劉文妮，沈科萍，張 忠*，畢 陽*，燕 璐

（甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070）

響應面法優(yōu)化孜然精油微膠囊工藝

劉文妮，沈科萍，張 忠*，畢 陽*，燕 璐

（甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070）

以β-環(huán)糊精和麥芽糊精為壁材采用真空抽濾法包埋制備孜然精油微膠囊。在復合壁材比、固形物質量濃度、芯壁比和包埋時間4 個單因素篩選的基礎上采用四因素三水平響應面試驗設計確定了最佳微膠囊制備工藝參數(shù)為β-環(huán)糊精與麥芽糊精比8∶2（g/g）、固形物質量濃度40 g/100 mL、芯材與壁材比1∶5（mL/g）、包埋時間55 min，該條件下孜然精油的包埋效率可達97.68%。

孜然精油；微膠囊；真空抽濾；響應面

孜然，又名枯茗（Cuminum cyminum L.），為傘形花科孜然芹一年生草本植物。主要分布于中國、印度、伊朗、俄羅斯及美國，新疆和甘肅是我國的主產(chǎn)區(qū)[1]。孜然種子呈黃褐色、扁平弧形，富油性，有濃烈芳香，是重要的調味品[2-4]。從孜然種子中提取的精油（又稱枯茗油）已被美國食品及藥品管理局列入公認安全化學品名單，美國食品香料與萃取物制造者協(xié)會也允許在食用、煙用和酒用香精中使用[5]。除了調味和香精的功能外[6]，孜然精油還具有良好的抑菌[7]、抗氧化[8]和抗蟲活性[9]。由于植物精油普遍具有易揮發(fā)、化學性質不穩(wěn)定的特點，因此在使用和貯存期間易揮發(fā)散失和氧化變質，對品質和市場價值影響很大[10]。采用微膠囊技術可有效克服植物精油在使用和貯存期間存在的問題[11]。

微膠囊技術是采用特定的方法和工藝，把分散的固體顆粒、液滴或氣體完全包封在一層微小、半透性或封閉的膜內形成微小粒子的技術[12]。精油微膠囊化是將精油作為芯材包裹在高聚物的壁材內部[13]，它可以明顯的降低精油的揮發(fā)性，增強穩(wěn)定性[14]，防止氧化[15]。王娣等[16]以啤酒廢酵母為壁材采用真空干燥法制備百里香精油微膠囊，包埋效率可達86.71%。以濃縮乳清蛋白和甜筴豆膠或阿拉伯膠組合作為復合壁材通過噴霧干燥法制備芡歐鼠尾草精油微膠囊得到最佳工藝為固形物質量分數(shù)40%、芯壁比1∶3，包埋效率80.70%[17]。使用多重乳液溶劑蒸發(fā)技術以碳水化合物-蛋白質為壁材制備花椒精油微膠囊得到83.80%的包埋效率[18]。以海藻酸鈉為壁材采用銳孔-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-環(huán)糊精包埋橘皮精油，使用真空抽濾法得到微膠囊包埋得率為88.5%。β-環(huán)糊精包埋百里香精油

采用真空干燥法制備微膠囊，當芯壁比為8∶92時微膠囊中百里香酚的釋放量達到92.39%[21]。噴霧干燥法是制備微膠囊的主要方法[17]，但由于干燥溫度較高，易造成香氣成分揮發(fā)損失[16]。真空抽濾法可以有效地克服這一缺點[22]。但選取復合壁材通過真空抽濾法制備精油微膠囊尚未見報道。

β-環(huán)糊精可與多種化合物形成包結復合物，麥芽糊精溶解性良好，且吸濕性低，是一種優(yōu)良的填充載體，殼聚糖具有增稠、抑菌等作用，廣泛應用于食品工業(yè)領域。本實驗擬以孜然精油為芯材，β-環(huán)糊精和麥芽糊精為壁材，研究復合壁材比例、固形物質量濃度、芯壁比和包埋時間對精油微膠囊效果的影響，采用真空抽濾，通過響應面法對制備工藝中影響微膠囊化包埋效率的各因素進行優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

孜然籽 敦煌種業(yè)股份有限公司；β-環(huán)糊精（β-cyclodextrin，β-CD）、麥芽糊精（maltodextrin，MD）、殼聚糖（食品級） 西安大豐收生物科技有限公司；單甘酯（分析純）、無水乙醇、石油醚（沸點30～60℃，分析純） 天津市光復科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設備

