AHP-熵權法結合Box-Behnken響應面法優化當歸微波真空干燥工藝研究*

賈德強，賀成柱，丁立利

(甘肅省機械科學研究院有限責任公司，蘭州市，730070)

0 引言

當歸(Angelicasinensis(Oliv.) Diels)為傘形科草本植物干燥根[1]，富含有機酸、多糖、揮發油，具有降壓平喘、調節腸胃和抗動脈硬化等作用，在保護軟骨細胞和治療阿爾茨海默病有顯著效果[2-3]。新鮮當歸含水率較高，采收后若不能及時脫水，會造成腐爛、褐變和滋生病菌，從而降低藥用價值。因此，亟待選擇一種適宜的干燥方式，以改善當歸的色澤、風味及營養價值。

當歸切片的常見干燥方式主要有自然晾曬、熱風干燥和遠紅外干燥等。熱風干燥成本低、適用性廣，但存在脫水周期長、能耗高和干制品品質差等不足[4]；遠紅外干燥可以大幅度縮短干燥時間[5]，但會造成物料受熱不均勻，導致品質下降。微波真空干燥是一種具有脫水速度快、能量消耗低和干燥效率高等優點的新型干燥方式[6]，近年來已將此技術應用于食品干燥領域，并取得了較大進展[7]。許青蓮等[8]研究了微波真空干燥對檸檬片色澤及品質的影響，研究表明微波真空干燥和護色處理可以有效抑制檸檬片干燥過程中非酶褐變的發生。代建武等[9]研究了香蕉片微波真空干燥過程中干燥特性和理化性質，發現微波真空干燥在提高脫水速率的同時改善了樣品的酥脆度。此外，微波真空干燥技術還應用于香菇[10]、胡蘿卜[11]和薄荷葉[12]等物料的脫水處理。微波真空干燥可以顯著改善物料的干燥品質，大大提高干燥速率，但在當歸切片的應用鮮有報道。

為獲得最佳的微波真空干燥工藝參數，本研究在前期試驗的基礎上通過綜合AHP法和熵權法確定各成分的權重，利用響應曲面對當歸微波真空干燥工藝進行優化，并對微觀結構進行對比分析，以期為當歸產業化加工提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

新鮮當歸購自于中國甘肅省定西市，品種為岷當歸。將當歸切片放置于熱風干燥箱中干燥24 h，根據物料干燥前后的重量差可得其初始含水率M0為(71.21±0.5)%。以干燥溫度(45 ℃、50 ℃、55 ℃)、切片厚度(3 mm、4 mm、5 mm)和真空度(-0.065 MPa、-0.070 MPa、-0.075 MPa)為試驗因素進行當歸切片的干燥試驗。微波真空干燥箱預熱30 min后，選擇大小一致、清洗干凈的新鮮當歸主根，切片后取(120±0.5)g單層平鋪于托盤上，利用自動稱重系統每隔10 min 記錄一次，直至含水率降至10%以下時，停止干燥。所有試驗進行3次重復，取其平均值為試驗值。

1.2 儀器與設備

主要設備有：HWZ-30型箱式微波真空干燥機；Agilent 1100型高效液相色譜儀；CR-410型色差儀；JM-A3003型電子天平；TS-200 B型恒溫搖床；TGL20M型高速離心機；T2600S紫外分光光度計；HKSF-2型快速水分儀，水分解析度0.01 %。

1.3 試驗方法

1.3.1 含水率測定

干燥期間，物料含水率根據式(1)計算[13]。

(1)

式中：Mt——t時刻當歸干基含水率，g/g；

M0——當歸的初始含水率，g/g；

Me——當歸的平衡含水率，g/g。

1.3.2 干基含水率測定

當歸干基含水率由式(2)測定[14]。

(2)

式中：Wt——當歸切片t時刻的質量，g；

Wd——當歸切片的干重，g。

1.3.3 HPLC法測定有效活性成分

采用HPLC法[15]測定當歸中藁本內酯、阿魏酸、洋川芎內酯等六種主要成分含量。色譜條件為Agilent Eclipse XDB-C18(250 mm×4.6 mm，5 μm)；流動相為乙腈(A)-1%乙酸(B)，梯度洗脫(0～4 min, 85%-85% B；4～8 min，60%-35% B；8～10 min，35%-15% B；10～12 min，15%-80% B；12～16 min，80%-85% B)；柱溫25 ℃；流速1.0 mL/min；檢測波長280 nm；進樣量10 μL。

1.3.4 供試品溶液的制備

取當歸粉末(過三號篩)約0.5 g。精密稱定，置于50 mL具塞錐形瓶中，加入80%甲醇溶液25 mL，在200 W，60 Hz條件下超聲30 min，放冷后，再稱定質量，用80%甲醇補足失重，搖勻，用0.22 μm微孔濾膜濾過，取續濾液，即得。

