星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法優(yōu)化番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體的制備

馬永強(qiáng)，修偉業(yè)，黎晨晨，王藝錡，陳俊杰

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076）

番茄紅素是一種具有功能性的類胡蘿卜素，是由規(guī)則的頭尾結(jié)合連接8 個(gè)異戊二烯單元組成的四萜化合物[1]，具有抗氧化[2]、保護(hù)心血管系統(tǒng)[3]、降血糖[4]等功能。人體和動(dòng)物體內(nèi)番茄紅素不能自身合成，均需從通過食物攝取。番茄紅素廣泛存在于西紅柿、胡蘿卜、番石榴、葡萄柚、番木瓜等果蔬中，食品中的番茄紅素主要以全反式的形式存在[1]。由于番茄紅素在人體中吸收利用率較低[5]，在食品工業(yè)應(yīng)用上存在困難。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)異構(gòu)化[6]、包埋[7-8]等技術(shù)用以提高番茄紅素穩(wěn)定性并提高其生物利用率。

納米脂質(zhì)載體系統(tǒng)是將脂質(zhì)等作為壁材，包埋生物活性物質(zhì)，采用納米脂質(zhì)載體系統(tǒng)處理的生物活性物質(zhì)具有更高的生物學(xué)功能活性。納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體（nanostructured lipid carrier，NLC）被稱為第二代納米脂質(zhì)載體系統(tǒng)[9]，其壁材脂質(zhì)是將其中一部分固體脂質(zhì)由液體脂質(zhì)或液體脂質(zhì)混合物代替，以輸送難溶的生物活性物質(zhì)，提高穩(wěn)定性及活性物質(zhì)的生物利用率。納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體制備方式主要有乳液-溶劑蒸發(fā)法[10]、超臨界CO2法[11]、高剪切均質(zhì)法[12]、薄膜蒸發(fā)法[13]、超聲法[14]、乙醇注入法[15]等方法。乙醇注入法是將無水乙醇溶解的含活性物質(zhì)有機(jī)相溶液通過注射器注入水相，形成納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體的方法，其創(chuàng)新點(diǎn)在于有機(jī)試劑應(yīng)用少，且實(shí)驗(yàn)中不引入有毒化學(xué)試劑。此外，此法適用于熱穩(wěn)定性較差的活性物質(zhì)，具有熱敏性藥物適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，與探頭式超聲法聯(lián)合后可減小納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體粒徑并使粒徑分布均一。

采用乙醇注入-探頭式超聲法聯(lián)合制備番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體（lycopene-NLC，Lyco-NLC），以提高番茄紅素的穩(wěn)定性及利用率。實(shí)驗(yàn)以Lyco-NLC包封率及粒徑為指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)及星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法優(yōu)化番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體制備工藝，并對采用優(yōu)化條件制備的Lyco-NLC進(jìn)行表征，為番茄紅素系列功能產(chǎn)品開發(fā)提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

番茄紅素為市售。

番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)品 上海保藏生物技術(shù)中心；大豆卵磷脂 廣州海莎生物科技有限公司；膽固醇 北京博奧拓達(dá)科技有限公司；中鏈甘油三酯（medium chain triglyceride，MCT） 廣東永晟工貿(mào)有限公司；正己烷、無水乙醇（分析純） 天津市富宇精細(xì)化工有限公司；Tween 20、Tween-80 廣東潤華化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA1104B電子分析天平 上海越平科學(xué)儀器有限公司；HWS-25電熱恒溫水浴鍋 上海一博科學(xué)儀器有限公司；EMS 18A磁力攪拌器 上海隆拓儀器設(shè)備有限公司；JY92-IIN超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；TG16-WS臺式離心機(jī) 湖南湘儀儀器有限公司；UV-5200紫外分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司；Nano-ZS90激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 Lyco-NLC的制備

