沙枣多糖泡腾片的制备及工艺优化

杨　晰,龙海涛,乔海军

(1.甘肃农业大学理学院,甘肃兰州 730070;2.甘肃农业大学农业资源化学与应用研究所,甘肃兰州 730070)



沙枣多糖泡腾片的制备及工艺优化

杨晰1,2,龙海涛1,2,乔海军1,2

(1.甘肃农业大学理学院,甘肃兰州 730070;2.甘肃农业大学农业资源化学与应用研究所,甘肃兰州 730070)

制备沙枣多糖的一种新剂型泡腾片。从沙枣果实中分离提取沙枣多糖,测定了其静止角、豪斯纳比和膨胀系数等压缩指数。采用酸碱两相制粒法对沙枣多糖进行混合压片实验,并采用响应面法优化了沙枣多糖添加量、泡腾剂添加量和甜味剂用量对泡腾片不同指标的影响。结果表明:沙枣多糖提取物的静止角θ=38.19°、豪斯纳比为1.19、压缩指数为15.99%,说明沙枣多糖适合于压制泡腾片;当沙枣多糖添加量为25.0%、泡腾剂添加量为61.1%、甜味剂添加量为11.1%时,制备得沙枣多糖泡腾片感官评分最高达4.7分,与预测值(4.8)接近。实验优化了沙枣多糖泡腾片的制备工艺,确定了其最佳工艺配方。

泡腾片,沙枣多糖,响应面法

沙枣(ElaeagnusangustifoliaL.)又名桂香柳、七里香等,属胡颓子科胡颓子属植物,原产于西亚,在甘肃、宁夏、新疆分布广泛,主要生长于半干旱、干旱、半荒漠、荒漠地区。沙枣果实具有多种药物用途及营养价值[1]。据研究表明沙枣干果主要含糖(43%～60%)、蛋白质(10%)、鞣质、黄酮和少量微量元素,其果实浸出物浓缩液具有抗炎镇痛、抗肿瘤、抗腹泻、抗氧化、降血脂等功能[2]。

目前,对于沙枣多糖(ElaeagnusangustifoliaL.polysaccharides,简称EAP)的研究,国内主要集中在其提取工艺条件的优化和功能活性的研究方面[3-7],也有对其结构研究的报道[8-9],而关于沙枣多糖相关功能食品的研究和保健食品的加工鲜见报道,国外亦未见有关沙枣多糖的报道。

泡腾片是含有泡腾崩解剂的一种片剂[10]。近年来人们将微量元素、维生素制成泡腾片并逐渐向食品行业拓展,目前已开发了南瓜玉米粉泡腾片[11]、营养泡腾奶片[12]、速溶茶泡腾片[13]及番石榴泡腾片[14]等。本文在对沙枣多糖提取纯化的基础上,分析了其制备泡腾片的基本物性参数,通过正交实验筛选得到沙枣多糖泡腾片的最佳配方,并采用响应曲面法优化了沙枣多糖泡腾片的制备工艺,为探索研究和拓展沙枣多糖在功能食品和保健食品加工领域的应用提供了科学依据,对提高沙枣的经济价值亦具有现实意义。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

沙枣购自兰州市黄河药材市场,产地:甘肃酒泉;DEAE-纤维素上海源叶生物科技有限公司;乙醇、正丁醇、氯仿、无水乙醇、氢氧化钠、盐酸、碳酸氢钠(均为分析纯,AR)天津巴斯夫有限公司;柠檬酸、阿斯巴甜、木糖醇(均为食品级)北京康普汇维科技有限公司。

