響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化紫膠樹脂鈉鹽為壁材制備VE微膠囊工藝

潘正東，李 凱，徐 涓，周梅村，張 弘,*，鄭 華（.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明　6504；.昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明　6504）

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響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化紫膠樹脂鈉鹽為壁材制備VE微膠囊工藝

潘正東1，李 凱1，徐 涓1，周梅村2，張 弘1,*，鄭 華1
（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明650224；2.昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明650224）

摘 要：為探索紫膠樹脂鈉鹽在微膠囊壁材上的應(yīng)用，將VE作為芯材，采用噴霧干燥法制備VE微膠囊。以包裹率為目標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化和分析，得到最佳工藝條件為：乳化劑親水疏水平衡值11、乳化劑用量0.833 g、芯壁比1∶2.2。在此工藝條件下，制得的VE微膠囊為表面光滑的球型顆粒，其包裹率為78.06%，載藥量為31.8%。結(jié)果表明，以紫膠樹脂鈉鹽為壁材的VE微膠囊具有良好的熱穩(wěn)定性和復(fù)溶性，內(nèi)容物可在中性pH值或腸內(nèi)環(huán)境下釋出，是一種較好的新型食品微膠囊壁材。

關(guān)鍵詞：紫膠樹脂鈉鹽；VE；微膠囊壁材；噴霧干燥

引文格式：

潘正東, 李凱, 徐涓, 等. 響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化紫膠樹脂鈉鹽為壁材制備VE微膠囊工藝[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(12): 19-26.

PAN Zhengdong, LI Kai, XU Juan, et al. Response surface methodology for optimization of microencapsulation of vitamin E with sodium shellac as wall material[J]. Food Science, 2016, 37(12): 19-26. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201612004. htt p://www.spkx.net.cn

紫膠樹脂是寄生在植物上的紫膠蟲所分 泌的一種天然樹脂，具有熱塑性、熱固性、抗潮、耐油、耐酸和優(yōu)良的成膜性能[1-5]，廣泛應(yīng)用在軍工、電子、醫(yī)藥等行業(yè)[6-9]，并經(jīng)美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)證作為食品添加劑[10]。紫膠樹脂是由長(zhǎng)鏈羥基脂肪酸和環(huán)狀倍半萜烯酸組成的聚酯類化合物[11]，不溶于水，僅溶解乙醇等少量的有機(jī)溶劑，其應(yīng)用范圍受到極大的限制[12-15]。紫膠樹脂水溶解性取決于其羧基電離程度，通過(guò)碳酸鈉與紫膠樹脂反應(yīng)可生成紫膠樹脂鈉鹽，增加了紫膠樹脂羧基的電離程度[16]。紫膠樹脂鈉鹽作為新的紫膠樹脂基質(zhì)材料，既保持了紫膠樹脂熱塑性、成膜性，還兼具有一定的表面活性。

微膠囊技術(shù)是利用天然或化學(xué)合成的成膜材料將活潑性、敏感性或揮發(fā)性的固體或液體物質(zhì)包裹，得到包裹復(fù)合材料，其平均粒徑分布在納米與毫米之間。制備微膠囊的方法有化學(xué)法（界面配位法、界面聚合法、原位聚合法以及銳孔-凝固浴法）、物理法（噴霧干燥法、空氣懸浮法、超臨界流體法、靜電結(jié)合法、擠壓法、包合法、多孔離心法、真空蒸發(fā)沉積法、噴霧冷卻法、噴霧冷凝法、旋轉(zhuǎn)分離法）以及物理化學(xué)法（相分離法、干燥浴法、熔化分散冷凝法、粉末床法）[17-19]等。

疏水性藥物VE是一種強(qiáng)有效的自由基清除劑，能保護(hù)機(jī)體細(xì)胞膜生命大分子免遭自由基的攻擊，在延緩衰老、防治心血管疾病方面具有良好的效果，但是其暴露在氧、紫外線、堿、鐵鹽和鉛鹽條件下會(huì)遭受一定程度的破壞[20]。本研究將以紫膠樹脂鈉鹽為壁材、VE為芯材，噴霧干燥方法制備微膠囊，考察紫膠樹脂作為微膠囊壁材的可能性。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

