金桔提取及其喷雾干燥工艺优化

刘亚男，刘素连，甘 玲，黄雄颛，林家逊，许有瑞

（桂林医学院药学院，广西 桂林 541004）

金桔（Citrus japonica（Thunb.）Swingle）是芸香科柑橘亚科金柑属植物的果实[1]，富含VC、矿物质、氨基酸、金桔甙等成分，有理气止咳、健胃化痰等功效[2]。其果皮与果肉可一起食用，具有降血脂[3]、抗氧化[4]、抗炎镇痛、免疫调节[5]等多种药理活性。金桔常用于鲜食或制蜜饯、盐渍，加工产品主要有金桔罐头[6]、果汁饮料[7]、果糕[8]、金桔咀嚼片[9]和金桔利口酒[10]，但因鲜果存在不易贮存和运输问题而限制了其应用范围。研究发现金桔提取液黏性较大，将金桔提取液干燥微粉化可增加其储存时间，且携带方便，能保持原有的营养风味[11-13]，加入助干剂麦芽糊精可解决提取液黏性问题[14-16]。组合优化中往往会采用响应面法或者正交试验法，二者各有优劣，可结合试验结果对比分析二者的应用区别。此外，在喷雾干燥中影响产品产率最主要的是产品能否正常干燥、产品是否粘壁、产品是否结团结块等，不同的喷雾干燥参数得到的产品形状、性状都有所区别，为实现优产、高产率，对金桔的提取及干燥工艺进行优化具有一定必要性。本研究采用响应面法优化金桔提取工艺，采用正交试验法优化金桔粉喷雾干燥工艺，旨在为金桔产品的批量化生产提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 材料与试剂

金桔：市售（产自广西桂林阳朔县）；食用小苏打：西安市佳香调味品食品有限公司；麦芽糊精：上海源叶生物科技有限公司。

1.1.2 仪器与设备

OSB-2100 型水浴锅：上海泉杰有限公司；101-2AB型电热鼓风干燥箱，DK-98-II 型电子万用电炉：天津市泰斯特仪器有限公司；B-290 喷雾干燥仪：瑞士BUCHI 实验室仪器公司；BT224S 电子天平：北京赛多利斯仪器系统有限公司。

1.2 方法

1.2.1 金桔提取工艺优化

1.2.1.1 原料预处理

用15%小苏打溶液浸泡洗净的金桔15 min，接着于蒸馏水中浸泡1 h，对半切开，去籽后在水浴锅中浸提3 次，合并滤液并浓缩至恒重，称重。

1.2.1.2 单因素试验设计

以金桔提取率为考察指标，固定提取温度95 ℃，提取时间40 min，提取次数2 次，考察不同料液比（1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7（g/mL））对金桔提取率的影响；固定料液比为1∶6（g/mL），提取时间40 min，提取次数2 次，考察不同提取温度（80、85、90、95、100 ℃）对金桔提取率的影响；固定料液比为1∶6（g/mL），提取温度95 ℃，提取次数2 次，考察不同提取时间（20、30、40、50、60 min）对金桔提取率的影响；固定料液比为1∶6（g/mL），提取温度95 ℃，提取时间40 min，考察不同提取次数（1、2、3、4、5 次）对金桔提取率的影响。

1.2.1.3 响应面试验设计

在单因素试验的基础上，以金桔提取率（Y）为响应值，料液比、提取温度、提取时间、提取次数为自变量，采用Design-Expert V8.0.6 软件模拟四因素三水平的试验模型，确定金桔提取的最佳工艺，响应面试验因素与水平见表1。

表1 响应面优化试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface optimization test

1.2.2 干燥工艺优化

1.2.2.1 喷雾干燥工艺流程

金桔提取液→测定可溶性固形物含量→添加助干剂（麦芽糊精）→喷雾干燥→收集粉末

1.2.2.2 金桔提取液可溶性固形物含量测定

取金桔提取液100 mL，于105 ℃烘箱中烘至恒重，计算其可溶性固形物含量。

1.2.2.3 金桔粉出粉率的计算

出粉率计算公式为：出粉率（%）=W1/W2×100

式中：W1为喷雾干燥后金桔粉质量，g；W2为可溶性固形物质量与助干剂质量之和，g[13]。

1.2.2.4 单因素试验设计

选用麦芽糊精为助干剂，按金桔提取液中可溶性固形物含量计算，考察不同助干剂添加量（60%、80%、100%、120%、140%）对出粉率的影响。选用助干剂最佳添加量，固定喷雾干燥参数进样流量15%、雾化空气流量500 L/h，考察不同进风温度（90、105、120、135、150 ℃）对出粉率的影响；固定喷雾干燥参数进风温度135 ℃、雾化空气流量500 L/h，考察不同进样流量（10%、15%、20%、25%）对出粉率的影响；固定喷雾干燥参数进风温度135 ℃、进样流量15%，考察不同雾化空气流量（400、500、600、700 L/h）对出粉率的影响。

