響應面法優化薏米糠油面膜的工藝研究

◎ 湯 翠，王永恒，羅 凱，冷 璐，左 麗，焦安詳

（1.六盤水市農業農村局，貴州 六盤水 553000；2.六盤水市檢驗檢測中心，貴州 六盤水 553000）

薏米糠是薏米在加工成精米的過程中所產生的黃粉，其占總質量的6%～10%左右，含有豐富的營養物質和功能成分，作為“一種未充分利用的原料”，一直被當作廉價的動物飼料而未得到充分的利用，造成了薏米糠資源的極大浪費，同時也影響了農副產品的深加工利用，本研究充分利用薏米糠資源，提高農業廢棄物綜合利用率，開發利用意義重大，應用前景廣闊。

研究表明，薏米糠營養成分與統糠接近[1]。華正根等[2]對薏米深加工后的副產物薏米糠綜合分析，發現含蛋白質28.5%、多糖5.65%、脂肪18.45%。林莉等[3]以超臨界脫脂薏米糠粉粕為研究對象提取其中的蛋白質，研究發現薏米糠蛋白質含有16種氨基酸，其中7種為必需氨基酸。從薏米糠中提取的乙酸乙酯提取物可通過平衡Th1/Th2型細胞因子免疫效應來減少過敏反應[4]。HUANG[5]等對比了薏米糠乙醇提取物和乙酸乙酯提取物，結果表明乙酸乙酯提取物表現出較好的抗炎效果。CHEN等[6]從薏米糠中分離提取的黃酮類化合物也表現出了一定的抗炎效果。從薏米糠中分離出內酰胺類化合物能抑制肺癌和結腸癌細胞，抗癌效果半抑制率IC50可達到28.6～72.6 lg/mL[7]。薏米糠油色澤澄清、透明，淺黃色，無異味，酸價和過氧化值分別為0.59 mgKOH/g和0.60 mmol/kg，符合《中華人民共和國輕工業行業標準 按摩基礎油、按摩油》（QB/T 4079—2010）的要求，適合做化妝品基礎油。

凝膠劑面膜是近年來新興的一種劑型，能在較長時間里與作用部位緊密黏附，從而增加功效物質的皮膚角質層透過量，使用后易于清洗、感覺舒適、且穩定性好，但該劑型對基質要求較高[7]。凝膠基質配方研究是化妝品研究的基礎，也是化妝品研究的核心內容，各種基質的配比和配伍是制備優良凝膠型化妝品的關鍵。本研究通過篩選成膜劑、乳化劑、保濕劑，并確定其用量，確定薏米糠油面膜配方，研制一種膏霜劑型薏米糠油睡眠面膜。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

薏米糠油，實驗室自制。

1.2 試驗試劑

酪氨酸酶為標準品，L-酪氨酸為生化試劑，鄰苯二甲酸氫鉀、碘化鉀、硫代硫酸鈉、冰乙酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、卡波姆940、聚丙烯酰胺、透明質酸鈉、甘油、山梨醇均為分析純。

1.3 試驗儀器

UV-2550型紫外分光光度計，東莞市東儀精密設備有限公司；XHF-D型高速分散器，寧波新芝生物科技股份有限公司；NDJ-1型粘度儀，上海天平儀器廠；CT3型質構分析儀，美國博勒飛（Brookfield）有限公司；3K18型離心機，上海川翔生物科技有限公司。

2 試驗方法

2.1 美容面膜制備工藝

薏米糠油睡眠面膜的制備按照如下步驟進行，在制備過程中，先使成膜劑、保濕劑分別在水中充分地分散和溶脹，形成凝膠液后，再添加其他的原料，用三乙醇胺調節酸堿度，并不斷攪拌消除氣泡。A相制備：將成膜劑、保濕劑分別在（75±5）℃的水中溶解完全，趁熱將成膜劑、保濕劑混合，作為A相。B相制備：將乳化劑在（75±5）℃的水中溶解完全，加入薏米糠油，乳化10 min。C相制備：三乙醇胺、杰馬BP溶解在水中。D相制備：維生素B5、香精溶解在水中。趁熱將A、B、C、D相混合，用高速分散器內切式勻漿機攪拌充分混合，脫氣后密封，靜置隔夜，得面膜成品。

