不同干燥方法對玫瑰茄品質的影響及其花青素的提取工藝優化

陳沁雯，林勝嵐，劉斌雄，于亞輝，高亮，孫沖，林城希，方婷，

（1.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2.華僑大學建筑學院，福建 廈門 361021）

花青素是一種具有特殊分子結構的生物類黃酮，是國際上公認最有效的天然抗氧化劑[1]，以及具有降血壓、降血脂、抗腫瘤等保健功效[2-5]。天然花青素可直接從植物原料（如根莖、葉、花、果實）中提取色素成分，濃縮或直接干燥后成為天然色素，現已廣泛應用于飲料、酒類、調味品、糖果、藥妝等行業[6]。玫瑰茄（Hibiscus sabdariffa L.）是藥食兩用植物[7]，其花萼中含有豐富的花青素，提取純化后可作為天然色素[8]。玫瑰茄是季節性收獲的植物，采收期在每年的九月至十一月[9]，但因其花萼水分含量很大，鮮花常溫下保存期短，采摘后如果不及時干燥脫水，容易發生霉變腐爛，影響后續的產品生產加工。傳統的干燥玫瑰茄的方法大多為自然晾曬，但存在以下缺點[10-12]：干燥時間長；且過程不能人為控制；產品質量較差；易受氣候條件限制；易被灰塵、蠅、鼠等污染。因此尋求一種既能延長其保藏期，又能最大程度保留其品質的干燥方法迫在眉睫。大量文獻表明目前農產品生產加工得到品質最好的脫水技術為真空冷凍干燥，它使得物料在干燥后基本能夠保持新鮮原料固有的色澤、風味和香氣，營養成分損失少，復水性高，脫水徹底，適合于長期保存和長途運輸[13]。此外過熱蒸汽干燥作為一種新型干燥技術，因其具有節能效果顯著、干燥品質好、傳熱傳質效率高、無失火和爆炸危險等特點[14-15]，尤其是在熱敏性和粉末狀的物料生產中有著極大的干燥優勢[16]，也特別適用于農產品干燥，擁有廣闊的應用前景。

目前研究玫瑰茄的干燥方法的文獻較少，因此本試驗采用真空冷凍干燥、過熱蒸汽結合真空冷凍干燥、過熱蒸汽結合真空干燥、熱風干燥4 種干燥方法對玫瑰茄花萼進行干燥，對干制品的外觀品質、色澤、復水比及總花青素含量進行比較。并在單因素試驗的基礎上，以玫瑰茄總花青素含量為評價指標，通過響應面法優化超聲波輔助提取玫瑰茄花青素工藝，為國內興起的玫瑰茄的資源開發和利用提供一條新的加工途徑，為以后的產業化發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玫瑰茄暗紅品種：福建虎媽一家生態農業有限公司；無水乙醇、濃鹽酸、氯化鉀、乙酸鈉（均為分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

電熱鼓風干燥箱（DHG-9240A）：上海一恒科學儀器有限公司；速凍倉及真空冷凍干燥機（LG-1.0）：沈陽航天新陽速凍設備制造有限公司；過熱蒸汽干燥箱：國家蔬菜加工中心自制；真空干燥箱（DZF-6020）：上海精宏實驗設備有限公司；數控超聲波清洗器（KQ2200DV）：昆山市超聲儀器有限公司；旋轉蒸發器（RE-52）：上海亞榮生化儀器廠；水分測定儀（MB23）：奧斯豪儀器有限公司；分光測色計（CM-5）：柯尼卡美能達控股公司；紫外分光光度計（T6 系列）：北京普析通用儀器有限責任公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥方法

真空冷凍干燥（vacuum freeze-drying，FD）：將 500 g玫瑰茄去籽鮮花萼于-40 ℃速凍倉中預凍3 h 后移入凍干箱中，真空度約為80 Pa，冷阱溫度約為-40 ℃，加熱板經30 min 后升溫到40 ℃，然后持續840 min，在此溫度下，經30 min 后升溫到50 ℃，再持續120 min，隨后經30 min 后降溫到20 ℃，持續至玫瑰茄花萼最終含水量為（5±1）%時停止干燥，取出置于干燥器待用。

過熱蒸汽結合真空冷凍干燥（superheated steam combined with vacuum freeze-diying，SSD+FD）：將 500 g玫瑰茄去籽鮮花萼于130 ℃過熱蒸汽干燥箱中，干燥時間為15 min，干燥后取出置于-40 ℃速凍倉中預凍3 h 后移入凍干箱中，真空度約為80 Pa，冷阱溫度約為-40 ℃。由于過熱后可脫去玫瑰茄花萼中30%的水分，因此可以適當縮減凍干所需時間。加熱板經30 min后升溫到40 ℃，然后持續480 min，在此溫度下，經30 min 后升溫到50 ℃，再持續120 min，隨后經30 min后降溫到20 ℃，持續至玫瑰茄花萼最終含水量為（5±1）%時停止干燥，取出置于干燥器待用。

