勞琪珍，唐小閑，咸兆坤，段振華，劉艷，陳振林

（1.賀州學(xué)院 食品與生物工程學(xué)院/食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西 賀州 542899；2.廣西康養(yǎng)食品科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 賀州 542899；3.大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 大連 116034；4.賀州學(xué)院 建筑與電氣工程學(xué)院，廣西 賀州 542899）

仙草（Mesona），又稱涼粉草、仙人草，為唇形科植物，主要種植在我國臺(tái)灣、江西、廣東、福建、廣西等地區(qū)[1]，資源豐富，價(jià)格低廉，產(chǎn)品開發(fā)利用前景廣闊[2]。仙草含有豐富的營養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素等，富含功能活性物質(zhì)，如色素、多糖、黃酮等以及礦物質(zhì)如鈣、鋅、鐵、錳、鉀等[3]。仙草干中大約含有20%仙草凝膠，其主要成分為凝膠多糖[4]，具有抑菌和抗氧化等功能[5]，仙草多糖在企業(yè)中主要用于生產(chǎn)涼粉、涼茶、燒仙草等產(chǎn)品[6]。

企業(yè)通過收購仙草提取凝膠多糖生產(chǎn)各類仙草產(chǎn)品，其中影響仙草采購價(jià)格主要因素為仙草多糖提取率。當(dāng)前，農(nóng)戶在采收仙草時(shí)，仍然采用傳統(tǒng)自然晾曬方式對(duì)其進(jìn)行脫水干制，仙草自然晾曬干燥時(shí)間需長達(dá)72 h，且極易受天氣等自然條件和晾曬環(huán)境限制，直接影響仙草干制效果、仙草多糖提取率和仙草產(chǎn)品品質(zhì)。

熱泵干燥技術(shù)，具有高效節(jié)能、熱效率高、操作簡單、處理量大等特點(diǎn)，并能較好地保持物料的品質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[7]。陳壯耀[8]研究發(fā)現(xiàn)熱泵干燥桑葚果，不僅能保留桑葚的大部分活性物質(zhì)、提高產(chǎn)品品質(zhì)，且產(chǎn)品含水量穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益顯著。沈文龍等[9]研究表明杏鮑菇熱泵干燥工藝條件為初溫度50 ℃、升溫7 ℃、物料密度2.9 kg/m2。彭鈺航等[10]優(yōu)化胡蘿卜的熱泵干燥工藝，得到最佳工藝為初始溫度54.10 ℃、干燥溫升9.25 ℃、厚度3.8 mm。目前，采用響應(yīng)面法優(yōu)化仙草熱泵干燥工藝條件的研究還鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)采用Box-Behnken 設(shè)計(jì)，以干燥溫度、裝載量、干后含水量為主要因素，考察其對(duì)仙草多糖提取率的影響，確定仙草熱泵干燥的最佳工藝參數(shù)，以期為仙草加工提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

新鮮仙草：市售；濃硫酸：山東盈和化工有限公司；葡萄糖：茂名市雄大化工有限公司；苯酚：廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；碳酸鈉：蘇州翔宏環(huán)?？萍加邢薰?；無水乙醇：貴州龍和能源有限責(zé)任公司。試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

熱泵干燥機(jī)（ZWH-KFY-BT4I）：東莞市正旭新能源設(shè)備科技有限公司；高速萬能粉碎機(jī)（H-1）：浙江屹立工貿(mào)有限公司；可見分光光度計(jì)（722）：重慶納格雅科技有限公司；分析天平（HZT-JA500）：青島佳鼎分析儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工藝流程

新鮮仙草→清洗→切段→稱重→鋪料→熱泵干燥→粉碎→仙草多糖提取

操作要點(diǎn)：新鮮仙草的初始濕基含水率為89.18%。將新鮮仙草切至長為（3.0±0.5）cm，稱取仙草段鋪在料筐上，放入熱泵干燥室，在一定條件下進(jìn)行干燥，仙草干燥至所需含水量取出，粉碎裝袋，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

1.2.2.1 干燥溫度對(duì)仙草多糖提取率的影響

在切段仙草裝載量0.67 kg/m2、干后含水量15%條件下，考察干燥溫度（50、55、60、65 ℃）對(duì)仙草多糖提取率的影響。

1.2.2.2 裝載量對(duì)仙草多糖提取率的影響

在干燥溫度60 ℃、干后含水量15%條件下，考察切段仙草的裝載量（0.67、1.00、1.33、1.67、2.00 kg/m2）對(duì)仙草多糖提取率的影響。

1.2.2.3 干后含水量對(duì)仙草多糖提取率的影響

在切段仙草裝載量1.00 kg/m2、干燥溫度60 ℃條件下，考察干后含水量（5%、10%、15%、20%、25%）對(duì)仙草多糖提取率的影響。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用Box-Benhnke 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，自變量為干燥溫度（A）、裝載量（B）、干后含水量（C），響應(yīng)值為多糖提取率（Y），響應(yīng)面試驗(yàn)的因素及水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素及水平Table 1 Factors and levels of the response surface test design