KQ-250B型超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；DF-Ⅱ集熱式磁力加熱攪拌器 金壇市順華儀器有限公司；SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 孜然精油的提取方法

參照李大強等[23]的方法，植物精油的提取采用水蒸氣蒸餾法，將植物原料粉碎，按物料比1∶10的比例加入到水蒸餾裝置中，稱取粉碎的植物原料160 g加入1 600 mL蒸餾水進行蒸餾，蒸餾3 h后餾出液用冷凝水冷凝收集，靜置，分層后除去溶劑獲得精油，將收集的精油放在4 ℃的冰箱中備用。

1.3.2 孜然精油微膠囊化工藝流程

β-環(huán)糊精+乳化劑（單甘酯）+無水乙醇→30 ℃超聲20 min→加入孜然精油→30 ℃磁力攪拌包埋→加入麥芽糊精+殼聚糖→30 ℃磁力攪拌10 min→乳化液→真空抽濾→孜然精油微膠囊粉末

1.3.3 孜然精油微膠囊化最優(yōu)工藝參數(shù)的確定

在單因素試驗基礎上，根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，選取對孜然精油微膠囊化有顯著影響的4 個因素，以復合壁材比例（A）、固形物質量濃度（B）、芯壁比（C）和包埋時間（D）為自變量，以微膠囊的包埋效率為響應值，設計四因素三水平試驗，確定最佳參數(shù)進行響應面設計（表1）。

表1 孜然精油微膠囊制備工藝響應面試驗因素水平表Table 1 Coded levels for independent variables used in experimental design for microencapsulation of cumin essential oil

1.3.4 孜然精油微膠囊包埋效率的測定

參照Rodea等[17]的方法略有修改。表面油含量測定：準確稱取4 g微膠囊加入10 mL石油醚輕輕攪拌2 min溶解，倒出濾液過濾，在30 ℃的干燥箱中干燥至質量恒定；總油含量測定：準確稱取4 g微膠囊溶解于10 mL石油醚中，在70%振幅20 kHz條件下超聲10 min，過濾萃取液，濾餅用20 mL石油醚沖洗2～3 次，合并濾液在30 ℃的干燥箱中干燥至質量恒定，計算總油含量。

2 結果與分析

2.1 4 個單因素對孜然精油微膠囊包埋效率的影響

圖1 固形物質量濃度（A）、復合壁材比（B）、包埋時間（C）和芯壁比（D）對孜然精油微膠囊包埋效率的影響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

固形物質量濃度對孜然精油微膠囊包埋效率具有顯著的影響（圖1A），當其他條件固定時，隨著固形物質量濃度的增加，包埋效率先增大后略有減小，固形物質量濃度為40 g/100 mL時包埋效率可達94.58%。相同條件下，當復合壁材比例為8∶2時的包埋效率最大，當β-環(huán)糊精所占比例下降而麥芽糊精比例上升時包埋效率基本呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢。由此可見，β-環(huán)糊精是壁材中最主要的載體基質（圖1B）。隨著包埋時間的延長，包埋效率基本呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，包埋60 min時包埋效率為87.20%，與70 min時相差不大，考慮到經(jīng)濟實用性，選擇60 min為最佳包埋時間（圖1C）。不同的芯壁比對孜然精油微膠囊包埋效率的影響較為顯著（圖1D）。隨著芯材所占比例的下降，包埋效率起初有明顯的升高而后又略有下降，芯壁比為1∶5（mL/g）時，包埋效率可達90.41%。

2.2 制備微膠囊工藝的優(yōu)化

2.2.1 響應面試驗設計及結果分析

表2 Box-Behnken試驗分析結果Table 2 Box-Behnken experimental design and results for response surface analysis

續(xù)表2

以單因素試驗為基礎，根據(jù)Box-Behnken試驗設計原理，對復合壁材比例（A）、固形物質量濃度（B）、芯壁比（C）和包埋時間（D）4 個因素進行響應面分析試驗，以微膠囊的包埋效率為響應值，試驗分析結果見表2。

2.2.2 回歸模型的確定與顯著性分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表2進行二次多項回歸擬合試驗和方差分析，反映復合壁材比例、固形物質量濃度、芯壁比和包埋時間對包埋效率的影響，得到表3回歸方程方差分析表，利用軟件進行擬合所得多元二次回歸方程如下：

