響應(yīng)面法優(yōu)化薄荷香精微膠囊制備工藝的研究

陳科兵，楊 君，趙 生，朱麗云，馬 林，*

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州450002; 2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江杭州310012; 3.中國計(jì)量學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310018)

響應(yīng)面法優(yōu)化薄荷香精微膠囊制備工藝的研究

陳科兵1，楊 君2，趙 生2，朱麗云3，馬 林1，*

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院，河南鄭州450002; 2.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江杭州310012; 3.中國計(jì)量學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310018)

以殼聚糖、海藻酸鈉作為壁材，用復(fù)凝聚相法對(duì)薄荷香精進(jìn)行包埋，通過海藻酸鈉的單因素實(shí)驗(yàn)確定殼聚糖和海藻酸鈉比例為1∶1，運(yùn)用響應(yīng)面分析法優(yōu)化影響微膠囊包埋的主要因素:壁材濃度、芯材/壁材比、pH和攪拌速度，采用多元二次回歸方程擬合上述四個(gè)因素與包埋率的函數(shù)關(guān)系，確定了復(fù)凝聚相法制備微膠囊的最佳條件為芯材/壁材比1∶1.5，攪拌速度2500r/min，壁材濃度0.5%和pH4.4，在此條件下包埋率為82.4%。

微膠囊，薄荷香精，響應(yīng)面分析

表2 不同海藻酸鈉濃度與0.5%殼聚糖的微膠囊

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

薄荷香精 杭州杭曼香精有限公司購買;薄荷醇 百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司;殼聚糖，海藻酸鈉，10%醋酸，吐溫-80。

JB-2型恒溫磁力攪拌器，YS100光學(xué)顯微鏡，攝影生物顯微鏡OLYMPUS BHT-312，日本島津14C氣相色譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)凝聚相法工藝流程 把薄荷香精加入一定濃度的殼聚糖稀酸溶液中，加適量吐溫-80乳化，攪拌均勻。調(diào)節(jié)體系溫度為41℃左右，加入適量海藻酸鈉溶液，并降低轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌，得微膠囊水溶液，用微量甲醛進(jìn)行交聯(lián)固化。

1.2.2 壁材殼聚糖/海藻酸鈉比例的選擇 按照1.2.1工藝，分別以0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%海藻酸鈉和0.5%殼聚糖進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，通過顯微鏡觀察微膠囊成囊情況，以顯微鏡視眼中微膠囊個(gè)數(shù)最多、粗測(cè)包埋率最高的壁材殼聚糖/海藻酸鈉比例作為復(fù)凝聚相法制備微膠囊的最佳比例。

1.2.3 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)凝聚相法制備薄荷香精微膠囊工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì)原理，以壁材濃度、攪拌速度、pH和芯材/壁材比四個(gè)因素為自變量，以薄荷香精微膠囊的包埋率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了優(yōu)化復(fù)凝聚相法制備微膠囊工藝的四因素三水平實(shí)驗(yàn)，其因素水平見表1。

表1 RSA實(shí)驗(yàn)因素水平表

1.2.4 包埋率的測(cè)定和計(jì)算 薄荷香精微膠囊乳液用0.25μm濾膜抽濾，濾液為未包埋香精，用阿貝折射儀測(cè)定未包埋薄荷香精的折射率，以薄荷香精濃度與折射率的標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程換算未包埋香精含量，用以下公式計(jì)算香精包埋率:

2 結(jié)果與分析

2.1 壁材殼聚糖/海藻酸鈉比例的選擇

海藻酸和海藻酸鹽是由單糖醛酸聚合的多糖，單糖主要有兩類型，即β-(1→4)D-甘露醛酸(M)與α-(1→4)L-古羅糖醛酸(G)，相對(duì)分子質(zhì)量32000～250000。殼聚糖的化學(xué)名稱是聚-2-氨基-2-脫氧-p-D葡萄糖，分子式為(C6H11O4N)n，殼聚糖溶于酸后，分子中胺基可與質(zhì)子相結(jié)合，而使自身帶正電荷。因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中胺基活性基團(tuán)的存在，可與海藻酸鹽的羧基結(jié)合，形成復(fù)凝聚而成為微膠囊。根據(jù)理論分析，殼聚糖聚陽離子(單體分子量為161)與海藻酸聚陰離子(單體分子量為198)配比為161∶198時(shí)，殼聚糖的氨基和海藻酸的羧基成完全反應(yīng)的比例，可以形成最佳復(fù)凝聚微膠囊。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)不同濃度的海藻酸鈉與0.5%殼聚糖進(jìn)行微膠囊包埋，結(jié)果如表2。