準(zhǔn)確稱取10 mg番茄紅素和一定量的大豆卵磷脂、MCT、膽固醇、Tween 20、Tween-80，充分溶于20 mL無水乙醇中，將混合溶液注入100 mL磷酸鹽緩沖液（0.1 mol/L），不斷攪拌至乙醇完全揮發(fā)（即無明顯乙醇?xì)馕叮┖?0 ℃水化保溫一段時(shí)間（即水化時(shí)間），通過超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)將水化后溶液探頭超聲處理，過0.45 μm微孔濾膜，4 ℃靜置過夜，得Lyco-NLC混懸液。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

選取液體脂質(zhì)大豆卵磷脂、MCT（1∶1，m/m）為復(fù)合液體脂質(zhì)，Tween 20、Tween-80（1∶1，m/m）為復(fù)合乳化劑，調(diào)整水化時(shí)間（15、30、45、60、75 min）、超聲時(shí)間（0、3、6、9、12 min）、超聲功率（98、163、228、293、358 W）、番茄紅素與復(fù)合液體脂質(zhì)比（即藥脂比1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、1∶60，m/m）、膽固醇與復(fù)合液體脂質(zhì)比（即固液脂質(zhì)比1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，m/m）、磷酸鹽緩沖液pH值（6.2、6.5、6.8、7.1、7.4）的條件下進(jìn)行單因素試驗(yàn)，各因素固定時(shí)的取值為：水化時(shí)間45 min、超聲時(shí)間6 min、超聲功率228 W、藥脂比1∶40、固液脂質(zhì)比1∶6、磷酸鹽緩沖液pH 6.8，考察其對番茄紅素納米脂質(zhì)載體包封率及粒徑（即平均粒徑，下同）的影響。

1.3.3 星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)（未列出）結(jié)果，選取水化時(shí)間（A）、超聲功率（B）和超聲時(shí)間（C）為自變量，以番茄紅素納米脂質(zhì)載體包封率（Y）為因變量，采用星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素及水平編碼如表1所示。

表1 星點(diǎn)設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Factors and levels used for central composite design

1.3.4 包封率及載藥量測定

番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：精密稱取10 mg番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)品，溶解于正己烷并定容至100 mL，得番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)儲備液，準(zhǔn)確移取一定量番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)儲備液分別制備質(zhì)量濃度為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6 μg/mL番茄紅素標(biāo)準(zhǔn)溶液，于474 nm波長處測定吸光度，以番茄紅素質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，平行測定3 次，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。得到線性回歸方程：y＝0.296 4x-0.058 7，R2＝0.995 1。

包封率及載藥量的測定參考Zardini等[16]的方法，采用離心-萃取法測定Lyco-NLC包封率并做適當(dāng)優(yōu)化，將適量正己烷加入Lyco-NLC中，2 500 r/min離心4 min，離心3 次，取上層含游離番茄紅素的正己烷溶液于474 nm波長處測定吸光度，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算游離的番茄紅素質(zhì)量m游，按公式（1）、（2）分別計(jì)算包封率及載藥量。

式中：m總為制備Lyco-NLC時(shí)加入番茄紅素總質(zhì)量/g；m游為制備Lyco-NLC后游離的番茄紅素質(zhì)量/g；m脂質(zhì)為制備Lyco-NLC時(shí)添加的所有脂質(zhì)（包括復(fù)合液體脂質(zhì)和固體脂質(zhì)膽固醇）總質(zhì)量/g。

1.3.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)Design-Expert 10.0.4軟件分析Lyco-NLC制備的最佳工藝條件，并在最佳工藝條件下制備Lyco-NLC，測定其包封率、粒徑、多分散指數(shù)及Zeta-電位；將Lyco-NLC于4 ℃條件下分別貯存1、3、7、15、30 d，測定其包封率、粒徑、多分散指數(shù)及Zeta-電位。

1.3.6 粒徑、多分散指數(shù)及Zeta-電位的測定

將稀釋后的Lyco-NLC樣品于25 ℃條件下，采用Nano-ZS90型激光粒度儀測定粒徑、多分散指數(shù)及Zeta-電位。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次平行處理，采用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 水化時(shí)間對番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體的影響

圖1 不同水化時(shí)間對Lyco-NLC包封率和粒徑的影響Fig.1 Effect of hydration time on the encapsulation efficiency and particle size of Lyco-NLC

