金桔提取及其噴霧干燥工藝優(yōu)化

劉亞男，劉素連，甘 玲，黃雄顓，林家遜，許有瑞

（桂林醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，廣西 桂林 541004）

金桔（Citrus japonica（Thunb.）Swingle）是蕓香科柑橘亞科金柑屬植物的果實[1]，富含VC、礦物質(zhì)、氨基酸、金桔甙等成分，有理氣止咳、健胃化痰等功效[2]。其果皮與果肉可一起食用，具有降血脂[3]、抗氧化[4]、抗炎鎮(zhèn)痛、免疫調(diào)節(jié)[5]等多種藥理活性。金桔常用于鮮食或制蜜餞、鹽漬，加工產(chǎn)品主要有金桔罐頭[6]、果汁飲料[7]、果糕[8]、金桔咀嚼片[9]和金桔利口酒[10]，但因鮮果存在不易貯存和運輸問題而限制了其應(yīng)用范圍。研究發(fā)現(xiàn)金桔提取液黏性較大，將金桔提取液干燥微粉化可增加其儲存時間，且攜帶方便，能保持原有的營養(yǎng)風(fēng)味[11-13]，加入助干劑麥芽糊精可解決提取液黏性問題[14-16]。組合優(yōu)化中往往會采用響應(yīng)面法或者正交試驗法，二者各有優(yōu)劣，可結(jié)合試驗結(jié)果對比分析二者的應(yīng)用區(qū)別。此外，在噴霧干燥中影響產(chǎn)品產(chǎn)率最主要的是產(chǎn)品能否正常干燥、產(chǎn)品是否粘壁、產(chǎn)品是否結(jié)團結(jié)塊等，不同的噴霧干燥參數(shù)得到的產(chǎn)品形狀、性狀都有所區(qū)別，為實現(xiàn)優(yōu)產(chǎn)、高產(chǎn)率，對金桔的提取及干燥工藝進行優(yōu)化具有一定必要性。本研究采用響應(yīng)面法優(yōu)化金桔提取工藝，采用正交試驗法優(yōu)化金桔粉噴霧干燥工藝，旨在為金桔產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

金桔：市售（產(chǎn)自廣西桂林陽朔縣）；食用小蘇打：西安市佳香調(diào)味品食品有限公司；麥芽糊精：上海源葉生物科技有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

OSB-2100 型水浴鍋：上海泉杰有限公司；101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，DK-98-II 型電子萬用電爐：天津市泰斯特儀器有限公司；B-290 噴霧干燥儀：瑞士BUCHI 實驗室儀器公司；BT224S 電子天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 金桔提取工藝優(yōu)化

1.2.1.1 原料預(yù)處理

用15%小蘇打溶液浸泡洗凈的金桔15 min，接著于蒸餾水中浸泡1 h，對半切開，去籽后在水浴鍋中浸提3 次，合并濾液并濃縮至恒重，稱重。

1.2.1.2 單因素試驗設(shè)計

以金桔提取率為考察指標，固定提取溫度95 ℃，提取時間40 min，提取次數(shù)2 次，考察不同料液比（1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7（g/mL））對金桔提取率的影響；固定料液比為1∶6（g/mL），提取時間40 min，提取次數(shù)2 次，考察不同提取溫度（80、85、90、95、100 ℃）對金桔提取率的影響；固定料液比為1∶6（g/mL），提取溫度95 ℃，提取次數(shù)2 次，考察不同提取時間（20、30、40、50、60 min）對金桔提取率的影響；固定料液比為1∶6（g/mL），提取溫度95 ℃，提取時間40 min，考察不同提取次數(shù)（1、2、3、4、5 次）對金桔提取率的影響。

1.2.1.3 響應(yīng)面試驗設(shè)計

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以金桔提取率（Y）為響應(yīng)值，料液比、提取溫度、提取時間、提取次數(shù)為自變量，采用Design-Expert V8.0.6 軟件模擬四因素三水平的試驗?zāi)Ｐ?，確定金桔提取的最佳工藝，響應(yīng)面試驗因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface optimization test