過熱蒸汽結合真空干燥（superheated steam combined with vacuum-diying，SSD+VD）：將 500 g 玫瑰茄去籽鮮花萼于130℃過熱蒸汽干燥箱中，干燥時間為15 min，干燥后取出置于真空干燥箱中，真空度為-0.1 MPa，溫度為50 ℃，待干燥至玫瑰茄花萼最終含水量為（5±1）%時停止干燥，取出置于干燥器待用。

熱風干燥（hot-air drying，HD）：將 500 g 玫瑰茄去籽鮮花萼于60 ℃熱風干燥箱中，待干燥至玫瑰茄花萼最終含水量為（5±1）%時停止干燥，取出置于干燥器待用。

1.3.2 含水率的測定

采用水分測定儀測定，校準儀器后，稱量約2 g～3 g左右樣品，設定溫度為105 ℃，結束模式選擇為自動結束，測定結束后記錄樣品的含水率。

1.3.3 色澤的測定

采用色差儀測定不同干燥方式下玫瑰茄干燥產品的 L*，a*，b*值，L*值表示明亮程度[17]，數值越大表示越亮。a*正值表示紅色，正值越大紅色越深；負值表示綠色，負值越小則綠色越深；b*正值表示黃色，正值越大黃色越深；負值表示藍色，負值越大藍色越深[18]。此外，表示物料色澤差別程度色差（ΔE）及表示色澤飽和程度的色度（C）均可由以下公式（1）（2）計算得出：

式中：L*、a*、b*表示新鮮玫瑰茄花萼的色度值；L0、a0、b0表示干燥后玫瑰茄花萼的色度值。

1.3.4 復水比的測定

參考徐明亮等[19]的方法，稱取5 組樣品，每組2 g，置于30 ℃恒溫水浴鍋中浸泡，浸泡時間為5、10、15、20、25 min，取出后用濾紙吸干樣品至表面基本無水，稱其質量。復水比由式（3）計算。

式中：m1為復水前樣品質量，g；m2為復水后樣品質量，g。

1.3.5 玫瑰茄花青素提取

分別將不同干燥方法得到的玫瑰茄干花萼用中藥粉碎機粉碎，過50 目標準篩，并分別準確稱取玫瑰茄粉末2 g，按一定料液比加入一定體積分數的酸化乙醇溶液（pH 3，用鹽酸酸化），利用超聲波清洗器進行輔助提取（40 kHz），在一定溫度和一定功率下提取20 min。重復提取3 次，提取結束后，離心（5 000 r/min，10 min）得上清液，旋轉濃縮去除乙醇即得玫瑰茄花青素粗提液。

1.3.6 玫瑰茄中花青素含量的測定

采用pH 示差法測定玫瑰茄中花青素含量，基于Lee J 等[20]的方法上稍作調整。將玫瑰茄花青素粗提液用酸化水（pH 3，用鹽酸酸化）定容至100 mL，從提取液中取1 mL，分別用pH 值為1.0、4.5 的緩沖液稀釋至25 mL，記錄其518 nm 及700 nm 處的吸光值。根據式（4）、（5）得出提取液中總花青素的含量。

總花青素含量（以矢車菊素3-O-葡萄糖苷汁）/

式中：n 為用緩沖溶液稀釋提取液的倍數，本試驗中n 為25；V 為用酸化蒸餾水稀釋提取液定容后的體積，mL，本試驗中V 為100；M 為矢車菊素3-O-葡萄糖苷的摩爾質量449.2 g/mol；ε 為矢車菊素3-O-葡萄糖苷的摩爾消光系數=26 900 L /（mol·cm）；L 為光路長，1 cm；m 為樣品質量，g；ω 為樣品含水率，%。

1.3.7 玫瑰茄花青素提取單因素優化試驗

采取控制變量法，選取FD 處理后的玫瑰茄，按照1.3.5 花青素提取工藝，考察乙醇體積（40 %、50 %、60 %、70%、80%）、液料比[20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1（mL/g）]、超聲溫度（30、40、50、60、70 ℃）、超聲功率（100、120、140、160、180 W）對提取總花青素含量的影響。考察某一因素時，其他因素條件固定為：乙醇體積為 60%（pH 3），液料比 30∶1（mL/g），超聲溫度為50 ℃，超聲功率140 W。