水化時(shí)間對Lyco-NLC包封率及粒徑的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，隨樣品水化時(shí)間延長，Lyco-NLC包封率呈增加的趨勢。水化時(shí)間對Lyco-NLC粒徑變化影響明顯，15～30 min時(shí)粒徑隨水化時(shí)間的延長而減小，30 min達(dá)到最低值后粒徑增加，可能的原因是：在水化過程中，適當(dāng)?shù)乃瘯r(shí)間有助于壁材閉合形成含番茄紅素的納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體囊泡，超過最適水化時(shí)間后壁材可能氧化或因黏度較大而聚積粒徑增加。此結(jié)果同聶華等[17]采用乙醇注入法制備靶向載紫杉醇脂質(zhì)體結(jié)果類似。選擇水化時(shí)間45～75 min進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

2.1.2 超聲時(shí)間對番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體的影響

圖2 不同超聲時(shí)間對Lyco-NLC包封率和粒徑的影響Fig.2 Effect of ultrasonic treatment time on the encapsulation efficiency and particle size of Lyco-NLC

超聲時(shí)間對Lyco-NLC包封率及粒徑的影響結(jié)果如圖2所示，經(jīng)超聲處理后，番茄紅素納米脂質(zhì)載體顆粒粒徑明顯減小，原因是超聲的振蕩作用使粒徑降低，同時(shí)隨超聲處理時(shí)間的延長，納米脂質(zhì)載體的包封率在9 min前呈現(xiàn)增加的趨勢，9 min時(shí)達(dá)到最大值，超過9 min后包封率下降?？赡艿脑蚴钱?dāng)超聲時(shí)間過長，脂膜被破壞，部分納米脂質(zhì)載體顆粒破裂，包裹在其中的番茄紅素滲漏，包封率降低。王詩琪等[18]在采用逆向蒸發(fā)法方法制備蓮藕多酚與多糖復(fù)合脂質(zhì)體及熊偉等[19]采用薄膜超聲法制備二氫楊梅素脂質(zhì)體時(shí)，同樣得出隨超聲時(shí)間延長，脂質(zhì)體包封率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。選擇超聲時(shí)間6～12 min進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

2.1.3 超聲功率對番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體的影響

圖3 不同超聲功率對Lyco-NLC包封率和粒徑的影響Fig.3 Effect of ultrasonic power on the encapsulation efficiency and particle size of Lyco-NLC

不同超聲功率對Lyco-NLC包封率及粒徑的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，隨超聲功率的增加，納米脂質(zhì)載體的包封率在228 W前呈增加的趨勢，在228 W時(shí)達(dá)到最大值，之后包封率下降。納米脂質(zhì)載體的粒徑隨超聲功率的增加先降低后增加，可能的原因是適當(dāng)?shù)某暪β视捎谄湔駝?dòng)作用可促進(jìn)芯材包封，同時(shí)其產(chǎn)生的剪切力可適當(dāng)降低納米脂質(zhì)載體顆粒的粒徑；但超聲功率過大時(shí)，納米脂質(zhì)載體結(jié)構(gòu)破壞，芯材泄漏，包封率降低；同時(shí)顆粒相互黏附聚集，導(dǎo)致粒徑變大。呂方方等[20]在制備以羧甲基殼聚糖為壁材、椰油為芯材的脂質(zhì)體時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)證明適當(dāng)超聲功率可使脂質(zhì)體包封率增加。選擇超聲功率228～358 W進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化。

2.1.4 藥脂比對番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體的影響

圖4 不同藥脂比對Lyco-NLC包封率和粒徑的影響Fig.4 Effects of drug-to-lipid ratio on the encapsulation efficiency and particle size of Lyco-NLC