1.2.2 干燥工藝優(yōu)化

1.2.2.1 噴霧干燥工藝流程

金桔提取液→測定可溶性固形物含量→添加助干劑（麥芽糊精）→噴霧干燥→收集粉末

1.2.2.2 金桔提取液可溶性固形物含量測定

取金桔提取液100 mL，于105 ℃烘箱中烘至恒重，計算其可溶性固形物含量。

1.2.2.3 金桔粉出粉率的計算

出粉率計算公式為：出粉率（%）=W1/W2×100

式中：W1為噴霧干燥后金桔粉質(zhì)量，g；W2為可溶性固形物質(zhì)量與助干劑質(zhì)量之和，g[13]。

1.2.2.4 單因素試驗設(shè)計

選用麥芽糊精為助干劑，按金桔提取液中可溶性固形物含量計算，考察不同助干劑添加量（60%、80%、100%、120%、140%）對出粉率的影響。選用助干劑最佳添加量，固定噴霧干燥參數(shù)進樣流量15%、霧化空氣流量500 L/h，考察不同進風(fēng)溫度（90、105、120、135、150 ℃）對出粉率的影響；固定噴霧干燥參數(shù)進風(fēng)溫度135 ℃、霧化空氣流量500 L/h，考察不同進樣流量（10%、15%、20%、25%）對出粉率的影響；固定噴霧干燥參數(shù)進風(fēng)溫度135 ℃、進樣流量15%，考察不同霧化空氣流量（400、500、600、700 L/h）對出粉率的影響。

1.2.2.5 正交試驗

選取金桔提取液噴霧干燥中影響較大的3 個因素：進風(fēng)溫度（A）、進樣流量（B）、霧化空氣流量（C），以出粉率為考察指標，設(shè)計L9(34)正交試驗，試驗因素與水平見表2。

表2 噴霧干燥工藝正交試驗因素與水平表Table 2 Orthogonal test factors and levels table of spray drying process

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007、Origin 8.5、Design-Expert V 8.0.6軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 金桔提取工藝的優(yōu)化

2.1.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1.1 料液比對金桔提取率的影響

由圖1 可見，料液比對金桔提取率的影響呈先增后降的趨勢，料液比為1∶6（g/mL）時達到最大提取率13.6%。表明一定量的金桔在一定體積的溶劑里便能達到最大溶出，進行提取時提取液并不一定越多越好，可按一定的料液比進行加液以節(jié)省溶劑，提高效率。

圖1 料液比對金桔提取率的影響Fig.1 Effects of material to liquid ratios on extraction rates of Citrus japonica

2.1.1.2 提取溫度對金桔提取率的影響

由圖2 可見，低溫或過高溫度都會對金桔的提取產(chǎn)生不利影響，其中溫度為95 ℃時，提取率最大，為13.4%。85～95 ℃的升溫階段其提取率也快速增加，表明該溫度階段金桔組織被快速破壞[17]，實現(xiàn)快速溶出，溫度超過95 ℃時提取率下降可能源于其揮發(fā)性成分的丟失。

圖2 提取溫度對金桔提取率的影響Fig.2 Effects of extraction temperatures on extraction rates of Citrus japonica

2.1.1.3 提取時間對金桔提取率的影響

由圖3 可見，提取時間在20～40 min 時對金桔的提取影響不大，50 min 時提取率達到最大值15.1%，繼續(xù)浸提提取率反而下降，因此選取50 min 為金桔適宜提取時間。

圖3 提取時間對金桔提取率的影響Fig.3 Effects of extraction time on extraction rates of Citrus japonica

2.1.1.4 提取次數(shù)對金桔提取率的影響

由圖4 可見，提取次數(shù)為3 次時，金桔提取率達到最大值16.3%，繼續(xù)增加提取次數(shù)，金桔提取率開始降低，表明提取3 次即可確保原料最大提取率。

圖4 提取次數(shù)對金桔提取率的影響Fig.4 Effects of extraction times on extraction rates of Citrus japonica

2.1.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.1.2.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計及方差分析

