茯苓浸膏超声强化干燥工艺优化

于斌，朱文学，白喜婷，马怡童，李宁

（1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南洛阳471023；2.河南省农产品干燥装备工程技术研究中心，河南洛阳471023）

茯苓为多孔菌科真菌茯苓Poria cocos（Schw.）Wolf的干燥菌核，是我国沿用千年的传统名贵中药材[1]。茯苓性味甘、淡、平，归心、肺、脾、肾经，载于《神农本草经》，被誉为“仙药之上品”[2]。可以与多种药物配伍，有“十药九茯苓”之说。现代研究表明茯苓具有渗湿利尿、宁心安神、和胃健脾、抑菌、增强机体抗病能力及降低血糖等药理作用[3]，茯苓提取物中富含多糖，其比较黏稠，其黏度随着水分的减少而增大，使传热传质更加困难。茯苓难以干燥，目前在中药制剂中，只使用茯苓浸提后的真空浓缩物，使其使用范围大大受限制。

黏稠物料的干燥技术，目前主要有真空、冷冻、热风、喷雾以及真空带式干燥等[4]。热风耗能大，效率低；冷冻效果好但是设备结构复杂、耗能大，占地多，因而成本高；喷雾干燥速度相对较快，产品品质好，纯度高[5]，但是对于黏稠物料容易造成粘壁现象。真空带式干燥比较适合干燥易氧化，高黏稠的物料，但是设备结构复杂，操作复杂，对于流动性稍强的粘稠物料的涂布效果差[6]。

超声波是一种频率高于20 kHz的弹性波，可以使介质粒子振动并引起超声空化现象，从而使质点运动增加，物料内部结构变化[7-9]。空化效应产生强大的冲击波，造成水分子的湍流运动，形成微细孔道，使水分扩散速率提高[10-11]。超声波的机械作用可以使物料内部结构反复受到拉伸和压缩，形成海绵效应，使水分表面附着力减小，有效降低水分迁移阻力[12]。由于超声能显著的增强传热传质效果，因而在农副产品和中药材干燥方面应用也与日增多。本文以黏稠物料茯苓浸膏为研究对象，探讨在不同超声时间、超声功率、超声频率和干燥温度条件下茯苓浸膏最终含水率和茯苓酸含量进行分析，并通过对超声时间、干燥温度、超声功率的响应面优化，得到最佳干燥工艺，从而为超声技术在干燥黏稠物料中运用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试材料

新鲜茯苓：河南商城县茯苓种植中心；茯苓标准品（98%）、茯苓酸标准品（UV≥98%）：上海源叶生物技术有限公司；乙腈、磷酸（色谱纯）、甲醇（分析纯）、蒸馏水：洛阳奥科化玻公司。

1.2 试验仪器及设备

GHRH-2型热风干燥箱：广东省农业机械研究所；KMDⅠ型超声波发声器：深圳市科美达超声波设备有限公司；SHB-III旋转蒸发仪：郑州长城科工贸有限公司；DS-200型组织粉碎机：北京恒奥德仪器仪表有限公司；FA1004型电子称：上海上平仪器公司；TGL-18C型台式离心机：上海安亭科学仪器厂；1260型高效液相色谱仪：安捷伦美国安捷伦公司。

1.3 茯苓浸膏的制备

选择品相较好，外表没有损伤的新鲜茯苓。放入水盆中进行清洗，进而除去其表面的泥沙等。洗干净后从水盆取出，适当擦干表面，用事先准备好的切片机进行切片。切片完成后，选择合适的量的茯苓切片倒入组织粉碎机中，倒入一定量的无菌水，保证茯苓切片被完全淹没。此时打开组织粉碎机进行粉碎，待其粉碎彻底时，用纱布进行过滤，滤液用广口瓶收集，收集好后封口保存，对滤渣进行回收。把广口瓶放置在摇床上使其晃动，从而保证试剂和茯苓充分作用。经过一段时间，取广口瓶中料液缓缓倒入蒸馏烧瓶当中，每次倒入适量并进行旋蒸，水浴温度控制在55℃。当蒸馏烧瓶内壁上出现固体物料粘结，并且此时冷凝器中不再有液滴滴落时，蒸馏结束，关掉旋转蒸发仪。取出蒸馏烧瓶内物料于烧杯中，做好标记，封口放入冰箱，从而制得茯苓浸膏。

