響應面設計優化霍山石斛超細粉體的制備工藝

張珍林，殷智超

(1.皖西學院 生物與制藥工程學院，安徽 六安 237012；2.安徽省省級2011協同創新——霍山石斛產業化開發協同創新中心，安徽 六安 237012)

響應面設計優化霍山石斛超細粉體的制備工藝

張珍林，殷智超

(1.皖西學院 生物與制藥工程學院，安徽 六安 237012；2.安徽省省級2011協同創新——霍山石斛產業化開發協同創新中心，安徽 六安 237012)

通過比較不同粒徑霍山石斛超細粉的物理性質，在單因素實驗的基礎上，以霍山石斛超細粉得率為考察指標進行3因素(進料目數、磨介數量、粉碎時間)3水平的響應面實驗設計，通過Design Expert 8.0.6軟件進行響應面優化。結果表明，在實驗范圍內，不同粒徑霍山石斛超細粉體的持水力、膨脹力、溶解性及多糖溶出率均顯著提高，但潤濕性呈下降趨勢。優化后的霍山石斛超細粉體得率的最佳工藝參數為：霍山石斛粉進料目數220目, 磨介數量60%, 粉碎時間5 min, 霍山石斛細粉得率可達95.74%。霍山石斛超細粉可廣泛應用于保健食品和藥品行業，有利于提高其利用范圍。

霍山石斛；超細粉碎；物理性質；響應面；工藝優化

霍山石斛，俗稱米斛，是蘭科石斛屬的草本植物，主產于大別山區的安徽省霍山縣，是石斛中的極品[1]。《本草綱目》記載有很強的藥用價值；道家經典《道藏》把霍山石斛列為中華“九大仙草”之一，且名列之首；我國《地理標志產品保護規定》對霍山石斛實施地理標志產品保護[2](P89)。近年來，安徽省地方高校皖西學院組建了石斛產業化開發協同中心組培實驗室和霍山石斛規范化栽培示范基地，以上種種表明，霍山石斛種植可以帶來的巨大效益成為當今中藥種植產業的“黃金產業”。因此，霍山石斛生物功能特性研究與綜合利用成為當前熱點。

目前，霍山石斛食用多以干燥莖(霍山楓斗)和鮮斛為主，隨著鐵皮石斛作為藥食同源體后，大量的功能性產品，如鐵皮石斛顆粒、鐵皮石斛酒、鐵皮石斛牛奶功能性果凍、鐵皮石斛保健茶及鐵皮石斛飲料等層出不窮[3]，但是關于霍山石斛以及霍山石斛粉方面的研究報道甚少。植物粉以其營養純然、方便使用、貯藏不難、運輸省力等優點，成為近年來食品、藥品行業研究的熱點。

超微粉碎技術是近年來發展起來，采用物理方法將植物粉碎到0.1～75 μm的一種技術[4]，在此基礎上，使用全自動樣品快速研磨儀可以將粉體粉碎到20 μm以下，這兩者的結合也是改進傳統工藝、增進新產品開發的動力，在南瓜籽殼、葡萄籽、金針菇、魚腥草、蜂花等植物體的粉碎中廣泛應用[5-7]，但該技術在霍山石斛粉制備研究中尚未涉及。作者通過此方法來研究產品霍山石斛超細粉與超微粉的物理特性差異，并以600目篩通過率為考察指標，對霍山石斛超細粉體粉碎工藝進行優化。為霍山石斛的深加工研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

霍山石斛：皖西學院霍山石斛產業化開發協同創新中心提供。

1.2 儀器與設備

中藥粉碎機：濟南天宇專用設備有限公司；全自動樣品快速研磨儀：上海萬柏生物科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 霍山石斛超細粉體物理性質測定

挑選無病害的霍山石斛，清洗干燥，用中藥粉碎機多次疊加粉碎10 min，分別過180、200、220、240和260目篩，得霍山石斛超微粉。將含水量小于10%、粒徑為100、75、65、61及56 μm的霍山石斛超微粉放入全自動樣品快速研磨儀中進行超細粉碎5 min，然后分別再過400、500、600、700和800目篩，得到不同粉體粒徑的超細粉體。對不同超細粉體粒徑的潤濕性、持水力、膨脹力、溶解性及多糖溶出率進行測定，比較不同粒徑霍山石斛超細粉的物理特性差異。