紫膠樹脂中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所特色森林資源工程技術(shù)研究中心；碳酸鈉、乙醇（均為分析純）重慶川東化工有限公司；去離子水實(shí)驗(yàn)室自制；Span-80（分析純）天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；Tween-80（分析純）天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；VE（分析純）國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2儀器與設(shè)備

DSX-90數(shù)顯攪拌機(jī)杭州儀表電機(jī)有限公司；Tensor-27傅里葉紅外光譜儀德國(guó)布魯克公司；JC2000A靜滴接觸角測(cè)量?jī)x上海中晨公司；SD1000噴霧干燥儀日本東京理化儀器公司；1200高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）儀美國(guó)安捷倫科技有限公司；RCZ-8藥物溶出儀天津天光光學(xué)儀器有限公司；BZY-1型表面張力儀上海平軒科學(xué)儀器有限公司；T-25高速剪切乳化機(jī)德國(guó)IKA公司；FD-1-50冷凍干燥機(jī)北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；BILON92-IID超聲波發(fā)生器上海比朗儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1紫膠樹脂鈉鹽的制備及其表面張力曲線測(cè)定

配制濃度為0.1 mol/L碳酸鈉溶液，在60 ℃條件下，分別取1 L上述濃度的碳酸鈉溶液進(jìn)行紫膠樹脂的溶解，直至溶液飽和，得到紫膠樹脂鈉鹽飽和溶液，進(jìn)行冷凍干燥后得到固體紫膠樹脂鈉鹽待用[16]。

配制一系列不同濃度的紫膠樹脂鈉鹽樣品溶液。在 25 ℃條件下，通過(guò)吊片法，在 BZY-1型表面張力儀上測(cè)定不同濃度樣品溶液的表面張力，重復(fù)3 次，取其平均值，得到表面張力與紫膠樹脂鈉鹽濃度之間的關(guān)系曲線，其中紫膠樹脂鈉鹽相對(duì)分子質(zhì)量約為500（紫膠樹脂是聚合物，其相對(duì)分子質(zhì)量沒(méi)有確切的值）。

1.3.2紫膠樹脂鈉鹽為壁材制備VE微膠囊工藝

圖1　紫膠樹脂鈉鹽VE微膠囊制備工藝流程圖Fig. 1　Process flow chart for the preparation of vitamin E microcapsules with lac resin sodium

如圖1所示，稱取一定量的紫膠樹脂鈉鹽，用一定量的蒸餾水將紫膠樹脂鈉鹽溶解在燒杯中，然后按照要求分別稱取乳化劑及VE于燒杯中，并與已溶解好的紫膠樹脂鈉鹽溶液混合，得到混合液，用高速剪切乳化機(jī)進(jìn)行乳化7 min后，用超聲乳化儀繼續(xù)乳化，超聲乳化結(jié)束后，即得微膠囊初乳化液。將制備好的乳狀液按照設(shè)定的進(jìn)料流量、進(jìn)口溫度與出口溫度進(jìn)行噴霧干燥，收集產(chǎn)品測(cè)定包裹率、載藥量。

1.3.3VE含量測(cè)定

HPLC法：色譜柱：C18；流動(dòng)相：100%甲醇；流量：0.5 mL/min；柱溫：30℃；檢測(cè)波長(zhǎng)：284 nm。用VE的標(biāo)準(zhǔn)貯備液配制質(zhì)量濃度為0.05、0.08、0.1、0.4、0.6、0.8、1.0 g/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在上述色譜條件下進(jìn)樣5 μL，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)做標(biāo)準(zhǔn)曲線。紫外特征吸收見(jiàn)圖2。標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：Y=1 892.3X－5.596 1 ，擬合度R2=99.99%。

