真空冷凍—熱風聯合干燥對甘肅紫斑牡丹品質的影響

趙雪芳 梁 琪 唐 紅 張絲曼 徐寶弟

(1. 甘肅農業大學食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省功能乳品工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

牡丹(PaeoniaSect.Moutan.)是芍藥科芍藥屬的多年生落葉灌木，原產于中國[1]。紫斑牡丹(Paeoniarockii)是中國第二大本土牡丹品種群[2]，其主要分布于甘肅南部，種植面積超過1 300 hm2。紫斑牡丹花瓣基部均有明顯的紫色大斑塊[3]，花色以白色、粉色、玫紅色為常見，花型為單瓣型和復瓣型。在《中藥大辭典》中已明確記載了紫斑牡丹的食用價值和藥用價值[4]。牡丹花中含有花青素、槲皮素和芹菜素等活性成分[5-6]，其花青素的抗氧化能力是維生素E的10倍、維生素C的20倍[7]，在當前已知的抗氧化活性物質中位居前列[8]，且其花青素含量和結構決定了牡丹花的顏色[9]。

干燥是可食用花茶制備的關鍵工藝。目前，國內外食用花干燥技術主要采用微波輔助加熱干燥[10]、熱風干燥[11]、真空冷凍干燥[12]和聯合干燥[13]等。單一熱風干燥工藝對食用花的質構破壞嚴重，使其外觀皺縮變形，色澤褐變。單一真空冷凍干燥是在低溫低壓的傳熱傳質過程中進行脫水，該干燥工藝雖然對食用花的揮發性物質破壞程度較小，保持了產品原有的外觀形狀，質地較脆，色澤變化較小，但其干燥時間長，設備復雜且能耗高[14-15]。而熱風干燥聯合真空冷凍干燥可以在提高產品干燥效率的同時改善品質。此外，前期的熱風干燥降低食用花水分，有利于實現“熱風干燥—真空冷凍干燥—貯藏”的高品質花茶工業化干燥模式。Ferenczi等[16]提出了真空冷凍與熱風聯合干燥(FHCD)技術。鄧媛元等[17]研究發現熱風—真空冷凍聯合干燥比真空冷凍干燥節約干燥時間12.16%，節約單位能耗25.40%。羅小梅等[18]研究發現冷凍真空—熱風聯合干燥所制的金花茶花朵綜合品質明顯優于單一干燥工藝，并能較好地保留花朵中茶多酚活性成分，常溫下(18～22 ℃)貯藏時間長、不易變質，且干燥效率高于冷凍真空干燥。但有關FHCD技術對紫斑牡丹花冠茶品質的影響尚未見報道。試驗擬系統研究采用真空冷凍—熱風聯合干燥(FHCD)、變溫熱風干燥(VHD)和真空冷凍干燥(VFD)3種干燥技術對紫斑牡丹鮮花進行干燥，分析紫斑牡丹花冠茶的活性成分(花青素)和質量屬性(含水量、皺縮率、復水性和感官特性)，并評估3種干燥工藝的能耗和效率，旨在為提高紫斑牡丹花冠茶的綜合品質提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫斑牡丹鮮花：花瓣為白色、粉色和玫紅色，直徑約為12～18 cm，每年4月下旬—6月中旬采摘，甘肅省蘭州市榆中縣官灘溝紫斑牡丹培育基地；

所用化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

分析天平：FR224CN型，奧豪斯儀器(常州)有限公司；

微波爐：G70F20CN3L-C2(B0)型，廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：GZX-GF101-Ⅱ型，上海躍進醫療器械有限公司；

高速臺式冷凍離心機：TGL-20M型，長沙湘儀離心機儀器公司；

可見分光光度計：UV8500型，上海光譜儀器有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：HWS26型，上海一恒科學儀器有限公司；

冷凍干燥機：SCIENTZ-10ND型，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預處理 紫斑牡丹鮮花從花蒂下1～2 cm處剪下(保留花萼)，修剪掉花蒂下帶有的綠葉和花梗。整理好花型，按相同尺寸花型和顏色分組放入3個特制的箱子中，貯藏于甘肅省功能乳品工程實驗室-80 ℃冰箱中。