1.3.1.1 潤濕性的測定

潤濕性反應的是粉體完全懸浮于水中的時間，參照張娥珍[8]的方法，在直徑為 10 cm的培養皿中，加入50 mL水，再加入0.1 g樣品粉末，測定粉末被水完全潤濕的時間，重復測定3次。

1.3.1.2 持水力的測定

持水性反應的是粉體與水結合的能力，參照張珍林等[4]的方法，準確稱取樣品粉末M1，使其均勻地分散在水溶液中,并于60 ℃恒溫水浴中分別保持30 min，再用冷水冷卻 30 min，4 000 r/min離心15 min，去上清液，稱量樣品濕重 M2，樣品持水能力=(M2- M1)/M1。

1.3.1.3 膨脹力的測定

膨脹力反應的是粉體吸水膨脹的能力，參照張珍林等[4]的方法，準確稱取0.50 g樣品粉末于量筒中，記錄干品體積V1，再向量筒中加入25 mL蒸餾水，攪拌均勻后在室溫下靜置24 h，記錄樣品自然膨脹后體積V2，樣品的膨脹力=(V2-V1)/ V1。

1.3.1.4 溶解度的測定

溶解性反應的是粉體在水中形成溶液時的性質，參照張娥珍等[13]的方法，準確稱取樣品粉末1.00 g，加入200 mL 去離子水，打漿勻質后過濾，殘渣烘干后稱量，溶解率/%=(1-烘干后殘渣質量/樣品質量)×100，水平組重復3次，取平均值。

1.3.1.5 多糖溶出率的測定

多糖溶出率反應的是霍山石斛超細粉的多糖溶出速度，參照張娥珍等[13]的方法，準確稱取樣品粉末0.10 g，加入50 mL去離子水，攪拌均勻，過濾后測定溶液中的多糖含量。多糖含量的測定依據國標苯酚-硫酸法進行。

1.3.2 霍山石斛超細粉碎單因子試驗

以粉體600目篩通過率為評價指標，分別考察粉碎時間(1、3、5、7和9 min)、進全自動研磨儀物料粒徑(180、200、220、240和260目)和磨介質充填率(磨介數量)(40%、50%、60%、70%和80%)對粉體得率的影響。

1.3.3 響應面實驗設計

根據單因素實驗結果，以粉碎時間、進料粒徑、磨介數量3個因素為自變量，參照600目細粉得率進行3因素3水平的響應面實驗[9]。通過Design Expert 8.0.6軟件對實驗數據進行回歸分析[10]，得到霍山石斛超細粉制備的最優工藝參數。因素水平分析選取見表1。

表1 中心組合實驗的因子及編碼值

2 結果與分析

2.1 霍山石斛不同粉體粒徑的潤濕性、膨脹力、溶解性、持水力及多糖溶出率的比較

從表2可以看出，隨著粒徑減小膨脹力、溶解性、持水力、多糖溶出率均是增加；分析主要是由于霍山石斛粉碎程度越高，加大了細胞壁破壁，細胞質內多糖、蛋白質、纖維素等大分子物質溶出，更多的與水分子結合，使得膨脹力、溶解性、持水力、多糖溶出率均是增加。潤濕性反應的是粉體完全懸浮于水中的時間，實際應該是隨著粒度減小，潤濕時間減少，但隨著粒徑減少又出現了潤濕時間增加的現象，分析原因主要是由于霍山石斛富含多糖，粉末在接觸水后，多糖迅速和水結合，在粉末外圍形成一層黏液層，阻止了水分子的進一步浸入，導致浸潤時間延長[11]；這也進一步說明粉體的破碎程度越大，多糖溶出效率越高。

表2 不同粉體粒徑的潤濕性、膨脹力、溶解性、持水力及多糖溶出率的比較

2.2 霍山石斛超細粉碎單因素實驗

2.2.1 粉碎時間對霍山石斛超細粉碎的影響

通過分析圖1我們得出，全自動研磨儀處于起始溫度20 ℃環境下，固定投料的粉體粒徑220目、磨介填充數量60%，觀察隨著研磨時間從1 min至9 min的變化，呈現粉體數量先變多再減少的趨勢，且在5 min時有一個最大細粉得率值。查資料[12]，分析原因主要由于隨著研磨時間變長，粗粉的細胞壁被完全打開，水溶性大分子溶出增多，相互之間的親水基團暴露越多，越容易粘黏，形成了團聚體，使得粉體的數量減少。所以，單因素實驗初步認定5 min是最佳粉碎時間。