RE-52AA旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂;SHB-Ⅲ循环水式多用真空抽滤泵郑州长城科工贸易有限公司;DZF-6020电热真空干燥箱上海申光仪器有限公司;TDL80-2B低速离心机上海安亭科学仪器厂;FTIR-6傅里叶变换红外光谱仪天津港东科技发展有限公司;FZS-4振实密度测定仪宁波海曙瑞柯仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1沙枣多糖提取物的制备采用水提醇沉法从沙枣中提取多糖[15]。分离成熟沙枣果实的果肉与果核,将带皮的果肉粉碎后过筛得沙枣粉,风干。称取沙枣粉末,加入95%乙醇,80 ℃加热回流4 h,除去酯类物质。过滤后得滤液和滤渣,弃去滤液。取滤渣,按液料比1∶8加入蒸馏水,80～90 ℃加热搅拌,浸提4 h。滤渣按上述方法提取2次后,合并提取液,经旋转蒸发仪浓缩至原体积的1/3,再向浓缩液中加入4倍于浓缩液体积的无水乙醇,静置24 h,弃去上清液,离心收集沉淀,50 ℃烘干沉淀,得沙枣多糖粗品。采用Sevage法脱蛋白,重复6～7次后于50 ℃下烘干得精多糖。取已除蛋白的沙枣多糖上DEAE-纤维柱,以含NaCl为0.05～1.5 mol·L-1的溶液梯度洗脱,收集含有多糖的组分,经旋转蒸发浓缩后,在-50 ℃下冷冻干燥得沙枣多糖提取物,并以葡萄糖为标准品采用苯酚-硫酸法测定沙枣多糖的含量,然后准确称取纯化后的沙枣多糖,经KBr压片,在4000～400 cm-1处进行红外光谱扫描。

1.2.2沙枣多糖提取物基本物性测定方法沙枣多糖提取物静止角的测定:参照Shah V.的方法[16]。

准确称取10.0 g沙枣多糖提取物,将其置于普通漏斗中,使普通漏斗的尖嘴部分距离桌面平台10 cm,而后让多糖通过漏斗自由的滑落到平台上,静止角tanθ=H/R。

沙枣多糖提取物堆积密度、振实密度、压缩指数和豪斯纳比的测定:参照Martins E.的方法[17-18]。

准确称取10.0 g多糖,将其在不摇晃的前提下置于100 mL的量具中,准确读取体积,计算出多糖的堆积密度。

堆积密度=多糖质量/多糖体积

将上述装有多糖样品的量具置于FZS-4振实密度测定仪中,然后重复测定两次,两次测量的误差小于2%。

振实密度=多糖质量/多糖的振实体积

压缩指数=(振实密度-堆积密度)/振实密度×100

豪斯纳比=振实密度/堆积密度

沙枣多糖提取物膨胀系数的测定:参照Dash Suvakantaa的方法[19]。称取2.0 g多糖置于25 mL的刻度离心试管中,读取多糖占用的体积V1,而后加入20.0 mL蒸馏水,使用振荡混合器混合2 min,取出后静止10 min,而后用台式离心机在1000 r/min的条件下离心2 min,倒出上清液,读取下层多糖的体积V2。然后测定多糖在PBS缓冲溶液和0.1 mol·L-1的HCl中的膨胀系数。

膨胀系数=(V2-V1)/V1×100

其中,V1为吸水膨胀前体积,V2为吸水膨胀后体积。

1.2.3沙枣多糖泡腾片的制备工艺流程

图1　沙枣多糖泡腾片的制备工艺流程示意图Fig.1　Process for producting oleaster polysaccharide effervescent tablets

按一定质量比例称取柠檬酸,碳酸氢钠,分别置于微型制粒机中,加入2%的聚乙烯吡咯烷酮的乙醇(PVP醇)溶液充分混匀[20]。所得柠檬酸颗粒置于烘箱中,在60 ℃下干燥4 h。碳酸氢钠颗粒置于烘箱中,在40 ℃下干燥4 h。上述颗粒经测定水分含量均小于1%[21]。经摇摆颗粒机整粒,过20～40目尼龙筛,再将上述颗粒置于混合机中,加入润滑剂PEG6000以及适当质量的沙枣多糖,混合20 min,将混匀的颗粒投入压片机料斗,调整冲头,启动电源压片,得到片重为3.6 g的泡腾片。

