響應(yīng)面法優(yōu)化茯苓超微粉碎工藝的研究

蔡丹鳳， 吳長輝， 唐閩杰， 朱忠敏， 陳丹紅

（1.福建衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350101；2.福建仙芝樓生物科技有限公司，福建福州 350002；3.福建省測試技術(shù)研究所，福建福州 350001）

茯苓[Poria cocos（Schw.）Wolf]屬多孔菌科真菌，以菌核入藥，味甘淡，性平，具有益氣寧心、健脾和胃、滲濕利尿之功效，是我國傳統(tǒng)的中藥大品種?，F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明，茯苓具有抗腫瘤、調(diào)節(jié)免疫、抗炎、抗過敏、抗氧化、延緩衰老等方面的生物活性[1-3]。茯苓的主要活性物質(zhì)為茯苓多糖和茯苓三萜類，還含有揮發(fā)油類、脂肪酸類、甾醇類、膽堿、纖維素等化學(xué)成分[4-5]。其中，茯苓多糖占茯苓主要化學(xué)成分的80%以上，但茯苓多糖多為不溶于水的堿溶性茯苓多糖。2012年茯苓被國家衛(wèi)計委列入首批86種可用于開發(fā)功能性食品的藥食兩用的中藥名單中，其應(yīng)用前景廣闊，但由于茯苓粉水溶性較差等特性制約了其功能食品的開發(fā)與應(yīng)用。超微粉碎技術(shù)在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用表明，藥材經(jīng)超微粉化處理后能提高其活性成分的溶出率和生物利用率，不僅能增強藥效，提高中藥的臨床應(yīng)用能力，而且能使中藥資源得到更加充分的利用[6-9]。已有報道表明，茯苓經(jīng)超微粉碎的物理改性后，其食品加工特性有明顯改善[9]。本研究先采用單因素實驗法探究茯苓粗粉投料量、含水量和粉碎時間對茯苓微粉平均粒徑（D50）的影響，確定茯苓超微粉碎工藝技術(shù)參數(shù)的適宜范圍后，再采用響應(yīng)面法優(yōu)化其超微粉碎工藝，以期為后續(xù)開發(fā)高品質(zhì)的新型茯苓功能性食品提供技術(shù)支撐，現(xiàn)將研究結(jié)果報道如下。

1 材料與方法

1.1 供試樣品茯苓（塊），購自廣東合百草制藥有限公司，批號：03020020。

1.2 儀器FW400A萬能粉碎機（北京軒達(dá)思遠(yuǎn)科技有限公司）；DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱（上海達(dá)洛科學(xué)儀器有限公司）；JC-LS-50A-5鹵素水分測定儀（青島聚創(chuàng)環(huán)保集團有限公司）；WZJ-6TC振動式藥物超微粉碎機（濟南天方機械有限公司）；Bettersize 2000激光粒度分析儀（丹東百特儀器有限公司）。

1.3 粗粉碎將茯苓（塊）用FW400A型粉碎機進(jìn)行初步粉碎，過60目篩。

1.4 烘干根據(jù)試驗設(shè)計要求，采用電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱對樣品粗粉進(jìn)行烘干處理，制備相應(yīng)含水量的粗粉樣品。

1.5 粒度檢測采用Bettersize 2000型激光粒度測定儀，分析超微粉粉碎后茯苓微粉的粒徑分布。

1.6 超微粉碎工藝參數(shù)試驗采用WZJ-6TC粉碎機進(jìn)行超微粉碎。選定投料量、含水量和粉碎時間為試驗影響因素，以超微化處理后的微粉D50為指標(biāo)，探究茯苓超微粉碎的工藝參數(shù)范圍。

1.6.1 投料量試驗 設(shè)置粉碎機的粉碎溫度為5~7℃、粉碎時間10 min，在同一烘干處理樣品（含水量為6%~8%）的條件下，設(shè)定5組投料量分別為100、150、200、250、300 g，探究投料量對微粉D50的影響。

