微波膨化白茅根工艺的优化

李婷婷,黄相中,郭俊明,彭金辉

(云南民族大学,民族药资源化学国家民委-教育部重点实验室,云南昆明 650500)



微波膨化白茅根工艺的优化

李婷婷,黄相中,郭俊明,彭金辉*

(云南民族大学,民族药资源化学国家民委-教育部重点实验室,云南昆明 650500)

在单因素实验的基础上,以长度、含水量、微波功率和微波时间为考察因子,以综合得分为评价指标进行实验设计,利用响应曲面分析法对微波膨化白茅根的工艺参数进行优化。结合实际条件,得到最优工艺参数为:长度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化时间21 s。在此条件下得到的白茅根综合得分为8.15,多糖含量增加了15%。

白茅根,微波膨化,响应曲面法,多糖

白茅根(ImperatacylindricaBeauv. var. major(Nees)C. E. Hubb.)为禾本科植物白茅的干燥根茎,主要活性成分包括糖类、三萜类、内酯类和有机酸类等,其中以多糖为主,具有清热、凉血和止血的功效[1-2]。近年来又发现白茅根多糖具有免疫调节和抗氧化作用[3-4]。白茅根应用广泛,价格低廉,具有极大的药用与食用价值[5-6]。

微波膨化的基本原理,是物料吸收微波,快速加热,使得物料中的水分迅速蒸发汽化,产生很高的内部压力,造成质构变形、组织膨松、体积膨胀,产生膨化效应[7-8]。微波膨化过程中产生的巨大内部压力还可使细胞壁破裂,细胞内的有效成份容易渗出[9]。该技术已在药食同源的材料上有所应用[10-13],但是尚未见有关微波膨化白茅根的报道。目前白茅根加工还停留在较传统的工艺水平上,操作繁琐,质量参差不齐,有效成分容易流失[14-15]。

本文主要研究微波膨化白茅根的工艺,以综合得分为考察指标,在探讨单因素影响的基础上,采用响应曲面法进行优化,比较膨化前后多糖含量,研究微波膨化对主要活性成分多糖含量的影响。以期生产出高品质的白茅根制品,为丰富和发展白茅根的加工技术及其质量研究提供一定的理论参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

鲜白茅根市售;无水葡萄糖、苯酚、浓硫酸和乙醇均为分析纯。

M-NJL07-3实验微波炉北京中西远大科技有限公司;AR224CM电子分析天平上海有限公司;DHG-9070电热恒温鼓风干燥箱上海一恒科学仪器有限公司;Agilent 8453紫外可见分光光度计安捷伦科技有限公司。

1.2实验方法

1.2.1工艺流程原料→挑选→切分(切成不同长度)→干燥(在鼓风干燥箱中,60 ℃干燥至一定水分含量)→微波膨化→二次干燥(在鼓风干燥箱中,45 ℃保持4 h)→冷却

1.2.2单因素实验设计设定白茅根长度为3 cm、含水量15%、微波功率670 W、微波时间20 s,改变其中一个条件,同时其它条件不变,分别考察白茅根长度(1、3、5、7、9 cm)、含水量(5%、10%、15%、20%、25%)、微波功率(430、550、670、790 W)、微波时间(10、20、30、40、50 s)对产品综合得分的影响。

1.2.3微波膨化白茅根工艺优化的实验设计根据Box-Behnken实验设计原理,以综合得分为考查指标,在单因素实验的基础上,选取长度、水分含量、微波功率和微波时间4个影响因素,采用4因素3水平的响应曲面实验,进而工艺优化。实验因素与水平设计见表1。

表1　响应曲面法因素水平

1.2.4指标测定方法

1.2.4.1水分含量测定采用恒重法[16-17]。计算公式如下：

含水量(%)=干燥前物料质量-干燥恒重后的物料质量/干燥前物料质量×100

1.2.4.2膨化率的测定采用文献[18-19]的方法，计算公式如下：

1.2.4.3综合得分加工后的白茅根由10名评分员组成的感官评定小组按照表2的评分标准进行评价。

表2　综合得分评定标准

1.2.4.4白茅根多糖提取及含量测定采用王莹[20]等确立的白茅根最佳提取工艺及含量测定方法,得到膨化前后白茅根多糖含量,重复测定3次,求平均值。

1.2.5数据处理单因素实验使用Microsoft Excel 2007软件进行分析,响应曲面实验用Design-Expert8.0软件进行分析。

2　结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1白茅根长度对综合得分的影响由图1可知,随着白茅根长度的增加,其综合得分呈现先上升后下降的趋势。当长度为3 cm时,综合得分最高。若长度太短,升温脱水过快,后续吸收微波能力减弱,导致膨化率低、香味不足。长度太长时,阻碍水蒸汽蒸发,膨化不充分,导致表面不平整、膨化率低、香味不足、综合得分低。

