枸杞多糖提取物微波真空干燥特性研究及其品質(zhì)分析

趙 芩，張立彥 ，邱志敏

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州510640)

寧夏枸杞為茄科枸杞屬(Lycium L.)寧夏枸杞(Lycium barbarum L.)的干燥果實(shí)，是常用滋補(bǔ)類中藥材［1］。寧夏枸杞富含多糖成分，具有多種保健功效［2］。目前枸杞產(chǎn)品主要有枸杞酒、枸杞袋泡茶、枸杞晶口服液及各種枸杞飲料等。隨著人們生活水平的提高及生活節(jié)奏的加快，飲料消費(fèi)量與日俱增，天然而方便飲用、既有營養(yǎng)又有藥理作用的固體粉末保健飲料倍受消費(fèi)者歡迎［3］。因此開發(fā)枸杞固體飲料有著極大的潛力和廣闊的前景。但在應(yīng)用傳統(tǒng)的干燥方法干燥枸杞固體飲料的主要成分-枸杞多糖提取物混料時(shí)還存在多糖保留率低、產(chǎn)品沖調(diào)性差、綜合品質(zhì)不高等問題。微波真空干燥是一種新型的干燥方式，結(jié)合了微波干燥的快速、整體加熱以及真空干燥的低溫、快速除濕等優(yōu)點(diǎn)，目前在農(nóng)產(chǎn)品、藥品等熱敏性物料的干燥上取得了廣泛應(yīng)用［4-6］。但目前國內(nèi)外在利用微波干燥法干燥固體粉末的研究上還僅限于農(nóng)產(chǎn)品、奶品等，且報(bào)道較少。例如李遠(yuǎn)志等人利用微波真空干燥方法制得速溶香蕉粉，產(chǎn)品組織膨松，色澤明亮，能迅速溶于水且有香蕉清香［7］。Li Y 等利用微波干燥法干燥大蒜粉末，得到最佳的干燥工藝為微波功率376.1W，干燥時(shí)間3 分鐘［8］。而對(duì)果實(shí)多糖提取物的微波真空干燥技術(shù)，特別是枸杞多糖提取物微波真空干燥條件的報(bào)道還未見。因此，本實(shí)驗(yàn)采用微波真空干燥法研究了不同微波功率密度對(duì)枸杞混料干燥動(dòng)力學(xué)的影響，以及對(duì)樣品品質(zhì)(沖調(diào)性、多糖保留率)的影響，并優(yōu)化了干燥條件，以期為更好地應(yīng)用微波真空干燥技術(shù)干燥枸杞多糖提取物提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

枸杞 產(chǎn)于寧夏中寧，由寧夏百瑞源枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司提供;麥芽糊精、蔗糖粉 食品級(jí);檸檬酸、抗壞血酸、濃硫酸、苯酚 均為分析純，購于上海伯奧生物科技有限公司。

MZ2C 型真空泵 德國Vacuubrand 公司;MB23型水分分析儀奧豪斯儀器(上海)有限公司;BS/BT型電子天平 德國賽多利斯股份有限公司;MCR-3 型微波化學(xué)反應(yīng)器 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;CENTER309 型熱電偶 蘇州特安斯電子有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 枸杞多糖提取物混料的制備 稱取5g 枸杞子，干燥粉碎至20 目，用微波提取法［7］提取枸杞多糖得多糖提取液，多糖提取液澄清后在70℃真空環(huán)境下濃縮，制成枸杞清膏，再添加麥芽糊精、蔗糖粉，制得枸杞多糖提取物混料。

1.2.2 微波真空干燥特性實(shí)驗(yàn) 將制得的枸杞多糖提取物混料放入微波爐中，在真空度0.075MPa 的條件下，定時(shí)測(cè)量并記錄在不同的微波功率密度(2、4、6、8、10W/g)下，樣品在干燥過程中的重量及外觀變化，繪制樣品的干燥曲線及其失水速率曲線。根據(jù)干燥曲線和干燥速率曲線，分析樣品干燥過程的動(dòng)力學(xué)。在干燥前，測(cè)定樣品的初始含水量X0，并記錄實(shí)驗(yàn)過程中的溫度變化。物料t 時(shí)刻的含水量和干燥速率計(jì)算方法如下:

式中，X0、Xt-樣品初始含水量和t 時(shí)刻含水量，%;G0、Gt-樣品初始重量和t 時(shí)刻的重量，g;ut-樣品t 時(shí)刻的干燥速率，g/100g·min;ΔWt-樣品t時(shí)刻前后兩次測(cè)定水分含量差，%;Δτt-樣品t 時(shí)刻前后兩次時(shí)間差，min。

