响应面设计优化霍山石斛超细粉体的制备工艺

张珍林，殷智超

(1.皖西学院 生物与制药工程学院，安徽 六安 237012；2.安徽省省级2011协同创新——霍山石斛产业化开发协同创新中心，安徽 六安 237012)

响应面设计优化霍山石斛超细粉体的制备工艺

张珍林，殷智超

(1.皖西学院 生物与制药工程学院，安徽 六安 237012；2.安徽省省级2011协同创新——霍山石斛产业化开发协同创新中心，安徽 六安 237012)

通过比较不同粒径霍山石斛超细粉的物理性质，在单因素实验的基础上，以霍山石斛超细粉得率为考察指标进行3因素(进料目数、磨介数量、粉碎时间)3水平的响应面实验设计，通过Design Expert 8.0.6软件进行响应面优化。结果表明，在实验范围内，不同粒径霍山石斛超细粉体的持水力、膨胀力、溶解性及多糖溶出率均显著提高，但润湿性呈下降趋势。优化后的霍山石斛超细粉体得率的最佳工艺参数为：霍山石斛粉进料目数220目, 磨介数量60%, 粉碎时间5 min, 霍山石斛细粉得率可达95.74%。霍山石斛超细粉可广泛应用于保健食品和药品行业，有利于提高其利用范围。

霍山石斛；超细粉碎；物理性质；响应面；工艺优化

霍山石斛，俗称米斛，是兰科石斛属的草本植物，主产于大别山区的安徽省霍山县，是石斛中的极品[1]。《本草纲目》记载有很强的药用价值；道家经典《道藏》把霍山石斛列为中华“九大仙草”之一，且名列之首；我国《地理标志产品保护规定》对霍山石斛实施地理标志产品保护[2](P89)。近年来，安徽省地方高校皖西学院组建了石斛产业化开发协同中心组培实验室和霍山石斛规范化栽培示范基地，以上种种表明，霍山石斛种植可以带来的巨大效益成为当今中药种植产业的“黄金产业”。因此，霍山石斛生物功能特性研究与综合利用成为当前热点。

目前，霍山石斛食用多以干燥茎(霍山枫斗)和鲜斛为主，随着铁皮石斛作为药食同源体后，大量的功能性产品，如铁皮石斛颗粒、铁皮石斛酒、铁皮石斛牛奶功能性果冻、铁皮石斛保健茶及铁皮石斛饮料等层出不穷[3]，但是关于霍山石斛以及霍山石斛粉方面的研究报道甚少。植物粉以其营养纯然、方便使用、贮藏不难、运输省力等优点，成为近年来食品、药品行业研究的热点。

超微粉碎技术是近年来发展起来，采用物理方法将植物粉碎到0.1～75 μm的一种技术[4]，在此基础上，使用全自动样品快速研磨仪可以将粉体粉碎到20 μm以下，这两者的结合也是改进传统工艺、增进新产品开发的动力，在南瓜籽壳、葡萄籽、金针菇、鱼腥草、蜂花等植物体的粉碎中广泛应用[5-7]，但该技术在霍山石斛粉制备研究中尚未涉及。作者通过此方法来研究产品霍山石斛超细粉与超微粉的物理特性差异，并以600目筛通过率为考察指标，对霍山石斛超细粉体粉碎工艺进行优化。为霍山石斛的深加工研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

霍山石斛：皖西学院霍山石斛产业化开发协同创新中心提供。

1.2 仪器与设备

中药粉碎机：济南天宇专用设备有限公司；全自动样品快速研磨仪：上海万柏生物科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 霍山石斛超细粉体物理性质测定

挑选无病害的霍山石斛，清洗干燥，用中药粉碎机多次叠加粉碎10 min，分别过180、200、220、240和260目筛，得霍山石斛超微粉。将含水量小于10%、粒径为100、75、65、61及56 μm的霍山石斛超微粉放入全自动样品快速研磨仪中进行超细粉碎5 min，然后分别再过400、500、600、700和800目筛，得到不同粉体粒径的超细粉体。对不同超细粉体粒径的润湿性、持水力、膨胀力、溶解性及多糖溶出率进行测定，比较不同粒径霍山石斛超细粉的物理特性差异。

