真空冷冻—热风联合干燥对甘肃紫斑牡丹品质的影响

赵雪芳 梁 琪 唐 红 张丝曼 徐宝弟

(1. 甘肃农业大学食品科学与工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃省功能乳品工程实验室，甘肃 兰州 730070；3. 甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

牡丹(PaeoniaSect.Moutan.)是芍药科芍药属的多年生落叶灌木，原产于中国[1]。紫斑牡丹(Paeoniarockii)是中国第二大本土牡丹品种群[2]，其主要分布于甘肃南部，种植面积超过1 300 hm2。紫斑牡丹花瓣基部均有明显的紫色大斑块[3]，花色以白色、粉色、玫红色为常见，花型为单瓣型和复瓣型。在《中药大辞典》中已明确记载了紫斑牡丹的食用价值和药用价值[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维生素E的10倍、维生素C的20倍[7]，在当前已知的抗氧化活性物质中位居前列[8]，且其花青素含量和结构决定了牡丹花的颜色[9]。

干燥是可食用花茶制备的关键工艺。目前，国内外食用花干燥技术主要采用微波辅助加热干燥[10]、热风干燥[11]、真空冷冻干燥[12]和联合干燥[13]等。单一热风干燥工艺对食用花的质构破坏严重，使其外观皱缩变形，色泽褐变。单一真空冷冻干燥是在低温低压的传热传质过程中进行脱水，该干燥工艺虽然对食用花的挥发性物质破坏程度较小，保持了产品原有的外观形状，质地较脆，色泽变化较小，但其干燥时间长，设备复杂且能耗高[14-15]。而热风干燥联合真空冷冻干燥可以在提高产品干燥效率的同时改善品质。此外，前期的热风干燥降低食用花水分，有利于实现“热风干燥—真空冷冻干燥—贮藏”的高品质花茶工业化干燥模式。Ferenczi等[16]提出了真空冷冻与热风联合干燥(FHCD)技术。邓媛元等[17]研究发现热风—真空冷冻联合干燥比真空冷冻干燥节约干燥时间12.16%，节约单位能耗25.40%。罗小梅等[18]研究发现冷冻真空—热风联合干燥所制的金花茶花朵综合品质明显优于单一干燥工艺，并能较好地保留花朵中茶多酚活性成分，常温下(18～22 ℃)贮藏时间长、不易变质，且干燥效率高于冷冻真空干燥。但有关FHCD技术对紫斑牡丹花冠茶品质的影响尚未见报道。试验拟系统研究采用真空冷冻—热风联合干燥(FHCD)、变温热风干燥(VHD)和真空冷冻干燥(VFD)3种干燥技术对紫斑牡丹鲜花进行干燥，分析紫斑牡丹花冠茶的活性成分(花青素)和质量属性(含水量、皱缩率、复水性和感官特性)，并评估3种干燥工艺的能耗和效率，旨在为提高紫斑牡丹花冠茶的综合品质提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫斑牡丹鲜花：花瓣为白色、粉色和玫红色，直径约为12～18 cm，每年4月下旬—6月中旬采摘，甘肃省兰州市榆中县官滩沟紫斑牡丹培育基地；

所用化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

分析天平：FR224CN型，奥豪斯仪器(常州)有限公司；

微波炉：G70F20CN3L-C2(B0)型，广东格兰仕微波炉电器制造有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱：GZX-GF101-Ⅱ型，上海跃进医疗器械有限公司；

高速台式冷冻离心机：TGL-20M型，长沙湘仪离心机仪器公司；

可见分光光度计：UV8500型，上海光谱仪器有限公司；

电热恒温水浴锅：HWS26型，上海一恒科学仪器有限公司；

冷冻干燥机：SCIENTZ-10ND型，宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料预处理 紫斑牡丹鲜花从花蒂下1～2 cm处剪下(保留花萼)，修剪掉花蒂下带有的绿叶和花梗。整理好花型，按相同尺寸花型和颜色分组放入3个特制的箱子中，贮藏于甘肃省功能乳品工程实验室-80 ℃冰箱中。