圖1 粉碎時間對超細粉得率的影響

2.2.2 進料粒徑對霍山石斛超細粉碎的影響

通過分析圖2我們得出，全自動研磨儀處于起始溫度20 ℃環境下，設定粉碎時間5 min、磨介填充數量60%，觀察隨著收取的不同粒徑的粉體，粉體得率也是不斷變化，投入粒徑越小，細粉的量逐漸增多，當粒徑小于20 μm后，細粉得率趨于平穩，查資料[14]，分析原因是隨著粉體粒徑的逐漸減小，在1.5 ml研磨管中越不利于鋼珠的剪切和研磨，導致粉體量不增長或增長不明顯。所以，單因素實驗初步認定220目是最佳進料目數。

圖2 粒徑對超細粉得率的影響

2.2.3 磨介數量對霍山石斛超細粉碎的影響

圖3 磨介數量對超細粉得率的影響

通過分析圖3我們得出，全自動研磨儀處于起始溫度20 ℃環境下，設定粉碎時間5 min、粉體粒徑220目，觀察隨著添加到研磨管中的數量不同，粉體得率也是不斷變化，先逐漸增加再趨于平穩最后又開始降低，當磨介數量60%后，細粉得率趨于平穩，再增加到80%后出現減少的趨勢。分析原因是隨著磨介數量增多，研磨管在鋼珠作用研磨逐漸達到飽和，趨于穩定不增長，再增加量，在劇烈研磨震蕩下，粉體溢出，損失部分的量，使得粉體得率減少。所以，單因素實驗初步認定60%是最佳磨介數量。

2.3 響應面優化實驗結果分析

2.3.1 響應面實驗安排及實驗結果分析

采用響應面法優化細粉得率，根據Design Expert 8.0.6.1軟件進行回歸分析得到表3中實驗安排順序及組數，使用Design Expert 8.0.6.1軟件進行多元回歸擬合分析，得到細粉得率與粉碎時間A、進料粒徑B、磨介數量C各變量因素之間的二次多項回歸方程：Y=95.51+2.06A+0.99B-0.32C-1.30AB+0.033AC+0.83BC-5.15A2-2.06B2-1.72C2

表3 中心實驗設計及實驗結果

Design Expert 8.0.6.1軟件根據表3的實驗結果進行統計分析，得到表4方差分析結果，通過表4可以得出，一次項粉碎時間(A)和進料粒徑(B)對細粉得率的曲面效應顯著，其中粉碎時間(A)是極顯著，磨介數量(C)對細粉得率的曲面效應不顯著；二次項粉碎時間(A2)、進料粒徑(B2)及磨介數量(C2)對細粉得率的曲面效應均顯著；單因素因子之間的交互作用粉碎時間和進料粒徑(AB)顯著，粉碎時間和磨介數量(AC)、進料粒徑和磨介數量(BC)交互不顯著。根據顯著性檢測原理p<0.01極顯著，由表5得出回歸模型的調整復相關系數RAdj=0.959 0，整體模型的P值<0.000 1，由此可以說明模型的可行度好，與實際實驗安排擬合度高。

表4 回歸模型的方差分析

注：*表示在p=0.05水平上顯著，**表示在p=0.01水平上極顯著。

表5 模型的可信度分析及統計檢驗結果

2.3.2 各因素的交互作用

圖4 Y=(A,B)對細粉得率影響的響應面和等高線

等高線圖考察每兩個因素對因變量造成的影響，并由擬合的方程形成等高線，為二維平面3D圖形，由該圖可以找出較好的范圍。分析圖4～6的等高線圖和3D圖形可以得出，粉碎時間(A)和進料粒徑(B)的圖形趨于橢圓且橢圓軸線與坐標軸的角度大，兩者之間交互作用明顯；粉碎時間(A)和磨介數量(C)的圖形趨于橢圓但橢圓軸線與坐標軸的角度小，兩者之間交互作用不明顯；進料粒徑(B)和磨介數量(C)的圖形趨于圓形且無角度，兩者之間交互作用較差。