1.3.2 變溫熱風干燥(VHD)

紫斑牡丹鮮花→微波(功率700 W)殺青1 min→室溫冷卻20 min→80 ℃熱風干燥15 min→室溫吸濕回潮20 min→60 ℃熱風干燥5 h→室溫吸濕回潮20 min →55 ℃熱風干燥至恒重(熱風干燥風速均為0.3～0.5 m/s)

1.3.3 真空冷凍干燥(VFD) 設置真空冷凍干燥機時間為24 h、真空壓力為40 Pa。將3種顏色紫斑牡丹鮮花放入真空冷凍干燥機托盤上，花朵間距1～2 cm，冷凍干燥至樣品恒重。

1.3.4 真空冷凍—熱風聯合干燥(FHCD) 真空冷凍干燥機真空壓力40 Pa、干燥時間12 h，干燥結束后，測定紫斑牡丹花冠茶半成品水分含量，采用電熱恒溫鼓風干燥箱(溫度60 ℃)干燥至恒重。

1.4 紫斑牡丹花冠茶理化指標測定

1.4.1 水分含量 按GB 5009.3—2016中的直接干燥法進行。水分含量按式(1)計算。

(1)

式中：

M——水分含量，%；

W1——干燥前紫斑牡丹鮮花重量，g；

W2——干燥后紫斑牡丹花冠茶重量，g。

1.4.2 花青素含量 根據文獻[19]稍作修改。將紫斑牡丹花瓣剪成寬1 mm左右的細絲，用分析天平稱量3種顏色鮮花細絲各1 g，并置于50 mL錐形瓶中，加入10 mL、0.1 mol/L的HCl溶液，32 ℃水浴提取4 h，6 000 r/min冷凍離心10 min，上清液用0.1 mol/L HCl溶液稀釋10倍，測定530 nm處吸光度。以每克花瓣細絲在10 mL、0.1 mol/L的HCl浸提液中的吸光度A=0.1為一個花青素單位(U)。上述試驗重復3次，取平均值。

1.4.3 皺縮率 根據文獻[20]稍作修改：將花瓣在A4紙上沿邊緣準確畫線并剪下，準確稱量其重量，測定標準面積紙張重量，并按式(2)計算花瓣面積。

(2)

式中：

Z——皺縮率，%；

S1——干燥后花瓣面積，cm2；

S2——鮮花花瓣面積，cm2。

1.4.4 復水性 根據文獻[21]稍作修改：將紫斑牡丹花冠茶花瓣于80 ℃蒸餾水中浸泡30 min，3 000 r/min離心1 min，準確稱量其重量，并按式(3)計算其復水性。

(3)

式中：

F——復水性，%；

W1——復水前紫斑牡丹花冠茶重量，g；

W2——復水后紫斑牡丹花冠茶重量，g。

1.5 能耗計算

1.5.1 真空冷凍干燥能耗 根據文獻[16]。

W=P1×t1，

(4)

式中：

W——真空冷凍干燥能耗，kW·h；

P1——電功率，kW；

t1——消耗時間，h。

1.5.2 熱風干燥能耗 根據文獻[16]。

W=0.1×P2×t2，

(5)

式中：

W——熱風干燥能耗，kW·h；

P2——電功率，kW；

t2——消耗時間，h。

1.6 紫斑牡丹花冠茶品質評價

采用盲樣評定法對3種干燥方法下的紫斑牡丹花冠茶進行評分。利用感官加權計算最終得分。其中花冠茶干制品形態和氣味占30%，茶湯顏色占20%，茶湯中形態占30%，茶湯氣味和口味占20%，感官評價表總分100分，感官評價設計見表1。

1.7 數據統計與處理

所有試驗重復3次，采用SPSS 22.0軟件對數據進行差異顯著性分析和Pearson相關性分析，用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 FHCD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量變化

采用FHCD干燥紫斑牡丹花冠茶過程中，真空冷凍和熱風聯合干燥的順序是影響花冠茶品質的重要因素之一，先熱風干燥再真空冷凍干燥的花冠茶品質更接近熱風干燥的花冠茶品質；先真空冷凍干燥再熱風干燥的花冠茶品質更接近真空冷凍干燥的花冠茶品質，該順序干燥的產品優質、節能、高效。FHCD下的紫斑牡丹花冠茶的水分含量變化見表2。

表2 FHCD工藝加工的紫斑牡丹花冠茶水分含量變化?