1.3.5 混合對照品溶液的制備

精密稱取綠原酸、阿魏酸、洋川芎內酯H、洋川芎內酯I、丁烯基苯酞、藁本內酯對照品適量，分別置于 10 mL 量瓶中，用甲醇溶液定容，制成濃度為0.3 mg/mL的對照品溶液。取上述各對照品溶液適量，制備混合對照品溶液。

1.3.6 總酚含量的測定

當歸總酚含量的測定采用福林酚(Folin-Ciocalteu)試劑法[16]。其總酚含量以沒食子酸為標準品標定，計算公式如式(3)所示。

(3)

式中：TPC——當歸切片總酚含量，mg/g；

C1——沒食子酸質量濃度，mg/mL；

V1——提取液的體積，mL；

Vf——吸取樣液體積，mL；

M——當歸干樣的重量，g。

1.3.7 總黃酮含量測定

當歸總黃酮含量的測定采用NaNO2-Al(NO2)3-NaOH法[16]。其總黃酮含量以兒茶素為標準品標定，計算公式如式(4)所示。

(4)

式中：TFC——當歸切片總黃酮含量，mg/g；

C2——兒茶素質量濃度，mg/mL；

Vh——吸取樣液體積，mL。

1.3.8 多糖含量測定

當歸多糖的測定采用硫酸-苯酚法[16]。其多糖含量以蔗糖為標準品標定，計算公式如式(5)所示。

(5)

式中：Pc——當歸切片多糖含量，mg/g；

C3——蔗糖質量濃度，mg/mL；

Vg——吸取樣液體積，mL。

1.3.9 抗氧化能力測定

當歸抗氧化能力的測定采用DPPH法[16]，計算公式如式(6)所示。

(6)

式中：A1——對照品的吸光度值；

A2——干燥樣品液的吸光度值。

1.3.10 掃描電鏡

采用掃描電鏡(S-4800N，Hitachi Corporation, Japan)觀察干制后的當歸切片。將物料切成5 mm×5 mm 小薄片，迅速浸入2.5%的戊二醛溶液中固定12 h，然后用0.2 mol/L pH 7.4的磷酸緩沖液漂洗3次，每次15 min，并依次用50%，70%，80%，90%和100%的乙醇梯度脫洗，每次15 min。最后將滲透后的當歸切片轉移至叔丁醇中保存，噴金處理后觀察樣品的微觀結構。

2 AHP-熵權法計算權重

2.1 熵權法計算權重

熵權法是依靠各指標的變異系數來確定權重，所選指標的熵值越小，則指標對工藝的影響越大[17-18]。作為客觀賦權法的一種，熵權法不依賴于決策者的主觀態度，評價過程的再現性較強[19]。根據熵權法確定第一項指標權重步驟如下，其余指標按同樣步驟可得。

1) 無量綱處理。試驗中所選有效活性成分、復水比等指標，其值越大越好，均為正向指標。對于正向指標，公式如式(7)所示。

(7)

式中：Xi1——第i次試驗中第一項指標試驗值；

Ximin——該組試驗值中的最小值；

Ximax——該組試驗值中的最大值。

2) 消零及去負數處理。無量綱處理后數據出現數值0，為使數據處理有意義，需要消除0，故需將數據平移0.000 1個單位進行消零處理，公式如式(8)所示。

xi1′=xi1+α

(8)

式中：xi1′——消零處理后第一項指標結果；

α——最接近試驗值xi1的最小值，本文取α=0.000 1。

3) 標準化處理。由于當歸中各有效活性成分及其他評價指標的含量差異性較大，為使評價更精確，對各因素進行標準化處理，公式如式(9)所示。

(9)

式中：Pi1——標準化處理后第i次試驗中第一項指標的概率；

n——試驗組數，n=17。

4) 熵值計算。所測指標熵值越小說明離散水平越高，所占權重就越大，對綜合評價的影響越顯著。熵值計算公式如式(10)所示。

(10)

式中：e1——第一項指標的熵值。

5) 差異系數。對第一項指標來說，指標值的差異越大，則表明該指標所占權重越大，對綜合評價的作用越大，差異系數計算公式如式(11)所示。

G1=1-e1

(11)

式中：G1——第一項指標的差異系數。

6) 評價指標權重。指標權重為評價當歸微波真空干燥品質優劣的重要依據，各指標權重計算公式如式(12)所示。

(12)