1.2.4 仙草含水率的測(cè)定

仙草含水率（以干基表示）按公式（1）計(jì)算。

式中：Gt為干燥至t 時(shí)的仙草含水率，%；St為干燥至t 時(shí)的仙草質(zhì)量，g；Sm為絕對(duì)干燥的仙草質(zhì)量，g。

1.2.5 仙草多糖含量的測(cè)定

1.2.5.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

參照文獻(xiàn)[11]的方法，繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示，回歸方程為y=9.117 1x+0.048 8，R2=0.998 5。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Glucose standard curve

1.2.5.2 仙草多糖提取率測(cè)定

參照文獻(xiàn)[6]的方法，將仙草干粉碎至80～100 目，稱取5.0 g，加入0.012 5 mol/L 碳酸鈉溶液按照料液比1∶35（g/mL），420 W 微波爐下加熱90 s，90 ℃水浴提取1 h，過濾合并提取液，于25 ℃、4 000 r/min 離心10 min，上清液采用真空抽濾去雜質(zhì)；濾液濃縮至10 mL，加入95%乙醇溶液，于25 ℃、4 000 r/min 離心10 min，取沉淀物經(jīng)無水乙醇洗滌后干燥脫水即為多糖樣品。

取1 mL 多糖提取液稀釋到一定倍數(shù)，加入1 mL 5%苯酚和5 mL 濃硫酸，靜置30 min，于30 ℃水浴20 min，以蒸餾水為空白對(duì)照，于490 nm 測(cè)定吸光度，代入葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線方程得到樣品中仙草多糖含量。仙草多糖提取率按公式（2）計(jì)算。

式中：W 為仙草多糖提取率，%；C 為樣品溶液多糖的濃度，mg/mL；V 為堿液體積，mL；N 為樣液的稀釋倍數(shù)；M 為仙草質(zhì)量，g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 2018 和SPSS 2019 軟件進(jìn)行繪圖分析，Design-Expert 8.0.6 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 干燥溫度對(duì)仙草多糖提取率的影響

干燥溫度對(duì)仙草多糖提取率的影響見圖2。

圖2 干燥溫度對(duì)仙草多糖提取率的影響Fig.2 Effect of the drying temperature on the extraction rate of polysaccharide from Mesona

干燥過程中糖類物質(zhì)降解成單糖或發(fā)生美拉德反應(yīng)，都會(huì)使總糖含量下降[12]。由圖2 可知，熱泵干燥仙草，在恒定裝載量、干后含水量條件下，干燥溫度為50～60 ℃時(shí)，仙草多糖提取率隨著干燥溫度升高而增大，當(dāng)干燥溫度升高到60 ℃時(shí)，多糖提取率升高到最高值，為7.33%。而當(dāng)干燥溫度大于60 ℃時(shí)，多糖提取率隨溫度升高而降低。可能隨著溫度的升高，仙草中水分?jǐn)U散速度加快，干燥到一定含水率所用時(shí)間相應(yīng)縮短，使得多糖結(jié)構(gòu)被破壞程度減少，但干燥溫度過高會(huì)導(dǎo)致多糖加速分解，在一定程度上使多糖結(jié)構(gòu)斷裂或卷曲，多糖降解為單糖或低聚糖，從而影響樣品提取多糖[8]，這與徐蘭芳等[13]研究結(jié)果相一致。所以選擇干燥溫度55、60、65 ℃進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.1.2 裝載量對(duì)仙草多糖提取率的影響

裝載量對(duì)仙草多糖提取率的影響見圖3。

圖3 裝載量對(duì)仙草多糖提取率的影響Fig.3 Effect of the loading capacity on the extraction rate of polysaccharide from Mesona

由圖3 可知，在恒定干燥溫度、干后含水量條件下，仙草多糖提取率隨著裝載量增加先增大后減小，當(dāng)裝載量為1.00 kg/m2時(shí)，仙草多糖提取率達(dá)到最高值，為8.422%。但當(dāng)裝載量超過1.00 kg/m2時(shí)，多糖提取率隨裝載量增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。原因是當(dāng)干燥溫度恒定，裝載量小于1.00 kg/m2時(shí)，單位質(zhì)量仙草吸收熱能較高，溫度過熱，引發(fā)焦糖化反應(yīng)、美拉德反應(yīng)，從而造成糖類物質(zhì)損耗[14]，多糖降解從而含量減少；當(dāng)裝載量大于1.00 kg/m2時(shí)，單位質(zhì)量仙草吸收熱能隨裝載量增加而減少，干燥速率變慢，仙草干燥至指定含水量所需要干燥時(shí)間延長，物料中糖類物質(zhì)發(fā)生美拉德反應(yīng)的時(shí)間延長，導(dǎo)致物料中多糖進(jìn)一步降解，引起部分多糖結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而使提取率降低[15-16]。所以選擇裝載量0.67、1.00、1.33 kg/m2進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.1.3 干后含水量對(duì)仙草多糖提取率的影響

