菊花干燥技術研究進展

陳 強,苗文娟,查 靖,凌倩倩,孫艷輝

(滁州學院生物與食品工程學院,安徽滁州 239000)

菊花是菊科多年生草本植物菊(ChrysanthemummorifoliumRamat)的頭狀花序,是我國傳統中藥,其藥理作用一直受到人們的普遍認同。菊花味甘、苦,性微寒;歸肺、肝經;其主要功效為散風清熱、平肝明日、清熱解毒,可用于風熱感冒、頭痛目炫等[1],近年來的藥理研究也證實菊花具有抗菌、抗炎、降血脂、抗腫瘤和抗氧化等方面的作用[2-3]。但新鮮菊花的含水率達到80%以上[4],若不及時脫除水分,會使菊花品質大幅度降低。所以剛采摘的菊花需要盡快進行干燥,這是菊花采摘后至關重要的一步,因為它在保持菊花有效成分的同時抑制了酶活和微生物生長,避免褐變、腐敗變質,保障了菊花質量和藥效。干燥后菊花的質量主要取決于感官以及其中活性成分如綠原酸、總黃酮等物質的含量。

2010年《中國藥典》一部[1]開始將綠原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡酰基奎寧酸三種化學成分作為菊花質量的控制指標。目前菊花的干燥技術已從傳統的陰干、硫熏以及氣流干燥等發展到現在的高新技術化和多元化方式,如:微波干燥、真空干燥等。但目前對菊花的研究大多集中于菊花中活性成分如綠原酸[5]、總黃酮[6]等的分析以及菊花中活性成分的提取工藝研究[7],菊花干燥技術相關的研究和綜述則相對較少。本文將對近年來關于菊花干燥的主要研究內容進行綜述,并對不同的干燥技術進行對比分析。

1 菊花的傳統干燥技術

菊花的傳統干燥技術主要有陰涼干燥、硫磺熏蒸和熱風干燥。陰涼干燥和硫磺熏蒸因不需要特殊設備,干燥成本低,是最經濟的兩種干燥方法。

1.1 陰涼干燥

陰涼干燥簡稱陰干,是一種將物料置于不高于20 ℃且通風處使物料水分散失的干燥方法。陰干在古時是常用的一種菊花處理方法[8]。最傳統的陰干方式為選取晴天的下午,將菊花整株割下,掛在架子上至陰干,全干后剪下花序部分備用,這種方式在現代仍被運用,其中運用最廣泛的當屬亳菊[9]。王霏等[10]采用HPLC方法對陰干和其他三種(烘干、微波殺青烘干和蒸汽殺青烘干)處理方式得到的亳菊中的綠原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡酰基奎寧酸的含量進行測定,結果顯示陰干處理后亳菊中這三種成分的含量均比其他三種處理方式所得菊花的含量高。Choi等[11]采用GC-MS分析陰干和冷凍干燥對野菊花中的揮發性成分的影響,結果表明新鮮野菊花中富含樟腦(Camphor,43.8%)和馬鞭草烯醇(Verbenol,7.1%),陰干后的野菊花中樟腦、乙酸冰片酯(Endobornyl acetate)和松油烯-3-醇(Terpinene-3-ol)含量減少,馬鞭草烯醇完全揮發,而冰片(Borneol)的含量卻顯著提高。陰干的環境要求是通風開放處而不能在密閉空間中,在此過程中可能會有灰塵以及其他雜物混入其中以致產品的衛生和安全質量不達標;陰干成本雖低,但由于干燥周期長,導致陰干這種低效率干燥技術逐漸被其他干燥技術所取代。

1.2 硫磺熏蒸

硫磺熏蒸是一種古老的藥材加工方法,其歷史至少可以追溯到1個世紀之前[12]。雖然這種干燥技術能夠有效地延長藥材的保質期[13]甚至能起到殺螨的作用,但近年來諸多研究均發現硫磺熏蒸后的菊花中的生物活性成分[14-16](如酚酸類、黃酮苷類等)和微量元素[17](如Cu2+等)等的含量顯著降低。同時硫磺熏蒸后的中藥材可能會出現SO2殘留量超標現象,過量的SO2會與藥材中的酮基、羥基發生化學反應[18],從而導致某些成分的破壞,致使有些活性成分流失。長期服用硫磺熏蒸的中藥材也會導致抽筋、痙攣、腹瀉、腹脹、胃灼痛以及胃功能紊亂[19-20],所以在2005版《中國藥典》一部[1]中開始規定禁止菊花干燥過程中使用硫磺熏蒸。