1.3.1.1 润湿性的测定

润湿性反应的是粉体完全悬浮于水中的时间，参照张娥珍[8]的方法，在直径为 10 cm的培养皿中，加入50 mL水，再加入0.1 g样品粉末，测定粉末被水完全润湿的时间，重复测定3次。

1.3.1.2 持水力的测定

持水性反应的是粉体与水结合的能力，参照张珍林等[4]的方法，准确称取样品粉末M1，使其均匀地分散在水溶液中,并于60 ℃恒温水浴中分别保持30 min，再用冷水冷却 30 min，4 000 r/min离心15 min，去上清液，称量样品湿重 M2，样品持水能力=(M2- M1)/M1。

1.3.1.3 膨胀力的测定

膨胀力反应的是粉体吸水膨胀的能力，参照张珍林等[4]的方法，准确称取0.50 g样品粉末于量筒中，记录干品体积V1，再向量筒中加入25 mL蒸馏水，搅拌均匀后在室温下静置24 h，记录样品自然膨胀后体积V2，样品的膨胀力=(V2-V1)/ V1。

1.3.1.4 溶解度的测定

溶解性反应的是粉体在水中形成溶液时的性质，参照张娥珍等[13]的方法，准确称取样品粉末1.00 g，加入200 mL 去离子水，打浆匀质后过滤，残渣烘干后称量，溶解率/%=(1-烘干后残渣质量/样品质量)×100，水平组重复3次，取平均值。

1.3.1.5 多糖溶出率的测定

多糖溶出率反应的是霍山石斛超细粉的多糖溶出速度，参照张娥珍等[13]的方法，准确称取样品粉末0.10 g，加入50 mL去离子水，搅拌均匀，过滤后测定溶液中的多糖含量。多糖含量的测定依据国标苯酚-硫酸法进行。

1.3.2 霍山石斛超细粉碎单因子试验

以粉体600目筛通过率为评价指标，分别考察粉碎时间(1、3、5、7和9 min)、进全自动研磨仪物料粒径(180、200、220、240和260目)和磨介质充填率(磨介数量)(40%、50%、60%、70%和80%)对粉体得率的影响。

1.3.3 响应面实验设计

根据单因素实验结果，以粉碎时间、进料粒径、磨介数量3个因素为自变量，参照600目细粉得率进行3因素3水平的响应面实验[9]。通过Design Expert 8.0.6软件对实验数据进行回归分析[10]，得到霍山石斛超细粉制备的最优工艺参数。因素水平分析选取见表1。

表1 中心组合实验的因子及编码值

2 结果与分析

2.1 霍山石斛不同粉体粒径的润湿性、膨胀力、溶解性、持水力及多糖溶出率的比较

从表2可以看出，随着粒径减小膨胀力、溶解性、持水力、多糖溶出率均是增加；分析主要是由于霍山石斛粉碎程度越高，加大了细胞壁破壁，细胞质内多糖、蛋白质、纤维素等大分子物质溶出，更多的与水分子结合，使得膨胀力、溶解性、持水力、多糖溶出率均是增加。润湿性反应的是粉体完全悬浮于水中的时间，实际应该是随着粒度减小，润湿时间减少，但随着粒径减少又出现了润湿时间增加的现象，分析原因主要是由于霍山石斛富含多糖，粉末在接触水后，多糖迅速和水结合，在粉末外围形成一层黏液层，阻止了水分子的进一步浸入，导致浸润时间延长[11]；这也进一步说明粉体的破碎程度越大，多糖溶出效率越高。

表2 不同粉体粒径的润湿性、膨胀力、溶解性、持水力及多糖溶出率的比较

2.2 霍山石斛超细粉碎单因素实验

2.2.1 粉碎时间对霍山石斛超细粉碎的影响

通过分析图1我们得出，全自动研磨仪处于起始温度20 ℃环境下，固定投料的粉体粒径220目、磨介填充数量60%，观察随着研磨时间从1 min至9 min的变化，呈现粉体数量先变多再减少的趋势，且在5 min时有一个最大细粉得率值。查资料[12]，分析原因主要由于随着研磨时间变长，粗粉的细胞壁被完全打开，水溶性大分子溶出增多，相互之间的亲水基团暴露越多，越容易粘黏，形成了团聚体，使得粉体的数量减少。所以，单因素实验初步认定5 min是最佳粉碎时间。