圖2　VE的紫外特征吸收峰Fig. 2　UV characteristic absorption peak of vitamin E

1.3.4包埋效果的測(cè)定[18]

微膠囊表面VE質(zhì)量測(cè)定：取定量微膠囊化產(chǎn)品于燒杯中，添加適量石油醚（沸程30～60 ℃）于燒杯中，進(jìn)行10 min攪拌，洗下表面油，過(guò)濾，收集濾液，在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上揮盡石油醚，乙醇定容100 mL，HPLC檢測(cè)。

微膠囊總VE質(zhì)量測(cè)定：取定量微膠囊化產(chǎn)品于燒杯中，添加適量無(wú)水乙醇在37℃的恒溫水浴鍋中加熱溶解，乙醇定容，HPLC檢測(cè)。

包裹率和載藥量計(jì)算如式（1）、（2）所示：

1.3.5單因素試驗(yàn)

親水疏水平衡（hydrophile-lipophile balance，HLB）值用來(lái)衡量乳化劑親水和親油性的大小。鑒于實(shí)驗(yàn)所用的是Span-80和Tween-80為復(fù)配乳化劑，其HLB值選擇范圍為7～14。配方固定條件：VE用量3 g、乳化劑用量1 g、壁材（紫膠樹脂鈉鹽）用量6 g、芯壁比1∶2（g/g）；超聲固定條件：超聲功率1 000 W、超聲時(shí)間40 min、超聲工作時(shí)間1 s（間隔時(shí)間2 s）；噴霧干燥固定條件：干燥空氣（介質(zhì)）進(jìn)口溫度120 ℃、進(jìn)料流量0.54 L/h。其他單因素試驗(yàn)在已有單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，保持其他固定條件不變，對(duì)制得的VE微膠囊產(chǎn)品進(jìn)行包裹率、載藥量測(cè)定。

1.3.6響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以包裹率為響應(yīng)值，通過(guò)響應(yīng)面分析對(duì)微膠囊條件進(jìn)行優(yōu)化。選擇對(duì)包裹率影響較大的3 個(gè)因素乳化劑HLB值、乳化劑用量、芯壁比，借助Minitab 15軟件設(shè)計(jì)程序，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行三因素三水平的設(shè)計(jì)（表1）。配方固定條件：VE用量3 g、超聲功率1 500 W、超聲工作時(shí)間1 s（間隔時(shí)間2 s）、超聲時(shí)間50 min；噴霧干燥固定條件：干燥空氣（介質(zhì)）進(jìn)口溫度140 ℃、進(jìn)料流量0.54 L/h。

表1　響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 levels for the factors used in response surface analysis

1.3.7VE微膠囊的理化性質(zhì)檢驗(yàn)

1.3.7.1VE微膠囊的差示掃描量熱（differential scanning calorimetry，DSC）分析

VE微膠囊的DSC分析在配置有液氮冷卻裝置的DSC分析儀上進(jìn)行。將VE微膠囊樣品放入鋁盒中，以空鋁盒作為參比。對(duì)兩種樣品進(jìn)行DSC分析，分析條件：初始溫度設(shè)為0 ℃，以10 ℃/min的升溫速率加熱至260 ℃，恒溫10 min，以保證試樣吸熱充分和基線平穩(wěn)。加熱過(guò)程均在吹掃氣和保護(hù)氣（均為高純N2，其中吹掃氣流速20 mL/min，保護(hù)氣流速50 mL/min）的氣氛下進(jìn)行，降溫介質(zhì)為液氮。

1.3.7.2VE微膠囊的掃描電鏡表征

由于紫膠樹脂鈉鹽和VE的電阻系數(shù)和介電強(qiáng)度高，樣品的掃描電鏡成像表征首先要進(jìn)行噴金處理，再在掃描電鏡下進(jìn)行觀察、檢測(cè)及成像。

