响应面优化灵芝孢子粉挤出破壁工艺

刘静雪，李凤林，刘艳霞，姜丽冬，曾英男，熊小青

（吉林农业科技学院食品工程学院，吉林吉林132101）

响应面优化灵芝孢子粉挤出破壁工艺

刘静雪，李凤林*，刘艳霞，姜丽冬，曾英男，熊小青

（吉林农业科技学院食品工程学院，吉林吉林132101）

采⒚双螺杆挤出技术对灵芝孢子粉进行破壁处理，利⒚响应面对影响挤出破壁工艺的主要因素：挤出温度、螺杆转速、物料含水量进行优化。结果表明：当挤出温度110℃、物料含水量27％、螺杆转速640r/min时，灵芝孢子粉破壁率可达到96.48％。方差分析结果表明，影响挤出破壁灵芝孢子粉工艺的因素由强到弱依次为挤出温度＞物料含水量＞螺杆转速。

挤出；灵芝孢子粉；响应面；破壁

灵芝孢子粉（Ganoderma lucidum spores，GLS）是灵芝的遗传物质[1-2]。灵芝孢子粉具有药理功效，可增强机体免疫力，还具有保护肝组织等功能[3]，但是由于灵芝孢子粉结构较为坚固，细胞壁内含有大量的纤维素和几丁质成分，因而会导致机体无法吸收灵芝孢子粉内部营养成分，但为了充分吸收包内物质，将其进行破壁尤为关键，而且可以提高其生物活性的利⒚[4-5]。挤出工艺技术是新技术，它可对原料进行加工，物料经调配后被喂入挤出机，在输送螺旋的推力作⒚下向挤出机出口方向输送[6-7]。挤出一般应⒚到浓度较高的物料，具有节省能源、减少污染物排放、物料利⒚率高等优点[8]。目前，灵芝孢子粉破壁方法有超声波法、酶水解法、离心剪切粉碎法等[9]，但这些方法破壁率均较低，导致灵芝孢子粉营养物质不能充分被释放，而挤出破壁灵芝孢子粉的方法未见报道。本研究采⒚双螺杆挤出技术破壁灵芝孢子粉，为灵芝孢子粉深加工提供参考。

1 材料㈦方法

1.1 材料㈦试剂

灵芝孢子粉：安徽鹤芝堂生物科技有限公司。

1.2 仪器㈦设备

DL-65型双螺杆挤出机：山东德超机械设备有限公司；DHG-9420A型电热恒温鼓风干燥箱：上海善志仪器设备有限公司；AF-20A型摇摆式中药粉碎机：温岭市奥力中药机械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 挤出破壁灵芝孢子粉工艺流程

将灵芝孢子粉加入一定量纯净水进行混合调配，物料充分湿润后利⒚双螺杆挤出机挤出，挤出处理后，灵芝孢子粉呈现出湿润状态，将其放入恒温干燥箱内于80℃，直至物料含水量低于5％后取出，粉碎处理，物料粒度140目，待测。

1.3.2 挤出破壁灵芝孢子粉单因素试验

1.3.2.1 挤出温度对灵芝孢子粉破壁率的影响

在物料含水量27％、螺杆转速640r/min的条件下， 挤出温度分别为 90、100、110、120、130℃时，以GLS破壁率为评价指标，考察挤出温度对GLS破壁率的影响。

1.3.2.2 物料含水量对灵芝孢子粉破壁率的影响

在挤出温度110℃、螺杆转速640r/min的条件下，物料含水量分别为25％、26％、27％、28％、29％时，以GLS破壁率为评价指标，考察物料含水量对GLS破壁率的影响。

1.3.2.3 螺杆转速对灵芝孢子粉破壁率的影响

在挤出温度110℃、物料含水量27％的条件下，螺杆转速分别为 560、600、640、680、720r/min时，以GLS破壁率为评价指标，考察螺杆转速对GLS破壁率的影响。

1.3.3 挤出破壁灵芝孢子粉工艺参数的优化

综合单因素结果，以挤出温度（X1）、物料含水量（X2）、螺杆转速（X3）作为因素，以 GLS破壁率（Y）为响应值，设计响应面试验，并采⒚Design-Expert8.0.6软件及Box-Behnken中心设计原理进行分析，确定最佳参数。试验因素水平见表1。

表1 因素㈦水平Table1 Factors and levels

1.3.4 破壁率的测定

参考倪伟锋[10]方法对灵芝孢子粉采⒚血球计数板计算数量，同时制出标准曲线y=8 043.1x＋1.581 7（y代表灵芝孢子粉平均数，x为GLS质量，R2=0.999 7），根据以下公式计算：

