菊花干燥技术研究进展

陈 强,苗文娟,查 靖,凌倩倩,孙艳辉

(滁州学院生物与食品工程学院,安徽滁州 239000)

菊花是菊科多年生草本植物菊(ChrysanthemummorifoliumRamat)的头状花序,是我国传统中药,其药理作用一直受到人们的普遍认同。菊花味甘、苦,性微寒;归肺、肝经;其主要功效为散风清热、平肝明日、清热解毒,可用于风热感冒、头痛目炫等[1],近年来的药理研究也证实菊花具有抗菌、抗炎、降血脂、抗肿瘤和抗氧化等方面的作用[2-3]。但新鲜菊花的含水率达到80%以上[4],若不及时脱除水分,会使菊花品质大幅度降低。所以刚采摘的菊花需要尽快进行干燥,这是菊花采摘后至关重要的一步,因为它在保持菊花有效成分的同时抑制了酶活和微生物生长,避免褐变、腐败变质,保障了菊花质量和药效。干燥后菊花的质量主要取决于感官以及其中活性成分如绿原酸、总黄酮等物质的含量。

2010年《中国药典》一部[1]开始将绿原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡酰基奎宁酸三种化学成分作为菊花质量的控制指标。目前菊花的干燥技术已从传统的阴干、硫熏以及气流干燥等发展到现在的高新技术化和多元化方式,如:微波干燥、真空干燥等。但目前对菊花的研究大多集中于菊花中活性成分如绿原酸[5]、总黄酮[6]等的分析以及菊花中活性成分的提取工艺研究[7],菊花干燥技术相关的研究和综述则相对较少。本文将对近年来关于菊花干燥的主要研究内容进行综述,并对不同的干燥技术进行对比分析。

1 菊花的传统干燥技术

菊花的传统干燥技术主要有阴凉干燥、硫磺熏蒸和热风干燥。阴凉干燥和硫磺熏蒸因不需要特殊设备,干燥成本低,是最经济的两种干燥方法。

1.1 阴凉干燥

阴凉干燥简称阴干,是一种将物料置于不高于20 ℃且通风处使物料水分散失的干燥方法。阴干在古时是常用的一种菊花处理方法[8]。最传统的阴干方式为选取晴天的下午,将菊花整株割下,挂在架子上至阴干,全干后剪下花序部分备用,这种方式在现代仍被运用,其中运用最广泛的当属亳菊[9]。王霏等[10]采用HPLC方法对阴干和其他三种(烘干、微波杀青烘干和蒸汽杀青烘干)处理方式得到的亳菊中的绿原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡酰基奎宁酸的含量进行测定,结果显示阴干处理后亳菊中这三种成分的含量均比其他三种处理方式所得菊花的含量高。Choi等[11]采用GC-MS分析阴干和冷冻干燥对野菊花中的挥发性成分的影响,结果表明新鲜野菊花中富含樟脑(Camphor,43.8%)和马鞭草烯醇(Verbenol,7.1%),阴干后的野菊花中樟脑、乙酸冰片酯(Endobornyl acetate)和松油烯-3-醇(Terpinene-3-ol)含量减少,马鞭草烯醇完全挥发,而冰片(Borneol)的含量却显著提高。阴干的环境要求是通风开放处而不能在密闭空间中,在此过程中可能会有灰尘以及其他杂物混入其中以致产品的卫生和安全质量不达标;阴干成本虽低,但由于干燥周期长,导致阴干这种低效率干燥技术逐渐被其他干燥技术所取代。

1.2 硫磺熏蒸

硫磺熏蒸是一种古老的药材加工方法,其历史至少可以追溯到1个世纪之前[12]。虽然这种干燥技术能够有效地延长药材的保质期[13]甚至能起到杀螨的作用,但近年来诸多研究均发现硫磺熏蒸后的菊花中的生物活性成分[14-16](如酚酸类、黄酮苷类等)和微量元素[17](如Cu2+等)等的含量显著降低。同时硫磺熏蒸后的中药材可能会出现SO2残留量超标现象,过量的SO2会与药材中的酮基、羟基发生化学反应[18],从而导致某些成分的破坏,致使有些活性成分流失。长期服用硫磺熏蒸的中药材也会导致抽筋、痉挛、腹泻、腹胀、胃灼痛以及胃功能紊乱[19-20],所以在2005版《中国药典》一部[1]中开始规定禁止菊花干燥过程中使用硫磺熏蒸。

