响应面法优化薏米糠油面膜的工艺研究

◎ 汤 翠，王永恒，罗 凯，冷 璐，左 丽，焦安详

（1.六盘水市农业农村局，贵州 六盘水 553000；2.六盘水市检验检测中心，贵州 六盘水 553000）

薏米糠是薏米在加工成精米的过程中所产生的黄粉，其占总质量的6%～10%左右，含有丰富的营养物质和功能成分，作为“一种未充分利用的原料”，一直被当作廉价的动物饲料而未得到充分的利用，造成了薏米糠资源的极大浪费，同时也影响了农副产品的深加工利用，本研究充分利用薏米糠资源，提高农业废弃物综合利用率，开发利用意义重大，应用前景广阔。

研究表明，薏米糠营养成分与统糠接近[1]。华正根等[2]对薏米深加工后的副产物薏米糠综合分析，发现含蛋白质28.5%、多糖5.65%、脂肪18.45%。林莉等[3]以超临界脱脂薏米糠粉粕为研究对象提取其中的蛋白质，研究发现薏米糠蛋白质含有16种氨基酸，其中7种为必需氨基酸。从薏米糠中提取的乙酸乙酯提取物可通过平衡Th1/Th2型细胞因子免疫效应来减少过敏反应[4]。HUANG[5]等对比了薏米糠乙醇提取物和乙酸乙酯提取物，结果表明乙酸乙酯提取物表现出较好的抗炎效果。CHEN等[6]从薏米糠中分离提取的黄酮类化合物也表现出了一定的抗炎效果。从薏米糠中分离出内酰胺类化合物能抑制肺癌和结肠癌细胞，抗癌效果半抑制率IC50可达到28.6～72.6 lg/mL[7]。薏米糠油色泽澄清、透明，浅黄色，无异味，酸价和过氧化值分别为0.59 mgKOH/g和0.60 mmol/kg，符合《中华人民共和国轻工业行业标准 按摩基础油、按摩油》（QB/T 4079—2010）的要求，适合做化妆品基础油。

凝胶剂面膜是近年来新兴的一种剂型，能在较长时间里与作用部位紧密黏附，从而增加功效物质的皮肤角质层透过量，使用后易于清洗、感觉舒适、且稳定性好，但该剂型对基质要求较高[7]。凝胶基质配方研究是化妆品研究的基础，也是化妆品研究的核心内容，各种基质的配比和配伍是制备优良凝胶型化妆品的关键。本研究通过筛选成膜剂、乳化剂、保湿剂，并确定其用量，确定薏米糠油面膜配方，研制一种膏霜剂型薏米糠油睡眠面膜。

1 材料与方法

1.1 试验原料

薏米糠油，实验室自制。

1.2 试验试剂

酪氨酸酶为标准品，L-酪氨酸为生化试剂，邻苯二甲酸氢钾、碘化钾、硫代硫酸钠、冰乙酸、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、卡波姆940、聚丙烯酰胺、透明质酸钠、甘油、山梨醇均为分析纯。

1.3 试验仪器

UV-2550型紫外分光光度计，东莞市东仪精密设备有限公司；XHF-D型高速分散器，宁波新芝生物科技股份有限公司；NDJ-1型粘度仪，上海天平仪器厂；CT3型质构分析仪，美国博勒飞（Brookfield）有限公司；3K18型离心机，上海川翔生物科技有限公司。

2 试验方法

2.1 美容面膜制备工艺

薏米糠油睡眠面膜的制备按照如下步骤进行，在制备过程中，先使成膜剂、保湿剂分别在水中充分地分散和溶胀，形成凝胶液后，再添加其他的原料，用三乙醇胺调节酸碱度，并不断搅拌消除气泡。A相制备：将成膜剂、保湿剂分别在（75±5）℃的水中溶解完全，趁热将成膜剂、保湿剂混合，作为A相。B相制备：将乳化剂在（75±5）℃的水中溶解完全，加入薏米糠油，乳化10 min。C相制备：三乙醇胺、杰马BP溶解在水中。D相制备：维生素B5、香精溶解在水中。趁热将A、B、C、D相混合，用高速分散器内切式匀浆机搅拌充分混合，脱气后密封，静置隔夜，得面膜成品。

