響應面法優(yōu)化火麻仁油微膠囊噴霧干燥工藝的研究

石江傳， 石佳， 于明曉， 趙偉學， 徐昊， 徐磊

1. 中國海洋大學食品科學與工程學院，山東 青島 266100；2. 美泰科技(青島)股份有限公司，山東 青島 266400

火麻仁油中多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids，PUFAs)含量較高，可達90%以上，其中n-6/n-3 PUFA的比值為2，被世界衛(wèi)生組織(WHO)和聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)認定為人體正常代謝的n-6/n-3 PUFA的最佳配比；另外，火麻仁油中含有豐富的維生素E、植物甾醇等生物活性成分，具有很好的抗氧化、降血脂、改善記憶的功效[1-4]。但火麻仁油穩(wěn)定性差，自身易氧化酸敗，產(chǎn)生異味，因此不利于儲藏運輸及在方便食品中的開發(fā)，限制了其應用領(lǐng)域及市場價值[5]。

目前，對火麻仁油的研究主要集中于油脂提取、化學成分及功能研究等方面。如耿晶娟等[6]通過研究證明水酶法提取火麻仁油的收率較高，可達83%以上；李永進等[7]從體內(nèi)外抗氧化2個方面探究火麻仁油的抗氧化效果，體外實驗證實火麻仁油能夠顯著清除DPPH自由基；小鼠體內(nèi)實驗證實，火麻仁油能夠提高小鼠體內(nèi)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)的活性，降低丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，從而防止機體內(nèi)的氧化損傷。但對于火麻仁油微囊化及包埋效果驗證方面的研究鮮有報道。

基于此，本研究以火麻仁油為芯材、單雙脂肪酸甘油酯為乳化劑、酪蛋白酸鈉為壁材、固體玉米糖漿為填充劑、檸檬酸鈉為緩沖鹽、抗壞血酸棕櫚酸鈉為抗氧化劑，采用響應面法分析干物濃度、進風溫度、出風溫度對火麻仁油微膠囊包埋效果的影響，以確定最佳的噴霧干燥制備工藝；隨后通過掃描電鏡觀察火麻仁油微膠囊表面形態(tài)結(jié)構(gòu)，以確定包埋效果；并利用油脂氧化分析儀檢測火麻仁油微膠囊的氧化穩(wěn)定性。研究結(jié)果期望為火麻仁油的開發(fā)和應用提供理論和應用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

火麻仁油購自遼寧俏牌生物科技有限公司；酪蛋白酸鈉購自恒天然(中國)有限公司；單雙脂肪酸甘油酯購自河南正通食品科技有限公司；固體玉米糖漿購自保齡寶生物股份有限公司；抗壞血酸棕櫚酸鈉購自帝斯曼江山制藥(江蘇)有限公司；檸檬酸鈉購自青島天嘉食品配料有限公司。

HHS-11-2電熱恒溫水浴鍋(上海博迅實業(yè)有限公司)；BS223S型電子天平(賽多利斯科學儀器有限公司)；PHS-3C pH計(上海雷磁儀器廠)；高速剪切機(弗魯克流體機械制造有限公司)；SRH60-70高壓均質(zhì)機(上海申鹿均質(zhì)機有限公司)；LPG型噴霧干燥塔(常州市科創(chuàng)干燥設(shè)備有限公司)；OXITEST油脂氧化分析儀(意大利VELP SCIENTIFICA公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1火麻仁油微膠囊的制備 火麻仁油微膠囊工藝配方如表1所示，將酪蛋白酸鈉、固體玉米糖漿、檸檬酸鈉和抗壞血酸棕櫚酸鈉加入到70 ℃蒸餾水中，用攪拌器低速攪拌至物料完全溶解，制得水相；然后將溶有單雙脂肪酸甘油酯的火麻仁油緩慢加入水相中，同時用高速剪切機在轉(zhuǎn)速為 2 500 r·min-1條件下混合10 min，得到預乳液；再將預乳液經(jīng)過一二級壓力分別為30 MPa和 5 MPa 的高壓均質(zhì)機進行乳化后，進行噴霧干燥制備得到火麻仁油微膠囊[8-11]。