由表2可知，紫斑牡丹花在真空冷凍干燥階段(VFD)和熱風干燥階段(HD)含水量均大幅下降。紫斑牡丹鮮花含水量為78.09%，在VFD階段花冠茶含水量減少了25.04%，在HD(溫度60 ℃，時間3 h)階段花冠茶含水量減少了58.05%。HD階段初期(0.0～1.5 h)紫斑牡丹花冠茶水分含量快速下降，到HD階段后期(1.5～3.0 h)其水分含量下降速率明顯減慢。這是由于干燥初期(0.0～1.5 h)花冠茶含水量較高，且牡丹花瓣薄(厚度為0.03～0.10 mm)，花瓣中的水分擴散到花瓣表面后快速被蒸發，花瓣結構收縮，內部水分擴散受阻。

2.2 干燥工藝對紫斑牡丹花冠茶含水量的影響

由圖1可知，FHCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量差異顯著(P<0.05)。VFD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量最高，該工藝下的花冠茶水分含量比FHCD和VHD的分別高14.82%和16.56%，是由于VHD過程中干燥初期(0～3 h)溫度高，干燥時間長(7 h)，所以產品含水量低。FHCD和VHD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量分別為9.46%和7.72%，均低于GH/T 1091—2014代用茶中花類安全水分含量(13%)。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.3 干燥工藝對紫斑牡丹花冠茶花青素含量的影響

花青素對pH、光、氧氣、溫度等有較強的敏感性[22-23]，因此在紫斑牡丹花冠茶加工過程中防止花青素被破壞是重點。由圖2可知，3種顏色的紫斑牡丹鮮花和花冠茶中的花青素含量差異顯著(P<0.05)。紫斑牡丹鮮花中花青素含量規律為玫紅色>粉色>白色，玫紅色紫斑牡丹鮮花中花青素含量比粉色和白色分別高7.70%和9.44%，是由于不同顏色的紫斑牡丹花花青素含量和結構不同[24]。3種顏色的紫斑牡丹用不同干燥工藝加工后花青素含量均相應減少，同種顏色不同干燥工藝下的花冠茶花青素含量差異顯著(P<0.05)。其中FHCD下的花冠茶花青素含量是VHD的2倍，且該工藝下的花冠茶的保真性最好，是由于快速而短暫地加熱能減少產品中抗氧化物質的破壞，隨著干燥時間的延長，花冠茶中的生物活性物質(花青素)也隨之減少，FHCD工藝有效保留了花冠茶中花青素含量。這與Samoticha等[25]的結果類似。Lu等[26]研究發現40 ℃低溫熱風干燥法和真空冷凍干燥可以有效保留花茶中的活性成分。試驗所用的牡丹花冠茶較其他花茶外形大很多[27]，為了提高干燥效率且防止花冠茶長時間暴露于有氧的熱環境中，所以FHCD工藝中熱風干燥階段的溫度為60 ℃。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.4 干燥工藝對紫斑牡丹花冠茶皺縮率和復水性的影響

由圖3可知，FHCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶的皺縮率差異顯著(P<0.05)，其中VHD下的紫斑牡丹花冠茶皺縮率最大，為66.67%，該工藝下的花冠茶皺縮率比VFD的高28.71%，是由于VHD過程中干燥溫度高、干燥時間長，其產品花瓣結構變化嚴重，所以產品皺縮率最大。FHCD下的花冠茶皺縮率比VHD的減小了13.82%，由于FHCD過程中真空壓力小、干燥溫度低，所以產品皺縮率減小。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

FHCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶間的復水性差異顯著(P<0.05)。其中，FHCD下的紫斑牡丹花冠茶復水性比VHD的高58.24%。這是由于FHCD過程中花冠茶中的水分先冷凍后升華，使得花瓣質地松脆，所以其復水性好。

