微波膨化白茅根工藝的優(yōu)化

李婷婷,黃相中,郭俊明,彭金輝

(云南民族大學(xué),民族藥資源化學(xué)國(guó)家民委-教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南昆明 650500)

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微波膨化白茅根工藝的優(yōu)化

李婷婷,黃相中,郭俊明,彭金輝*

(云南民族大學(xué),民族藥資源化學(xué)國(guó)家民委-教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南昆明 650500)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以長(zhǎng)度、含水量、微波功率和微波時(shí)間為考察因子,以綜合得分為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),利用響應(yīng)曲面分析法對(duì)微波膨化白茅根的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合實(shí)際條件,得到最優(yōu)工藝參數(shù)為:長(zhǎng)度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化時(shí)間21 s。在此條件下得到的白茅根綜合得分為8.15,多糖含量增加了15%。

白茅根,微波膨化,響應(yīng)曲面法,多糖

白茅根(ImperatacylindricaBeauv. var. major(Nees)C. E. Hubb.)為禾本科植物白茅的干燥根莖,主要活性成分包括糖類、三萜類、內(nèi)酯類和有機(jī)酸類等,其中以多糖為主,具有清熱、涼血和止血的功效[1-2]。近年來(lái)又發(fā)現(xiàn)白茅根多糖具有免疫調(diào)節(jié)和抗氧化作用[3-4]。白茅根應(yīng)用廣泛,價(jià)格低廉,具有極大的藥用與食用價(jià)值[5-6]。

微波膨化的基本原理,是物料吸收微波,快速加熱,使得物料中的水分迅速蒸發(fā)汽化,產(chǎn)生很高的內(nèi)部壓力,造成質(zhì)構(gòu)變形、組織膨松、體積膨脹,產(chǎn)生膨化效應(yīng)[7-8]。微波膨化過(guò)程中產(chǎn)生的巨大內(nèi)部壓力還可使細(xì)胞壁破裂,細(xì)胞內(nèi)的有效成份容易滲出[9]。該技術(shù)已在藥食同源的材料上有所應(yīng)用[10-13],但是尚未見(jiàn)有關(guān)微波膨化白茅根的報(bào)道。目前白茅根加工還停留在較傳統(tǒng)的工藝水平上,操作繁瑣,質(zhì)量參差不齊,有效成分容易流失[14-15]。

本文主要研究微波膨化白茅根的工藝,以綜合得分為考察指標(biāo),在探討單因素影響的基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行優(yōu)化,比較膨化前后多糖含量,研究微波膨化對(duì)主要活性成分多糖含量的影響。以期生產(chǎn)出高品質(zhì)的白茅根制品,為豐富和發(fā)展白茅根的加工技術(shù)及其質(zhì)量研究提供一定的理論參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

鮮白茅根市售;無(wú)水葡萄糖、苯酚、濃硫酸和乙醇均為分析純。

M-NJL07-3實(shí)驗(yàn)微波爐北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司;AR224CM電子分析天平上海有限公司;DHG-9070電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱上海一恒科學(xué)儀器有限公司;Agilent 8453紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)安捷倫科技有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1工藝流程原料→挑選→切分(切成不同長(zhǎng)度)→干燥(在鼓風(fēng)干燥箱中,60 ℃干燥至一定水分含量)→微波膨化→二次干燥(在鼓風(fēng)干燥箱中,45 ℃保持4 h)→冷卻

1.2.2單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)定白茅根長(zhǎng)度為3 cm、含水量15%、微波功率670 W、微波時(shí)間20 s,改變其中一個(gè)條件,同時(shí)其它條件不變,分別考察白茅根長(zhǎng)度(1、3、5、7、9 cm)、含水量(5%、10%、15%、20%、25%)、微波功率(430、550、670、790 W)、微波時(shí)間(10、20、30、40、50 s)對(duì)產(chǎn)品綜合得分的影響。

1.2.3微波膨化白茅根工藝優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,以綜合得分為考查指標(biāo),在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選取長(zhǎng)度、水分含量、微波功率和微波時(shí)間4個(gè)影響因素,采用4因素3水平的響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn),進(jìn)而工藝優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1　響應(yīng)曲面法因素水平