2.2 篩選成膜劑、乳化劑、保濕劑

2.2.1 成膜劑的確定

選取常用的4種成膜劑，稱取羧甲基纖維素鈉（CMC）、聚乙二醇6000、明膠、卡波姆940各2 g于燒杯中，分別加入50 mL水，置于電爐上加熱，并不斷攪拌，充分溶解后均質，然后冷卻至室溫，記錄其粘性和成膜狀況。

2.2.2 乳化劑的選擇

選取常用的乳化劑，硬脂酸皂、月桂醇、明膠、聚丙烯酰胺各1 g于燒杯中，分別加入20 mL水，在（70±5）℃水浴鍋上，充分攪拌乳化10 min后，均質，冷卻至室溫，分別對使用前、使用中、使用好評價其效果。

2.2.3 保濕劑的選擇

保濕劑是面膜的重要組成成分，通過測試5種常用保濕劑甘油、神經酰胺、透明質酸鈉、海藻糖和山梨醇在不同環境濕度（85%和62%）下的保濕率，選出保濕效果好、且不油膩的保濕劑添加至面膜中。

根據體外試驗法[9]測定保濕率，為了更好地模擬皮膚的實際情況，選用適當大小的玻璃板貼上3M膠帶，樣品用量大約2 mg·cm-2。將保濕劑的水溶液涂敷在貼有3M膠帶的玻璃板上，分別放入盛有飽和硫酸銨溶液（相對濕度為85%）和飽和醋酸鉀溶液（相對濕度為62%）的干燥器中，放置4 h、8 h、12 h和24 h后時稱量，根據式（1）計算樣品的保濕率（ME）。

式中：M2——放置后水分重量，mg；M1——放置前水分重量，mg。

2.3 面膜配方單因素試驗

經查閱文獻[10]，初步確定以下基礎配方做預實驗，最終根據面膜配方優化試驗得到最佳配方。選用離子水和丙二醇作為溶劑、三乙醇胺為中和劑、杰馬BP作為防腐劑，同時添加維生素B5以減輕化妝品中敏感成分所產生的不適，如灼燒、刺痛、瘙癢和麻刺等，同時加強皮膚的水合功能。

2.3.1 卡波姆940添加量的確定

根據表1面膜的初級配方，聚丙烯酰胺的添加量為0.6%、透明質酸鈉添加量0.05%，將卡波姆940以1.00%、1.25%、1.50%、1.75%和2.00%的添加量制備面膜，分別測定不同樣品的保濕率及對其進行質構分析，選擇粘著性、膠著性適合且保濕效果較好的樣品，確定成膜劑最優的含量。

表1 面膜初級配方表

2.3.2 聚丙烯酰胺添加量的確定

根據表1面膜的初級配方，卡波姆940添加量為1.75%、透明質酸鈉添加量0.05%，將聚丙烯酰胺以0.6%、0.8%、1.0%、1.2%和1.4%的添加量制備面膜，分別測定不同樣品的保濕率，選擇保濕效果較好的樣品，確定乳化劑最優的含量。

2.3.3 透明質酸鈉添加量的確定

根據表1面膜的初級配方，卡波姆940添加量為1.75%、聚丙烯酰胺添加量1.0%，將透明質酸鈉以0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%的添加量制備面膜，分別測定不同樣品的保濕率，選擇保濕效果較好的樣品，確定透明質酸鈉添加量。

2.4 面膜響應面試驗

根據單因素試驗結果，以成膜劑、乳化劑和保濕劑的添加量作為試驗因素，并設計中心組合試驗因素水平表及Box-Behnken響應面試驗設計，見表2和表3。

表2 響應面分析因素與水平編碼表

表3 Box-Behnken響應面試驗設計方案表

2.5 面膜檢測

2.5.1 面膜質構檢測

將樣品裝于統一規格燒杯中，用探頭TA10進行檢測，測試模式為TPA，測試速度為0.5 mm·s-1，測試距離4 mm[11]。

2.5.2 面膜保濕性能檢測

分別將薏米糠油面膜和市面上兩種典型的保濕面膜涂抹在手上15 min后，洗凈，用皮膚水分測試儀測定30 min內皮膚保濕率的變化（每隔2 min測1次），注意在手部的同樣位置進行測定，測定3次。

