仙草热泵干燥工艺优化

劳琪珍，唐小闲，咸兆坤，段振华，刘艳，陈振林

（1.贺州学院 食品与生物工程学院/食品科学与工程技术研究院，广西 贺州 542899；2.广西康养食品科学与技术重点实验室，广西 贺州 542899；3.大连工业大学 食品学院，辽宁 大连 116034；4.贺州学院 建筑与电气工程学院，广西 贺州 542899）

仙草（Mesona），又称凉粉草、仙人草，为唇形科植物，主要种植在我国台湾、江西、广东、福建、广西等地区[1]，资源丰富，价格低廉，产品开发利用前景广阔[2]。仙草含有丰富的营养成分，如蛋白质、氨基酸、维生素等，富含功能活性物质，如色素、多糖、黄酮等以及矿物质如钙、锌、铁、锰、钾等[3]。仙草干中大约含有20%仙草凝胶，其主要成分为凝胶多糖[4]，具有抑菌和抗氧化等功能[5]，仙草多糖在企业中主要用于生产凉粉、凉茶、烧仙草等产品[6]。

企业通过收购仙草提取凝胶多糖生产各类仙草产品，其中影响仙草采购价格主要因素为仙草多糖提取率。当前，农户在采收仙草时，仍然采用传统自然晾晒方式对其进行脱水干制，仙草自然晾晒干燥时间需长达72 h，且极易受天气等自然条件和晾晒环境限制，直接影响仙草干制效果、仙草多糖提取率和仙草产品品质。

热泵干燥技术，具有高效节能、热效率高、操作简单、处理量大等特点，并能较好地保持物料的品质，已被广泛应用在工业生产领域[7]。陈壮耀[8]研究发现热泵干燥桑葚果，不仅能保留桑葚的大部分活性物质、提高产品品质，且产品含水量稳定，经济效益显著。沈文龙等[9]研究表明杏鲍菇热泵干燥工艺条件为初温度50 ℃、升温7 ℃、物料密度2.9 kg/m2。彭钰航等[10]优化胡萝卜的热泵干燥工艺，得到最佳工艺为初始温度54.10 ℃、干燥温升9.25 ℃、厚度3.8 mm。目前，采用响应面法优化仙草热泵干燥工艺条件的研究还鲜有报道。

本试验采用Box-Behnken 设计，以干燥温度、装载量、干后含水量为主要因素，考察其对仙草多糖提取率的影响，确定仙草热泵干燥的最佳工艺参数，以期为仙草加工提供一定的指导依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

新鲜仙草：市售；浓硫酸：山东盈和化工有限公司；葡萄糖：茂名市雄大化工有限公司；苯酚：广东翁江化学试剂有限公司；碳酸钠：苏州翔宏环保科技有限公司；无水乙醇：贵州龙和能源有限责任公司。试剂均为分析纯。

1.1.2 主要仪器设备

热泵干燥机（ZWH-KFY-BT4I）：东莞市正旭新能源设备科技有限公司；高速万能粉碎机（H-1）：浙江屹立工贸有限公司；可见分光光度计（722）：重庆纳格雅科技有限公司；分析天平（HZT-JA500）：青岛佳鼎分析仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

新鲜仙草→清洗→切段→称重→铺料→热泵干燥→粉碎→仙草多糖提取

操作要点：新鲜仙草的初始湿基含水率为89.18%。将新鲜仙草切至长为（3.0±0.5）cm，称取仙草段铺在料筐上，放入热泵干燥室，在一定条件下进行干燥，仙草干燥至所需含水量取出，粉碎装袋，记录试验数据。