從表2可知，在一定范圍內(nèi)隨著海藻酸鈉濃度的增加，包埋率增加較快，由于海藻酸鈉和殼聚糖分子間發(fā)生的聚合反應(yīng)，在海藻酸鈉濃度為0.5%出現(xiàn)絮狀膠塊，隨著濃度增加絮狀膠塊增加，包埋率亦隨之增加，但趨于平緩。根據(jù)結(jié)果兩者濃度在整個(gè)體系中不超過0.5%時(shí)可以得到分散、無粘絲的微膠囊，兩者比例趨于1∶1時(shí)包埋率較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推斷接近。

2.2 中心組合實(shí)驗(yàn)優(yōu)化微膠囊工藝結(jié)果分析

2.2.1 RSA實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中采用溫度為40℃，以薄荷香精微膠囊的包埋率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)了四因素三水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

2.2.2 響應(yīng)面分析 根據(jù)響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，得到殼聚糖/海藻酸鈉為壁材制備薄荷香精的最佳工藝參數(shù)為:壁材濃度0.5%，攪拌速度2500r/min，pH4.4和芯材/壁材比1∶1.5，在此條件下包埋率為82.4%。運(yùn)用minitab軟件對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行回歸分析，經(jīng)回歸擬合后得到回歸方程為:

y=80.3+1.0583A+1.3667B+0.9667C+4.675D -1.375A2-3.9125B2-2.3125C2-2.775D2-0.175AB-0.25AC+0.25AD+1.225BC-0.6BD-1.025CD，回歸方程的方差分析見表4。

表3 RSA實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

表4 回歸方程的方差分析

從表4可以看出，方程的F值為18.84，查F分布的臨界表，得F＞F0.01(14，12)=3.80，說明上述回歸方程描述各因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系時(shí)，其應(yīng)變量與全體自變量之間的線性關(guān)系是顯著的，復(fù)相關(guān)系數(shù)的平方R2=95.65%，說明這種實(shí)驗(yàn)方法是可靠的。

根據(jù)回歸方程，作出響應(yīng)面立體圖，見圖1，RSA方法的圖形是特定的響應(yīng)值Y和對(duì)應(yīng)的因素A、B、C、D構(gòu)成的一個(gè)三維空間圖，可以直觀地反映各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，根據(jù)響應(yīng)面優(yōu)化圖可以得出各因素在微膠囊復(fù)凝聚工藝中的相互作用，確認(rèn)合適的工藝條件，由圖1可以看出，因素D(芯材/壁材比)對(duì)微膠囊包埋率的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線較陡，所以芯材/壁材比在實(shí)驗(yàn)過程中要嚴(yán)格控制，實(shí)驗(yàn)中隨著芯材囊材比例增加，即芯材含量增加或囊材含量降低，在相同的乳化時(shí)間和攪拌速度下，芯材分散于連續(xù)相中的顆粒直徑增大，導(dǎo)致微膠囊直徑變大，壁材分散于溶液中的含量降低，造成包埋率的下降。其次攪拌速度影響較大，攪拌速度的影響主要在于微膠囊直徑。隨著攪拌速度的增加，微膠囊的直徑減小，因?yàn)樗俣仍黾?，芯材油滴直徑變小，微膠囊直徑變小。最后是壁材濃度和pH，這兩者對(duì)微膠囊包埋率的影響在曲線上表現(xiàn)為較平滑。

圖1 芯材/壁材比、攪拌速度、壁材濃度和pH兩兩交互的響應(yīng)面曲線圖

3 討論

3.1 薄荷香精經(jīng)微膠囊后其釋放的問題尤為重要，選用殼聚糖、海藻酸鈉作為囊材進(jìn)行微膠囊化后，囊壁的厚薄和微膠囊直徑的大小不同會(huì)影響囊心擴(kuò)散速率，另外微膠囊的孔隙率以及外界因素等也將對(duì)薄荷香精的釋放產(chǎn)生影響，還有待于進(jìn)一步研究。

