響應(yīng)面法優(yōu)化光皮木瓜粉制備工藝

紀(jì)楨 *，第五昺昺，俎花花，趙振志，孫安霞

1. 安康學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院（安康 725000）；2. 秦巴中藥資源研發(fā)中心（安康 725000）

光皮木瓜（Chaenomeles sinensis（Thouin）Koehne，CK）為薔薇科木瓜屬植物，又名土木瓜、榠楂、木李和海棠等[1]，其果成熟時(shí)果肉為杏黃色或淡黃色，富含黃酮、萜類、多糖類、有機(jī)酸等多種活性物質(zhì)，具有降低血脂、抗氧化的功效[2-3]，《本草經(jīng)集注》也記載其果味酸、澀，性平，具有和胃舒筋、祛風(fēng)濕、消痰止渴的功效[4]，植株廣泛分布于陜西、河南、山東、湖北等地，是集食用、觀賞、藥用為一體的植物。因光皮木瓜果肉中纖維素含量高、果實(shí)堅(jiān)實(shí)、難以鮮食，傳統(tǒng)加工過程多為水煮后糖漬或磨漿后生物發(fā)酵等方法，產(chǎn)品也多以木瓜果脯、酒、醋等為主，加之采摘期短，難存儲(chǔ)以及加工過程中易發(fā)生酶促褐變及非酶褐變等問題，該類食品加工企業(yè)設(shè)備有效利用率不足50%。

球磨法是常用的食品加工技術(shù)，通過球磨機(jī)械力作用，可將植物性原料粉碎、混合，達(dá)到使物料形態(tài)、特性發(fā)生改變的目的[5]。因此，試驗(yàn)采用漂燙、烘干、球磨法制備光皮木瓜粉，并采用響應(yīng)面法對制備工藝予以優(yōu)化，以期為規(guī)模化生產(chǎn)及長期存儲(chǔ)光皮木瓜粉提供一定的參考依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 材料和試劑

光皮木瓜（白河縣紫熙農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

DX-30B小型粉碎機(jī)（廣州市祥明機(jī)械設(shè)備有限公司）；DM-10L型小型球磨機(jī)（配不銹鋼球φ10 mm，φ3 mm兩種，南京大冉儀器有限公司）；WJL-612型激光粒度儀（上海儀電物理光學(xué)儀器有限公司）；101-1AB型電熱烘箱干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；ZG-YM1701型破壁機(jī)（廣東志高空調(diào)有限公司）；FA2204B型電子精密分析天平（上海佑科儀器有限公司）；21HEC05型電磁爐（九陽廚具）；GSL-1100X-SPC12H型等離子薄膜濺射儀（天津品創(chuàng)科技發(fā)展有限公司）；KYKY-EM3200型數(shù)字化掃描電子顯微鏡（北京中科科儀儀器有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光皮木瓜粗粉制備

1) 取50 g光皮木瓜去皮去籽果肉，切片至2 mm厚，于90 ℃漂燙處理10 min，瀝干后鋪展于平盤中，置于烘箱內(nèi)，于100 ℃鼓風(fēng)干燥，每1 h翻動(dòng)1次，記錄失水率，烘干至質(zhì)量不發(fā)生變化為止，采用粉碎機(jī)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，切塊，于90 ℃漂燙處理10～15 min，加入100 g蒸餾水，采用破壁機(jī)破壁處理，以3 500 r/min離心10 min，將沉淀鋪展于平盤中，置于烘箱中，于60 ℃鼓風(fēng)干燥，每1 h翻面1次，記錄失水率，烘干至質(zhì)量不發(fā)生變化為止，得到光皮木瓜粗粉。

1.3.2 球磨法制備光皮木瓜粉單因素試驗(yàn)

球磨方式采用行星式球磨機(jī)，不銹鋼罐體和球體，大球φ10 mm，小球φ3 mm。

1) 不同球磨時(shí)間對于粒徑大小的影響：球磨時(shí)間10～60 min，大小球比1：7，轉(zhuǎn)速500 r/min，球料比8：1。

2) 不同大小球比對于粒徑大小的影響：大小球比1：5～1：8，球磨時(shí)間40 min，轉(zhuǎn)速500 r/min，球料比8：1。

3) 不同球料比對粒徑的影響：球料比5：1～10：1，球磨時(shí)間40 min，大小球比1：7，轉(zhuǎn)速500 r/min。

4) 不同轉(zhuǎn)速對粒徑大小的影響：轉(zhuǎn)速400～800 r/min，球磨時(shí)間40 min，大小球比1：7，球料比8：1。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取球磨時(shí)間、大小球比、轉(zhuǎn)速等因素，按照Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面分析方案，以期獲得最佳球磨工藝參數(shù)。因素與水平詳見表1。