1.3.8 響應面分析試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上，根據Box-Behnken中心組合試驗設計原理，參考已有文獻[21-23]方法并稍作修改，以總花青素含量（mg/100 g）為響應值，選取對玫瑰茄花青素含量影響較大的因素乙醇體積（A）、料液比（B）、超聲溫度（C）和超聲功率（D），進行四因素三水平響應面優化試驗，中心試驗重復5 次，共29 組試驗，具體因素水平編碼表見表1。

表1 響應面因素水平編碼表Table 1 Factors and levels coding table of response surface methodology

1.4 數據處理

所有試驗均進行3 次重復試驗。數據采用SPSS 21.0 統計軟件和Oringin2017 繪圖軟件進行基礎數據整理、顯著性分析與作圖，利用Design-Expert 8.0.6.1軟件進行響應面優化試驗設計和數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方法對玫瑰茄干制品外觀品質的影響

不同干燥方法對玫瑰茄干制品外觀品質的影響見圖1。

圖1 不同干燥方法對玫瑰茄干制品外觀品質的影響Fig.1 Effect of different drying methods on the appearance quality of dried roselle

由圖1 可以看出，不同干燥方法處理對玫瑰茄干制品的外觀品質影響較大，FD 是在低溫高真空的條件下使樣品中的水分由冰直接升華達到干燥的目的，在干燥的過程中不受表面張力的作用，樣品不變形。因此FD 處理的玫瑰茄體積大小基本沒有變化，與原有形態差異較小，且干燥過程處于真空狀態不被氧化，色澤較為明亮，干花內部質地松泡多孔，易折斷和粉碎[24]。采用SSD+FD 干燥物料，干燥前段在水蒸氣的作用下物料表面濕潤、干燥應力小，不易產生開裂、變形，且無氧化反應，物料顏色不會褪變[25]，但是由于干燥速率較快，水分快速流失導致體積有所縮小。采用SSD+VD 干燥的物料形態改變較大，但因無氧化反應，色澤還是較為鮮明。而HD 處理的玫瑰茄皺縮卷曲嚴重，且在高溫的作用下誘發美拉德反應使得表面顏色變暗。因此表明FD 處理對玫瑰茄的外觀性狀影響較小。

2.2 不同干燥方法對玫瑰茄色澤的影響

不同干燥方法對玫瑰茄色澤的影響見圖2。

圖2 不同干燥方式對玫瑰茄色澤的影響Fig.2 Effect of different drying methods on color of dried roselle

由圖2 可知，與玫瑰茄鮮果色澤相比較，干制品的a*、b*值都有較大的提高，其中FD 處理后的樣品差異最為顯著；但FD 與SSD+FD 的L*值基本無明顯變化。而不同燥方式之間的玫瑰茄的a*、b*存在顯著性差異，通過比較a*值發現，FD 處理的玫瑰茄a*值最大，HD最小；FD 和SSD+FD 制得的玫瑰茄呈現出較高的b*值。分析干燥方法對色澤差ΔE 值的影響發現，HD 干制的玫瑰茄的ΔE 值最小，說明干燥過程中色澤保留較好，而FD 制的樣品ΔE 值最大。通過比較C 值數據可發現，FD 制的玫瑰茄的C 值最高，SSD+FD 和SSD+VD 次之，HD 最低，說明FD 較其他干燥方式使玫瑰茄具有較高的飽和度和鮮亮的色澤。考慮整體指標，還是得出FD 處理的玫瑰茄色澤較優。

玫瑰茄的色澤差異主要原因是在干燥過程中花青素的含量和褐變反應所引起的。據研究表明在高溫及氧化反應作用下會造成花青素大量的降解[26]，從而使得樣品褪色。而非酶促褐變美拉德反應也發生導致樣品色澤褐黑化[27]。但是FD 的干燥過程都是在低溫、隔絕氧氣的狀態下進行，理論上制得的玫瑰茄色澤應最接近鮮果，實際上色差卻最大，目前暫未有文獻能解釋造成其現象的機理，還有待日后進一步研究。

2.3 不同干燥方法對玫瑰茄復水比的影響

不同干燥方法對玫瑰茄復水比的影響見圖3。

圖3 不同干燥方式對玫瑰茄復水比的影響Fig.3 Effect of different drying methods on rehydration rate of dried roselle

