復(fù)合壁材對苯甲酸鈉的微膠囊化研究

章斌，侯小楨，許淼鑫，姚冰琪，郭仕儀，賴宣

（1.韓山師范學(xué)院生物系，廣東潮州521041；2.廣東濟(jì)公保健食品有限公司，廣東潮安515638）

復(fù)合壁材對苯甲酸鈉的微膠囊化研究

章斌1，侯小楨1，許淼鑫1，姚冰琪1，郭仕儀1，賴宣2

（1.韓山師范學(xué)院生物系，廣東潮州521041；2.廣東濟(jì)公保健食品有限公司，廣東潮安515638）

以β-環(huán)糊精和阿拉伯膠為復(fù)合壁材，以包埋率為指標(biāo)，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)對超聲法制備苯甲酸鈉微膠囊的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲法制備苯甲酸鈉包合物的最佳工藝條件為β-CD∶阿拉伯膠質(zhì)量比1∶2.72、超聲波功率144 W，包埋溫度56.8℃，芯/壁材質(zhì)量比1∶3.53；回歸方程預(yù)測的理論包埋率可達(dá)62.70%。

苯甲酸鈉；復(fù)合壁材；超聲波；微膠囊；響應(yīng)面

苯甲酸鈉（Sodium benzoate）是一種對酵母菌、霉菌和部分細(xì)菌的生長與繁殖均有較好抑制效果的酸性防腐劑，在果醬、碳酸飲料、果汁飲料、肉制品等食品加工中常添加使用。同時，也有大量研究表明，食品加工中過量使用苯甲酸鈉易引起急性蕁麻疹、血管性水腫、再生障礙性貧血，甚至致癌等人體健康損傷[1-3]。因此，考慮減少苯甲酸鈉在食品加工中的使用量或降低其可能引起的毒性作用，已成為研究人員普遍關(guān)注的問題。

微膠囊技術(shù)具有改變物態(tài)、預(yù)先設(shè)計(jì)、控制釋放、掩蔽不良?xì)馕?、降低或避免食品添加劑之間的相互作用等優(yōu)點(diǎn)[4]，在食品添加劑行業(yè)有著廣泛的使用。壁材的組分與特性對微膠囊包埋效果及產(chǎn)品性能有著重要影響，因而選擇合適的壁材是成功制備微膠囊產(chǎn)品的關(guān)鍵因素之一。阿拉伯膠、果膠、卡拉膠、黃原膠、β-環(huán)糊精、麥芽糊精等親水膠體是常用的微膠囊壁材；但它們單獨(dú)使用時常常存在不足之處，因而多與其他類型的壁材進(jìn)行復(fù)配使用[5-6]。因此，本試驗(yàn)以β-環(huán)糊精和阿拉伯膠為復(fù)合壁材，采用超聲法制備苯甲酸鈉包合物并對其包埋工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為苯甲酸鈉等防腐劑的微膠囊化提供一定試驗(yàn)參考。

1 材料和方法

1.1 材料與設(shè)備

β-環(huán)糊精：購自孟州市華興生物化工有限公司；阿拉伯膠：河南豫中生物科技有限公司。苯甲酸鈉：天津東大化工有限公司；氫氧化鈉：西隴化工有限公司，分析純。

UFJ-7200型紫外分光光度計(jì)：上海尤尼科儀器有限公司；AUW120型電子天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司；DHG-9123A型電熱恒溫干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；LC-158BP型冷藏柜：海爾公司；KQ-5200DB型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 苯甲酸鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作[7-8]

吸取1 mg/mL苯甲酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液0、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 mL于100 mL容量瓶中，分別加入1 mL 40g/L的NaOH液，搖勻并用蒸餾水定容；然后于224nm波長處測定吸光度。以吸光度（A）為縱坐標(biāo)，濃度C（mg/mL）為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。1.2.2苯甲酸鈉包合物的制備[9]