表1 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平表

1.3.4 粒徑檢測

取適量木瓜粉放入激光粒度儀樣品槽中，以超純水為分散劑，超聲處理30 s，測定粉體的粒徑，統(tǒng)計(jì)不同條件處理下粉體粒徑的D50值。

1.3.5 掃描電鏡觀察

取少量制備好的光皮木瓜粉，在10 mL去離子水中，超聲分散，吸取0.1 mL涂布于導(dǎo)電膠帶上，自然風(fēng)干后置于離子濺射儀中，噴金厚度為80～100 nm。樣品取出后，裝入掃描電鏡觀察室，觀察光皮木瓜粉顆粒形貌。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 365進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，用Design-Expert 8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面模型回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光皮木瓜烘干失水率試驗(yàn)結(jié)果

如圖1和圖2所示，光皮木瓜水煮片（2 mm厚）于100 ℃鼓風(fēng)干燥8 h，失水率為77.64%，破壁粉于60℃鼓風(fēng)干燥4 h，失水率為87.4%，相同時(shí)間效率提高40.6%，溫度降低40 ℃。因此，破壞光皮木瓜組織結(jié)構(gòu)能夠有效提高烘干效率，且通過漂燙法抑制酶促褐變，同時(shí)較100 ℃烘干過程，60 ℃烘干能減少非酶褐變，粗粉色澤為淡黃色，未發(fā)紅，而10 ℃烘干后粉體略有發(fā)紅。課題組在預(yù)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，60 ℃烘干光皮木瓜切片48 h后，失水率僅為63.6%，無法進(jìn)行球磨，無規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

圖1 光皮木瓜切片100 ℃烘干失水率曲線

圖2 光皮木瓜破壁粉60 ℃烘干失水率曲線

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 球磨時(shí)間對于粒徑大小的影響

如圖3所示，CK球磨粉粒徑大小隨著球磨時(shí)間延長而減小，10～40 min時(shí)，粒徑下降迅速，粒徑從（89.96±1.82）μm下降到（37.90±1.36）μm；40 min后，粒徑下降速度減慢；至60 min時(shí)，粒徑為（30.16±1.85）μm，較40 min時(shí)下降20.4%。

2.2.2 大小球比對于粒徑大小的影響

如圖4所示，粒徑隨大小球比減小而減小，說明小球增加，撞擊點(diǎn)增加，有利于粒徑減小。在40 min球磨條件下，大小球比為1：3～1：8，粒徑大小從（38.90±0.07）μm降至（34.77±0.47）μm，下降10.61%。

2.2.3 球料比對粒徑的影響

如圖5所示，粒徑隨球料比的增加而減小，說明磨球數(shù)量增加，撞擊點(diǎn)增多，有利于粒徑減小。當(dāng)球料比從5：1增至6：1時(shí)，粒徑從（44.29±0.44）μm快速降至（31.12±0.37）μm；隨后降速減緩，增加至10：1時(shí)，粒徑大小為（29.69±0.72）μm，較6：1時(shí)下降4.6%。

圖3 球磨時(shí)間對粒徑大小的影響

圖4 大小球比對粒徑大小的影響

圖5 球料比對粒徑大小的影響

2.2.4 轉(zhuǎn)速對粒徑大小的影響

圖6 球磨轉(zhuǎn)速對粒徑大小的影響

如圖6所示，粒徑大小隨轉(zhuǎn)速增加而減小，轉(zhuǎn)速在400～600 r/min時(shí)，粒徑快速減小，從（81.75±0.15）μm降至（38.22±0.51）μm；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至800 r/min時(shí)，粒徑大小減至（37.78±0.17）μm，較600 r/min時(shí)下降1.15%。

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)規(guī)模化生產(chǎn)效率要求，選擇球料比6：1，生產(chǎn)效率最高。同時(shí)通過響應(yīng)面法考察球磨時(shí)間、大小球比及轉(zhuǎn)速對于粒徑大小的影響。