2.5.3 粘度

面膜的粘度影響是否易于涂抹展開。粘度用NDJ-1粘度計進行測定。

2.5.4 pH值

人體皮膚一般呈酸性，面膜的pH值決定了對皮膚的刺激程度，面膜pH值范圍：5.0～6.0[13]。稱取面膜樣品1 g，加入蒸餾水10 g，加熱至40 ℃，并不斷攪拌至均勻，冷卻至室溫；用pH計測定。參照國家食品藥品監督管理局《化妝品安全技術規范》2015年版。

2.6 數據統計與分析

采用Origin對單因素試驗數據進行線性分析，采用Box-Behenken設計響應面試驗[14]運用Design-Expert 8.0軟件進行數據處理、分析。根據單因素試驗結果，對薏米糠油脫酸工藝條件進行優化。

3 結果與分析

3.1 成膜劑、乳化劑、保濕劑的確定

3.1.1 成膜劑的確定

各成膜劑的成膜狀況及穩定性結果見表4，研究發現卡波姆940成膜性好，粘性好，而且其抗拉強度、抗龜裂強度都很好，不易受細菌等微生物的污染[15]。卡波姆940是烯丙基蔗糖與丙烯酸共聚并輕度交聯的藥用高分子輔料，可形成水或醇-水膠體，該膠體用堿中和后可形成清晰透明的凝膠，是凝膠制備中最常用基質。考慮面膜的輕盈度、減輕厚重感等，選取無油膩感，易涂展，質地透明，對皮膚及黏膜無刺激的卡波姆940為面膜的成膜劑。

表4 成膜劑的選擇表

3.1.2 乳化劑的確定

乳化劑添加至面膜基本成分中后，效果評價見表5，選擇聚丙烯酰胺作為該面膜的乳化劑，因為聚丙烯酰胺增稠劑不僅具有較少用量就能獲得較強增稠效果的優點，還具有觸變性、抗電解質、耐極性溶劑、耐pH值能力良好，能乳化各種油相，配伍各種表面活性劑及其他的增稠劑，穩定礦物添加劑等優點[16]，近年來在化妝品領域的應用較廣泛。

表5 乳化劑的選擇表

3.1.3 保濕劑的確定

從圖1和圖2可看出保濕劑的ME在RH85%時高于RH62%時的值，5種樣品的ME均隨放置時間的延長而下降，但不同樣品的下降程度不同。總體來說，甘油的保濕率最高，但其涂抹在皮膚上，偏油且濃稠，因為該面膜配方添加薏米糠油，避免面膜的油膩、厚重感，故不考慮甘油作為此面膜的保濕劑。綜合透明質酸鈉的保濕率，在4～12 h相對較穩定，且其質地均勻，適合用于睡眠面膜中[17]。選擇具有適度保濕能力，且保濕能力持久、不易受環境條件變化（溫度、濕度、風等）影響的保濕劑對維持皮膚健康是很重要。因此，選擇透明質酸鈉作為保濕劑添加在薏米糠油睡眠面膜中。

圖1 單一保濕劑在RH62%時的ME圖（室溫20 ℃左右）

圖2 單一保濕劑在RH85%時的ME圖（室溫20 ℃左右）

3.2 面膜配方單因素試驗

3.2.1 卡波姆940對面膜性能的影響

應用質構儀測定面膜試樣的質構特性，測定結果易受多種因素的影響，同時儀器本身也有一定的誤差。由圖3-1知，卡波姆940不同添加量對面膜物性參數重現性具有很大的影響。

從圖3-2可以看出成膜劑添加量為1.75%時，面膜的粘力、粘性、彈性、膠著性測定結果的變異系數為最低，分別為10.2%、17.3%、1.0%和4.7%，平行試驗各指標參數波動較小，說明此條件下面膜自身穩定性較好，且面膜粘著性合適，因為該指標與日化產品的使用性有關。粘著性越大則不易在使用時涂抹均勻粘著性過小，則產品粘度不夠，不易在臉部停留。成膜劑添加量過少，面膜成膜效果不顯著，而成膜劑添加量過多，面膜輔展性較差，穩定性也會較差，同等參數條件下平行試驗測量的各指標誤差也較大。因此選擇卡波姆940添加量為1.75%。