1.3 热风干燥

热风干燥是以热空气为加热介质,通过对流传导等加热方式,在一定时间内对物料进行加热以脱除物料水分的干燥技术。因其操作简单、物料处理量大且成本低、卫生条件也能得到保障,所以被广泛应用于食品和药材的前处理上。随着干菊花需求量的上升,干菊花的市场也不断扩大,为提高生产效率,热风干燥也广泛运用于菊花干制行业中[9]。

由于热风干燥是由外向内加热,形成一定的温度梯度,引发水分梯度的形成以达到干燥的目的,所以热风干燥温度是影响产品质量的主要因素。蒋磊等[21]在对比不同烘干温度对亳菊成分含量的影响时发现,随着温度逐渐升高,绿原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡酰基奎宁酸这3种成分的含量均处于下降趋势。徐建[22]对滁菊干燥及储藏方法进行探索时所得出的结果与蒋磊等[21]相似:随着热风干燥温度升高,滁菊中的主要活性成分的含量逐渐降低,干燥温度大于80 ℃时活性成分的含量均未达到《中国药典》的含量要求[1]。Shi Xiao-fei[23]对比研究了未杀青-热风干燥、蒸汽杀青-热风干燥、105 ℃热风杀青-热风干燥后祁菊中黄酮、绿原酸、类胡萝卜素以及游离氨基酸等成分的含量变化,结果表明,热风杀青后干燥的祁菊中绿原酸含量最高,且杀青1 min后干燥的祁菊中绿原酸含量达到峰值、类胡萝卜素的稳定性也最高,说明在干燥前进行高温杀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对菊花中活性成分的影响时,认为烘干较阴干和晒干干燥速度快,在试验设计时选用三段温度:低温(40、50、60 ℃)、中温(70、80、90 ℃)、高温(100、110、120 ℃),对不同花期的菊花进行干燥处理,结果显示,菊花中绿原酸含量在低温条件下有微弱的降低;在60～70 ℃时绿原酸含量反而上升,这与潘芸芸[25]等的研究结果符合,50 ℃以后绿原酸含量基本保持不变,但在潘芸芸[25]的研究中烘干菊花中氨基酸和绿原酸含量较鲜菊花高,其余各成分(槲皮素、黄岑苷等)含量均明显低于鲜菊花,而冻干菊花中可溶性糖含量高于鲜菊花,冻干菊花与鲜菊花中总黄酮含量无显著差异。梁迎暖等[26]通过研究发现不同的干燥方法对怀菊中的活性成分均有显著性影响,其中烘干后的怀大白菊和怀小白菊中绿原酸的含量分别为2.2581‰和1.2043‰,低于阴干及传统蒸晒,其中怀小白菊中绿原酸更是低于《中国药典》一部[1]规定的最低标准2‰。

同时,热风干燥过程中也会影响菊花中褐变相关酶(多酚氧化酶(PPO)、过氧化物酶(POD)等)的活性变化。徐文斌等[27]研究发现在较低温度下对菊花进行干燥时,PPO活性会因温度适宜而提高,造成损失较多的绿原酸,推测可能是由于绿原酸分子结构中含有邻二酚羟基,是酚酶催化最适合的反应底物,受热见光均易氧化[28]。同时,梁迎暖等[26]的研究也证实高温会抑制菊花中相关酶的活性;崔莉等[29]研究不同干燥方法对菊花褐变相关酶活性及活性成分的影响时也表明,干燥过程中菊花所含的绿原酸以及木犀草苷等活性成分的含量与PPO活性显著相关。

热风干燥虽简单易行、干燥过程不受时间以及环境的限制,但其温度直接影响干菊花的品质,菊花中的热敏性成分会因温度的改变而发生含量的显著降低或空间结构发生改变而丧失其生理活性,降低菊花的药用价值。且菊花中的水分含量高,花瓣花蕊厚度不一致,在干燥过程中必须控制好热风温度,热风温度过高会导致菊花外形不完整,质地过脆,同时会伴有焦黑现象,其商品价值直接降低;热风温度过低则干燥时间长,能耗高,且菊花中的相关酶如PPO等活性提高使菊花发生酶促褐变,也会使绿原酸等活性成分被分解。

