复合干燥对紫薯全粉细胞破损及花青素含量的影响

韦 璐，陈 悦，顾晶晶，高 路

(沈阳师范大学 粮食学院， 辽宁 沈阳 110034)

紫薯(purple sweet potato)，薯肉呈紫色或深紫色，属旋花科、番薯属。紫薯除富含花色苷类色素、硒元素、蛋白质、矿物质等营养成分外[1-2]，还含有黄酮、绿原酸等抗氧化、增强人体免疫力等作用的物质[3-5]。紫薯还是“生理碱性”食物，可保持人体内的酸碱平衡[6-7]。

新鲜紫薯经去皮、蒸煮、干燥、粉碎等加工工艺制成的粉末状产品即为紫薯全粉。紫薯全粉最大限度地保留了紫薯的营养物质[8]，是薯类中高级增值产品[9]。目前，在紫薯全粉的加工过程中，全粉的干燥方法主要有热风、冷冻、微波干燥，这3种干燥方式各有利弊[10]。热风干燥成本低廉、操作简单，但干燥成品营养成分有损失[11-12]；冷冻干燥较好地保留了成品的营养成分和色泽，但干燥时间长，成本高且能耗大[13-14]。研究不同干燥方法对紫薯全粉品质特性的影响，对紫薯全粉加工品质的改善具有重要意义[15-16]。热风- 冷冻复合干燥方法在紫薯全粉加工技术研究中少见报道。本研究拟采用先热风干燥再冷冻干燥的复合干燥方法，以紫薯全粉的碘蓝值为指标，分析复合干燥方法对紫薯全粉细胞破损的影响，同时探讨紫薯全粉花青素含量与紫薯全粉细胞破损之间的关系，希望为紫薯全粉细胞抗破损加工技术提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜紫薯(紫罗兰)，产地山东济南；柠檬酸(分析纯)，天津市北辰方正试剂厂；植酸、盐酸(分析纯)，国药集团化学试剂有限公司(上海)；L-半胱氨酸(分析纯)，天津市大茂化学试剂厂；抗坏血酸钙、单硬脂酸甘油酯(食品级)，河南圣斯德实业有限公司；碘化钾(分析纯)，天津市北联精细化学品开发有限公司；碘(分析纯)，天津市鼎盛鑫化工有限公司；95%乙醇(分析纯)，沈阳市苏家屯区试剂厂。

1.2 仪器与设备

AL104-IC型电子天平，梅特勒- 托利多仪器(上海)有限公司；UV-5100型紫外可见分光光度计，上海元析仪器有限公司；HH- 4型数显恒温水浴锅，上海皓庄仪器有限公司；RRHP-200型万能高速粉碎机，欧凯莱芙实业公司(香港)；GFL-125型电热鼓风干燥箱，天津市莱玻特瑞仪器设备有限公司；Scientz-12N型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1紫薯全粉加工工艺流程及操作要点

挑选未发芽、未腐败变质的新鲜紫薯清洗后去皮。将去皮紫薯切片备用，每片厚度约0.3 cm。将紫薯片浸泡在质量分数0.25%柠檬酸、0.35%植酸、0.3% L-半胱氨酸的复合护色剂中护色20 min，防止氧化变色。将护色后的紫薯片放入125 μg/mL抗坏血酸钙溶液中浸渍20 min，以增强紫薯细胞壁强度。将护色、浸钙后的紫薯片于66 ℃预煮11 min,以增强紫薯细胞抗破损能力。将预煮后的紫薯片置于蒸锅中蒸煮9 min。蒸煮过程有利于紫薯细胞间的分离，避免细胞破碎。将蒸煮后的紫薯片捣碎制泥，同时添加已均质的乳化剂，添加量为紫薯泥质量的2.5%，乳化剂可起到分散剂作用，降低紫薯泥黏性。干燥前紫薯泥的含水率为65%，采用热风干燥和冷冻干燥相结合的复合干燥方法干燥紫薯泥。热风干燥过程中翻搅紫薯泥三、四次，使紫薯泥干燥均匀，测定中间转换含水率后再进行冷冻干燥至水分含量为6%。用万能粉碎机将干燥后的紫薯泥粉碎，再过100目筛，即为紫薯全粉成品。