1.6.2 入磨物料含水量試驗 設(shè)置粉碎機的粉碎溫度為5~7℃、粉碎時間10 min，在投料量均為200 g的條件下，設(shè)定5組樣品的含水量分別為4%、6%、8%、10%、12%，探究含水量對微粉D50的影響。

1.6.3 粉碎時間試驗 設(shè)置粉碎機的粉碎溫度5~7℃，采用同一烘干處理樣品（含水量為6%~8%），在投料量為200 g的條件下，設(shè)定7個粉碎時間為5、10、15、20、25、30、35 min，探究粉碎時間對微粉D50的影響。

1.6.4 響應(yīng)面法優(yōu)化工藝參數(shù)試驗 以茯苓微粉D50作為響應(yīng)值，以原料的投料量、含水量及粉碎時間作為3個主要因素，采用響應(yīng)面分析法，確定茯苓超微粉碎的最佳工藝參數(shù)，同時，在此工藝條件下進(jìn)行驗證實驗，即3次的平行試驗。

2 結(jié)果

2.1 投料量對茯苓微粉D50的影響采用WZJ-6TC粉碎機對茯苓粗粉進(jìn)行超微化處理，茯苓超微粉碎投料量試驗結(jié)果見圖1。從圖1可知，隨著物料投料量的增大，茯苓微粉D50逐漸增大。當(dāng)投料量>200 g，顆粒D50明顯增大。綜合考慮超微粉碎投料量對微粉D50的影響，故選取投料量的范圍為150~250 g進(jìn)行后續(xù)的響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

圖1 投料量對茯苓微粉D50的影響Figure 1 Effect of material input on D50 value of Poria cocos submicron powder

2.2 入磨物料含水量對茯苓微粉D50的影響采用WZJ-6TC粉碎機對茯苓粗粉進(jìn)行超微化處理，茯苓超微粉碎含水量試驗結(jié)果見圖2。從圖2可知，隨著物料含水量的增大，茯苓微粉D50呈現(xiàn)上升趨勢，入磨物料含水量越低，D50越小，但綜合考慮加工成本以及常規(guī)茯苓丁產(chǎn)品的含水量，故選取試樣含水量范圍為5%~10%進(jìn)行后續(xù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

圖2 入磨物料含水量對茯苓微粉D50的影響Figure 2 Effect of water content in crude materials on D50 value of Poria cocos submicron powder

2.3 粉碎時間對茯苓微粉D50的影響采用WZJ-6TC粉碎機對茯苓粗粉進(jìn)行超微化處理，茯苓超微粉粉碎時間試驗結(jié)果見圖3。從圖3可知，隨著物料粉碎時間的延長，茯苓微粉顆粒D50逐漸減小，當(dāng)粉碎時間超過25 min后D50變化趨緩。故選定粉碎時間范圍為25~35 min進(jìn)行后續(xù)的響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

圖3 粉碎時間對茯苓微粉D50的影響Figure 3 Effect of milling time on D50 value of Poria cocos submicron powder

2.4 響應(yīng)面法優(yōu)化工藝參數(shù)試驗結(jié)果

2.4.1 響應(yīng)面分析試驗設(shè)計及結(jié)果 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選定茯苓超微粉碎的工藝參數(shù)范圍。以茯苓微粉粒徑Y(jié)（D50）作為響應(yīng)值，以投料量（A）、物料含水量（B）和粉碎時間（C）作為3個主要因素，設(shè)計一個三因素三水平的二次回歸方程來擬合因素和指標(biāo)Y（響應(yīng)值）之間的函數(shù)關(guān)系。試驗設(shè)計見表1，試驗結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面分析因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Design and results of response surface test

