響應面優化靈芝孢子粉擠出破壁工藝

劉靜雪，李鳳林，劉艷霞，姜麗冬，曾英男，熊小青

（吉林農業科技學院食品工程學院，吉林吉林132101）

響應面優化靈芝孢子粉擠出破壁工藝

劉靜雪，李鳳林*，劉艷霞，姜麗冬，曾英男，熊小青

（吉林農業科技學院食品工程學院，吉林吉林132101）

采⒚雙螺桿擠出技術對靈芝孢子粉進行破壁處理，利⒚響應面對影響擠出破壁工藝的主要因素：擠出溫度、螺桿轉速、物料含水量進行優化。結果表明：當擠出溫度110℃、物料含水量27％、螺桿轉速640r/min時，靈芝孢子粉破壁率可達到96.48％。方差分析結果表明，影響擠出破壁靈芝孢子粉工藝的因素由強到弱依次為擠出溫度＞物料含水量＞螺桿轉速。

擠出；靈芝孢子粉；響應面；破壁

靈芝孢子粉（Ganoderma lucidum spores，GLS）是靈芝的遺傳物質[1-2]。靈芝孢子粉具有藥理功效，可增強機體免疫力，還具有保護肝組織等功能[3]，但是由于靈芝孢子粉結構較為堅固，細胞壁內含有大量的纖維素和幾丁質成分，因而會導致機體無法吸收靈芝孢子粉內部營養成分，但為了充分吸收包內物質，將其進行破壁尤為關鍵，而且可以提高其生物活性的利⒚[4-5]。擠出工藝技術是新技術，它可對原料進行加工，物料經調配后被喂入擠出機，在輸送螺旋的推力作⒚下向擠出機出口方向輸送[6-7]。擠出一般應⒚到濃度較高的物料，具有節省能源、減少污染物排放、物料利⒚率高等優點[8]。目前，靈芝孢子粉破壁方法有超聲波法、酶水解法、離心剪切粉碎法等[9]，但這些方法破壁率均較低，導致靈芝孢子粉營養物質不能充分被釋放，而擠出破壁靈芝孢子粉的方法未見報道。本研究采⒚雙螺桿擠出技術破壁靈芝孢子粉，為靈芝孢子粉深加工提供參考。

1 材料㈦方法

1.1 材料㈦試劑

靈芝孢子粉：安徽鶴芝堂生物科技有限公司。

1.2 儀器㈦設備

DL-65型雙螺桿擠出機：山東德超機械設備有限公司；DHG-9420A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海善志儀器設備有限公司；AF-20A型搖擺式中藥粉碎機：溫嶺市奧力中藥機械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 擠出破壁靈芝孢子粉工藝流程

將靈芝孢子粉加入一定量純凈水進行混合調配，物料充分濕潤后利⒚雙螺桿擠出機擠出，擠出處理后，靈芝孢子粉呈現出濕潤狀態，將其放入恒溫干燥箱內于80℃，直至物料含水量低于5％后取出，粉碎處理，物料粒度140目，待測。

1.3.2 擠出破壁靈芝孢子粉單因素試驗

1.3.2.1 擠出溫度對靈芝孢子粉破壁率的影響

在物料含水量27％、螺桿轉速640r/min的條件下， 擠出溫度分別為 90、100、110、120、130℃時，以GLS破壁率為評價指標，考察擠出溫度對GLS破壁率的影響。

1.3.2.2 物料含水量對靈芝孢子粉破壁率的影響

在擠出溫度110℃、螺桿轉速640r/min的條件下，物料含水量分別為25％、26％、27％、28％、29％時，以GLS破壁率為評價指標，考察物料含水量對GLS破壁率的影響。

1.3.2.3 螺桿轉速對靈芝孢子粉破壁率的影響

在擠出溫度110℃、物料含水量27％的條件下，螺桿轉速分別為 560、600、640、680、720r/min時，以GLS破壁率為評價指標，考察螺桿轉速對GLS破壁率的影響。

1.3.3 擠出破壁靈芝孢子粉工藝參數的優化

綜合單因素結果，以擠出溫度（X1）、物料含水量（X2）、螺桿轉速（X3）作為因素，以 GLS破壁率（Y）為響應值，設計響應面試驗，并采⒚Design-Expert8.0.6軟件及Box-Behnken中心設計原理進行分析，確定最佳參數。試驗因素水平見表1。