2 菊花的现代干燥技术

2.1 微波干燥技术

微波干燥是以微波作为热源降低物料含水量以达到干燥目的现代干燥技术。由于传统干燥技术处理后的菊花活性成分含量显著降低,研究者开始采用微波对菊花进行前处理。韩波[30]在对祁菊的干燥工艺进行研究时发现,随着微波炉火力的升高,干制后的祁菊中绿原酸、槲皮素、木犀草苷和总黄酮的含量均先升高后降低,480 W时各物质含量均达到最高值。徐建[22]将100 g滁菊置于微波炉中,用160、320、480、640、800 W对滁菊分别进行干燥,然后对处理后滁菊中的绿原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡酰基奎宁酸含量进行测定,结果显示随着火候的增加和时间的延长,这3种物质的含量均呈上升趋势。Shi Xiao-fei等[23]的研究表明随着微波功率的增加,菊花干燥时间逐渐缩短,菊花中绿原酸、总黄酮含量逐渐上升,而类胡萝卜素、氨基酸等物质的含量却逐渐下降,微波干燥是保持黄酮、维生素C和可溶性糖含量较高的最佳干燥方法,兼顾效率和能耗。由此可见,微波干燥虽然具有效率高、速度快等优点,但微波功率的升高和微波加热时间的延长可能导致某些热敏性活性成分吸收大量微波而被破坏,因此针对菊花而言,微波与其他干燥技术相结合的组合式干燥技术可能更具有应用前景。

2.2 热泵干燥技术

热泵是根据逆卡诺循环原理[31],消耗少量的电能驱动热泵,吸收空气中大量的低温热能,通过压缩机的压缩变为高温热能,降低干燥室内空气的相对湿度,使被干燥物料脱除水分的一种干燥技术;因其独特的干燥原理,具有高效节能、热效率快、除湿快、环境友好等特点,逐渐被应用到农产品干燥中[32]。戴源德[33]和刘涛[34]等研究了热泵干燥室内不同热风温度、循环风速和排湿时间对菊花干燥特性的影响,结果显示,热风温度越高、循环风速越大或排湿时间越长,干燥周期越短,但任何一种参数过高均会影响成品菊花的品质,综合来看,工况八(预热阶段50 ℃、高速干燥阶段65 ℃、第一降速干燥阶段75 ℃、第二降速干燥阶段55 ℃,风速0.25 m/s,排湿时间200 s,排湿间隔1 min)的干燥条件下所出的菊花干制品花朵干燥均匀、无卷边、颜色金黄、干制品有韧性、气味清香。工况八与其他工况相比,虽干燥周期略长,约20 h,但其感官评价分数却是最高,且其热风温度和循环风速均不是最高,所以可得品质最佳的成品。

由于热泵干燥是将低热能转化为高热能实现对产品脱水干燥的一项干燥技术,所以其节能减排的特点受到广泛的关注。但热泵干燥在中后期时,由于物料含水量下降,干燥速度变慢,干燥时间延长,导致能耗增加[31],如果将热泵干燥技术与其他干燥技术联用,将能实现在节能的同时提高产品质量,这是热泵干燥技术的未来发展方向之一,同时开发高温热泵[34],提高热泵的干燥效率,也将是热泵干燥技术另一发展方向。

2.3 真空冷冻干燥技术

真空冷冻干燥也称冷冻干燥,是一种将物料冻结到共晶点温度以下,在低压状态下通过升华除去物料中水分的干燥方法[35]。由于干燥是在真空低温条件下进行,菊花中的活性成分能够有效的保存,其色泽以及外观等也可基本保持原状。蔡亚禄等[36]对黄山贡菊进行微波漂烫和蒸汽杀青处理后,先以2～3 ℃的降温速度将处理后的贡菊花冻结至-20～-25 ℃,保持2～4 h;再真空冷冻干燥10～15 h后得其干品,通过对比该法炮制后的菊花与现有方法烘干后的菊花中绿原酸及木犀草苷的含量,结果显示,该法炮制后的贡菊花中绿原酸和木犀草苷的含量分别为0.739%和0.405%,远超于现行方法烘干后菊花中的绿原酸(0.462%)和木犀草苷(0.226%)含量。刘鸿雁等[37]以白菊为对象,对其进行真空冷冻干燥后得出其最佳干燥工艺,将花材预冻6 h,升华干燥15 h,再以45 ℃的加热搁板温度进行解析干燥14 h效果最佳,干燥后的白菊缩小率仅有18%,菊花中心颜色及外层颜色均为白色。