2.3.3 最佳提取工藝的優化及驗證

圖5 Y=(A,C)對細粉得率影響的響應面和等高線

圖6 Y=(B,C)對細粉得率影響的響應面和等高線

根據響應面試驗最優值預測方法，預測出霍山石斛超細粉碎得率的最大值為95.790 9%，各單因素最優值分別是粉碎時間5.71 min，進料粒徑234.50目，磨介數量59.00%。驗證本實驗結果的可性度，依據最佳條件值進行實驗，利于實驗操作，選取粉碎時間5 min，進料粒徑220目，磨介數量60%，進行三次平行驗證，細粉得率平均值為95.74%，與優化預測值非常接近，肯定了所建立的響應面二次回歸模型的準確度，本模型適用于霍山石斛超細粉碎的制取工藝優化。

3 討論

霍山石斛鮮條經過干燥、粉碎等處理可以提升利用空間，增加貨架期，但其特殊的生物功能性質不論是加工與否，與其本身所具有的物理化學性質分不開，好的功能性質能否全面展露出來，這又與加工形式密切相連。在植物組織干燥、粉碎過程中，植物粉末的顆粒粒徑、細胞壁破壞的程度等是直接影響功能特性的因素，不同顆粒粒徑的比表面積、暴露的功能基團不同，導致其功能特性的強弱不同，最終可造成生物學特性上的差異[13]。詹若挺等[3]對三七超微粉進行研究，成功解決了其原粉水溶性差的問題；張珍林等[4]對南瓜籽殼超微粉進行研究，成功將高纖維下腳原料提升了利用空間；劉霞等[5]對冷榨葡萄籽餅粕超微粉中主要營養物質的分析，表明超微粉碎處理明顯提高了葡萄籽餅粕中的營養物質成分；張智圓等[7]對超微中藥的特性及其藥效組分質控新方法研究，表明超微粉碎方法在中藥新資源開發中應用的重要性。本研究前期根據大量文獻和資料整理出適合霍山石斛粉碎的工藝路線，主要將霍山石斛經過初粉、再粉，形成顆粒粒徑約70 μm的超粉，利用全自動研磨儀結合最新的Design Expert 8.0.6軟件設計出回歸模型，進行超細粉的制備，根據不同組數的超細粉物理特性測定實驗，最終得出最優的制備參數以及最大超細粉得率。

本研究結果發現，霍山石斛超細粉的潤濕性、持水性、膨脹力、溶解度以及多糖溶出率在不同粒徑下，有顯著區別，隨著粒徑減小膨脹力、溶解性、持水力、多糖溶出率均是增加，潤濕性下降；單因素結合響應面分析得出超細粉的最優制備工藝是進料粒徑220目，磨介數量60%，粉碎時間5 min。

目前，也有很多資料顯示出，納米粉碎技術在植物粉末制備上的應用研究，但在霍山石斛粉碎中的應用還未見報道，納米霍山石斛粉的物理化學特性是否要優于超細粉，經過納米技術粉碎后，其功能特性有沒有太大改進，這還需要我更進一步的研究證實。

4 結論

實驗挑選無病斑潔凈霍山石斛，清洗烘干，用中藥粉碎機1 min/1次干法粉碎，共進行10次，得到過220目微粉；通過單因素試驗確定了進料目數、磨介數量、粉碎時間 3個試驗因素的取值范圍。用Design Expert 8.0.6軟件做響應面分析，得到二次多項回歸方程：Y=95.51+2.06A+0.99B-0.32C-1.30AB+0.033AC+0.83BC-5.15A2-2.06B2-1.72C2，回歸分析，一次項粉碎時間(A)和進料粒徑(B)對細粉得率的曲面效應顯著，磨介數量(C)對細粉得率的曲面效應不顯著；二次項粉碎時間(A2)、進料粒徑(B2)及磨介數量(C2)對細粉得率的曲面效應均顯著；單因素因子之間的交互作用粉碎時間和進料粒徑(AB)顯著，粉碎時間和磨介數量(AC)、進料粒徑和磨介數量(BC)交互不顯著，回歸模型的調整復相關系數RAdj=0.959 0，整體模型的P值<0.000 1，由此可以說明模型的可行度好，與實際實驗安排擬合度高，可以用于該試驗的理論預測。響應面試驗確定了霍山石斛粉的最佳工藝參數：進料粒徑220目，磨介數量60%，粉碎時間5 min，得到霍山石斛超細粉95.74%。同時進行了不同粒徑超細粉物理特性試驗，得出全自動研磨能顯著提高粉體的持水力、膨脹力、溶解性及多糖溶出率，但由于多糖等大分子溶出量增加，導致濕潤性有所下降。總體表現，霍山石斛超細粉經過全自動研磨特性顯著提高，奠定了霍山石斛在食品和藥品行業的深開發應用基礎條件。

[1]陳乃東，程艷，陳乃富，等.霍山石斛·河南石斛金屬元素含量比較研究[J].安徽農業科學，2015(43)：316-317.

