茯苓浸膏超聲強(qiáng)化干燥工藝優(yōu)化

于斌，朱文學(xué)，白喜婷，馬怡童，李寧

（1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南洛陽471023；2.河南省農(nóng)產(chǎn)品干燥裝備工程技術(shù)研究中心，河南洛陽471023）

茯苓為多孔菌科真菌茯苓Poria cocos（Schw.）Wolf的干燥菌核，是我國沿用千年的傳統(tǒng)名貴中藥材[1]。茯苓性味甘、淡、平，歸心、肺、脾、腎經(jīng)，載于《神農(nóng)本草經(jīng)》，被譽(yù)為“仙藥之上品”[2]?？梢耘c多種藥物配伍，有“十藥九茯苓”之說?，F(xiàn)代研究表明茯苓具有滲濕利尿、寧心安神、和胃健脾、抑菌、增強(qiáng)機(jī)體抗病能力及降低血糖等藥理作用[3]，茯苓提取物中富含多糖，其比較黏稠，其黏度隨著水分的減少而增大，使傳熱傳質(zhì)更加困難。茯苓難以干燥，目前在中藥制劑中，只使用茯苓浸提后的真空濃縮物，使其使用范圍大大受限制。

黏稠物料的干燥技術(shù)，目前主要有真空、冷凍、熱風(fēng)、噴霧以及真空帶式干燥等[4]。熱風(fēng)耗能大，效率低；冷凍效果好但是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗能大，占地多，因而成本高；噴霧干燥速度相對較快，產(chǎn)品品質(zhì)好，純度高[5]，但是對于黏稠物料容易造成粘壁現(xiàn)象。真空帶式干燥比較適合干燥易氧化，高黏稠的物料，但是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作復(fù)雜，對于流動(dòng)性稍強(qiáng)的粘稠物料的涂布效果差[6]。

超聲波是一種頻率高于20 kHz的彈性波，可以使介質(zhì)粒子振動(dòng)并引起超聲空化現(xiàn)象，從而使質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)增加，物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化[7-9]?？栈?yīng)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，造成水分子的湍流運(yùn)動(dòng)，形成微細(xì)孔道，使水分?jǐn)U散速率提高[10-11]。超聲波的機(jī)械作用可以使物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)反復(fù)受到拉伸和壓縮，形成海綿效應(yīng)，使水分表面附著力減小，有效降低水分遷移阻力[12]。由于超聲能顯著的增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)效果，因而在農(nóng)副產(chǎn)品和中藥材干燥方面應(yīng)用也與日增多。本文以黏稠物料茯苓浸膏為研究對象，探討在不同超聲時(shí)間、超聲功率、超聲頻率和干燥溫度條件下茯苓浸膏最終含水率和茯苓酸含量進(jìn)行分析，并通過對超聲時(shí)間、干燥溫度、超聲功率的響應(yīng)面優(yōu)化，得到最佳干燥工藝，從而為超聲技術(shù)在干燥黏稠物料中運(yùn)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試材料

新鮮茯苓：河南商城縣茯苓種植中心；茯苓標(biāo)準(zhǔn)品（98%）、茯苓酸標(biāo)準(zhǔn)品（UV≥98%）：上海源葉生物技術(shù)有限公司；乙腈、磷酸（色譜純）、甲醇（分析純）、蒸餾水：洛陽奧科化玻公司。

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

GHRH-2型熱風(fēng)干燥箱：廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所；KMDⅠ型超聲波發(fā)聲器：深圳市科美達(dá)超聲波設(shè)備有限公司；SHB-III旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：鄭州長城科工貿(mào)有限公司；DS-200型組織粉碎機(jī)：北京恒奧德儀器儀表有限公司；FA1004型電子稱：上海上平儀器公司；TGL-18C型臺式離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；1260型高效液相色譜儀：安捷倫美國安捷倫公司。