由圖3 可以看出，SSD+FD 處理的玫瑰茄復水效果優于FD 處理的樣品，其主要原因可能是過熱蒸汽處理使得細胞組織軟化、通透性增加，更有利于樣品重新吸收水分，恢復原本形狀。而冷凍干燥本身就有著可以使得樣品組織內部疏松多孔，便于水分滲透的特點。VD 和HD 干燥處理過的樣品都因內部結構緊密，質地堅實，外部水分不易浸入，故復水性較差。因此SSD+VD 處理后的樣品復水能力高于HD。

2.4 不同干燥方法對玫瑰茄總花青素含量的影響

不同干燥方法對玫瑰茄總花青素含量的影響見表2。可知，4 種干燥方法的耗時為FD＞SSD+FD＞HD＞SSD+VD。與單一的冷凍干燥比起來，經過過熱蒸汽高溫短時處理后再進行凍干的干燥方法，能夠縮短43.75%的時間。由于花青素屬于熱敏物質，在低溫、鈍化酶、與氧氣隔絕等條件下穩定性較好[28]，所以SSD 處理的時間雖然短，但是高溫還是對花青素損耗造成了較大的影響，因此二者的總花青素含量相比還是有顯著性差異（P＜0.05）。由試驗結果可得，干燥方法對玫瑰茄總花青素含量有明顯的影響，真空冷凍干燥方法能夠最大程度上保留花青素含量。

表2 不同干燥方法對玫瑰茄總花青素含量的影響Table 2 Effect of different drying methods on total anthocyanin content of dried roselle

2.5 單因素試驗結果

2.5.1 乙醇體積對玫瑰茄花青素含量的影響

乙醇體積對玫瑰茄花青素含量的影響見圖4。

圖4 乙醇體積對總花青素含量的影響Fig.4 Effect of ethanol volume on total anthocyanin content

由圖4 可知，當乙醇體積由30%增至60%時，總花青素含量逐漸增大；而之后呈遞減得趨勢。這可能因為花青素是一種多酚類物質，含較多羥基且具有一定極性，依據相似相溶的原理，當溶劑極性和花青素極性相當時，溶解度達到最大。若乙醇體積過低時會導致大量得水溶性雜質溶出，如蛋白質、糖類等；而當乙醇體積過高時，又可能導致醇溶性、脂溶性的雜質溶出，同花青素競爭與乙醇的結合，從而導致了花青素提取率下降[29]。因此，選擇60%乙醇作為提取溶劑。

2.5.2 液料比對玫瑰茄花青素含量的影響

液料比對玫瑰茄花青素含量的影響見圖5。可知，在 20∶1（mL/g）至 30∶1（mL/g）的范圍內，總花青素含量隨提取溶劑的增多而逐漸增大，這可能是因為隨著提取溶劑增多，能夠使物料和溶劑接觸更加充分，有利于花青素的擴散傳質[30]。當液料比增加到一定程度時，會增大其他雜質的溶出量，影響花青素的提取率，且考慮到提取成本及回收率的問題[31]，故確定液料比為30∶1（mL/g）。

2.5.3 超聲溫度對玫瑰茄花青素含量的影響

超聲溫度對玫瑰茄花青素含量的影響見圖6。

圖5 液料比對總花青素含量的影響Fig.5 Effect of liquid-to-solid ratio on total anthocyanin content

圖6 超聲溫度對總花青素含量的影響Fig.6 Effect of ultrasonic temperature on total anthocyanin content

由圖6 可知，當超聲溫度從30 ℃升至50 ℃時，玫瑰茄總花青素含量逐漸增大，可能是因為隨著溫度的升高，分子間熱運動加劇，使得玫瑰茄花青素與溶劑間作用增強從而溶出量增加；但花青素屬于熱敏性物質，所以當溫度升至60 ℃時，花青素含量開始呈現降低趨勢[32]。因此，超聲溫度應該控制在50 ℃。

2.5.4 超聲功率對玫瑰茄花青素含量的影響

超聲功率對玫瑰茄花青素含量的影響見圖7。可知，隨著超聲波功率的增大，玫瑰茄花青素含量在不斷上升，并在140 W 達到峰值，之后呈現下降的趨勢。這是因為超聲波在溶劑中產生的機械振動和空化作用會破壞玫瑰茄組織，從而提高花青素的溶出量[33]。因過高的功率會增加液體媒介的機械振動并產生熱量，會破壞原花青素的結構而導致得率下降。

圖7 超聲功率對總花青素含量的影響Fig.7 Effect of ultrasonic power on total anthocyanin content

2.6 響應面優化試驗結果分析

響應面優化試驗設計及結果如表3 所示。

表3 試驗設計及結果Table 3 Response surface design arrangement and results

對試驗結果進行回歸分析，得到方差分析表4 及回歸方程：Y=1 597.87+42.88A+30.18B+0.78C-8.96D-3.39AB-27.14AC+8.87AD+0.52BC+24.00BD+8.09CD-60.49A2-71.97B2-55.01C2-59.19D2。