图1　白茅根长度对综合得分的影响Fig.1　Effect of length on comprehensive score

2.1.2含水量对综合得分的影响由图2可知,随着白茅根水分含量的增加,其综合得分呈现先上升后下降的趋势。当水分含量为15%时,综合得分最高。水分含量过低,物料内部不能形成足够的蒸汽压,膨化率低,且易出现过焦糊。水分含量过高,水分排除不够充分,阻碍膨化,膨化率低,产品容易塌陷回缩,综合得分低[21]。

图2　含水量对综合得分的影响Fig.2　Effect of moisture content on comprehensive score

图3　微波功率对综合得分的影响Fig.3　Effect of microwave power on comprehensive score

2.1.3微波功率对综合得分的影响由图3可知,随着微波功率的增加,白茅根的综合得分呈现先上升后下降的趋势,在675 W达到最大值。当微波功率低于670 W时,脱水速度和效率低,不利于膨化,导致表面不平整、膨化率低、香味不足;当微波功率高于670 W时,速度过快,膨胀过程较难控制,膨胀后有焦糊现象。

2.1.4微波时间对综合得分的影响由图4可知,随着膨化时间的增加,白茅根的综合得分呈现先上升后下降的趋势。当微波时间为20 s时,综合得分最高。这主要是因为当膨化时间小于20 s时,膨化不够,表面不平整,质地坚硬、香味不足;当膨化时间大于20 s时,时间过长,膨胀后出现焦糊、糊味。

图4　微波时间对综合得分的影响Fig.4　Effect of time on comprehensive score

2.2微波膨化白茅根工艺优化结果

响应曲面分析的实验设计及结果见表3。

2.2.1回归方程的建立以白茅根的综合得分为因变量,可得拟合回归方程:Y(综合得分)=8.19+0.44X1+0.57X2+0.37X3+0.32X4+0.40X1X2+0.25X1X3+0.18X1X4+0.12X2X3-0.055X2X4+0.075X3X4-1.72X12-1.66X22-1.35X32-1.96X42。

2.2.2响应面方差分析及交互作用响应曲面实验方差分析结果见表4。

由表4可知,模型方差分析表明模型是极显著的(p<0.0001),失拟项不显著,且模型的拟合度较好(R2=0.9747),说明以上方程可预测白茅根的综合得分。

由表4中p值可以看出,一次项中长度(X1)、含水量(X2)、微波功率(X3)和微波时间(X4)对综合得分的影响极显著;交互项中X1X2偏回归系数<0.05,说明长度和含水量的交互作用对综合得分的大小影响显著;二次项中X12、X22、X32和X42对综合得分影响极显著,其他各项对综合得分的影响均未达到显著水平。

图5显示在微波功率为670 W,微波时间为20 s时,长度和含水量对白茅根综合得分的交互作用显著。在含水量一定的情况下,随着长度的增加,综合得分先增大后减小;在长度一定时,随着含水量的增加先增大后减小,当长度为3 cm,含水量为15%时综合得分达到最高。分析其原因是适中的长度和含水量有利于微波的能量充分作用到物料内部,膨化充分,从而使综合得分增加。

表3　响应面分析实验设计及结果

图5　含水量与长度对白茅根综合得分的响应面分析Fig.5　The response surface analysis of the length and water content to comprehensive score of imperata cylindrica

2.3最佳膨化工艺参数与综合得分的预测

根据回归模型和Design-Expert8.0软件分析,白茅根膨化最佳条件为:长度3.33 cm、水分含量15.98%、微波功率689.44 W和膨化时间20.90 s,预测的综合得分为8.33。为便于实际操作,将白茅根膨化最佳条件调整为:长度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化时间21 s。在此条件下重复实验3次,得到白茅根平均综合得分为8.15,与预测值相比其相对误差为2.16%,该方程与实际拟合很好,可以预测实际生产中的白茅根的综合得分。

表4　响应面实验方差分析表

注:**为极显著(p<0.01),*为显著(p<0.05)。

2.4膨化前后多糖含量比较

用紫外分光光度计测定多糖含量,微波膨化前后多糖含量分别为1.22%和1.44%,膨化后多糖含量增加了15%,表明膨化有利于多糖的提取,原因可能是水分子吸收微波后,迅速升温汽化,在蒸汽膨胀动力带动下可以使白茅根细胞壁破碎,使胞外溶剂容易进入胞内溶解并释放出有效成分,胞内有效成分更容易溶出,因而含量增高[22]。

3　结论

利用响应曲面法对微波膨化白茅根的工艺条件进行优化,得到最佳工艺参数为:长度3.3 cm、水分含量16.0%、微波功率690 W和膨化时间21 s,在此条件下,得到白茅根的综合得分为8.15。膨化加工后多糖含量增加了15%。由此得出,白茅根在微波膨化加工后,不但体积膨胀,质地疏松,香味浓郁,而且主要有效成分多糖含量增加,得到了质量较好的白茅根膨化制品,为白茅根加工提供了一种新的方法。

[1]崔珏,李超,尤健,等. 白茅根多糖改善糖尿病小鼠糖脂代谢作用的研究[J]. 食品科学,2012,33(19):302-305.

