响应面法优化黄秋葵超微粉制备工艺

钟 宝,李凤林,王 红

（1. 吉林农业科技学院食品工程学院，吉林 吉林 132101；2. 吉林农业大学食品科学与工程学院，吉林 长春 130118）

黄秋葵（Hibiscus esculentus），别名秋葵夹、羊角豆，是锦葵科一年生草本植物[1]，其富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质、维生素和膳食纤维，同时还富含多糖、黄酮等成分，具有较高的营养价值和显著的保健食疗效果，不仅可预防心血管疾病的发生，还能提高免疫力，对人体还具有促进胃肠蠕动、防止便秘以及抗疲劳等作用[2-4]。黄秋葵作为一种具有较高营养价值的蔬菜，有很大的应用价值和开发潜力[5-7]。

超微粉碎技术在食品加工中的应用主要有三个方面：一是提高食品的口感；二是将原来不能充分吸收的原料被重新利用；三是配制和深加工成各种功能性食品，目前主要用在辛香调味料、营养强化粉、水果蔬菜粉、肉粉等方面的制作，如骨粉、肝粉等。黄秋葵虽然营养价值丰富，但不易保存[8-11]。因此，本文以黄秋葵为原料，在单因素试验的基础上，利用超微粉碎技术，以黄秋葵超微粉粒径大小为评价指标，通过响应面法对黄秋葵粉超微粉制备的工艺参数进行优化，提高产品的吸收利用率，同时为黄秋葵综合利用开辟新的应用领域。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

黄秋葵，购于吉林市美邦农贸市场。柠檬酸、抗坏血酸购于天津市化学试剂厂。

1.1.2 仪器与设备

HH-4型水浴锅，PHG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱，JP-300A-6型粉碎机，WFJ-15型超微粉碎机，LS-POP(6)型激光粒度分析仪。

1.2 方法

1.2.1 工艺流程

原料选择→清洗→护色→干燥→粉碎→超微粉→粒径测定

1.2.2 操作要点

1.2.2.1 原料选择

选用吉林市本地产的新鲜优质黄秋葵。

1.2.2.2 清洗、护色

将黄秋葵清洗干净，去除杂物，放入开水中（加0.2%柠檬酸、0.1%抗坏血酸）漂烫2 min，捞出晾凉。

1.2.2.3 干燥

控制进料量200g，干燥时间10h，干燥温度80℃。

1.2.2.4 粉碎

用粉碎机粉碎2 min，过60目分样筛。

1.2.2.5 超微粉碎

利用超微粉碎机将粗粉进行超微粉碎，得黄秋葵超微粉，过200目分样筛，进行分级。

1.2.2.6 粒径测定

将黄秋葵超微粉置于激光粒度分析仪中，根据散射光能的分布推算被测颗粒的粒度分布，散射角的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的角就越小；颗粒越小，产生的散射光的角就越大。散射光的强度代表该粒径颗粒的数量。

1.2.3 黄秋葵超微粉制备的单因素试验设计

1.2.3.1 粉碎时间对黄秋葵超微粉粒径的影响

干制黄秋葵200 g，常温下，在压力200 Pa，分级频率 25 Hz时，分别选取粉碎时间 15、20、25、30、35 min，考察粉碎时间对黄秋葵超微粉粒径的影响。

1.2.3.2 压力对黄秋葵超微粉粒径的影响

干制黄秋葵200 g，常温下，在粉碎时间25 min，分级频率25 Hz时，分别选取压力160、180、200、220、240 Pa，考察压力对黄秋葵超微粉粒径的影响。

1.2.3.3 分级频率对黄秋葵超微粉粒径的影响

干制黄秋葵200 g，常温下，在粉碎时间25 min，压力200 Pa时， 分别选取分级频率15、20、25、30、35 Hz，考察分级频率对黄秋葵超微粉粒径的影响。

1.2.4 黄秋葵超微粉制备的响应面法试验设计

在单因素试验基础上，以粉碎时间（A）、压力（B）、分级频率（C）为自变量，以粒径大小为响应值（Y），进行响应面优化试验。试验因素水平见表1。

表1 响应面因素与水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

1.2.5 数据处理

采用辅助软件Design-Expert 8.0.6，进行随机试验，Excel软件进行图表绘制。

图1 粉碎时间对黄秋葵超微粉粒径的影响Fig.1 Effect of grinding time on okra submicron powder particle size

2 结果与分析

2.1 粉碎时间对黄秋葵超微粉粒径的影响

由图1可知，在粉碎初期，随着粉碎时间的增加，黄秋葵超微粉的粉径会逐渐变小，粉碎25 min时，物料粒径最小，之后继续增加粉碎时间，物料粒径大小逐渐增加。其原因是由于当粉碎机中物料粉径降到一定程度后，相对比表面积增加，颗粒之间彼此会发生软团聚现象；除此之外，部分糖类成分释放使超微粉有一定的黏性，且粉碎过程中在一定常温下进行，所以使物料的粒径大小会有所波动。因此综合分析，选择粉碎时间为20～30 min时进行后续响应面优化试验。