1.2.2 单因素试验

1.2.2.1 干燥温度对仙草多糖提取率的影响

在切段仙草装载量0.67 kg/m2、干后含水量15%条件下，考察干燥温度（50、55、60、65 ℃）对仙草多糖提取率的影响。

1.2.2.2 装载量对仙草多糖提取率的影响

在干燥温度60 ℃、干后含水量15%条件下，考察切段仙草的装载量（0.67、1.00、1.33、1.67、2.00 kg/m2）对仙草多糖提取率的影响。

1.2.2.3 干后含水量对仙草多糖提取率的影响

在切段仙草装载量1.00 kg/m2、干燥温度60 ℃条件下，考察干后含水量（5%、10%、15%、20%、25%）对仙草多糖提取率的影响。

1.2.3 响应面优化试验设计

采用Box-Benhnke 试验设计原理，自变量为干燥温度（A）、装载量（B）、干后含水量（C），响应值为多糖提取率（Y），响应面试验的因素及水平见表1。

表1 响应面试验设计的因素及水平Table 1 Factors and levels of the response surface test design

1.2.4 仙草含水率的测定

仙草含水率（以干基表示）按公式（1）计算。

式中：Gt为干燥至t 时的仙草含水率，%；St为干燥至t 时的仙草质量，g；Sm为绝对干燥的仙草质量，g。

1.2.5 仙草多糖含量的测定

1.2.5.1 葡萄糖标准曲线的绘制

参照文献[11]的方法，绘制葡萄糖标准曲线如图1所示，回归方程为y=9.117 1x+0.048 8，R2=0.998 5。

图1 葡萄糖标准曲线Fig.1 Glucose standard curve

1.2.5.2 仙草多糖提取率测定

参照文献[6]的方法，将仙草干粉碎至80～100 目，称取5.0 g，加入0.012 5 mol/L 碳酸钠溶液按照料液比1∶35（g/mL），420 W 微波炉下加热90 s，90 ℃水浴提取1 h，过滤合并提取液，于25 ℃、4 000 r/min 离心10 min，上清液采用真空抽滤去杂质；滤液浓缩至10 mL，加入95%乙醇溶液，于25 ℃、4 000 r/min 离心10 min，取沉淀物经无水乙醇洗涤后干燥脱水即为多糖样品。

取1 mL 多糖提取液稀释到一定倍数，加入1 mL 5%苯酚和5 mL 浓硫酸，静置30 min，于30 ℃水浴20 min，以蒸馏水为空白对照，于490 nm 测定吸光度，代入葡萄糖标准曲线方程得到样品中仙草多糖含量。仙草多糖提取率按公式（2）计算。

式中：W 为仙草多糖提取率，%；C 为样品溶液多糖的浓度，mg/mL；V 为碱液体积，mL；N 为样液的稀释倍数；M 为仙草质量，g。

1.3 数据处理

试验数据采用Origin 2018 和SPSS 2019 软件进行绘图分析，Design-Expert 8.0.6 软件对试验数据进行优化分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 干燥温度对仙草多糖提取率的影响

干燥温度对仙草多糖提取率的影响见图2。

图2 干燥温度对仙草多糖提取率的影响Fig.2 Effect of the drying temperature on the extraction rate of polysaccharide from Mesona

干燥过程中糖类物质降解成单糖或发生美拉德反应，都会使总糖含量下降[12]。由图2 可知，热泵干燥仙草，在恒定装载量、干后含水量条件下，干燥温度为50～60 ℃时，仙草多糖提取率随着干燥温度升高而增大，当干燥温度升高到60 ℃时，多糖提取率升高到最高值，为7.33%。而当干燥温度大于60 ℃时，多糖提取率随温度升高而降低。可能随着温度的升高，仙草中水分扩散速度加快，干燥到一定含水率所用时间相应缩短，使得多糖结构被破坏程度减少，但干燥温度过高会导致多糖加速分解，在一定程度上使多糖结构断裂或卷曲，多糖降解为单糖或低聚糖，从而影响样品提取多糖[8]，这与徐兰芳等[13]研究结果相一致。所以选择干燥温度55、60、65 ℃进行响应面优化试验。

2.1.2 装载量对仙草多糖提取率的影响

装载量对仙草多糖提取率的影响见图3。

图3 装载量对仙草多糖提取率的影响Fig.3 Effect of the loading capacity on the extraction rate of polysaccharide from Mesona

由图3 可知，在恒定干燥温度、干后含水量条件下，仙草多糖提取率随着装载量增加先增大后减小，当装载量为1.00 kg/m2时，仙草多糖提取率达到最高值，为8.422%。但当装载量超过1.00 kg/m2时，多糖提取率随装载量增加呈现下降趋势。原因是当干燥温度恒定，装载量小于1.00 kg/m2时，单位质量仙草吸收热能较高，温度过热，引发焦糖化反应、美拉德反应，从而造成糖类物质损耗[14]，多糖降解从而含量减少；当装载量大于1.00 kg/m2时，单位质量仙草吸收热能随装载量增加而减少，干燥速率变慢，仙草干燥至指定含水量所需要干燥时间延长，物料中糖类物质发生美拉德反应的时间延长，导致物料中多糖进一步降解，引起部分多糖结构变化进而使提取率降低[15-16]。所以选择装载量0.67、1.00、1.33 kg/m2进行响应面优化试验。

