大黃魚微囊飼料原料漿復乳粒徑的工藝條件建模

郭慶 朱慶國 林美鳳 邱曼麗 潘瑞珍 劉祖祥 陳啟發(fā)

摘?要：制備大黃魚仔稚魚微膠囊飼料過程，為穩(wěn)定料漿、獲得適宜的產(chǎn)品粒度，對原料漿復乳濁液（emulsion）粒徑的選配進行了工藝條件建模試驗。將液態(tài)乳化劑占粉態(tài)芯材及壁材的重量百分數(shù)（E）、高剪切分散乳化機的轉(zhuǎn)速（Q）和乳化機運轉(zhuǎn)時長（T）共3個因素，作為考察的工藝條件變量;以鏡檢料漿多重乳濁液的粒徑均值（D）作為響應的評估指標。采用均勻設(shè)計法做5次試驗。對5次試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進行逐步回歸分析建模得：D（μm）=306.833-25.3E-0.006Q。判明，（E）是影響（D）的第一因數(shù)。預測（95%置信度）乳濁液粒徑D（μm）值，結(jié)果可作為配制大黃魚微囊飼料相宜料漿工藝條件的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大黃魚;微囊飼料;乳濁液粒徑;均勻設(shè)計;逐步回歸分析

中圖分類號：S963?文獻標志碼：A?文章編號：0253-2301（2020）04-0017-06

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2020.04.003

Process Condition Modeling on the Particle Size of Multiple Emulsion of Slurry forPreparing the Micro?encapsulated Diets of Pseudosciaena Crocea

GUO Qing1， ZHU Qing?guo2，3， LIN Mei?feng2， QIU Man?li3，PAN Rui?zhen1，2， LIU Zu?xiang1， CHEN Qi?fa2*

（1. Fujian Jinhualong Feed Co. Ltd.， Fuzhou， Fujian 350002， China; 2. Fujian Aquatic Feed Research Association，

Fuzhou， Fujian 350003， China; 3. Fujian Institute of Freshwater Fisheries， Fuzhou， Fujian 350002， China）

Abstract： In the preparation of micro?encapsulated diets for the larvaes of Pseudosciaena crocea， in order to stabilize the slurry and obtain the appropriate product particle size， the process condition modeling test was carried out for the selection for the particle size of the multiple emulsion of slurry. The three factors including the weight percentage of liquid emulsifier in the powder core materials and wall materials （E）， the speed of the high shear disperse emulsifying machine （Q） and the operating time of the emulsifying machine （T） were taken as the variables of the process conditions. The mean particle size （D） of the multiple emulsions of slurry by microscopy was used as the evaluation index of the response. The uniform design method was used to carry out five tests. And then， after the stepwise regression analysis of the data obtained from the five tests， the modeling results were as follows： D（μm）=306.833-25.3E-0.006Q. It was determined that （E） was the first factor influencing （D）. The particle size D（μm） of the emulsion （95% confidence） was predicted， and the results obtained could be used as the basis for the process conditions of the suitable slurry for preparing the micro?encapsulated diets of Pseudosciaena crocea.

Key words： Pseudosciaena crocea; Micro?encapsulated diet; Particle size of the emulsion; Uniform design; Stepwise regression analysis

