不同干燥方法对玫瑰茄品质的影响及其花青素的提取工艺优化

陈沁雯，林胜岚，刘斌雄，于亚辉，高亮，孙冲，林城希，方婷，

（1.福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002；2.华侨大学建筑学院，福建 厦门 361021）

花青素是一种具有特殊分子结构的生物类黄酮，是国际上公认最有效的天然抗氧化剂[1]，以及具有降血压、降血脂、抗肿瘤等保健功效[2-5]。天然花青素可直接从植物原料（如根茎、叶、花、果实）中提取色素成分，浓缩或直接干燥后成为天然色素，现已广泛应用于饮料、酒类、调味品、糖果、药妆等行业[6]。玫瑰茄（Hibiscus sabdariffa L.）是药食两用植物[7]，其花萼中含有丰富的花青素，提取纯化后可作为天然色素[8]。玫瑰茄是季节性收获的植物，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，鲜花常温下保存期短，采摘后如果不及时干燥脱水，容易发生霉变腐烂，影响后续的产品生产加工。传统的干燥玫瑰茄的方法大多为自然晾晒，但存在以下缺点[10-12]：干燥时间长；且过程不能人为控制；产品质量较差；易受气候条件限制；易被灰尘、蝇、鼠等污染。因此寻求一种既能延长其保藏期，又能最大程度保留其品质的干燥方法迫在眉睫。大量文献表明目前农产品生产加工得到品质最好的脱水技术为真空冷冻干燥，它使得物料在干燥后基本能够保持新鲜原料固有的色泽、风味和香气，营养成分损失少，复水性高，脱水彻底，适合于长期保存和长途运输[13]。此外过热蒸汽干燥作为一种新型干燥技术，因其具有节能效果显著、干燥品质好、传热传质效率高、无失火和爆炸危险等特点[14-15]，尤其是在热敏性和粉末状的物料生产中有着极大的干燥优势[16]，也特别适用于农产品干燥，拥有广阔的应用前景。

目前研究玫瑰茄的干燥方法的文献较少，因此本试验采用真空冷冻干燥、过热蒸汽结合真空冷冻干燥、过热蒸汽结合真空干燥、热风干燥4 种干燥方法对玫瑰茄花萼进行干燥，对干制品的外观品质、色泽、复水比及总花青素含量进行比较。并在单因素试验的基础上，以玫瑰茄总花青素含量为评价指标，通过响应面法优化超声波辅助提取玫瑰茄花青素工艺，为国内兴起的玫瑰茄的资源开发和利用提供一条新的加工途径，为以后的产业化发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玫瑰茄暗红品种：福建虎妈一家生态农业有限公司；无水乙醇、浓盐酸、氯化钾、乙酸钠（均为分析纯）：国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

电热鼓风干燥箱（DHG-9240A）：上海一恒科学仪器有限公司；速冻仓及真空冷冻干燥机（LG-1.0）：沈阳航天新阳速冻设备制造有限公司；过热蒸汽干燥箱：国家蔬菜加工中心自制；真空干燥箱（DZF-6020）：上海精宏实验设备有限公司；数控超声波清洗器（KQ2200DV）：昆山市超声仪器有限公司；旋转蒸发器（RE-52）：上海亚荣生化仪器厂；水分测定仪（MB23）：奥斯豪仪器有限公司；分光测色计（CM-5）：柯尼卡美能达控股公司；紫外分光光度计（T6 系列）：北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥方法

真空冷冻干燥（vacuum freeze-drying，FD）：将 500 g玫瑰茄去籽鲜花萼于-40 ℃速冻仓中预冻3 h 后移入冻干箱中，真空度约为80 Pa，冷阱温度约为-40 ℃，加热板经30 min 后升温到40 ℃，然后持续840 min，在此温度下，经30 min 后升温到50 ℃，再持续120 min，随后经30 min 后降温到20 ℃，持续至玫瑰茄花萼最终含水量为（5±1）%时停止干燥，取出置于干燥器待用。

