茯苓浸膏超聲強化干燥工藝優化

于斌，朱文學，白喜婷，馬怡童，李寧

（1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽471023；2.河南省農產品干燥裝備工程技術研究中心，河南洛陽471023）

茯苓為多孔菌科真菌茯苓Poria cocos（Schw.）Wolf的干燥菌核，是我國沿用千年的傳統名貴中藥材[1]。茯苓性味甘、淡、平，歸心、肺、脾、腎經，載于《神農本草經》，被譽為“仙藥之上品”[2]。可以與多種藥物配伍，有“十藥九茯苓”之說。現代研究表明茯苓具有滲濕利尿、寧心安神、和胃健脾、抑菌、增強機體抗病能力及降低血糖等藥理作用[3]，茯苓提取物中富含多糖，其比較黏稠，其黏度隨著水分的減少而增大，使傳熱傳質更加困難。茯苓難以干燥，目前在中藥制劑中，只使用茯苓浸提后的真空濃縮物，使其使用范圍大大受限制。

黏稠物料的干燥技術，目前主要有真空、冷凍、熱風、噴霧以及真空帶式干燥等[4]。熱風耗能大，效率低；冷凍效果好但是設備結構復雜、耗能大，占地多，因而成本高；噴霧干燥速度相對較快，產品品質好，純度高[5]，但是對于黏稠物料容易造成粘壁現象。真空帶式干燥比較適合干燥易氧化，高黏稠的物料，但是設備結構復雜，操作復雜，對于流動性稍強的粘稠物料的涂布效果差[6]。

超聲波是一種頻率高于20 kHz的彈性波，可以使介質粒子振動并引起超聲空化現象，從而使質點運動增加，物料內部結構變化[7-9]。空化效應產生強大的沖擊波，造成水分子的湍流運動，形成微細孔道，使水分擴散速率提高[10-11]。超聲波的機械作用可以使物料內部結構反復受到拉伸和壓縮，形成海綿效應，使水分表面附著力減小，有效降低水分遷移阻力[12]。由于超聲能顯著的增強傳熱傳質效果，因而在農副產品和中藥材干燥方面應用也與日增多。本文以黏稠物料茯苓浸膏為研究對象，探討在不同超聲時間、超聲功率、超聲頻率和干燥溫度條件下茯苓浸膏最終含水率和茯苓酸含量進行分析，并通過對超聲時間、干燥溫度、超聲功率的響應面優化，得到最佳干燥工藝，從而為超聲技術在干燥黏稠物料中運用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試材料

新鮮茯苓：河南商城縣茯苓種植中心；茯苓標準品（98%）、茯苓酸標準品（UV≥98%）：上海源葉生物技術有限公司；乙腈、磷酸（色譜純）、甲醇（分析純）、蒸餾水：洛陽奧科化玻公司。

1.2 試驗儀器及設備

GHRH-2型熱風干燥箱：廣東省農業機械研究所；KMDⅠ型超聲波發聲器：深圳市科美達超聲波設備有限公司；SHB-III旋轉蒸發儀：鄭州長城科工貿有限公司；DS-200型組織粉碎機：北京恒奧德儀器儀表有限公司；FA1004型電子稱：上海上平儀器公司；TGL-18C型臺式離心機：上海安亭科學儀器廠；1260型高效液相色譜儀：安捷倫美國安捷倫公司。

1.3 茯苓浸膏的制備

選擇品相較好，外表沒有損傷的新鮮茯苓。放入水盆中進行清洗，進而除去其表面的泥沙等。洗干凈后從水盆取出，適當擦干表面，用事先準備好的切片機進行切片。切片完成后，選擇合適的量的茯苓切片倒入組織粉碎機中，倒入一定量的無菌水，保證茯苓切片被完全淹沒。此時打開組織粉碎機進行粉碎，待其粉碎徹底時，用紗布進行過濾，濾液用廣口瓶收集，收集好后封口保存，對濾渣進行回收。把廣口瓶放置在搖床上使其晃動，從而保證試劑和茯苓充分作用。經過一段時間，取廣口瓶中料液緩緩倒入蒸餾燒瓶當中，每次倒入適量并進行旋蒸，水浴溫度控制在55℃。當蒸餾燒瓶內壁上出現固體物料粘結，并且此時冷凝器中不再有液滴滴落時，蒸餾結束，關掉旋轉蒸發儀。取出蒸餾燒瓶內物料于燒杯中，做好標記，封口放入冰箱，從而制得茯苓浸膏。

1.4 試驗方法

1.4.1 茯苓浸膏初始干基含水率的測定

鮮茯苓的初始干基含水率的測定是根據熱風干燥法直接測得[15]。取一定量的浸膏→稱重G1→電熱恒溫干燥箱中干燥至質量不再發生變化→稱取質量G2→分析計算。

初始干基含水率按以下公式來計算：

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

1.4.2 HPLC測定茯苓酸含量方法

1.4.2.1 色譜條件

色譜柱：Agilent ZORBAX SB-C18（250 mm×4 mm，5 μm）；流動相：乙腈-0.05%磷酸水溶液體積比=（75 ∶25）；流速：1.0 mL/min；柱溫：30 ℃；檢測波長：210 nm；進樣量：10 μL。