3.2 Minitab是一種有效的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，它是利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過建立數(shù)學(xué)模型來解決受多因素影響的最優(yōu)組合問題。有效控制了實(shí)驗(yàn)干擾，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全面的優(yōu)化分析，大大提高了實(shí)驗(yàn)方案的合理性、數(shù)據(jù)處理的可靠性及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀性?？傊琈initab、SAS、ED等軟件在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中將起到越來越重要的作用，在食品工業(yè)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

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Optimization of preparation technology of mint flavor microencapsulate with RSM

CHEN Ke-bing1，YANG Jun2，ZHAO Sheng2，ZHU Li-yun3，MA Lin1，*
(1.College of Food and Biological Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China; 2.China Tobacco Zhejiang Industrial Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China; 3.College of Life Sciences，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China)

The preparation technology of mint flavor microencapsulate was studied in this paper，with double plase separation-coacevation used by chitosan-alginate.The ratio of 1∶1 of chitosan to alginate was obtained by alginate’s single factor experiment.By response surface method，the main microcapsule factors were optimized，including wall-material concentration，the ratio of core-material to wall-material，pH and shaked rate.Using multiquadratic regression equation to fit the functional relationships between four above factors and the embedding rate，the optimal microencapsulation conditions by double plase separation-coacevation were determined as following，the ratio of core-material to wall-material 1∶1.5，shaked rate 2500r/min，wall-material concentration 0.5% and pH 4.4，the embedding rate was 82.4%.

microcapsule;mint flavor;response surface methodology

TS201.1

B

1002-0306(2011)03-0324-04

薄荷香精含薄荷醇75%～85%，薄荷酮5%～15%、乙酸薄荷酯、萜烯等成分。薄荷香精因具有清涼活性而廣泛應(yīng)用于食品和飲料行業(yè)［1-3］。鑒于薄荷香精極易升華或揮發(fā)，不僅在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了強(qiáng)烈的刺激，而且影響了產(chǎn)品的壽命。只有有效地保護(hù)薄荷香精的穩(wěn)定性，才能制得品質(zhì)較好的薄荷食品。微膠囊技術(shù)是一種用成膜材料把固體或液體包覆使形成微小粒子的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中，其優(yōu)勢(shì)在于緩釋、使囊心免受外界因素影響。制備微膠囊的方法有很多，國內(nèi)外現(xiàn)有報(bào)道的方法有復(fù)凝聚相法、噴霧干燥法和分子包結(jié)法等，包囊材料有β-環(huán)糊精、明膠、阿拉伯膠、麥芽糊精等多種。殼聚糖(Chitosan)是一種天然陽離子多糖，可降解、具有良好的成膜性和生物相容性及一定的抗菌和抗腫瘤等優(yōu)異性能，原料易得，價(jià)格便宜。近兩年國內(nèi)陸續(xù)有單位開展以殼聚糖作為食品微膠囊化的囊壁材料方面的研究，但普遍存在包埋率不高的問題，結(jié)果不是十分理想［4-7］，而海藻酸鈉是一種從天然褐藻中提取的聚陰離子多糖的鈉鹽，可以與聚陽離子(如殼聚糖)通過靜電相互作用，在微膠囊表面復(fù)合一層聚電解質(zhì)半透膜。利用殼聚糖-海藻酸鈉制備頭孢曲松、中藥提取物微粒等在醫(yī)藥應(yīng)用中有報(bào)道［8-9］，但在食品中作為兩者同時(shí)作為壁材尚未見報(bào)道。本文用殼聚糖、海藻酸鈉作為囊壁材料，采用復(fù)凝聚相法對(duì)薄荷香精進(jìn)行微膠囊化，系統(tǒng)地探討了殼聚糖濃度、海藻酸鈉濃度、芯壁比、pH、攪拌速度等因素對(duì)微膠囊化效果的影響，確定了最佳工藝條件，制得了包埋率高、產(chǎn)品質(zhì)量好的薄荷香精微膠囊。

2009-09-27 *通訊聯(lián)系人

陳科兵(1978-)，男，工程師，主要從事卷煙香料研究。