Box-Behnken 响应面法优化地参咀嚼片辅料配比工艺

◎ 黄运安，郭艳红，杨秀立

（1.贵州食品工程职业学院，贵州 贵阳 551400；2.贵州省剑河县金水湾生态农业专业合作社，贵州 剑河 556400）

地参（Lycopus lucidusTurcz.）是唇形科（Labiatae）地笋属（LycopusL.）植物硬毛地笋的地下根茎，又被称为虫草参、地笋、虎兰草石蚕等，其地上部分为传统中药材泽兰[1-2]。地参作为一种传统的药用植物，具有化瘀止血、益气利水之功效，同时可作为蔬菜，常以油炸、煮汤或腌制食用，被誉为“蔬菜珍品”[3-4]。据研究[5-6]，地参总糖含量46.14%，多糖含量高达14.41%，含有17 种氨基酸，其中7 种是人体必需氨基酸，维生素B2、维生素PP、维生素C 含量丰富，矿物质种类多达18 种，其中钙含量高达423.16 mg/100 g。现代医学研究表明，地参具有抗氧化[7-8]、抗肿瘤[9-10]、抑制血管炎[11-12]、增强免疫[13-14]、降血糖和降血脂作用[15-16]。

由于当代生活的快节奏和人们对健康关注度的日益增强，咀嚼片作为一种新型片剂食品，其形状多样、食用方便、易被消化吸收，且具有质量稳定性好、便于生产运输的优点，是当下最流行的食品加工方法之一[17-19]。为充分开发利用地参资源，以地参粉为原料，以微晶纤维素、硬脂酸镁、羧甲基淀粉钠为压片辅料，采用直接压片法制备地参咀嚼片，通过单因素和Box-Behnken响应面试验，结合多指标综合评分法优化地参咀嚼片的辅料配比，以期为开发地参资源新产品提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

地参，贵州省剑河县金水湾生态农业专业合作社；硬脂酸镁、羧甲基淀粉钠、微晶纤维素，食品级，河南万邦实业有限公司。

1.2 试验设备

电子天平（PX2202ZH 型），上海奥豪斯仪器有限公司；多功能粉碎机，广州市旭朗机械设备有限公司；小型单冲压片机（DP-12 型），上海天峰制药设备有限公司；质构分析仪（TA.XTC-18 型），上海保圣实业发展有限公司；电热恒温鼓风干燥器，常州金坛精达仪器制造有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 地参咀嚼片的制备

分别将原辅料过100 目筛备用，准确称量地参粉、微晶纤维素、硬脂酸镁、羧甲基淀粉钠并均匀混合，然后装填至10 mm 直径的压片模具中，调整压力后，用单冲压片机直接压片，然后置于65 ℃电热恒温鼓风干燥器2 h 后得到成品地参咀嚼片。

1.3.2 片重差异的测定

取20 片地参咀嚼片成品，进行称重计算平均质量，再逐片进行称重，并与平均重量进行比较，平均片重小于0.3 g 的片重差异限度为±7.5%，平均片重达到或超过0.3 g 的片重差异限度为±5.0%[20]。

1.3.3 硬脆度测定

采用TA.XTC-18 型质构分析仪测定地参咀嚼片的硬度和脆性，选择测试探头P/5，下压模式，测前速度 1.00 mm·s-1，测中速度 0.50 mm·s-1，测后速度10.00 mm·s-1， 位 移 目 标 数 值3.000 mm， 触 发 力5.000 gf，以硬度和脆性为指标，对每组样品进行5 次平行测定，去掉最小值和最大值后，计算平均值。

1.3.4 单因素试验

地参咀嚼片质量评价指标为片重差异（A）、硬度（B）和脆性（C），单因素试验分别考察微晶纤维素添加量（5%、10%、15%、20%、25%）、羧甲基淀粉钠添加量（6%、8%、10%、12%、14%）和硬脂酸镁添加量（0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%）对地参咀嚼片质量的影响。