冷冻干燥虽能极大的保持菊花的品质,但低温条件下菊花中的相关酶却不能被高度灭活。潘芸芸等[25]的研究表明,经冷冻干燥后,菊花中绿原酸、槲皮素等均较鲜菊花降低,这些活性成分均为多酚类化合物,说明冻干可能会导致菊花中的PPO灭活不彻底,致使贮藏过程中活性成分的损失。

冻干食品因其最大限度的保持了产品的营养成分以及风味等优点而受到消费者的青睐,但现阶段真空冻干设备价格昂贵,真空冷冻干燥技术在大规模生产过程中能耗大的问题也影响着冻干技术的产业化应用,因此开发真空冻干设备以及降低能耗是未来真空冷冻干燥技术在食品工业中的发展方向。

3 菊花的微波联合干燥技术

众所周知,干燥方式的选择对产品的形状、风味、活性成分的含量以及能耗都有着直接影响,不同的干燥技术各有优缺点。由于农产品物料的多样性以及性质的复杂性,单一的干燥技术已很难满足最终产品的质量要求,因此在不断完善和探索各种干燥技术及其工艺之外,将不同的干燥技术优势互补,同时或者分段使用进行联合干燥已成为一大趋势[38]。从近几年的研究来看,将微波干燥与其他干燥技术进行组合是菊花干燥的一大研究热点。肖宏儒等[4]对比分析纯微波、纯气流以及两者组合干燥,结果显示纯气流干燥时,花瓣的干燥速率高于花头的干燥速率,当花头的含水率降至18%时,花瓣已出现部分干枯脱落;纯微波干燥虽所需时间短,但在这个过程中菊花的品质发生了很大变化,当菊花含水率至18%左右,菊花的色、香、形、味发生了很大变化;而两者组合进行干燥所得的菊花干制品质量较单独的气流或微波干燥,质量要高出很多。孙艳辉[39]用热泵干燥箱在低温下对蒸汽杀青后的滁菊干制5～8 h,使滁菊水分含量降至30%～40%,最后用功率为3 kW的微波在真空环境下对滁菊进行6～10 min的辐照干燥,所得滁菊花型完整,冲泡茶汤清亮,营养物质保留率高。任源[40]、张镭[41]和侯芳洁等[42]也分别使用微波干燥技术和其他干燥技术联用并对菊花进行处理,其研究结果均表明用联合干燥技术处理后的菊花品质优于单一干燥技术所处理的菊花的品质(表1)。因此综上分析认为,依据菊花鲜花花瓣花蕊厚度不均匀的特点,利用微波联合其他干燥技术的组合式干燥技术能够达到更好的干燥效果。

表1 菊花微波联合干燥技术Table 1 Microwave combined drying technology of chrysanthemum

4 结论与展望

菊花采后干燥技术和工艺参数的选取直接影响到干菊花的质量,目前普遍采用的菊花干燥技术是热风干燥,同时也有微波干燥、热泵干燥、真空冷冻干燥等现代干燥技术。但基于新鲜菊花的花瓣和花蕊厚度不一的特点,在干燥过程中其传热传质阻力不同,采用单一的干燥工艺存在干燥效果差、干制品品质低等问题,因此,单一的干燥技术并不能满足现在市场对高端品质菊花干制品的需求,采用多种干燥技术组合的联合干燥技术对菊花进行采后干燥处理,同时开展更多关于其组合方式及参数对菊花品质影响的研究,是菊花干燥的未来发展趋势。

目前,菊花干燥技术的选取仍取决于干燥后的菊花中活性成分的含量和感官分析,较少研究菊花干燥过程中PPO、POD等的活性变化对菊花干制品的品质影响。PPO、POD等酶不仅影响着菊花的褐变程度,酶解也会致使活性成分降低,同时对菊花的风味也会造成一定的影响。不少学者开始关注菊花中相关酶的酶学特性以及在干燥过程中PPO和POD的酶活与特定功能成分含量之间的相关性,而究竟选取哪些干燥工艺和联用干燥技术能显著降低酶活以提高菊花干制品的品质仍待研究。