金桔提取工藝的響應(yīng)面試驗結(jié)果見表3，方差分析結(jié)果見表4。

采用Design-Expert V8.0.6 軟件對表3 中數(shù)據(jù)進行分析與擬合后得到金桔提取率（Y）的回歸方程為：

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Design and results of response surface experiment

Y=15.16－0.047A＋0.39B＋0.35C＋1.31D＋0.047AB－0.072AC＋0.11AD＋0.11BC－0.21BD－0.35CD－0.76A2－0.99B2－0.92C2－1.16D2

由表4可知，回歸模型方程顯著性良好（P＜0.000 1），而失擬項不顯著，P=0.942 3＞0.05，說明該回歸方程適用于該試驗；決定系數(shù)R2=0.914 6，校正決定系數(shù)=0.829 2，說明模型擬合程度較好，可用此模型對金桔提取條件進行分析和預(yù)測。其中回歸模型一次項B 和C 影響顯著（P＜0.05），D 影響極顯著（P＜0.01），各因素對金桔提取率影響的順序為：提取次數(shù)（D）＞提取溫度（B）＞提取時間（C）＞料液比（A）。

表4 模型的方差分析Table 4 Variance analysis of the model

2.1.2.2 各因素交互作用對金桔提取率的影響

圖5～10 反映了兩兩因素間交互作用對金桔提取率的影響，結(jié)果顯示，響應(yīng)面坡面陡峭順序為：CD＞BD＞AD＞BC＞AC＞AB，表明提取時間和提取次數(shù)的交互作用對金桔提取率影響最大，而料液比和提取溫度的交互作用影響最小。

圖5 料液比與提取溫度的交互作用對金桔提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Response surface and contour maps showing the interaction effects of material-liquid ratio and extraction temperature on extraction rates of Citrus japonica

2.1.2.3 驗證試驗結(jié)果

通過軟件分析確定金桔提取的最佳工藝為：料液比1∶6.01（g/mL），提取溫度95.73 ℃，提取時間50.97 min，提取次數(shù)3.54 次，該條件下金桔提取率的理論值為15.56%?？紤]應(yīng)用實際，將其定為料液比1∶6（g/mL），提取溫度96 ℃，提取時間51 min，提取次數(shù)4 次，該條件下進行3 次平行試驗，得到金桔提取率為15.48%，與理論值接近，可將其定為最優(yōu)提取工藝。

2.2 噴霧干燥工藝的優(yōu)化

2.2.1 單因素試驗結(jié)果

2.2.1.1 助干劑添加量對出粉率的影響

圖6 料液比與提取時間的交互作用對金桔提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.6 Response surface and contour maps showing the interaction effects of material-liquid ratio and extraction time on extraction rates of Citrus japonica

圖7 料液比與提取次數(shù)的交互作用對金桔提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.7 Response surface and contour maps showing the interaction effects of material-liquid ratio and extraction times on extraction rates of Citrus japonica

圖8 提取溫度與提取時間的交互作用對金桔提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.8 Response surface and contour maps showing the interaction effects of extraction temperature and extraction time on extraction rates of Citrus japonica

圖9 提取溫度與提取次數(shù)的交互作用對金桔提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.9 Response surface and contour maps showing the interaction effects of extraction temperature and extraction times on extraction rates of Citrus japonica

圖10 提取時間與提取次數(shù)的交互作用對金桔提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.10 Response surface and contour maps showing the interaction effects of extraction time and extraction times on extraction rates of Citrus japonica

由圖11 可見，麥芽糊精添加量為120%時，出粉率達到最大84.82%，表明在噴霧干燥過程中，雖然加入麥芽糊精可解決粘壁問題，提高產(chǎn)品得率，但麥芽糊精添加量過多時，增加了噴霧干燥的難度，導(dǎo)致出粉率降低。

圖11 助干劑添加量對出粉率的影響Fig.11 Effects of drying aid additions on powder extraction rates