其次，資產(chǎn)購入后系統(tǒng)會(huì)為高校后勤倉庫管理人員提供資產(chǎn)入庫管理包，該包主要是用于新資產(chǎn)入庫與入庫相關(guān)信息維護(hù)，后勤倉庫管理人員使用該包對資產(chǎn)入庫信息進(jìn)行嚴(yán)格審核把關(guān)。而當(dāng)資產(chǎn)出庫時(shí)，會(huì)提出資產(chǎn)出庫管理包，主要為后勤倉庫管理員提供信息維護(hù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)出入庫的有效監(jiān)控。出庫時(shí)領(lǐng)物員也要申請子包，并由后勤倉庫管理人員進(jìn)行核對，最終準(zhǔn)許固定資產(chǎn)出庫。

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 回歸方程的建立與分析

按照Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對球磨時(shí)間、大小球比、轉(zhuǎn)速等因素進(jìn)行考察，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)結(jié)果

由表3結(jié)果可以得出，該回歸方程模型極顯著（p＜0.000 1），失擬項(xiàng)p=0.382 6＞0.05，不顯著，利于模型；該模型的R2=0.995 1，R2Adj=0.988 9，C.V.=0.90%，以上數(shù)據(jù)說明該模型擬合性好，試驗(yàn)誤差小[6]。根據(jù)ANOVA回歸系數(shù)，得到球磨法制備光皮木瓜粉粒徑大小的二次多元回歸方程：

由方差結(jié)果可知，對球磨法制備光皮木瓜粉粒徑大小影響的大小順序?yàn)锽大小球比＞C轉(zhuǎn)速＞A球磨時(shí)間。且三者均達(dá)到極顯著水平，二次項(xiàng)A2、B2、C2均極顯著。考察各因素間交互作用，AB、BC存在交互作用，且達(dá)到顯著水平。

2.3.2 因素交互作用響應(yīng)面分析

按照回歸方程繪制響應(yīng)面圖，并根據(jù)其形貌和疏密度，直觀反映各因素的相互影響對球磨法制備光皮木瓜粉粒徑的影響，如圖7（a和b）所示，隨著球磨時(shí)間增加，大小球比降低以及轉(zhuǎn)速增加對粒徑大小均有顯著影響，兩圖曲面均向下凹陷，表明球磨時(shí)間與大小球比、大小球比與轉(zhuǎn)速對于粒徑大小影響顯著，該結(jié)果與表3分析一致。

表3 回歸方差模擬分析

圖7 兩因素交互作用對球磨法制備光皮木瓜粉的響應(yīng)面

2.3.3 最佳制備工藝條件的確定和驗(yàn)證

利用Design-Expert 8.0.6軟件對制備工藝最優(yōu)條件進(jìn)行預(yù)測，得到球磨法制備光皮木瓜粉最佳工藝參數(shù)：球磨時(shí)間46.65 min、大小球比1：8、轉(zhuǎn)速755.05r/min，最優(yōu)理論值為29.14 μm。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，選擇球磨時(shí)間47 min、大小球比1：8、轉(zhuǎn)速750 r/min，在此條件下制備3次光皮木瓜粉，其粉體粒徑大小為（29.22±1.01）μm，結(jié)果與理論值接近，說明該響應(yīng)面回歸模型可靠。

2.4 掃描電鏡形貌觀測

如圖8所示，光皮木瓜經(jīng)漂燙、破壁、離心、烘干，顆粒中含有大量纖維，粒徑大小在100～300 μm之間，顆粒表面有一定卷曲；經(jīng)球磨，D50為（29.22±1.01）μm，且顆粒斷層平整，大小均一。

圖8 球磨法制備光皮木瓜粉SEM圖

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用球磨法制備光皮木瓜粉，研究最佳制備工藝。研究發(fā)現(xiàn)，漂燙破壁法有助于較低溫度條件下快速烘干，同時(shí)避免酶促褐變和非酶褐變，利用單因素試驗(yàn)分析不同因素對所制備的光皮木瓜粉粒徑大小的影響，并采用響應(yīng)面法得出最佳制備工藝。試驗(yàn)表明，影響粒徑大小因素依次為B大小球比＞C轉(zhuǎn)速＞A球磨時(shí)間；最佳制備工藝條件為球磨時(shí)間47 min、大小球比1：8、轉(zhuǎn)速750 r/min，得到的粉體粒徑大小為（29.22±1.01）μm。此次試驗(yàn)為規(guī)模化生產(chǎn)光皮木瓜粉提供了一定的參考依據(jù)。