響應面法優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.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，河南鄭州450002; 2.浙江中煙工業有限責任公司，浙江杭州310012; 3.中國計量學院生命科學學院，浙江杭州310018)

響應面法優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.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，河南鄭州450002; 2.浙江中煙工業有限責任公司，浙江杭州310012; 3.中國計量學院生命科學學院，浙江杭州310018)

以殼聚糖、海藻酸鈉作為壁材，用復凝聚相法對薄荷香精進行包埋，通過海藻酸鈉的單因素實驗確定殼聚糖和海藻酸鈉比例為1∶1，運用響應面分析法優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因素與包埋率的函數關系，確定了復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 百靈威化學技術有限公司;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 實驗方法

1.2.1 復凝聚相法工藝流程 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。調節體系溫度為41℃左右，加入適量海藻酸鈉溶液，并降低轉速繼續攪拌，得微膠囊水溶液，用微量甲醛進行交聯固化。

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%殼聚糖進行單因素實驗，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數最多、粗測包埋率最高的壁材殼聚糖/海藻酸鈉比例作為復凝聚相法制備微膠囊的最佳比例。

1.2.3 中心組合實驗設計 在單因素實驗的基礎上，對復凝聚相法制備薄荷香精微膠囊工藝進行優化。根據Box-Behnken的中心組合設計原理，以壁材濃度、攪拌速度、pH和芯材/壁材比四個因素為自變量，以薄荷香精微膠囊的包埋率為響應值，設計了優化復凝聚相法制備微膠囊工藝的四因素三水平實驗，其因素水平見表1。

表1 RSA實驗因素水平表

1.2.4 包埋率的測定和計算 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準曲線回歸方程換算未包埋香精含量，用以下公式計算香精包埋率:

2 結果與分析

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)，相對分子質量32000～250000。殼聚糖的化學名稱是聚-2-氨基-2-脫氧-p-D葡萄糖，分子式為(C6H11O4N)n，殼聚糖溶于酸后，分子中胺基可與質子相結合，而使自身帶正電荷。因為其分子結構中胺基活性基團的存在，可與海藻酸鹽的羧基結合，形成復凝聚而成為微膠囊。根據理論分析，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，殼聚糖的氨基和海藻酸的羧基成完全反應的比例，可以形成最佳復凝聚微膠囊。實驗中設計不同濃度的海藻酸鈉與0.5%殼聚糖進行微膠囊包埋，結果如表2。

從表2可知，在一定范圍內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生的聚合反應，在海藻酸鈉濃度為0.5%出現絮狀膠塊，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。根據結果兩者濃度在整個體系中不超過0.5%時可以得到分散、無粘絲的微膠囊，兩者比例趨于1∶1時包埋率較高，實驗結果與理論推斷接近。

2.2 中心組合實驗優化微膠囊工藝結果分析

2.2.1 RSA實驗方案與結果 實驗中采用溫度為40℃，以薄荷香精微膠囊的包埋率為響應值，設計了四因素三水平的響應面分析實驗，實驗結果見表3。

2.2.2 響應面分析 根據響應面分析實驗，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%。運用minitab軟件對響應值進行回歸分析，經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實驗方案與結果

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值之間的關系時，其應變量與全體自變量之間的線性關系是顯著的，復相關系數的平方R2=95.65%，說明這種實驗方法是可靠的。

根據回歸方程，作出響應面立體圖，見圖1，RSA方法的圖形是特定的響應值Y和對應的因素A、B、C、D構成的一個三維空間圖，可以直觀地反映各因素對響應值的影響，根據響應面優化圖可以得出各因素在微膠囊復凝聚工藝中的相互作用，確認合適的工藝條件，由圖1可以看出，因素D(芯材/壁材比)對微膠囊包埋率的影響最為顯著，表現為曲線較陡，所以芯材/壁材比在實驗過程中要嚴格控制，實驗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，在相同的乳化時間和攪拌速度下，芯材分散于連續相中的顆粒直徑增大，導致微膠囊直徑變大，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，因為速度增加，芯材油滴直徑變小，微膠囊直徑變小。最后是壁材濃度和pH，這兩者對微膠囊包埋率的影響在曲線上表現為較平滑。

圖1 芯材/壁材比、攪拌速度、壁材濃度和pH兩兩交互的響應面曲線圖

3 討論

3.1 薄荷香精經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行微膠囊化后，囊壁的厚薄和微膠囊直徑的大小不同會影響囊心擴散速率，另外微膠囊的孔隙率以及外界因素等也將對薄荷香精的釋放產生影響，還有待于進一步研究。

3.2 Minitab是一種有效的統計技術，它是利用實驗數據，通過建立數學模型來解決受多因素影響的最優組合問題。有效控制了實驗干擾，對實驗進行全面的優化分析，大大提高了實驗方案的合理性、數據處理的可靠性及實驗結果的直觀性?？傊?，Minitab、SAS、ED等軟件在實驗設計中將起到越來越重要的作用，在食品工業中的應用會更加廣泛。

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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用于食品和飲料行業［1-3］。鑒于薄荷香精極易升華或揮發，不僅在生產過程中產生了強烈的刺激，而且影響了產品的壽命。只有有效地保護薄荷香精的穩定性，才能制得品質較好的薄荷食品。微膠囊技術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，廣泛應用于食品工業中，其優勢在于緩釋、使囊心免受外界因素影響。制備微膠囊的方法有很多，國內外現有報道的方法有復凝聚相法、噴霧干燥法和分子包結法等，包囊材料有β-環糊精、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異性能，原料易得，價格便宜。近兩年國內陸續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，在微膠囊表面復合一層聚電解質半透膜。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藥應用中有報道［8-9］，但在食品中作為兩者同時作為壁材尚未見報道。本文用殼聚糖、海藻酸鈉作為囊壁材料，采用復凝聚相法對薄荷香精進行微膠囊化，系統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、產品質量好的薄荷香精微膠囊。

2009-09-27 *通訊聯系人

陳科兵(1978-)，男，工程師，主要從事卷煙香料研究。