1.2.4沙枣多糖泡腾片配方的筛选

1.2.4.1沙枣多糖添加量的选择沙枣多糖是泡腾片的主要原料成分,它的添加量决定了该泡腾片的独特风味,沙枣多糖添加量的选择不仅要满足色、味、香3个因素的感官需求,还要考虑生产成本[22]。分别称取0.18、0.36、0.54、0.72、0.90 g沙枣多糖溶解于150 mL水中,该添加量相当于质量为3.6 g沙枣多糖泡腾片中沙枣多糖含量分别为5%、10%、15%、20%、25%。以汤色、香气(各5分)为评价标准对沙枣多糖溶液进行感官评价,并以此来确定泡腾片中多糖含量的添加范围。

1.2.4.2泡腾剂添加比例的选择泡腾剂中常用的酸源有柠檬酸、枸橼酸、酒石酸、富马酸、己二酸、苹果酸等。最常用的二氧化碳源有碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾等[23]。本实验选择柠檬酸和碳酸氢钠作为泡腾剂,准确称量1.0 g NaHCO3分别和0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 g柠檬酸一起加到150 mL去离子水中,测定产生的CO2量和反应完全后溶液的pH[24],以确定最佳的添加比例。

1.2.4.3甜味剂和泡腾剂添加量的正交实验甜味剂选择阿斯巴甜和木糖醇,阿斯巴甜能有效改善柠檬酸所造成的酸涩的口感,而木糖醇具有清凉感,因此选择两者为甜味剂,其质量比为1∶1,添加量为片重的10%、15%、20%,即0.36、0.54、0.72 g;NaHCO3与柠檬酸的质量比为1∶1、1∶1.2、1∶1.4,即柠檬酸质量分别为0.90、0.98、1.05 g,对应碳酸氢钠的质量为0.90、0.82、0.75 g,以感官评价得分为指标,设计了3因素3水平正交实验,因素水平表见表1。

表1　正交实验因素水平表Table 1　Factors and levels of the orthogonal test

1.2.5沙枣多糖泡腾片的主体配方工艺优化根据上述配方筛选实验的初步结果,确定沙枣多糖、泡腾剂及甜味剂添加量并进行响应面优化实验。因素水平表见表2。

表2　泡腾片配方的因素水平表Table 2　Factors and levels for optimization of effervescent tables formula

1.2.6沙枣多糖泡腾片的感官评价方法参考《GB/T23776-2009 茶叶感官评审方法》[25]中各类茶叶的感官评价方法,修改制定了沙枣多糖泡腾片的感官评价方法。经调查选取了具有饮用泡腾片习惯的15名大学生组成感官评价小组,对沙枣多糖泡腾片冲制的饮品进行感官评价,以汤色、香气和滋味为评价指标,按优(4.1～5)、良(3.1～4)、中(2.1～3)、差(1.1～2)、劣(0.0～1)五个等级进行评分,评分标准见表3。

感官评价结果的计算：在评分结果中去除一个最高分和一个最低分,其余的分数相加的总和除以其人数所得的分数。计算公式:总分=汤色(30%)+香气(30%)+滋味(40%)。

1.2.7沙枣多糖泡腾片的质量检测崩解时间、pH和产气量的测定：将崩解仪温度设定为37 ℃,待升温至设定温度时,取待测样品6片,分别投入吊篮的6个玻璃管中,开启电机开关并计时,等完全崩解时终止计时。取时间的平均值,即为崩解时间。

准确称取一片片重为3.6 g泡腾片,放入150 mL蒸馏水中,待气泡停止释放后,按照中国药典2000版二部附录XIH的pH测定方法进行测定。

产气量采用失重法测定,精密称重加100 mL水的锥形瓶和1片(3.6 g)泡腾片的质量,记录后将泡腾片投于锥形瓶中反应,5 min后,待无气泡产生后,再次精密称重锥形瓶,记录结果,其减少的质量即为CO2的释放量。