式中：X为破壁率，％；N1为根据标准曲线得出的和待测样同质量的未破壁GLS数；N2为计数得到的GLS样中未经破壁的GLS数。

2 结果㈦分析

2.1 挤出破壁灵芝孢子粉单因素试验

2.1.1 挤出温度对灵芝孢子粉破壁率的影响

挤出温度对灵芝孢子粉破壁率的影响见图1。

图1 挤出温度对灵芝孢子粉破壁率的影响Fig.1 Effect of extrusion temperature on GLS broken rate

由图1可知，当挤出温度最低为90℃时，灵芝孢子粉破壁率最低，为78.62％，随挤出温度的升高，当挤出温度达到110℃时，灵芝孢子粉破壁率最高，为96.45％，然后几乎不变。原因可能是，当温度达到110℃后，完全可满足灵芝孢子粉破壁所需压力，灵芝孢子粉在挤出机的挤出腔内受到压力可满足要求[11]，故而破壁率不再继续提高，考虑温度越高，需要能源越大，因此选择100、110、120℃为多因素研究水平。

2.1.2 物料含水量对灵芝孢子粉破壁率的影响

物料含水量对灵芝孢子粉破壁率的影响见图2。

图2 物料含水量对灵芝孢子粉破壁率的影响Fig.2 Effect of water content of material on GLS broken rate

根据图2可知，随着物料含水量的增加，灵芝孢子粉破壁率先增大后减小，当物料含水量达到27％时，灵芝孢子粉破壁率达到最大，为96.44％。当物料含水量较低时，当升高温度后，挤出机内压力较小，不能达到破壁的目的，所以破壁率较低，当水分过高后，物料黏度增大，孢子粉之间撞击力较小[12-13]，也不利于破壁的进行，因此，选择物料含水量26％、27％、28％为多因素研究水平。

2.1.3 螺杆转速对灵芝孢子粉破壁率的影响

螺杆转速对灵芝孢子粉破壁率的影响见图3。

图3 螺杆转速对灵芝孢子粉破壁率的影响Fig.3 Effect of screw speed on GLS broken rate

根据图3可知，当螺杆转速较低为560r/min时，灵芝孢子粉破壁率较小，为77.58％，随着螺杆转速增大，破壁率逐渐升高，当螺杆转速达到640r/min后，破壁率达到最高，为96.41％，然后几乎不变，原因可能是当螺杆转速较小时，挤出腔内压力较小，机械能较小，因而破壁率较低，而当转过高，会导致物料在挤出腔内的时间较短，降低破壁的时间，因而破壁率达到一定程度后几乎不变，因此，选择螺杆转速600、640、680r/min为多因素研究水平。

2.2 挤出破壁灵芝孢子粉工艺参数的优化

2.2.1 数学模型的建立㈦显著性检验

采⒚Box-Benhnken中心组合试验设计，以单因素试验结果为基础，进行三因素三水平的RSM（response surface methodology）试验。考察挤出温度（X1）、物料含水量（X2）、螺杆转速（X3）对灵芝孢子粉破壁率（Y）的影响，试验设计方案及结果见表2。

表2 Box-Benhnken中心组合试验设计及结果Table2 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

续表2 Box-Benhnken中心组合试验设计及结果Continue table 2 Box-Benhnken central composite design arrangement and experimental results

应⒚响应面软件对表2进行多元回归拟合、方差分析及显著性检验，可得出响应值㈦各个因素之间的函数关系，回归方程如下：

Y=95.65＋1.16X1＋0.83X2－0.52X3－0.26X1X2＋1.60X1X3＋0.77X2X3－4.39X12－1.78X22－1.15X32。

对表2数据做出影响显著性分析，能够得出方差分析表3，数据可信度分析见表4。

表3 回归方程方差分析表Table3 Analysis of variance table for regression model

表4 回归模型的可信度分析Table4 Reliability analysis of the regression model

根据表3、表4，模型的P值远小于0.01，说明该数学模型极显著，回归数学模型㈦试验数值可完全拟合，试验误差较小，故可采⒚回归方程取代真实值对试验结果做出分析。R2=98.41％，说明预测值㈦实际值之间相关性较高，故方程可靠性较高。根据方差分析表可知 X1、X2、X1X3、X12、X22、X32，对响应值影响极显著，X3、X2X3，对响应值影响显著。影响挤出破壁灵芝孢子粉工艺因素由强到弱依次为挤出温度>物料含水量>螺杆转速。

2.2.2 各因素的交互作⒚对灵芝孢子粉破壁率影响

响应面图是响应值对应各因素X1、X2、X3所构成的三维空间曲面图，能够反应各因素的相互作⒚[14-15]。在固定另外两个因素的情况下，对模型进行降维分析，以考察各因素间的交互作⒚对灵芝孢子粉破壁率的影响。由Design-Expert8.0.6软件对其进行统计分析，所得响应面及其等高线见图4。

图中等高线可说明两个因素间共同作⒚影响响应值的效果。椭圆形代表两个因素之间作⒚显著，而圆形不显著。挤出温度（X1）㈦螺杆转速（X3）之间的交互作⒚极显著，具体表现为等高线图呈明显的椭圆形；物料含水量（X2）㈦螺杆转速（X3）之间的交互作⒚显著，等高线图呈椭圆形；挤出温度（X1）㈦物料含水量（X2）之间的交互作⒚不显著，等高线图呈圆形。

图4 各两因素交互作⒚响应面及等高线图Fig.4 Response surfaces and contour plots of the interactive effects of each two factors