干后含水量對(duì)仙草多糖提取率的影響見圖4。

圖4 干后含水量對(duì)仙草多糖提取率的影響Fig.4 Effect of the water content after drying on the extraction rate of polysaccharide from Mesona

由圖4 可知，在恒定干燥溫度、裝載量條件下，仙草多糖提取率隨著干后含水量提升先增大后減小，當(dāng)干后含水量為10%時(shí)，仙草多糖提取率達(dá)到最高值，為9.310%。但干后含水量超過10%，其多糖提取率呈急劇下降趨勢(shì)。原因可能是當(dāng)干后含水量小于10%時(shí)，干后含水量越低，干燥所需干燥時(shí)間越長，仙草中多糖類物質(zhì)被破壞影響加大，從而多糖提取率降低[17]；樣品含水量影響堿液吸收程度及提取多糖得率，因?yàn)楦稍锖笙刹菪栉找欢▔A液才能充分溶脹，溶脹后更有利于樣品中多糖溶出，干燥后仙草吸收的堿液過少，多糖不能充分溶出，造成多糖提取率降低[18-19]。所以選擇干后含水量為5%、10%、15%進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方差分析

根據(jù)響應(yīng)面的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)三因素三水平的17組試驗(yàn)，響應(yīng)面試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及與結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of the response surface test scheme

采用Design-Expert 8.0.6 軟件進(jìn)行回歸分析，最終得到關(guān)于干燥溫度、裝載量、干后含水量對(duì)多糖提取率的二次多項(xiàng)式回歸模型，回歸方程：多糖提取率（Y）=9.35+0.023A+0.51B-1.05C-0.012AB-0.99AC+0.66BC+0.51A2-0.20B2+0.69C2?；貧w方程方差分析見表3。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation

由表3 方差分析結(jié)果可知，模型P 值為0.000 5，表明該模型極顯著；失擬項(xiàng)P＞0.05，即失擬項(xiàng)不顯著。R2=0.987 7，R2Adj=0.960 7，表明可用該回歸方程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。模型中B、C、AC、BC、A2、C2對(duì)仙草多糖提取的影響極顯著（P＜0.01），A、AB、B2對(duì)仙草多糖提取率的影響不顯著。各因素對(duì)仙草多糖提取率的影響大小依次為C＞B＞A，即干后含水量＞裝載量＞干燥溫度。

2.2.2 各因素之間交互關(guān)系及結(jié)果

探究干燥溫度、裝載量、干后含水量對(duì)多糖提取率的影響，兩兩因素之間的響應(yīng)曲面圖和等高線圖如圖5～圖7 所示。

圖5 干燥溫度與裝載量的響應(yīng)曲面和等高線Fig.5 Response surface and contour of the loading capacity and drying temperature

圖6 干燥溫度與干后含水量的響應(yīng)曲面和等高線Fig.6 Response surface and contour of the water content after drying and drying temperature

圖7 裝載量與干后含水量的響應(yīng)曲面和等高線Fig.7 Response surface and contour of the water content after drying and loading capacity

響應(yīng)面中曲線陡峭程度越大，代表其影響越大，反之則越小[20]。等高線圖越橢圓代表其交互作用越顯著，越圓代表其交互作用不顯著[21]。由圖5～圖7 可知，干燥溫度和干后含水量交互作用，以及裝載量和干后含水量交互作用的響應(yīng)曲面較陡峭，等高線圖呈橢圓形，可知交互項(xiàng)AC、BC 對(duì)熱泵干燥仙草提取率具有顯著影響（P＜0.01），交互項(xiàng)AB 對(duì)熱泵干燥仙草無顯著影響，與方差分析結(jié)果一致。

2.2.3 工藝預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

通過Design-Expert 8.0.6 軟件分析得到，仙草熱泵干燥工藝最優(yōu)條件為干燥溫度64.95 ℃、裝載量0.67 kg/m2、干后含水量5.30%，仙草多糖提取率的預(yù)測(cè)值為12.24%?？紤]到實(shí)際情況，最佳工藝條件調(diào)整為干燥溫度65 ℃、裝載量0.70 kg/m2、干后含水量5%，進(jìn)行5 次平行驗(yàn)證，得到仙草多糖提取率為12.31%，與預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差為0.57%，因此可采用響應(yīng)面優(yōu)化對(duì)仙草熱泵干燥工藝進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

3 結(jié)論

本研究以仙草為原料，考察了干燥溫度、裝載量、干后含水量對(duì)仙草多糖提取率的影響，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到仙草熱泵干燥最優(yōu)工藝條件為干燥溫度65 ℃、裝載量0.70 kg/m2、干后含水量5%。在此條件下，仙草多糖提取率為12.31%，與預(yù)測(cè)值（12.24%）相對(duì)誤差為0.57%。表明該模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合情況較好，可利用響應(yīng)面法對(duì)仙草干燥工藝進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析，為仙草加工工業(yè)提供一定的理論依據(jù)。