1.3 茯苓浸膏的制備

選擇品相較好，外表沒有損傷的新鮮茯苓。放入水盆中進(jìn)行清洗，進(jìn)而除去其表面的泥沙等。洗干凈后從水盆取出，適當(dāng)擦干表面，用事先準(zhǔn)備好的切片機(jī)進(jìn)行切片。切片完成后，選擇合適的量的茯苓切片倒入組織粉碎機(jī)中，倒入一定量的無菌水，保證茯苓切片被完全淹沒。此時(shí)打開組織粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，待其粉碎徹底時(shí)，用紗布進(jìn)行過濾，濾液用廣口瓶收集，收集好后封口保存，對濾渣進(jìn)行回收。把廣口瓶放置在搖床上使其晃動(dòng)，從而保證試劑和茯苓充分作用。經(jīng)過一段時(shí)間，取廣口瓶中料液緩緩倒入蒸餾燒瓶當(dāng)中，每次倒入適量并進(jìn)行旋蒸，水浴溫度控制在55℃。當(dāng)蒸餾燒瓶內(nèi)壁上出現(xiàn)固體物料粘結(jié)，并且此時(shí)冷凝器中不再有液滴滴落時(shí)，蒸餾結(jié)束，關(guān)掉旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。取出蒸餾燒瓶內(nèi)物料于燒杯中，做好標(biāo)記，封口放入冰箱，從而制得茯苓浸膏。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 茯苓浸膏初始干基含水率的測定

鮮茯苓的初始干基含水率的測定是根據(jù)熱風(fēng)干燥法直接測得[15]。取一定量的浸膏→稱重G1→電熱恒溫干燥箱中干燥至質(zhì)量不再發(fā)生變化→稱取質(zhì)量G2→分析計(jì)算。

初始干基含水率按以下公式來計(jì)算：

式中：W0為初干基始含水率，%；G1為干燥前浸膏的重量，g；G2為干燥后浸膏的重量，g。

1.4.2 HPLC測定茯苓酸含量方法

1.4.2.1 色譜條件

色譜柱：Agilent ZORBAX SB-C18（250 mm×4 mm，5 μm）；流動(dòng)相：乙腈-0.05%磷酸水溶液體積比=（75 ∶25）；流速：1.0 mL/min；柱溫：30 ℃；檢測波長：210 nm；進(jìn)樣量：10 μL。

1.4.2.2 茯苓酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備

精確稱取茯苓酸標(biāo)準(zhǔn)品10 mg，置于100 mL容量瓶中，加蒸餾水溶解至刻度線，搖勻，配置濃度為0.1 mg/mL的母液。

1.4.2.3 茯苓樣品溶液的制備

取一定干燥后的茯苓浸膏粉，過60目篩后稱取1.5 g干基質(zhì)量的粉末，并置于50 mL錐形瓶中，加入25 mL 30%的甲醇，超聲提取40 min，冷卻至室溫，抽濾，將濾液移入50 mL容量瓶中，將濾渣重復(fù)超聲提取一次，兩次濾液合并，用甲醇定容至刻度，取溶液10 mL旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至近干，殘?jiān)昧鲃?dòng)相溶解，定容成10 mL，取一定量溶液放入離心機(jī)中離心，取上清液為供試品溶液用于測定[13-14]。

1.4.3 茯苓浸膏干燥單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)結(jié)合茯苓浸膏本身的特性，考察超聲時(shí)間、超聲功率、超聲頻率、干燥溫度對茯苓浸膏的干燥速率和茯苓酸含量的影響，為響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取最優(yōu)參數(shù)組合提供依據(jù)。選用初始干基含水率相同的茯苓浸膏，在真空度0.1 MPa條件下，干燥300 min，測茯苓浸膏的最終干基含水率和茯苓酸含量。分別在超聲時(shí)間范圍是 0、30、60、90、120 、150 min，超聲功率 0、80、120、160、200 W，超聲頻率為 20、28、35、40、60 kHz，溫度分別是 30、40、50、60、70 ℃的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

其中，選擇茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量為觀測指標(biāo)。在進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，選取一個(gè)因素為變量時(shí)，其余因素需要固定在特定水平。固定超聲時(shí)間為30 min，超聲功率為80 W，超聲頻率為28 kHz，溫度為40℃。

在響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)中選取超聲時(shí)間分別為0、30、60 min；超聲功率分別為80、120、160 W；超聲溫度分別為：40、50、60℃。每次試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲時(shí)間對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響分析