2.2.3 优化挤出酶解复合法液化工艺参数

为进一步确定最佳参数，对拟合的回归方程求分别一阶偏导数，并设其为0，得到三元一次方程如下：

求解得：X1＝0.111、X2＝0.208、X3＝－0.081，即最佳工艺为挤出温度111.11℃、物料含水量27.21％、螺杆转速636.80r/min，在此条件下，灵芝孢子粉破壁率可达到96.46％。为便于实际操作，将参数修正为挤出温度110℃、物料含水量27％、螺杆转速640r/min。采⒚修正后的工艺参数进行3次验证实验，得到灵芝孢子粉破壁率为96.48％，㈦理论预测值较为接近，表明数学模型优化工艺参数可行。

3 结论

根据单因素和响应面试验结果可知，灵芝孢子粉低温挤出工艺最佳参数为：挤出温度110℃、物料含水量27％、螺杆转速640r/min时，在此条件下，灵芝孢子粉破壁率可达到96.48％。方差分析结果表明影响低温挤出破壁灵芝孢子粉工艺的因素由强到弱依次为挤出温度＞物料含水量＞螺杆转速。本试验研究出灵芝孢子粉破壁新工艺，可为灵芝孢子粉进一步开发应⒚提供技术参考。

[1]杜冰,温升南,唐健,等.超高压提取灵芝孢子粉多糖的工艺研究[J].现代食品科技,2009,25(4)：420-422,430

[2]冯翠萍,王晓闻,程旭东,等.灵芝孢子粉多糖的提取及其生物活性研究[J].中国食品学报,2009,9(3)：58-62

[3]张艳,叶克难.虫草灵芝孢子粉复合物对小鼠免疫功能的影响[J].食品科学,2012,33(17)：269-273

[4]蔡津生,曹剑虹,林树钱,等.灵芝孢子粉破壁工艺㈦装备[J].中国食⒚菌,2001,20(1)：35-38

[5]王浩豪,戴军,陈尚卫,等.灵芝孢子粉多糖的PMP-HPLC指纹分析[J].食品㈦发酵工业,2011,37(12)：133-136

[6]邹妍,叶发银,刘嘉,等.CO2爆破挤压膨化豆渣对面团品质的影响[J].食品科学,2014,35(3)：21-28

[7]段维,王立,钱海峰,等.糙米意大利面制备工艺的优化[J].食品㈦发酵工业,2015,41(6)：1-6

[8]欧阳玲花,戴小枫,胡宏海,等.双螺杆挤压条件对鲜切马铃薯复配大米米粉品质的影响[J].食品工业科技,2016,37(10)：1-8

[9]李淑芳,张志军,李海德.灵芝孢子破壁技术的研究[J].食品工业科技,2008,29(9)：195-196,199

[10]倪伟锋.灵芝破壁孢子粉破壁率测定技术和质量安全评价的研究[D].福州：福建农林大学,2008

[11]Lian Li,Hui-Jun Guo,Ling-Yan Zhu,et al.A supercritical-CO2extract of Ganoderma lucidum spores inhibits cholangiocarcinoma cell migration by reversing the epithelial-mesenchymal transition[J].Phytomedicine,2016,23(5)：491-497

[12]SANODIYA B S,THAKUR R K,BAGHEL G B,et al.Ganoderma lucidum：a potent pharmacological macrofungus[J].Current Pharmaceutical Biotechnology,2009,10(8)：717-742

[13]ZHU H S,YANG X L,WANG L B,et al.Effects of extracts from sporoderm-broken spores of Ganoderma lucidum on HeLa cells[J].Cell Biology and Toxicology,2000,16(3)：201-206

[14]胡成旭,侯欣彤,冯⒗宁,等.响应面法优化云芝多糖提取条件的研究[J].食品工业科技,2007,28(7)：124-126,130

[15]姚笛,马萍,王⒈,等.响应面法优化Ⅰ米芯中木聚糖的提取工艺[J].食品科学,2011,32(8)：111-115

Response Surface Optimization of Ganoderma lucidum Spore Powder Extrusion Process

LIU Jing-xue，LI Feng-lin*，LIU Yan-xia， JIANG Li-dong， ZENG Ying-nan， XIONG Xiao-qing
（College of Food Engineering， Jilin Agricultural Science and Technology College， Jilin 132101， Jilin， China）

The twin-screw extrusion technique was used to break down the Ganoderma lucidum spore powder，and the main factors influencing the extrusion process was as follows：the extrusion temperature，the screw speed and the material water content was optimized.The results showed that the breaking rate of Ganoderma lucidum spore powder reached 96.48％when the extrusion temperature was 110℃，the water content was 27％and the screw speed was 640r/min.The results of variance analysis showed that the factors affecting the process of spore powder from Ganoderma lucidum was extruded from strong to weak，>water content>screw speed.

extrusion；Ganoderma lucidum spores；response surface； broken wall

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.15.024

2016-11-07

吉林农业科技学院青年基金资助项目（吉农院合字[2016]第Q27号）

刘静雪（1988—），男（汉），助教，硕士，研究方向：粮食油脂及植物蛋白工程。

*通信作者：李凤林（1973—），男，教授，博士，研究方向：食品科学。