1.3.7.3VE微膠囊的紅外光譜分析

對(duì)紫膠樹脂鈉鹽和VE、VE微膠囊產(chǎn)品分別進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，其中VE采用液膜法進(jìn)行檢測(cè)，其他均采用KBr壓片法進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.7.4VE微膠囊在不同液體環(huán)境中的溶解性質(zhì)

配制pH 1.0的0.1 mol/L HCl溶液（模擬胃液環(huán)境）、pH 6.8磷酸二氫鉀-氫氧化鈉溶液（模擬腸液環(huán)境）、去離子水（pH 7.2）3種不同pH值的溶液1 000 mL，分別稱取1 g VE微膠囊（最佳條件下制備，載藥量已知）放入藥物溶出儀，參照2005年《國(guó)家藥典》[21]的溶出度檢出方法，使用槳法，設(shè)定轉(zhuǎn)速為100 r/min，溫度為37 ℃，每5 min抽取1 mL溶劑（同時(shí)補(bǔ)足新溶劑），測(cè)定實(shí)時(shí)VE質(zhì)量濃度，從而計(jì)算出溶液環(huán)境中VE的含量，繪制溶解曲線。

2　結(jié)果與分析

2.1紫膠樹脂鈉鹽的表面張力

圖3　紫膠樹脂鈉鹽表面張力與濃度之間的關(guān)系曲線Fig. 3　Surface tension vs. concentration curve for sodium shellac

如圖3所示，紫膠樹脂鈉鹽在一定濃度條件下會(huì)發(fā)生表面張力顯著降低的情況，因紫膠樹脂系非均質(zhì)材料，無(wú)普通表面活性劑所具有的明顯拐點(diǎn)，但是其降低表面張力的能力還是比較顯著。

2.2單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1乳化劑HLB值的選擇

圖4　乳化劑HLB值與微膠囊包裹率及載藥量的關(guān)系Fig. 4　Effect of HLB value of emulsifier on microencapsulation efficiency and drug-loading efficiency

由圖4可以看出，隨著乳化劑HLB值的增加，包裹率先增加后降低，而載藥量在HLB值變化范圍內(nèi)也存在一個(gè)最大值，包裹率的變化幅度較大說(shuō)明乳化劑HLB值是影響包裹率的主要因素。因?yàn)槿榛瘎?duì)噴霧干燥前的初乳液的乳化程度有很重要的影響，乳化程度好，VE被乳化劑和紫膠樹脂鈉鹽包裹后成為細(xì)小的微球，微球之間被紫膠樹脂鈉鹽溶液間隔且均勻地分散于乳液中，形成水包油體系；在噴霧干燥過(guò)程中以這種微球狀態(tài)從噴霧口噴出，同時(shí)以紫膠樹脂鈉鹽水溶液附著在微球外，在受熱后紫膠樹脂鈉鹽溶液固化后成膜包裹含VE的微球，從而達(dá)到包裹的目的，試驗(yàn)結(jié)果顯示，復(fù)配乳化劑的HLB值為11時(shí)，包裹率和載藥量均達(dá)到最大值，可以作為下一步單因素試驗(yàn)的固定條件。復(fù)配乳化劑的HLB值在10～12范圍內(nèi)VE的包裹率較高，作為下一步響應(yīng)面法的優(yōu)化范圍。

2.2.2乳化劑用量的選擇

圖5　乳化劑用量與微膠囊包裹率及載藥量的關(guān)系Fig. 5　Effect of emulsifier dosage on microencapsulation efficiency and drug-loadin efficiency

由圖5可以看出，載藥量隨著乳化劑用量的增加逐漸降低，這是因?yàn)殡S著乳化劑用量的增加，溶液中總的固含量增加，在芯材質(zhì)量不變的情況下，其比例漸漸降低，造成了VE微膠囊載藥量的下降。乳化劑用量在0.5～2.0 g范圍時(shí)，包裹率急劇先增加后降低；在乳化劑用量較低時(shí)不足以使乳化液乳化完全，但是隨著乳化劑用量的增加，乳化劑能夠自己乳化成球，從而擠占部分壁材，使部分VE微膠囊的包裹性不好，裸露于外，造成了包裹率的降低。試驗(yàn)結(jié)果顯示，復(fù)配乳化劑的用量為1 g時(shí)，包裹率達(dá)到最大值，可以作為下一步單因素試驗(yàn)的固定條件。乳化劑用量在0.5～1.5 g的范圍內(nèi)包裹率較高，作為下一步響應(yīng)面法的優(yōu)化范圍。