1.3.2 变温热风干燥(VHD)

紫斑牡丹鲜花→微波(功率700 W)杀青1 min→室温冷却20 min→80 ℃热风干燥15 min→室温吸湿回潮20 min→60 ℃热风干燥5 h→室温吸湿回潮20 min →55 ℃热风干燥至恒重(热风干燥风速均为0.3～0.5 m/s)

1.3.3 真空冷冻干燥(VFD) 设置真空冷冻干燥机时间为24 h、真空压力为40 Pa。将3种颜色紫斑牡丹鲜花放入真空冷冻干燥机托盘上，花朵间距1～2 cm，冷冻干燥至样品恒重。

1.3.4 真空冷冻—热风联合干燥(FHCD) 真空冷冻干燥机真空压力40 Pa、干燥时间12 h，干燥结束后，测定紫斑牡丹花冠茶半成品水分含量，采用电热恒温鼓风干燥箱(温度60 ℃)干燥至恒重。

1.4 紫斑牡丹花冠茶理化指标测定

1.4.1 水分含量 按GB 5009.3—2016中的直接干燥法进行。水分含量按式(1)计算。

(1)

式中：

M——水分含量，%；

W1——干燥前紫斑牡丹鲜花重量，g；

W2——干燥后紫斑牡丹花冠茶重量，g。

1.4.2 花青素含量 根据文献[19]稍作修改。将紫斑牡丹花瓣剪成宽1 mm左右的细丝，用分析天平称量3种颜色鲜花细丝各1 g，并置于50 mL锥形瓶中，加入10 mL、0.1 mol/L的HCl溶液，32 ℃水浴提取4 h，6 000 r/min冷冻离心10 min，上清液用0.1 mol/L HCl溶液稀释10倍，测定530 nm处吸光度。以每克花瓣细丝在10 mL、0.1 mol/L的HCl浸提液中的吸光度A=0.1为一个花青素单位(U)。上述试验重复3次，取平均值。

1.4.3 皱缩率 根据文献[20]稍作修改：将花瓣在A4纸上沿边缘准确画线并剪下，准确称量其重量，测定标准面积纸张重量，并按式(2)计算花瓣面积。

(2)

式中：

Z——皱缩率，%；

S1——干燥后花瓣面积，cm2；

S2——鲜花花瓣面积，cm2。

1.4.4 复水性 根据文献[21]稍作修改：将紫斑牡丹花冠茶花瓣于80 ℃蒸馏水中浸泡30 min，3 000 r/min离心1 min，准确称量其重量，并按式(3)计算其复水性。

(3)

式中：

F——复水性，%；

W1——复水前紫斑牡丹花冠茶重量，g；

W2——复水后紫斑牡丹花冠茶重量，g。

1.5 能耗计算

1.5.1 真空冷冻干燥能耗 根据文献[16]。

W=P1×t1，

(4)

式中：

W——真空冷冻干燥能耗，kW·h；

P1——电功率，kW；

t1——消耗时间，h。

1.5.2 热风干燥能耗 根据文献[16]。

W=0.1×P2×t2，

(5)

式中：

W——热风干燥能耗，kW·h；

P2——电功率，kW；

t2——消耗时间，h。

1.6 紫斑牡丹花冠茶品质评价

采用盲样评定法对3种干燥方法下的紫斑牡丹花冠茶进行评分。利用感官加权计算最终得分。其中花冠茶干制品形态和气味占30%，茶汤颜色占20%，茶汤中形态占30%，茶汤气味和口味占20%，感官评价表总分100分，感官评价设计见表1。

1.7 数据统计与处理

所有试验重复3次，采用SPSS 22.0软件对数据进行差异显著性分析和Pearson相关性分析，用Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 FHCD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量变化

采用FHCD干燥紫斑牡丹花冠茶过程中，真空冷冻和热风联合干燥的顺序是影响花冠茶品质的重要因素之一，先热风干燥再真空冷冻干燥的花冠茶品质更接近热风干燥的花冠茶品质；先真空冷冻干燥再热风干燥的花冠茶品质更接近真空冷冻干燥的花冠茶品质，该顺序干燥的产品优质、节能、高效。FHCD下的紫斑牡丹花冠茶的水分含量变化见表2。