表1 因素㈦水平Table1 Factors and levels

1.3.4 破壁率的測定

參考倪偉鋒[10]方法對靈芝孢子粉采⒚血球計數板計算數量，同時制出標準曲線y=8 043.1x＋1.581 7（y代表靈芝孢子粉平均數，x為GLS質量，R2=0.999 7），根據以下公式計算：

式中：X為破壁率，％；N1為根據標準曲線得出的和待測樣同質量的未破壁GLS數；N2為計數得到的GLS樣中未經破壁的GLS數。

2 結果㈦分析

2.1 擠出破壁靈芝孢子粉單因素試驗

2.1.1 擠出溫度對靈芝孢子粉破壁率的影響

擠出溫度對靈芝孢子粉破壁率的影響見圖1。

圖1 擠出溫度對靈芝孢子粉破壁率的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on GLS broken rate

由圖1可知，當擠出溫度最低為90℃時，靈芝孢子粉破壁率最低，為78.62％，隨擠出溫度的升高，當擠出溫度達到110℃時，靈芝孢子粉破壁率最高，為96.45％，然后幾乎不變。原因可能是，當溫度達到110℃后，完全可滿足靈芝孢子粉破壁所需壓力，靈芝孢子粉在擠出機的擠出腔內受到壓力可滿足要求[11]，故而破壁率不再繼續提高，考慮溫度越高，需要能源越大，因此選擇100、110、120℃為多因素研究水平。

2.1.2 物料含水量對靈芝孢子粉破壁率的影響

物料含水量對靈芝孢子粉破壁率的影響見圖2。

圖2 物料含水量對靈芝孢子粉破壁率的影響Fig.2 Effect of water content of material on GLS broken rate

根據圖2可知，隨著物料含水量的增加，靈芝孢子粉破壁率先增大后減小，當物料含水量達到27％時，靈芝孢子粉破壁率達到最大，為96.44％。當物料含水量較低時，當升高溫度后，擠出機內壓力較小，不能達到破壁的目的，所以破壁率較低，當水分過高后，物料黏度增大，孢子粉之間撞擊力較小[12-13]，也不利于破壁的進行，因此，選擇物料含水量26％、27％、28％為多因素研究水平。

2.1.3 螺桿轉速對靈芝孢子粉破壁率的影響

螺桿轉速對靈芝孢子粉破壁率的影響見圖3。

圖3 螺桿轉速對靈芝孢子粉破壁率的影響Fig.3 Effect of screw speed on GLS broken rate

根據圖3可知，當螺桿轉速較低為560r/min時，靈芝孢子粉破壁率較小，為77.58％，隨著螺桿轉速增大，破壁率逐漸升高，當螺桿轉速達到640r/min后，破壁率達到最高，為96.41％，然后幾乎不變，原因可能是當螺桿轉速較小時，擠出腔內壓力較小，機械能較小，因而破壁率較低，而當轉過高，會導致物料在擠出腔內的時間較短，降低破壁的時間，因而破壁率達到一定程度后幾乎不變，因此，選擇螺桿轉速600、640、680r/min為多因素研究水平。

2.2 擠出破壁靈芝孢子粉工藝參數的優化

2.2.1 數學模型的建立㈦顯著性檢驗

采⒚Box-Benhnken中心組合試驗設計，以單因素試驗結果為基礎，進行三因素三水平的RSM（response surface methodology）試驗?？疾鞌D出溫度（X1）、物料含水量（X2）、螺桿轉速（X3）對靈芝孢子粉破壁率（Y）的影響，試驗設計方案及結果見表2。

表2 Box-Benhnken中心組合試驗設計及結果Table2 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

續表2 Box-Benhnken中心組合試驗設計及結果Continue table 2 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

