牛初乳粉片混合工藝的優(yōu)化研究

文/王青云 李凱鋒 楊曉波

（黑龍江省完達(dá)山乳業(yè)股份有限公司）

牛初乳粉片是以牛初乳粉為主要原料的一款片劑產(chǎn)品，其生產(chǎn)過程中采用了混合制片工藝。從質(zhì)量角度看，各種原輔料是否混合均勻，是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本品的混合工藝屬于粉粒體混合，是干法混合的一種，就是把2 種或2 種以上不同成分組成的粉粒體，依靠外加的適當(dāng)操作，盡量使各成分的濃度分布達(dá)到均勻化的一種操作[1]。評價混合工藝參數(shù)是否適宜的比較重要指標(biāo)是混合均勻度。在實際生產(chǎn)中，混合工藝參數(shù)是否合理不僅決定著產(chǎn)品的質(zhì)量，而且也影響著生產(chǎn)效率。本研究采用干法混合產(chǎn)品原輔料，應(yīng)用響應(yīng)面試驗優(yōu)化混合工藝參數(shù)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量和實際生產(chǎn)效率提供可靠的依據(jù)。

1 材料和方法

1．1 試驗材料

按牛初乳粉片產(chǎn)品配方準(zhǔn)備試驗原料，包括牛初乳粉、白砂糖、赤蘚糖醇和香精。

1．2 設(shè)備

粉碎機(jī)；篩網(wǎng)（20目、80目）；SVJ-5L三維混合機(jī)；高效液相色譜儀（帶紫外檢測器和梯度洗脫裝置）。

1．3 試驗方法

1．3．1 取樣

用取樣器在混合機(jī)上、中、下3 個方位各取3 個樣，共9 個樣品。取樣時不允許有任何翻動或再混合[2]。

1．3．2 混合均勻度評價方法

以同一批次試樣中免疫球蛋白IgG含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差來反映所測產(chǎn)品的混合均勻度[3]：

式中，xi為第i樣品的免疫球蛋白IgG含量，即第i樣品免疫球蛋白IgG含量2 次測定值的算術(shù)平均值；xm為所有樣品免疫球蛋白IgG含量的算術(shù)平均值；RSD為樣品免疫球蛋白IgG含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差；Mh為混合均勻度。

1．3．3 免疫球蛋白IgG含量的測定

參照《GB/T 5009.194—2003 保健食品中免疫球蛋白IgG的測定》。

1．3．4 單因素試驗

（1）配料添加方法對混合均勻度的影響

考察不同含量、不同比重物料組分的添加順序及微量配料預(yù)混對混合均勻度的影響。按以下3 種方式進(jìn)行投料：Ⅰ配料1 次性投入；Ⅱ先加入主料（牛初乳粉、白砂糖和赤蘚糖醇），再加入微量配料（香精）；Ⅲ先加入大部分主料（牛初乳粉、白砂糖和赤蘚糖醇），再加入經(jīng)預(yù)混的微量配料（將香精用3～8 倍重量主料預(yù)混）。以裝載系數(shù)30%計，按配方準(zhǔn)確稱量各配料，混合20 min后取樣，測定免疫球蛋白IgG含量，并計算混合均勻度。

（2）混合時間對混合均勻度的影響

以裝載系數(shù)30%計，按配方準(zhǔn)確稱量各配料，采用一次性投料方式，分別在混合5 min、10 min、15 min、20 min、25min時進(jìn)行取樣，測定免疫球蛋白IgG含量，并計算混合均勻度。

（3）裝載系數(shù)對混合均勻度的影響

按配方準(zhǔn)確稱量各配料，采用1 次性投料方式，裝載系數(shù)分別按20%（裝載量約1.0 kg）、30%（裝載量約1.5 kg）、40%（裝載量約2.0 kg）、50%（裝載量約2.5kg）、60%（裝載量約3.0 kg）5 個水平計，混合20 min后取樣，測定免疫球蛋白IgG含量，并計算混合均勻度。