1.2.3 沖調(diào)性測(cè)定 以產(chǎn)品在水中的溶解時(shí)間來衡量沖調(diào)性的好壞。

溶解時(shí)間的計(jì)算采取如下方法:取5g 樣品置于50mL 的燒杯中，沖入20g 約80℃的熱水，記下溶解時(shí)間。

1.2.4 多糖保留率的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)前先采用硫酸-苯酚法［8］測(cè)定樣品中初始多糖含量C0，再測(cè)量不同處理后的多糖含量Cx，多糖含量及多糖保留率的計(jì)算方法如下:

式中:C0為樣品初始多糖含量，Cx樣品在各單因素實(shí)驗(yàn)過程中不同處理后的多糖含量。

1.2.5 優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用二次通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，分別選取微波功率密度和真空度的取值范圍為(2 ～6W/g)和(0.03 ～0.07MPa)，進(jìn)行二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，得到因素水平編碼表1。

表1 二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)因素水平編碼表Table 1 Factors and levels of quadratic regression general rotary unitized design

按照兩因素回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)確定的實(shí)驗(yàn)方案，在固定物料厚度為1cm 的條件下，進(jìn)行枸杞混合物料的微波真空干燥實(shí)驗(yàn)，干燥終點(diǎn)為水分含量2%，分別測(cè)定干燥時(shí)間、多糖保留率和溶解時(shí)間，具體實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理方法 采用Excel2003 和SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用Design-expert7.0 設(shè)計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波真空干燥動(dòng)力學(xué)分析

微波真空干燥中物料溫度的高低對(duì)干燥產(chǎn)品的品質(zhì)有重要影響，一般在溫度60℃以上時(shí)，食品中的胡蘿卜素、維生素等一些生物活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著破壞［9］。由圖1 可知，本實(shí)驗(yàn)中，物料溫度隨著微波功率密度的增加而顯著上升。在干燥初期，即3min內(nèi)，物料中的水分大量吸收微波能轉(zhuǎn)化為熱能，使得物料溫度不斷升高，并且微波功率密度越高，升溫越迅速。但由于功率密度2 ～4W/g 時(shí)提供的能量過低，使得物料溫度上升較慢，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)溫度一直低于60℃。在功率密度大于6W/g 后，當(dāng)物料溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)真空條件(0.075MPa)下的水分蒸發(fā)溫度(約為65℃)時(shí)，物料中的水分開始汽化，此時(shí)微波能轉(zhuǎn)化的熱能除使物料升溫外還供給水分的汽化潛熱，因此溫度上升幅度變小。但是功率密度為10W/g 時(shí)，物料吸收的微波能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蒸發(fā)水分所消耗的熱量，因此物料溫度仍迅速升高［10］。

圖1 枸杞多糖提取物微波真空干燥溫度分布曲線Fig.1 Temperature curves of Lycium barbarum polysaccharide extracts during microwave-vacuum drying

在不同的微波功率密度下，樣品的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2 和圖3 所示。

圖2 微波真空干燥失水曲線Fig.2 Dehydrating curve of Lycium barbarum polysaccharide extracts during microwave-vacuum drying

圖3 微波真空干燥速率曲線Fig.3 Drying ratecurve of Lycium barbarum polysaccharide extracts during microwave-vacuum drying

如圖2 和圖3 所示，隨著微波功率密度的增大，物料中水分含量不斷減小，干燥速率增大。由圖2可知，在其他條件相同，微波功率密度分別為2、4、6、8 和10W/g 的條件下，樣品干燥至所需水分含量2%左右所需的時(shí)間分別約為40、30、24、20、8min，即隨著微波功率的增大，干燥所需時(shí)間越短。這是由于在高功率密度下，物料快速吸收大量的微波能，導(dǎo)致水分快速蒸發(fā)［11］。這與McMin 等人對(duì)其他物料微波真空干燥的觀察結(jié)果一致［12］。由圖3 可知，在低功率密度下(2W/g)，干燥速率曲線很低且平穩(wěn)，對(duì)比圖1 可看出這是由于物料溫度過低，水分蒸發(fā)進(jìn)行很慢造成的;當(dāng)功率密度增大(4～8W/g)時(shí)，物料的干燥速率不斷增大。在10W/g 的功率密度下，干燥速率可達(dá)到8g/100g·min，隨后隨著水分的減少而逐漸下降。這與劉娟等人微波真空干燥鮮地黃片的觀察結(jié)果一致［13］。通過干燥時(shí)間回歸模型方差分析知，微波功率密度對(duì)干燥時(shí)間的線性效應(yīng)極顯著(p ＜0.01)。

