干燥方式對藍莓花青素降解特性及抗氧化能力的影響

趙 偉 黃佳琪

(1. 吉林省經濟管理干部學院，吉林 長春 130012；2. 吉林省產品質量監督檢驗院，吉林 長春 130012)

藍莓，學名越橘，原產于北美洲。藍莓是花青素類物質的重要來源，相關研究[1]表明富含花青素的藍莓提取物具有較強的抗氧化能力且可改善兒童的學習能力和記憶力。Si等[2]的研究結果表明富含花青素的藍莓提取物能夠預防人類氧化損傷和神經退行性變。Cheng等[3]的研究也表明藍莓提取物能夠很大程度減少機體DNA損傷并有效抑制癌細胞增殖，防止機體組織癌變。但藍莓含水量較高，采摘后貯藏時間較短，因此干制是維持其品質，提高其貯藏期的有效手段。目前熱風干燥方法常用于藍莓的干制加工，雖然熱風干燥儀器設備成本較低，操作較為簡便但研究[4]表明此法干燥后的藍莓品質較差，尤其是花青素類物質降解嚴重、活性降低。其他干燥方式如真空冷凍干燥，產品品質較好，但耗能較大，維護成本較高，儀器設備操作復雜因而不適用于果蔬制品的大規模生產加工[5]。

遠紅外干燥是一種優良的果蔬干燥方法[6]，該法通過遠紅外輻射產生電磁波使物料表面升溫，由于物料內部溫度較低而產生溫度梯度差，水分由內向外快速擴散從而使果蔬水分快速蒸發。研究擬將遠紅外干燥技術應用于藍莓的干燥中，并與傳統熱風干燥進行對比，探究不同干燥方式下藍莓主要花青素的降解特性、多酚氧化酶(PPO)酶活性及抗氧化能力變化，以期提高藍莓干燥品質，減少干燥過程中花青素類物質的降解。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

藍莓：于2021年7月采自山東威海，品種為北高叢藍莓品種“藍豐”，采摘時遵循隨機性原則選取無病蟲害、無機械損傷、全紫成熟期藍莓，采摘完畢后迅速預冷并帶回實驗室進行品質分析及后續干燥試驗；

乙醇、氯化鈉、磷酸二氫鉀、鹽酸、甲酸、磷酸氫二鉀、鄰苯二酚、聚乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)及曲拉通X-405(TritionX-405)：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；

水溶性維生素E(Trolox)、2,2-聯氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)及2,2-二苯基-1-吡啶并肼基(DPPH)：色譜純，美國Sigma公司。

1.2 主要儀器與設備

鼓風干燥機：DHG-9140型，上海億恒有限公司；

遠紅外輻射干燥裝置：YHG-300-S型，上海博泰試驗設備有限公司；

超高效液相色譜串聯質譜儀：Thermo Vanquish型，美國賽默飛世爾科技公司公司；

紫外—可見分光光度計：UV-mini1240型，日本島津公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 干燥條件 取500 g藍莓分別放置于熱風干燥箱及遠紅外輻射干燥箱中進行干燥，設置熱風干燥溫度為60 ℃或70 ℃，風速為2 m/s；遠紅外干燥溫度與風速皆與熱風干燥相同，每隔1 h取樣測量花青素含量，干燥終點為藍莓含水量在10%以內。

1.3.2 藍莓果實花青素含量測定 藍莓果實中花青素類物質的提取參考Zhou等[7]的方法并稍作修改。取50 g藍莓分別添加1.5 g纖維素酶及1.5 g果膠酶并在4 ℃下充分研磨，混合物于黑暗環境放置2 h后加入50 mL含有0.1%檸檬酸的75%乙醇溶液，混合物在4 ℃、8 000×g條件下離心后收集上清液，殘渣重復上述提取步驟3次，合并上清液在40 ℃下旋轉蒸發，殘留物使用50 mL含有0.1%檸檬酸的75%乙醇溶液溶解，測定前將其置于4 ℃黑暗條件下保存。

利用高效液相色譜串聯質譜法對藍莓中的花青素進行定性及定量分析，流動相A為水—甲酸—乙腈(V水∶V甲酸∶V乙腈=87∶10∶3)，流動相B為水—甲酸—乙腈(V水∶V甲酸∶V乙腈=40∶10∶50)，使用如下梯度程序進行洗脫：0～4 min，10%～14% B；4～6 min，14%～20% B；6～10 min，20%～30% B；10～15 min，30%～10% B，流速為1.0 mL/min，色譜柱為反相C18色譜柱(1.8 μm， 2.1 mm×100 mm)，進樣量為2.0 μL，柱溫為35 ℃。電噴霧電離分析設置為正離子模式，氮氣為碰撞氣體。質譜參數設置參考Li等[8]研究方法。