1.3.2碘蓝值测定

碘蓝值可反映细胞破损程度：碘蓝值越大，说明游离淀粉多，细胞破损严重；反之，碘蓝值越小，游离淀粉越少，细胞破损较少，细胞完整性好。参考文献[17-18]的碘蓝值测定方法：在50 mL容量瓶中加蒸馏水近刻度线，将容量瓶置于65.5 ℃水浴锅中预热；称取0.25 g紫薯全粉于50 mL烧杯中，将预热的蒸馏水定容并倒入烧杯中，在65.5 ℃水浴锅中保温并不断搅拌5 min，静置1 min后过滤；在50 mL显色管中加5 mL滤液和1 mL 0.02 mol/L碘标准溶液，定容；取1 mL 0.02 mol/L碘标液定容至50 mL，作为空白并调零。在波长650 nm处测定样品吸光度。碘蓝值计算方法见式(1)。

A=E×54.2+5。

(1)

式(1)中，A是碘蓝值，E是样品吸光度。

1.3.3花青素含量测定

花青素含量可反映紫薯全粉加工过程中细胞破损情况。花青素含量的测定根据尹晴红等[19]的总花色苷测定方法并加以改动：取紫薯全粉1 g，加入提取剂(含1 mol/L盐酸的95%乙醇，乙醇与盐酸的体积比为85∶15)，紫薯全粉与提取剂的质量比为1∶20；加入提取剂后立即放入50 ℃恒温水浴锅中浸提1 h，取出后过滤，再浸提一次，将两次的滤液合并；取0.5 mL滤液稀释20倍，用提取剂作空白，在波长535 nm下测定滤液吸光度，按照式(2)计算花色苷含量。

(2)

式(2)中：w(总花色苷)，mg/100 g；98.2为花色苷的分子消光系数。

1.3.4复合干燥紫薯全粉的单因素实验

分3组进行实验，每组各取200 g紫薯泥放于培养皿中，样品厚度为3 mm，再将培养皿放入电热鼓风干燥箱中。第一组分别在50、60、70、80、90 ℃下干燥至水分含量为30%(此时的水分含量即为中间转换含水率)，再在冷冻干燥7 h的条件下将样品干燥至水分含量为6%；第二组选取中间转换含水率分别为25%、30%、35%、40%、45%，在热风干燥温度60 ℃及冷冻干燥时间7 h条件下进行干燥；第三组在热风干燥温度60 ℃、中间转换含水率30%的条件下，将培养皿置于-20 ℃冰柜中预冻8 h以上，分别冷冻干燥5、7、9、11、13 h。将3组干燥样品粉碎过100目筛制成紫薯全粉，并测定碘蓝值及花青素含量，每个样品做5个平行实验。

1.4 数据处理

采用Excel计算数据标准差；采用Origin Pro 9.1软件绘图，且对图像进行优化，图像中的误差线表示标准差；采用Design-Expert V8.0.6.1软件设计响应面优化试验的数学模型；采用SPSS软件对数据进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 热风干燥温度对紫薯全粉细胞破损和花青素含量的影响

选择不同的热风干燥温度(干燥时间不超过10 h，具体以中间转换含水率的取值为准)，在中间转换含水率为30%，冷冻干燥时间为7 h的条件下，将紫薯泥从含水率65%干燥到水分含量为6%，粉碎后过筛，制成紫薯全粉，然后测定碘蓝值及花青素含量。图1为碘蓝值随热风干燥温度的变化情况，图2为花青素含量随热风干燥温度的变化情况。

不同字母表示差异显著(P<0.05)。图1 热风干燥温度对紫薯全粉碘蓝值的影响Fig.1 Effects of hot air drying temperatures on iodine blue value of purple sweet potato granules

从图1可知，热风干燥温度升高的过程中，紫薯全粉的碘蓝值前期减小又增大，随后再次减小。当干燥温度在50～60 ℃，碘蓝值下降很快，这可能是因为干燥温度的上升导致紫薯泥表面水分蒸发变快，内部水分会缓慢扩散至表面，淀粉颗粒没有充足的水分溶胀，不会使紫薯泥细胞破裂，因此游离淀粉较少，碘蓝值低。干燥温度在60 ℃时，碘蓝值为6.26，此时碘蓝值最低，游离淀粉少，说明紫薯全粉细胞破损较少。热风干燥温度高于60 ℃时，紫薯全粉中淀粉颗粒溶出较多，这可能是因为紫薯泥内部水分迁移变慢，这些水分足以让糊化淀粉膨胀溶出，导致紫薯全粉细胞破损较多，碘蓝值升高。综合紫薯全粉碘蓝值的变化趋势，当热风干燥温度为60 ℃时，碘蓝值最低，紫薯全粉细胞破损最少。