表2 FHCD工艺加工的紫斑牡丹花冠茶水分含量变化†

由表2可知，紫斑牡丹花在真空冷冻干燥阶段(VFD)和热风干燥阶段(HD)含水量均大幅下降。紫斑牡丹鲜花含水量为78.09%，在VFD阶段花冠茶含水量减少了25.04%，在HD(温度60 ℃，时间3 h)阶段花冠茶含水量减少了58.05%。HD阶段初期(0.0～1.5 h)紫斑牡丹花冠茶水分含量快速下降，到HD阶段后期(1.5～3.0 h)其水分含量下降速率明显减慢。这是由于干燥初期(0.0～1.5 h)花冠茶含水量较高，且牡丹花瓣薄(厚度为0.03～0.10 mm)，花瓣中的水分扩散到花瓣表面后快速被蒸发，花瓣结构收缩，内部水分扩散受阻。

2.2 干燥工艺对紫斑牡丹花冠茶含水量的影响

由图1可知，FHCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量差异显著(P<0.05)。VFD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量最高，该工艺下的花冠茶水分含量比FHCD和VHD的分别高14.82%和16.56%，是由于VHD过程中干燥初期(0～3 h)温度高，干燥时间长(7 h)，所以产品含水量低。FHCD和VHD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量分别为9.46%和7.72%，均低于GH/T 1091—2014代用茶中花类安全水分含量(13%)。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.3 干燥工艺对紫斑牡丹花冠茶花青素含量的影响

花青素对pH、光、氧气、温度等有较强的敏感性[22-23]，因此在紫斑牡丹花冠茶加工过程中防止花青素被破坏是重点。由图2可知，3种颜色的紫斑牡丹鲜花和花冠茶中的花青素含量差异显著(P<0.05)。紫斑牡丹鲜花中花青素含量规律为玫红色>粉色>白色，玫红色紫斑牡丹鲜花中花青素含量比粉色和白色分别高7.70%和9.44%，是由于不同颜色的紫斑牡丹花花青素含量和结构不同[24]。3种颜色的紫斑牡丹用不同干燥工艺加工后花青素含量均相应减少，同种颜色不同干燥工艺下的花冠茶花青素含量差异显著(P<0.05)。其中FHCD下的花冠茶花青素含量是VHD的2倍，且该工艺下的花冠茶的保真性最好，是由于快速而短暂地加热能减少产品中抗氧化物质的破坏，随着干燥时间的延长，花冠茶中的生物活性物质(花青素)也随之减少，FHCD工艺有效保留了花冠茶中花青素含量。这与Samoticha等[25]的结果类似。Lu等[26]研究发现40 ℃低温热风干燥法和真空冷冻干燥可以有效保留花茶中的活性成分。试验所用的牡丹花冠茶较其他花茶外形大很多[27]，为了提高干燥效率且防止花冠茶长时间暴露于有氧的热环境中，所以FHCD工艺中热风干燥阶段的温度为60 ℃。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.4 干燥工艺对紫斑牡丹花冠茶皱缩率和复水性的影响

由图3可知，FHCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶的皱缩率差异显著(P<0.05)，其中VHD下的紫斑牡丹花冠茶皱缩率最大，为66.67%，该工艺下的花冠茶皱缩率比VFD的高28.71%，是由于VHD过程中干燥温度高、干燥时间长，其产品花瓣结构变化严重，所以产品皱缩率最大。FHCD下的花冠茶皱缩率比VHD的减小了13.82%，由于FHCD过程中真空压力小、干燥温度低，所以产品皱缩率减小。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

FHCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶间的复水性差异显著(P<0.05)。其中，FHCD下的紫斑牡丹花冠茶复水性比VHD的高58.24%。这是由于FHCD过程中花冠茶中的水分先冷冻后升华，使得花瓣质地松脆，所以其复水性好。