1.4 试验方法

1.4.1 茯苓浸膏初始干基含水率的测定

鲜茯苓的初始干基含水率的测定是根据热风干燥法直接测得[15]。取一定量的浸膏→称重G1→电热恒温干燥箱中干燥至质量不再发生变化→称取质量G2→分析计算。

初始干基含水率按以下公式来计算：

式中：W0为初干基始含水率，%；G1为干燥前浸膏的重量，g；G2为干燥后浸膏的重量，g。

1.4.2 HPLC测定茯苓酸含量方法

1.4.2.1 色谱条件

色谱柱：Agilent ZORBAX SB-C18（250 mm×4 mm，5 μm）；流动相：乙腈-0.05%磷酸水溶液体积比=（75 ∶25）；流速：1.0 mL/min；柱温：30 ℃；检测波长：210 nm；进样量：10 μL。

1.4.2.2 茯苓酸标准溶液的制备

精确称取茯苓酸标准品10 mg，置于100 mL容量瓶中，加蒸馏水溶解至刻度线，摇匀，配置浓度为0.1 mg/mL的母液。

1.4.2.3 茯苓样品溶液的制备

取一定干燥后的茯苓浸膏粉，过60目筛后称取1.5 g干基质量的粉末，并置于50 mL锥形瓶中，加入25 mL 30%的甲醇，超声提取40 min，冷却至室温，抽滤，将滤液移入50 mL容量瓶中，将滤渣重复超声提取一次，两次滤液合并，用甲醇定容至刻度，取溶液10 mL旋转蒸发至近干，残渣用流动相溶解，定容成10 mL，取一定量溶液放入离心机中离心，取上清液为供试品溶液用于测定[13-14]。

1.4.3 茯苓浸膏干燥单因素及响应面试验设计

本试验结合茯苓浸膏本身的特性，考察超声时间、超声功率、超声频率、干燥温度对茯苓浸膏的干燥速率和茯苓酸含量的影响，为响应面试验设计选取最优参数组合提供依据。选用初始干基含水率相同的茯苓浸膏，在真空度0.1 MPa条件下，干燥300 min，测茯苓浸膏的最终干基含水率和茯苓酸含量。分别在超声时间范围是 0、30、60、90、120 、150 min，超声功率 0、80、120、160、200 W，超声频率为 20、28、35、40、60 kHz，温度分别是 30、40、50、60、70 ℃的条件下进行试验。

其中，选择茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量为观测指标。在进行单因素试验时，选取一个因素为变量时，其余因素需要固定在特定水平。固定超声时间为30 min，超声功率为80 W，超声频率为28 kHz，温度为40℃。

在响应面优化试验中选取超声时间分别为0、30、60 min；超声功率分别为80、120、160 W；超声温度分别为：40、50、60℃。每次试验重复3次。

2 结果与分析

2.1 超声时间对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响分析

对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响见图1。

图1 超声时间对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响Fig.1 Effect of ultrasonic time on the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

从图1可以看出：对茯苓浸膏进行超声处理，随着超声作用时间的延长，最终含水率逐渐降低，当超声作用时间累计达到150 min时，浸膏的干基含水率降至10%左右，比没有超声作用时的25%降低了60%；超声的机械作用和空化作用强度并不随时间的改变而变化，但由此引起的热效应却明显具有累积效应[16]，即超声作用时间越长，热效应越明显，从而加速了茯苓浸膏的干燥过程。茯苓酸含量随着超声作用时间的增加逐渐降低，但在90 min后降低趋势明显减小，说明超声作用时长对茯苓酸的降解影响有限，并非线性关系。

2.2 超声功率对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响分析

超声功率对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响见图2。

图2 超声功率对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power on the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

从图2可以看出，随着超声功率的不断增大，茯苓浸膏的含水率和茯苓酸含量随之降低，有无超声强化干燥速率差别较大，超声200 W强化干燥1 h后浸膏含水率已经接近10%，而没有超声强化时热风干燥5 h后干基含水率为24%左右；在超声功率较小时，茯苓酸的降解速度并不太显著，随着超声功率的逐渐加大，茯苓酸的降解也随之加大，从没有超声时的0.72 mg/g降至超声200 W时的0.59 mg/g。所以超声功率对干燥过程的影响也十分明显。

2.3 温度对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响分析

干燥温度对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响见图3。

图3 干燥温度对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响Fig.3 Effect of drying temperature on the the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

由图3可知，温度对茯苓浸膏干燥速率和茯苓酸含量的影响比较显著，在同一干燥时间内，随着温度的不断升高，浸膏的含水率明显降低，并且温度越高，含水率下降越快，即茯苓浸膏的干燥速率越来越高，茯苓酸含量也随着温度的升高逐渐降低，但不如含水率变化明显。温度是影响干燥速率的重要因素，同时对物料中的有效成分也有较大影响，因此在茯苓浸膏的干燥过程中，一定范围内温度的升高是可以产生积极作用。

2.4 超声频率对茯苓浸膏干燥效果的影响及干燥曲线的分析

超声频率对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响见图4。

图4 超声频率对茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影响Fig.4 Effect of ultrasonic frequency on the the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