大黃魚仔稚魚微膠囊飼料粒度與水中穩(wěn)定性是影響仔稚魚的凈能量得益（netenergy gain）、殘餌對育苗水體自污染和育苗成活率必需的技術(shù)指標。是研發(fā)大黃魚仔稚魚微囊飼料產(chǎn)品的基本要求之一。朱慶國等項目組應用多相界面聚合、噴霧干燥成型法試制了大黃魚仔稚魚微囊配合飼料[1]。采用兩步乳化法制備2膜3相多重乳濁液的料漿。第一步先將油溶性的乳化劑、內(nèi)水相及油相混合，在高速剪切分散乳化器中采用高強度的乳化條件制得油包水（W/O）初乳，再把初乳倒入含有水溶性的乳化劑的水溶液中，采用較為溫和的乳化條件乳化制得水包（W/O）初乳的W/O/W型多重乳濁液（emulsion），即復乳料漿[2-3]。影響復乳料漿穩(wěn)定性的因素較多，其中乳濁液粒徑大小和分布是評價多重乳液穩(wěn)定性的主要指標。為滿足大黃魚仔稚魚微膠囊飼料制品的粒徑要求，獲得穩(wěn)定相宜的原料漿復乳的粒徑，進行了原料漿復乳粒徑制備工藝條件的初步建模試驗[4]。即用系統(tǒng)測試方法來確定模型的參數(shù)，選出一個數(shù)據(jù)擬合得最好的模型，為制訂大黃魚仔稚魚微膠囊飼料工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗儀器

顯微鏡：OLYMPUSCX31（附專業(yè)圖像處理軟件Image?Pro Plus 6.0）;計時秒表;電子秤（感應量0.001～500 g）;高速剪切分散乳化機號：SG400（10000 r·min-1，攪拌頭為圓柱面，中檔孔徑）。

1.2?試驗材料

（1）芯材：依配方組分預混合并經(jīng)超微粉碎的粉態(tài)原料。通過膠體磨（JMLB65）勻質(zhì)處理。（2）壁材：辛烯基琥珀酸淀粉鈉+鮮蛋清。（3）乳化劑[3]：失水山梨醇單油酸酯+聚氧乙烯失水山梨醇單油酸酯。

1.3?試驗設(shè)計

建模思路：噴霧干燥法制備大黃魚仔稚魚微膠囊飼料的芯材及壁材配方組分復雜，其化學成分和結(jié)構(gòu)各異。料漿溶膠多相分散系的界面特性導致料漿體系的熱不穩(wěn)定性，直接影響料漿多重乳濁液粒徑大小和分布，關(guān)聯(lián)著大黃魚仔稚魚微膠囊飼料制成品的粒徑和粒度分布等。本試驗回避粉態(tài)芯材及壁材等組分的復雜、多相界面、多元體系相圖計算模擬的難點，將大黃魚仔稚魚微膠囊飼料的料漿溶膠視為一個“黑箱”系統(tǒng)，切中實用工藝條件要求，運用均勻設(shè)計法試驗解解難點。將液態(tài)乳化劑占粉態(tài)芯材及壁材的重量百分數(shù)E、高剪切分散乳化機的轉(zhuǎn)速V和乳化攪拌機運轉(zhuǎn)時長T共3個因素，作為考察的工藝條件參數(shù)變量;以鏡檢測定多核復合乳濁液的粒徑均值D作為響應的評估指標。選用U5（54）的使用表安排方案，做5次試驗。對5次試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進行多元線性逐步回歸分析，判別影響粒徑因數(shù)的強弱順序，建立回歸方程，剔除次要參數(shù)變量 ，選出一個數(shù)據(jù)擬合得最好的模型，為制訂大黃魚仔稚魚微膠囊飼料工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1.3.1?檢測料漿復乳粒徑?對每次試驗的料漿采樣編號，用光學顯微鏡觀測，由其圖像軟件Image?Pro Plus 6.0處理[4]，測定料漿復乳粒徑，數(shù)據(jù)采用 Excel建表存檔，以平均數(shù)±標準差表示。