过热蒸汽结合真空冷冻干燥（superheated steam combined with vacuum freeze-diying，SSD+FD）：将 500 g玫瑰茄去籽鲜花萼于130 ℃过热蒸汽干燥箱中，干燥时间为15 min，干燥后取出置于-40 ℃速冻仓中预冻3 h 后移入冻干箱中，真空度约为80 Pa，冷阱温度约为-40 ℃。由于过热后可脱去玫瑰茄花萼中30%的水分，因此可以适当缩减冻干所需时间。加热板经30 min后升温到40 ℃，然后持续480 min，在此温度下，经30 min 后升温到50 ℃，再持续120 min，随后经30 min后降温到20 ℃，持续至玫瑰茄花萼最终含水量为（5±1）%时停止干燥，取出置于干燥器待用。

过热蒸汽结合真空干燥（superheated steam combined with vacuum-diying，SSD+VD）：将 500 g 玫瑰茄去籽鲜花萼于130℃过热蒸汽干燥箱中，干燥时间为15 min，干燥后取出置于真空干燥箱中，真空度为-0.1 MPa，温度为50 ℃，待干燥至玫瑰茄花萼最终含水量为（5±1）%时停止干燥，取出置于干燥器待用。

热风干燥（hot-air drying，HD）：将 500 g 玫瑰茄去籽鲜花萼于60 ℃热风干燥箱中，待干燥至玫瑰茄花萼最终含水量为（5±1）%时停止干燥，取出置于干燥器待用。

1.3.2 含水率的测定

采用水分测定仪测定，校准仪器后，称量约2 g～3 g左右样品，设定温度为105 ℃，结束模式选择为自动结束，测定结束后记录样品的含水率。

1.3.3 色泽的测定

采用色差仪测定不同干燥方式下玫瑰茄干燥产品的 L*，a*，b*值，L*值表示明亮程度[17]，数值越大表示越亮。a*正值表示红色，正值越大红色越深；负值表示绿色，负值越小则绿色越深；b*正值表示黄色，正值越大黄色越深；负值表示蓝色，负值越大蓝色越深[18]。此外，表示物料色泽差别程度色差（ΔE）及表示色泽饱和程度的色度（C）均可由以下公式（1）（2）计算得出：

式中：L*、a*、b*表示新鲜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 复水比的测定

参考徐明亮等[19]的方法，称取5 组样品，每组2 g，置于30 ℃恒温水浴锅中浸泡，浸泡时间为5、10、15、20、25 min，取出后用滤纸吸干样品至表面基本无水，称其质量。复水比由式（3）计算。

式中：m1为复水前样品质量，g；m2为复水后样品质量，g。

1.3.5 玫瑰茄花青素提取

分别将不同干燥方法得到的玫瑰茄干花萼用中药粉碎机粉碎，过50 目标准筛，并分别准确称取玫瑰茄粉末2 g，按一定料液比加入一定体积分数的酸化乙醇溶液（pH 3，用盐酸酸化），利用超声波清洗器进行辅助提取（40 kHz），在一定温度和一定功率下提取20 min。重复提取3 次，提取结束后，离心（5 000 r/min，10 min）得上清液，旋转浓缩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测定

采用pH 示差法测定玫瑰茄中花青素含量，基于Lee J 等[20]的方法上稍作调整。将玫瑰茄花青素粗提液用酸化水（pH 3，用盐酸酸化）定容至100 mL，从提取液中取1 mL，分别用pH 值为1.0、4.5 的缓冲液稀释至25 mL，记录其518 nm 及700 nm 处的吸光值。根据式（4）、（5）得出提取液中总花青素的含量。

总花青素含量（以矢车菊素3-O-葡萄糖苷汁）/

式中：n 为用缓冲溶液稀释提取液的倍数，本试验中n 为25；V 为用酸化蒸馏水稀释提取液定容后的体积，mL，本试验中V 为100；M 为矢车菊素3-O-葡萄糖苷的摩尔质量449.2 g/mol；ε 为矢车菊素3-O-葡萄糖苷的摩尔消光系数=26 900 L /（mol·cm）；L 为光路长，1 cm；m 为样品质量，g；ω 为样品含水率，%。

1.3.7 玫瑰茄花青素提取单因素优化试验

采取控制变量法，选取FD 处理后的玫瑰茄，按照1.3.5 花青素提取工艺，考察乙醇体积（40 %、50 %、60 %、70%、80%）、液料比[20∶1、25∶1、30∶1、35∶1、40∶1（mL/g）]、超声温度（30、40、50、60、70 ℃）、超声功率（100、120、140、160、180 W）对提取总花青素含量的影响。考察某一因素时，其他因素条件固定为：乙醇体积为 60%（pH 3），液料比 30∶1（mL/g），超声温度为50 ℃，超声功率140 W。