表3　感官评价标准Table 3　Sensory evaluation standard

硬度和脆碎度测定：按照中国药典2005版的要求测定。取6片沙枣泡腾片,利用硬度仪和片剂脆碎度测试仪分别测定泡腾片的径向硬度和脆碎度,取平均值。

1.3数据统计分析

本研究采用Excel 2003进行数据处理,利用SPSS Statistics 20进行显著性分析。

2　结果与分析

2.1沙枣多糖的红外表征

纯化后的沙枣多糖经红外光谱扫描。结果如图2所示,特征吸收峰归属如下:宽而强的峰3401.82 cm-1,-OH伸缩振动的吸收峰,表明结构中存在分子内和分子间氢键;2929.34 cm-1,C-H伸缩振动的吸收峰,可能为-CH2-;1621.84 cm-1,-OH的弯曲振动吸收峰;1411.84 cm-1,=CH2的变形吸收峰;1056.80 cm-1处是醇羟基的变角振动吸收峰;867.81 cm-1处是吡喃糖型C-H变角振动的特征吸收峰,表明有糖苷键。

图2　沙枣多糖的红外光谱图Fig.2　FTIR spectra of oleaster polysaccharide

2.2沙枣多糖基本物性测定结果

2.2.1沙枣多糖的静止角一般认为物料的静止角θ≤30°时,流动性好,θ≤40°时可以满足生产过程中流动性的需要[25]。沙枣多糖粉末的θ=38.19°(38.19°±0.54°),能够满足泡腾片压制中流动性的需要。

2.2.2沙枣多糖的堆积密度、振实密度和压缩指数参照1.2.2.2测定方法,测定得沙枣多糖的堆积密度为0.4449,振实密度为0.5296,压缩指数为15.99%。多糖颗粒的堆积密度与振实密度相差小,说明颗粒内部的空隙较小,通常认为压缩指数在15%以下的压片性能良好,压缩指数在25%以上的压片性能较差,压缩指数在这两者之间的需要添加额外的助剂来改善其压缩性能[26]。沙枣多糖的压缩指数是15.99%,能够满足压片需要,不需要对沙枣多糖进行造粒以改善其压缩性能。

2.2.3沙枣多糖的豪斯纳比经过测定,沙枣多糖粉末的豪斯纳比为1.19。一般来说,豪斯纳比高于1.25意味着流动性差,这说明沙枣多糖具有良好的流动性,适合用于压制泡腾片。

2.2.4沙枣多糖的膨胀系数沙枣多糖在不同溶剂中的膨胀系数见图3。由图3可知,沙枣多糖的膨胀系数在纯水中最大,在0.1 mol·L-1的盐酸溶液中次之,在磷酸盐的缓冲溶液中膨胀系数最小,表明沙枣多糖膨胀系数对于溶液的pH具有良好的响应,因此能够在压制的泡腾片中找出一个合适的配方用以控制多糖的缓释。

图3　沙枣多糖的多糖膨胀系数与溶剂的关系Fig.3　The relationship of oleaster polysaccharide expansion coefficient with solvent

2.3沙枣多糖泡腾片配方的筛选

2.3.1沙枣多糖添加量的选择沙枣多糖添加量对泡腾片感官质量的影响见表4,由表4可知:沙枣多糖添加量越大,感官评价得分越高,汤色鲜亮清澈无沉淀、沙枣香气浓郁持久。由于沙枣具有一定吸湿性,如果添加量过多会使颗粒黏性提高,不仅影响压片效果,而且容易造成黏冲,从而使得产品的成本提高;其次,添加量过还高易出现絮状沉淀,影响汤色。所以沙枣多糖的添加量为15%～25%为宜。本实验选沙枣多糖的添加质量为15%、20%、25%,即分别添加0.54、0.72、0.90 g 3个水平进行后续优化实验。

