响应面分析法优化茶油微胶囊喷雾干燥工艺

范方宇，常艳琼，董选刚，郭 安，郭 磊，王振兴

(西南林业大学西南山地森林资源保育与利用省部重点实验室，云南昆明650224)

茶油是中国特有的新兴优质食用油脂，根据Asia Pulse报道，中国的茶籽油在2020年产量将达到250t。茶油营养丰富，茶油的脂肪组成合理，与世界上公认的最好木本植物油——橄榄油极其相似，被誉为“东方的橄榄油”。茶油还含有丰富的维生素E、维生素D、胡萝卜素等，最重要的还含有角鲨烯成分，所以在某种程度上它的营养功能超过了橄榄油［1－2］。

近年来茶油研究越来越多，但大多数都集中在对于其成分的分析和提取，如 Zhong等［3－4］研究冷榨茶油的挥发性成分为戊醛到壬醛等9种饱和醛，Jiaojiao Yuan［5］利用红外透射光谱分析茶油的脂肪酸组成，况小玲［6］以不同加工工艺对比提取过程对油茶油风味物质的影响，证明加工方式也能影响茶油风味物质的含量等。茶油的深加工方面的研究资料文献较少，近年来得以开展，主要集中于其微囊化研究，如葛昕采用不同壁材组合对有茶籽油进行了微胶囊化的研究［7］，李丽采用喷雾干燥法对茶油进行了微胶囊化研究［8］，油脂的微胶囊化主要采取的是喷雾干燥法［9－10］。

响应面分析法用来优化若干独立变量影响一个(或多个)响应变量的实验条件［11］，目前已经在各领域广泛使用。食品领域采用响应面法研究实验工艺条件的文献也是很多［12－13］。本文利用响应面分析法优化茶油微胶囊喷雾干燥条件，寻找适合茶籽油微胶囊的工艺条件。同时对茶油深加工的研究可促进茶油行业的发展。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茶油 云南临沧佳源食品有限责任公司、纯度100%;大豆分离蛋白(SPI)谷神生物科技集团有限公司、纯度≥90%;麦芽糊精 山东西王食品有限公司、DE值:16～20;黄原胶 淄博中轩生化有限公司、纯度99%;单甘脂 广州市佳立士食品有限公司、纯度99%;蔗糖酯 杭州瑞霖化工产品有限公司、纯度99%，以上均为食用级。

石油醚((30～60℃沸程)、乙醚、无水乙醇，均分分析纯。

DHG－9140A型电热恒温鼓风干燥箱 上海恒科学仪器有限公司;HH－2型数显恒温水浴锅 金坛市丹瑞电器厂;电子天平 Sartorins公司;SHR均质机 上海申鹿均质机有限公司;B－290喷雾干燥器 Buchi;JSM－6490LV扫描电子显微镜 日本电子制造。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 SPI溶解在60℃的蒸馏水中→加麦芽糊精和黄原胶(黄原胶与麦芽糊精充分拌匀)→加入茶油、蔗糖酯、单甘脂→均质→喷雾干燥→成品

按要求取一定量的SPI在60℃条件下溶解于蒸馏水中(SPI与蒸馏水质量比例约为1∶4)，溶解过程中要不断搅拌，防止SPI结块，同时将搅拌均匀的麦芽糊精和黄原胶缓慢混于溶解后的SPI溶液中，形成均匀溶液。同时向预先溶解的蔗糖酯、单甘脂中加入茶油并混匀后与之前的溶液混合。按实验设计浓度要求加入蒸馏水后在30MPa条件下均值10min。均质后将溶液喷雾干燥，即可收集茶油微胶囊产品。

通过参考相关文献［14－16］，并结合预实验，选择以黄原胶为总溶液0.1%，乳化剂(单甘脂与蔗糖酯，比例为1∶1)为溶液固形物2%，喷雾空气流量667L/h。同时，通过预实验，确定了均质压力30MPa、时间10min，大豆蛋白与麦芽糊精比为1∶1，芯材与壁材比例为0.7∶2时茶油微胶囊包埋率好。进风温度、固形物浓度、进料流量三因素对实验影响比较大，因此选择此三因素在相关条件下进行响应面实验。

1.2.2 响应面实验 以Box－Behnken实验设计原理，采用3因素3水平的响应面分析法对进风温度，固形物浓度，乳液流量三个因素与包埋率进行响应面实验设计。采用Design Expert进行分析。