[2]中國科學院中國植物志編輯委員會.中國植物志[M].北京：科學出版社，1999.

[3]詹若挺，夏荃，成金樂，等.三七超微粉體與細粉、不同目數范圍粉體的粒度分布和顯微形貌特征的比較[J].中國粉體技術，2009，15(1)：42-45.

[4]張珍林，殷智超，袁威.南瓜籽殼超微粉特性研究[J].農產品加工，2015(1)：1-7.

[5]劉霞，李華，楊繼紅，等.冷榨葡萄籽餅粕超微粉中主要營養物質的分析[J].中國糧油學報，2013，28(1)：117-128.

[6]楊桂芹，鄒興淮.西洋參和蜂花粉細粉及超微粉組織特征掃描電鏡觀察[J].吉林農業大學學報，2004，26(3)：298-300，304.

[7]張智圓，張貴君，劉長松，等.超微中藥的特性及其藥效組分質控新方法[C].長沙：第三屆中國中藥商品學術年會暨首屆中藥葛根國際產業發展研討會，2012-07-15.

[8]張娥珍，崔素芬，辛明，等.鐵皮石斛超微粉與普通粉物理特性的比較[J].熱帶作物學報，2014，35(7)：1444-1449.

[9]曹美麗，蔣玉蓉，闕淼琳，等.響應面設計法優化鐵皮石斛總多酚的提取工藝[J].食品工業科技，2015(22)：272-276.

[10]王茂生，梁俊玉，高瑩，等.響應面法優化超聲輔助提取核桃葉多酚的工藝研究[J].食品工業科技，2012，33(7)：311-314.

[11]易軍鵬，朱文學，馬海樂，等.牡丹籽油超聲波輔助提取工藝的響應面法優化[J].農業機械學報，2009，40(6)：103-110.

[12]陳乃東，陳乃富，顧鎮，等.組培霍山石斛、野生霍山石斛及河南石斛多糖及乙醇溶出物動態積累規律研究[J].天然產物研究與開發，2015(27)：2090-2094.

[13]張娥珍，黃梅華，辛明，等.鐵皮石斛納米粉與超微粉的物理特性和體外抗氧化活性比較研究[J].熱帶作物學報，2015，36(12)：2184-2191.

[14]王朝川，李新勝，馬超，等.金針菇超微粉體物理特性及其制備工藝優化研究[J].食品工業，2016，37(6)：19-22.

OptimizationofPreparationforTotalUltrafinePowderfromDendrobiumHuoshanensebyResponseSurfaceMethodology

ZHANG Zhenlin, YIN Zhichao

(1.CollegeofBiotechnologyandPharmaceuticalEngineering,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China;2.TheProvincial2011CollaborativeInnovationCenterofAnhui-DendrobiumHuoshanenseIndustrializationExploitationCollaborativeInnovationCenter,Lu’an237012,China)

To compare the physical properties of Ultrafine Dendrobium huoshanense Powder were studied at different levels of granularity. Based on the single factor tests the response surface of the three levels and three factors that are Ultrafine Dendrobium huoshanense powder, the number of materials, the number of grinding, the amount of grinding time, The Design Expert 8.0.6 software Response surface optimization, The results showed that Ultrafine comminution increased the water -holding ability, expansibility, solubility and dissolution rate of polysaccharide of Dendrobium huoshanense Powder, but wettability is declining. The optimized processing conditions are amount of feed mesh 220 mesh of Dendrobium huoshanense powder, the number of medium grind of 60% and grinding time 5 min, the yield of uitrafine Dendrobium huoshanense powder was up to 95.74%. Uitrafine Dendrobium huoshanense powder was widely used health food and pharmaceutical industries, Help to improve the higher bioavailability.

Dendrobium huoshanense; ultrafine powder; physical properties; response surface methodology; parameter optimization

R285.6

A

1009-9735(2017)05-0015-06

2017-05-15

皖西學院校級自然科學研究項目(WXZR201627)；安徽省教育廳自然科學研究重點項目(KJ2016A886)；國家自然科學基金面上項目(81573536)。

張珍林(1985-)，女，安徽六安人，碩士，講師，研究方向：天然植物食品研究與開發。