CO2氣流膨化西洋參片的加工工藝優(yōu)化

王璐，陳海峰，袁越錦，宋一凡

陜西科技大學(xué)（西安 712000）

西洋參（Panax quinquefoium）為多年生草本植物，屬五加科人參屬[1]，具有補(bǔ)氣養(yǎng)陰、清熱生津的功效，可用于氣虛陰虧、虛熱煩倦、咳喘痰血、內(nèi)熱消渴、口燥咽干[2]。工業(yè)上對(duì)西洋參的加工方法有烘房排風(fēng)排濕加熱[3]、真空冷凍干燥[4]、太陽(yáng)能大棚配合遠(yuǎn)紅外工藝干燥[5]等，但這幾種加工方法尚有不足之處。烘房排風(fēng)排濕加熱其加工周期長(zhǎng)、操作繁瑣；真空冷凍干燥中的設(shè)備投資大，連續(xù)程度低，影響西洋參脆片的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；太陽(yáng)能大棚配合遠(yuǎn)紅外工藝干燥也有其不足之處，設(shè)備占地面積大。近些年，氣流高壓低溫膨化干燥技術(shù)逐漸興起，作為一種新興干燥技術(shù)，它具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，又無(wú)需油炸。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氣流膨化干燥方面的研究主要應(yīng)用于果蔬的加工及其機(jī)理的研究[6-8]，但對(duì)中草藥的氣流膨化干燥研究甚少[9-10]。

同時(shí)結(jié)合氣流膨化技術(shù)，該方法具有非油炸、加工周期較短、工藝簡(jiǎn)便且投資較小等優(yōu)勢(shì)，以此進(jìn)行氣流膨化干燥西洋參片的研究。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，中藥經(jīng)膨化處理，細(xì)胞壁破裂，有效成分更易溶解和釋放出來(lái)，顯著縮短了提取時(shí)間[11]，增加藥理性。《中國(guó)藥典》2015年版中規(guī)定未經(jīng)依法凈制處理的原藥材不能列為藥品概念下的中藥材，更不能直接入藥，中藥材加工技術(shù)的開發(fā)與研究有著極大的市場(chǎng)前景和意義。試驗(yàn)選材陜西省漢中市留壩縣西洋參（3年生），進(jìn)行CO2高壓低溫氣流膨化干燥試驗(yàn)，開發(fā)出一種新型西洋參片加工技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器設(shè)備

西洋參（陜西省漢中市留壩縣）。

鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9070A，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；低溫高壓氣流膨化設(shè)備（自制）；小型真空封裝機(jī)（新型DZ-280/2SE，綠葉牌）；電子天平（FA2204C，上海佑科儀器儀表有限公司）。

1.2 試驗(yàn)流程

原料的篩選→預(yù)處理（清洗、切片）→熱風(fēng)預(yù)干燥（溫度40 ℃）→放入膨化罐→通入高壓CO2并保壓→迅速泄壓→西洋參片膨化→抽真空干燥→冷卻定型→真空包裝→成品

1.3 工藝設(shè)計(jì)

1.3.1 單因素設(shè)計(jì)

預(yù)處理方式設(shè)為無(wú)處理、凍融、糊化和熱燙；預(yù)干燥含水率設(shè)為10%，20%和30%；膨化壓差設(shè)為2.2，2.4，2.6和2.8 MPa；膨化溫度設(shè)為60，70，80和90 ℃；抽真空時(shí)間設(shè)為1.5，2.0，2.5和3.0 h。

切取西洋參片后，每10片為1組，每組試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)做3次平行，進(jìn)行高壓低溫氣流膨化干燥試驗(yàn)。探究預(yù)干燥后含水率、切片厚度、膨化壓差、膨化溫度、抽真空時(shí)間對(duì)膨化后含水率、膨化度、復(fù)水比、脆度、硬度的影響，確定其較優(yōu)的工藝參數(shù)。

1.3.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取高壓低溫氣流膨化干燥中的膨化壓差（A）、膨化溫度（B）、抽真空時(shí)間（C）為輸入變量，以西洋參脆片膨化后含水率、膨化度、復(fù)水比、脆度、硬度為輸出變量，采用三因素三水平正交試驗(yàn)方法[12-13]，優(yōu)化高壓低溫氣流膨化干燥制備西洋參脆片工藝。正交試驗(yàn)的水平編碼見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平編碼

1.4 不同預(yù)處理方式

1.4.1 凍融[14]

將西洋參片置于-18 ℃的條件下冷凍12 h，再放于室溫（20 ℃）自然解凍4 h，使其完全解凍。

1.4.2 糊化

將西洋參片置于沸水（100 ℃）中，蒸煮處理30 min。

1.4.3 熱燙[15]

將西洋參片置于沸水（80 ℃）中，燙漂處理2 min。

1.5 檢測(cè)指標(biāo)

