响应面法优化光皮木瓜粉制备工艺

纪桢 *，第五昺昺，俎花花，赵振志，孙安霞

1. 安康学院化学化工学院（安康 725000）；2. 秦巴中药资源研发中心（安康 725000）

光皮木瓜（Chaenomeles sinensis（Thouin）Koehne，CK）为蔷薇科木瓜属植物，又名土木瓜、榠楂、木李和海棠等[1]，其果成熟时果肉为杏黄色或淡黄色，富含黄酮、萜类、多糖类、有机酸等多种活性物质，具有降低血脂、抗氧化的功效[2-3]，《本草经集注》也记载其果味酸、涩，性平，具有和胃舒筋、祛风湿、消痰止渴的功效[4]，植株广泛分布于陕西、河南、山东、湖北等地，是集食用、观赏、药用为一体的植物。因光皮木瓜果肉中纤维素含量高、果实坚实、难以鲜食，传统加工过程多为水煮后糖渍或磨浆后生物发酵等方法，产品也多以木瓜果脯、酒、醋等为主，加之采摘期短，难存储以及加工过程中易发生酶促褐变及非酶褐变等问题，该类食品加工企业设备有效利用率不足50%。

球磨法是常用的食品加工技术，通过球磨机械力作用，可将植物性原料粉碎、混合，达到使物料形态、特性发生改变的目的[5]。因此，试验采用漂烫、烘干、球磨法制备光皮木瓜粉，并采用响应面法对制备工艺予以优化，以期为规模化生产及长期存储光皮木瓜粉提供一定的参考依据。

1 材料及方法

1.1 材料和试剂

光皮木瓜（白河县紫熙农产品开发有限公司）。

1.2 仪器与设备

DX-30B小型粉碎机（广州市祥明机械设备有限公司）；DM-10L型小型球磨机（配不锈钢球φ10 mm，φ3 mm两种，南京大冉仪器有限公司）；WJL-612型激光粒度仪（上海仪电物理光学仪器有限公司）；101-1AB型电热烘箱干燥箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；ZG-YM1701型破壁机（广东志高空调有限公司）；FA2204B型电子精密分析天平（上海佑科仪器有限公司）；21HEC05型电磁炉（九阳厨具）；GSL-1100X-SPC12H型等离子薄膜溅射仪（天津品创科技发展有限公司）；KYKY-EM3200型数字化扫描电子显微镜（北京中科科仪仪器有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 光皮木瓜粗粉制备

1) 取50 g光皮木瓜去皮去籽果肉，切片至2 mm厚，于90 ℃漂烫处理10 min，沥干后铺展于平盘中，置于烘箱内，于100 ℃鼓风干燥，每1 h翻动1次，记录失水率，烘干至质量不发生变化为止，采用粉碎机粉碎至0.600～0.850 mm，得到光皮木瓜粗粉。

2) 取50 g光皮木瓜去皮去籽果肉，切块，于90 ℃漂烫处理10～15 min，加入100 g蒸馏水，采用破壁机破壁处理，以3 500 r/min离心10 min，将沉淀铺展于平盘中，置于烘箱中，于60 ℃鼓风干燥，每1 h翻面1次，记录失水率，烘干至质量不发生变化为止，得到光皮木瓜粗粉。

1.3.2 球磨法制备光皮木瓜粉单因素试验

球磨方式采用行星式球磨机，不锈钢罐体和球体，大球φ10 mm，小球φ3 mm。

1) 不同球磨时间对于粒径大小的影响：球磨时间10～60 min，大小球比1：7，转速500 r/min，球料比8：1。

2) 不同大小球比对于粒径大小的影响：大小球比1：5～1：8，球磨时间40 min，转速500 r/min，球料比8：1。

3) 不同球料比对粒径的影响：球料比5：1～10：1，球磨时间40 min，大小球比1：7，转速500 r/min。

4) 不同转速对粒径大小的影响：转速400～800 r/min，球磨时间40 min，大小球比1：7，球料比8：1。

1.3.3 响应面试验设计

根据单因素试验结果，选取球磨时间、大小球比、转速等因素，按照Box-Behnken中心组合试验设计方法，设计三因素三水平的响应面分析方案，以期获得最佳球磨工艺参数。因素与水平详见表1。

表1 Box-Behnken试验设计因素与水平表

1.3.4 粒径检测

取适量木瓜粉放入激光粒度仪样品槽中，以超纯水为分散剂，超声处理30 s，测定粉体的粒径，统计不同条件处理下粉体粒径的D50值。

1.3.5 扫描电镜观察

取少量制备好的光皮木瓜粉，在10 mL去离子水中，超声分散，吸取0.1 mL涂布于导电胶带上，自然风干后置于离子溅射仪中，喷金厚度为80～100 nm。样品取出后，装入扫描电镜观察室，观察光皮木瓜粉颗粒形貌。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 365进行数据处理和分析，用Design-Expert 8.0.6进行响应面模型回归分析。

2 结果与分析

2.1 光皮木瓜烘干失水率试验结果

如图1和图2所示，光皮木瓜水煮片（2 mm厚）于100 ℃鼓风干燥8 h，失水率为77.64%，破壁粉于60℃鼓风干燥4 h，失水率为87.4%，相同时间效率提高40.6%，温度降低40 ℃。因此，破坏光皮木瓜组织结构能够有效提高烘干效率，且通过漂烫法抑制酶促褐变，同时较100 ℃烘干过程，60 ℃烘干能减少非酶褐变，粗粉色泽为淡黄色，未发红，而10 ℃烘干后粉体略有发红。课题组在预试验过程中发现，60 ℃烘干光皮木瓜切片48 h后，失水率仅为63.6%，无法进行球磨，无规模化生产应用价值。