1.3 熱風干燥

熱風干燥是以熱空氣為加熱介質,通過對流傳導等加熱方式,在一定時間內對物料進行加熱以脫除物料水分的干燥技術。因其操作簡單、物料處理量大且成本低、衛生條件也能得到保障,所以被廣泛應用于食品和藥材的前處理上。隨著干菊花需求量的上升,干菊花的市場也不斷擴大,為提高生產效率,熱風干燥也廣泛運用于菊花干制行業中[9]。

由于熱風干燥是由外向內加熱,形成一定的溫度梯度,引發水分梯度的形成以達到干燥的目的,所以熱風干燥溫度是影響產品質量的主要因素。蔣磊等[21]在對比不同烘干溫度對亳菊成分含量的影響時發現,隨著溫度逐漸升高,綠原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡酰基奎寧酸這3種成分的含量均處于下降趨勢。徐建[22]對滁菊干燥及儲藏方法進行探索時所得出的結果與蔣磊等[21]相似:隨著熱風干燥溫度升高,滁菊中的主要活性成分的含量逐漸降低,干燥溫度大于80 ℃時活性成分的含量均未達到《中國藥典》的含量要求[1]。Shi Xiao-fei[23]對比研究了未殺青-熱風干燥、蒸汽殺青-熱風干燥、105 ℃熱風殺青-熱風干燥后祁菊中黃酮、綠原酸、類胡蘿卜素以及游離氨基酸等成分的含量變化,結果表明,熱風殺青后干燥的祁菊中綠原酸含量最高,且殺青1 min后干燥的祁菊中綠原酸含量達到峰值、類胡蘿卜素的穩定性也最高,說明在干燥前進行高溫殺青可更好的保留菊花中的活性成分。Yuan Jun等[24]在研究不同干燥方法對菊花中活性成分的影響時,認為烘干較陰干和曬干干燥速度快,在試驗設計時選用三段溫度:低溫(40、50、60 ℃)、中溫(70、80、90 ℃)、高溫(100、110、120 ℃),對不同花期的菊花進行干燥處理,結果顯示,菊花中綠原酸含量在低溫條件下有微弱的降低;在60～70 ℃時綠原酸含量反而上升,這與潘蕓蕓[25]等的研究結果符合,50 ℃以后綠原酸含量基本保持不變,但在潘蕓蕓[25]的研究中烘干菊花中氨基酸和綠原酸含量較鮮菊花高,其余各成分(槲皮素、黃岑苷等)含量均明顯低于鮮菊花,而凍干菊花中可溶性糖含量高于鮮菊花,凍干菊花與鮮菊花中總黃酮含量無顯著差異。梁迎暖等[26]通過研究發現不同的干燥方法對懷菊中的活性成分均有顯著性影響,其中烘干后的懷大白菊和懷小白菊中綠原酸的含量分別為2.2581‰和1.2043‰,低于陰干及傳統蒸曬,其中懷小白菊中綠原酸更是低于《中國藥典》一部[1]規定的最低標準2‰。

同時,熱風干燥過程中也會影響菊花中褐變相關酶(多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)等)的活性變化。徐文斌等[27]研究發現在較低溫度下對菊花進行干燥時,PPO活性會因溫度適宜而提高,造成損失較多的綠原酸,推測可能是由于綠原酸分子結構中含有鄰二酚羥基,是酚酶催化最適合的反應底物,受熱見光均易氧化[28]。同時,梁迎暖等[26]的研究也證實高溫會抑制菊花中相關酶的活性;崔莉等[29]研究不同干燥方法對菊花褐變相關酶活性及活性成分的影響時也表明,干燥過程中菊花所含的綠原酸以及木犀草苷等活性成分的含量與PPO活性顯著相關。

熱風干燥雖簡單易行、干燥過程不受時間以及環境的限制,但其溫度直接影響干菊花的品質,菊花中的熱敏性成分會因溫度的改變而發生含量的顯著降低或空間結構發生改變而喪失其生理活性,降低菊花的藥用價值。且菊花中的水分含量高,花瓣花蕊厚度不一致,在干燥過程中必須控制好熱風溫度,熱風溫度過高會導致菊花外形不完整,質地過脆,同時會伴有焦黑現象,其商品價值直接降低;熱風溫度過低則干燥時間長,能耗高,且菊花中的相關酶如PPO等活性提高使菊花發生酶促褐變,也會使綠原酸等活性成分被分解。