2.1.3 干后含水量对仙草多糖提取率的影响

干后含水量对仙草多糖提取率的影响见图4。

图4 干后含水量对仙草多糖提取率的影响Fig.4 Effect of the water content after drying on the extraction rate of polysaccharide from Mesona

由图4 可知，在恒定干燥温度、装载量条件下，仙草多糖提取率随着干后含水量提升先增大后减小，当干后含水量为10%时，仙草多糖提取率达到最高值，为9.310%。但干后含水量超过10%，其多糖提取率呈急剧下降趋势。原因可能是当干后含水量小于10%时，干后含水量越低，干燥所需干燥时间越长，仙草中多糖类物质被破坏影响加大，从而多糖提取率降低[17]；样品含水量影响碱液吸收程度及提取多糖得率，因为干燥后仙草需吸收一定碱液才能充分溶胀，溶胀后更有利于样品中多糖溶出，干燥后仙草吸收的碱液过少，多糖不能充分溶出，造成多糖提取率降低[18-19]。所以选择干后含水量为5%、10%、15%进行响应面优化试验。

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面试验模型与方差分析

根据响应面的设计原理，设计三因素三水平的17组试验，响应面试验方案设计及与结果见表2。

表2 响应面试验方案设计及结果Table 2 Design and results of the response surface test scheme

采用Design-Expert 8.0.6 软件进行回归分析，最终得到关于干燥温度、装载量、干后含水量对多糖提取率的二次多项式回归模型，回归方程：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。回归方程方差分析见表3。

表3 回归方程方差分析Table 3 Variance analysis of the regression equation

由表3 方差分析结果可知，模型P 值为0.000 5，表明该模型极显著；失拟项P＞0.05，即失拟项不显著。R2=0.987 7，R2Adj=0.960 7，表明可用该回归方程对试验结果进行分析。模型中B、C、AC、BC、A2、C2对仙草多糖提取的影响极显著（P＜0.01），A、AB、B2对仙草多糖提取率的影响不显著。各因素对仙草多糖提取率的影响大小依次为C＞B＞A，即干后含水量＞装载量＞干燥温度。

2.2.2 各因素之间交互关系及结果

探究干燥温度、装载量、干后含水量对多糖提取率的影响，两两因素之间的响应曲面图和等高线图如图5～图7 所示。

图5 干燥温度与装载量的响应曲面和等高线Fig.5 Response surface and contour of the loading capacity and drying temperature

图6 干燥温度与干后含水量的响应曲面和等高线Fig.6 Response surface and contour of the water content after drying and drying temperature

图7 装载量与干后含水量的响应曲面和等高线Fig.7 Response surface and contour of the water content after drying and loading capacity

响应面中曲线陡峭程度越大，代表其影响越大，反之则越小[20]。等高线图越椭圆代表其交互作用越显著，越圆代表其交互作用不显著[21]。由图5～图7 可知，干燥温度和干后含水量交互作用，以及装载量和干后含水量交互作用的响应曲面较陡峭，等高线图呈椭圆形，可知交互项AC、BC 对热泵干燥仙草提取率具有显著影响（P＜0.01），交互项AB 对热泵干燥仙草无显著影响，与方差分析结果一致。

2.2.3 工艺预测及验证

通过Design-Expert 8.0.6 软件分析得到，仙草热泵干燥工艺最优条件为干燥温度64.95 ℃、装载量0.67 kg/m2、干后含水量5.30%，仙草多糖提取率的预测值为12.24%。考虑到实际情况，最佳工艺条件调整为干燥温度65 ℃、装载量0.70 kg/m2、干后含水量5%，进行5 次平行验证，得到仙草多糖提取率为12.31%，与预测值相对误差为0.57%，因此可采用响应面优化对仙草热泵干燥工艺进行预测和分析。

3 结论

本研究以仙草为原料，考察了干燥温度、装载量、干后含水量对仙草多糖提取率的影响，在单因素试验的基础上，通过响应面优化设计，得到仙草热泵干燥最优工艺条件为干燥温度65 ℃、装载量0.70 kg/m2、干后含水量5%。在此条件下，仙草多糖提取率为12.31%，与预测值（12.24%）相对误差为0.57%。表明该模型对试验结果拟合情况较好，可利用响应面法对仙草干燥工艺进行预测与分析，为仙草加工工业提供一定的理论依据。