黑苦荞壳烘烤工艺条件优化与品质分析

杨萍，岳天义，张萍，马嫄，许青莲，刘洪，黄红，邢亚阁*

（1.西华大学食品与生物工程学院,四川成都 611743；2.宜宾西华大学研究院食品非热技术重点实验室,四川宜宾 644000；3.环太生物科技股份有限责任公司,四川成都 610200）

黑苦荞是苦荞中的一种，具有较高的药用和营养价值。黑苦荞已被广泛应用于生物药业、食品添加剂和化妆品等领域，具有良好的开发前景[1−2]。随着黑苦荞的利用和开发，黑苦荞壳作为其加工副产物具有宽泛的实用价值[3]。据文献报道，苦荞壳中含有丰富的黄酮类物质，其含量是苦荞籽中黄酮类物质的三倍多[4]，苦荞壳中除黄酮类化合物外还有其他活性物质，如多糖等也具有良好的生物活性[5]。此外，苦荞壳还具有抗氧化、降血糖、抗癌、抗衰老、抗高血压、降胆固醇等功效，这些效应可能跟苦荞壳中存在的某些生物活性成分密切相关，这些生物活性成分包括黄酮类物质、酚酸、鞣荆、维生素、矿物质、必需氨基酸和蛋白质、脂肪、膳食纤维[6−10]。但黑苦荞壳含有潜在的过敏原，如蛋白质抑制剂等，对人体健康有负面影响，经过加工处理功能成分可以得到更好的释放以及被人体更好吸收。

近年来，国内外学者对黑苦荞壳的研究主要集中于对黄酮的提取方式和营养功能[11−13]等方面的研究，在加工方式及利用方面的研究还比较欠缺，尤其是各加工方式对黑苦荞壳中功能性组分及营养品质的影响方面的研究更少。烘焙作为一种热加工方式可以起到食物熟化作用，可有效减少谷物中的抗营养成分[14]。此外，烘焙已经被用作一种传统的加工方法，其干热熟化作用可以提高黑苦荞壳生物活性，促进抗氧化成分的分解，与未加工产品相比具有更好的风味、更长的保质期和脆度[15]。乔丽华等[16]研究发现烘焙对小粒黑豆的酚类物质及抗氧化活性有显著影响，200℃条件下烘焙后的总酚含量最高，150℃下最低。陆理民[17]对苦荞进行研究发现经80℃，15 min烘烤后抗氧化活性达到最好，酚类物质和黄酮类物质与抗氧化能力呈相关性。

目前，对黑苦荞壳烘烤工艺的研究鲜有报道。利用热风干燥对黑苦荞壳进行热加工，一方面普通烘烤条件可以达到热加工要求，实现物料受热充分，另一方面，普通烘烤成本低，物料加工承载量大，可实现工厂大批量加工生产。因此，本研究以黑苦荞壳为原料，采用响应面法的Box-Behnken模式，以黑苦荞壳中总黄酮及总酚含量为指标，探究其最佳烘烤工艺，系统研究烘烤前后酚类物质和营养功能含量的差异，为黑苦荞壳相关保健食品的开发和研究提供最佳工艺方法，同时也为其他相关种属植物的产品加工提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑苦荞壳（川荞2号），由环太生物科技股份有限公司提供；没食子酸，芦丁标准品，上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

实验所用主要仪器与设备见表1。

表1 主要仪器与设备

1.3 方法

1.3.1 黑苦荞壳酚类物质提取

提取方法参照Sun等[18]方法，稍加修改。准确称取未烘烤及烘烤后的黑苦荞壳粉1.000 g按料液比1∶20(mg/mL)与甲醇溶液充分混匀，超声波提取30 min，4000 r/min离心10 min取上清液，每个样品平行提取3次。合并上述3次提取液，于65℃真空旋转蒸发后用甲醇溶解并定容至20 mL，提取液于−18℃保存备用。

1.3.2 总黄酮含量测定方法

采用NaNO2-Al(NO3)3法[19]，稍作改动。取200μL适当稀释液的黑苦荞壳样品提取液与等体积5% NaNO2混合避光反应5 min，然后向上述反应液加入200μL 10% Al(NO3)3溶液,反应5 min，然后向上述反应液加入2 mL 4%NaOH溶液，然后继续加入2.4 mL蒸馏水混匀，继续反应15 min，于510 nm下测吸光值。以芦丁浓度为横坐标、吸光值为纵坐标绘制标曲，所得标曲方程为Y1=0.1076X−0.0021，R2=0.9997；在0.01～0.16 mg/ mL 范围有良好线性关系。