2.2.1.2 進風(fēng)溫度對出粉率的影響

由圖12 可見，進風(fēng)溫度在135 ℃時出粉率最大，可能是因為進風(fēng)溫度較低時不能使干燥室內(nèi)的樣品完全干燥，部分半干顆粒粘壁，而進風(fēng)溫度過高時會發(fā)生焦糖化反應(yīng)，同樣導(dǎo)致出粉率降低。

圖12 進風(fēng)溫度對出粉率的影響Fig.12 Effects of inlet air temperatures on powder extraction rates

2.2.1.3 進樣流量對出粉率的影響

由圖13 可見，隨著進樣流量的增大，出粉率呈先上升后下降的趨勢，進樣流量為20%時出粉率最高。進樣流量過小時，霧滴變小，可充分受熱，出粉率較高，但噴霧干燥時間過長，能耗增加，經(jīng)濟效益降低。進樣流量過大，則樣品受熱不充分，霧滴不能充分干燥，出粉率降低。

圖13 進樣流量對出粉率的影響Fig.13 Effects of sample injection flow rates on powder extraction rates

2.2.1.4 霧化空氣流量對出粉率的影響

由圖14 可見，隨著霧化空氣流量的增加，出粉率先上升后下降，其中霧化空氣流量為500 L/h 時出粉率最高。繼續(xù)加量，也并不能增加出粉率，可能是因為霧滴太細，粉末越細越輕，粉體直接粘在干燥器內(nèi)壁，未能進入到旋風(fēng)分離器內(nèi)進行分離，導(dǎo)致出粉率降低。

圖14 霧化空氣流量對出粉率的影響Fig.14 Effects of atomization air flow on powder extraction rates

2.2.2 噴霧干燥正交試驗結(jié)果與分析

噴霧干燥正交試驗結(jié)果的極差分析表明，各試驗因素對出粉率的影響大小順序為：進樣流量（B）＞進風(fēng)溫度（A）＞霧化空氣流量（C），最優(yōu)組合條件為A1B3C1（見表5），即進風(fēng)溫度120 ℃、進樣流量20%、霧化空氣流量500 L/h，在該條件下進行3 次驗證試驗，平均出粉率為84.80%，高于正交試驗中各組結(jié)果。

表5 噴霧干燥正交試驗結(jié)果Table 5 Orthogonal test results of spray drying

3 討論與結(jié)論

金桔品質(zhì)對提取率、出粉率、粉末色澤及風(fēng)味有很大影響，以金黃色外皮、新鮮、光滑完整、香味濃郁者為佳。合適的提取和干燥工藝可大幅增加其提取率和出粉率，同時使粉末具有濃郁的風(fēng)味。本試驗選用響應(yīng)面法優(yōu)化金桔提取工藝參數(shù)，并用正交試驗法篩選金桔粉的最佳噴霧干燥工藝，兩種方法相比較，正交試驗并沒有獲得試驗影響因素和響應(yīng)值的明確函數(shù)表達式，且當(dāng)影響因素具有較多水平時，采用正交設(shè)計需要做大量試驗，實施起來比較困難，而響應(yīng)面法能有效指導(dǎo)工藝參數(shù)的優(yōu)化，有利于提高生產(chǎn)效率。總的來說，正交試驗比響應(yīng)面法設(shè)計試驗次數(shù)少，但響應(yīng)面試驗可以得到高精度的回歸方程來進行合理預(yù)測最優(yōu)工藝。

本試驗結(jié)果顯示，金桔提取的最佳工藝為：料液比1∶6（g/mL），提取溫度96 ℃，提取時間51 min，提取次數(shù)4 次，在此試驗條件下金桔提取率為15.48%。4個因素對金桔提取率的影響主次順序為：提取次數(shù)＞提取溫度＞提取時間＞料液比。金桔粉的最佳噴霧干燥工藝條件為：進風(fēng)溫度120 ℃、進樣流量20%、霧化空氣流量500 L/h，其中助干劑添加量120%，此工藝條件下出粉率可達84.80%，且所得金桔粉溶解速度快，該結(jié)果可對金桔的批量化提取和干燥具有一定的實用性指導(dǎo)意義。