响应面法优化孜然精油微胶囊工艺

刘文妮，沈科萍，张 忠*，毕 阳*，燕 璐

（甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070）

摘 要：以β-环糊精和麦芽糊精为壁材采用真空抽滤法包埋制备孜然精油微胶囊。在复合壁材比、固形物质量浓度、芯壁比和包埋时间4 个单因素筛选的基础上采用四因素三水平响应面试验设计确定了最佳微胶囊制备工艺参数为β-环糊精与麦芽糊精比8∶2（g/g）、固形物质量浓度40 g/100 mL、芯材与壁材比1∶5（mL/g）、包埋时间55 min，该条件下孜然精油的包埋效率可达97.68%。

关键词：孜然精油；微胶囊；真空抽滤；响应面

Optimization of Microencapsulation of Cumin Essential Oil by Response Surface Methodology

LIU Wen-ni, SHEN Ke-ping, ZHANG Zhong*, BI Yang*, YAN Lu

(College of Food Science and Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

Abstract: Microcapsules of cumin essential oil were prepared by using β-cyclodextrin and maltodextrin as wall materials through suction filtration and subsequent drying. Ratio between the two wall material components, solid concentration, core material/wall material ratio, and embedding time were optimized by response surface methodology. A Box-Behnken experimental design with the four independent variables at three levels each was established to obtain the maximum response variable (microencapsulation efficiency). The response surface analysis showed that optimal microencapsulation conditions of the essential oil were determined as follows: mass ratio between β-cyclodextrin and maltodextrin, 8:2 (g/g); solid concentration, 40 g/100 mL; core material/wall material ratio, 1:5 (mL/g); and embedding time, 55 min, resulting in a microencapsulation efficiency of 97.68%.

Key words: cumin essential oil; microcapsule; suction filtration; response surface methodology

中图分类号：TS202.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2014）18-0017-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201418004

孜然，又名枯茗（Cuminum cyminum L.），为伞形花科孜然芹一年生草本植物。主要分布于中国、印度、伊朗、俄罗斯及美国，新疆和甘肃是我国的主产区[1]。孜然种子呈黄褐色、扁平弧形，富油性，有浓烈芳香，是重要的调味品[2-4]。从孜然种子中提取的精油（又称枯茗油）已被美国食品及药品管理局列入公认安全化学品名单，美国食品香料与萃取物制造者协会也允许在食用、烟用和酒用香精中使用[5]。除了调味和香精的功能外[6]，孜然精油还具有良好的抑菌[7]、抗氧化[8]和抗虫活性[9]。由于植物精油普遍具有易挥发、化学性质不稳定的特点，因此在使用和贮存期间易挥发散失和氧化变质，对品质和市场价值影响很大[10]。采用微胶囊技术可有效克服植物精油在使用和贮存期间存在的问题[11]。

微胶囊技术是采用特定的方法和工艺，把分散的固体颗粒、液滴或气体完全包封在一层微小、半透性或封闭的膜内形成微小粒子的技术[12]。精油微胶囊化是将精油作为芯材包裹在高聚物的壁材内部[13]，它可以明显的降低精油的挥发性，增强稳定性[14]，防止氧化[15]。王娣等[16]以啤酒废酵母为壁材采用真空干燥法制备百里香精油微胶囊，包埋效率可达86.71%。以浓缩乳清蛋白和甜筴豆胶或阿拉伯胶组合作为复合壁材通过喷雾干燥法制备芡欧鼠尾草精油微胶囊得到最佳工艺为固形物质量分数40%、芯壁比1∶3，包埋效率80.70%[17]。使用多重乳液溶剂蒸发技术以碳水化合物-蛋白质为壁材制备花椒精油微胶囊得到83.80%的包埋效率[18]。以海藻酸钠为壁材采用锐孔-凝固法包埋牛至精油得到包埋效率60.48%[19]。王芳等[20]研究了β-环糊精包埋橘皮精油，使用真空抽滤法得到微胶囊包埋得率为88.5%。β-环糊精包埋百里香精油采用真空干燥法制备微胶囊，当芯壁比为8∶92时微胶囊中百里香酚的释放量达到92.39%[21]。喷雾干燥法是制备微胶囊的主要方法[17]，但由于干燥温度较高，易造成香气成分挥发损失[16]。真空抽滤法可以有效地克服这一缺点[22]。但选取复合壁材通过真空抽滤法制备精油微胶囊尚未见报道。

