響應面法優(yōu)化番茄紅素微膠囊的制備工藝

◎ 趙明慧，趙晶蕊，王 軍，武 強，李小軍，孫靜濤

（1.石河子大學 食品學院，新疆 石河子 832000；2.石河子開發(fā)區(qū)石大合旭科技開發(fā)有限公司，新疆 石河子 832000）

番茄紅素是一種具有良好抗氧化能力的天然類胡蘿卜素，具有多種生理功能，對抗氧化、延緩衰老、防癌和抗癌等疾病起到積極效果，尤其對于心血管疾病有良好的預防作用［1］。目前聯(lián)合國食品添加劑委員會將番茄紅素認定為A類營養(yǎng)素，番茄紅素作為營養(yǎng)強化劑和食品添加劑已廣泛應用于食品、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域［2］。番茄紅素是一種脂溶性色素，易被氧化分解，對氧氣、光照和溫度條件十分敏感，因此在很大程度上限制了其在食品中的應用。

近年來，微膠囊技術(shù)的發(fā)展使生物活性物質(zhì)避免了環(huán)境因素(氧氣、光照和溫度)的影響，從而保護了生物活性成分及其營養(yǎng)價值，并提高了穩(wěn)定性。目前微囊化方法主要有噴霧干燥法[3]、凝聚法[4]、離子凝膠法[5]、冷凍干燥法[6]和包埋絡(luò)合法[7]等。其中噴霧干燥法以速度快、效率高和抗熱敏性好等優(yōu)點已廣泛應用于酶制劑、香精、抗氧化劑及生物活性物質(zhì)的包埋。本研究利用噴霧干燥微囊化技術(shù)制備番茄紅素微膠囊，采用響應面法優(yōu)化制備工藝提高包埋率，以期為番茄紅素微囊化工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

番茄紅素油樹脂（含量15%），新疆優(yōu)康來生物科技開發(fā)有限公司提供；阿拉伯膠、麥芽糊精、β-環(huán)糊精等，江西百盈生物技術(shù)有限公司；吐溫-80、維生素E，廣東歐斯曼生物科技有限公司；紅花籽油，新疆石河子匯昌油脂有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

YC-015型實驗型噴霧干燥，上海賀帆儀器有限公司；L5T高剪切乳化機，英國Silverson公司；GJB500-40均質(zhì)機，常州市均質(zhì)機械有限公司；UV1102紫外可見分光光度計，上海天美科學儀器有限公司；蠕動泵，濟南溫騰醫(yī)療器械有限公司；EL3002型電子天平，梅特勒－托利多儀器上海有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 番茄紅素微膠囊制備

（1）工藝流程。番茄紅素油樹脂+紅花籽油+壁材（阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精乳液）→混合乳化→高壓均質(zhì)（40 MPa）→噴霧干燥→番茄紅素微膠囊。

（2）操作要點。稱取一定質(zhì)量的番茄紅素油樹脂和紅花籽油進行剪切混合，混合均勻后作為芯材備用；稱取一定質(zhì)量的阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精，溶解于50 ℃的蒸餾水中，壁材濃度為20%，再加入1%的維生素E和1%吐溫-80，在磁力攪拌器快速攪過程中緩慢將芯材滴入到上述壁材乳液中混勻，然后在40 MPa下進行均質(zhì)處理得到穩(wěn)定的乳液，最后將乳液進行噴霧干燥得到番茄紅素微膠囊，噴霧干燥進風溫度為 180 ℃，霧化器轉(zhuǎn)速為 300 r·s-1。

1.3.2 番茄紅素標準曲線繪制及微膠囊包埋率測定

本研究參照周丹紅等［8］的方法繪制番茄紅素標準曲線，番茄紅素微膠囊包埋率計算公式如下：

式中：M1為微膠囊表面番茄紅素含量，μg·mL-1；M2為微膠囊中番茄紅素總含量，μg·mL-1。

1.3.3 單因素試驗

（1）最佳壁材配比的確定。固定芯壁比為1∶3、進風溫度為180 ℃，霧化器轉(zhuǎn)速為300 r·s-1，分別考察阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精不同配比（1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2、1∶2∶2和2∶1∶1）對包埋率的影響，選出最佳壁材配比。

