响应面法优化复合淀粉微球制备工艺研究

粮食与油脂262010年第7期响应面法优化复合淀粉微球制备工艺研究冀国强，邵秀芝，王玉婷（山东轻工业学院食品与生物工程学院，　山东济南　250353）摘　要：以可溶性淀粉为主要原料，添加一定量β–环糊精，采用反相悬浮聚合法制备复合淀粉微球。为优化其制备工艺，在单因素试验基础上选取淀粉乳浓度、淀粉与β–环糊精质量配比、油水体积比和交联剂用量为影响因子，应用BBD进行4因素3水平试验设计，以淀粉微球对亚甲基蓝吸附量为响应值进行响应面分析，模拟得到二次多项式回归方程预测模型，并得到复合淀粉微球制备昀优工艺条件为：淀粉乳浓度15.09%、淀粉与β–环糊精质量配比2.62∶1、油水体积比3.84∶1和交联剂用量6.13ml；在此条件下，验证得到淀粉微球对亚甲基蓝吸附量为0.5337mg/g，与预测值0.5659mg/g相对误差为5.69%，说明应用响应面法所得复合淀粉微球制备工艺条件是可行的。关键词：复合淀粉微球；响应面法；反相悬浮聚合法StudyonoptimizationofpreparationtechnologyofcompositestarchmicrospheresbyresponsesurfacemethodologyJIGuo-qiang，SHAOXiu-zhi，WANGYu-ting（SchoolofFood&Bioengineering，ShandongInstituteofLightIndustry，Jinan250353，China）Abstract：Thecompositestarchmicrosphereswerepreparedbyinverse–suspensionpolymerizationwithsolublestarchasthemainmaterialatthesametimeaddingacertainamountβ–cyclodextrin（β–CD）.Basedonthesingle–factortest，fourindependentvariablesincludingstarchconcentration、starch&β–CDweightratio、oil–watervolumeratioandtheamountofthecross–linkingagentwereselectedasimpactfactortooptimizethepreparationprocess.TheexperimentswerearrangedaccordingtoBBD（Box–BehnkenDesign）.RSA（ResponseSurfaceAnalysis）methodwasappliedtodeterminetheeffectofBBDandsimulatethepredictedmodelofthequadraticpolynomialregressionequation.Theoptimumconditionswasobtainedasfollows：starchconcentration15.09%、starch&β–CDweightratio2.62∶1、oil–watervolumeratio3.84∶1andtheamountofthecross–linkingagent6.13ml.Underthiscondition，theexperimentdatais0.5337mg/g，withtherelativeerror5.69%comparedwiththepredictedvalue，indicatingthispreparationprocessconditionderivedfromRSAisfeasible.Keywords：compositestarchmicrospheres；responsesurfacemethodology；inverse–suspensionpolymerization中图分类号：TS236.9文献标识码：A文章编号：1008―9578（2010）07―0026―06收稿日期：2010–05–21作者简介：冀国强（1985~），男，硕士研究生，研究方向：食品资源开发。