響應面法優化茯苓超微粉碎工藝的研究

蔡丹鳳， 吳長輝， 唐閩杰， 朱忠敏， 陳丹紅

（1.福建衛生職業技術學院，福建福州 350101；2.福建仙芝樓生物科技有限公司，福建福州 350002；3.福建省測試技術研究所，福建福州 350001）

茯苓[Poria cocos（Schw.）Wolf]屬多孔菌科真菌，以菌核入藥，味甘淡，性平，具有益氣寧心、健脾和胃、滲濕利尿之功效，是我國傳統的中藥大品種。現代藥理學研究表明，茯苓具有抗腫瘤、調節免疫、抗炎、抗過敏、抗氧化、延緩衰老等方面的生物活性[1-3]。茯苓的主要活性物質為茯苓多糖和茯苓三萜類，還含有揮發油類、脂肪酸類、甾醇類、膽堿、纖維素等化學成分[4-5]。其中，茯苓多糖占茯苓主要化學成分的80%以上，但茯苓多糖多為不溶于水的堿溶性茯苓多糖。2012年茯苓被國家衛計委列入首批86種可用于開發功能性食品的藥食兩用的中藥名單中，其應用前景廣闊，但由于茯苓粉水溶性較差等特性制約了其功能食品的開發與應用。超微粉碎技術在中藥領域的應用表明，藥材經超微粉化處理后能提高其活性成分的溶出率和生物利用率，不僅能增強藥效，提高中藥的臨床應用能力，而且能使中藥資源得到更加充分的利用[6-9]。已有報道表明，茯苓經超微粉碎的物理改性后，其食品加工特性有明顯改善[9]。本研究先采用單因素實驗法探究茯苓粗粉投料量、含水量和粉碎時間對茯苓微粉平均粒徑（D50）的影響，確定茯苓超微粉碎工藝技術參數的適宜范圍后，再采用響應面法優化其超微粉碎工藝，以期為后續開發高品質的新型茯苓功能性食品提供技術支撐，現將研究結果報道如下。

1 材料與方法

1.1 供試樣品茯苓（塊），購自廣東合百草制藥有限公司，批號：03020020。

1.2 儀器FW400A萬能粉碎機（北京軒達思遠科技有限公司）；DHG-9070A型電熱鼓風恒溫干燥箱（上海達洛科學儀器有限公司）；JC-LS-50A-5鹵素水分測定儀（青島聚創環保集團有限公司）；WZJ-6TC振動式藥物超微粉碎機（濟南天方機械有限公司）；Bettersize 2000激光粒度分析儀（丹東百特儀器有限公司）。

1.3 粗粉碎將茯苓（塊）用FW400A型粉碎機進行初步粉碎，過60目篩。

1.4 烘干根據試驗設計要求，采用電熱鼓風恒溫干燥箱對樣品粗粉進行烘干處理，制備相應含水量的粗粉樣品。

1.5 粒度檢測采用Bettersize 2000型激光粒度測定儀，分析超微粉粉碎后茯苓微粉的粒徑分布。

1.6 超微粉碎工藝參數試驗采用WZJ-6TC粉碎機進行超微粉碎。選定投料量、含水量和粉碎時間為試驗影響因素，以超微化處理后的微粉D50為指標，探究茯苓超微粉碎的工藝參數范圍。

1.6.1 投料量試驗 設置粉碎機的粉碎溫度為5~7℃、粉碎時間10 min，在同一烘干處理樣品（含水量為6%~8%）的條件下，設定5組投料量分別為100、150、200、250、300 g，探究投料量對微粉D50的影響。

1.6.2 入磨物料含水量試驗 設置粉碎機的粉碎溫度為5~7℃、粉碎時間10 min，在投料量均為200 g的條件下，設定5組樣品的含水量分別為4%、6%、8%、10%、12%，探究含水量對微粉D50的影響。

1.6.3 粉碎時間試驗 設置粉碎機的粉碎溫度5~7℃，采用同一烘干處理樣品（含水量為6%~8%），在投料量為200 g的條件下，設定7個粉碎時間為5、10、15、20、25、30、35 min，探究粉碎時間對微粉D50的影響。

1.6.4 響應面法優化工藝參數試驗 以茯苓微粉D50作為響應值，以原料的投料量、含水量及粉碎時間作為3個主要因素，采用響應面分析法，確定茯苓超微粉碎的最佳工藝參數，同時，在此工藝條件下進行驗證實驗，即3次的平行試驗。

2 結果

2.1 投料量對茯苓微粉D50的影響采用WZJ-6TC粉碎機對茯苓粗粉進行超微化處理，茯苓超微粉碎投料量試驗結果見圖1。從圖1可知，隨著物料投料量的增大，茯苓微粉D50逐漸增大。當投料量>200 g，顆粒D50明顯增大。綜合考慮超微粉碎投料量對微粉D50的影響，故選取投料量的范圍為150~250 g進行后續的響應面優化試驗。

圖1 投料量對茯苓微粉D50的影響Figure 1 Effect of material input on D50 value of Poria cocos submicron powder

2.2 入磨物料含水量對茯苓微粉D50的影響采用WZJ-6TC粉碎機對茯苓粗粉進行超微化處理，茯苓超微粉碎含水量試驗結果見圖2。從圖2可知，隨著物料含水量的增大，茯苓微粉D50呈現上升趨勢，入磨物料含水量越低，D50越小，但綜合考慮加工成本以及常規茯苓丁產品的含水量，故選取試樣含水量范圍為5%~10%進行后續響應面優化試驗。