（2）最佳芯壁比的確定。固定阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精配比為1∶1∶2、進風溫度180 ℃，霧化器轉(zhuǎn)速為300 r·s-1，考察不同芯壁比（1∶1、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5）對包埋率的影響。

（3）噴霧干燥最佳進風溫度的確定。固定阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精配比為1∶1∶2、芯壁比為1∶3，霧化器轉(zhuǎn)速為300 r·s-1，考察不同進風溫度（150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃和190 ℃）對包埋率的影響。

（4）噴霧干燥最佳霧化器轉(zhuǎn)速的確定。固定阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精配比為1∶1∶2、芯壁比為1∶3，進風溫度180 ℃，考察不同霧化器轉(zhuǎn)速（200 r·s-1、250 r·s-1、300 r·s-1、350 r·s-1和 400 r·s-1）對包埋率的影響。

1.3.4 響應面優(yōu)化試驗

綜合單因素試驗結(jié)果，設(shè)計了3因素3水平響應面分析試驗，分別考察芯壁比、進風溫度和霧化器轉(zhuǎn)速對包埋率的影響，表1為響應面分析因素水平表。

表1 Box-Behnken因素水平表

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組試驗都重復處理測定3次，取平均值為試驗最終結(jié)果。在數(shù)據(jù)處理過程中使用Design-Expert V8.0.6軟件進行響應面設(shè)計及結(jié)果分析，采用Origin 9.0軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果分析

2.1.1 壁材不同配比對包埋率的影響

從圖1中可看出，當阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精配比為1∶1∶2時，番茄紅素微膠囊包埋率最高，可達到81.3%。隨著麥芽糊精的配比增大，包埋率降低；隨著β-環(huán)糊精配比增大，包埋率急劇增大，由此可看出，麥芽糊精和β-環(huán)糊精添加比例對包埋率的影響較大。在本研究中，將阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精添加配比1∶1∶2作為最佳的微膠囊壁材。

2.1.2 芯壁比對包埋率的影響

從圖2可看出，當進風溫度180 ℃，霧化器轉(zhuǎn)速為300 r·s-1時，隨著芯材與壁材質(zhì)量比的降低，番茄紅素微膠囊包埋率增加，當芯材與壁材的質(zhì)量比為1∶4時，包埋率最高，達到84.7%。可能原因為芯壁比大時，微膠囊囊壁厚度較小，芯材滲透性高，番茄紅素包埋率較低；當芯壁比降低時，微膠囊囊壁厚度增加，芯材滲透性降低，番茄紅素包埋率提高。因此，選取芯壁比為1∶4作為響應面優(yōu)化中間值。

2.1.3 噴霧干燥最佳進風溫度

從圖3可看出，當芯壁比為1∶3，霧化器轉(zhuǎn)速為300 r·s-1，隨著進風溫度的提高，包埋率先急劇增大，在進料溫度為180 ℃時包埋率達到最大，為84.3%。即隨著進風溫度的進一步提高，包埋率開始緩慢減小。這可能是由于進風溫度小于180 ℃時不能將壁材中的水分充分蒸發(fā)，使得囊壁水分含量較高，芯材滲透性高，因此包埋率較低。而當進風溫度高于180 ℃時，壁材水分蒸發(fā)較快，但是高溫會破壞微膠囊結(jié)構(gòu)，從而導致包埋率降低。因此，選取進風溫度180 ℃作為響應面優(yōu)化中間值。

2.1.4 噴霧干燥最佳霧化器轉(zhuǎn)速

從圖4可看出，當芯壁比為1∶3，進風溫度為180 ℃時，隨著霧化器轉(zhuǎn)速的提高，包埋率先急劇增大，當霧化器轉(zhuǎn)速為300 r·s-1時包埋率達到最大，為84.1%。當霧化器轉(zhuǎn)速超過300 r·s-1時，包埋率緩慢下降。這可能是由于霧化器轉(zhuǎn)速低的情況下，霧化液滴粒度較大，水分蒸發(fā)較慢，囊壁水分含量高，導致包埋率下降。當霧化器轉(zhuǎn)速較高時，霧化液滴粒度較小，相對高溫會破壞微膠囊結(jié)構(gòu)，從而使得包埋率降低。因此，選取霧化器轉(zhuǎn)速300 r·s-1作為響應面優(yōu)化中間值。