2.2 微波功率密度對(duì)多糖品質(zhì)的影響

圖4 為微波功率密度對(duì)干燥產(chǎn)品沖調(diào)性和多糖保留率的影響圖。

由圖4A 可知，隨著微波功率密度的增加，干燥產(chǎn)品的沖調(diào)性變差，表現(xiàn)為溶解時(shí)間增加。功率密度在2～6W/g 之間時(shí)沖調(diào)性變化不大，而功率密度在6～10W/g 之間時(shí)沖調(diào)性顯著變差，溶解時(shí)間由2.6min 增加到4.6min。微波功率密度對(duì)干燥產(chǎn)品沖調(diào)性的線性效應(yīng)極顯著(p ＜0.01)。

圖4 微波功率密度對(duì)多糖提取物品質(zhì)的影響Fig.4 Influence of microwave power density on the quality of Lycium barbarum polysaccharide extracts

由圖4B 可知，枸杞多糖保留率隨著微波功率密度的增大先增加后減小。這與田玉庭等對(duì)龍眼肉微波真空干燥觀察到的結(jié)果相似［14］。在微波功率密度為4W/g 時(shí)，枸杞多糖保留率最大，為92.7%。2W/g的微波功率密度下多糖保留率低于4W/g 的功率密度下的多糖保留率，主要是因?yàn)?W/g 的干燥時(shí)間過長，容易導(dǎo)致多糖分解。而高功率密度下多糖保留率低是因?yàn)楦稍餃囟雀?，?dǎo)致多糖破壞或分解。微波功率密度對(duì)多糖保留率的線性效應(yīng)極顯著(p ＜0.01)。

2.3 真空度對(duì)多糖品質(zhì)的影響

圖5 為真空度對(duì)干燥產(chǎn)品沖調(diào)性和多糖保留率的影響。由圖5A 可知，產(chǎn)品溶解時(shí)間隨著真空度增大先減小后增大，在真空度為0.07MPa 時(shí)，溶解時(shí)間達(dá)到最小值，為2.5min，此時(shí)的沖調(diào)性最好。0.1MPa時(shí)的溶解時(shí)間反而比0.07MPa 時(shí)的溶解時(shí)間長，可能是因?yàn)榇藭r(shí)物料內(nèi)部傳質(zhì)阻力非常小，水分蒸發(fā)快，物料溫度升高也快，造成局部焦化［15］。真空度對(duì)干燥產(chǎn)品沖調(diào)性的線性效應(yīng)極顯著(p ＜0.01)。由圖5B 可知，隨著真空度的增大，多糖保留率的變化趨勢(shì)是先增大后減小，在真空度為0.05MPa 時(shí)，多糖保留率達(dá)到最高值91%。真空度對(duì)多糖保留率的線性效應(yīng)顯著(p ＜0.05)。

2.4 物料厚度對(duì)多糖品質(zhì)的影響

圖6 為物料的厚度對(duì)干燥產(chǎn)品沖調(diào)性和多糖保留率的影響。由6A 可知，物料厚度對(duì)產(chǎn)品沖調(diào)性影響不大，隨著厚度的增加，溶解時(shí)間先增加后減小再增加，但沒有顯著差別(p ＞0.05)。圖6B 顯示多糖保留率隨著厚度變化呈現(xiàn)先緩慢上升然后緩慢下降的趨勢(shì)。物料厚度對(duì)干燥效果的影響不顯著，可能是因?yàn)槲⒉ㄕ婵盏睦锿馔瑫r(shí)加熱特性及膨化效應(yīng)，使得物料的干燥能快速有效的完成。這與Cui Z W 等利用微波真空干燥蜂蜜時(shí)得出的在物料厚度小于8mm 時(shí)在樣品中可獲得均一的溫度梯度的結(jié)果相似［16］。

圖5 真空度對(duì)多糖提取物品質(zhì)的影響Fig.5 Influence of vacuum degree on the quality of Lycium barbarum polysaccharide extracts

圖6 物料厚度對(duì)多糖提取物品質(zhì)的影響Fig.6 Influence of material thickness on the quality of Lycium barbarum polysaccharide extracts

2.5 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.5.1 微波真空干燥回歸模型 二次通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

