响应面试验优化葡萄酒酒泥面膜保湿性工艺

王培如，于金田，陈海云，韦开明，马海军,2，朱娟娟,2*

（1. 北方民族大学生物科学与工程学院，宁夏银川 750021；2. 宁夏葡萄与葡萄酒技术创新中心，宁夏银川 750021）

葡萄酒酒泥是葡萄酒酿造过程中的主要副产物，其生成量约占葡萄酒产量的4%～5%[1]，主要由微生物（酵母菌残体为主）、蛋白质、酒石酸、酚类物质组成。葡萄酒带酒泥在橡木桶中陈酿数月，酒泥能够抑制其氧化还原反应的进行，并产生多种具有良好抗氧化作用的有效成分[2]。而在实际生产中，大多数企业都会将酒泥直接丢弃，这不仅浪费了宝贵的生物资源，也会给生态环境带来一定压力。因此，积极开展葡萄酒泥综合利用研究，变废为宝，既可以避免环境污染，又可获得良好的经济效益和巨大的社会效益。

众所周知，面膜是全世界女性热衷的护肤品。面膜的种类繁多，大致可分为撕剥型、棉布式、泥膏状和乳霜型等。面膜作用原理为在覆盖面部时，达到暂时与外界空气污染隔离，从而提高面部肌肤的温度，来使肌肤的毛孔扩张，促进新陈代谢，提高面部肌肤的含氧量，有利于清除面部肌肤表皮细胞新陈代谢产物和积累的油脂类物质，使面膜的精华液渗透到表皮的角质层，达到皮肤光滑的目的。红酒酒泥中含有有机酸类、酚酸类、多酚类、黄酮类以及糖苷类等多种物质，其中很多物质具有很强的抗氧化和清除自由基的能力，如原花青素、白藜芦醇、儿茶素等，同时还具有抗辐射、抗疲劳、抗过敏、抗炎、抗真菌等作用[3]。葡萄多酚可内外兼用，功能多样，性质温和，可以起到天然的护肤效果，其在化妆品方面的应用前景广阔。

有关葡萄酒酒泥的研究及应用，多是从酒泥中提取功能性的成分。如史秋兰等[4]借助于酶解法从酒泥中提取白藜芦醇；程超等[5]采用多重破壁技术从酒泥中提取葡聚糖；屈慧鸽、杨学山、杜娜等[6-8]从酒泥中分别提取了酒石酸、甘露聚糖、超氧化物歧化酶（SOD）。除提取功能性成分外，科研工作者还尝试了酒泥的一些其他用途，如郑鹤龄等[9]将酒泥经发酵后制成有机或有机无机复混肥，以底肥或追肥方式施用于鲜食玉米及果树（桃、冬枣），用于提高作物的质量。然而，目前关于葡萄酒酒泥面膜的制备仅有10项中国专利，而无其他报道，且其保湿率未知。充分利用酒泥特有的香气，丰富的多酚、果酸、纤维素和微量元素等营养成分是提高面膜保湿率的关键，因此本研究将以葡萄酒酒泥为原料，以面膜保湿率为关键指标，利用响应面试验寻求葡萄酒酒泥中保湿剂最适添加量，开发出一款技术路线可行，经济上合理，符合国标要求的葡萄酒酒泥保湿面膜，从而为实现我国葡萄酒酿造过程中的废弃物无害化处理和综合利用提供技术支撑，对推动我国葡萄酒产业的健康绿色发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 主要材料、试剂与仪器

葡萄酒酒泥，来自于北方民族大学生物科学与工程学院宁夏葡萄与葡萄酒技术创新中心葡萄酒酿造实验室。其中，酒泥中含有可滴定酸5.23 g·L-1、还原糖2.81 g·L-1、单宁0.084 g·L-1，酒精度12.8% Vol，pH值3.48。海藻酸钠，食品级，山东景云食品配料有限公司；硅藻土，食品级，临江市华通硅藻土制品有限公司；丙三醇，食品级，济宁辉鹏化工有限公司；PEG-40氢化蓖麻油，化妆品级，江苏省海安石油化工厂；己二醇、硫酸铜、酒石酸钾钠、葡萄糖、氢氧化钠、浓盐酸、干没食子酸、次甲基蓝、酚酞，均为分析纯（AR），天津光复精细化工研究所。

