響應面分析法優化茶油微膠囊噴霧干燥工藝

范方宇，常艷瓊，董選剛，郭 安，郭 磊，王振興

(西南林業大學西南山地森林資源保育與利用省部重點實驗室，云南昆明650224)

茶油是中國特有的新興優質食用油脂，根據Asia Pulse報道，中國的茶籽油在2020年產量將達到250t。茶油營養豐富，茶油的脂肪組成合理，與世界上公認的最好木本植物油——橄欖油極其相似，被譽為“東方的橄欖油”。茶油還含有豐富的維生素E、維生素D、胡蘿卜素等，最重要的還含有角鯊烯成分，所以在某種程度上它的營養功能超過了橄欖油［1－2］。

近年來茶油研究越來越多，但大多數都集中在對于其成分的分析和提取，如 Zhong等［3－4］研究冷榨茶油的揮發性成分為戊醛到壬醛等9種飽和醛，Jiaojiao Yuan［5］利用紅外透射光譜分析茶油的脂肪酸組成，況小玲［6］以不同加工工藝對比提取過程對油茶油風味物質的影響，證明加工方式也能影響茶油風味物質的含量等。茶油的深加工方面的研究資料文獻較少，近年來得以開展，主要集中于其微囊化研究，如葛昕采用不同壁材組合對有茶籽油進行了微膠囊化的研究［7］，李麗采用噴霧干燥法對茶油進行了微膠囊化研究［8］，油脂的微膠囊化主要采取的是噴霧干燥法［9－10］。

響應面分析法用來優化若干獨立變量影響一個(或多個)響應變量的實驗條件［11］，目前已經在各領域廣泛使用。食品領域采用響應面法研究實驗工藝條件的文獻也是很多［12－13］。本文利用響應面分析法優化茶油微膠囊噴霧干燥條件，尋找適合茶籽油微膠囊的工藝條件。同時對茶油深加工的研究可促進茶油行業的發展。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

茶油 云南臨滄佳源食品有限責任公司、純度100%;大豆分離蛋白(SPI)谷神生物科技集團有限公司、純度≥90%;麥芽糊精 山東西王食品有限公司、DE值:16～20;黃原膠 淄博中軒生化有限公司、純度99%;單甘脂 廣州市佳立士食品有限公司、純度99%;蔗糖酯 杭州瑞霖化工產品有限公司、純度99%，以上均為食用級。

石油醚((30～60℃沸程)、乙醚、無水乙醇，均分分析純。

DHG－9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海恒科學儀器有限公司;HH－2型數顯恒溫水浴鍋 金壇市丹瑞電器廠;電子天平 Sartorins公司;SHR均質機 上海申鹿均質機有限公司;B－290噴霧干燥器 Buchi;JSM－6490LV掃描電子顯微鏡 日本電子制造。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 SPI溶解在60℃的蒸餾水中→加麥芽糊精和黃原膠(黃原膠與麥芽糊精充分拌勻)→加入茶油、蔗糖酯、單甘脂→均質→噴霧干燥→成品

按要求取一定量的SPI在60℃條件下溶解于蒸餾水中(SPI與蒸餾水質量比例約為1∶4)，溶解過程中要不斷攪拌，防止SPI結塊，同時將攪拌均勻的麥芽糊精和黃原膠緩慢混于溶解后的SPI溶液中，形成均勻溶液。同時向預先溶解的蔗糖酯、單甘脂中加入茶油并混勻后與之前的溶液混合。按實驗設計濃度要求加入蒸餾水后在30MPa條件下均值10min。均質后將溶液噴霧干燥，即可收集茶油微膠囊產品。

通過參考相關文獻［14－16］，并結合預實驗，選擇以黃原膠為總溶液0.1%，乳化劑(單甘脂與蔗糖酯，比例為1∶1)為溶液固形物2%，噴霧空氣流量667L/h。同時，通過預實驗，確定了均質壓力30MPa、時間10min，大豆蛋白與麥芽糊精比為1∶1，芯材與壁材比例為0.7∶2時茶油微膠囊包埋率好。進風溫度、固形物濃度、進料流量三因素對實驗影響比較大，因此選擇此三因素在相關條件下進行響應面實驗。

1.2.2 響應面實驗 以Box－Behnken實驗設計原理，采用3因素3水平的響應面分析法對進風溫度，固形物濃度，乳液流量三個因素與包埋率進行響應面實驗設計。采用Design Expert進行分析。

表1 Box－Behnken實驗設計Table 1 Experiment design of Box－Behnken

1.2.3 包埋率的計算

1.2.4 表面油的測定 準確稱取3.000～5.000g微膠囊粉末，將30mL石油醚分3次加入，每次振蕩時間2min，過濾并合并濾液，將濾液在70℃下烘干，蒸出石油醚，稱重，得油的質量，即微膠囊表面油［15］。

1.2.5 總油的測定 采用堿性乙醚法提取總油。準確稱取1.000g左右的微膠囊粉末，加入10mL 60℃蒸餾水中充分溶解，倒入分液漏斗中，加入1mL 25%的氨水搖勻，加入10mL無水乙醇，充分搖勻，冷卻后加入25mL乙醚，搖勻，打開塞子放出氣體，加入25mL石油醚，搖勻后靜置分層，取上層液，在70℃下烘干，稱重，得油的質量，即微膠囊總油［16］。