式中：W1——第一項指標的權重值；

m——試驗指標個數，m=11。

各指標的權重值如表1所示。

表1 當歸各指標熵權值Tab. 1 Weight value of each index of Angelica sinensis

2.2 層次分析法(AHP)計算權重

層次分析法(AHP)是指將一個復雜的多目標決策問題分解成多個層次，并以此進行定性和定量分析的決策方法，該方法使評價結果更具系統化和層次化[20]。

按照當歸中藁本內酯、阿魏酸、洋川芎內酯H、洋川芎內酯I、綠原酸、抗氧化性、總酚、總黃酮、多糖、復水比的優先順序作為權重予以量化，構建判斷矩陣并對其進行歸一化處理，權重系數如表2所示。層次分析法計算指標權重的步驟如下。

1) 根據當歸中各成分的含量構建判斷矩陣。

2) 計算結果一致性檢驗。AHP法作為主觀賦權法，為保證所得權重的準確性，需要對所得數據進行一致性檢驗[21]。公式如式(13)～式(15)所示。

(13)

(14)

(15)

式中：λmax——矩陣的最大特征值；

ω——各指標按列歸一化后的算術平均值；

Ai1——第一項指標權重值；

CI、RI——一致性指標；

CR——檢驗系數。

通過計算得CI=0.083 1，CR=0.055 2<0.1，說明所選指標符合一致性檢驗。

表2 當歸各指標判斷矩陣Tab. 2 Judgment matrix for each index of Angelica sinensis

圖1 AHP法計算后各指標權重值

2.3 復合權重

AHP法考慮了上層指標對下層指標的依存和反饋，但受決策者的影響較大。熵權法不依賴于決策者的主觀態度，但未考慮各指標之間的相關性，所得權重可能會與實際情況不相符。為保證各糖苷權重的準確性，避免任何一種指標權重結果的影響被消除，將AHP法與熵權法綜合。第一項指標復合權重公式如式(16)所示。

(16)

式中：Q1——層次分析法和熵權法所得第一項指標復合權重值。

同理，由式(16)計算得藁本內酯、阿魏酸、洋川芎內酯H、洋川芎內酯I、綠原酸、丁烯基苯酞、抗氧化性、總酚、總黃酮、多糖、復水比的復合權重分別為0.159、0.192、0.120、0.288、0.033、0.063、0.059、0.041、0.024、0.013、0.009。

3 響應面法優化試驗

3.1 Box-Behnken試驗設計及結果

根據前期單因素試驗研究，以干燥溫度(X1)、切片厚度(X2)、真空度(X3)為試驗因素，各有效活性成分綜合評分為響應值，利用Box-Behnken響應面設計試驗，確定當歸切片微波真空干燥最佳工藝參數。樣品中第一項指標有效活性物質綜合評分的計算公式如式(17)所示。

(17)

響應面各試驗因素水平如表3所示,當歸切片微波真空干燥試驗方案及結果如表4所示。

表3 響應面試驗因素表Tab. 3 Response surface test factor table

表4 當歸切片微波真空干燥響應面試驗設計及結果Tab. 4 Angelica sinensis microwave vacuum drying response surface test design and results

3.2 響應面試驗結果分析

通過Design-Expert 8.0軟件對表4中數據進行回歸擬合，得到綜合評分對干燥溫度(X1)、切片厚度(X2)、真空度(X3)的回歸方程如式(18)所示。

Y=-1 271.417 50+26.110 25X1+38.818 25X2-

17 957.400 00X3-0.242 50X1X2-

9.800 00X1X3+345.000 0X2X3-

0.275 51X12-3.377 75X22-

1.234 10×10-5X32

(18)

對方程進行方差分析，結果如表5所示。

表5 當歸切片微波真空干燥回歸方程方差分析Tab. 5 Variance analysis of microwave vacuum drying regression equation of Angelica sinensis

3.3 響應面交互作用分析

響應面的彎曲程度可直接表明各指標對響應值的影響程度，曲面陡峭程度越劇烈，說明對應指標對響應值的影響越顯著。圖2為各指標交互作用對當歸微波真空干燥工藝影響的等高線圖和響應面圖。由等高線圖2(a)，圖2(e)可知，干燥溫度與切片厚度的交互作用和真空度與切片厚度的交互作用的等高線圖更接近橢圓形，說明上述因素的交互作用對當歸微波真空遠紅外干燥工藝的影響最顯著；干燥溫度與真空度的交互作用的等高線接近于圓形(圖2(c))，表明交互作用較弱，對綜合得分影響不顯著，與方差分析結果一致。由圖2(d)和圖2(f)可以看出，當木真空度條件固定不變時，當歸真空遠紅外干燥工藝的綜合評分隨干燥溫度和切片厚度的增加逐漸上升，分別在50 ℃和5 mm左右達到最大值；但是隨干燥溫度繼續增大，其綜合評分逐漸降低，這可能是因為干燥溫度升高，物料內部積溫逐漸增加發生局部過熱現象，使得表面細胞組織結構受到不可恢復的熱損傷和氧化損傷，從而減緩熱質遷移速率，造成熱敏性營養成分損失，因此溫度升高綜合評分反而下降；干燥溫度與真空度對當歸微波真空干燥工藝的影響很大(圖2(e))；當干燥溫度為55 ℃時，隨著真空度的增大，綜合評分先增大后減小，這可能是因為微波產生的電磁能與真空度的耦合作用較強，從而影響了當歸的干燥速率。