UV1000紫外分光光度计，上海天美科学仪器有限公司；DL-1电子万用炉，广东东菱电器有限公司；IQ-150 pH计，上海科恒实业发展有限公司；FSJ-A05N6粉碎机，山东东营弘玖制药机械有限公司；PL2001-L电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；JXED-7酒精计，北京东孚久恒仪器技术有限公司；GKC控温水浴锅，上海苏达实验仪器有限公司；TD-4M台式低速离心机，济南好来宝医疗器材有限公司。

1.2 酒泥面膜的制备

首先将新鲜的葡萄酒酒泥放置于40 ℃鼓风烘箱中恒温烘17 h，直至恒重；随后将干燥的酒泥块用粉碎机打磨成粉末后依次过50目和100目标准筛备用。将酒泥粉、海藻酸钠、硅藻土按一定比例混匀配备而成A相；同时将PEG-40氢化蓖麻油、丙三醇、己二醇按一定比例混匀后加入灭菌的纯净水至100 mL，配备成B相；随后将A相与B相混合制备成酒泥面膜。经上述环节制备而成的酒泥面膜，按国家标准依次进行保湿性、耐寒性、耐热性等指标测定，同时选取20～30名过敏体质的人员进行体感测试，最后综合所有指标，筛选出合适配比的酒泥面膜配方。

1.3 酒泥面膜配方单因素试验设计

酒泥面膜基础配方如表1所示，主要参考范月琴[10]、胡博然[11]、袁春龙[12]、马海军[13]等酒泥面膜发明专利中的配方，部分成分有所变动。其中，酒泥添加量不低于30%，选用面膜中常用的海藻酸钠、硅藻土和丙三醇作为保湿剂，以便加强面膜的保湿效果；选用去离子水和己二醇作为溶剂、PEG-40氢化蓖麻油作为乳化剂、杰马BP作为防腐剂，同时添加维生素B5作为营养添加剂，缓解化妆品中敏感成分所产生的不适应感，并加强皮肤的水合功能[14]。

1.3.1 硅藻土添加量的确定

按照表1酒泥面膜的初级配方，海藻酸钠添加量0.5%、丙三醇添加量 2.5%，将硅藻土以5%、10%、15%、20%和25%的添加量制备面膜，以酒泥面膜的保湿性为评价指标，确定硅藻土最优添加量。

1.3.2 海藻酸钠添加量的确定

按照表1酒泥面膜的初级配方，硅藻土添加量15%、丙三醇添加量2.5%，将海藻酸钠以0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的添加量制备面膜，以酒泥面膜的保湿性为评价指标，确定海藻酸钠最优添加量。

1.3.3 丙三醇添加量的确定

按照表1酒泥面膜的初级配方，硅藻土添加量15%、海藻酸钠0.5%，将丙三醇以0%、2.5%、5.0%、7.5%、10%和12.5%的添加量制备面膜，以酒泥面膜的保湿性为评价指标，确定丙三醇最优添加量。

表1 面膜初级配方表Table 1 The recipe list of facial masks

1.4 酒泥面膜的响应面试验设计

以单因素试验结果为依据，采用Box-Behnken中心组合设计原理，使用Design-Expert 8.0.6软件，以硅藻土（A）、丙三醇（B）和海藻酸钠（C）3个因素为自变量，设计三因素三水平的响应面试验，试验因素和水平见表2，每个处理重复3次。

表2 响应面优化因素与水平表Table 2 The influencing factors and level of surface optimization%

1.5 酒泥面膜保湿性能测定

用医用透气胶带[15]模仿真人皮肤置于25.4 mm×76.2 mm的载玻片上，室温条件下，将适量面膜试样直接均匀涂布其上，精确称取质量，记录为M0，然后将其置于37 ℃的恒温烘箱内，分别放置30、60、90 min后，取出透气胶带，立即精确称取样品质量，分别记录为M30、M60、M90，则酒泥面膜的保湿率为：