1.4.2.2 茯苓酸標準溶液的制備

精確稱取茯苓酸標準品10 mg，置于100 mL容量瓶中，加蒸餾水溶解至刻度線，搖勻，配置濃度為0.1 mg/mL的母液。

1.4.2.3 茯苓樣品溶液的制備

取一定干燥后的茯苓浸膏粉，過60目篩后稱取1.5 g干基質量的粉末，并置于50 mL錐形瓶中，加入25 mL 30%的甲醇，超聲提取40 min，冷卻至室溫，抽濾，將濾液移入50 mL容量瓶中，將濾渣重復超聲提取一次，兩次濾液合并，用甲醇定容至刻度，取溶液10 mL旋轉蒸發至近干，殘渣用流動相溶解，定容成10 mL，取一定量溶液放入離心機中離心，取上清液為供試品溶液用于測定[13-14]。

1.4.3 茯苓浸膏干燥單因素及響應面試驗設計

本試驗結合茯苓浸膏本身的特性，考察超聲時間、超聲功率、超聲頻率、干燥溫度對茯苓浸膏的干燥速率和茯苓酸含量的影響，為響應面試驗設計選取最優參數組合提供依據。選用初始干基含水率相同的茯苓浸膏，在真空度0.1 MPa條件下，干燥300 min，測茯苓浸膏的最終干基含水率和茯苓酸含量。分別在超聲時間范圍是 0、30、60、90、120 、150 min，超聲功率 0、80、120、160、200 W，超聲頻率為 20、28、35、40、60 kHz，溫度分別是 30、40、50、60、70 ℃的條件下進行試驗。

其中，選擇茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量為觀測指標。在進行單因素試驗時，選取一個因素為變量時，其余因素需要固定在特定水平。固定超聲時間為30 min，超聲功率為80 W，超聲頻率為28 kHz，溫度為40℃。

在響應面優化試驗中選取超聲時間分別為0、30、60 min；超聲功率分別為80、120、160 W；超聲溫度分別為：40、50、60℃。每次試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 超聲時間對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響分析

對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響見圖1。

圖1 超聲時間對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響Fig.1 Effect of ultrasonic time on the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

從圖1可以看出：對茯苓浸膏進行超聲處理，隨著超聲作用時間的延長，最終含水率逐漸降低，當超聲作用時間累計達到150 min時，浸膏的干基含水率降至10%左右，比沒有超聲作用時的25%降低了60%；超聲的機械作用和空化作用強度并不隨時間的改變而變化，但由此引起的熱效應卻明顯具有累積效應[16]，即超聲作用時間越長，熱效應越明顯，從而加速了茯苓浸膏的干燥過程。茯苓酸含量隨著超聲作用時間的增加逐漸降低，但在90 min后降低趨勢明顯減小，說明超聲作用時長對茯苓酸的降解影響有限，并非線性關系。

2.2 超聲功率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響分析

超聲功率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響見圖2。

圖2 超聲功率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

從圖2可以看出，隨著超聲功率的不斷增大，茯苓浸膏的含水率和茯苓酸含量隨之降低，有無超聲強化干燥速率差別較大，超聲200 W強化干燥1 h后浸膏含水率已經接近10%，而沒有超聲強化時熱風干燥5 h后干基含水率為24%左右；在超聲功率較小時，茯苓酸的降解速度并不太顯著，隨著超聲功率的逐漸加大，茯苓酸的降解也隨之加大，從沒有超聲時的0.72 mg/g降至超聲200 W時的0.59 mg/g。所以超聲功率對干燥過程的影響也十分明顯。

2.3 溫度對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響分析

干燥溫度對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響見圖3。

圖3 干燥溫度對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響Fig.3 Effect of drying temperature on the the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

由圖3可知，溫度對茯苓浸膏干燥速率和茯苓酸含量的影響比較顯著，在同一干燥時間內，隨著溫度的不斷升高，浸膏的含水率明顯降低，并且溫度越高，含水率下降越快，即茯苓浸膏的干燥速率越來越高，茯苓酸含量也隨著溫度的升高逐漸降低，但不如含水率變化明顯。溫度是影響干燥速率的重要因素，同時對物料中的有效成分也有較大影響，因此在茯苓浸膏的干燥過程中，一定范圍內溫度的升高是可以產生積極作用。

2.4 超聲頻率對茯苓浸膏干燥效果的影響及干燥曲線的分析

超聲頻率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響見圖4。

圖4 超聲頻率對茯苓浸膏干燥效果和茯苓酸含量的影響Fig.4 Effect of ultrasonic frequency on the the drying effect of Poria cocos extract and pachymic acid content

