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(shí)[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(yùn)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(chǔ)存時(shí)間，且攜帶方便，能保持原有的營(yíng)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(huì)采用響應(yīng)面法或者正交試驗(yàn)法，二者各有優(yōu)劣，可結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(tuán)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(shí)現(xiàn)優(yōu)產(chǎn)、高產(chǎn)率，對(duì)金桔的提取及干燥工藝進(jìn)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(yàn)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(yáng)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)

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

1.2.1.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)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(shí)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(yàn)?zāi)Ｐ停_定金桔提取的最佳工藝，響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)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(cè)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(cè)定

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

1.2.2.3 金桔粉出粉率的計(jì)算

出粉率計(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(jì)算，考察不同助干劑添加量（60%、80%、100%、120%、140%）對(duì)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(jìn)樣流量15%、霧化空氣流量500 L/h，考察不同進(jìn)風(fēng)溫度（90、105、120、135、150 ℃）對(duì)出粉率的影響；固定噴霧干燥參數(shù)進(jìn)風(fēng)溫度135 ℃、霧化空氣流量500 L/h，考察不同進(jìn)樣流量（10%、15%、20%、25%）對(duì)出粉率的影響；固定噴霧干燥參數(shù)進(jìn)風(fēng)溫度135 ℃、進(jìn)樣流量15%，考察不同霧化空氣流量（400、500、600、700 L/h）對(duì)出粉率的影響。

1.2.2.5 正交試驗(yàn)

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

表2 噴霧干燥工藝正交試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)結(jié)果

2.1.1.1 料液比對(duì)金桔提取率的影響

由圖1 可見，料液比對(duì)金桔提取率的影響呈先增后降的趨勢(shì)，料液比為1∶6（g/mL）時(shí)達(dá)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(dá)到最大溶出，進(jìn)行提取時(shí)提取液并不一定越多越好，可按一定的料液比進(jìn)行加液以節(jié)省溶劑，提高效率。

圖1 料液比對(duì)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(duì)金桔提取率的影響

由圖2 可見，低溫或過高溫度都會(huì)對(duì)金桔的提取產(chǎn)生不利影響，其中溫度為95 ℃時(shí)，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(shí)現(xiàn)快速溶出，溫度超過95 ℃時(shí)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(duì)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(shí)間對(duì)金桔提取率的影響

由圖3 可見，提取時(shí)間在20～40 min 時(shí)對(duì)金桔的提取影響不大，50 min 時(shí)提取率達(dá)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(shí)間。

圖3 提取時(shí)間對(duì)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(duì)金桔提取率的影響

由圖4 可見，提取次數(shù)為3 次時(shí)，金桔提取率達(dá)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(duì)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(yàn)結(jié)果

2.1.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方差分析

金桔提取工藝的響應(yīng)面試驗(yàn)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(duì)表3 中數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)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(xiàng)不顯著，P=0.942 3＞0.05，說明該回歸方程適用于該試驗(yàn)；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(duì)金桔提取條件進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。其中回歸模型一次項(xiàng)B 和C 影響顯著（P＜0.05），D 影響極顯著（P＜0.01），各因素對(duì)金桔提取率影響的順序?yàn)椋禾崛〈螖?shù)（D）＞提取溫度（B）＞提取時(shí)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(duì)金桔提取率的影響

圖5～10 反映了兩兩因素間交互作用對(duì)金桔提取率的影響，結(jié)果顯示，響應(yīng)面坡面陡峭順序?yàn)椋篊D＞BD＞AD＞BC＞AC＞AB，表明提取時(shí)間和提取次數(shù)的交互作用對(duì)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(duì)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(yàn)證試驗(yàn)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(shí)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%。考慮應(yīng)用實(shí)際，將其定為料液比1∶6（g/mL），提取溫度96 ℃，提取時(shí)間51 min，提取次數(shù)4 次，該條件下進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果

2.2.1.1 助干劑添加量對(duì)出粉率的影響

圖6 料液比與提取時(shí)間的交互作用對(duì)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(duì)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(shí)間的交互作用對(duì)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(duì)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(shí)間與提取次數(shù)的交互作用對(duì)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(shí)，出粉率達(dá)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(shí)，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(duì)出粉率的影響Fig.11 Effects of drying aid additions on powder extraction rates

2.2.1.2 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)出粉率的影響

由圖12 可見，進(jìn)風(fēng)溫度在135 ℃時(shí)出粉率最大，可能是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)溫度較低時(shí)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(jìn)風(fēng)溫度過高時(shí)會(huì)發(fā)生焦糖化反應(yīng)，同樣導(dǎo)致出粉率降低。

圖12 進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)出粉率的影響Fig.12 Effects of inlet air temperatures on powder extraction rates

2.2.1.3 進(jìn)樣流量對(duì)出粉率的影響

由圖13 可見，隨著進(jìn)樣流量的增大，出粉率呈先上升后下降的趨勢(shì)，進(jìn)樣流量為20%時(shí)出粉率最高。進(jìn)樣流量過小時(shí)，霧滴變小，可充分受熱，出粉率較高，但噴霧干燥時(shí)間過長(zhǎng)，能耗增加，經(jīng)濟(jì)效益降低。進(jìn)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(jìn)樣流量對(duì)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(duì)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(shí)出粉率最高。繼續(xù)加量，也并不能增加出粉率，可能是因?yàn)殪F滴太細(xì)，粉末越細(xì)越輕，粉體直接粘在干燥器內(nèi)壁，未能進(jìn)入到旋風(fēng)分離器內(nèi)進(jìn)行分離，導(dǎo)致出粉率降低。

圖14 霧化空氣流量對(duì)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(yàn)結(jié)果與分析

噴霧干燥正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析表明，各試驗(yàn)因素對(duì)出粉率的影響大小順序?yàn)椋哼M(jìn)樣流量（B）＞進(jìn)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(jìn)風(fēng)溫度120 ℃、進(jìn)樣流量20%、霧化空氣流量500 L/h，在該條件下進(jìn)行3 次驗(yàn)證試驗(yàn)，平均出粉率為84.80%，高于正交試驗(yàn)中各組結(jié)果。

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

3 討論與結(jié)論

金桔品質(zhì)對(duì)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(shí)使粉末具有濃郁的風(fēng)味。本試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)并沒有獲得試驗(yàn)影響因素和響應(yīng)值的明確函數(shù)表達(dá)式，且當(dāng)影響因素具有較多水平時(shí)，采用正交設(shè)計(jì)需要做大量試驗(yàn)，實(shí)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(yàn)比響應(yīng)面法設(shè)計(jì)試驗(yàn)次數(shù)少，但響應(yīng)面試驗(yàn)可以得到高精度的回歸方程來進(jìn)行合理預(yù)測(cè)最優(yōu)工藝。

本試驗(yàn)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(shí)間51 min，提取次數(shù)4 次，在此試驗(yàn)條件下金桔提取率為15.48%。4個(gè)因素對(duì)金桔提取率的影響主次順序?yàn)椋禾崛〈螖?shù)＞提取溫度＞提取時(shí)間＞料液比。金桔粉的最佳噴霧干燥工藝條件為：進(jìn)風(fēng)溫度120 ℃、進(jìn)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(dá)84.80%，且所得金桔粉溶解速度快，該結(jié)果可對(duì)金桔的批量化提取和干燥具有一定的實(shí)用性指導(dǎo)意義。