2.2.3芯壁比的選擇

由圖6可以看出，隨著壁材用量的增加，載藥量急劇降低，降低原因類似于2.2.2節(jié)單因素試驗(yàn)，隨著芯壁比的減少，溶液中的固含量增加而芯材的質(zhì)量不變，在整個(gè)溶液經(jīng)過(guò)噴霧干燥固化后，使噴出的VE微膠囊載藥量逐漸降低；而前期隨著芯壁比的減少，VE微膠囊的包裹率逐漸增加，隨著壁材量的增加，易形成大塊凝膠而不利于VE微膠囊的形成，使部分VE裸露，致其包裹率降低。包裹率在芯壁比為1∶2時(shí)達(dá)到最大值，可以作為下一步單因素試驗(yàn)的固定條件。芯壁比在1∶1.5～1∶2.5的范圍內(nèi)包裹率較高，可作為下一步響應(yīng)面法綜合優(yōu)化范圍。

圖6　芯壁比與包裹率及載藥量的關(guān)系Fig. 6　Effect of rate of core material to wall material on microencapsulation efficiency and drug-loading efficiency

2.2.4超聲功率的選擇

圖7　超聲功率與包裹率及載藥量的關(guān)系Fig. 7　Effect of ultrasonic power on microencapsueation efficiency and drug-loading efficiency

由圖7可以看出，超聲功率在500～1 000 W時(shí)，載藥量有先增加后降低的趨勢(shì)，但是其僅僅在1%的范圍內(nèi)變化，可見(jiàn)在各個(gè)組分固含量的質(zhì)量比確定后，載藥量并沒(méi)有太大的變化。而包裹率隨著超聲功率的增加呈線性增加，是因超聲功率越大，乳液的乳化效果越好，從而表現(xiàn)出包裹率逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因超聲功率超過(guò)1 500 W后包裹率隨著功率的增長(zhǎng)變化不大，所以選取超聲功率1 500 W作為單因素試驗(yàn)條件。

2.2.5超聲時(shí)間的選擇

圖8　超聲時(shí)間與包裹率及載藥量的關(guān)系Fig. 8　Effect of ultrasonic irradiation time on microencapsulation efficiency and drug-loading efficiency

由圖8可以看出，在一定超聲時(shí)間范圍內(nèi)，包裹率并無(wú)太大的變化，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，包裹率逐漸增大，但到50 min后，包裹率增加幅度不明顯。其對(duì)包裹率的作用機(jī)理，類似于2.2.4節(jié)，故將超聲時(shí)間50 min作為下一單因素試驗(yàn)的固定條件。

2.2.6干燥空氣（介質(zhì)）進(jìn)口溫度的選擇

圖9　干燥空氣（介質(zhì)）進(jìn)口溫度與包裹率及載藥量的關(guān)系Fig. 9　Effect of inlet temperature on microencapsulation efficiency and drug-loading efficiency

由圖9可以看出，隨著干燥空氣（介質(zhì)）進(jìn)口溫度的升高，微膠囊的包裹率也一直在提高，這是因?yàn)樵诟邷貤l件下微膠囊壁能夠迅速固化，避免其中的芯材流出，但是當(dāng)干燥空氣（介質(zhì)）進(jìn)口溫度過(guò)高時(shí)，水分蒸發(fā)速度快，囊壁表面易產(chǎn)生氣孔，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致壁材成膜性降低，產(chǎn)生糊化，從而使包裹率和載藥量均下降。由圖9可以看出，干燥空氣（介質(zhì)）進(jìn)口溫度在140 ℃為宜。

