低的情况下，有利于乳化液的雾化、干燥，但此时较少的物料快速干燥，微胶囊外壁出现干裂，影响DHA藻油的包埋。在进料速度15 r/min时，DHA藻油包埋率最高，达到90.82%，继续提高进料速度会造成雾化效果变差，微胶囊无法快速干燥，出现黏壁等问题。

2.1.3 固形物浓度对包埋率的影响

固形物浓度对包埋率的影响见图3。

图3 固形物浓度对包埋率的影响Fig.3 The effect of solids concentration on the microencapuslation efficiency

由图3可知，在探究的固形物浓度范围内，随着固形物浓度的升高，包埋率先升高后降低。固形物浓度会直接影响乳化液的稳定性以及喷雾干燥效果，低固形物浓度的情况下，乳化液黏度小，水分含量高，微胶囊外壁形成速度较慢，不利于DHA藻油的包埋。当固形物浓度升高到16%时，包埋效果最好，包埋率为86.05%。继续提升固形物浓度，乳化液的黏度增加会降低乳化效果，不利于喷雾干燥过程中的雾化效果，延长干燥时间，同时造成黏壁现象，无法形成均匀颗粒，降低包埋率及集粉率。

2.1.4 芯壁质量比对包埋率的影响

芯壁质量比对包埋率的影响见图4。

图4 芯壁质量比对包埋率的影响Fig.4 The effect of core wall mass ratio on the microencapuslation efficiency

由图4可知，在探究的芯壁质量比范围内，随着壁材含量的增加，包埋率先升高后下降。壁材质量比例较低时，过多的DHA藻油不能被完全包埋，表面油含量较高，包埋率较低。随着壁材质量比例的升高，芯材的包埋率随之升高，芯壁质量比为2∶5时，包埋率达到最高。当壁材含量过高时，过多的阿拉伯胶与β-环糊精会导致乳化液黏度增大，不利于乳化液的雾化干燥，无法快速形成微胶囊外壁，导致芯材析出包埋率下降。因此，选择芯壁质量比为2∶5最为合适，此时的包埋率为90.23%。

2.1.5 壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比对包埋率的影响

壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比对包埋率的影响见图5。

图5 壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比对包埋率的影响Fig.5 The effect of wall material mass ratio（β-cyclodextrin∶acacia）on the microencapuslation efficiency

阿拉伯胶具有黏度低、成膜性好、高乳化性等优点，常应用于各种微胶囊的制备[15]；β-环糊精可以通过分子相互作用力形成稳定的中空分子结构，将芯材包裹在内部疏水空间中[16]；因此阿拉伯胶同β-环糊精共同使用能够有效提高微胶囊粉末的包埋效果。由图5可知，随着壁材比中阿拉伯胶比例的增大，DHA藻油微胶囊的包埋率先升高后下降。低浓度的阿拉伯胶无法提供高强度的微胶囊外壁，在干燥过程中，微胶囊外壁因外力作用破裂，导致DHA藻油析出。当β-环糊精∶阿拉伯胶质量比为1∶3时，DHA藻油的包埋率达到87.67%。继续增加阿拉伯胶含量，使得β-环糊精质量分数下降，微胶囊表面变得松散且孔洞增加，藻油渗出，包埋率下降。

2.2 响应面试验

2.2.1 响应面试验设计与结果

在单因素试验基础上，以DHA藻油包埋率为评价指标，以进风温度、壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比、进料速度和芯壁质量比为考察因素，根据Box-Behnken中心组合原理进行四因素三水平响应面试验，试验因素水平编码见表1，试验方案与结果见表2。

表1 响应面试验因素与水平编码Table 1 Factors and level coding of response surface experiment

表2 响应面试验设计及结果Table 2 Response surface experimental design and results

利用Design-Expert 10.0软件对表2进行回归分析，得回归方程：R=92.53-2.41A+4.14B-0.90C+5.42D-0.96AB+1.73AC+0.56AD-1.56BC+2.11BD-0.34CD-1.53A2-7.22B2-4.70C2-6.20D2。

方差分析见表3。

表3 回归模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression model

由表3可知，模型P＜0.01，表示该模型回归极显著，失拟项P=0.187 7＞0.05，不显著，该模型拟合性好，使用的二次回归模型恰当；相关系数R2=0.978 7，校正决定系数R2Adj=0.957 4，说明该模型可靠，可用于预测DHA藻油微胶囊制备工艺研究的理论值。由F值可知，各因素对DHA藻油包埋率的影响程度为D（芯壁质量比）＞B（壁材质量比）＞A（进风温度）＞C（进料速度）。

2.2.2 各因素间的交互作用

影响DHA藻油微胶囊包埋率的各个因素间的交互作用结果见图6～图11。

图6 进风温度与壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比的交互作用Fig.6 Interaction between inlet air temperature and wall material mass ratio（β-cyclodextrin∶acacia）

图7 进风温度与进料速度的交互作用Fig.7 Interaction between inlet air temperature and feed rate

图8 进风温度与芯壁质量比的交互作用Fig.8 Interaction between inlet air temperature and core wall mass ratio

图9 壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比与进料速度的交互作用Fig.9 Interaction between wall material mass ratio（β-cyclodextrin∶acacia）and feed rate

图10 壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比与芯壁质量比的交互作用Fig.10 Interaction between wall material mass ratio（β-cyclodextrin∶acacia）and core wall mass ratio