1.2.4指標(biāo)測(cè)定方法

1.2.4.1水分含量測(cè)定采用恒重法[16-17]。計(jì)算公式如下：

含水量(%)=干燥前物料質(zhì)量-干燥恒重后的物料質(zhì)量/干燥前物料質(zhì)量×100

1.2.4.2膨化率的測(cè)定采用文獻(xiàn)[18-19]的方法，計(jì)算公式如下：

1.2.4.3綜合得分加工后的白茅根由10名評(píng)分員組成的感官評(píng)定小組按照表2的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2　綜合得分評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

1.2.4.4白茅根多糖提取及含量測(cè)定采用王瑩[20]等確立的白茅根最佳提取工藝及含量測(cè)定方法,得到膨化前后白茅根多糖含量,重復(fù)測(cè)定3次,求平均值。

1.2.5數(shù)據(jù)處理單因素實(shí)驗(yàn)使用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行分析,響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)用Design-Expert8.0軟件進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1白茅根長(zhǎng)度對(duì)綜合得分的影響由圖1可知,隨著白茅根長(zhǎng)度的增加,其綜合得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)長(zhǎng)度為3 cm時(shí),綜合得分最高。若長(zhǎng)度太短,升溫脫水過(guò)快,后續(xù)吸收微波能力減弱,導(dǎo)致膨化率低、香味不足。長(zhǎng)度太長(zhǎng)時(shí),阻礙水蒸汽蒸發(fā),膨化不充分,導(dǎo)致表面不平整、膨化率低、香味不足、綜合得分低。

圖1　白茅根長(zhǎng)度對(duì)綜合得分的影響Fig.1　Effect of length on comprehensive score

2.1.2含水量對(duì)綜合得分的影響由圖2可知,隨著白茅根水分含量的增加,其綜合得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)水分含量為15%時(shí),綜合得分最高。水分含量過(guò)低,物料內(nèi)部不能形成足夠的蒸汽壓,膨化率低,且易出現(xiàn)過(guò)焦糊。水分含量過(guò)高,水分排除不夠充分,阻礙膨化,膨化率低,產(chǎn)品容易塌陷回縮,綜合得分低[21]。

圖2　含水量對(duì)綜合得分的影響Fig.2　Effect of moisture content on comprehensive score

圖3　微波功率對(duì)綜合得分的影響Fig.3　Effect of microwave power on comprehensive score

2.1.3微波功率對(duì)綜合得分的影響由圖3可知,隨著微波功率的增加,白茅根的綜合得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在675 W達(dá)到最大值。當(dāng)微波功率低于670 W時(shí),脫水速度和效率低,不利于膨化,導(dǎo)致表面不平整、膨化率低、香味不足;當(dāng)微波功率高于670 W時(shí),速度過(guò)快,膨脹過(guò)程較難控制,膨脹后有焦糊現(xiàn)象。

2.1.4微波時(shí)間對(duì)綜合得分的影響由圖4可知,隨著膨化時(shí)間的增加,白茅根的綜合得分呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)微波時(shí)間為20 s時(shí),綜合得分最高。這主要是因?yàn)楫?dāng)膨化時(shí)間小于20 s時(shí),膨化不夠,表面不平整,質(zhì)地堅(jiān)硬、香味不足;當(dāng)膨化時(shí)間大于20 s時(shí),時(shí)間過(guò)長(zhǎng),膨脹后出現(xiàn)焦糊、糊味。

圖4　微波時(shí)間對(duì)綜合得分的影響Fig.4　Effect of time on comprehensive score

2.2微波膨化白茅根工藝優(yōu)化結(jié)果

響應(yīng)曲面分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表3。

2.2.1回歸方程的建立以白茅根的綜合得分為因變量,可得擬合回歸方程:Y(綜合得分)=8.19+0.44X1+0.57X2+0.37X3+0.32X4+0.40X1X2+0.25X1X3+0.18X1X4+0.12X2X3-0.055X2X4+0.075X3X4-1.72X12-1.66X22-1.35X32-1.96X42。

2.2.2響應(yīng)面方差分析及交互作用響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知,模型方差分析表明模型是極顯著的(p<0.0001),失擬項(xiàng)不顯著,且模型的擬合度較好(R2=0.9747),說(shuō)明以上方程可預(yù)測(cè)白茅根的綜合得分。