2.2.7干燥空氣（介質(zhì)）出口溫度的選擇

圖10　干燥空氣（介質(zhì)）出口溫度與包裹率及載藥量的關(guān)系Fig. 10　Effect of outlet temperature on microencapsulation efficiency and drug-loading efficiency

干燥空氣（介質(zhì)）出口溫度對(duì)于微膠囊的囊壁結(jié)構(gòu)和水分含量有較大影響。干燥空氣（介質(zhì)）出口溫度高，有利于產(chǎn)品形成完整致密的壁結(jié)構(gòu)，也可使產(chǎn)品水分含量低，有利于改善噴霧干燥的效果。但過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品過(guò)度受熱而開裂，包裹率下降。由圖10可以看出，干燥空氣（介質(zhì)）出口溫度以66 ℃比較適宜。

2.3響應(yīng)面法優(yōu)化VE微膠囊制備工藝

2.3.1響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

在制備紫膠樹脂鈉鹽VE微膠囊的單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)。以VE微膠囊包裹率作為響應(yīng)值，選擇對(duì)其影響較大的3 個(gè)因素乳化劑HLB值、乳化劑用量、芯壁比（VE-紫膠樹脂鈉鹽質(zhì)量比）為變量，并選取這3 個(gè)因素中較好水平為考察值，借助Minitab 15軟件設(shè)計(jì)程序?qū)υ囼?yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案以及微膠囊包裹率測(cè)定結(jié)果Table 2 Box-Behnken design with experimental results of microencapsulation efficiency

2.3.2模型方程的建立與顯著性試驗(yàn)

根據(jù)表2進(jìn)行試驗(yàn)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸擬合，利用Minitab 15軟件建立的數(shù)學(xué)模型為：

表3　回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 3 Significance test of regression coefficients in regression model

表3表明，根據(jù)P值判斷，乳化劑用量以及芯壁比依次為影響VE微膠囊包裹率2 個(gè)重要的因素，優(yōu)化試驗(yàn)中乳化劑HLB值重要性并沒(méi)有明顯的體現(xiàn)。

表4　回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance of regression equation

表4方差分析表明，方差線性影響顯著，其次是平方項(xiàng)，而交互項(xiàng)影響相對(duì)不顯著。這是因?yàn)槿榛瘎┯昧繉?duì)包裹率影響權(quán)重太大，類似于單因素影響，如表4所示，數(shù)學(xué)模型擬合度為97.67%，擬合情況較好。證明應(yīng)用響應(yīng)面法表達(dá)VE微膠囊包裹率的模型較為可靠。

2.3.3響應(yīng)面優(yōu)化以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11　各因素交互作用對(duì)包裹率影響的等高線和響應(yīng)面圖Fig. 11　Response surface and contour plots showing the interactive effects of three factors on microencapsulation efficiency

由圖11可以看出，VE微膠囊包裹率較高點(diǎn)均在所選因素范圍的中間部分，試驗(yàn)結(jié)果較為理想。利用相應(yīng)Minitab 15軟件的響應(yīng)優(yōu)化器，以包裹率最大為目標(biāo)得到優(yōu)化條件為：乳化劑HLB值11、乳化劑用量0.833 g、芯壁比1∶2.2。進(jìn)行3 次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，所得微膠囊包裹率分別為77.89%、78.21%、78.08%，其平均值為78.06%，以此優(yōu)化工藝得到載藥量為31.80%。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的理論預(yù)測(cè)值為78.33%，與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的平均值78.06%相差不大，說(shuō)明回歸方程能較真實(shí)地反映各因素對(duì)包裹率的影響。

2.4VE微膠囊的理化性質(zhì)檢驗(yàn)

2.4.1VE微膠囊的DSC曲線分析

圖12　VE微膠囊（a）與紫膠樹脂鈉鹽（b）的DSC分析圖Fig. 12　DSC curves of VE microcapsule and sodium shellac