图1 光皮木瓜切片100 ℃烘干失水率曲线

图2 光皮木瓜破壁粉60 ℃烘干失水率曲线

2.2 单因素试验结果

2.2.1 球磨时间对于粒径大小的影响

如图3所示，CK球磨粉粒径大小随着球磨时间延长而减小，10～40 min时，粒径下降迅速，粒径从（89.96±1.82）μm下降到（37.90±1.36）μm；40 min后，粒径下降速度减慢；至60 min时，粒径为（30.16±1.85）μm，较40 min时下降20.4%。

2.2.2 大小球比对于粒径大小的影响

如图4所示，粒径随大小球比减小而减小，说明小球增加，撞击点增加，有利于粒径减小。在40 min球磨条件下，大小球比为1：3～1：8，粒径大小从（38.90±0.07）μm降至（34.77±0.47）μm，下降10.61%。

2.2.3 球料比对粒径的影响

如图5所示，粒径随球料比的增加而减小，说明磨球数量增加，撞击点增多，有利于粒径减小。当球料比从5：1增至6：1时，粒径从（44.29±0.44）μm快速降至（31.12±0.37）μm；随后降速减缓，增加至10：1时，粒径大小为（29.69±0.72）μm，较6：1时下降4.6%。

图3 球磨时间对粒径大小的影响

图4 大小球比对粒径大小的影响

图5 球料比对粒径大小的影响

2.2.4 转速对粒径大小的影响

图6 球磨转速对粒径大小的影响

如图6所示，粒径大小随转速增加而减小，转速在400～600 r/min时，粒径快速减小，从（81.75±0.15）μm降至（38.22±0.51）μm；当转速继续增大至800 r/min时，粒径大小减至（37.78±0.17）μm，较600 r/min时下降1.15%。

结合单因素试验结果，根据规模化生产效率要求，选择球料比6：1，生产效率最高。同时通过响应面法考察球磨时间、大小球比及转速对于粒径大小的影响。

其次，资产购入后系统会为高校后勤仓库管理人员提供资产入库管理包，该包主要是用于新资产入库与入库相关信息维护，后勤仓库管理人员使用该包对资产入库信息进行严格审核把关。而当资产出库时，会提出资产出库管理包，主要为后勤仓库管理员提供信息维护服务，实现资产出入库的有效监控。出库时领物员也要申请子包，并由后勤仓库管理人员进行核对，最终准许固定资产出库。

2.3 响应面试验结果与分析

2.3.1 回归方程的建立与分析

按照Box-Behnken中心组合试验设计方法对球磨时间、大小球比、转速等因素进行考察，试验设计及结果如表2所示。

表2 Box-Behnken试验设计及响应结果

由表3结果可以得出，该回归方程模型极显著（p＜0.000 1），失拟项p=0.382 6＞0.05，不显著，利于模型；该模型的R2=0.995 1，R2Adj=0.988 9，C.V.=0.90%，以上数据说明该模型拟合性好，试验误差小[6]。根据ANOVA回归系数，得到球磨法制备光皮木瓜粉粒径大小的二次多元回归方程：

由方差结果可知，对球磨法制备光皮木瓜粉粒径大小影响的大小顺序为B大小球比＞C转速＞A球磨时间。且三者均达到极显著水平，二次项A2、B2、C2均极显著。考察各因素间交互作用，AB、BC存在交互作用，且达到显著水平。

2.3.2 因素交互作用响应面分析

按照回归方程绘制响应面图，并根据其形貌和疏密度，直观反映各因素的相互影响对球磨法制备光皮木瓜粉粒径的影响，如图7（a和b）所示，随着球磨时间增加，大小球比降低以及转速增加对粒径大小均有显著影响，两图曲面均向下凹陷，表明球磨时间与大小球比、大小球比与转速对于粒径大小影响显著，该结果与表3分析一致。

表3 回归方差模拟分析

图7 两因素交互作用对球磨法制备光皮木瓜粉的响应面

2.3.3 最佳制备工艺条件的确定和验证

利用Design-Expert 8.0.6软件对制备工艺最优条件进行预测，得到球磨法制备光皮木瓜粉最佳工艺参数：球磨时间46.65 min、大小球比1：8、转速755.05r/min，最优理论值为29.14 μm。根据实际生产条件，选择球磨时间47 min、大小球比1：8、转速750 r/min，在此条件下制备3次光皮木瓜粉，其粉体粒径大小为（29.22±1.01）μm，结果与理论值接近，说明该响应面回归模型可靠。

2.4 扫描电镜形貌观测

如图8所示，光皮木瓜经漂烫、破壁、离心、烘干，颗粒中含有大量纤维，粒径大小在100～300 μm之间，颗粒表面有一定卷曲；经球磨，D50为（29.22±1.01）μm，且颗粒断层平整，大小均一。

图8 球磨法制备光皮木瓜粉SEM图

3 结论

试验采用球磨法制备光皮木瓜粉，研究最佳制备工艺。研究发现，漂烫破壁法有助于较低温度条件下快速烘干，同时避免酶促褐变和非酶褐变，利用单因素试验分析不同因素对所制备的光皮木瓜粉粒径大小的影响，并采用响应面法得出最佳制备工艺。试验表明，影响粒径大小因素依次为B大小球比＞C转速＞A球磨时间；最佳制备工艺条件为球磨时间47 min、大小球比1：8、转速750 r/min，得到的粉体粒径大小为（29.22±1.01）μm。此次试验为规模化生产光皮木瓜粉提供了一定的参考依据。