β-环糊精可与多种化合物形成包结复合物，麦芽糊精溶解性良好，且吸湿性低，是一种优良的填充载体，壳聚糖具有增稠、抑菌等作用，广泛应用于食品工业领域。本实验拟以孜然精油为芯材，β-环糊精和麦芽糊精为壁材，研究复合壁材比例、固形物质量浓度、芯壁比和包埋时间对精油微胶囊效果的影响，采用真空抽滤，通过响应面法对制备工艺中影响微胶囊化包埋效率的各因素进行优化。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

孜然籽 敦煌种业股份有限公司；β-环糊精（β-cyclodextrin，β-CD）、麦芽糊精（maltodextrin，MD）、壳聚糖（食品级） 西安大丰收生物科技有限公司；单甘酯（分析纯）、无水乙醇、石油醚（沸点30～60℃，分析纯） 天津市光复科技发展有限公司。

1.2 仪器与设备

KQ-250B型超声波清洗器 昆山市超声仪器有限
公司；DF-Ⅱ集热式磁力加热搅拌器 金坛市顺华仪器有限公司；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司。

1.3 方法

1.3.1 孜然精油的提取方法

参照李大强等[23]的方法，植物精油的提取采用水蒸气蒸馏法，将植物原料粉碎，按物料比1∶10的比例加入到水蒸馏装置中，称取粉碎的植物原料160 g加入1 600 mL蒸馏水进行蒸馏，蒸馏3 h后馏出液用冷凝水冷凝收集，静置，分层后除去溶剂获得精油，将收集的精油放在4 ℃的冰箱中备用。

1.3.2 孜然精油微胶囊化工艺流程

β-环糊精＋乳化剂（单甘酯）＋无水乙醇→30 ℃超声20 min→加入孜然精油→30 ℃磁力搅拌包埋→加入麦芽糊精＋壳聚糖→30 ℃磁力搅拌10 min→乳化液→真空抽滤→孜然精油微胶囊粉末

1.3.3 孜然精油微胶囊化最优工艺参数的确定

在单因素试验基础上，根据Box-Behnken试验设计原理，选取对孜然精油微胶囊化有显著影响的4 个因素，以复合壁材比例（A）、固形物质量浓度（B）、芯壁比（C）和包埋时间（D）为自变量，以微胶囊的包埋效率为响应值，设计四因素三水平试验，确定最佳参数进行响应面设计（表1）。

表 1 孜然精油微胶囊制备工艺响应面试验因素水平表

Table 1 Coded levels for independent variables used in experimental design for microencapsulation of cumin essential oil

1.3.4 孜然精油微胶囊包埋效率的测定

参照Rodea等[17]的方法略有修改。表面油含量测定：准确称取4 g微胶囊加入10 mL石油醚轻轻搅拌2 min溶解，倒出滤液过滤，在30 ℃的干燥箱中干燥至质量恒定；总油含量测定：准确称取4 g微胶囊溶解于10 mL石油醚中，在70%振幅20 kHz条件下超声10 min，过滤萃取液，滤饼用20 mL石油醚冲洗2～3 次，合并滤液在30 ℃的干燥箱中干燥至质量恒定，计算总油含量。

2 结果与分析

2.1 4 个单因素对孜然精油微胶囊包埋效率的影响

不同小写字母表示差异显著。

图 1 固形物质量浓度（A）、复合壁材比（B）、包埋时间（C）和
芯壁比（D）对孜然精油微胶囊包埋效率的影响

Fig.1 Effects of solid concentration, ratio between wall material components, embedding time, and ratio of core material to wall material on the embedding efficiency of cumin essential oil