2.3.2泡腾剂添加比例的选择选择柠檬酸和碳酸氢钠作为泡腾剂,并以一定比例混合,以达到理想的泡腾效果。从表5可以看出,当NaHCO3与柠檬酸的质量比在1∶1.2时,产气量比较丰富,且pH为酸性,考虑到产气量和pH的综合影响,本实验选NaHCO3与柠檬酸的质量比为1∶1、1∶1.2、1∶1.4进行后续实验。

表4　沙枣多糖添加量对泡腾片感官质量的影响Table 4　Effect of oleaster polysaccharide addition on flavor score of tablets

表5　泡腾剂配比对产气量和溶液pH的影响Table 5　Effect of formula on gas-producing amount of effervescent agents and solution pH

2.3.3甜味剂和泡腾剂添加量的正交实验结果经过感官评价,评价结果见表6。由表6可知,各因素的影响力度为A>C>B,最优组合为A3C2B2,即甜味剂添加量为0.72 g,碳酸氢钠为0.82 g,柠檬酸为0.98 g。但从各水平看,酸甜口味还可以优化[14],因此甜味剂选择0.36、0.54、0.72 g三个水平进行优化。

表6　甜味剂和泡腾剂添加量的正交实验结果Table 6　Sweetener and effervescent agent adding amount of orthogonal experimental results

2.4响应面法优化沙枣多糖泡腾片主体配方工艺

Box-Behnken三因素三水平实验结果见表7。采用多元回归拟合得Y(感官评分)与A(沙枣多糖添加量)、B(泡腾剂添加量)和C(甜味剂添加量)的回归方程:Y=3.50+0.41A-0.21B+0.05C+0.40AB-0.53AC-0.12BC+0.05A2+0.20B2-0.17C2。回归方程的方差分析结果见表8。

表7　响应面分析方案及实验结果Table 7　Design and test results of response surface analysis

表8　回归模型方差分析Table 8　Variance analysis of regression equation for experiments

注：**差异极显著,p<0.01；*差异显著，p<0.05。

对表8回归模型显著性分析可见,用上述回归方程描述各因素变量与感官评分的关系时,模型的显著性水平远小于0.0001,此时回归方差模型极显著,说明上述方程对于描述沙枣多糖质量、泡腾剂质量及甜味剂质量对于泡腾片溶液感官评分实际值拟合较好,可用此模型对数据进行分析及预测。

从回归方程的各项方差分析结果还可以看出,一次项中沙枣多糖质量(A)对感官评分影响为极显著,说明沙枣多糖的质量与泡腾片溶液感官评价得分之间存在明显的相关性;结合表8及图4可以看出,固定泡腾剂质量时,甜味剂质量在0.36～0.54 g之间时,随着沙枣多糖质量的增加,感官评价得分上升,但是当甜味剂质量在0.54～0.72 g之间时,随着沙枣多糖质量的增加,感官评价得分是下降的,充分说明了甜味剂添加量与沙枣多糖添加量两者之间存在显著的交互关系,且从表8的显著性分析中也可以看到二次项中AC达到显著水平(p<0.0001),以上分析充分说明沙枣多糖质量和甜味剂质量对泡腾片溶液感官评价得分有显著影响。当固定甜味剂质量时,泡腾剂质量从1.44 g增加到2.16 g时,图中可以看出随着沙枣多糖质量的增加,其感官评分变化比较微小,反映在图4中曲线较为平滑,尤其是当泡腾剂质量为1.44 g,随着沙枣多糖质量的增加,其感官评价得分变大的趋势极其微弱,上述现象均说明泡腾剂质量与沙枣多糖质量对泡腾片溶液的感官评价得分有显著影响,同时从表8中也看出,二次项BC的交互效应不显著。各因素对于泡腾片溶液的感官评价影响力度为沙枣多糖的质量>泡腾剂的质量>甜味剂的质量;还可以看出,选择的模型极显著(p<0.0001),说明模型选择合理。

图4　沙枣多糖、泡腾剂、甜味剂质量的响应曲线Fig.4　Response quadric surfaces for oleaster polysaccharide、 effervescing agent and the amount of sweeteners