表1 火麻仁油微膠囊工藝配方Table 1 Preparation of hemp seed oil microcapsule

1.2.2單因素實驗 分別考察干物濃度(10%、20%、30%、40%、50%)、進風溫度(150、160、170、180、190 ℃)、出風溫度(65、70、75、80、85 ℃)3個因素對火麻仁油微膠囊包埋率的影響。研究某一單因素影響效果時，其他條件為固定值，分別為干物濃度40%，進風溫度170 ℃，出風溫度75 ℃[12-14]。

1.2.3響應面法優(yōu)化火麻仁油微膠囊噴霧干燥工藝 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選取干物濃度、進風溫度、出風溫度3個因素進行優(yōu)化，按照Box-Behnken實驗設(shè)計因素和水平(表2)，以火麻仁油微膠囊包埋率為指標，通過響應面分析法確定最佳工藝條件。

1.2.4火麻仁油微膠囊包埋率的測定 微膠囊表面油含量的測定：準確稱取8.000 g(精確到0.001 g)樣品置于錐形瓶中，加入石油醚(30～60 ℃)震蕩提取5 min后，用濾紙過濾濕基樣品，濕基樣品按上述步驟重復1遍，合并2次濾液，在80 ℃溫度條件下蒸餾，測定油脂的質(zhì)量，從而計算出樣品的表面油含量。

表2 Box-Behnken實驗因素及水平Table 2 Experiment design of Box-Behnken

微膠囊總含油量測定：準確稱取1.000 g(精確到0.001 g)樣品，用10 mL水和2 mL氨水于60 ℃水解20 min，冷卻后加入10 mL乙醇混勻，加入25 mL乙醚劇烈震蕩100次左右，加入25 mL石油醚緩慢震蕩30 s，靜置分層后將醚層倒出，用5 mL乙醇、15 mL乙醚、15 mL石油醚重復上述步驟1次，用15 mL乙醚、15 mL石油醚重復上述步驟1次，合并提取液蒸餾，測定油脂的質(zhì)量，所得值為樣品的總含油量[15]。按照以下公式計算火麻仁油微膠囊包埋率：

包埋率=(樣品中總含油量-表面油含量)/樣品中總含油量×100%

1.2.5火麻仁油微膠囊的表面形態(tài)觀察 利用掃描電子顯微鏡觀察火麻仁油微膠囊表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。加速電壓為2 kV，放大倍數(shù)為750倍。

1.2.6油脂氧化穩(wěn)定性的測定 利用油脂氧化分析儀進行測定，準備樣品5 g，將樣品放入樣品蓋中，使用2個空的樣品托盤放置在底層，將放有樣品的樣品蓋至于頂層，之后放入樣品槽中，密封。在實驗溫度90 ℃、氧壓0.6 MPa條件下，測定氧化誘導期。

1.2.7數(shù)據(jù)處理 每組進行3次重復試驗，采用Design-expert和Box-Behnken軟件進行回歸模型建立和響應面分析[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1干物濃度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響 圖1為進風溫度170 ℃、出風溫度75 ℃時，干物濃度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響。隨著干物濃度的增加，火麻仁油微膠囊包埋率呈先升高后降低的趨勢，在干物濃度為40%時，火麻仁油的包埋效果最好，包埋率可達91.8%。這可能是由于干物濃度增大，噴霧干燥過程中乳化液表面溫度升高更快，壁材表殼形成更早，使得顆粒表面更堅硬，阻礙了芯材向外遷移，使包埋率提高；但隨著干物濃度持續(xù)提高，使得乳化液水分蒸發(fā)劇烈，導致微膠囊表殼膨脹破裂，使油脂芯材析出，包埋率開始下降。