1.3.8 响应面分析试验设计

在单因素试验结果的基础上，根据Box-Behnken中心组合试验设计原理，参考已有文献[21-23]方法并稍作修改，以总花青素含量（mg/100 g）为响应值，选取对玫瑰茄花青素含量影响较大的因素乙醇体积（A）、料液比（B）、超声温度（C）和超声功率（D），进行四因素三水平响应面优化试验，中心试验重复5 次，共29 组试验，具体因素水平编码表见表1。

表1 响应面因素水平编码表Table 1 Factors and levels coding table of response surface methodology

1.4 数据处理

所有试验均进行3 次重复试验。数据采用SPSS 21.0 统计软件和Oringin2017 绘图软件进行基础数据整理、显著性分析与作图，利用Design-Expert 8.0.6.1软件进行响应面优化试验设计和数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方法对玫瑰茄干制品外观品质的影响

不同干燥方法对玫瑰茄干制品外观品质的影响见图1。

图1 不同干燥方法对玫瑰茄干制品外观品质的影响Fig.1 Effect of different drying methods on the appearance quality of dried roselle

由图1 可以看出，不同干燥方法处理对玫瑰茄干制品的外观品质影响较大，FD 是在低温高真空的条件下使样品中的水分由冰直接升华达到干燥的目的，在干燥的过程中不受表面张力的作用，样品不变形。因此FD 处理的玫瑰茄体积大小基本没有变化，与原有形态差异较小，且干燥过程处于真空状态不被氧化，色泽较为明亮，干花内部质地松泡多孔，易折断和粉碎[24]。采用SSD+FD 干燥物料，干燥前段在水蒸气的作用下物料表面湿润、干燥应力小，不易产生开裂、变形，且无氧化反应，物料颜色不会褪变[25]，但是由于干燥速率较快，水分快速流失导致体积有所缩小。采用SSD+VD 干燥的物料形态改变较大，但因无氧化反应，色泽还是较为鲜明。而HD 处理的玫瑰茄皱缩卷曲严重，且在高温的作用下诱发美拉德反应使得表面颜色变暗。因此表明FD 处理对玫瑰茄的外观性状影响较小。

2.2 不同干燥方法对玫瑰茄色泽的影响

不同干燥方法对玫瑰茄色泽的影响见图2。

图2 不同干燥方式对玫瑰茄色泽的影响Fig.2 Effect of different drying methods on color of dried roselle

由图2 可知，与玫瑰茄鲜果色泽相比较，干制品的a*、b*值都有较大的提高，其中FD 处理后的样品差异最为显著；但FD 与SSD+FD 的L*值基本无明显变化。而不同燥方式之间的玫瑰茄的a*、b*存在显著性差异，通过比较a*值发现，FD 处理的玫瑰茄a*值最大，HD最小；FD 和SSD+FD 制得的玫瑰茄呈现出较高的b*值。分析干燥方法对色泽差ΔE 值的影响发现，HD 干制的玫瑰茄的ΔE 值最小，说明干燥过程中色泽保留较好，而FD 制的样品ΔE 值最大。通过比较C 值数据可发现，FD 制的玫瑰茄的C 值最高，SSD+FD 和SSD+VD 次之，HD 最低，说明FD 较其他干燥方式使玫瑰茄具有较高的饱和度和鲜亮的色泽。考虑整体指标，还是得出FD 处理的玫瑰茄色泽较优。

玫瑰茄的色泽差异主要原因是在干燥过程中花青素的含量和褐变反应所引起的。据研究表明在高温及氧化反应作用下会造成花青素大量的降解[26]，从而使得样品褪色。而非酶促褐变美拉德反应也发生导致样品色泽褐黑化[27]。但是FD 的干燥过程都是在低温、隔绝氧气的状态下进行，理论上制得的玫瑰茄色泽应最接近鲜果，实际上色差却最大，目前暂未有文献能解释造成其现象的机理，还有待日后进一步研究。

2.3 不同干燥方法对玫瑰茄复水比的影响

不同干燥方法对玫瑰茄复水比的影响见图3。

图3 不同干燥方式对玫瑰茄复水比的影响Fig.3 Effect of different drying methods on rehydration rate of dried roselle