图4为沙枣多糖质量、泡腾剂质量和甜味剂质量的交互效应响应面3D和等值线分析图。从图中可以看出,在所选范围内存在极值;沙枣多糖与甜味剂两者之间的交互作用较强,泡腾剂与甜味剂之间的交互作用不明显。通过所得回归模型对提取工艺进行优化,最佳配方为沙枣多糖质量0.90 g,泡腾剂质量为2.16 g,甜味剂质量为0.36 g。

为了验证响应面筛选配方的可行性,采用最佳条件进行验证实验,同时为了实验的方便性,将上述优化条件进行校正,选择沙枣多糖质量0.90 g,泡腾剂质量为2.20 g,甜味剂质量为0.40 g,其中阿斯巴甜和木糖醇质量比为1∶1,3次平行验证实验,实验结果表明沙枣多糖泡腾片的感官评分为4.7,与预测值4.8接近,可见响应面优化能较好地预测泡腾片配方与感官评分之间的关系。

2.5泡腾片质量检测结果

将按照最佳配方制备的沙枣多糖泡腾片,以崩解时间、pH、产气量、硬度和脆碎度为指标,检测其质量。经分析,制得的沙枣多糖泡腾片形态为双平面圆形,表面光滑,外形整齐,平均片质量为3.5987 g,直径为20 mm,片厚度为8 mm;崩解时间161 s、pH4.24、产气量455 mg、平均硬度为62 N、脆碎度0.68%。

3　结论

以沙枣为原料,采用水提醇沉法提取得沙枣粗多糖,进一步采用Sevage法脱蛋白、DEAE-纤维素分级纯化,得到的沙枣多糖含量为56.8%。

沙枣多糖的静止角为38.19°,堆积密度为0.4449、振实密度为0.5296、压缩指数为15.99%和豪斯纳比为1.19等物性数据表明沙枣多糖适合于压制泡腾片。

通过正交实验筛选得到沙枣多糖泡腾片的最佳配方，并采用响应曲面法优化了沙枣多糖泡腾片的制备工艺，确定了沙枣多糖添加量为25.0%、泡腾剂添加量为61.1%、甜味剂添加量为11.1%时,其中阿斯巴甜和木糖醇质量比为1∶1,制备得沙枣多糖泡腾片感官评分最高达4.7分。

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Optimization of preparation technology of oleaster polysaccharide effervescent tablets by response surface method

YANG Xi1,2,LONG Hai-tao1,2,QIAO Hai-jun1,2

(1.College of Science,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.Institute of Agricultural Resources Chemistry and Application,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

To prepare a new form of oleaster polysaccharide effervescent tablets.Oleaster polysaccharide was separated and extracted from oleaster fruits,then its angle of repose,Hausner Ratio and coefficient of dilataion were tested.Mixed tablet test was carried out by acid-base two-phase granulating method.The effect of additive amount of oleaster polysaccharide,the additive amount of effervescing agent and the amount of sweeteners on different indexes of effervescent tablet were optimized by response surface methodology.The results showed that angle of repose of oleaster polysaccharide was 38.19°,Hausner Ratio was 1.19 and the compression index was 15.99%.These facts demonstrated that oleaster polysaccharide was fit for supression of effervescent tablet.The sensory score of the prepared oleaster polysaccharide got the maximum value of 4.7 which approached the estimated value of 4.8,when the additon ratios of oleaster polysaccharide,effervescing agent and sweetener were 25.0%,61.1% and 11.1% respectively.In this study,the preparation technology was optimized and the optimum process recipe was determined.

effervescent tablets;oleaster polysaccharide;response surface methodology

2015-09-25

杨晰(1979-)，女，硕士，讲师，研究方向：天然产物化学，E-mail：lily_yang0908@sina.com。

甘肃省青年科技基金计划(1107RJYA049)资助。

TS210.1

B

1002-0306(2016)09-0256-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.09.041