2.5 FHCD下花冠茶参数间的相关性

由表3可知，FHCD下的4个指标间均存在正相关和负相关。其中花冠茶的花青素含量与复水性和含水量呈显著正相关(P<0.05)，相关系数分别为0.741和0.738，由于花冠茶加热时间越长含水量越低，从而破坏了花冠茶的细胞结构和花青素结构。花冠茶的皱缩率与含水量和花青素含量呈极显著负相关(P<0.01)，相关系数分别为-0.992和-0.749，因为皱缩使得花冠茶结构发生变化，导致花冠茶中花青素被破坏。

表3 FHCD下花冠茶参数间的相关性†

2.6 3种干燥工艺的干燥效率

由表4可知，VFD的干燥时间比FHCD和VHD的分别长9，17 h。由于VFD过程中产品受真空压力和干燥时间的影响，该工艺的干燥周期长(24 h)且真空压力低(40 Pa)，导致产品生产效率低且耗能最大。与VFD相比，FHCD的干燥效率提高了1倍，且节约能耗51.79%，因为采用联合干燥法缩短了干燥时间，所以能量消耗降低，与Agnieszka等[28]和Qiu等[29]的结果类似。

表4 3种工艺的干燥时间和能耗

2.7 紫斑牡丹花冠茶感官评价及产品图例

由图4可知，VHCD下的花冠茶感官评价得分最高，为89分，且该工艺下的花冠茶品质最好，是由于该干燥工艺综合考虑了影响花冠茶品质的因素，并且结合了HD和VFD的优点(热风干燥时间降低为3 h，热风干燥温度降低为60 ℃，花冠茶的大量水分通过升华的方式排出)。其次是VFD下的花冠茶得分(80分)，VHD下的花冠茶感官评价综合得分最低，为62分。因为FHCD下的产品花青素含量降低得较少(从14.96%下降到8.63%)，花瓣的细胞结构完整，所以FHCD下的花冠茶感官品质优于VHD和VFD的。

图4 3种工艺下的紫斑牡丹花冠茶感官评价

采摘的鲜花直径大约为12～18 cm，FHCD下的花冠茶直径减小到原来的3/5～4/5，花冠茶高1.0～1.5 cm，外观立体饱满、朵型大、产品美观，VHD下的花冠茶直径减小到原来的2/5，花冠茶高2.3～2.5 cm，外观立体朵型小、产品干脆易碎、美观性差。采用VHD干燥的花冠茶结构破坏最大，且紫斑牡丹花瓣细胞结构产生大量孔洞，与干燥水果、蔬菜和其他食品中的结果类似[30-31]。

3 结论

采用真空冷冻—热风联合干燥、变温热风干燥和真空冷冻干燥对紫斑牡丹花进行干燥，分析花冠茶的活性成分(花青素含量)和质量属性(水分含量、皱缩率和复水性)，并分析其节能性和生产效率。结果表明，真空冷冻—热风联合干燥下的花冠茶优质，产品花青素含量高(8.63%)、复水性好(491.52%)、水分含量低(9.46%)，皱缩褐变不严重且高效节能。与变温热风干燥相比，真空冷冻—热风联合干燥下的产品花青素含量、复水性分别增加了3.95%和52.24%，其干燥时间是真空冷冻干燥的1/2，且节约51.79%的能耗。真空冷冻—热风联合干燥下的花冠茶外观饱满(直径7.2～14.4 cm)，其感官品质最佳(感官评分89分，朵型大，优美绽放)。因此，真空冷冻—热风联合干燥综合了变温热风干燥和真空冷冻干燥的优点，最大程度地降低了干燥处理对紫斑牡丹花冠茶结构和活性成分的破坏。但是在采用真空冷冻—热风联合干燥紫斑牡丹花冠茶过程中花冠茶褐变和活性成分(花青素)被破坏的具体时间点尚不清楚，后续可探寻该临界点，并且采取有效保护措施，从而提高产品综合品质，为紫斑牡丹花冠茶的干燥工艺提供精确的理论参数。