由图3 可以看出，SSD+FD 处理的玫瑰茄复水效果优于FD 处理的样品，其主要原因可能是过热蒸汽处理使得细胞组织软化、通透性增加，更有利于样品重新吸收水分，恢复原本形状。而冷冻干燥本身就有着可以使得样品组织内部疏松多孔，便于水分渗透的特点。VD 和HD 干燥处理过的样品都因内部结构紧密，质地坚实，外部水分不易浸入，故复水性较差。因此SSD+VD 处理后的样品复水能力高于HD。

2.4 不同干燥方法对玫瑰茄总花青素含量的影响

不同干燥方法对玫瑰茄总花青素含量的影响见表2。可知，4 种干燥方法的耗时为FD＞SSD+FD＞HD＞SSD+VD。与单一的冷冻干燥比起来，经过过热蒸汽高温短时处理后再进行冻干的干燥方法，能够缩短43.75%的时间。由于花青素属于热敏物质，在低温、钝化酶、与氧气隔绝等条件下稳定性较好[28]，所以SSD 处理的时间虽然短，但是高温还是对花青素损耗造成了较大的影响，因此二者的总花青素含量相比还是有显著性差异（P＜0.05）。由试验结果可得，干燥方法对玫瑰茄总花青素含量有明显的影响，真空冷冻干燥方法能够最大程度上保留花青素含量。

表2 不同干燥方法对玫瑰茄总花青素含量的影响Table 2 Effect of different drying methods on total anthocyanin content of dried roselle

2.5 单因素试验结果

2.5.1 乙醇体积对玫瑰茄花青素含量的影响

乙醇体积对玫瑰茄花青素含量的影响见图4。

图4 乙醇体积对总花青素含量的影响Fig.4 Effect of ethanol volume on total anthocyanin content

由图4 可知，当乙醇体积由30%增至60%时，总花青素含量逐渐增大；而之后呈递减得趋势。这可能因为花青素是一种多酚类物质，含较多羟基且具有一定极性，依据相似相溶的原理，当溶剂极性和花青素极性相当时，溶解度达到最大。若乙醇体积过低时会导致大量得水溶性杂质溶出，如蛋白质、糖类等；而当乙醇体积过高时，又可能导致醇溶性、脂溶性的杂质溶出，同花青素竞争与乙醇的结合，从而导致了花青素提取率下降[29]。因此，选择60%乙醇作为提取溶剂。

2.5.2 液料比对玫瑰茄花青素含量的影响

液料比对玫瑰茄花青素含量的影响见图5。可知，在 20∶1（mL/g）至 30∶1（mL/g）的范围内，总花青素含量随提取溶剂的增多而逐渐增大，这可能是因为随着提取溶剂增多，能够使物料和溶剂接触更加充分，有利于花青素的扩散传质[30]。当液料比增加到一定程度时，会增大其他杂质的溶出量，影响花青素的提取率，且考虑到提取成本及回收率的问题[31]，故确定液料比为30∶1（mL/g）。

2.5.3 超声温度对玫瑰茄花青素含量的影响

超声温度对玫瑰茄花青素含量的影响见图6。

图5 液料比对总花青素含量的影响Fig.5 Effect of liquid-to-solid ratio on total anthocyanin content

图6 超声温度对总花青素含量的影响Fig.6 Effect of ultrasonic temperature on total anthocyanin content

由图6 可知，当超声温度从30 ℃升至50 ℃时，玫瑰茄总花青素含量逐渐增大，可能是因为随着温度的升高，分子间热运动加剧，使得玫瑰茄花青素与溶剂间作用增强从而溶出量增加；但花青素属于热敏性物质，所以当温度升至60 ℃时，花青素含量开始呈现降低趋势[32]。因此，超声温度应该控制在50 ℃。

2.5.4 超声功率对玫瑰茄花青素含量的影响

超声功率对玫瑰茄花青素含量的影响见图7。可知，随着超声波功率的增大，玫瑰茄花青素含量在不断上升，并在140 W 达到峰值，之后呈现下降的趋势。这是因为超声波在溶剂中产生的机械振动和空化作用会破坏玫瑰茄组织，从而提高花青素的溶出量[33]。因过高的功率会增加液体媒介的机械振动并产生热量，会破坏原花青素的结构而导致得率下降。