在微膠囊眾多熱性質(zhì)中，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是判斷微膠囊優(yōu)異性質(zhì)的重要的指標(biāo)，這是因?yàn)楫?dāng)貯藏溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，微膠囊的壁材在微觀上因分子鏈開始活動(dòng)，致使芯材向外擴(kuò)散和外界物質(zhì)進(jìn)入微膠囊的速率增加，從而使產(chǎn)品質(zhì)量下降[22]。當(dāng)VE被紫膠樹脂鈉鹽包埋后，VE微膠囊產(chǎn)品的熱力學(xué)性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生一定的變化，為了驗(yàn)證微膠囊的形成，采用DSC對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱力學(xué)分析。如圖12所示，紫膠樹脂鈉鹽制成的VE微膠囊與紫膠樹脂鈉鹽的吸熱峰相比明顯整體向低溫處移動(dòng)，但是其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在48.6 ℃，高于常溫，可以在常溫條件下貯存使用。

2.4.2VE微膠囊的掃描電鏡分析

圖13　以紫膠樹脂鈉鹽為壁材制備的VE微膠囊掃描電鏡圖Fig. 13　Scanning electron microphotographs of VE microcapsule

由圖13可以看出，本實(shí)驗(yàn)制備的微膠囊為球形，表面光滑沒(méi)有裂縫產(chǎn)生，囊壁的結(jié)構(gòu)保持完整，對(duì)芯材保護(hù)良好。另外微膠囊的顆粒粒徑分布也較為均勻，粒徑在3 μm左右。

2.4.3VE微膠囊紅外光譜分析

圖14　紫膠樹脂鈉鹽與紫膠樹脂VE微膠囊、VE的紅外譜圖Fig. 14　Infrared spectra of VE, VE microcapsule and sodium shellac

由圖14可以看出，以紫膠樹脂鈉鹽為壁材制成的VE微膠囊紅外譜圖，保留紫膠樹脂鈉鹽本身的多個(gè)特征吸收峰，如：1 566 cm－1處的羧基成鹽以后所形成的C＝O的振動(dòng)耦合吸收峰，以及720 cm－1處長(zhǎng)鏈烷烴的特征吸收峰。1 758、1 209 cm－1處屬于VE的特征峰在微膠囊的紅外譜圖中出現(xiàn)，由此可知，紫膠樹脂微膠囊是由以上兩種物質(zhì)組成的。

2.4.4VE微膠囊溶解性分析

向3種不同溶液環(huán)境中各加入優(yōu)化條件制備的VE微膠囊1 g，由于載藥量已知為31.80%，1 g VE微膠囊中含有0.318 g VE。在pH 1的模擬胃環(huán)境的鹽酸溶液中，紫膠樹脂鈉鹽包裹VE微膠囊不溶解，因此也無(wú)VE釋放。紫膠樹脂鈉鹽在類似于胃液環(huán)境的酸條件下不溶解正是其理化特征之一，表明其制備的VE微膠囊具有保藥性，使其不在胃中釋放內(nèi)容物，避免其對(duì)胃造成刺激。

圖15　在pH 6.8磷酸鹽緩沖液（a）和pH 7.2的去離子水（b）中的VEE釋放曲線Fig. 15　Release curves of VE microcapsule in phosphate buffer solution (pH 6.8) and deionized water (pH 7.2)

如圖15a所示，VE微膠囊在溶解5 min后，VE溶出量就達(dá)0.112 g（溶出度為35%）。但是在5～40 min，其溶出度并沒(méi)有大的變化，僅僅是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可見(jiàn)，紫膠樹脂鈉鹽包裹VE微膠囊溶解性較好，并有突釋的特性，但是在實(shí)驗(yàn)后期觀察到紫膠樹脂鈉鹽VE微膠囊仍有一部分殘存、未溶解。去離子水（pH 7.2）中溶解曲線與磷酸鹽緩沖液相似，溶解度并沒(méi)有大的提高，僅在0.12 g附近變化，在實(shí)驗(yàn)中觀察同樣存在未溶解VE微膠囊（溶出度為37%）。