由图4可知，超声频率对干燥效果的影响没有明显规律，最终含水率没有显著差别，但随着超声频率的增大，茯苓酸含量逐渐降低，可能是随着超声频率的增大，超声空化引起的自由基效应逐渐明显，导致较高频率下的茯苓酸降解相对较多。但总的来说，超声频率对茯苓浸膏的干燥过程影响并不显著，所以该因素不再考虑。

2.5 超声强化干燥茯苓浸膏工艺的响应面优化

采用Box-Behnken设计，以浸膏干燥300 min后的最终含水率（Y1）和茯苓酸含量（Y2）及加权综合指标（Y*）作为响应值，建立数学模型，对超声真空干燥工艺进行优化，以期达到较好的干燥品质。选取超声时间（X1）、超声功率（X2）、干燥温度（X3）作为试验中的 3个因素。响应面分析的因素水平编码见表1，Box-Behnken试验设计方案及结果见表2。

表1 响应面试验因素水平编码表Table 1 Coded values and corresponding actual values in response surface experiment

将表1中的编码值换成每个因素的实际水平值进行试验，所得指标值见表2。采用Design-Expert 8.05软件对表2试验数据进行统计分析，可得到实际空间内的二次多元回归模型为：

表2 Box-Behnken试验设计及结果Table 2 Experimental designs and results of Box-Behnken

回归方程中各项系数绝对值的大小直接反映各因素对响应值影响程度，系数的正负反映了影响的方向。对3个回归方程的拟合情况进行检验，模型FR（Y1）=77.60，FR（Y2）=32.79，FR(Y*)=7.45，均大于 F0.01(7，9)=6.71，说明回归是显著的。失拟 FLF（Y1）=0.45，FLF（Y2）=3.57，FLF(Y*)=0.61，均小于 F0.05(4，4)=6.39，说明失拟不显著。，，说明该模型与实际数据拟合较好。因此这些模型是可用于茯苓浸膏超声强化干燥工艺的分析和预测。

表3 回归方程（2）系数的显著性检验Table 3 Analysis of variance table of regression equation（2）

从表3、表4回归方程系数的显著性检验可知，所考察的3个因素对含水率和茯苓酸含量均有一定的影响。从表3可看出：X1、X2、X3（P＜0.01）对茯苓浸膏最终含水率影响极其显著，同时，根据F值的大小可判断，试验中的3个因素对茯苓浸膏最终含水率影响的排序为：干燥温度（X3）＞超声功率（X2）＞超声时间（X1）；从表4可看出：X1、X2、X3、X2X3、X22（P＜0.01）对茯苓浸膏中茯苓酸含量影响极其显著，其他不显著。同时，根据F值的大小可判断，试验中的3个因素对茯苓酸含量影响的排序为：干燥温度（X3）＞超声功率（X2）＞超声时间（X1）。通过对模型公式（4）进行优化，可得到使加权综合指标Y*达到最大值时的茯苓浸膏超声强化干燥工艺为：超声时间90 min，超声功率106 W，干燥温度64℃，此条件下干燥的茯苓浸膏综合指标最高。

表4 回归方程（3）系数的显著性检验Table 4 Analysis of variance table of regression equation（3）

2.6 茯苓浸膏超声真空干燥最佳工艺的验证

由模型（4）得到理论最佳超声强化干燥工艺为：超声时间90 min，超声功率106 W，干燥温度64℃，预测最终含水率为7.85%，茯苓酸含量为0.67 mg/g。采用最佳工艺进行验证，在该工艺条件下进行3次重复试验，得到茯苓浸膏终产物含水率为7.9%，茯苓酸含量为0.662 mg/g，通过验证试验得到的最终含水率和茯苓酸含量与理论值偏差较小，重复性好，说明运用响应面法优化得到的最佳超声强化干燥工艺比较可靠准确，具有较好的实用价值。

3 结论

1）通过对茯苓浸膏超声真空干燥工艺的研究，初步得出了超声时间、超声功率、干燥温度对干燥的影响规律，在单因素研究的基础上，通过采用Box-Behnken设计对干燥工艺进行优化，得到最佳超声真空干燥工艺为超声时间90 min，温度64℃，超声功率106 W，预测含水率为7.85%，茯苓酸含量为0.67 mg/g。采用最佳工艺进行验证，测得茯苓浸膏干燥300 min后含水率的平均值为7.9%，茯苓酸含量为0.662mg/g。

2）在本试验的干燥体系中，超声波对浸膏物料有降黏作用并能显著改善干燥后物料的粉体性质，使物料蓬松多孔易于粉碎，且能够增强传热传质，提高干燥速率。