固形物质量浓度对孜然精油微胶囊包埋效率具有显著的影响（图1A），当其他条件固定时，随着固形物质量浓度的增加，包埋效率先增大后略有减小，固形物质量浓度为40 g/100 mL时包埋效率可达94.58%。相同条件下，当复合壁材比例为8∶2时的包埋效率最大，当β-环糊精所占比例下降而麦芽糊精比例上升时包埋效率基本呈现逐渐减小的变化趋势。由此可见，β-环糊精是壁材中最主要的载体基质（图1B）。随着包埋时间的延长，包埋效率基本呈现逐渐增大的趋势，包埋60 min时包埋效率为87.20%，与70 min时相差不大，考虑到经济实用性，选择60 min为最佳包埋时间（图1C）。不同的芯壁比对孜然精油微胶囊包埋效率的影响较为显著
（图1D）。随着芯材所占比例的下降，包埋效率起初有明显的升高而后又略有下降，芯壁比为1∶5（mL/g）时，包埋效率可达90.41%。

2.2 制备微胶囊工艺的优化

2.2.1 响应面试验设计及结果分析

表 2 Box-Behnken试验分析结果

Table 2 Box-Behnken experimental design and results for
response surface analysis

以单因素试验为基础，根据Box-Behnken试验设计原理，对复合壁材比例（A）、固形物质量浓度（B）、芯壁比（C）和包埋时间（D）4 个因素进行响应面分析试验，以微胶囊的包埋效率为响应值，试验分析结果见表2。

2.2.2 回归模型的确定与显著性分析

利用Design-Expert 8.0.6软件对表2进行二次多项回归拟合试验和方差分析，反映复合壁材比例、固形物质量浓度、芯壁比和包埋时间对包埋效率的影响，得到表3回归方程方差分析表，利用软件进行拟合所得多元二次回归方程如下：

Y=－275.079 33＋75.068 67A＋3.130 1B＋30.525 5C－0.838 68D－0.122 25AB－1.242 5AC＋0.256AD－0.177 25BC＋0.009 65BD＋0.022 75CD－5.012 83A2－0.030 678B2－4.139 08C2－0.014 816D2

表 3 回归方程各项的方差分析

Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for each item of the regression equation

注：**.差异极显著（P＜0.01）；**.差异显著（P＜0.05）。

由回归分析结果可以看出，对包埋效率的影响排序，A＞C＞D＞B，即复合壁材比＞芯壁比＞包埋时间＞固形物质量浓度（表3）。从方差分析结果显示该模型的P＜0.000 1，表明回归模型极显著。失拟项
P＝0.060 5＞0.05，不显著，并且该模型的复相关系数平方R2＝0.952 7，响应变量R2Adj＝0.905 4，模型的变异系数为1.4%，表明该模型与实际拟合较好，说明试验具有很高的可信性和准确性，可以用于孜然精油微胶囊化包埋效率的理论预测。另外，交互项AD、BC显著，因此说明A和D、B和C之间的交互作用很好，整个响应面基于各因素间的交互作用构成。

2.2.3 结果分析及验证实验

根据回归方程预测4 个因素对包埋效率的响应面图直观地反映了各因素对响应值的影响（图2）。通过软件分析，得出最佳包埋工艺为复合壁材比8.25∶1.75（β-CD∶MD，g/g）、固形物质量浓度38.36 g/100 mL、芯壁比1∶5.6（mL/g）、包埋时间56.84 min；考虑实际操作性，故选定调整后工艺参数为复合壁材比8∶2
（β-CD∶MD，g/g）、固形物质量浓度40 g/100 mL、芯壁比1∶5（mL/g）、包埋时间55 min，重复3 次，测得包埋效率为 97.68%，与预测值98.01%较为接近，说明该模型能很好的反映孜然精油微胶囊的制备效果。

a.复合壁材比和固形物质量浓度

b.复合壁材比和芯壁比

c.复合壁材比和包埋时间

d.固形物质量浓度和芯壁比

e.固形物质量浓度和包埋时间

f.芯壁比和包埋时间

图 2 两因素交互作用对包埋效率影响的响应面图

Fig.2 Response surface and contour plots for the effects of four variables on the embedding efficiency of cumin essential oil