图11 进料速度与芯壁质量比的交互作用Fig.11 Interaction between feed rate and core wall mass ratio

由图6～图11可知，壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比与芯壁质量比的等高线较扁平，交互作用极显著，进风温度与进料速度的交互作用和壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比与进料速度的交互作用均较显著；进风温度与壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比的交互作用显示，进风温度水平的改变，对响应面图的坡度影响不明显，壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比水平的改变，其响应面作用影响趋势变化显著；进料速度与芯壁质量比交互作用趋势平缓，等高线图表明两因素间的作用接近于圆，交互作用最不显著。

2.2.3 包埋工艺条件确定及验证

分析响应面法试验数据可知最优包埋条件为进风温度167.15℃，壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比1∶2.82，进料速度15.64 r/min，芯壁质量比1∶2.3，最大包埋率95.52%。根据实际试验条件，对最佳包埋条件做如下调整，进风温度167℃，壁材（β-环糊精∶阿拉伯胶）质量比 1∶2.82，进料速度 15.5 r/min，芯壁质量比 1∶2.3，在此条件下进行试验验证得包埋率为94.87%，试验值与预测值拟合度较好，说明响应面模型稳定可靠。

2.3 热稳定性分析

热稳定分析结果见图12。

图12 DHA藻油微胶囊的热重分析图Fig.12 Thermogravimetric analysis diagram of DHA algae oil microcapsules

热重分析是衡量微胶囊产品耐热性好坏的重要方法，由于温度升高，微胶囊发生物理化学变化引起质量损失[17]。由图12可知，DHA藻油微胶囊从45℃加热到800℃的过程中质量变化分为3个阶段，加热温度低于165℃，主要为水分的蒸发，质量损失3.77%，说明制备的微胶囊水分含量较低；第二个质量损失阶段（165℃～350℃），作为复合壁材的阿拉伯胶和β-环糊精发生降解，质量大幅度减少，损失率为54.67%；继续加热至500℃，微胶囊质量损失较小，殷春燕等[18]研究认为此阶段质量损失是壁材中存在的有机物质进一步发生降解；500℃以后DHA藻油微胶囊热分解完成，质量不再发生变化。热稳定性分析结果表明，加热低于165℃，DHA藻油微胶囊质量变化较小，热稳定性较好，能够符合大多数食品加工温度的要求。

2.4 电镜分析

电镜分析结果见图13。

图13 DHA藻油微胶囊扫描电镜图Fig.13 Scanning electron microscope image of DHA algae oil microcapsules

由图13可知，以阿拉伯胶、β-环糊精复配作为壁材，经喷雾干燥制备的DHA藻油微胶囊，尺寸大小相近，且分散性较好，未出现黏连聚集现象。5 000×放大倍数下，微胶囊呈圆球状颗粒、整体结构完整，微胶囊外壁未出现破损、孔洞，说明以阿拉伯胶和β-环糊精复合作为壁材对DHA藻油包埋效果较好，能够有效阻止DHA藻油与外界不良因素的接触，延缓氧化。但也有个别微胶囊表面凹陷，呈“话梅状”，与喷雾干燥过程中水分蒸发速率不同有关[19]。微胶囊外壁相对光滑，出现点状突起，分析与制备复合壁材时的均匀性有关，阿拉伯胶出现凝集形成微胶囊表面的突起。

2.5 粒径分析

DHA藻油微胶囊的粒径分布越大，分布无规律，会导致DHA藻油微胶囊溶解度变差，溶解后微胶囊不稳定。经最佳工艺所得DHA藻油微胶囊粒径分布如图14所示。

图14 DHA藻油微胶囊粒径分布Fig.14 Particle size distribution of DHA algae oil microcapsules

由图14可知，DHA藻油微胶囊粒径分布出现单一峰，粒径分布比较集中，粒径分布范围为7 μm～40 μm，平均粒度为22.384 μm，说明DHA藻油微胶囊有较好的溶解性。

2.6 DHA藻油微胶囊的化学结构分析

DHA藻油和DHA藻油微胶囊红外光谱图见图15。

图15 DHA藻油和DHA藻油微胶囊红外光谱图Fig.15 Infrared spectra of DHA algae oil and DHA algae oil microcapsules

采用傅里叶变换红外光谱对微胶囊中的DHA藻油与复合壁材分子间的相互作用进行分析，由图15可知，DHA 藻油在 1 153、1 745、2 854、2 925、3 011 cm-1处形成特征峰，DHA藻油微胶囊在相同特征谱带处形成吸收峰，说明DHA藻油微胶囊化后，并未改变藻油原有性质。微胶囊在 1 153、1 745、2 854、2 925 cm-1处形成的吸收峰明显减弱，3011cm-1处与C—H拉伸（顺势烯烃—HC CH—）有关的不饱和脂肪酸特征峰消失[20]，说明阿拉伯胶和β-环糊精作为复合壁材有效覆盖了DHA藻油特征峰，对DHA藻油的包埋效果较好。

3 结论

本研究以阿拉伯胶、β-环糊精为壁材，微胶囊包埋DHA藻油，包埋率为考察指标，单因素试验结合响应面试验优化DHA藻油微胶囊化的制备工艺，最佳条件∶喷雾干燥进风温度167℃，壁材质量比（β-环糊精∶阿拉伯胶）1∶2.82，喷雾干燥进料速度 15.5 r/min，芯壁质量比1∶2.3，固形物浓度为16%，此条件下DHA藻油包埋率为94.87%。微观检测表明，DHA藻油被壁材较好的包埋，整体结构完整，外壁无破损、孔洞；DHA藻油微胶囊粉末粒径分布集中，平均粒径为22.384 μm，具有良好的溶解性。热重分析可知，DHA藻油微胶囊在温度低于165℃热稳定性较好，符合大多数食品加工温度的要求。