响应面法优化沙棘鲜果渣干燥工艺

张春媛，张 娜，邢金香

(山西省林业和草原科学研究院，山西 太原 030012)

中国是沙棘种植、加工大国，沙棘作为药食同源的中药材之一，具有抗氧化、增强免疫力之功效。每年有大量的沙棘果用于生产果汁或榨油，在沙棘果中占有较大比重的加工副产物皮、核、籽、渣，含有丰富的黄酮类化合物、有机酸、矿物质等营养成分，由于成本和干燥的原因，被直接当做废弃垃圾或通过填埋来处理，造成了资源的极大浪费。为了充分利用沙棘资源，对沙棘果渣进行干燥尤为重要。为此，笔者选用自主研发的鲜果渣自动干燥机对沙棘鲜果渣进行不同干燥温度、装样量和出风口湿度的干燥试验，并进行响应面优化，以期为沙棘果渣干燥提供理论依据，从而确保沙棘产业的健康、可持续发展。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：沙棘果渣、蓝莓果渣，购买于吕梁野山坡食品有限责任公司。

仪器：鲜果渣自动干燥机(自主研发)、电子天平、干燥器。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素试验

1.2.1.1 不同温度干燥试验

采用自主研发的鲜果渣自动干燥机，分别以50 ℃， 60 ℃，70 ℃，80 ℃对沙棘鲜果渣进行干燥试验。鲜果渣重量均为50 kg，含水率为46.5%.

1.2.1.2 不同装样量干燥试验

采用自主研发的鲜果渣自动干燥机，干燥温度设定为70 ℃，进样量分别为50 kg，80 kg，100 kg，120 kg，对沙棘鲜果渣进行干燥试验。鲜果渣的含水率为52.7%.

1.2.1.3 不同出风口湿度干燥试验

采用自主研发的沙棘果渣自动干燥机，干燥温度设定为70 ℃，进样量为100 kg，出风口湿度分别为9%，12%，15%，18%，对沙棘鲜果渣进行干燥试验。鲜果渣的含水率为56.7%.

1.2.2 响应面试验

在单因素试验的基础上，由罐内温度、装样量、出风口湿度3个因素对干燥后沙棘果渣含水率进行3因素3水平响应面试验优化研究，用Design Expert 8.06软件对含水率进行二次多元回归模型拟合分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 不同温度干燥试验

不同温度沙棘鲜果渣干燥试验结果见表1.

表1 不同温度沙棘鲜果渣干燥试验

由表1可知，干燥温度越高，干燥时间越短。当干燥温度为50 ℃时，干燥时间较长，需耗时225 min才能达到规定要求(含水率为8%～12%)。当干燥温度为60 ℃时，干燥时间为120 min，果渣颜色正常，呈黄色。当干燥温度为70 ℃时，干燥时间为90 min，果渣颜色仍属正常。当干燥温度为80 ℃时，干燥时间较短，仅80 min，但观察发现，果渣颜色明显发暗，呈黄褐色。可能是干燥温度过高，热敏性物质维生素C遭到破坏所致。故干燥温度为70 ℃最合适。

2.1.2 不同处理量干燥试验

不同处理量沙棘鲜果渣干燥试验结果见表2.

由表2可知，干燥温度为70 ℃时，干燥时间与处理量成正相关，处理量越大干燥时间越长。当处理量为100 kg时，果渣干燥处理量达到了33.33 kg/h.而继续加大处理量，其干燥处理量有所下降。且干燥时间太长，会使沙棘果渣中一些营养成分的结构被破坏，造成活性成分损失。因此，处理量选择100 kg最合适。

2.1.3 不同出风口湿度干燥试验

不同出风口湿度沙棘鲜果渣干燥试验结果见表3.

由表3可知，出风口湿度为15%和18%时，干燥后果渣含水率相对较高。而出风口湿度为9%时，干燥后果渣含水率为5.63%，过于干燥。出风口湿度为12%时，干燥后果渣含水率为7.12%，达到干燥后含水率要求，且果渣干燥处理量达到了33.33 kg/h.因此，出风口湿度为12%比较合适。

2.2 沙棘干燥干燥工艺参数优化

2.2.1 响应面试验设计

采用3因素3水平(罐内温度：60 ℃，70 ℃，80 ℃；装样量：80 kg，100 kg，120 kg；出风口湿度：10%，12%，15%)进行响应面分析，采用软件Design Expert 8.06处理分析数据，共17组试验，试验设计及结果见第10页表4.

表4 试验设计与结果

利用Design Expert 8.06软件对表1的数据进行多元回归拟合分析，得出含水率对罐内温度(A)、装样量(B)、出风口湿度(C)的二次多项回归模型为：含水率=7.19-0.20A-0.11B-0.026C-0.14AB+0.54AC+0.34BC+1.87A2+0.68B2+0.29C2.

2.2.2 模型的建立及其显著性检验

对该二次多元回归模型进行方差分析，结果如表5.

由表5方差分析可知，F回归=143.84>F0.05=6.94，P<0.05，说明回归方程显著.F失拟=0.508 60.05，表明失拟不显著.说明该方程试验拟合情况较好，误差较小，可以用该回归方程对试验结果进行分析。由单因素F值可知单因素对含水率的影响顺序为A>B>C，即罐内温度>装样量>出风口湿度；由P值可知，二次型A2,B2和C2均对测定多酚提取量的试验结果显著；交互项BC和AC显著，而AB不显著。

表5 回归模型方差分析

2.2.3 两因素间的交互影响

罐内温度与装样量、罐内温度与出风口湿度、装样量与出风口湿度之间交互作用的三维空间响应面图和等高线图，如第11页图1.

由图1可知，罐内温度与出风口湿度、装样量与出风口湿度等高线图的形状是椭圆形，说明这几个因素之间的交互作用显著。而罐内温度与装样量等高线图的形状是圆形，说明这两个因素交互作用不显著。

图1 不同因素之间的等高线和响应面图

对回归方程进行分析，求出其沙棘果渣含水率理论最佳值为7.18%，其所对应的最佳干燥参数为：罐内温度70 ℃，装样量102 kg，出风口湿度12%.

2.3 试验验证

为了验证模型结果的可靠性，在得到的最优条件下进行3次平行试验，沙棘果渣含水率为7.23%，7.15%，7.20%，平均得率为7.19%，与理论值相差0.14%，说明该模型得到的工艺参数准确可靠。

3 结论

通过单因素和响应面试验，探讨了罐内温度、装样量、出风口湿度对沙棘果渣干燥的影响；得出最佳的干燥工艺参数为：罐内温度70 ℃，装样量102 kg，出风口湿度12%，得到的沙棘果渣含水率为7.18%.