1.3.5 响应面优化试验

在单因素试验基础上，选择微晶纤维素添加量（A）、硬脂酸镁添加量（B）、羧甲基淀粉钠添加量（C）为自变量，以多指标综合评分（Q）为响应值，采用Design-Expert 软件进行3 因素3 水平Box-Behnken 试验设计和分析，并筛选最优配方，响应面试验因素和水平见表1。

表1 响应面分析因素与水平表

1.3.6 多指标综合评分

1.2.1.2.3清扫由副组长列出值日表，落实到人，严格执行治疗室的清洁工作，建立卫生规范，打扫要彻底，脏污要清除干净，不留死角，桌面及地面每日用消毒剂擦拭两次，同时也可要求保洁人员参与其中，共同维护工作场所干净、明亮，对于医疗垃圾处理，要遵守相关规定严格执行。

根据片剂的相关质量标准和要求[20-21]，片重差异限度为±5%，脆性应＜1%，即a、c越小越好，为了便于咀嚼，硬度应控制在120 N以下，且应大于70 N，即b在一定范围内越大越好。根据这些指标的控制要求和它们对成型性的影响，将其转化为相同当量的数值，进行多指标综合评分，具体计算见式（1）。

式中：Q为无量纲多指标综合评分；a为片重差异，%；b为硬度，N；c为脆性，%。

1.4 数据统计分析

所有试验至少重复3 次，试验数据分析采用Origin 2021 软件进行分析和绘图，Box-Behnken 试验采用Design-Expert 13 软件进行设计和分析。

2 结果与分析

2.1 地参咀嚼片压片辅料配比单因素试验结果

2.1.1 微晶纤维素添加量的影响

由图1 可以看出，在5%～15%范围内，随着微晶纤维素添加量的增加，地参咀嚼片的片重差异急剧减小，主要是因为微晶纤维素具有较强亲水性和黏合性，改善了物料的流动特性。地参咀嚼片的硬度随着微晶纤维素添加量的增加而增大，与邓楷等[22]的研究结果相同。当添加量小于15%时，地参咀嚼片脆性随着微晶纤维素添加量增加而减小，这主要由于微晶纤维素发生塑性形变，当微晶纤维素添加量大于15%时，地参咀嚼片脆性明显增大，主要是由于添加量增大时，微晶纤维素亲水性增强。综上所述，最佳添加量定为15%。

图1 微晶纤维素添加量对地参咀嚼片质量的影响图

图2 硬脂酸镁添加量对地参咀嚼片质量的影响图

2.1.2 硬脂酸镁添加量的影响由图

2 可以看出，在0.4%～0.6%内，地参咀嚼片的片重差异随着硬脂酸镁添加量增加而急剧减小，这主要因为硬脂酸镁具有润滑作用，可以提高干物料的流动性，使填充更稳定，同时，硬脂酸镁的添加可以防止压片过程中物料黏冲，增加压片表面光滑度。当添加量大于0.6%时，地参咀嚼片的片重差异随着硬脂酸镁添加量呈轻微增大趋势，这是因为硬脂酸镁的添加量较大影响压片的黏合，这与地参咀嚼片的硬度变化呈减小的结果一致。类似地，地参咀嚼片的脆性随着硬脂酸镁添加量增大呈现缓慢减小趋势。综上所述，最佳添加量定为0.6%。

2.1.3 羧甲基淀粉钠添加量的影响

由图3 可知，在6%～10%内，地参咀嚼片片重差异随着羧甲基淀粉钠添加量的增大而减小，当添加量达到10%～12%时，地参咀嚼片片重差异变化不明显，当添加量达到14%时，地参咀嚼片片重差异增大。随着羧甲基淀粉钠添加量的增加，地参咀嚼片硬度增大，当添加量达到12%～14%时，地参咀嚼片硬度增加不明显，这主要是羧甲基淀粉钠对物料增黏作用的结果。随着羧甲基淀粉钠添加量的增加，地参咀嚼片脆度呈缓慢降低趋势，这可能与羧甲基淀粉钠的亲水性和保水性有关。综上所述，最佳添加量定为10%。