2.4.2 回歸模型方差分析及顯著性檢驗 采用Design Expert 10軟件對多元回歸模型擬合、方差分析及顯著性檢驗，得到回歸方程模型為Y=24.860 00-0.087 500A+4.292 50B-0.997 50C-0.705 00A B-1.275 00AC+1.665 00BC+2.305 00A2+1.320 00B2+2.670 00C2。對該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。由表3可知，模型的P＜0.01，說明該模型差異顯著，回歸模型設(shè)計與實際測定值能夠最大限度地擬合，試驗誤差較小，所以可以用該回歸方程替代試驗實際值對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到R2=0.941 0，預(yù)測值與實際值之間存在高度相關(guān)性，說明該回歸方程具有較高的可靠性?；貧w模型中，一次項B和二次項C2表現(xiàn)為水平差異性非常顯著（P＜0.01），二次項A2表現(xiàn)出顯著性差異水平（P＜0.05）。

表3 回歸方程ANOVA分析Table 3 Analysis of variance（ANOVA）analysis of regression equation

2.4.3 三因素交互作用對茯苓微粉粒徑的影響分析 在回歸模型方差分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Design Expert 10軟件做物料投料量、含水量及粉碎時間對微粉粒徑大小影響的等高線圖和響應(yīng)面圖，結(jié)果見圖4~6。在優(yōu)化試驗中3個因素對茯苓微粉粒徑D50大小的影響主次順序為B＞C＞A，即物料含水量＞粉碎時間＞投料量。

圖4 投料量與含水量交互作用對粉徑影響的等高線圖和響應(yīng)面圖Figure 4 The contour map and response surface diagram for the interactive effects of materialinput and water content on powder diameter

3 討論

通過Design-Expert 10軟件求解回歸方程，得到本試驗茯苓超微粉制備的最適工藝條件：投料量200.15 g，含水量5.30%，粉碎時間32.35 min。預(yù)測茯苓微粉粒徑D50為21.23μm。為考慮實際操作的方便性，將茯苓微粉制備的最適條件修正為：投料量200 g，含水量5.30%，粉碎時間32 min。在該工藝參數(shù)下進(jìn)行了3次平行試驗，制得的茯苓微粉的粒徑大小為（21.46±0.51）μm，與理論預(yù)測值較接近，表明響應(yīng)面法建立的數(shù)學(xué)模型是可靠的，具有較好的實際指導(dǎo)作用。

圖5 投料量與粉碎時間交互作用對粉徑影響的等高線圖和響應(yīng)面圖Figure 5 The contour map and response surface diagram for the interactive effects of materialinput and milling time on powder diameter

圖6 含水量與粉碎時間交互作用對粉徑影響的等高線圖和響應(yīng)面圖Figure 6 The contour map and response surface diagram for the interactive effects of water content and milling time on powder diameter

應(yīng)用WZJ-6TC振動磨超微粉碎機制備茯苓超微粉的單因素試驗表明，茯苓粗粉的投料量、含水量及粉碎時間對微粉的粒徑（D50）均產(chǎn)生影響，尤其是隨著粉碎時間的增加，茯苓微粉粒徑D50變化較大，當(dāng)粉碎時間大于25 min后，微粉粒徑D50的變化則趨緩。在投料量為100~300 g、含水量4%~12%及粉碎時間為10~35 min條件下，三因素對茯苓微粉粒徑D50大小的影響主次順序為粉碎時間＞物料含水量＞投料量，而在響應(yīng)面法優(yōu)化試驗中粉碎時間選定為25~35 min的條件下，含水量對微粉的粒徑D50表現(xiàn)為非常顯著性影響，呈現(xiàn)出含水量越低，則微粉粒徑越小。但在實際應(yīng)用中可能并不是粉碎時間越長、含水量越低對產(chǎn)品的質(zhì)量就越好，而應(yīng)充分考慮烘干和粉碎時間，其時間過長不僅提高加工成本，同時可能會造成茯苓揮發(fā)油等活性成分的損耗，所以，茯苓粗粉烘干及粉碎時間應(yīng)控制在適宜的范圍內(nèi)。烘干和粉碎時間的長短對茯苓微粉揮發(fā)油等活性成分的影響仍有待于進(jìn)一步的研究。