1.5.1 含水率的測(cè)定

根據(jù)GB 5009.3—2016[16]，采用直接干燥法測(cè)定。

1.5.2 膨化度的測(cè)定

采用比容法[17]，采用超細(xì)石英砂填埋體積置換法測(cè)定膨化物料的體積。多次測(cè)定求其平均值，誤差不超過(guò)0.2 mL。膨化度按式（1）計(jì)算。

式中：ER為膨化度；V0為膨化后體積，mL；V為膨化前體積，mL；m0為膨化前質(zhì)量，g；m為膨化后質(zhì)量，g。

1.5.3 復(fù)水比的測(cè)定

選取2～3組膨化后的樣品稱其質(zhì)量并記錄，將樣品放入清水中浸泡1.5 h后取出瀝干，稱其質(zhì)量并記錄[18]，處理3次平行。復(fù)水比按式（2）計(jì)算。

RR=WR/WD （2）

式中：RR為復(fù)水比；WD為復(fù)水前樣品質(zhì)量，g；WR為復(fù)水后樣品質(zhì)量，g。

1.5.4 硬度和脆度的測(cè)定

選取較為平整的西洋參脆片，用物性分析儀測(cè)定脆度和硬度，重復(fù)3次，取平均值[19]。測(cè)試條件：TPA雙循環(huán)壓縮模式，測(cè)試前速度5.0 mm/s，測(cè)試速度5.0 mm/s，測(cè)試后速度5 mm/s，測(cè)試距離5.0 mm，探頭2/P，數(shù)據(jù)采集速率500×10-6。啟動(dòng)模式為自動(dòng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 預(yù)處理方式對(duì)膨化效果的影響

由表2可得，在同一條件下進(jìn)行CO2氣流高壓低溫膨化西洋參脆片，預(yù)干燥后含水率對(duì)膨化干燥的效果影響較大。當(dāng)預(yù)處理方式為無(wú)處理時(shí)，西洋參脆片的膨化度為0.38，復(fù)水比為1.89，西洋參脆片的脆度為2.890 g，西洋參脆片的硬度為1 064.950 g，含水率在允許范圍內(nèi)。綜合考慮西洋參的藥性流失問(wèn)題，西洋參片預(yù)處理方式為無(wú)處理方式時(shí)CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表2 預(yù)處理方式的影響

2.1.2 預(yù)干燥含水率對(duì)膨化效果的影響

由表3可得，西洋參脆片的膨化度和復(fù)水比隨預(yù)干燥后含水率先增大后減小。這是因?yàn)轭A(yù)干燥含水率過(guò)低時(shí)汽化水分較少，難以滿足膨化所需動(dòng)力，而過(guò)高時(shí)汽化又不夠充分，均影響膨化效果。預(yù)干燥后含水率20%時(shí)脆度和硬度也適中。綜合考慮，預(yù)干燥后含水率20%時(shí)CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表3 預(yù)干燥后含水率的影響

2.1.3 抽真空時(shí)間對(duì)膨化效果的影響

由表4可得，西洋參脆片的復(fù)水比和膨化度隨抽真空時(shí)間先增大后減小。抽真空時(shí)間的長(zhǎng)短極大影響著西洋參片的含水率，西洋參片含水率過(guò)低時(shí)汽化水分難以滿足膨化所需動(dòng)力。西洋參片抽真空時(shí)間2 h時(shí)膨化度和復(fù)水比最大，而脆度和硬度隨抽空時(shí)間也不斷增大。綜合考慮，西洋參片抽真空時(shí)間2 h時(shí)CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

2.1.4 膨化壓差對(duì)膨化效果的影響

由表5可得，膨化壓差對(duì)含水率的影響不大，但膨化壓差是氣流膨化的主要因素之一，極大地影響膨化效果。在同一條件下進(jìn)行CO2氣流高壓低溫膨化西洋參脆片，膨化壓差對(duì)膨化干燥的效果影響較大。脆度和硬度過(guò)大均影響著口感。綜合考慮，當(dāng)西洋參片膨化壓差為2.6 MPa時(shí)CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表4 抽真空時(shí)間的影響

表5 膨化壓差的影響

2.1.5 膨化溫度對(duì)膨化效果的影響

由表6可得，在同一條件下進(jìn)行CO2氣流高壓低溫膨化西洋參脆片，膨化溫度對(duì)膨化干燥的效果影響較大。當(dāng)膨化溫度為80 ℃時(shí)，西洋參脆片的膨化度和復(fù)水比最大。當(dāng)膨化溫度為90 ℃時(shí)，西洋參脆片的脆度和復(fù)水比最大。運(yùn)輸過(guò)程中脆度和硬度過(guò)大均影響產(chǎn)品的保存。綜合考慮，當(dāng)西洋參片膨化溫度80 ℃時(shí)，CO2高壓低溫氣流膨化干燥效果最佳。