保湿率（%）＝(M30/M0＋M60/M0＋M90/M0)/3×100

1.6 葡萄酒酒泥面膜稳定性测定

将制得的面膜置于离心机中经过2000 r·min-1的速度离心30 min，观察有分层现象。

1.7 酒泥面膜耐热、耐寒性测定

将面膜分别置于40 ℃和-10～-5 ℃保持24 h，恢复至室温观察有无油水分离现象，以测定面膜的耐热、耐寒性。

1.8 数据分析

采用Excel对单因素试验数据进行线性分析，采用Box-Behenken设计响应面试验，运用Design-Expert 8.0.6软件进行数据处理、分析。根据单因素试验结果，对酒泥面膜制备工艺条件进行优化。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 硅藻土对酒泥面膜综合保湿率的影响

保湿率是衡量酒泥面膜功能的最重要指标。硅藻土是一种硅质岩石，它不仅有杀菌作用，还可以起到美白、保湿的护肤作用。硅藻土添加量对酒泥面膜保湿的影响结果如图1所示。由图1可知，随着硅藻土添加量的增大，酒泥面膜的保湿率先增后降；当添加量为15%时，面膜的保湿率最高，达到95.37%；在添加量超过15%后，面膜的保湿率逐渐降低。因此，硅藻土添加量为15%时较适宜。

2.1.2 丙三醇对酒泥面膜保湿率的影响

丙三醇俗称甘油，对面膜可以起到很好的保湿作用。由图2可知，随着丙三醇添加量的增加，酒泥面膜的保湿率也逐渐增高，当添加量为10%时，酒泥面膜的保湿率最高，达到97.86%。因此，丙三醇添加量为10%时较适宜。

2.1.3 海藻酸钠对酒泥面膜保湿率的影响

海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，它可以增加肌肤的保水性、紧缩性及弹性。由图3可知，海藻酸钠添加量为0.5%～2%时，随着添加量的增加，酒泥面膜保湿率逐渐增强；当添加量为2%时，酒泥面膜的保湿率最高，达到91.03%。然而，当添加量增加到2.5%时，酒泥面膜的保湿率反而大幅度降低，仅仅为88.83%。因此，海藻酸钠添加量为2%时较适宜。

2.2 响应面实验结果分析

2.2.1 响应面试验设计与结果

以酒泥面膜保持率为响应值设计了三因素三水平共17个试验点的响应面分析实验，以随机次序进行，重复3次获得响应值，用Design-Expert 8.0.6对表3中的试验数据进行回归分析，拟合二次多项式方程，方程可靠性由R2表示，其统计学上的显著性由F值检验，影响因素线性效应、平方效应及其交互效应的显著性由模型系数的P值检验。

表3 响应面设计与试验结果Table 3 the design and results of response surface%

2.2.2 面膜保湿率预测模型方程的建立及显著性分析

用Design-Expert 8.0.6软件对所得数据进行二次多元回归拟合和方差分析，得到二阶响应表面模型方程：Y＝47.02＋1.92A＋3.78B＋13.10C－0.046AB＋0.0036AC＋0.047BC－0.049A2－0.159B2－3.19C2。方差分析和各因素的显著性分析见表4。

表4 回归方程显著性检验Table 4 Significance test of regression equation

由表4可以得出模型的P＝0.0119＜0.05，达到显著水平，表明该模型具有统计学意义。失拟项用来表示所用模型与实验拟合的程度，即二者差异的程度[16]，失拟项P＝0.0982＞0.05，表明失拟不显著，说明该回归方程可以较好的拟合真实的响应面，能真实地反映各影响因素与响应值之间的关系；模型的校正决定系数R2Adj 为0.7492，说明该模型能解释约74.92%响应值的变化；决定系数R2＝0.8903，表示方程的拟合程度较好，可信度较高。因此，该模型可以用来进行酒泥面膜工艺的分析和预测。