1.2.2.5 正交试验

选取金桔提取液喷雾干燥中影响较大的3 个因素：进风温度（A）、进样流量（B）、雾化空气流量（C），以出粉率为考察指标，设计L9(34)正交试验，试验因素与水平见表2。

表2 喷雾干燥工艺正交试验因素与水平表Table 2 Orthogonal test factors and levels table of spray drying process

1.2.3 数据处理

采用Excel 2007、Origin 8.5、Design-Expert V 8.0.6软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 金桔提取工艺的优化

2.1.1 单因素试验结果

2.1.1.1 料液比对金桔提取率的影响

由图1 可见，料液比对金桔提取率的影响呈先增后降的趋势，料液比为1∶6（g/mL）时达到最大提取率13.6%。表明一定量的金桔在一定体积的溶剂里便能达到最大溶出，进行提取时提取液并不一定越多越好，可按一定的料液比进行加液以节省溶剂，提高效率。

图1 料液比对金桔提取率的影响Fig.1 Effects of material to liquid ratios on extraction rates of Citrus japonica

2.1.1.2 提取温度对金桔提取率的影响

由图2 可见，低温或过高温度都会对金桔的提取产生不利影响，其中温度为95 ℃时，提取率最大，为13.4%。85～95 ℃的升温阶段其提取率也快速增加，表明该温度阶段金桔组织被快速破坏[17]，实现快速溶出，温度超过95 ℃时提取率下降可能源于其挥发性成分的丢失。

图2 提取温度对金桔提取率的影响Fig.2 Effects of extraction temperatures on extraction rates of Citrus japonica

2.1.1.3 提取时间对金桔提取率的影响

由图3 可见，提取时间在20～40 min 时对金桔的提取影响不大，50 min 时提取率达到最大值15.1%，继续浸提提取率反而下降，因此选取50 min 为金桔适宜提取时间。

图3 提取时间对金桔提取率的影响Fig.3 Effects of extraction time on extraction rates of Citrus japonica

2.1.1.4 提取次数对金桔提取率的影响

由图4 可见，提取次数为3 次时，金桔提取率达到最大值16.3%，继续增加提取次数，金桔提取率开始降低，表明提取3 次即可确保原料最大提取率。

图4 提取次数对金桔提取率的影响Fig.4 Effects of extraction times on extraction rates of Citrus japonica

2.1.2 响应面试验结果

2.1.2.1 响应面试验设计及方差分析

金桔提取工艺的响应面试验结果见表3，方差分析结果见表4。

采用Design-Expert V8.0.6 软件对表3 中数据进行分析与拟合后得到金桔提取率（Y）的回归方程为：

表3 响应面试验设计与结果Table 3 Design and results of response surface experiment

Y=15.16－0.047A＋0.39B＋0.35C＋1.31D＋0.047AB－0.072AC＋0.11AD＋0.11BC－0.21BD－0.35CD－0.76A2－0.99B2－0.92C2－1.16D2

由表4可知，回归模型方程显著性良好（P＜0.000 1），而失拟项不显著，P=0.942 3＞0.05，说明该回归方程适用于该试验；决定系数R2=0.914 6，校正决定系数=0.829 2，说明模型拟合程度较好，可用此模型对金桔提取条件进行分析和预测。其中回归模型一次项B 和C 影响显著（P＜0.05），D 影响极显著（P＜0.01），各因素对金桔提取率影响的顺序为：提取次数（D）＞提取温度（B）＞提取时间（C）＞料液比（A）。

表4 模型的方差分析Table 4 Variance analysis of the model

2.1.2.2 各因素交互作用对金桔提取率的影响

图5～10 反映了两两因素间交互作用对金桔提取率的影响，结果显示，响应面坡面陡峭顺序为：CD＞BD＞AD＞BC＞AC＞AB，表明提取时间和提取次数的交互作用对金桔提取率影响最大，而料液比和提取温度的交互作用影响最小。

图5 料液比与提取温度的交互作用对金桔提取率影响的响应面图和等高线图Fig.5 Response surface and contour maps showing the interaction effects of material-liquid ratio and extraction temperature on extraction rates of Citrus japonica

2.1.2.3 验证试验结果

通过软件分析确定金桔提取的最佳工艺为：料液比1∶6.01（g/mL），提取温度95.73 ℃，提取时间50.97 min，提取次数3.54 次，该条件下金桔提取率的理论值为15.56%。考虑应用实际，将其定为料液比1∶6（g/mL），提取温度96 ℃，提取时间51 min，提取次数4 次，该条件下进行3 次平行试验，得到金桔提取率为15.48%，与理论值接近，可将其定为最优提取工艺。