圖3 成膜劑添加量對面膜物性參數及其重現性的影響圖

3.2.2 聚丙烯酰胺對面膜性能的影響

為了方便觀察乳化劑添加量對面膜性能的影響，選擇保濕率作為參考量（乳化效果不易量化）。從圖4中可看出，乳化劑聚丙烯酰胺的添加量對面膜的保濕率有一定的影響，乳化劑量較少，不能達到增稠的效果，面膜的鎖水效果不好，保濕率相對較低；而乳化劑較多，面膜各組分溶解不完全，乳狀液的穩定性也較差，多余的乳化劑吸收了面膜較多的水分，面膜保濕效果不明顯。而乳化劑適量，所形成的乳狀液也越穩定，面膜的涂展性良好，保濕效果相對較好。結合不同添加量乳化劑對面膜保濕率的影響結果，可看出當聚丙烯酰胺添加量為1.0%時，效果較好。

圖4 聚丙烯酰胺對面膜保濕率的影響圖（室溫20℃左右）

3.2.3 透明質酸鈉對面膜性能的影響

為了準確檢測保濕劑添加量對面膜保濕率的影響，測試了24 h內面膜保濕率變化情況。綜合圖5可知，在4 h時，保濕劑透明質酸鈉添加量0.15%時保濕率最高，在RH62%時達58%左右，在RH85%時達65%左右。隨著時間延長，12～24 h期間，面膜的保濕率趨于平緩，在RH62%時，保濕劑不同添加量的面膜樣品的保濕率平緩值相近，而在RH85%時，保濕劑添加量在0.15%時平緩值稍高一些，且此條件下面膜的粘稠適中、易于涂抹。綜上所述，選擇透明質酸鈉添加量為0.15%。

圖5 透明質酸鈉對面膜保濕率的影響圖（室溫20 ℃左右）

3.3 面膜響應面結果分析

面膜物性參數、不同濕度環境下（RH62%、RH85%）8 h時的保濕率見表6。

表6 面膜物性參數、保濕率檢測結果表

3.3.1 面膜粘力的響應面結果

在本試驗中，選擇粘力（即粘著性）作為面膜物性參數的考察指標，因為該指標與日化產品的使用性有關。粘著性越大則不易在使用時涂抹均勻，粘著性過小，則產品粘度不夠，不易在臉部停留。

由表7知，對其所建立的回歸模型顯著（P＜0.01），成膜劑添加量對面膜粘力有極顯著影響，但乳化劑、保濕劑及三者之間交互作用對面膜粘力影響不明顯。失擬項P=0.109 5＞0.05，表明失擬不顯著，說明該模型擬合度和可信度均較高，該回歸模型的預測值與實際值能很好地吻合。

根據表7中F值大小可知各因素對面膜粘力的影響，F值越大，影響作用越強。因此，對面膜粘力的影響程度大小依次為：成膜劑含量（A）＞乳化劑（B）＞保濕劑添加量（C）。說明成膜劑添加量確定的條件下，不同配方面膜對面膜粘力影響程度不大。

3.3.2 面膜保濕率響應面結果

不同濕度環境下（RH62%、RH85%）8 h時面膜的保濕率方差分析見表8、表9。從表8中可以看出，回歸方程中成膜劑、乳化劑、保濕劑添加量對面膜保濕率（響應值）影響的顯著性，試驗所選用模型P＜0.001，表明模型達到極顯著；失擬項P=0.4311＞0.05，表明失擬不顯著，說明該模型擬合度和可信度均很高，該回歸模型的預測值與實際值能較好地吻合，所建立的回歸方程有意義，因此，此模型可用于預測薏米糠油面膜配方的優化條件。對回歸方程系數顯著性檢驗可知，A、B、C、D、AB、AC、BC、A2、B2、C2對 面膜的保濕率的影響是非常顯著的，均達到極顯著水平（P＜0.000 1），擬合所得的回歸方程為：

表7 回歸變量方差分析結果表

根據表中F值大小可以知道各因素對面膜保濕率的影響，F值越大，影響作用越強。因此，對面膜保濕率的影響程度大小依次為：保濕劑添加量（C）＞乳化劑添加量（B）＞成膜劑添加量（A）。

表8 RH62%時面膜保濕率方差分析表

模型的響應面圖解結果見圖6所示，從圖中可明顯看出各因素交互作用對面膜保濕率的影響。3個因素在兩兩交互時，保持其中2個變量不變，隨著另外1個變量水平的增加，面膜保濕率呈現上升的趨勢，當達到一定值時保濕率變化不明顯。