表1 Box－Behnken实验设计Table 1 Experiment design of Box－Behnken

1.2.3 包埋率的计算

1.2.4 表面油的测定 准确称取3.000～5.000g微胶囊粉末，将30mL石油醚分3次加入，每次振荡时间2min，过滤并合并滤液，将滤液在70℃下烘干，蒸出石油醚，称重，得油的质量，即微胶囊表面油［15］。

1.2.5 总油的测定 采用碱性乙醚法提取总油。准确称取1.000g左右的微胶囊粉末，加入10mL 60℃蒸馏水中充分溶解，倒入分液漏斗中，加入1mL 25%的氨水摇匀，加入10mL无水乙醇，充分摇匀，冷却后加入25mL乙醚，摇匀，打开塞子放出气体，加入25mL石油醚，摇匀后静置分层，取上层液，在70℃下烘干，称重，得油的质量，即微胶囊总油［16］。

1.2.6 微胶囊形态观察 采用扫描电镜(SEM)观察微胶囊的表面结构。将样品分散在双面胶上，吹去多余粉末。喷金，后用电镜观察微胶囊表面结构。加速电压为30kV。

1.2.7 数据分析 采用F检验对实验数据进行方差分析以评价模型的统计意义实验。每组实验重复三次，取平均值作为实验结果。数据采用Design Expert软件对实验数据进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 响应面实验结果分析

2.1.1 回归模型的建立及显著性检验 采用Design Expert软件通过回归对表1数据进行回归拟合。实验设计及结果见表2。

表2 Box－Behnken实验设计结果Table 2 Experiment result of Box－Behnken

茶油微胶囊包埋率的响应分析实验根据Box－Behnken设计进行了17组实验，其中5组中心点重复实验。由Design Expert软件对表2数据进行多远回归拟合，得到包埋率的回归方程为:

式中:X1为进风温度;X2为固形物浓度;X3为进料流量。

对模型进行方差分析，结果见表3。由表3可以看出，实验选用的模型具有高度的显著性(p＜0.0001)，表明该模型极显著。失拟项在a=0.05水平上，不显著(p=0.4244)，说明回归模型与实际情况模拟好，无失拟因素存在，可以用回归方程代替实验真实点对实验结果进行分析。模型的为 0.9754，R2为0.9892，说明该模型能解释97.54%的响应值，仅有总变异的2.46%不能用此模型来解释，说明该模型拟合程度良好。用此模型对喷雾干燥茶油微胶囊的包埋率进行优化是合适的。

该模型中可以看出，X2、X1X3、X2X3、X22、对茶油微胶囊的包埋率的影响高度显著(p＜0.001)，X1、X3影响一般显著(p＜0.05)，X12影响不显著。

2.1.2 响应曲面分析与优化 由图1～图3可以看出，进风温度、固形物浓度、进料流量三个因素间都存在着相互影响。

表3 回归方程方差分析Table 3 Analysis of variance for the fitted regression equation

由图1可以看出当进风温度一定时，固形物浓度增加可以提高茶油微胶囊的包埋率，但是超过约18.2%时，又呈现下降趋势。当固形物浓度一定时，进风温度的增加对包埋率而言略有增加，但是增加不明显。但是，当浓度过大时，如图20.0%时，进风温度的增加却是大大降低了包埋率。因此二者的交互影响为一般显著。这主要是由于物料浓度增大后，粘度增加，喷雾干燥时雾滴较大，如果温度过低将导致干燥困难，温度过高容易引起雾滴表层过快收缩引起胶囊破坏。

图1 进风温度和固形物浓度对微胶囊包埋率影响响应面图Fig.1 Respose surface of the inlet air temperature and solid content on the embedding rate of microcapsule

由图2可以看出进料流量和进风温度二者交互影响显著。主要是由于进料过少，雾滴变小，此时干燥迅速。但如果温度过高，容易引起胶囊干瘪，导致芯材被挤压出来。进料过大，雾滴又偏大，温度低时不宜干燥完全。因此二者需要找到合适的配合点才能使包埋率达到最高。

同样的原因，在图3中进料流量和固形物浓度相互间也会产生显著的交互影响。

根据 Box－Behnken实验所得的结果，利用Design Expert软件得到各个条件的最佳提取条件为进风温度170℃，固形物浓度为16.63%，进料流量为21mL/min，此条件下，微胶囊包埋率为90.49%。根据实际情况，选择进风温度170℃，固形物浓度为17%，进料流量为21mL/min，此条件下，微胶囊包埋率为90.25%，与最佳条件预测值90.49%接近。