淀粉微球是以天然淀粉为原料一种人造衍生物，系淀粉在引发剂作用下，淀粉羟基与交联剂进行适度交联制得一种微球。淀粉微球因具有生物相容性、生物降解性、无毒性、贮存稳定、原料来源广泛、价格低廉等优点，目前已作为靶向药物载体和吸附剂或作包埋剂在许多领域得到广泛应用〔1~2〕。目前国内外关于淀粉微球制备一般采用单一物质成分天然淀粉或可溶性淀粉为原料，天然淀粉颗粒分子以氢键连接，外力很难完全破坏，给淀粉交联聚合反应带来诸多不便，往往存在微球产率低、粒径分布较宽、分散性差、重现性不好等缺点〔3〕。β–环糊精（β–CD）是将淀粉处理后，经环糊精糖基转移酶作用而得到粉状结晶，是由7个葡萄糖通过α–1，4糖苷键连接形成具有环状空洞特殊结构的环形低聚糖，含有伯醇羟基及仲醇羟基，分别位于空洞外面下边缘和上边缘，具有中空筒状结构，能与大小、形状适当疏水性分子形成主―客体包合物，与淀粉具有较好相溶性〔4~5〕。本研究以可溶性淀粉为主要原料，利用β–CD分散稳定性作用，采用反相悬浮聚合法制备复合淀粉微球。通过单因素试验、Box–behnken试验设计和响应面分析法（ResponseSurfaceAnalysisMethodology，RSA）优化复合淀粉微球制备工艺，以期为复合淀粉微球制备提供实践和理论依据。1材料与方法1.1主要试剂及仪器可溶性淀粉、β–环糊精、Span60、Tween60、环氧氯丙烷、NaOH、乙酸乙酯、丙酮、无水乙醇均为分析纯；大豆油：市售；实验用水为蒸馏水。TDL–40B型离心机：上海安亭科学仪器厂；SHB–B95A型真空泵：郑州长城科工贸有限公司；粮食与油脂2010年第7期27722S型分光光度计：上海美谱达仪器有限公司；DHG–9140A型烘箱：上海精宏实验设备有限公司；78–1磁力加热搅拌器：金坛市晶玻实验仪器厂；数显水浴锅：北京市长风仪器仪表公司。1.2方法1.2.1复合淀粉微球制备水相制备：将一定量可溶性淀粉和β–环糊精按一定质量配比加入20ml蒸馏水配成相应浓度淀粉乳后，用2mol/LNaOH调pH为12后，在80℃水中使其糊化以致完全溶解。油相制备：按与水相（20ml）一定体积比量取大豆油，加入定量乳化剂（Span60、Tween60），在60℃恒温水浴中搅拌使其完全溶解。在磁力搅拌下，将冷却到室温水相逐滴加入到油相中，待淀粉液滴在油相中分散均匀后，加入一定量交联剂环氧氯丙烷，反应在50℃磁力搅拌下进行。反应完成后离心，分去油相，下层沉淀用乙酸乙酯、丙酮、无水乙醇反复洗涤，昀后在40℃下干燥，得到白色粉末状淀粉微球。1.2.2复合淀粉微球对模型药物亚甲基蓝吸附性能测定（1）亚甲基蓝标准曲线绘制：取不同浓度亚甲基蓝标准溶液于660nm处测定吸光度值，以吸光度为纵坐标，以亚甲基蓝溶液浓度为横坐标，绘制标准曲线。（2）精称0.5g微球，0.01mg/mL亚甲基蓝溶液50ml于100ml圆底烧瓶中，在振荡器中振荡2h，抽滤，取滤液在昀大吸收波长处测吸光度，按亚甲基蓝标准曲线计算每g淀粉微球吸附量。淀粉微球吸附量（mg/g）＝加入亚甲基蓝量（mg）―滤液亚甲基蓝量（mg）淀粉微球量（g）1.2.3复合淀粉微球制备工艺参数确定试验以淀粉微球对模型药物亚甲基蓝吸附量为指标，固定其它因素不变，考察淀粉乳浓度、淀粉和β–环糊精质量配比、油水体积比、交联剂用量对微球吸附效果影响。1.2.4响应面试验设计在单因素试验基础上，依据单因素试验结果，采用4因素3水平进行响应面法Box–Behnken模型试验设计，以–1、0、＋1分别代表变量水平，按方程xi=（Xi–X0）/ΔX对自变量进行编码。其中，xi为编码值，Xi为真实值，X0为试验中心点变量真实值，ΔX为变量变化步长，淀粉微球对亚甲基蓝吸附量Y为响应值，因素水平编码见表1。