表3 回歸方程各項的方差分析Table 3 Analysis of variance (ANOVA) for each item of the regression equation

由回歸分析結果可以看出，對包埋效率的影響排序，A＞C＞D＞B，即復合壁材比＞芯壁比＞包埋時間＞固形物質量濃度（表3）。從方差分析結果顯示該模型的P＜0.000 1，表明回歸模型極顯著。失擬項

P=0.060 5＞0.05，不顯著，并且該模型的復相關系數(shù)平方R2=0.952 7，響應變量R2Adj=0.905 4，模型的變異系數(shù)為1.4%，表明該模型與實際擬合較好，說明試驗具有很高的可信性和準確性，可以用于孜然精油微膠囊化包埋效率的理論預測。另外，交互項AD、BC顯著，因此說明A和D、B和C之間的交互作用很好，整個響應面基于各因素間的交互作用構成。

2.2.3 結果分析及驗證實驗

根據(jù)回歸方程預測4 個因素對包埋效率的響應面圖直觀地反映了各因素對響應值的影響（圖2）。通過軟件分析，得出最佳包埋工藝為復合壁材比8.25∶1.75（β-CD∶MD，g/g）、固形物質量濃度38.36 g/100 mL、芯壁比1∶5.6（mL/g）、包埋時間56.84 min；考慮實際操作性，故選定調整后工藝參數(shù)為復合壁材比8∶2（β-CD∶MD，g/g）、固形物質量濃度40 g/100 mL、芯壁比1∶5（mL/g）、包埋時間55 min，重復3 次，測得包埋效率為 97.68%，與預測值98.01%較為接近，說明該模型能很好的反映孜然精油微膠囊的制備效果。

圖2 兩因素交互作用對包埋效率影響的響應面圖Fig.2 Response surface and contour plots for the effects of four variables on the embedding efficiency of cumin essential oil

3 討 論

屈小媛等[24]研究表明隨著固形物質量濃度的增加，大蒜精油微膠囊的包埋效率先增大后略又減小。這可能是由于乳液黏度的改變引起的，固形物質量濃度增加有利于干燥過程中囊壁的形成及其致密度的提高，減少芯材向壁表面的擴散遷移（圖1A），但固形物質量濃度過高會使乳液液滴自由空間減小而易于聚集，最終導致微膠囊包埋效率的變化[25]。壁材的復配使用可以提高孜然精油微膠囊的包埋效率[17]（圖1B）。不同的壁材對于微膠囊的包埋效率、粒型和強度等理化性質有著一定影響[23]。以β-環(huán)糊精作壁材利用噴霧干燥技術生產(chǎn)孜然精

油微膠囊，包埋效率僅為86.7%[25]。本實驗選用復合壁材（β-環(huán)糊精和麥芽糊精）通過真空抽濾的方法制備的孜然精油微膠囊包埋效率高達97.68%。微膠囊形成是精油分子進入β-環(huán)糊精空穴形成疏水鍵的結合過程，起初隨著反應時間的延長，精油分子能有充足的機會進入β-CD的空腔中（圖1C），之后隨著時間的延長，已經(jīng)包埋的精油會脫離包埋[26]。芯壁比例的變化對精油包埋效率的影響顯著，鄧靖等[15]采用β-環(huán)糊精為壁材制得肉桂精油微膠囊，包埋效率起初有明顯的升高而后又略有下降，當芯壁比為1∶8時包埋效率最大為 86.75%。說明對于一定質量的壁材來說，芯材含量的增加增大了芯壁之間的接觸面積，在一定范圍內提高了絡合速度，但當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膠囊的表面，提高了表面油含量（圖1D），降低了包埋效率[20]。干燥方式對油脂微膠囊化穩(wěn)定性和包埋效率影響差異顯著[27]。以酪蛋白、麥芽糊精為壁材，采用冷凍干燥法制備甜杏仁油微膠囊，包埋效率可達85.83%[28]。而以噴霧干燥法制備甜杏仁油微膠囊包埋效率高達97.28%[29]。

碳水化合物類壁材的使用是精油微膠囊制備的重要內容[22]。單獨使用一種壁材不能有效地包埋精油，但可以與其他壁材共用，以達到提高微膠囊膜的致密性效果[11]。張璇等[30]對花椒精油進行β-環(huán)糊精包埋固定化，優(yōu)化工藝后得到的包埋效率為68.28%。以阿拉伯膠、麥芽糊精及大豆分離蛋白作為壁材制備花椒精油微膠囊產(chǎn)品時包埋效率可到達77.8%[31]。