藥脂比對Lyco-NLC包封率及粒徑的影響結(jié)果如圖4所示，隨脂質(zhì)添加量的增加，粒徑逐漸減小，而包封率呈先增加后降低的趨勢，在藥脂比為1∶40時(shí)包封率達(dá)到最大，可能的原因隨著脂質(zhì)含量的增加，芯材被包裹的強(qiáng)度增大，導(dǎo)致包封率增加；但脂質(zhì)過多無法形成適宜剛性的Lyco-NLC，芯材藥物滲漏現(xiàn)象逐漸明顯，導(dǎo)致在脂質(zhì)含量進(jìn)一步增加時(shí)包封率降低[21]。選擇最佳藥脂比為1∶36（正交試驗(yàn)得出），寧雙成等[22]在制備斑蝥素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體時(shí)得到隨著體系脂質(zhì)含量增加，納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體包封率呈先增加后降低的結(jié)果。

2.1.5 固液脂質(zhì)比對番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體的影響

圖5 不同固液脂質(zhì)比對Lyco-NLC包封率和粒徑的影響Fig.5 Effect of solid-to-liquid lipid ratio on the encapsulation efficiency and particle size of Lyco-NLC

不同固液脂質(zhì)比對Lyco-NLC包封率及粒徑的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，隨液體脂質(zhì)添加量的增加，包封率先增加后降低，原因是當(dāng)液體脂質(zhì)比較少時(shí)，納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體剛性較強(qiáng)，不能起到良好包封芯材藥物的作用，隨著液體脂質(zhì)添加量增加，顆粒剛性減小，黏度增加，包封芯材藥物能力提升，包封率呈上升趨勢，但過量的液體脂質(zhì)導(dǎo)致粒徑剛性不足以支撐粒徑結(jié)構(gòu)，壁材破裂芯材滲漏，包封率降低。粒徑在固液脂質(zhì)比為1∶2～1∶8時(shí)維持穩(wěn)定，在固液脂質(zhì)比為1∶10時(shí)增加至196.7 nm，可見液體脂質(zhì)黏度增加，顆粒相互附著聚集，使粒徑增加。故選擇最佳固液脂質(zhì)比為1∶6。閆丹等[23]制備積雪草總苷脂質(zhì)體時(shí)，隨著卵磷脂與膽固醇質(zhì)量比的增加，積雪草苷與羥基積雪草苷的包封率先增大后減小。

2.1.6 pH值對番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體的影響

圖6 不同pH值對Lyco-NLC包封率和粒徑的影響Fig.6 Effect of pH on the encapsulation efficiency and particle size of Lyco-NLC

磷酸鹽緩沖液pH值對Lyco-NLC包封率及粒徑的影響結(jié)果如圖6所示，pH值在6.2～6.8區(qū)間包封率逐漸增加，在pH 6.8時(shí)達(dá)到峰值，之后包封率降低，粒徑在pH值為6.2～7.1區(qū)間逐漸降低，在pH 7.1時(shí)達(dá)到粒徑最低值后再增加，故選擇磷酸鹽緩沖液最佳pH值為6.8。潘翠珊等[24]在優(yōu)化人參皂苷Rg3脂質(zhì)體處方時(shí)得到相似的結(jié)果。

2.2 星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果

表2 星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Central composite design with experimental results

根據(jù)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)結(jié)果，得到最佳藥脂比1∶36、固液脂質(zhì)比1∶6、磷酸鹽緩沖液pH 6.8，再選取水化時(shí)間、超聲功率、超聲時(shí)間三因素進(jìn)行星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法設(shè)計(jì)，結(jié)果見表2，對表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元二次回歸擬合，得回歸方程：Y＝-324.72+2.33A+1.28B+34.79C-0.001AB+8.72AC-0.054BC-0.018A2-0.001B2-1.07C2。

表3 回歸方程的方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance of regression model

采用單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)及方差分析，由表3可知，通過方差分析及顯著性分析，B、BC、A2、B2、C2項(xiàng)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響極顯著（P＜0.01），C項(xiàng)P值為0.038 6（0.01＜P＜0.05），對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著，模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)P值為0.673 1，對實(shí)驗(yàn)影響不顯著（P＞0.01），說明該模型對實(shí)驗(yàn)實(shí)測值擬合效果好，模型的決定系數(shù)R2值為0.966 5，為增加模型預(yù)測的可靠性，適當(dāng)修正后的R2Adj值為0.936 3，證明響應(yīng)值的總變量僅有6.37%不能用此模型表示[25-26]，證明該模型可用于擬合實(shí)驗(yàn)自變量與響應(yīng)值之間的關(guān)系。