對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響見圖1。

圖1 超聲時(shí)間對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

從圖1可以看出：對茯苓浸膏進(jìn)行超聲處理，隨著超聲作用時(shí)間的延長，最終含水率逐漸降低，當(dāng)超聲作用時(shí)間累計(jì)達(dá)到150 min時(shí)，浸膏的干基含水率降至10%左右，比沒有超聲作用時(shí)的25%降低了60%；超聲的機(jī)械作用和空化作用強(qiáng)度并不隨時(shí)間的改變而變化，但由此引起的熱效應(yīng)卻明顯具有累積效應(yīng)[16]，即超聲作用時(shí)間越長，熱效應(yīng)越明顯，從而加速了茯苓浸膏的干燥過程。茯苓酸含量隨著超聲作用時(shí)間的增加逐漸降低，但在90 min后降低趨勢明顯減小，說明超聲作用時(shí)長對茯苓酸的降解影響有限，并非線性關(guān)系。

2.2 超聲功率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響分析

超聲功率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響見圖2。

圖2 超聲功率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

從圖2可以看出，隨著超聲功率的不斷增大，茯苓浸膏的含水率和茯苓酸含量隨之降低，有無超聲強(qiáng)化干燥速率差別較大，超聲200 W強(qiáng)化干燥1 h后浸膏含水率已經(jīng)接近10%，而沒有超聲強(qiáng)化時(shí)熱風(fēng)干燥5 h后干基含水率為24%左右；在超聲功率較小時(shí)，茯苓酸的降解速度并不太顯著，隨著超聲功率的逐漸加大，茯苓酸的降解也隨之加大，從沒有超聲時(shí)的0.72 mg/g降至超聲200 W時(shí)的0.59 mg/g。所以超聲功率對干燥過程的影響也十分明顯。

2.3 溫度對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響分析

干燥溫度對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響見圖3。

圖3 干燥溫度對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響Fig.3 Effect of drying temperature on the the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

由圖3可知，溫度對茯苓浸膏干燥速率和茯苓酸含量的影響比較顯著，在同一干燥時(shí)間內(nèi)，隨著溫度的不斷升高，浸膏的含水率明顯降低，并且溫度越高，含水率下降越快，即茯苓浸膏的干燥速率越來越高，茯苓酸含量也隨著溫度的升高逐漸降低，但不如含水率變化明顯。溫度是影響干燥速率的重要因素，同時(shí)對物料中的有效成分也有較大影響，因此在茯苓浸膏的干燥過程中，一定范圍內(nèi)溫度的升高是可以產(chǎn)生積極作用。

2.4 超聲頻率對茯苓浸膏干燥效果的影響及干燥曲線的分析

超聲頻率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響見圖4。

圖4 超聲頻率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic frequency on the the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

由圖4可知，超聲頻率對干燥效果的影響沒有明顯規(guī)律，最終含水率沒有顯著差別，但隨著超聲頻率的增大，茯苓酸含量逐漸降低，可能是隨著超聲頻率的增大，超聲空化引起的自由基效應(yīng)逐漸明顯，導(dǎo)致較高頻率下的茯苓酸降解相對較多。但總的來說，超聲頻率對茯苓浸膏的干燥過程影響并不顯著，所以該因素不再考慮。

2.5 超聲強(qiáng)化干燥茯苓浸膏工藝的響應(yīng)面優(yōu)化

采用Box-Behnken設(shè)計(jì)，以浸膏干燥300 min后的最終含水率（Y1）和茯苓酸含量（Y2）及加權(quán)綜合指標(biāo)（Y*）作為響應(yīng)值，建立數(shù)學(xué)模型，對超聲真空干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期達(dá)到較好的干燥品質(zhì)。選取超聲時(shí)間（X1）、超聲功率（X2）、干燥溫度（X3）作為試驗(yàn)中的 3個(gè)因素。響應(yīng)面分析的因素水平編碼見表1，Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Coded values and corresponding actual values in response surface experiment

將表1中的編碼值換成每個(gè)因素的實(shí)際水平值進(jìn)行試驗(yàn)，所得指標(biāo)值見表2。采用Design-Expert 8.05軟件對表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到實(shí)際空間內(nèi)的二次多元回歸模型為：