2.2 压力对黄秋葵超微粉粒径的影响

由图2可知，在粒碎初期，随着压力的增大，黄秋葵超微粉的粒径会逐渐减小，当压力为200 Pa时，物料粒径达到最小值，之后继续增大压力，物料粒径逐渐增加。其原因是压力增加，气流速度提高，进而提高了被粉碎的速度，颗粒获得动能增加，从而使颗粒碰撞的能量增加，粒径变小。压力达到一定程度时，打破了喷嘴前后的压力比，从而可能在粉碎机器中产生激波，气象穿过激波而速度下降，因此会影响粉径大小。因此综合分析，选择压力为180～220 Pa进行后续响应面优化试验。

图2压力对黄秋葵超微粉粒径的影响Fig.2 Effect of pressure on okra submicron powder particle size

2.3 分级频率对黄秋葵超微粉粒径的影响

由图3可知，在粒碎初期，随着分级频率的增大，黄秋葵超微粉的粒径会逐渐减小，当分级频率为25 Hz时，物料粒径最小，之后继续增加分级频率，物料粒径逐渐增大。这是因为当粉碎机中物料粉径降到一定程度后，物料的相对比表面积增加，颗粒之间彼此会发生软团聚现象。因此综合分析，选择分级频率为20～30 Hz进行后续响应面优化试验。

图3 分级频率对黄秋葵超微粉粒径的影响Fig.3 Effect of graded frequency on okra submicron powder particle size

2.4 响应面法工艺优化结果

2.4.1 响应面分析试验设计

根据单因素试验结果，进行响应面优化试验，分别考察粉碎时间（A），压力（B），分级频率（C）对粒径大小（Y）的影响。试验设计及结果见表2。

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Design and results of response surface experiment

2.4.2 回归模型方差分析及显著性检验

采用Design-Expert 8.0.6软件对多元回归模型拟合、方差分析及显著性检验，得到回归方程模型为：

对该模型进行显著性检验，得到方差分析，见表3，模型的可信度分析见表4。

由表3、4可知，模型的P＜0.000 1，说明该模型极显著，回归模型设计与实际测定值能够最大限度的拟合，试验误差较小，因此，可以用该回归方程代替试验真实值对试验结果进行分析，得到R2=0.993 1，预测值与实际值之间存在高度相关性，说明该方程具有较高的可靠性。 回归模型中，二次项BC、A2、B2、C2表现出极显著水平（P＜0.01），一次项B、C和二次项AB均表现出显著水平（P＜0.05）。三个因素对黄秋葵超微粉粒径大小的影响主次顺序为：C＞B＞A，即分级频率＞压力＞粉碎时间。

表3 回归方程ANOVA分析Table 3 Analysis of variance for fitted quadratic regression equation

表4 回归模型的可信度分析Table 4 Reliability analysis of the established regression model

2.4.3 各因素间交互作用对黄秋葵超微粉粒径的影响分析

在回归模型方差分析结果的基础上，利用软件做粉碎时间、压力、分级频率对粉径大小影响的等高线图和响应面图，结果见图4～6。

图4 粉碎时间与压力交互作用对粉径影响的等高线图和响应面图Fig.4 The contour map and response surface diagram of the interactive effects of shredding time and pressure on powder size

图5 分级频率与粉碎时间交互作用对粉径影响的等高线图和响应面图Fig.5 The contour map and response surface diagram of the interactive effects of graded frequency and shredding time on powder size

图6 压力与分级频率交互作用对粉径影响的等高线图和响应面图Fig.6 The contour map and response surface diagram of the interactive effects of pressure and graded frequency on powder size

通过Design-Expert 8.0.6软件求解回归方程得到黄秋葵超微粉制备的最佳提取条件为：粉碎时间20.13 min，压力 200.32 Pa，分级频率 25.14 Hz，预测黄秋葵超微粉粒径大小为1滋m；考虑实际操作的方便性，将黄秋葵超微粉制备的最佳提取条件修正为：粉碎时间20 min，压力为200 Pa，分级频率为25 Hz，在该工艺参数下制得的黄秋葵超微粉的粒经大小为1滋m，与理论预测值比较接近，表明响应面得到的数学模型是可靠的，具有实用价值。

3 结论与讨论

3.1 结论

在单因素的基础上，以粉碎时间、压力、分级频率为自变量，以黄秋葵超微粉粒径大小为响应值对黄秋葵超微粉制备工艺参数进行响应面优化，得到其最佳工艺参数为：粉碎时间20 min，压力200 Pa，分级频率25 Hz，在该条件下制得的黄秋葵超微粉粒径大小为1滋m。

3.2 讨论

在试验过程中，粉碎时间过短，粒径不能充分变小，粉碎时间过长，由于粉碎机中物料粉径降到一定程度后，相对比表面积增加，颗粒之间彼此会发生软团聚现象，粒径也会略有增加。经过反复试验，最终选择最佳粉碎时间为20～30 min。

本试验主要采用了吉林地区生长的黄秋葵，不同地区的黄秋葵因受到土壤和温度差异，其质地和品质也受到影响，因此若采用不同地区生产的黄秋葵进行试验，要重新预算粉碎时间、压力和分级频率。另外采用不同型号试验设备，也会对试验结果有所影响。