包埋效率是檢測精油微膠囊化效果的常用方法[13]，但單純通過單因素篩選，很難客觀地反映孜然精油微膠囊化的最優(yōu)條件，由于不同的因素之間具有交互作用[32]。因此，采用響應面分析試驗可較全面地反映包埋效率與各因素的關系。本研究從復合壁材比、固形物質量濃度、芯壁比、包埋時間等方面系統(tǒng)地研究了影響孜然精油微膠囊化的因素，明確了微膠囊化的最優(yōu)條件。為了較全面的評估精油微膠囊的品質，其在抑菌、抗氧化、驅蟲等方面的作用仍有待進一步的研究。

4 結 論

本實驗選用固形物質量濃度、復合壁材比（β-環(huán)糊精和麥芽糊精）、包埋時間和芯壁比為評價孜然精油微膠囊化指標，通過響應面分析，得出對包埋效率的影響排序，即復合壁材比＞芯壁比＞包埋時間＞固形物質量濃度，調整后的最佳包埋工藝參數(shù)為復合壁材比8∶2（β-CD∶MD，g/g）、固形物質量濃度40 g/100 mL、芯壁比1∶5（mL/g）、包埋時間55 min，通過真空抽濾的方法制備的孜然精油微膠囊包埋效率則高達97.68%，由此表明，壁材的復合使用可以提高包埋效率，低溫條件下的包埋方法可以明顯的降低精油的揮發(fā)、增強穩(wěn)定性，防止氧化。

[1] 胡林峰, 李廣澤, 李艷艷, 等. 孜然化學成分及其生物活性研究進展[J].西北植物學報, 2005, 25(8): 1700-1705.

[2] 楊艷, 孫曉明, 吳素玲, 等. 孜然總黃酮的提取和純化的工藝研究[J].食品工業(yè)科技, 2011, 32(5): 290-292.

[3] 謝喜國, 阿布力米提·伊力, 馬慶苓, 等. 新疆和田產(chǎn)孜然揮發(fā)油成分和生物活性研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學, 2011, 39(20): 12116-12120.

[4] 徐紹璽. 百種調料香料類藥用植物栽培[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2003: 556-557.

[5] 楊文菊, 楊濤, 劉龍, 等. 氣相色譜質譜法測定孜然揮發(fā)油中枯茗醛含量的方法研究[J]. 食品科學, 2009, 30(6): 208-212.

[6] 陳芹芹, 李淑燕, 甘芝霖, 等. 孜然精油成分分析及其功能研究進展[J].食品科學, 2011, 32(3): 301-304.

[7] JIROVETZ L, BUCHBAUER G, STOYANOVA A S, et al. Composition, quality control and antimicrobial activity of the essential oil of cumin (Cuminum cyminum L.) seeds from Bulgaria that had been stored for up to 36 years[J]. International Journal of Food Science and Technology, 2005, 40(3): 305-310.

[8] 李大強. 孜然精油的成分分析、抗菌和抗氧化活性[D]. 蘭州: 甘肅農(nóng)業(yè)大學, 2012.

[9] NERIO L S, OLIVERO-VERBEL J, STASHENKO E. Repellent activity of essential oils: a review[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(1): 372-378.

[10] 李新民, 馮作山. 孜然精油的提取及微膠囊化試驗研究[D]. 烏魯木齊: 新疆農(nóng)業(yè)大學, 2004.

[11] 譚龍飛, 文毓, 黃永杰, 等. 以殼聚糖、麥芽糊精和蔗糖為壁材制備肉桂醛微膠囊[J]. 食品科學, 2006, 27(1): 115-118.

[12] FRANCISCO J, ROSSIE R M. Microcapsule production by an hybrid colloidosome-layer-by-layer technique[J]. Food Hydrocolloids, 2012, 27(2): 119-125.

[13] 陳巖, 易封萍. 香精微膠囊的質量評價指標[J]. 上海應用技術學院學報: 自然科學版, 2012, 12(1): 18-21.

[14] 李榮, 彭穎, 姜子濤. 大豆分離蛋白包埋肉桂精油微膠囊及精油的化學成分[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工: 學刊, 2012(11): 49-52.