2.2 筛选成膜剂、乳化剂、保湿剂

2.2.1 成膜剂的确定

选取常用的4种成膜剂，称取羧甲基纤维素钠（CMC）、聚乙二醇6000、明胶、卡波姆940各2 g于烧杯中，分别加入50 mL水，置于电炉上加热，并不断搅拌，充分溶解后均质，然后冷却至室温，记录其粘性和成膜状况。

2.2.2 乳化剂的选择

选取常用的乳化剂，硬脂酸皂、月桂醇、明胶、聚丙烯酰胺各1 g于烧杯中，分别加入20 mL水，在（70±5）℃水浴锅上，充分搅拌乳化10 min后，均质，冷却至室温，分别对使用前、使用中、使用好评价其效果。

2.2.3 保湿剂的选择

保湿剂是面膜的重要组成成分，通过测试5种常用保湿剂甘油、神经酰胺、透明质酸钠、海藻糖和山梨醇在不同环境湿度（85%和62%）下的保湿率，选出保湿效果好、且不油腻的保湿剂添加至面膜中。

根据体外试验法[9]测定保湿率，为了更好地模拟皮肤的实际情况，选用适当大小的玻璃板贴上3M胶带，样品用量大约2 mg·cm-2。将保湿剂的水溶液涂敷在贴有3M胶带的玻璃板上，分别放入盛有饱和硫酸铵溶液（相对湿度为85%）和饱和醋酸钾溶液（相对湿度为62%）的干燥器中，放置4 h、8 h、12 h和24 h后时称量，根据式（1）计算样品的保湿率（ME）。

式中：M2——放置后水分重量，mg；M1——放置前水分重量，mg。

2.3 面膜配方单因素试验

经查阅文献[10]，初步确定以下基础配方做预实验，最终根据面膜配方优化试验得到最佳配方。选用离子水和丙二醇作为溶剂、三乙醇胺为中和剂、杰马BP作为防腐剂，同时添加维生素B5以减轻化妆品中敏感成分所产生的不适，如灼烧、刺痛、瘙痒和麻刺等，同时加强皮肤的水合功能。

2.3.1 卡波姆940添加量的确定

根据表1面膜的初级配方，聚丙烯酰胺的添加量为0.6%、透明质酸钠添加量0.05%，将卡波姆940以1.00%、1.25%、1.50%、1.75%和2.00%的添加量制备面膜，分别测定不同样品的保湿率及对其进行质构分析，选择粘着性、胶着性适合且保湿效果较好的样品，确定成膜剂最优的含量。

表1 面膜初级配方表

2.3.2 聚丙烯酰胺添加量的确定

根据表1面膜的初级配方，卡波姆940添加量为1.75%、透明质酸钠添加量0.05%，将聚丙烯酰胺以0.6%、0.8%、1.0%、1.2%和1.4%的添加量制备面膜，分别测定不同样品的保湿率，选择保湿效果较好的样品，确定乳化剂最优的含量。

2.3.3 透明质酸钠添加量的确定

根据表1面膜的初级配方，卡波姆940添加量为1.75%、聚丙烯酰胺添加量1.0%，将透明质酸钠以0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%的添加量制备面膜，分别测定不同样品的保湿率，选择保湿效果较好的样品，确定透明质酸钠添加量。

2.4 面膜响应面试验

根据单因素试验结果，以成膜剂、乳化剂和保湿剂的添加量作为试验因素，并设计中心组合试验因素水平表及Box-Behnken响应面试验设计，见表2和表3。

表2 响应面分析因素与水平编码表

表3 Box-Behnken响应面试验设计方案表

2.5 面膜检测

2.5.1 面膜质构检测

将样品装于统一规格烧杯中，用探头TA10进行检测，测试模式为TPA，测试速度为0.5 mm·s-1，测试距离4 mm[11]。

2.5.2 面膜保湿性能检测

分别将薏米糠油面膜和市面上两种典型的保湿面膜涂抹在手上15 min后，洗净，用皮肤水分测试仪测定30 min内皮肤保湿率的变化（每隔2 min测1次），注意在手部的同样位置进行测定，测定3次。