2.2 喷雾干燥工艺的优化

2.2.1 单因素试验结果

2.2.1.1 助干剂添加量对出粉率的影响

图6 料液比与提取时间的交互作用对金桔提取率影响的响应面图和等高线图Fig.6 Response surface and contour maps showing the interaction effects of material-liquid ratio and extraction time on extraction rates of Citrus japonica

图7 料液比与提取次数的交互作用对金桔提取率影响的响应面图和等高线图Fig.7 Response surface and contour maps showing the interaction effects of material-liquid ratio and extraction times on extraction rates of Citrus japonica

图8 提取温度与提取时间的交互作用对金桔提取率影响的响应面图和等高线图Fig.8 Response surface and contour maps showing the interaction effects of extraction temperature and extraction time on extraction rates of Citrus japonica

图9 提取温度与提取次数的交互作用对金桔提取率影响的响应面图和等高线图Fig.9 Response surface and contour maps showing the interaction effects of extraction temperature and extraction times on extraction rates of Citrus japonica

图10 提取时间与提取次数的交互作用对金桔提取率影响的响应面图和等高线图Fig.10 Response surface and contour maps showing the interaction effects of extraction time and extraction times on extraction rates of Citrus japonica

由图11 可见，麦芽糊精添加量为120%时，出粉率达到最大84.82%，表明在喷雾干燥过程中，虽然加入麦芽糊精可解决粘壁问题，提高产品得率，但麦芽糊精添加量过多时，增加了喷雾干燥的难度，导致出粉率降低。

图11 助干剂添加量对出粉率的影响Fig.11 Effects of drying aid additions on powder extraction rates

2.2.1.2 进风温度对出粉率的影响

由图12 可见，进风温度在135 ℃时出粉率最大，可能是因为进风温度较低时不能使干燥室内的样品完全干燥，部分半干颗粒粘壁，而进风温度过高时会发生焦糖化反应，同样导致出粉率降低。

图12 进风温度对出粉率的影响Fig.12 Effects of inlet air temperatures on powder extraction rates

2.2.1.3 进样流量对出粉率的影响

由图13 可见，随着进样流量的增大，出粉率呈先上升后下降的趋势，进样流量为20%时出粉率最高。进样流量过小时，雾滴变小，可充分受热，出粉率较高，但喷雾干燥时间过长，能耗增加，经济效益降低。进样流量过大，则样品受热不充分，雾滴不能充分干燥，出粉率降低。

图13 进样流量对出粉率的影响Fig.13 Effects of sample injection flow rates on powder extraction rates

2.2.1.4 雾化空气流量对出粉率的影响

由图14 可见，随着雾化空气流量的增加，出粉率先上升后下降，其中雾化空气流量为500 L/h 时出粉率最高。继续加量，也并不能增加出粉率，可能是因为雾滴太细，粉末越细越轻，粉体直接粘在干燥器内壁，未能进入到旋风分离器内进行分离，导致出粉率降低。

图14 雾化空气流量对出粉率的影响Fig.14 Effects of atomization air flow on powder extraction rates

2.2.2 喷雾干燥正交试验结果与分析

喷雾干燥正交试验结果的极差分析表明，各试验因素对出粉率的影响大小顺序为：进样流量（B）＞进风温度（A）＞雾化空气流量（C），最优组合条件为A1B3C1（见表5），即进风温度120 ℃、进样流量20%、雾化空气流量500 L/h，在该条件下进行3 次验证试验，平均出粉率为84.80%，高于正交试验中各组结果。

表5 喷雾干燥正交试验结果Table 5 Orthogonal test results of spray drying

3 讨论与结论

金桔品质对提取率、出粉率、粉末色泽及风味有很大影响，以金黄色外皮、新鲜、光滑完整、香味浓郁者为佳。合适的提取和干燥工艺可大幅增加其提取率和出粉率，同时使粉末具有浓郁的风味。本试验选用响应面法优化金桔提取工艺参数，并用正交试验法筛选金桔粉的最佳喷雾干燥工艺，两种方法相比较，正交试验并没有获得试验影响因素和响应值的明确函数表达式，且当影响因素具有较多水平时，采用正交设计需要做大量试验，实施起来比较困难，而响应面法能有效指导工艺参数的优化，有利于提高生产效率。总的来说，正交试验比响应面法设计试验次数少，但响应面试验可以得到高精度的回归方程来进行合理预测最优工艺。

本试验结果显示，金桔提取的最佳工艺为：料液比1∶6（g/mL），提取温度96 ℃，提取时间51 min，提取次数4 次，在此试验条件下金桔提取率为15.48%。4个因素对金桔提取率的影响主次顺序为：提取次数＞提取温度＞提取时间＞料液比。金桔粉的最佳喷雾干燥工艺条件为：进风温度120 ℃、进样流量20%、雾化空气流量500 L/h，其中助干剂添加量120%，此工艺条件下出粉率可达84.80%，且所得金桔粉溶解速度快，该结果可对金桔的批量化提取和干燥具有一定的实用性指导意义。