由以上結(jié)果可以看出，以紫膠樹脂作為壁材的VE微膠囊釋放性能一般，其水溶性并不如紫膠樹脂鈉鹽，這是因?yàn)樵?40 ℃條件下經(jīng)過(guò)噴霧干燥過(guò)后，一部分壁材受熱后，聚合后變?yōu)椴蝗芪?，并且從圖12可以看出，紫膠樹脂鈉鹽在100～150 ℃范圍內(nèi)發(fā)生了吸熱現(xiàn)象，而在噴霧干燥中經(jīng)過(guò)了140 ℃的進(jìn)口溫度，應(yīng)有一部分材料受熱、聚合變質(zhì)，致使其溶解性降低。另外，本實(shí)驗(yàn)制備的VE微膠囊包裹率有78.06%，尚有21.94%的VE附著在微膠囊的表面，因其為油性物質(zhì)，一定程度上阻礙了水分與紫膠樹脂鈉鹽的接觸，從而降低了VE微膠囊的溶解性。

3　結(jié) 論

本研究制備了以紫膠樹脂鈉鹽為壁材的VE微膠囊。以包裹率為目標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化和分析，得出最佳工藝條件：乳化劑HLB值11、乳化劑用量0.833 g、芯壁比1∶2.2。在此工藝條件下，制得VE微膠囊的包裹率為78.06%，載藥量為31.80%。對(duì)制得的VE微膠囊進(jìn)行了理化性質(zhì)的表征，以紫膠樹脂鈉鹽為壁材的VE微膠囊具有良好的熱性質(zhì)，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為48.6 ℃，高于常溫，可以常溫貯藏使用；微膠囊為表面光滑的球型微膠囊，粒徑分布均勻，在3 μm左右。實(shí)驗(yàn)表明紫膠樹脂鈉鹽可以作為VE壁材使用，所得到VE微膠囊成球性較好，復(fù)溶性佳，有作為新型食品微膠囊壁材的潛質(zhì)。

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Response Surface Methodology for Optimization of Microencapsulation of Vitamin E with Sodium Shellac as Wall Material

PAN Zhengdong1, LI Kai1, XU Juan1, ZHOU Meicun2, ZHANG Hong1,*, ZHENG Hua1
(1. Research Institute of Resources Insects, Chinese Academy of Forestry, Kunming650224, China; 2. Faculty of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming650224, China)

Abstract:Sodium shellac, a thermoplastic polymer, has high surfactant activity. In this study, we attempted to fabricate vitamin E microcapsule with sodium shellac as the wall material by spray drying. The optimization of process parameters for improved microencapsulation efficiency was done using one-factor-at-a-time method and response surface methodology. It turned out that the optimal conditions for preparing vitamin E microcapsule were as follow s: hydrophile-lipophile balance (HLB) of emulsifier, 11; emulsifier dosage, 0.833 g; and ratio of core to wall materials, 1:2.2. Under these conditions, the microcapsules with microencapsulation efficiency of 78.06% and drug-loading efficiency of 31.8% were obtained as spherical particles with a smooth surface. The vitamin E microcapsule had high thermal stability and good solubility, and it exhibited good release performance at neutral pH or in the intestinal environment. Thus, sodium shellac potentially could be used in the food industry as a good novel microcapsule wall material.

Key words:sodium shellac; vitamin E; microcapsule wall material; spray drying

收稿日期：2016-02-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2014AA021801）

作者簡(jiǎn)介：潘正東（1990—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樘烊划a(chǎn)物化學(xué)與利用。E-mail：995645702@qq.com

*通信作者：張弘（1963—），男，研究員，博士，研究方向?yàn)榱謽I(yè)生物資源化學(xué)與利用。E-mail：kmzhhong@163.com

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201612004 10.7506/spkx1002-6630-201612004. http://www.spkx.net.cn

中圖分類號(hào)：TS202.3；TQ351.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6630（2016）12-0019-08