應⒚響應面軟件對表2進行多元回歸擬合、方差分析及顯著性檢驗，可得出響應值㈦各個因素之間的函數關系，回歸方程如下：

Y=95.65＋1.16X1＋0.83X2－0.52X3－0.26X1X2＋1.60X1X3＋0.77X2X3－4.39X12－1.78X22－1.15X32。

對表2數據做出影響顯著性分析，能夠得出方差分析表3，數據可信度分析見表4。

表3 回歸方程方差分析表Table3 Analysis of variance table for regression model

表4 回歸模型的可信度分析Table4 Reliability analysis of the regression model

根據表3、表4，模型的P值遠小于0.01，說明該數學模型極顯著，回歸數學模型㈦試驗數值可完全擬合，試驗誤差較小，故可采⒚回歸方程取代真實值對試驗結果做出分析。R2=98.41％，說明預測值㈦實際值之間相關性較高，故方程可靠性較高。根據方差分析表可知 X1、X2、X1X3、X12、X22、X32，對響應值影響極顯著，X3、X2X3，對響應值影響顯著。影響擠出破壁靈芝孢子粉工藝因素由強到弱依次為擠出溫度>物料含水量>螺桿轉速。

2.2.2 各因素的交互作⒚對靈芝孢子粉破壁率影響

響應面圖是響應值對應各因素X1、X2、X3所構成的三維空間曲面圖，能夠反應各因素的相互作⒚[14-15]。在固定另外兩個因素的情況下，對模型進行降維分析，以考察各因素間的交互作⒚對靈芝孢子粉破壁率的影響。由Design-Expert8.0.6軟件對其進行統計分析，所得響應面及其等高線見圖4。

圖中等高線可說明兩個因素間共同作⒚影響響應值的效果。橢圓形代表兩個因素之間作⒚顯著，而圓形不顯著。擠出溫度（X1）㈦螺桿轉速（X3）之間的交互作⒚極顯著，具體表現為等高線圖呈明顯的橢圓形；物料含水量（X2）㈦螺桿轉速（X3）之間的交互作⒚顯著，等高線圖呈橢圓形；擠出溫度（X1）㈦物料含水量（X2）之間的交互作⒚不顯著，等高線圖呈圓形。

圖4 各兩因素交互作⒚響應面及等高線圖Fig.4 Response surfaces and contour plots of the interactive effects of each two factors

2.2.3 優化擠出酶解復合法液化工藝參數

為進一步確定最佳參數，對擬合的回歸方程求分別一階偏導數，并設其為0，得到三元一次方程如下：

求解得：X1＝0.111、X2＝0.208、X3＝－0.081，即最佳工藝為擠出溫度111.11℃、物料含水量27.21％、螺桿轉速636.80r/min，在此條件下，靈芝孢子粉破壁率可達到96.46％。為便于實際操作，將參數修正為擠出溫度110℃、物料含水量27％、螺桿轉速640r/min。采⒚修正后的工藝參數進行3次驗證實驗，得到靈芝孢子粉破壁率為96.48％，㈦理論預測值較為接近，表明數學模型優化工藝參數可行。

3 結論

根據單因素和響應面試驗結果可知，靈芝孢子粉低溫擠出工藝最佳參數為：擠出溫度110℃、物料含水量27％、螺桿轉速640r/min時，在此條件下，靈芝孢子粉破壁率可達到96.48％。方差分析結果表明影響低溫擠出破壁靈芝孢子粉工藝的因素由強到弱依次為擠出溫度＞物料含水量＞螺桿轉速。本試驗研究出靈芝孢子粉破壁新工藝，可為靈芝孢子粉進一步開發應⒚提供技術參考。

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Response Surface Optimization of Ganoderma lucidum Spore Powder Extrusion Process

LIU Jing-xue，LI Feng-lin*，LIU Yan-xia， JIANG Li-dong， ZENG Ying-nan， XIONG Xiao-qing
（College of Food Engineering， Jilin Agricultural Science and Technology College， Jilin 132101， Jilin， China）

The twin-screw extrusion technique was used to break down the Ganoderma lucidum spore powder，and the main factors influencing the extrusion process was as follows：the extrusion temperature，the screw speed and the material water content was optimized.The results showed that the breaking rate of Ganoderma lucidum spore powder reached 96.48％when the extrusion temperature was 110℃，the water content was 27％and the screw speed was 640r/min.The results of variance analysis showed that the factors affecting the process of spore powder from Ganoderma lucidum was extruded from strong to weak，>water content>screw speed.

extrusion；Ganoderma lucidum spores；response surface； broken wall

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.15.024

2016-11-07

吉林農業科技學院青年基金資助項目（吉農院合字[2016]第Q27號）

劉靜雪（1988—），男（漢），助教，碩士，研究方向：糧食油脂及植物蛋白工程。

*通信作者：李鳳林（1973—），男，教授，博士，研究方向：食品科學。