响应面法优化番茄红素微胶囊的制备工艺

◎ 赵明慧，赵晶蕊，王 军，武 强，李小军，孙静涛

（1.石河子大学 食品学院，新疆 石河子 832000；2.石河子开发区石大合旭科技开发有限公司，新疆 石河子 832000）

番茄红素是一种具有良好抗氧化能力的天然类胡萝卜素，具有多种生理功能，对抗氧化、延缓衰老、防癌和抗癌等疾病起到积极效果，尤其对于心血管疾病有良好的预防作用［1］。目前联合国食品添加剂委员会将番茄红素认定为A类营养素，番茄红素作为营养强化剂和食品添加剂已广泛应用于食品、医药和化妆品等领域［2］。番茄红素是一种脂溶性色素，易被氧化分解，对氧气、光照和温度条件十分敏感，因此在很大程度上限制了其在食品中的应用。

近年来，微胶囊技术的发展使生物活性物质避免了环境因素(氧气、光照和温度)的影响，从而保护了生物活性成分及其营养价值，并提高了稳定性。目前微囊化方法主要有喷雾干燥法[3]、凝聚法[4]、离子凝胶法[5]、冷冻干燥法[6]和包埋络合法[7]等。其中喷雾干燥法以速度快、效率高和抗热敏性好等优点已广泛应用于酶制剂、香精、抗氧化剂及生物活性物质的包埋。本研究利用喷雾干燥微囊化技术制备番茄红素微胶囊，采用响应面法优化制备工艺提高包埋率，以期为番茄红素微囊化工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

番茄红素油树脂（含量15%），新疆优康来生物科技开发有限公司提供；阿拉伯胶、麦芽糊精、β-环糊精等，江西百盈生物技术有限公司；吐温-80、维生素E，广东欧斯曼生物科技有限公司；红花籽油，新疆石河子汇昌油脂有限公司。

1.2 仪器与设备

YC-015型实验型喷雾干燥，上海贺帆仪器有限公司；L5T高剪切乳化机，英国Silverson公司；GJB500-40均质机，常州市均质机械有限公司；UV1102紫外可见分光光度计，上海天美科学仪器有限公司；蠕动泵，济南温腾医疗器械有限公司；EL3002型电子天平，梅特勒－托利多仪器上海有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 番茄红素微胶囊制备

（1）工艺流程。番茄红素油树脂+红花籽油+壁材（阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精乳液）→混合乳化→高压均质（40 MPa）→喷雾干燥→番茄红素微胶囊。

（2）操作要点。称取一定质量的番茄红素油树脂和红花籽油进行剪切混合，混合均匀后作为芯材备用；称取一定质量的阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精，溶解于50 ℃的蒸馏水中，壁材浓度为20%，再加入1%的维生素E和1%吐温-80，在磁力搅拌器快速搅过程中缓慢将芯材滴入到上述壁材乳液中混匀，然后在40 MPa下进行均质处理得到稳定的乳液，最后将乳液进行喷雾干燥得到番茄红素微胶囊，喷雾干燥进风温度为 180 ℃，雾化器转速为 300 r·s-1。

1.3.2 番茄红素标准曲线绘制及微胶囊包埋率测定

本研究参照周丹红等［8］的方法绘制番茄红素标准曲线，番茄红素微胶囊包埋率计算公式如下：

式中：M1为微胶囊表面番茄红素含量，μg·mL-1；M2为微胶囊中番茄红素总含量，μg·mL-1。

1.3.3 单因素试验

（1）最佳壁材配比的确定。固定芯壁比为1∶3、进风温度为180 ℃，雾化器转速为300 r·s-1，分别考察阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精不同配比（1∶1∶1、1∶2∶1、1∶1∶2、1∶2∶2和2∶1∶1）对包埋率的影响，选出最佳壁材配比。

（2）最佳芯壁比的确定。固定阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精配比为1∶1∶2、进风温度180 ℃，雾化器转速为300 r·s-1，考察不同芯壁比（1∶1、1∶2、1∶3、1∶4和1∶5）对包埋率的影响。

（3）喷雾干燥最佳进风温度的确定。固定阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精配比为1∶1∶2、芯壁比为1∶3，雾化器转速为300 r·s-1，考察不同进风温度（150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃和190 ℃）对包埋率的影响。

（4）喷雾干燥最佳雾化器转速的确定。固定阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精配比为1∶1∶2、芯壁比为1∶3，进风温度180 ℃，考察不同雾化器转速（200 r·s-1、250 r·s-1、300 r·s-1、350 r·s-1和 400 r·s-1）对包埋率的影响。

1.3.4 响应面优化试验

综合单因素试验结果，设计了3因素3水平响应面分析试验，分别考察芯壁比、进风温度和雾化器转速对包埋率的影响，表1为响应面分析因素水平表。

表1 Box-Behnken因素水平表

1.4 数据处理

每组试验都重复处理测定3次，取平均值为试验最终结果。在数据处理过程中使用Design-Expert V8.0.6软件进行响应面设计及结果分析，采用Origin 9.0软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 壁材不同配比对包埋率的影响

从图1中可看出，当阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精配比为1∶1∶2时，番茄红素微胶囊包埋率最高，可达到81.3%。随着麦芽糊精的配比增大，包埋率降低；随着β-环糊精配比增大，包埋率急剧增大，由此可看出，麦芽糊精和β-环糊精添加比例对包埋率的影响较大。在本研究中，将阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精添加配比1∶1∶2作为最佳的微胶囊壁材。