图7 超声功率对总花青素含量的影响Fig.7 Effect of ultrasonic power on total anthocyanin content

2.6 响应面优化试验结果分析

响应面优化试验设计及结果如表3 所示。

表3 试验设计及结果Table 3 Response surface design arrangement and results

对试验结果进行回归分析，得到方差分析表4 及回归方程：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：响应面回归模型表现为极显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P 为 0.215 2＞0.05），说明模型对试验拟合程度良好，模型稳定可信。回归方程与实测值之间的拟合度可以通过相关系数（R2）和校正决定系数（R2Adj）来解释。R2Adj=0.969 9 与R2=0.984 9较为接近，信噪比为27.24＞4，说明其能够较好的解释试验数据的变异性，且仅有小于3%的变量不能由模型解释，模型拟合度和可信度也较好，预测值与试验值具有较高的相关度，可以很好预测试验结果。

4 个因素对玫瑰茄中提取花青素含量的影响从大到小依次为：乙醇体积（A）、液料比（B）、超声功率（D）、超声温度（C）。其中 A、B、AC、BD、A2、B2、C2、D2对 Y 值影响极显著（P＜0.01），D 对 Y 值影响显著（0.01＜P＜0.05）。

在回归分析的基础上，根据回归方程拟合绘制响应面图如图8。响应面曲面图可以反映出当其中两个变量取零时，另外两个变量的交互作用对响应值影响程度，响应面曲面图坡度越陡峭，表明两因素交互效应对响应值影响越显著，反之，则不显著[34]。二维等高线的形状可反映交互效应的强弱，越趋于椭圆形则表示两个因素交互作用显著，而越趋于圆形则与之相反[35]。

图8 两因素交互作用的响应面图Fig.8 Response surface diagram of two-factor interaction

由图8 可知，一开始花青素含量随着乙醇体积、料液比和超声功率的水平增大而增加，但达到中心值后，随着各因素的增大而下降。对比各曲面图中可以看出乙醇体积和液料比两个因素对总花青素含量影响最大，表现为响应曲面较陡，等高线趋于椭圆，由此可见控制好这两种因素对获得玫瑰茄花青素提取效果至关重要；其次影响较大的是超声功率。而超声温度所表现的曲面较为平缓，说明此因素对响应值影响较小。此外还可以看出乙醇体积与超声温度、液料比与超声功率之间的交互作用明显，其余因素之间交互效果并不显著。

2.7 验证试验

采用响应面法优化分析得到的最佳工艺条件为：乙醇体积为62.9%、液料比为31.43 mL/g、超声温度49.2 ℃、超声功率139.02 W，在此条件下预测玫瑰茄中提取的总花青素含量为1 608.17 mg/100 g。考虑到实际操作的方便性，最终以乙醇体积为63%、液料比为31 mL/g、超声温度49 ℃、超声功率140 W 为最佳工艺参数，试验测得总花青素含量为（1 604.75±1.37）mg/100 g，实际测定值与理论预测值较为接近，说明此模型可以有效用于玫瑰茄中花青素提取工艺优化。

3 结论

通过比较4 种不同干燥方法对玫瑰茄干制品的外观品质、色泽、复水比及总花青素含量的影响，可看出真空冷冻干燥工艺对玫瑰茄的外观品质影响较小，与鲜果形态差异不大，具有较高的饱和度和鲜亮的色泽，复水效果较好，且总花青素含量高达（1 556.54±1.01）mg/100 g，单就花青素含量评价指标来看，本试验结果与涂宗财等[36]研究结果相一致，且通过研究干燥后玫瑰茄的其他理化品质，为真空冷冻干燥的玫瑰茄品质优于其他干燥方法这一结论增添了理论依据。在单因素试验结果基础上，采用响应面法优化得到玫瑰茄花青素提取的最佳工艺为乙醇体积为63%、液料比为31 mL/g、超声温度49 ℃、超声功率140 W。在此条件下玫瑰茄花青素提取率为（1 604.75±1.37）mg/100 g，与模型预测值1 608.17 mg/100 g 较为接近。本试验与钱镭等[37]所研究的醇提法相比，不仅大大缩短提取时间，花青素提取率也明显提高，说明本实验采用的超声辅助醇提工艺，切实可行，具有实用价值。为玫瑰茄花青素提取实现工业化生产提供了理论依据，对充分利用玫瑰茄资源有现实参考意义。