通過二次多項(xiàng)式逐步回歸方法，分別得到微波干燥過程中干燥時(shí)間(Y1)、多糖保留率(Y2)、溶解時(shí)間(Y3)與功率密度(X1)、真空度(X2)之間的回歸模型(其中功率密度和真空度對(duì)干燥時(shí)間和溶解時(shí)間都極顯著p ＜0.01，微波功率密度對(duì)多糖保留率極顯著p ＜0.01，真空度對(duì)多糖保留率顯著p ＜0.05)。

其中相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9772、0.9522、0.9884，說明各個(gè)回歸模型擬合情況均較好。

表2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 The design and results of the quadratic general rotary united experiment

2.5.2 微波真空干燥回歸模型的響應(yīng)面分析 在物料厚度為1cm 的條件下，圖7～圖9 分別為微波功率密度和真空度共同作用對(duì)枸杞物料的干燥時(shí)間、多糖保留率和溶解時(shí)間的響應(yīng)曲面圖。

圖7 為微波功率密度和真空度對(duì)干燥時(shí)間的響應(yīng)面曲線。由圖7 可知，微波功率密度和真空度對(duì)枸杞物料干燥時(shí)間均有影響，其中微波功率密度對(duì)干燥時(shí)間的影響比真空度的影響更為明顯。

圖7 微波功率密度、真空度對(duì)干燥時(shí)間影響的響應(yīng)面Fig.7 Response surface plot showing the interactive effect of power and vaccum on drying time

圖8 為微波功率密度和真空度對(duì)多糖保留率的響應(yīng)面曲線和等高線圖。由圖8 知，微波功率密度和真空度對(duì)干燥后多糖保留率均有影響，其中微波功率密度對(duì)多糖保留率的影響比真空度的影響更為顯著。

圖8 微波功率密度、真空度對(duì)多糖保留率影響的響應(yīng)面Fig.8 Response surface plot showing the interactive effect of power and vaccum on polysaccharide preservation ratio

圖9 為微波功率密度和真空度對(duì)干燥樣品溶解時(shí)間的響應(yīng)面曲線和等高線圖。由圖9 可知，同一真空度水平下，當(dāng)微波功率密度小于3W/g 時(shí)，干燥樣品溶解時(shí)間隨微波功率密度的增大而減小，當(dāng)微波功率密度大于3W/g 時(shí)，干燥樣品溶解時(shí)間隨微波功率密度的增大而增加;在同一微波功率密度下，干燥樣品溶解時(shí)間隨著真空度的增大而減小。

圖9 微波功率密度、真空度對(duì)溶解時(shí)間影響的響應(yīng)面Fig.9 Response surface plot showing the interactive effect of power and vaccum on dissolving time

2.5.3 微波真空干燥最佳條件的確定和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 通過以上擬合模擬的響應(yīng)面和等高線圖分析，綜合考慮微波干燥速率、真空度分別對(duì)枸杞物料干燥時(shí)間、多糖保留率和溶解時(shí)間的影響，同時(shí)綜合三個(gè)指標(biāo)的回歸模型通過Design-expert 軟件分析得出，微波真空法干燥枸杞多糖提取物的最佳工藝條件為微波功率密度1.86W/g、真空度0.078MPa。

根據(jù)綜合優(yōu)化得到的參數(shù)條件，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取3 次實(shí)驗(yàn)平均值。為方便操作，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了取整處理。當(dāng)微波功率密度、真空度分別為2W/g、0.08MPa 時(shí)，得到物料干燥時(shí)間、多糖保留率和溶解時(shí)間分別為 34.56min、95.14% 和2.28min，與綜合優(yōu)化得到的預(yù)測(cè)值 35.07min、96.04%、2.21min 較為接近，證明二次回歸方程的可靠性與響應(yīng)面分析法的有效性。

3 結(jié)論

3.1 隨著微波功率密度的增大，物料中水分含量不斷減小，干燥速率增大，干燥時(shí)間縮短。

3.2 隨著微波功率密度的增加，枸杞多糖的沖調(diào)性變差，多糖保留率先增加后減少;隨著真空度增大，枸杞多糖的沖調(diào)性先減少后增加，多糖保留率先增大后減小;而物料厚度對(duì)枸杞多糖的沖調(diào)性和多糖保留率無明顯影響。

3.3 利用二次通用旋轉(zhuǎn)組合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，得到枸杞多糖提取物的最佳干燥工藝為微波功率密度2W/g、真空度0.08MPa，該工藝條件下，枸杞物料干燥時(shí)間、多糖保留率、溶解時(shí)間分別為34.56min、95.14%、2.28min。

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