表1　响应面试验设计因子及水平因　素水平（xi）-10+1淀粉乳浓度（%）101520淀粉与β–CD配比（m∶m）2∶13∶14∶1油水体积比（V∶V）3∶14∶15∶1交联剂用量（ml）5672结果与分析2.1单因素试验2.1.1淀粉乳浓度固定其它因素不变，考察淀粉乳浓度对淀粉微球吸附量影响，结果如图1。由图1可知，随着淀粉乳浓度增加，淀粉微球吸附量先随之增加后再减少，原因可能是低浓度淀粉乳分散在微胶束内淀粉大分子数目较少，易分散、乳化较均匀，有利于淀粉交联形成微球。但过低浓度淀粉乳所得微球产量较低，微球干燥后还会出现表面凹凸不平现象；而过高浓度淀粉乳溶液粘稠，易发生沉淀，糊化后淀粉乳呈凝胶状态，不利于乳化，所得产品粒径大、粘连严重，不成球形。由图1可见，淀粉乳浓度昀佳取值为15%。2.1.2可溶性淀粉与β–CD复配比例实验中保持其它条件不变，考察可溶性淀粉与β–CD不同添加比例对制备微球影响，实验结果如图2。结果表明，随淀粉与β–CD添加比例增大，微球对亚甲基蓝吸附量减少，即随β–CD用量增大，微球对亚甲基蓝吸附量增大，但微球产量有所减少，可能是由于β–CD外缘–OH活性不高，影响微球交联率所致。考虑到淀粉与β–CD成本比较，选择淀粉与β–CD质量配比以3∶1为宜。2.1.3油水比例保持其它因素不变，以油相用量分别为40ml、60ml、80ml、100ml、120ml，考察油水比对反应体系影响，复合淀粉微球对亚甲基蓝吸附情况如图3所示。在形成淀粉微球过程中，油水比例应适当，在反应体系中，通过适当增加油水比例可增加微球对亚甲基蓝吸附量。原因可能是反相微乳液体系始终保持着一个动态稳定状态，通过增加油相用量，体系中淀粉水相胶团间分散性增大，同时减小胶团粒径；而微粮食与油脂282010年第7期球粒径越小，相同质量微球吸附能力越大。油相用量主要影响到反相乳液粘度，从反应过程传质、传热讲，体系粘度越低越好，然而过大油相用量将会使制备成本大大增加，且在相同交联剂用量情况下，会使交联剂浓度降低，使淀粉得不到很好交联。同时油相用量也不能过小，过小会使颗粒在聚合过程中发生碰撞，难以形成稳定W/O乳状液，从而将得不到较规则球体，对亚甲基蓝也得不到有效吸附。综合考虑，油水比以4∶1为宜。2.1.4交联剂用量交联剂是制备淀粉微球重要组分，淀粉分子可通过其醇羟基与多元官能团形成二醚键或二酯键来形成与其它淀粉分子间架桥，其用量直接影响到淀粉成球进程及内部网络结构，从而在很大程度上决定产物微球吸附性能〔6〕。交联剂用量对淀粉微球吸附性能影响如图4。由图4可知，固定其它因素不变，随交联剂用量增加，淀粉微球对亚甲基蓝吸附量先增加后减小。交联剂用量过少，淀粉微球不能发生很好交联，得到微球机械强度低，吸附量也少；随交联剂用量增加，交联程度增加，微球吸附量也增加。交联剂用量过大，过多交联剂不易洗脱，同时会使交联剂之间发生交联，造成多个微球粘连现象，导致微球表面空隙减少，从而影响吸附效果。综合考虑，交联剂较宜添加量为6ml。2.2响应面试验结果与分析对以上四个单因素使用Design–Expert8.0.1软件设计4因素3水平共29个试验（5个中心点）响应面分析试验。这29个试验分为两类：其中24个析因点为自变量取值在各因素所构成三维顶点；零点为区域中心点，重复5次，用于估计试验误差。2.2.1试验结果响应面试验数据结果见表2。表2　Box-Behnken模型试验设计方案及试验结果序号因素吸附量（0.1mg/g）残差x1x2x3x4实测值预测值1–1–1004.384.180.2021–1004.144.56–0.423–11002.492.260.23411001.792.17–0.38500–1–13.633.80–0.176001–13.403.81–0.41700–115.084.860.22800113.133.14–0.019–100–13.113.16–0.0510100–14.774.20