1．3．5 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗設(shè)計

首先確定配料的添加按Ⅲ方式處理，在單因素的試驗基礎(chǔ)上，確定影響混合均勻度的顯著因素，采用中心組合試驗設(shè)計（CCD）模型，選擇混合時間（X1）、裝載系數(shù)（X2）為自變量，以1.414、1、0、-1、-1.414代表自變量水平，以混合均勻度為響應(yīng)值Y，采用響應(yīng)面法對混合工藝進(jìn)行優(yōu)化。具體試驗方案見表1。使用Minitab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 試驗因素水平表

圖1 配料投料方式對混合均勻度的影響

2 結(jié)果與分析

2．1 單因素試驗結(jié)果分析

2．1．1 配料添加方法對混合均勻度的影響

由試驗結(jié)果圖1可見，配料的投料方法對混合均勻度的影響較大。結(jié)果表明，以Ⅲ方式的配料投料方法進(jìn)行投料，即先加入大部分主料（牛初乳粉、脫鹽乳清粉、白砂糖和硬脂酸鎂），再加入經(jīng)預(yù)混的微量配料（將香精用3～8 倍重量主料預(yù)混），測得混合粉的混合均勻度最高，達(dá)到96.42%。

2．1．2 混合時間對混合均勻度的影響

由試驗結(jié)果圖2可知，不同的混合時間對混合均勻度的影響較大。結(jié)果表明，當(dāng)混合時間在5～10 min時，混合粉的混合均勻度為82.53%～90.56%，繼續(xù)延長混合時間至15 min和20 min時，混合均勻度持續(xù)提高，達(dá)到95.42%和96.27%，進(jìn)一步延長混合時間至25 min時，混合均勻度達(dá)到95.86%，與15 min和20 min時的混合均勻度無顯著差異。結(jié)合生產(chǎn)效率因素，把混合時間控制在15 min是比較適宜的。

2．1．3 裝載系數(shù)對混合均勻度的影響

由試驗結(jié)果圖3可見，不同的裝載系數(shù)對混合粉的混合均勻度也有較大的影響。在相同的條件下，裝載系數(shù)20%時，混合粉的混合均勻度僅為90.84%；裝載系數(shù)30%時，混合均勻度的水平最高，達(dá)到96.47%；當(dāng)裝載系數(shù)增加到40%時，混合均勻度為96.13%，與裝載系數(shù)為30%時無顯著性差異；但當(dāng)裝載系數(shù)超過50%時，混合均勻度明顯降低。從結(jié)果可以看出，裝載系數(shù)在30%和40%時，混合粉的混合均勻度是最好的，結(jié)合工作效率因素，優(yōu)選裝載系數(shù)40%是比較適宜的。

圖2 混合時間對混合均勻度的影響

圖3 裝載系數(shù)對混合均勻度的影響

2．2 響應(yīng)面法優(yōu)化混合工藝條件

2．2．1 響應(yīng)面試驗方案及結(jié)果

根據(jù)單因素試驗確定的影響混合均勻度的因素和水平，采用CCD試驗設(shè)計2 因素5 水平的響應(yīng)面分析試驗，以混合均勻度為響應(yīng)值Y，以混合時間15 min、裝載系數(shù)40%為中心點實施響應(yīng)面分析。CCD實驗的設(shè)計及結(jié)果見表2。其中試驗1～8是析因試驗，試驗9～13是中心試驗。13 個試驗點分為析因和零點，其中析因點為自變量取值在X1、X2所構(gòu)成的頂點，零點為區(qū)域的中心點，零點試驗重復(fù)5 次，用以估計試驗誤差。

2．2．2 響應(yīng)面方差分析

使用Minitab軟件對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析，回歸方差分析結(jié)果見表3。經(jīng)多元回歸擬合后，得到以下回歸方程（以未編碼單位表示）：