經過方差分析和回歸模型，可分析得出RH62%環境下面膜的配方為：成膜劑1.76%、乳化劑0.98%、保濕劑0.16%，在此優化條件下面膜保濕率預測值為33.25%。

同樣地，對薏米糠油面膜在RH85%環境下的保濕率進行方差分析得出最佳配方為：成膜劑1.79%、乳化劑0.98%、保濕劑0.16%，在此優化條件下面膜保濕率預測值為43.23%。

根據優化條件做驗證試驗，綜上所述，確定面膜配方為：成膜劑1.78%、乳化劑0.98%、保濕劑0.16%。在該配方條件下制備的面膜粘著性適中，且保濕率良好，做4組平行試驗，在此優化條件下8 h時不同濕度條件下面膜平均保濕率為：RH62%：31.19%，RH85%：42.78%，與預測值接近，進一步證明了試驗模型的可靠性以及預測值的準確性。

表9 RH85%時面膜保濕率方差分析表

圖6 各因素交互作用對面膜保濕率影響的響應面圖

3.4 面膜檢測結果

3.4.1 面膜質構檢測TPA圖譜特征曲線

選取市面上典型的兩款美白、保濕面膜與薏米糠油面膜作對比，采用質構儀檢測面膜，在相同條件下掃描面膜的TPA圖譜，根據其特征曲線對比面膜的結構及相關參數。TPA圖譜見圖7。

面膜的粘力、粘性、彈性等參數根據TPA特征圖譜曲線計算。面膜的粘力、粘性、彈性等參數根據TPA特征圖譜曲線計算，表10中各參數的定義即為確定的方法。

3.4.2 面膜指標測定結果

根據圖7和和表10得出面膜質構特性參數粘力、粘性、彈性、膠著性，檢測得到面膜的黏度、保濕率、pH值；以市售的兩款典型的面膜作為參照。

從表11可以看出，薏米糠油面膜和其余兩種市售面面膜參數相差不大，說明該面膜參數指標已接近合格的產品。根據配方作出的面膜粘度適中、柔軟性良好且易于涂抹。

圖7 面膜的TPA圖譜特征曲線圖

表10 TPA質構特性分類、參數定義和特征表

表11 面膜指標測定結果表

3.4.3 面膜保濕性能測定結果

由圖8可知，未涂抹面膜前的皮膚水分率基本保持在42%左右，涂用面膜后，皮膚水分率瞬間上升，隨后因皮膚對面膜營養成分的吸收作用，水分逐漸下降，最后都趨于穩定，薏米糠精油面膜最后穩定在60%左右，市售1號面膜穩定在65%左右，市售2號面膜穩定在63%左右，對比使用前后，使用薏米糠精油面膜和市售面膜對皮膚都具有良好的保濕效果。

圖8 涂用面膜前后皮膚保濕率隨時間的變化圖

4 結論

（1）薏米糠油美容面膜最佳配方工藝條件為：成膜劑1.78%、保濕劑0.16%分別在（75±5）℃的水浴中攪拌溶解完全，趁熱將成膜劑、保濕劑混合，作為A相；將乳化劑0.98%在（75±5）℃的水中溶解完全，加入5%薏米糠油溶液（用丙二醇溶解，6 mg·mL-1），乳化10 min，作為B相；將三乙醇胺、杰馬BP溶解在水中作為C相；維生素B5、香精溶解在水中作為D相，趁熱將A、B、C、D相混合，用高速分散器內切式勻漿機攪拌充分混合，脫氣后密封，靜置隔夜，得面膜成品。

（2）薏米糠油面膜各指標與市售面膜基本相似，粘力：4.0 g；粘性：0.15 mJ，彈性：2.10 mm，膠著性：7.0 g，黏度：21 500 mpa·s，pH值：5.7（符合化妝品pH值范圍5～6）。該面膜粘度適中、柔軟性良好且易于涂抹，無分層、浮油現象，薏米糠油面膜在濃度為10%時對酪氨酸酶抑制率可達52.04%左右、對DPPH·清除率可達32.05%左右，涂抹該面膜后，在30 min內保濕率穩定在60%，表明該面膜具有良好的美白、抗氧化、保濕效果，該研究讓薏米糠資源得到了充分利用，實現了一個“變廢為寶”的過程，具有很重要的研究意義及廣闊的市場價值。