2 菊花的現代干燥技術

2.1 微波干燥技術

微波干燥是以微波作為熱源降低物料含水量以達到干燥目的現代干燥技術。由于傳統干燥技術處理后的菊花活性成分含量顯著降低,研究者開始采用微波對菊花進行前處理。韓波[30]在對祁菊的干燥工藝進行研究時發現,隨著微波爐火力的升高,干制后的祁菊中綠原酸、槲皮素、木犀草苷和總黃酮的含量均先升高后降低,480 W時各物質含量均達到最高值。徐建[22]將100 g滁菊置于微波爐中,用160、320、480、640、800 W對滁菊分別進行干燥,然后對處理后滁菊中的綠原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡酰基奎寧酸含量進行測定,結果顯示隨著火候的增加和時間的延長,這3種物質的含量均呈上升趨勢。Shi Xiao-fei等[23]的研究表明隨著微波功率的增加,菊花干燥時間逐漸縮短,菊花中綠原酸、總黃酮含量逐漸上升,而類胡蘿卜素、氨基酸等物質的含量卻逐漸下降,微波干燥是保持黃酮、維生素C和可溶性糖含量較高的最佳干燥方法,兼顧效率和能耗。由此可見,微波干燥雖然具有效率高、速度快等優點,但微波功率的升高和微波加熱時間的延長可能導致某些熱敏性活性成分吸收大量微波而被破壞,因此針對菊花而言,微波與其他干燥技術相結合的組合式干燥技術可能更具有應用前景。

2.2 熱泵干燥技術

熱泵是根據逆卡諾循環原理[31],消耗少量的電能驅動熱泵,吸收空氣中大量的低溫熱能,通過壓縮機的壓縮變為高溫熱能,降低干燥室內空氣的相對濕度,使被干燥物料脫除水分的一種干燥技術;因其獨特的干燥原理,具有高效節能、熱效率快、除濕快、環境友好等特點,逐漸被應用到農產品干燥中[32]。戴源德[33]和劉濤[34]等研究了熱泵干燥室內不同熱風溫度、循環風速和排濕時間對菊花干燥特性的影響,結果顯示,熱風溫度越高、循環風速越大或排濕時間越長,干燥周期越短,但任何一種參數過高均會影響成品菊花的品質,綜合來看,工況八(預熱階段50 ℃、高速干燥階段65 ℃、第一降速干燥階段75 ℃、第二降速干燥階段55 ℃,風速0.25 m/s,排濕時間200 s,排濕間隔1 min)的干燥條件下所出的菊花干制品花朵干燥均勻、無卷邊、顏色金黃、干制品有韌性、氣味清香。工況八與其他工況相比,雖干燥周期略長,約20 h,但其感官評價分數卻是最高,且其熱風溫度和循環風速均不是最高,所以可得品質最佳的成品。

由于熱泵干燥是將低熱能轉化為高熱能實現對產品脫水干燥的一項干燥技術,所以其節能減排的特點受到廣泛的關注。但熱泵干燥在中后期時,由于物料含水量下降,干燥速度變慢,干燥時間延長,導致能耗增加[31],如果將熱泵干燥技術與其他干燥技術聯用,將能實現在節能的同時提高產品質量,這是熱泵干燥技術的未來發展方向之一,同時開發高溫熱泵[34],提高熱泵的干燥效率,也將是熱泵干燥技術另一發展方向。

2.3 真空冷凍干燥技術

真空冷凍干燥也稱冷凍干燥,是一種將物料凍結到共晶點溫度以下,在低壓狀態下通過升華除去物料中水分的干燥方法[35]。由于干燥是在真空低溫條件下進行,菊花中的活性成分能夠有效的保存,其色澤以及外觀等也可基本保持原狀。蔡亞祿等[36]對黃山貢菊進行微波漂燙和蒸汽殺青處理后,先以2～3 ℃的降溫速度將處理后的貢菊花凍結至-20～-25 ℃,保持2～4 h;再真空冷凍干燥10～15 h后得其干品,通過對比該法炮制后的菊花與現有方法烘干后的菊花中綠原酸及木犀草苷的含量,結果顯示,該法炮制后的貢菊花中綠原酸和木犀草苷的含量分別為0.739%和0.405%,遠超于現行方法烘干后菊花中的綠原酸(0.462%)和木犀草苷(0.226%)含量。劉鴻雁等[37]以白菊為對象,對其進行真空冷凍干燥后得出其最佳干燥工藝,將花材預凍6 h,升華干燥15 h,再以45 ℃的加熱擱板溫度進行解析干燥14 h效果最佳,干燥后的白菊縮小率僅有18%,菊花中心顏色及外層顏色均為白色。