图1 粉碎时间对超细粉得率的影响

2.2.2 进料粒径对霍山石斛超细粉碎的影响

通过分析图2我们得出，全自动研磨仪处于起始温度20 ℃环境下，设定粉碎时间5 min、磨介填充数量60%，观察随着收取的不同粒径的粉体，粉体得率也是不断变化，投入粒径越小，细粉的量逐渐增多，当粒径小于20 μm后，细粉得率趋于平稳，查资料[14]，分析原因是随着粉体粒径的逐渐减小，在1.5 ml研磨管中越不利于钢珠的剪切和研磨，导致粉体量不增长或增长不明显。所以，单因素实验初步认定220目是最佳进料目数。

图2 粒径对超细粉得率的影响

2.2.3 磨介数量对霍山石斛超细粉碎的影响

图3 磨介数量对超细粉得率的影响

通过分析图3我们得出，全自动研磨仪处于起始温度20 ℃环境下，设定粉碎时间5 min、粉体粒径220目，观察随着添加到研磨管中的数量不同，粉体得率也是不断变化，先逐渐增加再趋于平稳最后又开始降低，当磨介数量60%后，细粉得率趋于平稳，再增加到80%后出现减少的趋势。分析原因是随着磨介数量增多，研磨管在钢珠作用研磨逐渐达到饱和，趋于稳定不增长，再增加量，在剧烈研磨震荡下，粉体溢出，损失部分的量，使得粉体得率减少。所以，单因素实验初步认定60%是最佳磨介数量。

2.3 响应面优化实验结果分析

2.3.1 响应面实验安排及实验结果分析

采用响应面法优化细粉得率，根据Design Expert 8.0.6.1软件进行回归分析得到表3中实验安排顺序及组数，使用Design Expert 8.0.6.1软件进行多元回归拟合分析，得到细粉得率与粉碎时间A、进料粒径B、磨介数量C各变量因素之间的二次多项回归方程：Y=95.51+2.06A+0.99B-0.32C-1.30AB+0.033AC+0.83BC-5.15A2-2.06B2-1.72C2

表3 中心实验设计及实验结果

Design Expert 8.0.6.1软件根据表3的实验结果进行统计分析，得到表4方差分析结果，通过表4可以得出，一次项粉碎时间(A)和进料粒径(B)对细粉得率的曲面效应显著，其中粉碎时间(A)是极显著，磨介数量(C)对细粉得率的曲面效应不显著；二次项粉碎时间(A2)、进料粒径(B2)及磨介数量(C2)对细粉得率的曲面效应均显著；单因素因子之间的交互作用粉碎时间和进料粒径(AB)显著，粉碎时间和磨介数量(AC)、进料粒径和磨介数量(BC)交互不显著。根据显著性检测原理p<0.01极显著，由表5得出回归模型的调整复相关系数RAdj=0.959 0，整体模型的P值<0.000 1，由此可以说明模型的可行度好，与实际实验安排拟合度高。

表4 回归模型的方差分析

注：*表示在p=0.05水平上显著，**表示在p=0.01水平上极显著。

表5 模型的可信度分析及统计检验结果

2.3.2 各因素的交互作用

图4 Y=(A,B)对细粉得率影响的响应面和等高线

等高线图考察每两个因素对因变量造成的影响，并由拟合的方程形成等高线，为二维平面3D图形，由该图可以找出较好的范围。分析图4～6的等高线图和3D图形可以得出，粉碎时间(A)和进料粒径(B)的图形趋于椭圆且椭圆轴线与坐标轴的角度大，两者之间交互作用明显；粉碎时间(A)和磨介数量(C)的图形趋于椭圆但椭圆轴线与坐标轴的角度小，两者之间交互作用不明显；进料粒径(B)和磨介数量(C)的图形趋于圆形且无角度，两者之间交互作用较差。

2.3.3 最佳提取工艺的优化及验证

图5 Y=(A,C)对细粉得率影响的响应面和等高线

图6 Y=(B,C)对细粉得率影响的响应面和等高线

根据响应面试验最优值预测方法，预测出霍山石斛超细粉碎得率的最大值为95.790 9%，各单因素最优值分别是粉碎时间5.71 min，进料粒径234.50目，磨介数量59.00%。验证本实验结果的可性度，依据最佳条件值进行实验，利于实验操作，选取粉碎时间5 min，进料粒径220目，磨介数量60%，进行三次平行验证，细粉得率平均值为95.74%，与优化预测值非常接近，肯定了所建立的响应面二次回归模型的准确度，本模型适用于霍山石斛超细粉碎的制取工艺优化。