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental designs and results of Box-Behnken

回歸方程中各項(xiàng)系數(shù)絕對值的大小直接反映各因素對響應(yīng)值影響程度，系數(shù)的正負(fù)反映了影響的方向。對3個(gè)回歸方程的擬合情況進(jìn)行檢驗(yàn)，模型FR（Y1）=77.60，F(xiàn)R（Y2）=32.79，F(xiàn)R(Y*)=7.45，均大于 F0.01(7，9)=6.71，說明回歸是顯著的。失擬 FLF（Y1）=0.45，F(xiàn)LF（Y2）=3.57，F(xiàn)LF(Y*)=0.61，均小于 F0.05(4，4)=6.39，說明失擬不顯著。，，說明該模型與實(shí)際數(shù)據(jù)擬合較好。因此這些模型是可用于茯苓浸膏超聲強(qiáng)化干燥工藝的分析和預(yù)測。

表3 回歸方程（2）系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 3 Analysis of variance table of regression equation（2）

從表3、表4回歸方程系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)可知，所考察的3個(gè)因素對含水率和茯苓酸含量均有一定的影響。從表3可看出：X1、X2、X3（P＜0.01）對茯苓浸膏最終含水率影響極其顯著，同時(shí)，根據(jù)F值的大小可判斷，試驗(yàn)中的3個(gè)因素對茯苓浸膏最終含水率影響的排序?yàn)椋焊稍餃囟龋╔3）＞超聲功率（X2）＞超聲時(shí)間（X1）；從表4可看出：X1、X2、X3、X2X3、X22（P＜0.01）對茯苓浸膏中茯苓酸含量影響極其顯著，其他不顯著。同時(shí)，根據(jù)F值的大小可判斷，試驗(yàn)中的3個(gè)因素對茯苓酸含量影響的排序?yàn)椋焊稍餃囟龋╔3）＞超聲功率（X2）＞超聲時(shí)間（X1）。通過對模型公式（4）進(jìn)行優(yōu)化，可得到使加權(quán)綜合指標(biāo)Y*達(dá)到最大值時(shí)的茯苓浸膏超聲強(qiáng)化干燥工藝為：超聲時(shí)間90 min，超聲功率106 W，干燥溫度64℃，此條件下干燥的茯苓浸膏綜合指標(biāo)最高。

表4 回歸方程（3）系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)Table 4 Analysis of variance table of regression equation（3）

2.6 茯苓浸膏超聲真空干燥最佳工藝的驗(yàn)證

由模型（4）得到理論最佳超聲強(qiáng)化干燥工藝為：超聲時(shí)間90 min，超聲功率106 W，干燥溫度64℃，預(yù)測最終含水率為7.85%，茯苓酸含量為0.67 mg/g。采用最佳工藝進(jìn)行驗(yàn)證，在該工藝條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，得到茯苓浸膏終產(chǎn)物含水率為7.9%，茯苓酸含量為0.662 mg/g，通過驗(yàn)證試驗(yàn)得到的最終含水率和茯苓酸含量與理論值偏差較小，重復(fù)性好，說明運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的最佳超聲強(qiáng)化干燥工藝比較可靠準(zhǔn)確，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

1）通過對茯苓浸膏超聲真空干燥工藝的研究，初步得出了超聲時(shí)間、超聲功率、干燥溫度對干燥的影響規(guī)律，在單因素研究的基礎(chǔ)上，通過采用Box-Behnken設(shè)計(jì)對干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳超聲真空干燥工藝為超聲時(shí)間90 min，溫度64℃，超聲功率106 W，預(yù)測含水率為7.85%，茯苓酸含量為0.67 mg/g。采用最佳工藝進(jìn)行驗(yàn)證，測得茯苓浸膏干燥300 min后含水率的平均值為7.9%，茯苓酸含量為0.662mg/g。

2）在本試驗(yàn)的干燥體系中，超聲波對浸膏物料有降黏作用并能顯著改善干燥后物料的粉體性質(zhì)，使物料蓬松多孔易于粉碎，且能夠增強(qiáng)傳熱傳質(zhì)，提高干燥速率。