由圖4可知，超聲頻率對干燥效果的影響沒有明顯規律，最終含水率沒有顯著差別，但隨著超聲頻率的增大，茯苓酸含量逐漸降低，可能是隨著超聲頻率的增大，超聲空化引起的自由基效應逐漸明顯，導致較高頻率下的茯苓酸降解相對較多。但總的來說，超聲頻率對茯苓浸膏的干燥過程影響并不顯著，所以該因素不再考慮。

2.5 超聲強化干燥茯苓浸膏工藝的響應面優化

采用Box-Behnken設計，以浸膏干燥300 min后的最終含水率（Y1）和茯苓酸含量（Y2）及加權綜合指標（Y*）作為響應值，建立數學模型，對超聲真空干燥工藝進行優化，以期達到較好的干燥品質。選取超聲時間（X1）、超聲功率（X2）、干燥溫度（X3）作為試驗中的 3個因素。響應面分析的因素水平編碼見表1，Box-Behnken試驗設計方案及結果見表2。

表1 響應面試驗因素水平編碼表Table 1 Coded values and corresponding actual values in response surface experiment

將表1中的編碼值換成每個因素的實際水平值進行試驗，所得指標值見表2。采用Design-Expert 8.05軟件對表2試驗數據進行統計分析，可得到實際空間內的二次多元回歸模型為：

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Experimental designs and results of Box-Behnken

回歸方程中各項系數絕對值的大小直接反映各因素對響應值影響程度，系數的正負反映了影響的方向。對3個回歸方程的擬合情況進行檢驗，模型FR（Y1）=77.60，FR（Y2）=32.79，FR(Y*)=7.45，均大于 F0.01(7，9)=6.71，說明回歸是顯著的。失擬 FLF（Y1）=0.45，FLF（Y2）=3.57，FLF(Y*)=0.61，均小于 F0.05(4，4)=6.39，說明失擬不顯著。，，說明該模型與實際數據擬合較好。因此這些模型是可用于茯苓浸膏超聲強化干燥工藝的分析和預測。

表3 回歸方程（2）系數的顯著性檢驗Table 3 Analysis of variance table of regression equation（2）

從表3、表4回歸方程系數的顯著性檢驗可知，所考察的3個因素對含水率和茯苓酸含量均有一定的影響。從表3可看出：X1、X2、X3（P＜0.01）對茯苓浸膏最終含水率影響極其顯著，同時，根據F值的大小可判斷，試驗中的3個因素對茯苓浸膏最終含水率影響的排序為：干燥溫度（X3）＞超聲功率（X2）＞超聲時間（X1）；從表4可看出：X1、X2、X3、X2X3、X22（P＜0.01）對茯苓浸膏中茯苓酸含量影響極其顯著，其他不顯著。同時，根據F值的大小可判斷，試驗中的3個因素對茯苓酸含量影響的排序為：干燥溫度（X3）＞超聲功率（X2）＞超聲時間（X1）。通過對模型公式（4）進行優化，可得到使加權綜合指標Y*達到最大值時的茯苓浸膏超聲強化干燥工藝為：超聲時間90 min，超聲功率106 W，干燥溫度64℃，此條件下干燥的茯苓浸膏綜合指標最高。

表4 回歸方程（3）系數的顯著性檢驗Table 4 Analysis of variance table of regression equation（3）

2.6 茯苓浸膏超聲真空干燥最佳工藝的驗證

由模型（4）得到理論最佳超聲強化干燥工藝為：超聲時間90 min，超聲功率106 W，干燥溫度64℃，預測最終含水率為7.85%，茯苓酸含量為0.67 mg/g。采用最佳工藝進行驗證，在該工藝條件下進行3次重復試驗，得到茯苓浸膏終產物含水率為7.9%，茯苓酸含量為0.662 mg/g，通過驗證試驗得到的最終含水率和茯苓酸含量與理論值偏差較小，重復性好，說明運用響應面法優化得到的最佳超聲強化干燥工藝比較可靠準確，具有較好的實用價值。

3 結論

1）通過對茯苓浸膏超聲真空干燥工藝的研究，初步得出了超聲時間、超聲功率、干燥溫度對干燥的影響規律，在單因素研究的基礎上，通過采用Box-Behnken設計對干燥工藝進行優化，得到最佳超聲真空干燥工藝為超聲時間90 min，溫度64℃，超聲功率106 W，預測含水率為7.85%，茯苓酸含量為0.67 mg/g。采用最佳工藝進行驗證，測得茯苓浸膏干燥300 min后含水率的平均值為7.9%，茯苓酸含量為0.662mg/g。

2）在本試驗的干燥體系中，超聲波對浸膏物料有降黏作用并能顯著改善干燥后物料的粉體性質，使物料蓬松多孔易于粉碎，且能夠增強傳熱傳質，提高干燥速率。