不同字母表示差异显著(P<0.05)。图2 热风干燥温度对紫薯全粉花青素含量的影响Fig.2 Effects of hot air drying temperatures on anthocyanin content of purple sweet potato granules

由图2可知，紫薯全粉的花青素含量随热风干燥温度的升高呈现总体下降的趋势。当热风干燥温度为50～60 ℃时，花青素含量明显减少，这是因为花青素是水溶性天然色素，高温会导致花青素降解，大量花青素损失。热风干燥温度高于60 ℃，花青素含量没有明显变化，但含量都较少，大约为热风干燥温度50 ℃时的花青素含量的一半。从图1可看出，热风干燥温度高于60 ℃之后，碘蓝值升高，紫薯全粉的细胞破损增多。由此可见，紫薯全粉的细胞破损对紫薯全粉的花青素含量有一定影响。综合紫薯全粉碘蓝值及花青素含量的变化趋势，当热风干燥温度为60 ℃时，紫薯全粉花青素含量与碘蓝值相对较优。

2.2 中间转换含水率对紫薯全粉细胞破损和花青素含量的影响

在热风干燥温度60 ℃、冷冻干燥时间为7 h，中间转换含水率为25%、30%、35%、40%、45%的条件下制成紫薯全粉，测定碘蓝值及花青素含量，图3为碘蓝值随中间转换含水率的变化情况，图4为花青素含量随中间转换含水率的变化情况。

不同字母表示差异显著(P<0.05)。图3 中间转换含水率对紫薯全粉碘蓝值的影响Fig.3 Effects of intermediate conversion moisture content on iodine blue value of purple sweet potato granules

由图3可知，随着中间转换含水率升高，碘蓝值先下降后升高。当中间转换含水率为30%时，碘蓝值最低，为7.87；当中间转换含水率为25%～30%时，紫薯全粉中的水分较少，淀粉颗粒没有过多溶出，游离淀粉少，碘蓝值低。当中间转换含水率较高时，紫薯泥中的水分使糊化淀粉颗粒溶胀，导致紫薯全粉细胞胀裂，紫薯全粉细胞破损增多，淀粉颗粒溶出，碘蓝值升高。综合紫薯全粉细胞破损随中间转换含水率的变化情况，选择30%为较佳中间转换含水率。

不同字母表示差异显著(P<0.05)。图4 中间转换含水率对紫薯全粉花青素含量的影响Fig.4 Effects of intermediate conversion moisture content on anthocyanin content of purple sweet potato granules

由图4可知，复合干燥的中间转换含水率越高，紫薯全粉的花青素含量越高。花青素易受很多因素的影响，其中金属离子及食品添加剂会影响花青素的稳定性。中间转换含水率为25%时，游离的花青素已经在前期预处理及热风干燥过程中损失，花青素含量较低；随着中间转换含水率的升高，细胞破损增多会导致大量花青素溶出细胞，从而花青素含量较高；中间转换含水率为40%时，花青素含量的小幅下降可能是因为浸提花青素时原料的损失与提取剂的挥发导致浸提不完全。综合图3碘蓝值的变化趋势，选取中间转换含水率30%，紫薯全粉的细胞破损程度与花青素含量相对均较优。

2.3 冷冻干燥时间对紫薯全粉细胞破损和花青素含量的影响

在热风干燥温度60 ℃，中间转换含水率30%，冷冻干燥时间为5、7、9、11、13 h的条件下制成紫薯全粉。图5为紫薯全粉碘蓝值随冷冻干燥时间的变化情况，图6为花青素含量随冷冻干燥时间的变化情况。

不同字母表示差异显著(P<0.05)。图5 冷冻干燥时间对紫薯全粉碘蓝值的影响Fig.5 Effects of freeze drying time on iodine blue value of purple sweet potato granules

由图5可知，随着冷冻干燥时间的逐渐延长，碘蓝值变化趋势是先减小后增大。冷冻干燥5～7 h时碘蓝值快速下降；冷冻干燥7 h时的碘蓝值最低，为8.33，这时的紫薯全粉细胞的完整度较高，淀粉不会大量溶出。冷冻干燥使紫薯泥水分直接由固态转化为气态，避免细胞结构遭到破坏，从而保持了紫薯全粉的细胞完整性，综合紫薯全粉碘蓝值的变化趋势，当冷冻干燥时间为7 h时，磺蓝值最低，紫薯全粉细胞破损最少。

不同字母表示差异显著(P<0.05)。图6 冷冻干燥时间对紫薯全粉花青素含量的影响Fig.6 Effects of freeze drying time on anthocyanin content of purple sweet potato granules