2.1.2 芯壁比对包埋率的影响

从图2可看出，当进风温度180 ℃，雾化器转速为300 r·s-1时，随着芯材与壁材质量比的降低，番茄红素微胶囊包埋率增加，当芯材与壁材的质量比为1∶4时，包埋率最高，达到84.7%。可能原因为芯壁比大时，微胶囊囊壁厚度较小，芯材渗透性高，番茄红素包埋率较低；当芯壁比降低时，微胶囊囊壁厚度增加，芯材渗透性降低，番茄红素包埋率提高。因此，选取芯壁比为1∶4作为响应面优化中间值。

2.1.3 喷雾干燥最佳进风温度

从图3可看出，当芯壁比为1∶3，雾化器转速为300 r·s-1，随着进风温度的提高，包埋率先急剧增大，在进料温度为180 ℃时包埋率达到最大，为84.3%。即随着进风温度的进一步提高，包埋率开始缓慢减小。这可能是由于进风温度小于180 ℃时不能将壁材中的水分充分蒸发，使得囊壁水分含量较高，芯材渗透性高，因此包埋率较低。而当进风温度高于180 ℃时，壁材水分蒸发较快，但是高温会破坏微胶囊结构，从而导致包埋率降低。因此，选取进风温度180 ℃作为响应面优化中间值。

2.1.4 喷雾干燥最佳雾化器转速

从图4可看出，当芯壁比为1∶3，进风温度为180 ℃时，随着雾化器转速的提高，包埋率先急剧增大，当雾化器转速为300 r·s-1时包埋率达到最大，为84.1%。当雾化器转速超过300 r·s-1时，包埋率缓慢下降。这可能是由于雾化器转速低的情况下，雾化液滴粒度较大，水分蒸发较慢，囊壁水分含量高，导致包埋率下降。当雾化器转速较高时，雾化液滴粒度较小，相对高温会破坏微胶囊结构，从而使得包埋率降低。因此，选取雾化器转速300 r·s-1作为响应面优化中间值。

2.2 番茄红素微胶囊喷雾干燥工艺响应面优化

在番茄红素微胶囊喷雾干燥单因素试验的基础上，以番茄红素微胶囊包埋率为响应值，采用响应面法对芯壁比、进风温度和雾化器转速进一步优化，响应面设计方案及试验结果见表2。芯壁比、进风温度和雾化器转速对番茄红素微胶囊包埋率的拟合方程为Y=85.24-3.25A+4.05B-4.15C+3.23AB-4.97AC-3.97BC+7.55A2-1.21B2+5.25C2。

表3为响应面方差分析结果，表3中回归模型P=0.004 3＜0.01，说明该模型极显著，且失拟项=0.161 6＞0.05，表明失拟项差异不显著，表示试验设计可靠。模型的相关系数R2=0.919 9，说明回归方程拟合情况较好，可以准确预测实际试验结果。从方差分析结果可以看出A、B、C和AC达到了显著水平（P＜0.05），说明芯壁比、进风温度和雾化器转速对包埋率影响较显著，其中芯壁比与雾化器转速（AC）之间的交互作用对番茄红素包埋率影响也较为显著。

图5为芯壁比与雾化器转速（AC）之间的交互作用对番茄红素微胶囊包埋率影响的响应面。从图中可看出响应曲面坡度较大，说明包埋率对喷雾干燥条件敏感。当进风温度为180 ℃时，从图5可知，在芯壁比降低和雾化器转速提高时，番茄红素微胶囊包埋率先增大后减小。当芯壁比为1∶4和雾化器转速为300 r·s-1，番茄红素微胶囊包埋率达到最大值为87.3%。

2.3 番茄红素微胶囊喷雾干燥工艺验证

采用上述番茄红素微胶囊喷雾干燥工艺参数来验证响应面优化结果的可靠性，经回归方程分析，预测最佳条件为芯壁比1∶3.95、进风温度171.49 ℃和雾化器转速288 r·s-1，此时番茄红素微胶囊包埋率预测值为87.67%。在实际验证试验中，设置芯壁比为1∶4，进风温度170 ℃和雾化器转速290 r·s-1，在此喷雾干燥条件下进行了3次平行试验，番茄红素微胶囊包埋率分别为87.21%、88.01%和87.44%，其平均值为87.55%，其与预测值较为接近，表明该模型有良好的准确性和可靠性。

3 结论

本研究采用喷雾干燥法制备番茄红素微胶囊，在研究中发现当阿拉伯胶、麦芽糊精和β-环糊精配比为1∶1∶2作为微胶囊壁材时，可提高番茄红素微胶囊包埋率。在此基础上，分别对番茄红素微胶囊包埋率影响较大的芯壁比、进风温度和雾化器转速3个工艺参数做了单因素试验，探究了不同工艺参数对番茄红素微胶囊包埋率的影响，并采用响应面法优化了喷雾干燥工艺。结果表明，番茄红素微胶囊喷雾干燥最优工艺参数为芯壁比为1∶4，进风温度170 ℃和雾化器转速290 r·s-1，在此工艺参数下番茄红素微胶囊包埋率可达87.55%，该研究结果为番茄红素微胶囊喷雾干燥工业化生产提供一定的参考。