3.4 最佳工藝參數及驗證

運用Design-Expert 8.0軟件確定甜葉菊遠紅外干燥的最優工藝參數為干燥溫度51.27 ℃，切片厚度4.89 mm、真空度-0.070 MPa，綜合評分為84.95。考慮到實際操作，將最優工藝參數調整為干燥溫度50 ℃、切片厚度5 mm、真空度-0.070 MPa。在此條件下進行3次平行試驗，得到當歸微波真空干燥工藝綜合評分分別為：84.32、85.98、84.18，平均值為84.95，與理論值基本一致且試驗值與預測值的誤差為1.84%，說明響應面法優化得到的提取工藝可行性較好。

4 掃描電鏡分析

不同干燥條件下當歸切片的微觀結構如圖3所示。由圖3可以看出，不同干燥條件下樣品的微觀表征差異較大。干燥溫度為45 ℃(切片厚度3 mm、真空度-0.075 MPa)時，物料受到溫、濕度梯度應力的影響，內部結構較為致密，變形收縮嚴重，微孔通道較少且堵塞度較高；隨干燥溫度的升高，其內部孔隙明顯增多，這可能是因為此時當歸吸收大量的微波能，導致內外蒸汽壓差增加，提高了水分子的流動性，使其組織細胞快速擴張，從而形成規則的蜂窩狀孔隙結構。干燥溫度50 ℃、切片厚度5 mm、真空度-0.070 MPa時所得干制品結構松散致密，且內部出現均勻規則的蜂窩狀多孔結構且孔徑變大，相鄰細胞壁排列整齊，組織結構無斷裂現象，說明在該條件下微波真空干燥處理后的當歸組織結構保持的相對完整，質構穩定性較好。同時對比熱風干燥和微波真空干燥制品的微觀結構(圖3(b)、圖3(c))，微波真空干燥后樣品表面結構光滑、整齊，微孔通道數目較多且內部組織結構收縮變形和斷裂坍塌較少，這主要是由于微波真空干燥技術是一種電磁式加熱技術，具有干燥均勻、穿透性強等特點。

(a) 干燥溫度與切片厚度對綜合評分影響的等高線圖

(b) 干燥溫度與切片厚度對綜合評分影響的響應面

(c) 干燥溫度與真空度對綜合評分影響的等高線圖

(d) 干燥溫度與真空度對綜合評分影響的響應面

(e) 切片厚度與真空度對綜合評分影響的等高線圖

(f) 切片厚度與真空度對綜合評分影響的響應面

(a) 熱風干燥

(b) 45 ℃、3 mm、-0.075 MPa

(c) 50 ℃、4 mm、-0.070 MPa

(d) 55 ℃、5 mm、-0.075 MPa

5 結論

本研究運用微波真空干燥技術干燥當歸切片，利用AHP法和熵權法相結合來確定各有效活性成分的復合權重，并采用Box-Behnken響應面法確定微波真空干燥當歸的最佳工藝參數，所得結論如下。

通過AHP法和熵權法復合加權，得到當歸中藁本內酯、阿魏酸、洋川芎內酯H、洋川芎內酯I、綠原酸、丁烯基苯酞、抗氧化性、TPC、TFC、多糖和復水比的權重Qj分別為0.159、0.192、0.120、0.288、0.033、0.063、0.059、0.041、0.024、0.013、0.009。將主客觀賦權法相結合所得的符合權重更為客觀科學，可應用于當歸微波真空干燥工藝的多目標優化。此外，綜合評分為響應值，利用Box-Behnken中心組合設計響應面法，建立了以干燥溫度、切片厚度、真空度為試驗因素，以當歸微波真空干燥的綜合評分，結果表明不同干燥條件對當歸微波真空干燥的綜合評分影響程度依次為干燥溫度、真空度、切片厚度；最優工藝參數為干燥溫度51.27 ℃，真空度-0.070 MPa，切片厚度4.89 mm，綜合評分為84.95分。考慮到實際操作，將最優工藝參數調整為干燥溫度50 ℃、真空度-0.070 MPa，切片厚度5 mm，在此條件下，物料內部出現均勻規則的蜂窩狀孔隙結構且孔徑變大，抑制了物料的收縮，提高了樣品質構熱穩定性。本研究可為當歸微波真空干燥的產業化生產提供新的工藝參考。