1.3.3 動力學參數計算 一階方程[式(1)]、二階方程[式(2)]及半衰期方程[式(3)]常用來描述果蔬加工過程中花青素類物質的降解過程，其計算公式[9]：

c=c0exp(-kt)，

(1)

(2)

(3)

式中：

t——干燥時間，h；

c0、c——藍莓鮮果及干燥至t時刻藍莓果實的花青素含量，mg/g DW；

k——速率常數。

1.3.4 熱力學參數計算 不同干燥條件下藍莓花青素降解活化能按式(4)計算[10]。

(4)

式中：

Ea——藍莓花青素降解活化能，kJ/mol;

k1、k2——60，70 ℃下干燥速率常數；

T1、T2——60，70 ℃的開爾文攝氏度值；

R——常數，其值為8.314 J/(mol·K)。

干燥過程花青素降解的焓(ΔH，kJ/mol)、吉布斯自由能(ΔG，kJ/mol)及熵(ΔS，kJ/mol/K)值計算式分別為式(5)、式(6)及式(7)。

ΔH=Ea-RT，

(5)

(6)

(7)

式中：

h——普朗克常數，其值為6.626 2×10-34J·s；

kB——玻爾茲曼常數，其值為1.380 6×10-23J/K。

1.3.5 多酚氧化酶的測定 PPO的提取與測定參考Terefe等[11]的方法，并稍作修改。將2 g藍莓樣品與2 mL 0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 6.5)充分混合，磷酸鹽緩沖液中含有1 mol/L的NaCl及體積分數為1%的曲拉通X-100。混合物充分震蕩后離心(14 000×g，4 ℃)。收集上清液，殘渣重復提取兩次，合并上清液進行PPO酶活性分析。

取100 μL PPO酶提取物加入到3 mL 0.05 mol/L的磷酸鈉緩沖液(pH 6.5)中，此磷酸鹽緩沖液含有0.07 mol/L的鄰苯二酚。空白對照組為0.2 mol/L的磷酸鹽緩沖液(pH 6.5)代替PPO酶提取物，混合物利用紫外分光光度計在420 nm處連續測定10 min內混合物的吸光度變化。PPO活性定義為每克樣品每分鐘內吸光度增加0.01為1個酶活力單位(U)。

1.3.6 抗氧化能力測定 藍莓果實的抗氧化能力以DPPH自由基清除能力及ABTS+自由基清除能力表示，藍莓果實抗氧化物質的提取步驟：取10 g藍莓加入50 mL 80%的甲醇充分勻漿后超聲處理20 min。后將其置于10 000×g下離心(4 ℃)，收集上清液，重復提取步驟兩次后合并上清液，在45 ℃下對混合溶液進行真空蒸發，殘余物重新溶解于80%甲醇中，最終體積為25 mL。測定前將提取液置于-20 ℃黑暗環境下保存。藍莓提取物抗氧化能力測定參考具體步驟參考張存艷等[12]的方法。

1.3.7 數據分析 使用SPSS 18.0進行數據分析，所有數據來自3個獨立試驗，并表示為平均值±標準差。Tukey檢驗用于分析平均值之間的差異及所得數據之間的相關性。P<0.05表示差異有統計學意義。

2 結果與分析

2.1 藍莓果實花青素含量

如圖1所示，共檢測到6種花青素類物質，包括2種飛燕草類、1種矢車菊素類、1種矮牽牛素類及2種錦葵色素類。飛燕草素-3-O-半乳糖苷(D3G)及矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(C3G)為藍莓中最主要的單體花青素，這也與Lin等[13]的研究結果一致，其中藍莓中D3G與C3G的含量分別達到了56.30，40.98 mg/100 g，這2種花青素含量總和占所檢測到的所有花青素含量的81.4%，此外還檢測到較低含量的飛燕草素-3-O-阿拉伯糖苷(D3A)、矮牽牛素-3-O-葡萄糖苷(P3G)、錦葵色素-3-O-半乳糖苷(M3G)及錦葵色素-3-O-阿拉伯糖苷(P3G)。鑒于D3G與C3G在藍莓果實中含量較高，因此將其作為后續干燥過程花青素類物質降解的主要指標進行測定。