由表4中p值可以看出,一次項(xiàng)中長(zhǎng)度(X1)、含水量(X2)、微波功率(X3)和微波時(shí)間(X4)對(duì)綜合得分的影響極顯著;交互項(xiàng)中X1X2偏回歸系數(shù)<0.05,說(shuō)明長(zhǎng)度和含水量的交互作用對(duì)綜合得分的大小影響顯著;二次項(xiàng)中X12、X22、X32和X42對(duì)綜合得分影響極顯著,其他各項(xiàng)對(duì)綜合得分的影響均未達(dá)到顯著水平。

圖5顯示在微波功率為670 W,微波時(shí)間為20 s時(shí),長(zhǎng)度和含水量對(duì)白茅根綜合得分的交互作用顯著。在含水量一定的情況下,隨著長(zhǎng)度的增加,綜合得分先增大后減小;在長(zhǎng)度一定時(shí),隨著含水量的增加先增大后減小,當(dāng)長(zhǎng)度為3 cm,含水量為15%時(shí)綜合得分達(dá)到最高。分析其原因是適中的長(zhǎng)度和含水量有利于微波的能量充分作用到物料內(nèi)部,膨化充分,從而使綜合得分增加。

表3　響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

圖5　含水量與長(zhǎng)度對(duì)白茅根綜合得分的響應(yīng)面分析Fig.5　The response surface analysis of the length and water content to comprehensive score of imperata cylindrica

2.3最佳膨化工藝參數(shù)與綜合得分的預(yù)測(cè)

根據(jù)回歸模型和Design-Expert8.0軟件分析,白茅根膨化最佳條件為:長(zhǎng)度3.33 cm、水分含量15.98%、微波功率689.44 W和膨化時(shí)間20.90 s,預(yù)測(cè)的綜合得分為8.33。為便于實(shí)際操作,將白茅根膨化最佳條件調(diào)整為:長(zhǎng)度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化時(shí)間21 s。在此條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次,得到白茅根平均綜合得分為8.15,與預(yù)測(cè)值相比其相對(duì)誤差為2.16%,該方程與實(shí)際擬合很好,可以預(yù)測(cè)實(shí)際生產(chǎn)中的白茅根的綜合得分。

表4　響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方差分析表

注:**為極顯著(p<0.01),*為顯著(p<0.05)。

2.4膨化前后多糖含量比較

用紫外分光光度計(jì)測(cè)定多糖含量,微波膨化前后多糖含量分別為1.22%和1.44%,膨化后多糖含量增加了15%,表明膨化有利于多糖的提取,原因可能是水分子吸收微波后,迅速升溫汽化,在蒸汽膨脹動(dòng)力帶動(dòng)下可以使白茅根細(xì)胞壁破碎,使胞外溶劑容易進(jìn)入胞內(nèi)溶解并釋放出有效成分,胞內(nèi)有效成分更容易溶出,因而含量增高[22]。

3　結(jié)論

利用響應(yīng)曲面法對(duì)微波膨化白茅根的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,得到最佳工藝參數(shù)為:長(zhǎng)度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化時(shí)間21 s,在此條件下,得到白茅根的綜合得分為8.15。膨化加工后多糖含量增加了15%。由此得出,白茅根在微波膨化加工后,不但體積膨脹,質(zhì)地疏松,香味濃郁,而且主要有效成分多糖含量增加,得到了質(zhì)量較好的白茅根膨化制品,為白茅根加工提供了一種新的方法。

[1]崔玨,李超,尤健,等. 白茅根多糖改善糖尿病小鼠糖脂代謝作用的研究[J]. 食品科學(xué),2012,33(19):302-305.

[2]Hansen K B,Vilsb?ll T,Knop F K. Incretin mimetics:a novel therapeutic option for patients with type 2 diabetes-a review[J]. Diabetes,Metabolic Syndrome and Obesity:Targets and Therapy,2010,3:155.

[3]呂世靜,黃槐蓮,袁漢堯,等. 白茅根多糖對(duì)人T淋巴細(xì)胞免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)的研究[J]. 中國(guó)新藥雜志,2004,13(9):834-835.

[4]李容,梁榕珊,覃濤,等. 白茅根多糖抗氧化活性及抑制α-葡萄糖苷酶活性研究[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā),2014,35(7):9-12.

[5]李立順,時(shí)維靜,王甫成. 白茅根化學(xué)成分、藥理作用及在保健品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(2):61-64.