1.2.6 微膠囊形態觀察 采用掃描電鏡(SEM)觀察微膠囊的表面結構。將樣品分散在雙面膠上，吹去多余粉末。噴金，后用電鏡觀察微膠囊表面結構。加速電壓為30kV。

1.2.7 數據分析 采用F檢驗對實驗數據進行方差分析以評價模型的統計意義實驗。每組實驗重復三次，取平均值作為實驗結果。數據采用Design Expert軟件對實驗數據進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 響應面實驗結果分析

2.1.1 回歸模型的建立及顯著性檢驗 采用Design Expert軟件通過回歸對表1數據進行回歸擬合。實驗設計及結果見表2。

表2 Box－Behnken實驗設計結果Table 2 Experiment result of Box－Behnken

茶油微膠囊包埋率的響應分析實驗根據Box－Behnken設計進行了17組實驗，其中5組中心點重復實驗。由Design Expert軟件對表2數據進行多遠回歸擬合，得到包埋率的回歸方程為:

式中:X1為進風溫度;X2為固形物濃度;X3為進料流量。

對模型進行方差分析，結果見表3。由表3可以看出，實驗選用的模型具有高度的顯著性(p＜0.0001)，表明該模型極顯著。失擬項在a=0.05水平上，不顯著(p=0.4244)，說明回歸模型與實際情況模擬好，無失擬因素存在，可以用回歸方程代替實驗真實點對實驗結果進行分析。模型的為 0.9754，R2為0.9892，說明該模型能解釋97.54%的響應值，僅有總變異的2.46%不能用此模型來解釋，說明該模型擬合程度良好。用此模型對噴霧干燥茶油微膠囊的包埋率進行優化是合適的。

該模型中可以看出，X2、X1X3、X2X3、X22、對茶油微膠囊的包埋率的影響高度顯著(p＜0.001)，X1、X3影響一般顯著(p＜0.05)，X12影響不顯著。

2.1.2 響應曲面分析與優化 由圖1～圖3可以看出，進風溫度、固形物濃度、進料流量三個因素間都存在著相互影響。

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

由圖1可以看出當進風溫度一定時，固形物濃度增加可以提高茶油微膠囊的包埋率，但是超過約18.2%時，又呈現下降趨勢。當固形物濃度一定時，進風溫度的增加對包埋率而言略有增加，但是增加不明顯。但是，當濃度過大時，如圖20.0%時，進風溫度的增加卻是大大降低了包埋率。因此二者的交互影響為一般顯著。這主要是由于物料濃度增大后，粘度增加，噴霧干燥時霧滴較大，如果溫度過低將導致干燥困難，溫度過高容易引起霧滴表層過快收縮引起膠囊破壞。

圖1 進風溫度和固形物濃度對微膠囊包埋率影響響應面圖Fig.1 Respose surface of the inlet air temperature and solid content on the embedding rate of microcapsule

由圖2可以看出進料流量和進風溫度二者交互影響顯著。主要是由于進料過少，霧滴變小，此時干燥迅速。但如果溫度過高，容易引起膠囊干癟，導致芯材被擠壓出來。進料過大，霧滴又偏大，溫度低時不宜干燥完全。因此二者需要找到合適的配合點才能使包埋率達到最高。

同樣的原因，在圖3中進料流量和固形物濃度相互間也會產生顯著的交互影響。

根據 Box－Behnken實驗所得的結果，利用Design Expert軟件得到各個條件的最佳提取條件為進風溫度170℃，固形物濃度為16.63%，進料流量為21mL/min，此條件下，微膠囊包埋率為90.49%。根據實際情況，選擇進風溫度170℃，固形物濃度為17%，進料流量為21mL/min，此條件下，微膠囊包埋率為90.25%，與最佳條件預測值90.49%接近。

圖2 進風溫度和進料流量對微膠囊包埋率影響響應面圖Fig.2 Respose surface of the inlet air temperature and feed flow rate on the embedding rate of microcapsule

圖3 固形物濃度和進料流量對微膠囊包埋率影響響應面圖Fig.3 Respose surface of solid content and feed flow rate on the embedding rate of microcapsule

2.2 掃描電鏡觀察微膠囊表面結構

在最佳工藝條件下，噴霧干燥產品經掃描電鏡觀察表面結構。圖4為放大10000倍下微膠囊的表面結構。由圖可以看出，茶油微膠囊呈圓球形，表面光滑，無裂痕。囊壁致密完整，說明芯材已經被壁材包裹。同時微膠囊上有微凹陷，其原因是由于噴霧干燥過程中，霧滴迅速干燥致表面收縮產生的，為正常現象。

圖4 茶油微膠囊電鏡照片Fig.4 SEM image of camellia seed oil microcapsule

3 結論

通過響應面分析方法，以茶油微膠囊包埋率為主要目標，確定了茶油微膠囊的最佳噴霧干燥條件為:進風溫度170℃，固形物濃度為17%，進料流量為21mL/min，此條件下，微膠囊包埋率為90.25%。同時，采用掃描電鏡對微膠囊的形態進行了觀察，其顆粒呈圓形，無裂縫。

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