取100 mL的熱水于燒杯中，加入一定量β-CD和阿拉伯膠，充分?jǐn)嚢瑁辉偌尤?.00 g苯甲酸鈉，待完全溶解后轉(zhuǎn)移至超聲設(shè)備中，在不同功率和不同溫度條件下超聲包埋不同時間，然后于4℃下冷藏48 h，抽濾得白色結(jié)晶粉末，干燥粉碎即得微膠囊產(chǎn)品。

1.2.3 包埋率計(jì)算

將1.2.2制備好的微膠囊產(chǎn)品用蒸餾水溶解并定容至100 mL，在224 nm處測吸光度，依據(jù)標(biāo)曲公式計(jì)算微膠囊產(chǎn)品中的苯甲酸鈉含量，再按如下公式計(jì)算包埋率[10]：

2 結(jié)果與分析

2.1 苯甲酸鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

苯甲酸鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作見圖1。

圖1 苯甲酸鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of sodium benzoate

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 壁材配比對包埋率的影響

β-CD∶阿拉伯膠的質(zhì)量比分別為4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，芯材/復(fù)合壁材質(zhì)量比1∶5，包埋溫度30℃，在120 W功率下超聲包埋30 min，測定微膠囊產(chǎn)品包埋率，結(jié)果見圖2。

圖2 壁材配比對包埋率的影響Fig.2 Influence of wall material ratio on embedding rate

阿拉伯膠具有黏度低、乳化性、穩(wěn)定性和成膜性良好的特性，在微膠囊化過程中，在一定使用量范圍內(nèi)，其在復(fù)合壁材中含量的增加有利于增加壁材的包裹能力，從而可使微膠囊化效率升高。從圖2可看出，隨β-CD∶阿拉伯膠質(zhì)量比的增大，苯甲酸鈉包埋率也隨之增大，在1∶3時達(dá)到最大，同時微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量在各壁材比例下的差別不大。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇1∶3為最佳的壁材配比。

2.2.2 超聲功率對微膠囊包埋率的影響

β-CD∶阿拉伯膠質(zhì)量比1∶3，芯材/復(fù)合壁材質(zhì)量比1∶5，包埋溫度30℃，分別在80、100、120、140、160、180、200 W功率下超聲包埋30 min，測定微膠囊產(chǎn)品包埋率，結(jié)果見圖3。

圖3 包埋功率對包埋率的影響Fig.3 Influence of power on embedding rate

從圖3可看出，超聲功率的增大使聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)和熱效應(yīng)漸強(qiáng)，苯甲酸鈉分子運(yùn)動擴(kuò)散速度加快，進(jìn)入壁材空腔的量也隨之增多，包埋率也相應(yīng)升高，在140 W時達(dá)至最大77.4%；繼續(xù)增大功率，高功率所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)在一定程度上對已包埋的微膠囊產(chǎn)品有所破壞，導(dǎo)致包埋率反而降低。

2.2.3 超聲波包埋時間對微膠囊包埋率的影響

β-CD∶阿拉伯膠質(zhì)量比1∶3，芯材/復(fù)合壁材質(zhì)量比1∶5，包埋溫度30℃，在140 W功率件下分別超聲包埋10、20、30、40、50、60 min，測定微膠囊產(chǎn)品包埋率，結(jié)果見圖4。

圖4 包埋時間對包埋率的影響Fig.4 Influence of time on embedding rate

包埋時間的延長一方面可使芯材與壁材更充分地接觸，使包埋率增大；同時，超聲處理時間的增加使聲波熱效應(yīng)增強(qiáng)，β-CD和阿拉伯膠在水溶液中的溶解度增大，被包埋的苯甲酸鈉量亦隨之增多，包埋率相應(yīng)增大。另一方面，由于包埋反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨超聲處理時間的增加，聲波熱效應(yīng)引起溶液溫度的升高，在一定程度上促使包埋反應(yīng)向反方向進(jìn)行[11]。從圖4可看出，包埋率在20 min時達(dá)到最大，此時通過結(jié)晶獲得的微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量也最多。因此選擇20 min為最優(yōu)超聲包埋時間。