表6 膨化溫度的影響

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)單因素試驗(yàn)，選擇膨化壓差（A）、膨化溫度（B）、抽真空時(shí)間（C）為輸入因素，膨化度、復(fù)水比、脆度、硬度為輸出因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[20]，得出結(jié)果，見(jiàn)表7。

2.2.1 西洋參脆片膨化度分析

由表8可知，3個(gè)因素的影響膨化度大小依次為B＞A＞C。通過(guò)直觀分析法可得到最優(yōu)水平組合A2B2C2，即膨化壓差2.6 MPa、膨化溫度80 ℃、抽真空時(shí)間2 h。該組合剛好在正交試驗(yàn)中，因此無(wú)需驗(yàn)證。

表7 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

表8 膨化度分析結(jié)果

2.2.2 西洋參脆片復(fù)水比分析

由表9可知，3個(gè)因素的影響復(fù)水比大小依次為A＞B＞C。通過(guò)直觀分析法可得到最優(yōu)水平組合A2B2C2，即膨化壓差2.6 MPa、膨化溫度80 ℃、抽真空時(shí)間2 h。該組合不包括在正交試驗(yàn)中，因此需驗(yàn)證，測(cè)得膨化度為0.62，相較正交試驗(yàn)結(jié)果最大。

表9 復(fù)水比分析結(jié)果

2.2.3 西洋參脆片脆度分析

由表10可知，3個(gè)因素的影響脆度大小依次為A＞B＞C。通過(guò)直觀分析法可得到最優(yōu)水平組合A3B3C2，即膨化壓差2.8 MPa、膨化溫度90 ℃、抽真空時(shí)間2 h。該組合不包括在正交試驗(yàn)中，因此需驗(yàn)證，測(cè)得脆度為3.640 g，相較正交試驗(yàn)結(jié)果最大。

表10 脆度分析結(jié)果

2.2.4 西洋參脆片硬度分析

由表11可知，3個(gè)因素的影響硬度大小順序依次為A＞B＞C。通過(guò)直觀分析法可得到最優(yōu)水平組合A2B2C2，即膨化壓差2.6 MPa、膨化溫度80 ℃、抽真空時(shí)間2 h。該組合不包括在正交試驗(yàn)中，因此需驗(yàn)證，測(cè)得硬度為3 567.022 g，相較正交試驗(yàn)結(jié)果最大。

表11 硬度分析結(jié)果

2.3 制備優(yōu)化工藝

由正交試驗(yàn)結(jié)果選取出可行的優(yōu)化方案A2B2C2，A3B3C2和A3B3C3，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。結(jié)果表明，西洋參脆片膨化度與復(fù)水比最佳方案為A2B2C2，脆度與硬度最佳方案為A3B3C3，由于方案A2B2C2與方案A3B3C3結(jié)果中脆度與硬度相差相對(duì)較小，且考慮到運(yùn)輸中脆度較大容易斷裂，因此選取最佳因素水平組合A2B2C2。最終選取的最佳優(yōu)化工藝為：膨化壓差2.6 MPa、膨化溫度80 ℃、抽真空時(shí)間2 h。

表12 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

2.4 某品牌西洋參片測(cè)試結(jié)果

選取某品牌西洋參片，結(jié)果顯示，其脆度為1.921 g，硬度為2 213.928 g，復(fù)水比為2.02，含水量為8.98%。

3 結(jié)論

通過(guò)單因素試驗(yàn)探究預(yù)處理方式、預(yù)干燥含水率、抽真空時(shí)間、膨化壓差和膨化溫度5個(gè)因素對(duì)西洋參脆片的膨化度、復(fù)水比、脆度、硬度和含水率的影響。試驗(yàn)表明5個(gè)因素對(duì)膨化度和復(fù)水比影響較大，脆度、硬度影響較小。

依據(jù)單因素選取抽真空時(shí)間、膨化壓差和膨化溫度進(jìn)行三因素三水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究工藝參數(shù)對(duì)膨化度、復(fù)水比、脆度和硬度的影響。通過(guò)綜合分析及驗(yàn)證性試驗(yàn)，得到最佳工藝條件：膨化壓差2.6 MPa，膨化溫度80 ℃，抽真空時(shí)間2 h。制得的西洋參脆片膨化度為0.64，復(fù)水比為2.15，脆度為2.711 g，硬度為2 043.757 g。某品牌西洋參片脆度為1.921 g，硬度為2 213.928 g，復(fù)水比為2.02，含水量為8.98%。

該工藝技術(shù)突破傳統(tǒng)西洋參片加工工藝，為西洋參片加工工藝帶來(lái)新的創(chuàng)意工藝。工藝生產(chǎn)出的西洋參片要比傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的脆度大，復(fù)水比大，硬度小，含水率小，說(shuō)明更易于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收與儲(chǔ)存。該加工工藝操作簡(jiǎn)單，周期短，存在極大潛在的市場(chǎng)價(jià)值。但具體的皂苷含量有待進(jìn)一步研究。