仙草熱泵干燥工藝優化

勞琪珍，唐小閑，咸兆坤，段振華，劉艷，陳振林

（1.賀州學院 食品與生物工程學院/食品科學與工程技術研究院，廣西 賀州 542899；2.廣西康養食品科學與技術重點實驗室，廣西 賀州 542899；3.大連工業大學 食品學院，遼寧 大連 116034；4.賀州學院 建筑與電氣工程學院，廣西 賀州 542899）

仙草（Mesona），又稱涼粉草、仙人草，為唇形科植物，主要種植在我國臺灣、江西、廣東、福建、廣西等地區[1]，資源豐富，價格低廉，產品開發利用前景廣闊[2]。仙草含有豐富的營養成分，如蛋白質、氨基酸、維生素等，富含功能活性物質，如色素、多糖、黃酮等以及礦物質如鈣、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]，仙草多糖在企業中主要用于生產涼粉、涼茶、燒仙草等產品[6]。

企業通過收購仙草提取凝膠多糖生產各類仙草產品，其中影響仙草采購價格主要因素為仙草多糖提取率。當前，農戶在采收仙草時，仍然采用傳統自然晾曬方式對其進行脫水干制，仙草自然晾曬干燥時間需長達72 h，且極易受天氣等自然條件和晾曬環境限制，直接影響仙草干制效果、仙草多糖提取率和仙草產品品質。

熱泵干燥技術，具有高效節能、熱效率高、操作簡單、處理量大等特點，并能較好地保持物料的品質，已被廣泛應用在工業生產領域[7]。陳壯耀[8]研究發現熱泵干燥桑葚果，不僅能保留桑葚的大部分活性物質、提高產品品質，且產品含水量穩定，經濟效益顯著。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，采用響應面法優化仙草熱泵干燥工藝條件的研究還鮮有報道。

本試驗采用Box-Behnken 設計，以干燥溫度、裝載量、干后含水量為主要因素，考察其對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，以期為仙草加工提供一定的指導依據。

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：廣東翁江化學試劑有限公司；碳酸鈉：蘇州翔宏環保科技有限公司；無水乙醇：貴州龍和能源有限責任公司。試劑均為分析純。

1.1.2 主要儀器設備

熱泵干燥機（ZWH-KFY-BT4I）：東莞市正旭新能源設備科技有限公司；高速萬能粉碎機（H-1）：浙江屹立工貿有限公司；可見分光光度計（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：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，在一定條件下進行干燥，仙草干燥至所需含水量取出，粉碎裝袋，記錄試驗數據。

1.2.2 單因素試驗

1.2.2.1 干燥溫度對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 ℃）對仙草多糖提取率的影響。

1.2.2.2 裝載量對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）對仙草多糖提取率的影響。

1.2.2.3 干后含水量對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%）對仙草多糖提取率的影響。

1.2.3 響應面優化試驗設計

采用Box-Benhnke 試驗設計原理，自變量為干燥溫度（A）、裝載量（B）、干后含水量（C），響應值為多糖提取率（Y），響應面試驗的因素及水平見表1。

表1 響應面試驗設計的因素及水平Table 1 Factors and levels of the response surface test design

1.2.4 仙草含水率的測定

仙草含水率（以干基表示）按公式（1）計算。

式中：Gt為干燥至t 時的仙草含水率，%；St為干燥至t 時的仙草質量，g；Sm為絕對干燥的仙草質量，g。

1.2.5 仙草多糖含量的測定

1.2.5.1 葡萄糖標準曲線的繪制

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

圖1 葡萄糖標準曲線Fig.1 Glucose standard curve

1.2.5.2 仙草多糖提取率測定

參照文獻[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；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，加入1 mL 5%苯酚和5 mL 濃硫酸，靜置30 min，于30 ℃水浴20 min，以蒸餾水為空白對照，于490 nm 測定吸光度，代入葡萄糖標準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；M 為仙草質量，g。

1.3 數據處理

試驗數據采用Origin 2018 和SPSS 2019 軟件進行繪圖分析，Design-Expert 8.0.6 軟件對試驗數據進行優化分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 干燥溫度對仙草多糖提取率的影響