图2 进风温度和进料流量对微胶囊包埋率影响响应面图Fig.2 Respose surface of the inlet air temperature and feed flow rate on the embedding rate of microcapsule

图3 固形物浓度和进料流量对微胶囊包埋率影响响应面图Fig.3 Respose surface of solid content and feed flow rate on the embedding rate of microcapsule

2.2 扫描电镜观察微胶囊表面结构

在最佳工艺条件下，喷雾干燥产品经扫描电镜观察表面结构。图4为放大10000倍下微胶囊的表面结构。由图可以看出，茶油微胶囊呈圆球形，表面光滑，无裂痕。囊壁致密完整，说明芯材已经被壁材包裹。同时微胶囊上有微凹陷，其原因是由于喷雾干燥过程中，雾滴迅速干燥致表面收缩产生的，为正常现象。

图4 茶油微胶囊电镜照片Fig.4 SEM image of camellia seed oil microcapsule

3 结论

通过响应面分析方法，以茶油微胶囊包埋率为主要目标，确定了茶油微胶囊的最佳喷雾干燥条件为:进风温度170℃，固形物浓度为17%，进料流量为21mL/min，此条件下，微胶囊包埋率为90.25%。同时，采用扫描电镜对微胶囊的形态进行了观察，其颗粒呈圆形，无裂缝。

［1］Ma Jinlin，Ye Hang，Rui Yukui，et al.Fatty acid composition of Camellia oleifera oil［J］.J Verbrauch Lebensm，2011，6(1):9－21.

［2］邢朝宏，李进伟，金青哲，等.我国油茶籽的综合利用［J］.粮油食品科技，2011，19(4):13－16.

［3］Zhong H Y，Bedgood D R，Bish A G，et al.Endogenous biophenol.fatty acid and volatile profiles of selected oils［J］.Food Chem，2007，100(40):1544－1551.

［4］Zhong H Y，Bedgood D R，BishopA G，et al.Effect of added caffeic acid and tyosol on the fatty acid and volatile profiles of camellia oil following heating［J］.Agric.Food Chem，2006，54(25):9551－9558.

［5］JiaojiaoYuan，ChengzhangWang，HongxiaChen， et al.Prediction of fatty acid composition in Camellia oleifera oil by near infrared transmittance spectroscopy(NITS)［J］.Food Chemistry，2013，138(2):1657－1662.

［6］况小玲，徐俐，张红梅.不同加工工艺对油茶籽油风味物质的影响［J］.中国粮油学报，2012，27(6):89－94.

［7］葛昕，费学谦，陈焱，等.不同比赛组合油茶籽油微胶囊的性能研究［J］.中国油脂，2013，(38)2:26－29.

［8］李丽.茶油的超声波辅助提取工艺及微胶囊化研究［D］.广州:华南农业大学，2010.

［9］郭智军，陈元涛，张炜，等.喷雾干燥制备高纯α－亚麻酸微胶囊研究［J］.天然产物研究与开发，2012，24:1279－1287.

［10］冯卫华，刘邻渭，许克勇.猕猴桃籽油微胶囊化技术［J］.研究农业工程学报，2004，20(1):234－238.

［11］谢明，王伟良，黄建科，等.基于响应面分析法的小球藻藻粉喷雾干燥工艺优化［J］.食品工业科技，2012，33(6):263－267.

［12］张维，李雪雁，张秀兰，等.响应面分析法优化菊芋渣中蛋白的提取工艺［J］.食品工业科技，2012，33(1):305－307.

［13］关海宁，郭丽，张明成，等.响应面优化低敏性大豆β－伴球蛋白喷雾干燥工艺研究［J］.食品科技，2011(9):13－15.

［14］田少君，张学鹏，李海旺.红花籽油微胶囊芯材释放性能研究［J］.粮食与油脂，2012，9:17－19.

［15］李艳茹.汉麻籽油喷雾干燥微胶囊工艺的研究［J］.中国粮油学报，2011，26(12):60－62.

［16］李延辉，郑凤荣.粉末化榛仁油乳化工艺研究［J］.食品与机械，2010，26(6):122－124.

［17］周德红，郑为完，石燕，等.月见草油微胶囊粉末油脂中油脂过氧化值测定之提油方法的研究［J］.食品科技，2006，7:215－218.