图3 羧甲基淀粉钠添加量对地参咀嚼片质量的影响图

2.2 地参咀嚼片辅料配比优化结果与分析

2.2.1 Box-Behnken 试验结果分析

Box-Behnken 试验结果见表2。对表2 试验数据进行多元回归拟合，得到二次多项数学回归方程为

表2 Box-Behnken 试验结果表

由表3可以看出，Q的回归模型极显著（P＜0.01），表明该模型能够有效地揭示各因素与响应值Q之间的真实关系，从而可以利用该模型确定地参咀嚼片的最佳压片辅料配比。失拟项不显著（P＞0.05），说明残差是由随机误差引起。由表3 中偏差平方和可知，影响地参咀嚼片制备工艺的因素影响大小为B硬脂酸镁添加量＞A微晶纤维素添加量＞C羧甲基淀粉钠添加量。表3 中模型一次项、二次项以及交互项AB的作用极显著（P＜0.01），说明微晶纤维素、硬脂酸镁、羧甲基淀粉钠添加量以及微晶纤维素和硬脂酸镁添加量交互作用对地参咀嚼片品质影响极显著，交互项BC的作用显著（P＜0.05），说明硬脂酸镁和羧甲基淀粉钠添加量交互作用对地参咀嚼片品质影响显著。该模型校正决定系数R2adj=0.998 7，表明模型的拟合程度很高；而模型的复相关系数为R2=0.999 4，说明该模型适合实际情况，可用于本次试验的预测，变异系数CV值为0.59%，说明该模型方程的可信度高，可用于分析响应值的变化。

表3 Box-Behnken 试验结果二次回归方差分析表

2.2.2 响应面和等高线图分析

根据二次多项数学回归方程作各因素的响应面和等高线分析图，结果见图4。模型的响应曲面三维图的坡度越大、等高线形状越扁平，各因素之间的相互影响就越大[17,23]。因此，由图4 可看出，微晶纤维素和羧甲基淀粉钠添加量的交互作用对地参咀嚼片品质影响不显著，硬脂酸镁添加量和微晶纤维素的交互作用、硬脂酸镁和羧甲基淀粉钠添加量的交互作用对地参咀嚼片品质影响显著，这与表3 分析结果一致。

图4 各因素交互作用对地参咀嚼片品质影响的响应曲面及等高线图

2.2.3 最优辅料配比的确定及验证试验

通过Design-Expert 软件优化模块得出最优配比为微晶纤维素添加量17.26%、硬脂酸镁添加量0.66%、羧甲基淀粉钠添加量10.68%，结果见表4。此时，模型预测地参咀嚼片多指标综合评分的最大值为45.27 分。对预测最优值进行验证，为了方便实际操作，将微晶纤维素、硬脂酸镁、羧甲基淀粉钠最优配比分别修订为17.3%、0.7%和10.7%，按修订最优配方进行验证试验，地参咀嚼片多指标综合评分平均值为44.96 分，实际值与预测值误差率0.69%＜1%，说明建立的模型能较好地反映各因素的影响情况。因此，响应面法优化地参咀嚼片辅料配比结果是可取的。

表4 地参咀嚼片压片辅料最优配比表

3 结论

以地参粉为原料，微晶纤维素、硬脂酸镁、羧甲基淀粉钠为压片辅料，采用直接压片法制备地参咀嚼片，微晶纤维素添加量、硬脂酸镁添加量、羧甲基淀粉钠添加量、微晶纤维素和硬脂酸镁添加量交互作用、硬脂酸镁和羧甲基淀粉钠添加量交互作用对地参咀嚼片品质影响显著。地参咀嚼片辅料微晶纤维素、硬脂酸镁、羧甲基淀粉钠的最优配比分别为17.3%、0.7%和10.7%，按此配比制备的地参咀嚼片质地结实，表面光滑，色泽均匀，硬度适中，有一定咀嚼性和地参的特有风味，地参咀嚼片的片重差异为1.19%，硬度为98.18 N，脆性为0.37%，多指标综合评分平均值为44.96 分，符合咀嚼片的相关要求。