干燥溫度對仙草多糖提取率的影響見圖2。

圖2 干燥溫度對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降解成單糖或發生美拉德反應，都會使總糖含量下降[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，仙草多糖提取率隨著干燥溫度升高而增大，當干燥溫度升高到60 ℃時，多糖提取率升高到最高值，為7.33%。而當干燥溫度大于60 ℃時，多糖提取率隨溫度升高而降低。可能隨著溫度的升高，仙草中水分擴散速度加快，干燥到一定含水率所用時間相應縮短，使得多糖結構被破壞程度減少，但干燥溫度過高會導致多糖加速分解，在一定程度上使多糖結構斷裂或卷曲，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]研究結果相一致。所以選擇干燥溫度55、60、65 ℃進行響應面優化試驗。

2.1.2 裝載量對仙草多糖提取率的影響

裝載量對仙草多糖提取率的影響見圖3。

圖3 裝載量對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，當裝載量為1.00 kg/m2時，仙草多糖提取率達到最高值，為8.422%。但當裝載量超過1.00 kg/m2時，多糖提取率隨裝載量增加呈現下降趨勢。原因是當干燥溫度恒定，裝載量小于1.00 kg/m2時，單位質量仙草吸收熱能較高，溫度過熱，引發焦糖化反應、美拉德反應，從而造成糖類物質損耗[14]，多糖降解從而含量減少；當裝載量大于1.00 kg/m2時，單位質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間延長，物料中糖類物質發生美拉德反應的時間延長，導致物料中多糖進一步降解，引起部分多糖結構變化進而使提取率降低[15-16]。所以選擇裝載量0.67、1.00、1.33 kg/m2進行響應面優化試驗。

2.1.3 干后含水量對仙草多糖提取率的影響

干后含水量對仙草多糖提取率的影響見圖4。

圖4 干后含水量對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，當干后含水量為10%時，仙草多糖提取率達到最高值，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。原因可能是當干后含水量小于10%時，干后含水量越低，干燥所需干燥時間越長，仙草中多糖類物質被破壞影響加大，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，因為干燥后仙草需吸收一定堿液才能充分溶脹，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%進行響應面優化試驗。

2.2 響應面試驗結果

2.2.1 響應面試驗模型與方差分析

根據響應面的設計原理，設計三因素三水平的17組試驗，響應面試驗方案設計及與結果見表2。

表2 響應面試驗方案設計及結果Table 2 Design and results of the response surface test scheme

采用Design-Expert 8.0.6 軟件進行回歸分析，最終得到關于干燥溫度、裝載量、干后含水量對多糖提取率的二次多項式回歸模型，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。回歸方程方差分析見表3。

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

由表3 方差分析結果可知，模型P 值為0.000 5，表明該模型極顯著；失擬項P＞0.05，即失擬項不顯著。R2=0.987 7，R2Adj=0.960 7，表明可用該回歸方程對試驗結果進行分析。模型中B、C、AC、BC、A2、C2對仙草多糖提取的影響極顯著（P＜0.01），A、AB、B2對仙草多糖提取率的影響不顯著。各因素對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 各因素之間交互關系及結果

探究干燥溫度、裝載量、干后含水量對多糖提取率的影響，兩兩因素之間的響應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曲面和等高線Fig.7 Response surface and contour of the water content after drying and loading capacity

響應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曲面較陡峭，等高線圖呈橢圓形，可知交互項AC、BC 對熱泵干燥仙草提取率具有顯著影響（P＜0.01），交互項AB 對熱泵干燥仙草無顯著影響，與方差分析結果一致。

2.2.3 工藝預測及驗證

通過Design-Expert 8.0.6 軟件分析得到，仙草熱泵干燥工藝最優條件為干燥溫度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測值為12.24%。考慮到實際情況，最佳工藝條件調整為干燥溫度65 ℃、裝載量0.70 kg/m2、干后含水量5%，進行5 次平行驗證，得到仙草多糖提取率為12.31%，與預測值相對誤差為0.57%，因此可采用響應面優化對仙草熱泵干燥工藝進行預測和分析。

3 結論

本研究以仙草為原料，考察了干燥溫度、裝載量、干后含水量對仙草多糖提取率的影響，在單因素試驗的基礎上，通過響應面優化設計，得到仙草熱泵干燥最優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%，與預測值（12.24%）相對誤差為0.57%。表明該模型對試驗結果擬合情況較好，可利用響應面法對仙草干燥工藝進行預測與分析，為仙草加工工業提供一定的理論依據。