2.5.3 粘度

面膜的粘度影响是否易于涂抹展开。粘度用NDJ-1粘度计进行测定。

2.5.4 pH值

人体皮肤一般呈酸性，面膜的pH值决定了对皮肤的刺激程度，面膜pH值范围：5.0～6.0[13]。称取面膜样品1 g，加入蒸馏水10 g，加热至40 ℃，并不断搅拌至均匀，冷却至室温；用pH计测定。参照国家食品药品监督管理局《化妆品安全技术规范》2015年版。

2.6 数据统计与分析

采用Origin对单因素试验数据进行线性分析，采用Box-Behenken设计响应面试验[14]运用Design-Expert 8.0软件进行数据处理、分析。根据单因素试验结果，对薏米糠油脱酸工艺条件进行优化。

3 结果与分析

3.1 成膜剂、乳化剂、保湿剂的确定

3.1.1 成膜剂的确定

各成膜剂的成膜状况及稳定性结果见表4，研究发现卡波姆940成膜性好，粘性好，而且其抗拉强度、抗龟裂强度都很好，不易受细菌等微生物的污染[15]。卡波姆940是烯丙基蔗糖与丙烯酸共聚并轻度交联的药用高分子辅料，可形成水或醇-水胶体，该胶体用碱中和后可形成清晰透明的凝胶，是凝胶制备中最常用基质。考虑面膜的轻盈度、减轻厚重感等，选取无油腻感，易涂展，质地透明，对皮肤及黏膜无刺激的卡波姆940为面膜的成膜剂。

表4 成膜剂的选择表

3.1.2 乳化剂的确定

乳化剂添加至面膜基本成分中后，效果评价见表5，选择聚丙烯酰胺作为该面膜的乳化剂，因为聚丙烯酰胺增稠剂不仅具有较少用量就能获得较强增稠效果的优点，还具有触变性、抗电解质、耐极性溶剂、耐pH值能力良好，能乳化各种油相，配伍各种表面活性剂及其他的增稠剂，稳定矿物添加剂等优点[16]，近年来在化妆品领域的应用较广泛。

表5 乳化剂的选择表

3.1.3 保湿剂的确定

从图1和图2可看出保湿剂的ME在RH85%时高于RH62%时的值，5种样品的ME均随放置时间的延长而下降，但不同样品的下降程度不同。总体来说，甘油的保湿率最高，但其涂抹在皮肤上，偏油且浓稠，因为该面膜配方添加薏米糠油，避免面膜的油腻、厚重感，故不考虑甘油作为此面膜的保湿剂。综合透明质酸钠的保湿率，在4～12 h相对较稳定，且其质地均匀，适合用于睡眠面膜中[17]。选择具有适度保湿能力，且保湿能力持久、不易受环境条件变化（温度、湿度、风等）影响的保湿剂对维持皮肤健康是很重要。因此，选择透明质酸钠作为保湿剂添加在薏米糠油睡眠面膜中。

图1 单一保湿剂在RH62%时的ME图（室温20 ℃左右）

图2 单一保湿剂在RH85%时的ME图（室温20 ℃左右）

3.2 面膜配方单因素试验

3.2.1 卡波姆940对面膜性能的影响

应用质构仪测定面膜试样的质构特性，测定结果易受多种因素的影响，同时仪器本身也有一定的误差。由图3-1知，卡波姆940不同添加量对面膜物性参数重现性具有很大的影响。

从图3-2可以看出成膜剂添加量为1.75%时，面膜的粘力、粘性、弹性、胶着性测定结果的变异系数为最低，分别为10.2%、17.3%、1.0%和4.7%，平行试验各指标参数波动较小，说明此条件下面膜自身稳定性较好，且面膜粘着性合适，因为该指标与日化产品的使用性有关。粘着性越大则不易在使用时涂抹均匀粘着性过小，则产品粘度不够，不易在脸部停留。成膜剂添加量过少，面膜成膜效果不显著，而成膜剂添加量过多，面膜辅展性较差，稳定性也会较差，同等参数条件下平行试验测量的各指标误差也较大。因此选择卡波姆940添加量为1.75%。