3 讨论

霍山石斛鲜条经过干燥、粉碎等处理可以提升利用空间，增加货架期，但其特殊的生物功能性质不论是加工与否，与其本身所具有的物理化学性质分不开，好的功能性质能否全面展露出来，这又与加工形式密切相连。在植物组织干燥、粉碎过程中，植物粉末的颗粒粒径、细胞壁破坏的程度等是直接影响功能特性的因素，不同颗粒粒径的比表面积、暴露的功能基团不同，导致其功能特性的强弱不同，最终可造成生物学特性上的差异[13]。詹若挺等[3]对三七超微粉进行研究，成功解决了其原粉水溶性差的问题；张珍林等[4]对南瓜籽壳超微粉进行研究，成功将高纤维下脚原料提升了利用空间；刘霞等[5]对冷榨葡萄籽饼粕超微粉中主要营养物质的分析，表明超微粉碎处理明显提高了葡萄籽饼粕中的营养物质成分；张智圆等[7]对超微中药的特性及其药效组分质控新方法研究，表明超微粉碎方法在中药新资源开发中应用的重要性。本研究前期根据大量文献和资料整理出适合霍山石斛粉碎的工艺路线，主要将霍山石斛经过初粉、再粉，形成颗粒粒径约70 μm的超粉，利用全自动研磨仪结合最新的Design Expert 8.0.6软件设计出回归模型，进行超细粉的制备，根据不同组数的超细粉物理特性测定实验，最终得出最优的制备参数以及最大超细粉得率。

本研究结果发现，霍山石斛超细粉的润湿性、持水性、膨胀力、溶解度以及多糖溶出率在不同粒径下，有显著区别，随着粒径减小膨胀力、溶解性、持水力、多糖溶出率均是增加，润湿性下降；单因素结合响应面分析得出超细粉的最优制备工艺是进料粒径220目，磨介数量60%，粉碎时间5 min。

目前，也有很多资料显示出，纳米粉碎技术在植物粉末制备上的应用研究，但在霍山石斛粉碎中的应用还未见报道，纳米霍山石斛粉的物理化学特性是否要优于超细粉，经过纳米技术粉碎后，其功能特性有没有太大改进，这还需要我更进一步的研究证实。

4 结论

实验挑选无病斑洁净霍山石斛，清洗烘干，用中药粉碎机1 min/1次干法粉碎，共进行10次，得到过220目微粉；通过单因素试验确定了进料目数、磨介数量、粉碎时间 3个试验因素的取值范围。用Design Expert 8.0.6软件做响应面分析，得到二次多项回归方程：Y=95.51+2.06A+0.99B-0.32C-1.30AB+0.033AC+0.83BC-5.15A2-2.06B2-1.72C2，回归分析，一次项粉碎时间(A)和进料粒径(B)对细粉得率的曲面效应显著，磨介数量(C)对细粉得率的曲面效应不显著；二次项粉碎时间(A2)、进料粒径(B2)及磨介数量(C2)对细粉得率的曲面效应均显著；单因素因子之间的交互作用粉碎时间和进料粒径(AB)显著，粉碎时间和磨介数量(AC)、进料粒径和磨介数量(BC)交互不显著，回归模型的调整复相关系数RAdj=0.959 0，整体模型的P值<0.000 1，由此可以说明模型的可行度好，与实际实验安排拟合度高，可以用于该试验的理论预测。响应面试验确定了霍山石斛粉的最佳工艺参数：进料粒径220目，磨介数量60%，粉碎时间5 min，得到霍山石斛超细粉95.74%。同时进行了不同粒径超细粉物理特性试验，得出全自动研磨能显著提高粉体的持水力、膨胀力、溶解性及多糖溶出率，但由于多糖等大分子溶出量增加，导致湿润性有所下降。总体表现，霍山石斛超细粉经过全自动研磨特性显著提高，奠定了霍山石斛在食品和药品行业的深开发应用基础条件。

[1]陈乃东，程艳，陈乃富，等.霍山石斛·河南石斛金属元素含量比较研究[J].安徽农业科学，2015(43)：316-317.