冷凍干燥雖能極大的保持菊花的品質,但低溫條件下菊花中的相關酶卻不能被高度滅活。潘蕓蕓等[25]的研究表明,經冷凍干燥后,菊花中綠原酸、槲皮素等均較鮮菊花降低,這些活性成分均為多酚類化合物,說明凍干可能會導致菊花中的PPO滅活不徹底,致使貯藏過程中活性成分的損失。

凍干食品因其最大限度的保持了產品的營養成分以及風味等優點而受到消費者的青睞,但現階段真空凍干設備價格昂貴,真空冷凍干燥技術在大規模生產過程中能耗大的問題也影響著凍干技術的產業化應用,因此開發真空凍干設備以及降低能耗是未來真空冷凍干燥技術在食品工業中的發展方向。

3 菊花的微波聯合干燥技術

眾所周知,干燥方式的選擇對產品的形狀、風味、活性成分的含量以及能耗都有著直接影響,不同的干燥技術各有優缺點。由于農產品物料的多樣性以及性質的復雜性,單一的干燥技術已很難滿足最終產品的質量要求,因此在不斷完善和探索各種干燥技術及其工藝之外,將不同的干燥技術優勢互補,同時或者分段使用進行聯合干燥已成為一大趨勢[38]。從近幾年的研究來看,將微波干燥與其他干燥技術進行組合是菊花干燥的一大研究熱點。肖宏儒等[4]對比分析純微波、純氣流以及兩者組合干燥,結果顯示純氣流干燥時,花瓣的干燥速率高于花頭的干燥速率,當花頭的含水率降至18%時,花瓣已出現部分干枯脫落;純微波干燥雖所需時間短,但在這個過程中菊花的品質發生了很大變化,當菊花含水率至18%左右,菊花的色、香、形、味發生了很大變化;而兩者組合進行干燥所得的菊花干制品質量較單獨的氣流或微波干燥,質量要高出很多。孫艷輝[39]用熱泵干燥箱在低溫下對蒸汽殺青后的滁菊干制5～8 h,使滁菊水分含量降至30%～40%,最后用功率為3 kW的微波在真空環境下對滁菊進行6～10 min的輻照干燥,所得滁菊花型完整,沖泡茶湯清亮,營養物質保留率高。任源[40]、張鐳[41]和侯芳潔等[42]也分別使用微波干燥技術和其他干燥技術聯用并對菊花進行處理,其研究結果均表明用聯合干燥技術處理后的菊花品質優于單一干燥技術所處理的菊花的品質(表1)。因此綜上分析認為,依據菊花鮮花花瓣花蕊厚度不均勻的特點,利用微波聯合其他干燥技術的組合式干燥技術能夠達到更好的干燥效果。

表1 菊花微波聯合干燥技術Table 1 Microwave combined drying technology of chrysanthemum

4 結論與展望

菊花采后干燥技術和工藝參數的選取直接影響到干菊花的質量,目前普遍采用的菊花干燥技術是熱風干燥,同時也有微波干燥、熱泵干燥、真空冷凍干燥等現代干燥技術。但基于新鮮菊花的花瓣和花蕊厚度不一的特點,在干燥過程中其傳熱傳質阻力不同,采用單一的干燥工藝存在干燥效果差、干制品品質低等問題,因此,單一的干燥技術并不能滿足現在市場對高端品質菊花干制品的需求,采用多種干燥技術組合的聯合干燥技術對菊花進行采后干燥處理,同時開展更多關于其組合方式及參數對菊花品質影響的研究,是菊花干燥的未來發展趨勢。

目前,菊花干燥技術的選取仍取決于干燥后的菊花中活性成分的含量和感官分析,較少研究菊花干燥過程中PPO、POD等的活性變化對菊花干制品的品質影響。PPO、POD等酶不僅影響著菊花的褐變程度,酶解也會致使活性成分降低,同時對菊花的風味也會造成一定的影響。不少學者開始關注菊花中相關酶的酶學特性以及在干燥過程中PPO和POD的酶活與特定功能成分含量之間的相關性,而究竟選取哪些干燥工藝和聯用干燥技術能顯著降低酶活以提高菊花干制品的品質仍待研究。