[6]焦坤,陳佩東,和穎穎,等. 白茅根研究概況[J]. 江蘇中醫(yī)藥,2008,40(1):91-93.

[7]Rakesh V,Datta A K. Transport in deformable hygroscopic porous media during microwave puffing[J]. AIChE Journal,2013,59(1):33-45.

[8]Payne F A,Taraba J L,Saputra D. A review of puffing processes for expansion of biological products[J]. Journal of Food Engineering,1989,10(3):183-197.

[9]郭子杰,徐月紅. 微波膨化對(duì)三七總皂苷溶出率影響的初步探索[J]. 中國(guó)醫(yī)藥導(dǎo)刊,2009,11(8):1413-1415.

[10]劉璐,廖李,程薇,等. 微波膨化山藥脆片的加工工藝研究[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,53(17):4126-4129,4135.

[11]李存芝,傅亮,虞兵,等. 微波膨化薏米餅的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2010,31(3):236-238.

[12]陽(yáng)辛鳳. 微波膨化木瓜脆片的加工工藝[J]. 食品工業(yè)科技,2008,29(1):173-175.

[13]陳安徽,孫月娥,王衛(wèi)東. 微波膨化菊芋脆片的研制[J]. 食品科學(xué),2010,18:461-464.

[14]和穎穎,丁安偉,陳佩東,等. 白茅根飲片炮制歷史沿革研究[J]. 中國(guó)藥業(yè),2008,17(18):58-59.

[15]王偉,郭慶梅,周鳳琴. 白茅根的藥效考證與現(xiàn)代研究比較[J]. 中國(guó)海洋藥物,2014(5):92-96.

[16]盧曉斌,楊玉玲,李春陽(yáng),等. 響應(yīng)面法優(yōu)化微波膨化紫心甘薯片的工藝[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā),2012(5):89-93.

[17]Lee E Y,Lim K I,Lim J,et al. Effects of gelatinization and moisture content of extruded starch pellets on morphology and physical properties of microwave-expanded products[J]. Cereal Chemistry,2000,77(6):769-773.

[18]林甄,劉海軍,鄭先哲. 微波真空膨化漿果脆片工藝優(yōu)化研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2014(3):170-173.

[19]Hai-jun L,Zhen L,Xian-zhe Z,et al. Temperature simulation of berry slices under microwave vacuum puffing conditions[J]. Journal of Northeast Agricultural University(English Edition),2012,19(4):75-78.

[20]王瑩,孟憲生,包永睿,等. 白茅根多糖提取工藝優(yōu)化及含量測(cè)定[J]. 亞太傳統(tǒng)醫(yī)藥,2009,11:24-26.

[21]王衛(wèi)東,楊毅,劉全德,等. 微波膨化獼猴桃脆片工藝的優(yōu)化[J]. 食品工業(yè)科技,2014,20:299-302.

[22]楊解,崔政偉. 微波預(yù)處理強(qiáng)化提取植物有效成分的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 包裝與食品機(jī)械,2009(3):46-50.

Process optimization of imperata cylindrica by microwave puffing

LI Ting-ting,HUANG Xiang-zhong,GUO Jun-ming,PENG Jin-hui*

(Key Laboratory of Chemistry in Ethnic Medicinal Resources,State Ethnic Affairs Commission and Ministry of Education of China,Yunnan Minzu University,Kunming 650500,China)

Based on the single factor experiments,length,water content,microwave power and puffing time were trial factors,the comprehensive score was the response value,the optimum process conditions were obtained by response surface methodology. Combined with the actual conditions,the result showed that the optimum process parameters were 3.3 cm,16.0%,690 W and 21 s for length,water content,microwave power and puffing time,respectively. The comprehensive score was 8.15 and the content of polysaccharide was increased by 15% under the optimized conditions.

imperata cylindrica;microwave puffing;response surface methodology;polysaccharide

2015-10-22

李婷婷(1990-),女,碩士研究生,研究方向:微波膨化工藝,E-mail:271001283@qq.com。

彭金輝(1964-),男,博士,教授,研究方向:微波冶金,E-mail:jhpeng@kmust.edu.cn。

云南民族大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015XJSXY271)。

TS255.36

A

1002-0306(2016)10-0303-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.053