2.2.4 超聲包埋溫度對微膠囊包埋率的影響

β-CD∶阿拉伯膠質(zhì)量比1∶3，芯材/復(fù)合壁材質(zhì)量比1∶5，功率140 W，分別在20、30、40、50、60℃下超聲包埋20 min，測定微膠囊產(chǎn)品包埋率，結(jié)果見圖5。

圖5 包埋溫度對包埋率的影響Fig.5 Influence of temperature on embedding rate

從圖5可看出，在不同的超聲包埋溫度下，包埋率始終在39.6%至40.6%之間波動，變化不大；而不同包埋溫度下所制得的微膠囊產(chǎn)品質(zhì)量卻有較大差異。其次，溫度對β-CD溶解度的影響較大：溶液溫度過低時，β-CD的溶解度明顯降低，不利于微膠囊的形成；若溫度過高，β-CD和阿拉伯膠不能復(fù)合形成堅(jiān)固的囊壁，也不利于微膠囊的形成。因此，綜合二者考慮，包埋溫度以50℃為宜。

2.2.5 芯材與復(fù)合壁材的質(zhì)量比對微膠囊包埋率的影響

β-CD∶阿拉伯膠質(zhì)量比1∶3，包埋溫度50℃，功率140 W，在m芯材：m復(fù)合壁材分別為1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10條件下超聲包埋20 min，結(jié)果見圖6。

圖6 芯/壁材質(zhì)量比對包埋率的影響Fig.6 Effect of core/wall ratio on embedding rate

隨芯材/壁材質(zhì)量比的增大，苯甲酸鈉微膠囊的形成機(jī)率逐漸增加，包埋率在m芯材∶m壁材為1∶4時達(dá)到最大值；繼續(xù)增大復(fù)合壁材用量，壁材之間碰撞的機(jī)會增加，一定程度上減少了壁材與芯材之間的接觸，包埋率反而有所降低，因此選擇1∶4（g/g）為最佳芯/壁材質(zhì)量比。

2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

為優(yōu)化超聲法制備苯甲酸鈉微膠囊的工藝條件，選取壁材配比、超聲波功率、包埋溫度、芯/壁材質(zhì)量比4因素開展Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)；因子編碼值和試驗(yàn)結(jié)果分別見表1和表2。

表1 Box-Behnken中心組合因素水平編碼表Table 1Factors and levels of Box-Behnken central component experiments design

表2 Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2Results of Box-Behnken experiments

2.3.1 回歸模型的建立及可靠性檢驗(yàn)

運(yùn)用SAS RSREG程序?qū)Ρ?的27個響應(yīng)值進(jìn)行回歸擬合，得二次多項(xiàng)回歸模型方程：Y＝61.55-1.13X1-0.05X2+3.49X3+0.84X4-6.96X12-4.43X1X2-6.06X1X3-5.03X1X4-3.42X22-3.72X2X3-6.00X2X4-6.57X32-9.82X3X4-6.12X42。同時，對上述回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 回歸模型方差分析結(jié)果Table 3Analysis of variance for regression model

續(xù)表3 回歸模型方差分析結(jié)果Continue table 3Analysis of variance for regression model

表3結(jié)果顯示：方程復(fù)相關(guān)系數(shù)平方R2為0.9515，說明95.15%的變化能通過該模型解釋；同時，失擬項(xiàng)在0.05水平上顯著（P=0.027 2＜0.05），說明可用建立的模型對超聲法包埋苯甲酸鈉的包埋率進(jìn)行分析和預(yù)測。此外，一次項(xiàng)X3，交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X1X4、X2X4、X3X4，二次項(xiàng)X12、X22、X32、X42對包埋率影響極顯著（P＜0.01）；交互項(xiàng)X2X3對包埋率影響較顯著（P＜0.05）。

同時，在選取的各因素范圍內(nèi)，對回歸模型分析可得超聲法制備苯甲酸鈉微膠囊的包埋率最佳工藝條件為：β-CD∶阿拉伯膠質(zhì)量比1∶2.72、超聲波功率144.3 W，包埋溫度56.8℃，芯/壁材質(zhì)量比1∶3.53；回歸方程預(yù)測的理論包埋率可達(dá)62.70%。