由图6可知，冷冻干燥时间越长，紫薯全粉花青素含量显示出先增加后减少，然后再次增多的趋势。在冷冻干燥7 h时，紫薯全粉花青素含量最高。从图5可以看出，冷冻干燥7 h时，紫薯全粉的细胞破损最少，大量花青素保留在细胞内，在浸提时溶出细胞，总花青素损失较少，这可能是冷冻干燥7 h花青素含量高的原因。冷冻干燥7～9 h，紫薯全粉细胞破损增多，花青素溶出细胞，随全粉水分散失而损失，造成花青素含量减少；冷冻干燥9 h以上，紫薯全粉细胞破损不断增多，大量花青素暴露在细胞外，但是全粉水分已经大部分散失，低温保护了花青素，使总花青素含量增多。综合紫薯全粉碘蓝值及花青素含量的变化趋势，选取7 h为冷冻干燥时间，此时紫薯全粉细胞破损最少，花青素含量最高。

2.4 紫薯全粉复合干燥方法的优化分析

根据单因素实验的结果，选择热风干燥温度、中间转换含水率、冷冻干燥时间三个因素，以紫薯全粉的碘蓝值为响应值，采用Box-Behnken的原理设计响应面试验，优化紫薯全粉复合干燥的工艺条件。此优化试验设计为三因素三水平，共有17个试验点。表1为响应面优化试验因素水平表。

表1 响应面优化试验的因素水平Tab.1 Factor and levels for response surface optimization experiments

Y=10.36+1.11A+0.77B-0.82C-0.86AB+ 0.68AC+1.11BC-0.76A2-0.60B2-0.39C2。

(3)

式(3)中，A为热风干燥温度，B为中间转换含水率，C为冷冻干燥时间。各项系数的绝对值表示对应因素对紫薯全粉碘蓝值的影响程度，而系数的正负则表示影响方向。由表3可知，A、B、C、AB、BC、A2对碘蓝值影响极显著，AC、B2对碘蓝值影响较显著，C2对碘蓝值影响显著。这表明热风干燥温度、中间转换含水率、冷冻干燥时间三个因素对碘蓝值都有显著的影响，影响大小顺序分别为热风干燥温度、冷冻干燥时间、中间转换含水率。

根据软件分析得出紫薯全粉复合干燥的优化工艺参数为：热风干燥温度70 ℃、中间转换含水率25%、冷冻干燥时间7 h。从表2可知，此时的紫薯全粉碘蓝值为10.28，而预测值为10.19，紫薯全粉碘蓝值的预测值与实测值吻合，说明预测模型拟合度良好，这也符合前面的模型与实际情况的拟合度分析。同时，测得优化参数下紫薯全粉花青素含量为16.23 mg/100 g，高于单因素实验较佳水平下紫薯全粉的花青素含量，这也说明经过响应面优化试验所得的复合干燥紫薯全粉细胞破损较少，较好地保留了紫薯全粉中的花青素。

表2 试验方案与结果Tab.2 Test protocol and results

表3 响应面二次模型的方差分析及显著性检验Tab.3 Analysis of variance and significance analysis of response surface quadratic model

3 结 论

将热风干燥与冷冻干燥组合在一起应用于紫薯全粉干燥过程，既可解决热风干燥紫薯全粉的色泽较差、营养物质损失较严重等问题，也可弥补冷冻干燥时间较长、能耗大的缺点，提高了紫薯全粉加工过程中的干燥效率。分析了热风干燥温度、中间转换含水率及冷冻干燥时间对紫薯全粉细胞破损和花青素含量的影响，得到了各因素对紫薯全粉干燥影响的规律。通过响应面试验得到了复合干燥优化参数组合为：热风干燥温度70 ℃、中间转换含水率25%、冷冻干燥时间7 h，这时紫薯全粉的碘蓝值为10.25，花青素含量为16.23 mg/100 g。响应面优化模型紫薯全粉碘蓝值为10.28，由此可知，优化模型可以较好地预测实际情况下紫薯全粉的碘蓝值；且复合干燥优化的紫薯全粉花青素含量较未经优化的全粉高，说明按照复合干燥优化工艺参数加工的紫薯全粉细胞破损较少，花青素保留情况较好。热风干燥与冷冻干燥组合的复合干燥方法在一定程度上减少了紫薯全粉的细胞破损，较好地保留了全粉花青素。

复合干燥方法与紫薯全粉的持水持油性、冻融稳定性等品质特性之间的相关性还有待进一步研究。