1.3.3 总酚含量测定方法

采用Folin-Ciocalteu法[20]，稍加修改。取1 mL样品稀释液与200μL福林酚试剂混合均匀，反应6 min，然后加入7.5 mL 7% Na2CO3溶液，室温下避光反应90 min，最后于765 nm波长处测定吸光度。以没食子酸为标准品，回归方程：Y2=0.1736X+0.0584，R2=0.9982。

1.3.4 响应面优化试验

在单因素预实验基础上，由Box-Behnken软件中的实验系统设计原理，选择烘烤时间、烘烤温度、铺盘厚度进行三因素三水平的响应面分析，以各因素下主要活性成分总黄酮及总酚含量为指标确定最佳烘烤条件。响应面试验因素水平如表2所示。

表2 响应面试验因素与水平

1.3.5 黑苦荞壳营养品质测定

黑苦荞壳水分，GB/T 5009.3—2016《食品中水分的测定》直接干燥法[21]；灰分，GB/T 5009.4—2016《食品中灰分的测定》灼烧法[22]；粗脂肪，GB/T 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》索氏抽提法[23]；粗蛋白，GB/T 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定》自动凯氏定氮仪法[24]。

1.3.6 HPLC 法测定黑苦荞壳中酚类物质组成及含量

参考孙坤坤等[2]和Gao[25]的研究，称取没食子酸、儿茶素、表儿茶素、芦丁、对香豆酸、槲皮素和山奈酚各10.0 mg制备标准溶液，用色谱级甲醇稀释溶解成1 mg/mL的母液，再逐级稀释得到浓度为5、10、20、50、100μg/mL的标准工作液，经0.45μm微孔滤膜过滤备用。测得没食子酸、儿茶素、表儿茶素、芦丁、对香豆酸、槲皮素和山奈酚标准曲线分别为y=44237x−56820、y=12618x−17110、y=12691x+36791、y=12288x−30747、y=15186x−35039、y=20809x−20301和y=25301x−54407。

黑苦荞壳提取液经0.45μm 微孔滤膜过滤，供高效液相色谱仪测定。

色谱柱条件：色谱柱为C18(4.6×250 mm)；流动相条件为A相0.15%甲酸溶液，B相100%乙腈；流速为0.7 mL/min；进样量20μL；柱温35°C；检测器的检测波长280 nm。梯度洗脱程序：0～5 min，B相10%;5～50 min，B相40%；50～60 min，B相10%。

1.3.7 扫描电镜观察

采用JSM-7500F场发射扫描电镜(SEM)观察黑苦荞壳粉的形态。参考王艺静[26]的方法，稍微修改，取适量样品均匀分布于导电胶上，首先进行喷金、处理，再放入电镜载物台上于15.00 kV操作电压下观察样品的形态，选择清晰典型颗粒拍照。

1.4 数据统计分析

采用SPSS 20.0和OriginPro 8.5.1软件进行数据分析处理与作图，并进行显著性分析，显著性水平P＜0.05，试验重复3次，结果以平均值±SD表示。

2 结果与分析

2.1 黑苦荞壳烘烤条件响应面试验优化试验结果

在单因素预试验结果上，用Design-Expert 8.0软件，以A（烘烤时间）、B（烘烤温度）、C（铺盘厚度）为因素，以黑苦荞壳总黄酮含量和总酚含量为响应变值进行响应面优化试验，整个试验共进行17次，试验结果及方差分析如表3—表5所示，响应曲面如图1所示。

表3 响应面试验设计及结果

表4 总黄酮响应面试验方差分析

表5 总酚响应面试验方差分析

对该模型进行差异显著性检验及方差分析，其结果见表4所示。烘烤时间（min）、烘烤温度（℃）影响显著（P＜0.05）。在A、B、C项中，所有变量的二次效应和交互效应都在A、B、C之间。将总黄酮含量与烘烤因素的工艺变量相关联的数学模式生成方程（1），以证明3个因素与响应Y之间的关系。回归方程表明，烘烤时间和烘烤温度对黑苦荞壳总酚含量的影响较大，铺盘厚度影响不显著。烘烤时间和烘烤温度、烘烤时间和铺盘厚度、烘烤温度和铺盘厚度交互作用显著。各因素间的交互作用对黑苦荞壳中提取的总酚含量影响显著，而铺盘厚度对总酚含量的影响最小。由表4可知，模型的F值为59.70，P＜0.01，表明模型达到极显著水平。失拟项的F值为0.18，P=0.9067>0.05，说明差异不显著，回归模型准确可靠。此外，该模型的决定系数R2=0.9871，而校准决定系数R2Adj=0.9706，表明该模型可以解释97.06%的响应值变化，达到了较高的拟合度。因此，该模型可用于确定黑苦荞壳烘烤最佳工艺条件。