图3 成膜剂添加量对面膜物性参数及其重现性的影响图

3.2.2 聚丙烯酰胺对面膜性能的影响

为了方便观察乳化剂添加量对面膜性能的影响，选择保湿率作为参考量（乳化效果不易量化）。从图4中可看出，乳化剂聚丙烯酰胺的添加量对面膜的保湿率有一定的影响，乳化剂量较少，不能达到增稠的效果，面膜的锁水效果不好，保湿率相对较低；而乳化剂较多，面膜各组分溶解不完全，乳状液的稳定性也较差，多余的乳化剂吸收了面膜较多的水分，面膜保湿效果不明显。而乳化剂适量，所形成的乳状液也越稳定，面膜的涂展性良好，保湿效果相对较好。结合不同添加量乳化剂对面膜保湿率的影响结果，可看出当聚丙烯酰胺添加量为1.0%时，效果较好。

图4 聚丙烯酰胺对面膜保湿率的影响图（室温20℃左右）

3.2.3 透明质酸钠对面膜性能的影响

为了准确检测保湿剂添加量对面膜保湿率的影响，测试了24 h内面膜保湿率变化情况。综合图5可知，在4 h时，保湿剂透明质酸钠添加量0.15%时保湿率最高，在RH62%时达58%左右，在RH85%时达65%左右。随着时间延长，12～24 h期间，面膜的保湿率趋于平缓，在RH62%时，保湿剂不同添加量的面膜样品的保湿率平缓值相近，而在RH85%时，保湿剂添加量在0.15%时平缓值稍高一些，且此条件下面膜的粘稠适中、易于涂抹。综上所述，选择透明质酸钠添加量为0.15%。

图5 透明质酸钠对面膜保湿率的影响图（室温20 ℃左右）

3.3 面膜响应面结果分析

面膜物性参数、不同湿度环境下（RH62%、RH85%）8 h时的保湿率见表6。

表6 面膜物性参数、保湿率检测结果表

3.3.1 面膜粘力的响应面结果

在本试验中，选择粘力（即粘着性）作为面膜物性参数的考察指标，因为该指标与日化产品的使用性有关。粘着性越大则不易在使用时涂抹均匀，粘着性过小，则产品粘度不够，不易在脸部停留。

由表7知，对其所建立的回归模型显著（P＜0.01），成膜剂添加量对面膜粘力有极显著影响，但乳化剂、保湿剂及三者之间交互作用对面膜粘力影响不明显。失拟项P=0.109 5＞0.05，表明失拟不显著，说明该模型拟合度和可信度均较高，该回归模型的预测值与实际值能很好地吻合。

根据表7中F值大小可知各因素对面膜粘力的影响，F值越大，影响作用越强。因此，对面膜粘力的影响程度大小依次为：成膜剂含量（A）＞乳化剂（B）＞保湿剂添加量（C）。说明成膜剂添加量确定的条件下，不同配方面膜对面膜粘力影响程度不大。

3.3.2 面膜保湿率响应面结果

不同湿度环境下（RH62%、RH85%）8 h时面膜的保湿率方差分析见表8、表9。从表8中可以看出，回归方程中成膜剂、乳化剂、保湿剂添加量对面膜保湿率（响应值）影响的显著性，试验所选用模型P＜0.001，表明模型达到极显著；失拟项P=0.4311＞0.05，表明失拟不显著，说明该模型拟合度和可信度均很高，该回归模型的预测值与实际值能较好地吻合，所建立的回归方程有意义，因此，此模型可用于预测薏米糠油面膜配方的优化条件。对回归方程系数显著性检验可知，A、B、C、D、AB、AC、BC、A2、B2、C2对 面膜的保湿率的影响是非常显著的，均达到极显著水平（P＜0.000 1），拟合所得的回归方程为：

表7 回归变量方差分析结果表

根据表中F值大小可以知道各因素对面膜保湿率的影响，F值越大，影响作用越强。因此，对面膜保湿率的影响程度大小依次为：保湿剂添加量（C）＞乳化剂添加量（B）＞成膜剂添加量（A）。

表8 RH62%时面膜保湿率方差分析表

模型的响应面图解结果见图6所示，从图中可明显看出各因素交互作用对面膜保湿率的影响。3个因素在两两交互时，保持其中2个变量不变，随着另外1个变量水平的增加，面膜保湿率呈现上升的趋势，当达到一定值时保湿率变化不明显。