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.2 干燥過程藍莓主要花青素降解

2.2.1 干燥過程中D3G與C3G的保留率 花青素結構不穩定極容易在熱加工過程中遭到破壞而降解，使得藍莓的活性功能下降，不同干燥方式(熱風及遠紅外干燥)及干燥溫度(60，70 ℃)下藍莓果實中2種主要花青素(D3G及C3G)的保留率如圖2所示。由圖2可知，2種干燥方式下花青素降解趨勢類似，即在干燥初期花青素含量快速下降，后期下降趨勢放緩，與Zhou等[10]針對桑葚花青素熱降解研究結果類似。相同干燥方式下，60 ℃干燥條件下2種主要的花青素保留率較高，Aramwit等[14]也報道了富含花青素類的漿果干燥溫度應低于70 ℃。在相同干燥溫度下，遠紅外干燥藍莓的花青素保留率更高，60 ℃干燥溫度下D3G含量較熱風干燥提高了13.9%，70 ℃干燥溫度下D3G含量較熱風干燥提高了12.6%；60 ℃干燥溫度下C3G含量較熱風干燥提高了13.7%，70 ℃干燥溫度下C3G含量較熱風干燥提高了12.4%。產生這一現象的主要原因為相同干燥溫度下遠紅外干燥效率較高，減少了藍莓果實與氧氣的接觸時間，減少了花青素類物質的氧化，因此其保留率較高。在藍莓的干燥過程中無論是D3G還是C3G均在遠紅外60 ℃干燥條件下保留率最高，分別為25.09%，22.89%。相同條件下C3G的保留率略高于D3G，這可能與其結構穩定性有關[10]。圖2結果顯示相同干燥方式下，提升干燥溫度能夠降低C3G及D3G的保留率，這是由于花青素結構不穩定，遇熱易分解導致[14]。此外，結果顯示熱風60 ℃干燥條件下D3G及C3G的保留率高于遠紅外70 ℃干燥條件，單純利用干燥速率快慢無法解釋其產生的原因，出現這一現象的原因可能是多種因素的集合，即在70 ℃干燥溫度下雖然提高了干燥速率，減少了花青素類物質與氧氣的接觸時間，但溫度過高，花青素對熱敏感，高溫加速了其結構的破壞[9]。說明在所選的溫度梯度內，溫度較干燥方式更能影響花青素的保留，這也與Zhou等[10]的研究結果類似，即溫度是影響花青素降解的主要因素。

圖2 不同干燥條件下藍莓果實中D3G與C3G的保留率Figure 2 Retention rates of D3G and C3G in blueberry fruits under different drying conditions

2.2.2 干燥過程中D3G與C3G的降解動力學模型 為了進一步闡明不同干燥方式下藍莓中主要花青素的降解特性的差異，計算不同干燥條件下藍莓果實花青素降解的一階及二階模型擬合值，結果見表1。一階模型的擬合值R2為0.668 9～0.886 5，明顯低于二階模型的擬合值(0.914 5～0.945 6)。因此相較于一階模型，二階模型的擬合效果更好，能夠更好地描述藍莓在不同干燥條件下花青素的降解過程。

表1 不同干燥方式下D3G及C3G降解的一階及二階模型的R2值

2.2.3 干燥過程中D3G與C3G的二階降解模型參數計算 基于二級動力學模型，經計算得到了不同干燥方式下藍莓干燥過程中D3G及C3G降解的動力學速率常數(k)和半衰期(t1/2)值，結果見表2。由表2可知，D3G和C3G降解的k值分別為1.070～1.692，1.104～2.001 L/(mol·h)；D3G和C3G降解的t1/2值分別為1.05～1.66，1.22～2.21 h；D3G和C3G均在60 ℃遠紅外干燥條件下得到最低的k值及最高的t1/2值；相同干燥方式，70 ℃干燥條件下D3G及C3G的k值較高，t1/2值較低，與Qiu等[15]關于紫薯在不同干制溫度下花青素降解規律一致，產生這一現象的主要原因為花青素對熱較為敏感，高溫促進花青素快速分解。此外，關于藍莓在固體基質干燥過程中的降解動力學研究較少且集中于液體基質藍莓汁中花青素的降解，研究[16]表明在液體基質中花青素降解遵循一階數學模型，而不是試驗所得的二階模型，產生這一現象的原因可能為固體基質與液體基質中花青素熱降解模式存在差異。Patras等[17]研究結果表明液體樣品中的花青素降解是在等溫條件下進行的，但固體或半固體食物(如水果、蔬菜、果渣和谷物)中的花青素降解過程不是等溫的。藍莓在不同干燥方式下不同部位的溫度受熱不均勻，導致藍莓不同部位的花色苷降解速率不一致。此外，藍莓是一個具有細胞結構的固體體系，花青素被包裹在液泡中，這也與花青素在液體中的分散狀態不同。隨著干燥時間的延長和含水量的降低，細胞結構逐漸被破壞，孔隙率增加，這可能是導致花青素在固體基質中與液體基質中存在降解差異的主要原因[18]。

表2 不同干燥方式下D3G及C3G降解的二階模型參數值?