3 讨 论

屈小媛等[24]研究表明随着固形物质量浓度的增加，大蒜精油微胶囊的包埋效率先增大后略又减小。这可能是由于乳液黏度的改变引起的，固形物质量浓度增加有利于干燥过程中囊壁的形成及其致密度的提高，减少芯材向壁表面的扩散迁移（图1A），但固形物质量浓度过高会使乳液液滴自由空间减小而易于聚集，最终导致微胶囊包埋效率的变化[25]。壁材的复配使用可以提高孜然精油微胶囊的包埋效率[17]（图1B）。不同的壁材对于微胶囊的包埋效率、粒型和强度等理化性质有着一定影响[23]。以β-环糊精作壁材利用喷雾干燥技术生产孜然精油微胶囊，包埋效率仅为86.7%[25]。本实验选用复合壁材（β-环糊精和麦芽糊精）通过真空抽滤的方法制备的孜然精油微胶囊包埋效率高达97.68%。微胶囊形成是精油分子进入β-环糊精空穴形成疏水键的结合过程，起初随着反应时间的延长，精油分子能有充足的机会进入β-CD的空腔中（图1C），之后随着时间的延长，已经包埋的精油会脱离包埋[26]。芯壁比例的变化对精油包埋效率的影响显著，邓靖等[15]采用β-环糊精为壁材制得肉桂精油微胶囊，包埋效率起初有明显的升高而后又略有下降，当芯壁比为1∶8时包埋效率最大为 86.75%。说明对于一定质量的壁材来说，芯材含量的增加增大了芯壁之间的接触面积，在一定范围内提高了络合速度，但当芯材含量增加到一定程度后壁材不能完全吸附芯材而使孜然精油粘附在微胶囊的表面，提高了表面油含量（图1D），降低了包埋效率[20]。干燥方式对油脂微胶囊化稳定性和包埋效率影响差异显著[27]。以酪蛋白、麦芽糊精为壁材，采用冷冻干燥法制备甜杏仁油微胶囊，包埋效率可达85.83%[28]。而以喷雾干燥法制备甜杏仁油微胶囊包埋效率高达97.28%[29]。

碳水化合物类壁材的使用是精油微胶囊制备的重要内容[22]。单独使用一种壁材不能有效地包埋精油，但可以与其他壁材共用，以达到提高微胶囊膜的致密性效果[11]。张璇等[30]对花椒精油进行β-环糊精包埋固定化，优化工艺后得到的包埋效率为68.28%。以阿拉伯胶、麦芽糊精及大豆分离蛋白作为壁材制备花椒精油微胶囊产品时包埋效率可到达77.8%[31]。

包埋效率是检测精油微胶囊化效果的常用方法[13]，但单纯通过单因素筛选，很难客观地反映孜然精油微胶囊化的最优条件，由于不同的因素之间具有交互作用[32]。因此，采用响应面分析试验可较全面地反映包埋效率与各因素的关系。本研究从复合壁材比、固形物质量浓度、芯壁比、包埋时间等方面系统地研究了影响孜然精油微胶囊化的因素，明确了微胶囊化的最优条件。为了较全面的评估精油微胶囊的品质，其在抑菌、抗氧化、驱虫等方面的作用仍有待进一步的研究。

4 结 论

本实验选用固形物质量浓度、复合壁材比（β-环糊精和麦芽糊精）、包埋时间和芯壁比为评价孜然精油微胶囊化指标，通过响应面分析，得出对包埋效率的影响排序，即复合壁材比＞芯壁比＞包埋时间＞固形物质量浓度，调整后的最佳包埋工艺参数为复合壁材比8∶2（β-CD∶MD，g/g）、
固形物质量浓度40 g/100 mL、芯壁比1∶5（mL/g）、包埋时间55 min，通过真空抽滤的方法制备的孜然精油微胶囊包埋效率则高达97.68%，由此表明，壁材的复合使用可以提高包埋效率，低温条件下的包埋方法可以明显的降低精油的挥发、增强稳定性，防止氧化。

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