[2]Hansen K B,Vilsbøll T,Knop F K. Incretin mimetics:a novel therapeutic option for patients with type 2 diabetes-a review[J]. Diabetes,Metabolic Syndrome and Obesity:Targets and Therapy,2010,3:155.

[3]吕世静,黄槐莲,袁汉尧,等. 白茅根多糖对人T淋巴细胞免疫调节效应的研究[J]. 中国新药杂志,2004,13(9):834-835.

[4]李容,梁榕珊,覃涛,等. 白茅根多糖抗氧化活性及抑制α-葡萄糖苷酶活性研究[J]. 食品研究与开发,2014,35(7):9-12.

[5]李立顺,时维静,王甫成. 白茅根化学成分、药理作用及在保健品开发中的应用[J].安徽科技学院学报,2011,25(2):61-64.

[6]焦坤,陈佩东,和颖颖,等. 白茅根研究概况[J]. 江苏中医药,2008,40(1):91-93.

[7]Rakesh V,Datta A K. Transport in deformable hygroscopic porous media during microwave puffing[J]. AIChE Journal,2013,59(1):33-45.

[8]Payne F A,Taraba J L,Saputra D. A review of puffing processes for expansion of biological products[J]. Journal of Food Engineering,1989,10(3):183-197.

[9]郭子杰,徐月红. 微波膨化对三七总皂苷溶出率影响的初步探索[J]. 中国医药导刊,2009,11(8):1413-1415.

[10]刘璐,廖李,程薇,等. 微波膨化山药脆片的加工工艺研究[J]. 湖北农业科学,2014,53(17):4126-4129,4135.

[11]李存芝,傅亮,虞兵,等. 微波膨化薏米饼的研究[J]. 食品工业科技,2010,31(3):236-238.

[12]阳辛凤. 微波膨化木瓜脆片的加工工艺[J]. 食品工业科技,2008,29(1):173-175.

[13]陈安徽,孙月娥,王卫东. 微波膨化菊芋脆片的研制[J]. 食品科学,2010,18:461-464.

[14]和颖颖,丁安伟,陈佩东,等. 白茅根饮片炮制历史沿革研究[J]. 中国药业,2008,17(18):58-59.

[15]王伟,郭庆梅,周凤琴. 白茅根的药效考证与现代研究比较[J]. 中国海洋药物,2014(5):92-96.

[16]卢晓斌,杨玉玲,李春阳,等. 响应面法优化微波膨化紫心甘薯片的工艺[J]. 食品研究与开发,2012(5):89-93.

[17]Lee E Y,Lim K I,Lim J,et al. Effects of gelatinization and moisture content of extruded starch pellets on morphology and physical properties of microwave-expanded products[J]. Cereal Chemistry,2000,77(6):769-773.

[18]林甄,刘海军,郑先哲. 微波真空膨化浆果脆片工艺优化研究[J]. 农机化研究,2014(3):170-173.

[19]Hai-jun L,Zhen L,Xian-zhe Z,et al. Temperature simulation of berry slices under microwave vacuum puffing conditions[J]. Journal of Northeast Agricultural University(English Edition),2012,19(4):75-78.

[20]王莹,孟宪生,包永睿,等. 白茅根多糖提取工艺优化及含量测定[J]. 亚太传统医药,2009,11:24-26.

[21]王卫东,杨毅,刘全德,等. 微波膨化猕猴桃脆片工艺的优化[J]. 食品工业科技,2014,20:299-302.

[22]杨解,崔政伟. 微波预处理强化提取植物有效成分的发展和应用[J]. 包装与食品机械,2009(3):46-50.

Process optimization of imperata cylindrica by microwave puffing

LI Ting-ting,HUANG Xiang-zhong,GUO Jun-ming,PENG Jin-hui*

(Key Laboratory of Chemistry in Ethnic Medicinal Resources,State Ethnic Affairs Commission and Ministry of Education of China,Yunnan Minzu University,Kunming 650500,China)

Based on the single factor experiments,length,water content,microwave power and puffing time were trial factors,the comprehensive score was the response value,the optimum process conditions were obtained by response surface methodology. Combined with the actual conditions,the result showed that the optimum process parameters were 3.3 cm,16.0%,690 W and 21 s for length,water content,microwave power and puffing time,respectively. The comprehensive score was 8.15 and the content of polysaccharide was increased by 15% under the optimized conditions.

imperata cylindrica;microwave puffing;response surface methodology;polysaccharide

2015-10-22

李婷婷(1990-),女,硕士研究生,研究方向:微波膨化工艺,E-mail:271001283@qq.com。

彭金辉(1964-),男,博士,教授,研究方向:微波冶金,E-mail:jhpeng@kmust.edu.cn。

云南民族大学研究生创新基金项目(2015XJSXY271)。

TS255.36

A

1002-0306(2016)10-0303-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.053