[15] 鄧靖, 譚興和, 劉婷婷, 等. 肉桂精油-β-環(huán)糊精微膠囊的制備[J]. 中國糧油學報, 2011, 26(2): 89-91.

[16] 王娣, 許暉, 汪張貴, 等. 百里香精油的微膠囊制備及其緩釋性能[J].食品科學, 2013, 34(6): 60-63.

[17] RODEA D A, CRUZ J, ROMáN A, et al. Spray-dried encapsulation of chia essential oil (Salvia hispanica L.) in whey protein concentratepolysaccharide matrices[J]. Journal of Food Engineering, 2012, 111(1): 102-109.

[18] BANERJEE S, CHATTOPADHYAY P, GHOSH A, et al. Influence of process variables on essential oil microcapsule properties by carbohydrate polymer-protein blends[J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 93(2): 691-697.

[19] 劉光發(fā), 王建清, 趙亞珠. 牛至精油微膠囊的制備及其抑菌效果研究[J]. 包裝工程, 2012, 33(3): 19-22.

[20] 王芳, 淡小艷, 鄧剛, 等. 橘皮精油微膠囊的制備及其穩(wěn)定性研究[J].中國糧油學報, 2012, 27(12): 78-83.

[21] DEL TORO-SáNCHEZ C L, AYALA-ZAVALA J F, MACHI L, et al. Controlled release of antifungal volatiles of thyme essential oil from β-cyclodextrin capsules[J]. Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, 2010, 67(3/4): 431-441.

[22] 王延圣, 蘇平. 微膠囊技術在植物精油中的應用及研究進展[J]. 食品工業(yè)科技, 2012, 33(10): 453-456.

[23] 李大強, 張忠, 畢陽, 等. 甘肅和新疆產(chǎn)區(qū)孜然精油成分的比較[J].食品工業(yè)科技, 2012, 33(11): 141-143.

[24] 屈小媛, 羅愛平. 大蒜精油微膠囊化工藝優(yōu)化[J]. 山地農(nóng)業(yè)生物學報, 2011, 30(6): 523-529.

[25] 李新民, 張永茂, 熊善柏. 噴霧干燥法生成孜然精油微膠囊工藝研究[J]. 中國調味品, 2012, 37(2): 65-71.

[26] 樊振江, 縱偉. 超聲法制備花椒精油微膠囊的研究[J]. 現(xiàn)代食品科技, 2008, 24(5): 469-471.

[27] 孫鵬, 程建軍, 鄭存汐, 等. 干燥方式對不同接枝度的大豆分離蛋白-麥芽糊精聚合物性質影響[J]. 食品工業(yè)科技, 2012, 33(11): 157-160.

[28] 楊海燕, 于蒙, 劉姍姍, 等. 冷凍干燥法制備甜杏仁油微膠囊[J]. 食品科學, 2012, 33(18): 36-40.

[29] 王青, 丘斌, 馬燕, 等. 甜杏仁油成分分析及不同壁材微膠囊化的特性[J]. 食品科學, 2009, 30(24): 74-76.

[30] 張璇, 田呈瑞. 固體花椒精油加工關鍵技術的研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2011, 32(8): 307-309.

[31] 金敬宏, 吳素玲, 孫曉明, 等. 花椒精油微膠囊工藝的研究[J]. 中國野生植物資源, 2003, 22(6): 55-57.

[32] BALASUBRAMANI P, VISWANATHAN R, VAIRAMANI M. Response surface optimisation of process variables for microencapsulation of garlic (Allium sativum L.) oleoresin by spray drying[J]. Biosystems Engineering, 2013, 114(3): 205-213.

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)

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 mater ial/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%.

cumin essential oil; microcapsule; suction fi ltration; response surface methodology

TS202.3

A

1002-6630（2014）18-0017-05

10.7506/spkx1002-6630-201418004

2014-01-11

國家自然科學基金地區(qū)科學基金項目（31360416）；甘肅省自然科學基金項目（1308RJZA162）

劉文妮（1989—），女，碩士研究生，研究方向為天然活性物質。E-mail：1017112846@qq.com

*通信作者：張忠（1977—），男，副教授，博士研究生，研究方向為天然活性物質。E-mail：zhangzhong@gsau.edu.cn畢陽（1962—），男，教授，博士，研究方向為采后生物學與技術。E-mail：biyang@gsau.edu.cn