表4 方差分析表Table 4 Analysis of variance for the established regression model

由方差分析表4 可知：響應面回歸模型表現為極顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P 為 0.215 2＞0.05），說明模型對試驗擬合程度良好，模型穩定可信。回歸方程與實測值之間的擬合度可以通過相關系數（R2）和校正決定系數（R2Adj）來解釋。R2Adj=0.969 9 與R2=0.984 9較為接近，信噪比為27.24＞4，說明其能夠較好的解釋試驗數據的變異性，且僅有小于3%的變量不能由模型解釋，模型擬合度和可信度也較好，預測值與試驗值具有較高的相關度，可以很好預測試驗結果。

4 個因素對玫瑰茄中提取花青素含量的影響從大到小依次為：乙醇體積（A）、液料比（B）、超聲功率（D）、超聲溫度（C）。其中 A、B、AC、BD、A2、B2、C2、D2對 Y 值影響極顯著（P＜0.01），D 對 Y 值影響顯著（0.01＜P＜0.05）。

在回歸分析的基礎上，根據回歸方程擬合繪制響應面圖如圖8。響應面曲面圖可以反映出當其中兩個變量取零時，另外兩個變量的交互作用對響應值影響程度，響應面曲面圖坡度越陡峭，表明兩因素交互效應對響應值影響越顯著，反之，則不顯著[34]。二維等高線的形狀可反映交互效應的強弱，越趨于橢圓形則表示兩個因素交互作用顯著，而越趨于圓形則與之相反[35]。

圖8 兩因素交互作用的響應面圖Fig.8 Response surface diagram of two-factor interaction

由圖8 可知，一開始花青素含量隨著乙醇體積、料液比和超聲功率的水平增大而增加，但達到中心值后，隨著各因素的增大而下降。對比各曲面圖中可以看出乙醇體積和液料比兩個因素對總花青素含量影響最大，表現為響應曲面較陡，等高線趨于橢圓，由此可見控制好這兩種因素對獲得玫瑰茄花青素提取效果至關重要；其次影響較大的是超聲功率。而超聲溫度所表現的曲面較為平緩，說明此因素對響應值影響較小。此外還可以看出乙醇體積與超聲溫度、液料比與超聲功率之間的交互作用明顯，其余因素之間交互效果并不顯著。

2.7 驗證試驗

采用響應面法優化分析得到的最佳工藝條件為：乙醇體積為62.9%、液料比為31.43 mL/g、超聲溫度49.2 ℃、超聲功率139.02 W，在此條件下預測玫瑰茄中提取的總花青素含量為1 608.17 mg/100 g。考慮到實際操作的方便性，最終以乙醇體積為63%、液料比為31 mL/g、超聲溫度49 ℃、超聲功率140 W 為最佳工藝參數，試驗測得總花青素含量為（1 604.75±1.37）mg/100 g，實際測定值與理論預測值較為接近，說明此模型可以有效用于玫瑰茄中花青素提取工藝優化。

3 結論

通過比較4 種不同干燥方法對玫瑰茄干制品的外觀品質、色澤、復水比及總花青素含量的影響，可看出真空冷凍干燥工藝對玫瑰茄的外觀品質影響較小，與鮮果形態差異不大，具有較高的飽和度和鮮亮的色澤，復水效果較好，且總花青素含量高達（1 556.54±1.01）mg/100 g，單就花青素含量評價指標來看，本試驗結果與涂宗財等[36]研究結果相一致，且通過研究干燥后玫瑰茄的其他理化品質，為真空冷凍干燥的玫瑰茄品質優于其他干燥方法這一結論增添了理論依據。在單因素試驗結果基礎上，采用響應面法優化得到玫瑰茄花青素提取的最佳工藝為乙醇體積為63%、液料比為31 mL/g、超聲溫度49 ℃、超聲功率140 W。在此條件下玫瑰茄花青素提取率為（1 604.75±1.37）mg/100 g，與模型預測值1 608.17 mg/100 g 較為接近。本試驗與錢鐳等[37]所研究的醇提法相比，不僅大大縮短提取時間，花青素提取率也明顯提高，說明本實驗采用的超聲輔助醇提工藝，切實可行，具有實用價值。為玫瑰茄花青素提取實現工業化生產提供了理論依據，對充分利用玫瑰茄資源有現實參考意義。