1.3.2 采用均勻設(shè)計方法安排試驗方案?（1）選用均勻設(shè)計表。為滿足充分均勻布點[3，5-6]，UN（Nm）中，通常需滿足N≥m/2+1。本試驗的變量因素m=3，擴寬為m=4，選定U5（54）表及其使用表，見表1、表2。（2）試驗方案?固定料漿配方。選好SG400、10000 r·min-1型高剪切分散乳化機的攪拌頭圓柱面中檔孔徑，把實際剪切線速度參數(shù)直接轉(zhuǎn)化為乳化攪拌機的轉(zhuǎn)速Q(mào)。3個變量因素經(jīng)相關(guān)研究前期試驗[1]，其邊界值分別是：液態(tài)乳化劑占粉態(tài)芯材及壁材的重量百分數(shù)E為9.5%～5.5%，高剪切分散乳化機的轉(zhuǎn)速Q(mào)為2500～8500 r·min-1，乳化機攪拌運轉(zhuǎn)時長T為4～12 min。

選用U5（54）表中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ 3列，將3個因素的邊界值區(qū)間分別設(shè)定五因素水平，見表1因素及水平設(shè)定表。再將表1因素水平表的元素，分別放到U5（54）使用表的Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ3列的對應點位。即是將表中抽象的水平替換成因素相對應的

參數(shù)水平值，得U5（54）試驗方案見表3。

1.4?數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

對每個編號的試驗樣品鏡檢、并經(jīng)圖像軟件Image?Pro Plus 6.0處理所得多重復合乳濁液的粒徑數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標準差表示，采用 Excel建表?；貧w分析采用SPSS 18.0 軟件相關(guān)程序處理。

2?結(jié)果與分析

2.1?鏡檢測定料漿復乳粒徑

試驗得到料漿的W/O/W型復合乳濁液樣品在600倍光學顯微鏡下觀察、并經(jīng)圖像軟件Image?Pro Plus 6.0處理。如圖1所示，在大的液滴內(nèi)包含有小的液滴，是一種多核不定形兩膜三相體系。乳液顆粒大小為19～180 μm。

2.2?乳濁液的粒徑數(shù)據(jù)

依表3的設(shè)定方案進行5次試驗的料漿采樣品，鏡檢復乳粒徑，并經(jīng)圖像軟件Image?Pro Plus 6.0處理[4，8]所測得多重乳濁液的粒徑數(shù)據(jù)匯總見表4。

2.3?均勻設(shè)計試驗結(jié)果

依表3的設(shè)定進行5次的試驗方案及響應見表5。

2.4?逐步回歸分析建模

2.4.1?逐步回歸分析?逐步回歸分析法是向前引進變量法和向后剔除變量法的綜合運用，是一種較常用的選模方法。采用SPSS18.0 軟件對表5，即是對5次試驗方案及響應結(jié)果的數(shù)據(jù)進行多元線性逐步回歸分析[7-9]，得表6、表7和表8。

表6說明，自變量被依次引入回歸方程后，兩個回歸模型的復相關(guān)系數(shù)R的變化，比較了兩個回歸方程模型的性能。R表示自變量乳化劑比率E及攪拌機轉(zhuǎn)速V與因變量乳濁液粒徑D相關(guān)的密切程度。標準估計誤差表示自變量的影響因素被剔除后，因變量本身的變異（誤差）。由表6可見，當乳化劑比率E“被引入回歸方程”， R值為0.948，標準估計誤差為15.47224，擬合優(yōu)度R方值為0.865;當攪拌機轉(zhuǎn)速Q(mào)“被引入回歸方程”，R值為0.999，標準估計誤差為3.06660，R方值為0.995，接近于1。都很高?？梢娮宰兞恳来巍氨灰牖貧w方程”后，其復相關(guān)系數(shù)R以及擬合優(yōu)度R方值都逐漸變大，標準估計誤差逐漸變小。表明，依本次試驗條件，回歸模型Ⅱ擬合優(yōu)度比模型Ⅰ高。

表7說明，逐步引入影響最大的因素變量后，對其各自偏回歸系數(shù)的方差分析。模型Ⅰ僅引入乳化劑比率E偏回歸系數(shù)的F統(tǒng)計量為26.739，P=0.014，說明顯著性t檢驗結(jié)果顯著。當引入乳化劑比率E和攪拌機轉(zhuǎn)速V兩個變量因素得模型Ⅱ的偏回歸系數(shù)的F統(tǒng)計量為377.514，P=0.003≤0.01，t檢驗結(jié)果顯著性非常高，選定模型Ⅱ確切無疑。