2.3.2 響應(yīng)面分析

以包埋率為響應(yīng)指標(biāo)值，對壁材配比、超聲波功率、包埋溫度和芯/壁材質(zhì)量比4個因素進(jìn)行響應(yīng)面分析，響應(yīng)面等高線圖如圖7所示。

圖7 各因素交互作用等高線圖Fig.7 Response surface for the pairwise interactive effects of four variables on embedding rate

圖7中的各等高線圖直觀地反映了各因素間的交互作用情況，等高線圖越扁平，表示因素之間的相互影響越大[12]。從圖中可看出：包埋溫度對苯甲酸鈉微膠囊化的影響最為顯著，表現(xiàn)為曲線相對較陡；而壁材配比、超聲波功率和芯/壁材質(zhì)量比的等高曲線較為平滑，隨其數(shù)值的增加或減少，響應(yīng)值變化較小，對包埋率影響不顯著。

3 結(jié)論

1）建立了一個以包埋率為目標(biāo)值的二次多項(xiàng)回歸模型：Y=61.55-1.13X1-0.05X2+3.49X3+0.84X4-6.96X12-4.43X1X2-6.06X1X3-5.03X1X4-3.42X22-3.72X2X3-6.00X2X4-6.57X32-9.82X3X4-6.12X42，方差分析結(jié)果表明擬合檢驗(yàn)顯著；決定系數(shù)R2Adj達(dá)0.895 0，說明該模型能較好地預(yù)測超聲法制備苯甲酸鈉微膠囊的變化規(guī)律。

2）因素交互效應(yīng)分析結(jié)果表明：X1（壁材配比）與X2（超聲功率）、X1（壁材配比）與X3（包埋溫度）、X1（壁材配比）與X4（芯/壁材質(zhì)量比）、X2（超聲功率）與X4（芯/壁材質(zhì)量比）、X3（包埋溫度）與X4（芯/壁材質(zhì)量比）兩兩間的交互作用顯著地影響超聲法制備苯甲酸鈉微膠囊的包埋效果。

3）可用于制備微膠囊的壁材有海藻酸鹽、明膠、淀粉、黃原膠、殼聚糖、卡拉膠等多種[13-14]，本實(shí)驗(yàn)僅初步探討了β-環(huán)糊精和阿拉伯膠作為復(fù)合壁材對苯甲酸鈉的包埋效果；為更好地篩選超聲法制備苯甲酸鈉微膠囊的適宜壁材，需在今后的研究工作中做進(jìn)一步探討。

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Research on Microencapsulation of Sodium Benzoate with Composite Wall Material

ZHANG Bin1，HOU Xiao-zhen1，XU Miao-xin1，YAO Bing-qi1，GUO Shi-yi1，LAI Xuan2
（1.Department of Biology，Hanshan Normal College，Chaozhou 521041，Guangdong，China；2.Guangdong Ji Gong Health Food Co.，LTD.，Chao'an 515638，Guangdong，China）

Taking β-cyclodextrin and Arabic gum as compound wall material and embedding rate of sodium benzoate as main index，the Box-Behnken response surface methodology for optimization of sodium benzoate microcapsules by ultrasound method was conducted.Results showed that optimum process conditions of preparation of sodium benzoate clathrate by ultrasonic was mβ-CD∶mgumArabic1∶2.72，ultrasonic embedding power 144 W，embedding temperature 56.8℃，core/wall material ratio 1∶3.53，the theoretical embedding rate predicted by regression equation can reach 62.70%under this condition.

sodium benzoate；composite wall；ultrasonic；microencapsulation；response surface

2013-12-15

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.02.001

國家星火計(jì)劃項(xiàng)目（2011GA780023）；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（200310578016）；廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（1057813026）；韓山師范學(xué)院2012年大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（2012039）

章斌（1981—），男（漢），講師，碩士，從事食品加工與質(zhì)量安全方面的教學(xué)與研究。