圖2 入磨物料含水量對茯苓微粉D50的影響Figure 2 Effect of water content in crude materials on D50 value of Poria cocos submicron powder

2.3 粉碎時間對茯苓微粉D50的影響采用WZJ-6TC粉碎機對茯苓粗粉進行超微化處理，茯苓超微粉粉碎時間試驗結果見圖3。從圖3可知，隨著物料粉碎時間的延長，茯苓微粉顆粒D50逐漸減小，當粉碎時間超過25 min后D50變化趨緩。故選定粉碎時間范圍為25~35 min進行后續的響應面優化試驗。

圖3 粉碎時間對茯苓微粉D50的影響Figure 3 Effect of milling time on D50 value of Poria cocos submicron powder

2.4 響應面法優化工藝參數試驗結果

2.4.1 響應面分析試驗設計及結果 在單因素試驗的基礎上，選定茯苓超微粉碎的工藝參數范圍。以茯苓微粉粒徑Y（D50）作為響應值，以投料量（A）、物料含水量（B）和粉碎時間（C）作為3個主要因素，設計一個三因素三水平的二次回歸方程來擬合因素和指標Y（響應值）之間的函數關系。試驗設計見表1，試驗結果見表2。

表1 響應面分析因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Design and results of response surface test

2.4.2 回歸模型方差分析及顯著性檢驗 采用Design Expert 10軟件對多元回歸模型擬合、方差分析及顯著性檢驗，得到回歸方程模型為Y=24.860 00-0.087 500A+4.292 50B-0.997 50C-0.705 00A B-1.275 00AC+1.665 00BC+2.305 00A2+1.320 00B2+2.670 00C2。對該模型進行方差分析，結果見表3。由表3可知，模型的P＜0.01，說明該模型差異顯著，回歸模型設計與實際測定值能夠最大限度地擬合，試驗誤差較小，所以可以用該回歸方程替代試驗實際值對試驗結果進行分析，得到R2=0.941 0，預測值與實際值之間存在高度相關性，說明該回歸方程具有較高的可靠性。回歸模型中，一次項B和二次項C2表現為水平差異性非常顯著（P＜0.01），二次項A2表現出顯著性差異水平（P＜0.05）。

表3 回歸方程ANOVA分析Table 3 Analysis of variance（ANOVA）analysis of regression equation

2.4.3 三因素交互作用對茯苓微粉粒徑的影響分析 在回歸模型方差分析結果的基礎上，應用Design Expert 10軟件做物料投料量、含水量及粉碎時間對微粉粒徑大小影響的等高線圖和響應面圖，結果見圖4~6。在優化試驗中3個因素對茯苓微粉粒徑D50大小的影響主次順序為B＞C＞A，即物料含水量＞粉碎時間＞投料量。

圖4 投料量與含水量交互作用對粉徑影響的等高線圖和響應面圖Figure 4 The contour map and response surface diagram for the interactive effects of materialinput and water content on powder diameter

3 討論

通過Design-Expert 10軟件求解回歸方程，得到本試驗茯苓超微粉制備的最適工藝條件：投料量200.15 g，含水量5.30%，粉碎時間32.35 min。預測茯苓微粉粒徑D50為21.23μm。為考慮實際操作的方便性，將茯苓微粉制備的最適條件修正為：投料量200 g，含水量5.30%，粉碎時間32 min。在該工藝參數下進行了3次平行試驗，制得的茯苓微粉的粒徑大小為（21.46±0.51）μm，與理論預測值較接近，表明響應面法建立的數學模型是可靠的，具有較好的實際指導作用。

圖5 投料量與粉碎時間交互作用對粉徑影響的等高線圖和響應面圖Figure 5 The contour map and response surface diagram for the interactive effects of materialinput and milling time on powder diameter

圖6 含水量與粉碎時間交互作用對粉徑影響的等高線圖和響應面圖Figure 6 The contour map and response surface diagram for the interactive effects of water content and milling time on powder diameter

應用WZJ-6TC振動磨超微粉碎機制備茯苓超微粉的單因素試驗表明，茯苓粗粉的投料量、含水量及粉碎時間對微粉的粒徑（D50）均產生影響，尤其是隨著粉碎時間的增加，茯苓微粉粒徑D50變化較大，當粉碎時間大于25 min后，微粉粒徑D50的變化則趨緩。在投料量為100~300 g、含水量4%~12%及粉碎時間為10~35 min條件下，三因素對茯苓微粉粒徑D50大小的影響主次順序為粉碎時間＞物料含水量＞投料量，而在響應面法優化試驗中粉碎時間選定為25~35 min的條件下，含水量對微粉的粒徑D50表現為非常顯著性影響，呈現出含水量越低，則微粉粒徑越小。但在實際應用中可能并不是粉碎時間越長、含水量越低對產品的質量就越好，而應充分考慮烘干和粉碎時間，其時間過長不僅提高加工成本，同時可能會造成茯苓揮發油等活性成分的損耗，所以，茯苓粗粉烘干及粉碎時間應控制在適宜的范圍內。烘干和粉碎時間的長短對茯苓微粉揮發油等活性成分的影響仍有待于進一步的研究。