2.5 FHCD下花冠茶參數間的相關性

由表3可知，FHCD下的4個指標間均存在正相關和負相關。其中花冠茶的花青素含量與復水性和含水量呈顯著正相關(P<0.05)，相關系數分別為0.741和0.738，由于花冠茶加熱時間越長含水量越低，從而破壞了花冠茶的細胞結構和花青素結構。花冠茶的皺縮率與含水量和花青素含量呈極顯著負相關(P<0.01)，相關系數分別為-0.992和-0.749，因為皺縮使得花冠茶結構發生變化，導致花冠茶中花青素被破壞。

表3 FHCD下花冠茶參數間的相關性?

2.6 3種干燥工藝的干燥效率

由表4可知，VFD的干燥時間比FHCD和VHD的分別長9，17 h。由于VFD過程中產品受真空壓力和干燥時間的影響，該工藝的干燥周期長(24 h)且真空壓力低(40 Pa)，導致產品生產效率低且耗能最大。與VFD相比，FHCD的干燥效率提高了1倍，且節約能耗51.79%，因為采用聯合干燥法縮短了干燥時間，所以能量消耗降低，與Agnieszka等[28]和Qiu等[29]的結果類似。

表4 3種工藝的干燥時間和能耗

2.7 紫斑牡丹花冠茶感官評價及產品圖例

由圖4可知，VHCD下的花冠茶感官評價得分最高，為89分，且該工藝下的花冠茶品質最好，是由于該干燥工藝綜合考慮了影響花冠茶品質的因素，并且結合了HD和VFD的優點(熱風干燥時間降低為3 h，熱風干燥溫度降低為60 ℃，花冠茶的大量水分通過升華的方式排出)。其次是VFD下的花冠茶得分(80分)，VHD下的花冠茶感官評價綜合得分最低，為62分。因為FHCD下的產品花青素含量降低得較少(從14.96%下降到8.63%)，花瓣的細胞結構完整，所以FHCD下的花冠茶感官品質優于VHD和VFD的。

圖4 3種工藝下的紫斑牡丹花冠茶感官評價

采摘的鮮花直徑大約為12～18 cm，FHCD下的花冠茶直徑減小到原來的3/5～4/5，花冠茶高1.0～1.5 cm，外觀立體飽滿、朵型大、產品美觀，VHD下的花冠茶直徑減小到原來的2/5，花冠茶高2.3～2.5 cm，外觀立體朵型小、產品干脆易碎、美觀性差。采用VHD干燥的花冠茶結構破壞最大，且紫斑牡丹花瓣細胞結構產生大量孔洞，與干燥水果、蔬菜和其他食品中的結果類似[30-31]。

3 結論

采用真空冷凍—熱風聯合干燥、變溫熱風干燥和真空冷凍干燥對紫斑牡丹花進行干燥，分析花冠茶的活性成分(花青素含量)和質量屬性(水分含量、皺縮率和復水性)，并分析其節能性和生產效率。結果表明，真空冷凍—熱風聯合干燥下的花冠茶優質，產品花青素含量高(8.63%)、復水性好(491.52%)、水分含量低(9.46%)，皺縮褐變不嚴重且高效節能。與變溫熱風干燥相比，真空冷凍—熱風聯合干燥下的產品花青素含量、復水性分別增加了3.95%和52.24%，其干燥時間是真空冷凍干燥的1/2，且節約51.79%的能耗。真空冷凍—熱風聯合干燥下的花冠茶外觀飽滿(直徑7.2～14.4 cm)，其感官品質最佳(感官評分89分，朵型大，優美綻放)。因此，真空冷凍—熱風聯合干燥綜合了變溫熱風干燥和真空冷凍干燥的優點，最大程度地降低了干燥處理對紫斑牡丹花冠茶結構和活性成分的破壞。但是在采用真空冷凍—熱風聯合干燥紫斑牡丹花冠茶過程中花冠茶褐變和活性成分(花青素)被破壞的具體時間點尚不清楚，后續可探尋該臨界點，并且采取有效保護措施，從而提高產品綜合品質，為紫斑牡丹花冠茶的干燥工藝提供精確的理論參數。