圖1 干物濃度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響Fig.1 Effect of dry matter concentration on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

圖2 進風溫度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響Fig.2 Effect of air inlet temperature on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

2.1.2進風溫度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響 圖2為干物濃度40%、出風溫度75 ℃時，進風溫度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響。隨著進風溫度的升高，火麻仁油微膠囊包埋率呈先上升后降低的趨勢，當進風溫度達到170 ℃時，包埋率最高，達到91.6%。原因可能是：在噴霧干燥過程中，溫度較低時，乳化液霧滴未能完全干燥形成囊壁或形成的囊壁薄軟，容易導致芯材析出；而溫度過高時，則形成的囊壁易褶皺變形，導致包埋率降低。因此，溫度過高或過低都會影響微膠囊包埋率。

2.1.3出風溫度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響 圖3為干物濃度40%、進風溫度170 ℃時，出風溫度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響。隨著出風溫度的提高，火麻仁油微膠囊包埋率呈先升高后降低的趨勢，當出風溫度為75 ℃時，包埋率最高，達到91.5%。原因可能是：當出風溫度較低，乳液在噴霧干燥過程中延遲干燥，導致微膠囊水分含量較高，產(chǎn)生回潮現(xiàn)象，微粒之間相互粘連，容易造成油脂析出；當出風溫度較高時，容易使囊壁破裂，同時阻礙微膠囊之間的附聚，導致包埋率下降。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Analysis of variance for the fitted regression equation

注：**表示差異在P<0.01水平上具有統(tǒng)計學意義。

圖3 出風溫度對火麻仁油微膠囊包埋率的影響Fig.3 Effect of air temperature on embedding rate of hemp seed oil microcapsules

2.2 響應面實驗結(jié)果與分析

2.2.1回歸模型的建立及顯著性檢驗 根據(jù)Box-Behnken中心組合實驗原理設(shè)計17組實驗，其中，實驗1～12為析因?qū)嶒灒?3～17為中心實驗。實驗設(shè)計及結(jié)果見表3。

表3 Box-Behnken實驗設(shè)計結(jié)果Table 3 Experiment result of Box-Behnken

采用Design-expert軟件對表3數(shù)據(jù)進行回歸擬合[17]，得到包埋率的回歸方程為：

Y=92.3+1.5X1-1.04X2-1.54X3-1.93X1X2-1.43X1X3+3.5X2X3-6.4X12-5.83X22-4.97X32

模型中各因素的F值反映了各因素對響應值Y的影響程度，若F值越大，表明該因素對響應值的影響越大。從表4可知：FX1=78.38，F(xiàn)X2=37.5，F(xiàn)X3=82.35，即各因素對火麻仁油微膠囊包埋率影響程度大小順序為：X3(出風溫度)>X1(干物濃度)>X2(進風溫度)。

2.2.2響應面圖和等高線圖分析 為了能直觀反映出2個因素間交互作用顯著程度，根據(jù)回歸方程做出各因素對火麻仁油微膠囊包埋率的3D響應面圖和等高線圖(圖4)。響應面圖坡度的陡峭程度直觀反映了各因素對響應面的影響，兩兩因素均有交互作用；等高線形狀反映了交互效果的強弱，橢圓形表示交互作用顯著，圓形則相反[17]。通過3D響應面圖和等高線圖可以看出，干物質(zhì)濃度、進風溫度和出風溫度兩兩交互作用對火麻仁油微膠囊包埋率的影響都極為顯著，其所對應的等高線圖均呈橢圓。結(jié)合表4可以得出2個因素交互顯著性影響因素為：X2X3>X1X2>X1X3，即進風溫度與出風溫度交互作用對火麻仁油微膠囊包埋率影響最為顯著。