表3中方差分析結(jié)果顯示，回歸模型P＜0.01，差異極顯著；模型的擬合優(yōu)度R2=0.9573，回歸模型決定系數(shù)R2adj=0.9269，可以用此數(shù)學(xué)模型解釋92.69%的變異性，R2和R2adj比較接近，表明模型與實際情況擬合好。表3中模型失擬項的P值為0.248＞0.05，表明模型失擬項不顯著，該模型的選擇比較合適，而且實驗誤差小。因此，各因素和響應(yīng)值之間的真實關(guān)系可以由該回歸方程來解釋，即應(yīng)用此數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析是可行的。

參照表3，模型中一次項X1、X2對混合均勻度的影響均極顯著（P＜0.01），影響因素按主次順序排序為：X1＞X2；二次項X12、X22對混合均勻度的影響極顯著（P＜0.01），交互項X1X2無顯著交互作用（P＞0.05）。

2．2．3 響應(yīng)面交互作用分析及工藝參數(shù)優(yōu)化

應(yīng)用Minitab軟件繪制響應(yīng)面圖進(jìn)行三維可視化的分析，結(jié)果見圖4。等高線的形狀可反映出因素之間交互效應(yīng)的大小，橢圓形表示兩因素的交互作用顯著，而圓形則表示兩因素之間的交互作用不顯著。從圖4中等高線圖可直觀的看出混合時間和裝載系數(shù)交互作用的等高線近似圓形，這表明兩者的交互作用不顯著。

表2 CCD試驗設(shè)計及結(jié)果

表3 CCD設(shè)計方差分析結(jié)果

圖4 混合時間和裝載系數(shù)交互作用對混合均勻度的影響響應(yīng)曲面圖（左）和等高線圖（右）

圖4中響應(yīng)曲面圖可以看出，響應(yīng)值存在最大值，應(yīng)用Minitab統(tǒng)計分析軟件對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行最優(yōu)化分析，可以預(yù)測得到模型的最大混合均勻度為96.52%，此時的最優(yōu)工藝參數(shù)分別為：混合時間18.36min，裝載系數(shù)35.57%。

2．2．4 模型的驗證

圖5和圖6分別為各因素對混合均勻度的交互作用圖和影響效應(yīng)圖。由圖5可見，混合時間和裝載系數(shù)兩者間交互作用不顯著，不同的裝載系數(shù)條件下，混合均勻度幾乎呈相互平行的曲線，可以得出裝載系數(shù)為35.57%時，其混合均勻度均較其他裝載系數(shù)條件下的混合均勻度高，結(jié)合圖6影響效果圖可見，混合時間在15～20 min時，混合均勻度均可達(dá)到預(yù)期效果，結(jié)合生產(chǎn)效率因素，把混合時間定為15 min。

對模型求算的最優(yōu)工藝條件進(jìn)行驗證試驗，充分考慮生產(chǎn)過程中便于操作等情況，結(jié)合上述的分析，對工藝條件修正為：混合時間15～20 min，裝載系數(shù)35%。模型驗證：以裝載系數(shù)為35%，混合15 min、18 min和20 min，分別測定混合均勻度，重復(fù)進(jìn)行三次驗證試驗。結(jié)果見表4。

3 個不同混合時間試驗條件下的平均混合均勻度分別為94.68%、96.27%和95.27%，結(jié)果均符合工藝要求，與模型預(yù)測的理論值96.52%均比較接近。因此，采用響應(yīng)面分析優(yōu)化得到的牛初乳粉片混合工藝參數(shù)具有可行性和可靠性，可用于實際操作。

表4 模型驗證試驗結(jié)果

圖5 混合均勻度的交互作用圖

圖6 混合均勻度的影響效應(yīng)圖

3 結(jié)論

該牛初乳粉片混合工藝最優(yōu)參數(shù)為：混合15min，裝載系數(shù)35%。3 個不同混合時間試驗條件下的平均混合均勻度分別為94.68%，結(jié)果均符合工藝要求，與模型預(yù)測的理論值96.52%均比較接近。因此，采用響應(yīng)面分析優(yōu)化得到的牛初乳粉片混合工藝參數(shù)具有可行性和可靠性，可用于實際操作。