响应面是由响应值和各种因素组成的三维空间曲面图，因子对响应值的影响越大，表面越陡。响应面的斜率可以显示两个因素之间相互作用的大小，平缓的坡度说明因素之间没有显著的相互作用，陡峭的斜坡说明因素之间有显著的相互作用。等高线状可以反映交互效应的含义，椭圆表示各因素之间的相互作用显著，而圆形则反之[8]。由图4可知，响应面3D图直观的展现A、B为较为陡峭的曲面，等高线图表现趋于圆形，说明硅藻土和丙三醇之间的交互作用对酒泥面膜的保湿率指标没有显著影响。响应面3D图直观的展现B、C为微微陡峭的曲面，等高线表现为圆形，说明丙三醇和海藻酸钠之间的交互作用对酒泥面膜的保湿率指标虽然没有显著影响，但也具有改善作用。

结合图4和表4可知，各因素对酒泥面膜保湿率的影响程度依次为海藻酸钠＞丙三醇＞硅藻土。A2、B2和C2对酒泥面膜保湿率的影响均达到极显著，则可判断出海藻酸钠、丙三醇、硅藻土添加量对酒泥面膜保湿率的作用效果显著。利用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行多元回归拟合，结合响应面分析，得到葡萄酒酒泥面膜的最佳工艺配方为：硅藻土添加量20%、丙三醇添加量12.5%、海藻酸钠添加量2.0%。

2.3 酒泥面膜基本性能测定结果

按QB/T 2872—2007对所研发的面膜进行相应的测试[17]，结果如表5所示。酒泥面膜为深紫色、气味清香，略带淡淡的酒糟味、均匀、细腻，涂抹皮肤后凉爽，无不适感、无颗粒感，细腻柔滑。面膜耐热、耐寒性能稳定，离心试验未出现明显分层，符合国标要求。

表5 葡萄酒酒泥面膜膏性能测试结果Table 5 Test results of wine mud facial mask

3 讨论与结论

葡萄酒酒泥来源于红酒酿造过程的副产物，含有葡萄酒特有的香气，丰富的红酒酵母活性物、红酒多酚、果酸、纤维素、维生素和微量元素等营养成分，生产100 t的葡萄酒可产成2.5～4 t的酒泥[9]。因此，积极开展葡萄酒泥综合利用的研究，有利于推动产业发展，增加经济效益和社会效益。

不同面膜制备工艺各有不同。在面膜制备工艺中，硅藻土、海藻酸钠以及甘油是最常见的辅料。硅藻土的物质组分以海藻为主，主成分为SiO2，优质的硅藻土呈白色-灰白色，质轻、润滑、耐磨、吸附性强，因而在医疗、食品、化妆品工业中广泛用作助滤剂和功能填料。在面膜中添加硅藻土，既可以增强酒泥面膜的稳定性，又可以起到清洁毛孔的作用。海藻酸钠因具有胶凝性、水合性、增稠与乳化性及稳定性，是生产美容面膜、膜材、印模的主要原料。它既可以增加肌肤的保水性，又可以增加肌肤的紧缩性及弹性。丙三醇存在于人体皮肤的角质层中，是应用最早、最广泛的天然保湿剂，接触皮肤后会产生温热感，有较好的保湿能力，且人体皮肤对其耐受力较好，较为安全。李林英[18]对可剥性粉末面膜的研制得出最佳配方为硅藻土、海藻酸钠的添加比例为10∶0.8；张伊凡[19]对柿果胶面膜进行研究，得出其水洗面膜的配方添加量为海藻酸钠1.5%、甘油5%；吉玉洁[20]在天然成分水洗面膜的研究中得出最佳配方为PEG-40氢化蓖麻油8.0%、丙三醇2.0%；周婷婷[21]对面部美白穴位贴的试制中得出添加海藻酸钠0.8 g、甘油10 g较好。本研究中也得出同上述研究相似的结论。在添加上述3种成分后，葡萄酒酒泥面膜保湿性、成膜性、抗寒性等基本指标有明显改善。本研究以葡萄酒酒泥为试材，添加硅藻土、海藻酸钠、甘油等多种保湿剂，开发出一款成分简单、天然的新型酒泥保湿面膜，其酒泥面膜最佳配方为：酒泥粉30份、海藻酸钠2.0份、硅藻土20份、丙三醇12.5份、己二醇1份、维生素B50.5份、香精 0.1份、PEG-40氢化蓖麻油4份、杰马BP 0.2份、纯水29.7份。经测试该面膜的保湿率达到93.52%，产品各项指标符合国标要求。