模型I的乳化機攪拌時長T偏相關(guān)因素的t=-0.691，P=0.561≥0.01，t檢驗不顯著;模型Ⅱ中T因素的t=7.113，P=0.089≥0.01，t檢驗不顯著，對粒徑D的影響無統(tǒng)計學意義，都被剔除。

2.4.2?建立回歸方程模型?表8可知，回歸方程Ⅰ的E偏回歸復相關(guān)系數(shù)R為-0.948;回歸方程Ⅱ的E偏回歸復相關(guān)系數(shù)R為-0.999。t=-26.089，P=0.001≤0.01，t檢驗結(jié)果顯著性非常高。方差膨脹因子VIF的值均為1.000，不大，遠小于10。因此，自變量E和Q之間不存在多重共線性。這些都表明：液態(tài)乳化劑占粉態(tài)芯材及壁材的重量百分數(shù)E是影響大黃魚微膠囊飼料原漿W/O/W型多重復合乳濁液粒徑的第一變量因素。依據(jù)表9模型方程的偏回歸系數(shù)及其t檢驗結(jié)果，建立以下回歸方程。

回歸方程Ⅰ：

D（μm）=276.169-25.3E

回歸方程Ⅱ：

D（μm）=306.833-25.3E-0.006Q

2.4.3?乳濁液粒徑D（μm）的預測?依本次試驗條件，乳濁液粒徑D（μm）預測值和殘差值，以及95%置信度的左右端點值見表9。如表9所示，可以看到未標準化D預測值PRE1、未標準化殘差值RES1、預測區(qū)間左右端點值LICI1和UICI1。

3?討論與結(jié)論

劉文麗等[2，10]認為，W/O/W型多重乳液具有獨特的“兩膜三相”多隔室結(jié)構(gòu)。乳化劑類型與用量是影響W/O/W型多重乳液的粒徑大小和分布及穩(wěn)定性的因素。乳化劑在乳化液的形成和穩(wěn)定性中起著重要作用，包括降低界面張力，產(chǎn)生界面張力梯度，在乳化過程中減少絮凝，激發(fā)界面不穩(wěn)定性等。本研究運用灰色系統(tǒng)概念與基本原理[11]，采用均勻設(shè)計法安排試驗方案，取得“小樣本、貧信息”數(shù)據(jù)，經(jīng)由多元線性逐步回歸建模，求得多重復乳料漿配制不確定性過程“黑箱”外部特征參數(shù)的輸入與輸出之因果關(guān)系，判明，液態(tài)乳化劑占粉態(tài)芯材和壁材的百分率E是影響噴霧干燥法制備大黃魚微膠囊飼料、影響料漿W/O/W型復乳粒徑的第一因素。結(jié)果與相關(guān)文獻的觀點吻合[2-9，11-12]，可鑒。

本試驗獲得擬合優(yōu)度最好的模型，即回歸方程Ⅱ：D（μm）=306.833-25.3E-0.006Q，或回歸方程Ⅰ：D（μm）=276.169-25.3E，都是簡單的線性方程。采用調(diào)節(jié)液態(tài)乳化劑占粉態(tài)芯材及壁材的重量百分數(shù)E的數(shù)值作為主工藝條件參數(shù)，來控制大黃魚微膠囊飼料漿W/O/W型復合乳濁液的粒徑，較簡便，易操作。依本次試驗條件，可從表9得知復乳粒徑D的預測值和殘差值，以及95%置信度的左右端點值，作為調(diào)制穩(wěn)定性相宜的料漿、確定E和V參數(shù)值的依據(jù)。

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（責任編輯：柯文輝）