圖7 兩因素交互作用對包封率影響的等高線與曲面圖Fig.7 Contour and response surface plots showing the interactive effect of variables on encapsulation efficiency

為更直觀考察水化時(shí)間、超聲功率、超聲時(shí)間交互作用對Lyco-NLC包封率的影響，分析任意兩因素交互作用對Lyco-NLC包封率的影響。如圖7所示，水化時(shí)間、超聲功率、超聲時(shí)間任意兩因素交互時(shí)，隨因素水平逐漸增加Lyco-NLC包封率均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當(dāng)超聲功率與超聲時(shí)間交互時(shí)，等高線呈橢圓形，響應(yīng)面坡度陡峭，表明超聲時(shí)間與超聲功率對包封率影響顯著[27-29]。

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Design-Expert 10.0.4軟件分析結(jié)果，Lyco-NLC制備的最佳參考工藝條件為水化時(shí)間61.1 min、超聲時(shí)間9.8 min、超聲功率268.6 W，此時(shí)包封率預(yù)測值為88.8%。根據(jù)參考工藝條件并考慮實(shí)際可操作性，調(diào)整工藝條件為水化時(shí)間61 min、超聲時(shí)間10 min、超聲功率266.5 W，結(jié)果表明所制得的Lyco-NLC表觀為粉紅色懸濁液，證明番茄紅素成功包封于壁材內(nèi)，其包封率為（90.84±0.41）%，載藥量為（2.56±0.01）%，粒徑分布如圖8所示，粒徑為（126.48±3.87）nm，多分散指數(shù)為0.188±0.028，Zeta-電位為（-48.53±2.40）mV。

圖8 Lyco-NLC粒徑分布圖Fig.8 Particle size distribution of Lyco-NLC

2.4 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of stability experiments

由表4 可知，最優(yōu)工藝得到的L y c o-N L C 在貯藏30 d后，其包封率為（84.49±0.44）%，粒徑為（135.48±7.31）nm，多分散指數(shù)及Zeta-電位數(shù)據(jù)表明，采用乙醇注入-探頭式超聲法制備的番茄紅素納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體有較好的穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

采用乙醇注入-探頭式超聲法聯(lián)合制備Lyco-NLC，通過單因素試驗(yàn)法及星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法優(yōu)化制備工藝，以包封率及粒徑為考察指標(biāo)，考察各因素及兩兩交互后對Lyco-NLC的影響，確定Lyco-NLC最佳制備工藝為：水化時(shí)間61 min、超聲時(shí)間10 min、超聲功率266.5 W、藥脂比為1∶36、固液脂質(zhì)比例為1∶6，磷酸鹽緩沖液pH值為6.8，此條件下得到Lyco-NLC包封率為（90.84±0.41）%，載藥量為（2.56±0.01）%，粒徑為（126.48±3.87）nm，多分散指數(shù)為0.188±0.028，Zeta-電位為（-48.53±2.40）mV，樣品狀態(tài)為粉紅色懸濁液。4 ℃條件下貯存30 d后，番茄紅素包封率為（84.49±0.44）%，粒徑為（135.48±7.31）nm，多分散指數(shù)為0.205±0.017，Zeta-電位為（-47.16±2.77）mV，說明此方法制備的Lyco-NLC穩(wěn)定。

番茄紅素具有多種生物學(xué)功能，但化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，生物利用率較低[30]，在一定程度上限制其應(yīng)用，乙醇注入-探頭式超聲法制備Lyco-NLC過程中無水乙醇為唯一有機(jī)溶劑，并且使用量少，無有毒性試劑的引入；星點(diǎn)設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)可在中心點(diǎn)處進(jìn)行多次重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。采用乙醇注入-探頭超聲法制備的Lyco-NLC包封率和穩(wěn)定性好，相比于其他傳統(tǒng)制備方法，在一定程度上提高Lyco-NLC包封率的同時(shí)，減少了有毒有機(jī)試劑的引入，可為番茄紅素功能食品開發(fā)提供一定的參考。