[2]中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志[M].北京：科学出版社，1999.

[3]詹若挺，夏荃，成金乐，等.三七超微粉体与细粉、不同目数范围粉体的粒度分布和显微形貌特征的比较[J].中国粉体技术，2009，15(1)：42-45.

[4]张珍林，殷智超，袁威.南瓜籽壳超微粉特性研究[J].农产品加工，2015(1)：1-7.

[5]刘霞，李华，杨继红，等.冷榨葡萄籽饼粕超微粉中主要营养物质的分析[J].中国粮油学报，2013，28(1)：117-128.

[6]杨桂芹，邹兴淮.西洋参和蜂花粉细粉及超微粉组织特征扫描电镜观察[J].吉林农业大学学报，2004，26(3)：298-300，304.

[7]张智圆，张贵君，刘长松，等.超微中药的特性及其药效组分质控新方法[C].长沙：第三届中国中药商品学术年会暨首届中药葛根国际产业发展研讨会，2012-07-15.

[8]张娥珍，崔素芬，辛明，等.铁皮石斛超微粉与普通粉物理特性的比较[J].热带作物学报，2014，35(7)：1444-1449.

[9]曹美丽，蒋玉蓉，阙淼琳，等.响应面设计法优化铁皮石斛总多酚的提取工艺[J].食品工业科技，2015(22)：272-276.

[10]王茂生，梁俊玉，高莹，等.响应面法优化超声辅助提取核桃叶多酚的工艺研究[J].食品工业科技，2012，33(7)：311-314.

[11]易军鹏，朱文学，马海乐，等.牡丹籽油超声波辅助提取工艺的响应面法优化[J].农业机械学报，2009，40(6)：103-110.

[12]陈乃东，陈乃富，顾镇，等.组培霍山石斛、野生霍山石斛及河南石斛多糖及乙醇溶出物动态积累规律研究[J].天然产物研究与开发，2015(27)：2090-2094.

[13]张娥珍，黄梅华，辛明，等.铁皮石斛纳米粉与超微粉的物理特性和体外抗氧化活性比较研究[J].热带作物学报，2015，36(12)：2184-2191.

[14]王朝川，李新胜，马超，等.金针菇超微粉体物理特性及其制备工艺优化研究[J].食品工业，2016，37(6)：19-22.

OptimizationofPreparationforTotalUltrafinePowderfromDendrobiumHuoshanensebyResponseSurfaceMethodology

ZHANG Zhenlin, YIN Zhichao

(1.CollegeofBiotechnologyandPharmaceuticalEngineering,WestAnhuiUniversity,Lu’an237012,China;2.TheProvincial2011CollaborativeInnovationCenterofAnhui-DendrobiumHuoshanenseIndustrializationExploitationCollaborativeInnovationCenter,Lu’an237012,China)

To compare the physical properties of Ultrafine Dendrobium huoshanense Powder were studied at different levels of granularity. Based on the single factor tests the response surface of the three levels and three factors that are Ultrafine Dendrobium huoshanense powder, the number of materials, the number of grinding, the amount of grinding time, The Design Expert 8.0.6 software Response surface optimization, The results showed that Ultrafine comminution increased the water -holding ability, expansibility, solubility and dissolution rate of polysaccharide of Dendrobium huoshanense Powder, but wettability is declining. The optimized processing conditions are amount of feed mesh 220 mesh of Dendrobium huoshanense powder, the number of medium grind of 60% and grinding time 5 min, the yield of uitrafine Dendrobium huoshanense powder was up to 95.74%. Uitrafine Dendrobium huoshanense powder was widely used health food and pharmaceutical industries, Help to improve the higher bioavailability.

Dendrobium huoshanense; ultrafine powder; physical properties; response surface methodology; parameter optimization

R285.6

A

1009-9735(2017)05-0015-06

2017-05-15

皖西学院校级自然科学研究项目(WXZR201627)；安徽省教育厅自然科学研究重点项目(KJ2016A886)；国家自然科学基金面上项目(81573536)。

张珍林(1985-)，女，安徽六安人，硕士，讲师，研究方向：天然植物食品研究与开发。