圖4 影響火麻仁油微膠囊包埋率的各因素響應面圖和等高線圖Fig.4 Response curves and contour map of the factors influencing embedding rate of hemp seed oil microcapsules

根據(jù)Box-Behnken實驗所得的結(jié)果，利用Design Expert軟件得到最佳工藝條件：干物濃度為41.74%，進風溫度為168.09 ℃，出風溫度為73.76 ℃，此條件下，微膠囊包埋率最大，可以達到92.72%。為了驗證模型的準確性，同時考慮工藝條件便于操作，將微膠囊最佳工藝條件修正為：干物濃度為42%，進風溫度為168 ℃，出風溫度為74 ℃。用修正后的工藝條件進行5次重復驗證實驗，得到火麻仁油微膠囊平均包埋率在92.15%，與理論預測值相對標準偏差為0.29%，表明該模型預測性好，具有很好的工藝操作效果。

2.3 火麻仁油微膠囊包埋效果及氧化穩(wěn)定性分析

通過掃描電鏡對火麻仁油微膠囊的形態(tài)進行觀察分析，從圖5可以看出其微膠囊顆粒呈圓形，表面光滑無裂縫，說明火麻仁油微膠囊的包埋效果較好。

采用油脂氧化分析儀測定火麻仁油的氧化穩(wěn)定性。由圖6可知，對照組火麻仁油的氧化誘導期時間較短，大約在5 h左右，且油脂氧化的速率較快；而試驗組火麻仁油微膠囊的氧化誘導期時間比較長，能夠達到30 h以上，說明與火麻仁油相比，火麻仁油微膠囊的抗氧化性強，穩(wěn)定性好，油脂不易產(chǎn)生氧化變質(zhì)。因此，通過對火麻仁油進行微膠囊包埋可以較大程度地提高油脂的穩(wěn)定性，延長貨架期[18-19]。

圖6 油脂氧化穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig.6 Test results of oil oxidation stability

3 討論

目前對于火麻仁油的研究主要集中于油脂提取、化學成分及功能研究等方面，對于火麻仁油微囊化的研究鮮有報道。本研究通過噴霧干燥法制備火麻仁油微膠囊，以包埋率為主要研究目標。通過單因素實驗和響應面分析法確定各因素對火麻仁油微膠囊包埋率影響程度大小順序為：X3(出風溫度)>X1(干物濃度)>X2(進風溫度)；X2(進風溫度)與X3(出風溫度)交互作用對火麻仁油微膠囊包埋率影響最為顯著。分析得出制備火麻仁油微膠囊的最佳工藝條件為：干物濃度為41.74%、進風溫度為168.09 ℃、出風溫度為73.76 ℃；修正后工藝條件為干物濃度42%、進風溫度168 ℃、出風溫度74 ℃，在此條件下制備火麻仁油微膠囊包埋率可達92.15%，相對標準偏差為0.29%<0.5%，說明模型設(shè)計合理。

載油率、包埋率和氧化穩(wěn)定性是衡量油脂微膠囊的重要參數(shù)，在提高微膠囊載油率的同時，如何提高包埋率和維持油脂的氧化穩(wěn)定性是不容忽略的問題。本研究制備的火麻仁油微膠囊在掃描電鏡下表面光滑無裂痕，氧化誘導期可達30 h以上，說明此工藝制備的火麻仁油微膠囊具有很好的包埋效果和氧化穩(wěn)定性，為火麻仁油的深層次開發(fā)和應用提供了理論和應用依據(jù)。然而，本研究僅以包埋率為主要指標，對噴霧干燥法制備火麻仁油微膠囊的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，并未研究配方中乳化劑及抗氧化體系對微膠囊氧化穩(wěn)定性的影響。同時，也未研究其他工藝條件對于微膠囊包埋效果的影響，為進一步提升火麻仁油微膠囊的品質(zhì)，后續(xù)可在配方組成、乳化均質(zhì)參數(shù)等方面開展更加深入的研究工作。