2.2 番茄紅素微膠囊噴霧干燥工藝響應面優(yōu)化

在番茄紅素微膠囊噴霧干燥單因素試驗的基礎(chǔ)上，以番茄紅素微膠囊包埋率為響應值，采用響應面法對芯壁比、進風溫度和霧化器轉(zhuǎn)速進一步優(yōu)化，響應面設(shè)計方案及試驗結(jié)果見表2。芯壁比、進風溫度和霧化器轉(zhuǎn)速對番茄紅素微膠囊包埋率的擬合方程為Y=85.24-3.25A+4.05B-4.15C+3.23AB-4.97AC-3.97BC+7.55A2-1.21B2+5.25C2。

表3為響應面方差分析結(jié)果，表3中回歸模型P=0.004 3＜0.01，說明該模型極顯著，且失擬項=0.161 6＞0.05，表明失擬項差異不顯著，表示試驗設(shè)計可靠。模型的相關(guān)系數(shù)R2=0.919 9，說明回歸方程擬合情況較好，可以準確預測實際試驗結(jié)果。從方差分析結(jié)果可以看出A、B、C和AC達到了顯著水平（P＜0.05），說明芯壁比、進風溫度和霧化器轉(zhuǎn)速對包埋率影響較顯著，其中芯壁比與霧化器轉(zhuǎn)速（AC）之間的交互作用對番茄紅素包埋率影響也較為顯著。

圖5為芯壁比與霧化器轉(zhuǎn)速（AC）之間的交互作用對番茄紅素微膠囊包埋率影響的響應面。從圖中可看出響應曲面坡度較大，說明包埋率對噴霧干燥條件敏感。當進風溫度為180 ℃時，從圖5可知，在芯壁比降低和霧化器轉(zhuǎn)速提高時，番茄紅素微膠囊包埋率先增大后減小。當芯壁比為1∶4和霧化器轉(zhuǎn)速為300 r·s-1，番茄紅素微膠囊包埋率達到最大值為87.3%。

2.3 番茄紅素微膠囊噴霧干燥工藝驗證

采用上述番茄紅素微膠囊噴霧干燥工藝參數(shù)來驗證響應面優(yōu)化結(jié)果的可靠性，經(jīng)回歸方程分析，預測最佳條件為芯壁比1∶3.95、進風溫度171.49 ℃和霧化器轉(zhuǎn)速288 r·s-1，此時番茄紅素微膠囊包埋率預測值為87.67%。在實際驗證試驗中，設(shè)置芯壁比為1∶4，進風溫度170 ℃和霧化器轉(zhuǎn)速290 r·s-1，在此噴霧干燥條件下進行了3次平行試驗，番茄紅素微膠囊包埋率分別為87.21%、88.01%和87.44%，其平均值為87.55%，其與預測值較為接近，表明該模型有良好的準確性和可靠性。

3 結(jié)論

本研究采用噴霧干燥法制備番茄紅素微膠囊，在研究中發(fā)現(xiàn)當阿拉伯膠、麥芽糊精和β-環(huán)糊精配比為1∶1∶2作為微膠囊壁材時，可提高番茄紅素微膠囊包埋率。在此基礎(chǔ)上，分別對番茄紅素微膠囊包埋率影響較大的芯壁比、進風溫度和霧化器轉(zhuǎn)速3個工藝參數(shù)做了單因素試驗，探究了不同工藝參數(shù)對番茄紅素微膠囊包埋率的影響，并采用響應面法優(yōu)化了噴霧干燥工藝。結(jié)果表明，番茄紅素微膠囊噴霧干燥最優(yōu)工藝參數(shù)為芯壁比為1∶4，進風溫度170 ℃和霧化器轉(zhuǎn)速290 r·s-1，在此工藝參數(shù)下番茄紅素微膠囊包埋率可達87.55%，該研究結(jié)果為番茄紅素微膠囊噴霧干燥工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的參考。