经过方差分析和回归模型，可分析得出RH62%环境下面膜的配方为：成膜剂1.76%、乳化剂0.98%、保湿剂0.16%，在此优化条件下面膜保湿率预测值为33.25%。

同样地，对薏米糠油面膜在RH85%环境下的保湿率进行方差分析得出最佳配方为：成膜剂1.79%、乳化剂0.98%、保湿剂0.16%，在此优化条件下面膜保湿率预测值为43.23%。

根据优化条件做验证试验，综上所述，确定面膜配方为：成膜剂1.78%、乳化剂0.98%、保湿剂0.16%。在该配方条件下制备的面膜粘着性适中，且保湿率良好，做4组平行试验，在此优化条件下8 h时不同湿度条件下面膜平均保湿率为：RH62%：31.19%，RH85%：42.78%，与预测值接近，进一步证明了试验模型的可靠性以及预测值的准确性。

表9 RH85%时面膜保湿率方差分析表

图6 各因素交互作用对面膜保湿率影响的响应面图

3.4 面膜检测结果

3.4.1 面膜质构检测TPA图谱特征曲线

选取市面上典型的两款美白、保湿面膜与薏米糠油面膜作对比，采用质构仪检测面膜，在相同条件下扫描面膜的TPA图谱，根据其特征曲线对比面膜的结构及相关参数。TPA图谱见图7。

面膜的粘力、粘性、弹性等参数根据TPA特征图谱曲线计算。面膜的粘力、粘性、弹性等参数根据TPA特征图谱曲线计算，表10中各参数的定义即为确定的方法。

3.4.2 面膜指标测定结果

根据图7和和表10得出面膜质构特性参数粘力、粘性、弹性、胶着性，检测得到面膜的黏度、保湿率、pH值；以市售的两款典型的面膜作为参照。

从表11可以看出，薏米糠油面膜和其余两种市售面面膜参数相差不大，说明该面膜参数指标已接近合格的产品。根据配方作出的面膜粘度适中、柔软性良好且易于涂抹。

图7 面膜的TPA图谱特征曲线图

表10 TPA质构特性分类、参数定义和特征表

表11 面膜指标测定结果表

3.4.3 面膜保湿性能测定结果

由图8可知，未涂抹面膜前的皮肤水分率基本保持在42%左右，涂用面膜后，皮肤水分率瞬间上升，随后因皮肤对面膜营养成分的吸收作用，水分逐渐下降，最后都趋于稳定，薏米糠精油面膜最后稳定在60%左右，市售1号面膜稳定在65%左右，市售2号面膜稳定在63%左右，对比使用前后，使用薏米糠精油面膜和市售面膜对皮肤都具有良好的保湿效果。

图8 涂用面膜前后皮肤保湿率随时间的变化图

4 结论

（1）薏米糠油美容面膜最佳配方工艺条件为：成膜剂1.78%、保湿剂0.16%分别在（75±5）℃的水浴中搅拌溶解完全，趁热将成膜剂、保湿剂混合，作为A相；将乳化剂0.98%在（75±5）℃的水中溶解完全，加入5%薏米糠油溶液（用丙二醇溶解，6 mg·mL-1），乳化10 min，作为B相；将三乙醇胺、杰马BP溶解在水中作为C相；维生素B5、香精溶解在水中作为D相，趁热将A、B、C、D相混合，用高速分散器内切式匀浆机搅拌充分混合，脱气后密封，静置隔夜，得面膜成品。

（2）薏米糠油面膜各指标与市售面膜基本相似，粘力：4.0 g；粘性：0.15 mJ，弹性：2.10 mm，胶着性：7.0 g，黏度：21 500 mpa·s，pH值：5.7（符合化妆品pH值范围5～6）。该面膜粘度适中、柔软性良好且易于涂抹，无分层、浮油现象，薏米糠油面膜在浓度为10%时对酪氨酸酶抑制率可达52.04%左右、对DPPH·清除率可达32.05%左右，涂抹该面膜后，在30 min内保湿率稳定在60%，表明该面膜具有良好的美白、抗氧化、保湿效果，该研究让薏米糠资源得到了充分利用，实现了一个“变废为宝”的过程，具有很重要的研究意义及广阔的市场价值。