2.2.4 干燥過程中D3G與C3G的降解熱力學參數 由表3可知，不同干燥方式下藍莓果實的Ea值之間存在顯著性差異(P<0.05)，并且無論是D3G還是C3G，經遠紅外干燥后它們的Ea值較高(D3G為37.4 kJ/mol，C3G為49.7 kJ/mol)，表明遠紅外干燥藍莓花青素的降解反應更難被激活。如表3所示，所有干燥組的ΔH值皆為正數，這驗證了花青素降解是吸熱反應[19]。高溫為花青素降解提供了更多的能量，加速了其降解產物的形成過程，縮短了到達能量屏障所需的時間。但在此研究中提升干燥溫度并不能顯著提高反應的ΔH值，與Mercali等[20]的研究結果一致。經遠紅外干燥的D3G及C3G的ΔH值明顯高于熱風干燥組的(D3G組提高了19.8%，C3G組提高了9.1%)，表明干燥方式能夠顯著影響花青素降解的ΔH值，這也與Zhou等[10]的研究結果一致。研究中所有干燥組花青素降解的ΔG值均為正數且數值較為接近，表明不同干燥方式處理藍莓其花青素的降解是非自發反應。相同干燥方式下，升高溫度對D3G及C3G降解過程的ΔS值無明顯影響。相同干燥溫度下經遠紅外干燥的藍莓花青素的ΔS值的絕對值顯著低于熱風干燥組的，表明遠紅外干燥組中花青素降解產物的結構自由度低于反應前，經遠紅外干燥后初始體系與熱力學平衡之間的距離被縮短，花青素降解的反應性相對較低。這也解釋了為何遠紅外干燥組花青素保留率較高。

表3 不同干燥方式下D3G及C3G降解的熱力學參數值?

2.3 干燥過程藍莓果實PPO酶的變化

選取花青素保留率較高的60 ℃作為代表性溫度探究干燥方式對藍莓果肉中PPO酶的影響，結果見圖3。由圖3可知，不同干燥方式下藍莓果肉中PPO酶活性隨干燥時間的變化趨勢類似，在干燥時間為3 h時遠紅外干燥PPO酶活性達到最大值，隨后迅速下降，而熱風干燥組PPO酶活性到達最高點的時間相對延后(4 h)，出現這一現象的主要原因是前期果實溫度升高激活了PPO酶，相同干燥溫度下遠紅外干燥升溫快速，因此其酶活到達最高點的時間較短[15]。Zhou等[10]針對桑葚的干燥研究也得到了類似的結論。干燥后期酶活下降的主要原因可能為隨著干燥過程的持續，藍莓果實細胞失水皺縮，PPO酶與氧氣接觸量降低[21]。遠紅外處理組藍莓干燥4 h后PPO酶活總體低于熱風處理組，出現這一現象的主要原因可能為紅外輻射促進了藍莓細胞內部水分快速排出，導致細胞皺縮較熱風干燥更為嚴重，PPO酶與氧氣接觸量較低，PPO酶活性降低，這也是其花青素保留率較高的主要原因[22]。

圖3 干燥方式對藍莓中PPO酶活性的影響Figure 3 Effects of different drying methods on PPO enzyme activity in blueberry

2.4 不同干燥處理下藍莓抗氧化能力變化

由圖4可知，不同干燥方式處理后藍莓果實的抗氧化能力顯著降低。不同干燥方式對藍莓果實DPPH及ABTS+自由基清除能力的影響趨勢類似，均在遠紅外60 ℃ 時觀察到了藍莓干果最高的DPPH及ABTS+自由基清除能力，分別為46.0%及62.1%。此外，不同干燥條件下藍莓果實清除DPPH及ABTS+自由基能力與其花青素保留趨勢類似。綜上，遠紅外60 ℃條件下干燥藍莓果實可能是維持其活性功效的良好條件。

小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)

3 結論

藍莓果實中共檢測到6種花青素類物質，其中飛燕草素-3-O-半乳糖苷(D3G)及矢車菊素-3-O-葡萄糖苷(C3G)為藍莓中最主要的單體花青素，這2種花青素在干燥過程含量迅速下降，60 ℃遠紅外干燥條件下2種花青素的保留率最高；動力學模型擬合結果表明二階模型能夠更好地模擬其降解過程。熱力學參數分析結果表明，遠紅外干燥藍莓花青素降解的降解活化能及焓值更大，熵值更小。2種干燥方式對多酚氧化酶酶活性產生了相似的影響，但干燥4 h后遠紅外干燥組酶活總體低于熱風干燥組，這可能是花青素保留率較高的主要原因。對干燥前后藍莓果實的抗氧化能力進行分析可知遠紅外60 ℃時觀察到了藍莓干果最高的DPPH及ABTS+自由基清除能力。綜上，相同干燥溫度條件下遠紅外干燥對藍莓花青素降解動力學、熱力學及多酚氧化酶酶活性具有積極影響，可考慮應用至藍莓干制加工中，以降低花青素類物質的降解。