对分析所得数据进行响应面分析，得到3个因子与黑苦荞壳中总黄酮含量之间的模拟回归方程为

由表5响应面方差分析结果可知，烘烤时间（min）、烘烤温度（℃）极显著（P＜0.01）。在A、B、C项中，所有变量的二次效应和交互效应都在A、B、C之间。将总酚含量与烘烤因素的工艺变量相关联的数学模式生成方程（2），以证明三个因素与响应Y之间的关系。回归方程表明：烘烤时间和烘烤温度对黑苦荞壳总酚含量的影响较大；烘烤时间和烘烤温度、烘烤时间和铺盘厚度、烘烤温度和铺盘厚度交互作用显著；各因素间的交互作用对黑苦荞壳中提取的总酚含量影响显著，而铺盘厚度对总酚含量的影响最小。由表5可知，模型的F值为61.16，P＜0.01，表明模型达到极显著水平。失拟项的F值为5.96，P=0.0587>0.05，说明差异不显著，回归模型准确可靠。此外，该模型的决定系数为R2=0.9874，而校准决定系数为R2Adj=0.9713，表明该模型可以解释97.13%的响应值变化，达到了较高的拟合度。因此，该模型可用于确定黑苦荞壳烘烤最佳工艺条件。

通过Design-Expert 8.0软件对所得数据进行多元回归拟合，得到以总酚含量为评价指标的二阶多项方程为

2.2 黑苦荞壳烘烤条件响应面分析及优化

烘烤条件对黑苦荞壳总酚及总黄酮含量的影响及不同因素间的变化交互作用，其中A、B项以及二次项A2、B2的影响极显著（P＜0.01），C2影响显著（P＜0.05）。F值揭示了本实验中烘烤因素的贡献：烘烤温度>烘烤时间>铺盘厚度。图1（a）和图1（d）显示了烘烤时间和温度对总黄酮和总酚含量的影响。当烘烤时间较短时，总黄酮和总酚含量不随烘烤条件发生显著变化。当烘烤时间为6.8 min时，随着烘烤温度的变化，总黄酮和总酚含量显著增加。图1（b）和图1（e）显示了烘烤时间铺盘厚度之间的相互作用对总黄酮和总酚含量的影响。两者之间的相互作用对总黄酮和总酚含量有显著影响（P＜0.0001，P=0.0469）。当烘烤时间为111.72 min时，铺盘厚度为1.41 cm时总黄酮和总酚含量达到最大值。图1（c）和图1（f）显示了烘烤温度和铺盘厚度相互作用对总黄酮和总酚含量的影响，两者相互作用对总黄酮和总酚含量有显著影响（P=0.0007，P=0.0086）。

图1 各因素对总酚含量影响的响应面图和等高线图

2.3 黑苦荞壳最佳烘烤工艺条件及验证试验

根据模型预测，最终以总黄酮为评价指标得到各因素显著程度依次为烘烤温度（P＜0.0001）>烘烤时间（P=0.0378）>铺盘厚度（P=0.1294）。利用响应面法进一步分析确定了苦荞壳烘烤条件最佳工艺参数：烘烤时间11.72 min、烘烤温度74.8℃和铺盘厚度1.41 cm，考虑到实际情况调整为烘烤时间12 min、烘烤温度75℃和铺盘厚度1.4 cm。采用优化后的烘烤工艺进行验证实验，此条件下测得实际总黄酮含量为9.1 mg RE/g，总酚含量为38.9 mg GAE/g。由此可知，采用响应面法对苦荞壳烘烤条件工艺参数进行优化得出的结果准确可靠，具有实用价值。

2.4 烘烤对黑苦荞壳基本营养成分影响分析

将黑苦荞壳于最佳工艺下进行烘烤，对烘烤后的黑苦荞壳和对照组进行对比，测定对比两组的水分、灰分、粗脂肪、粗蛋白含量，结果如表6所示。此研究发现，在75℃下烘焙12 min会影响黑苦荞壳灰分、粗脂肪含量，降低水分、粗蛋白含量，这与马艺超[27]研究的不同热加工对苦荞麦制品进行处理，其粗蛋白含量降这一结果相似。这可能是因为在热处理过程中，形成了美拉德化合物。由于赖氨酸的游离氨基之间的化学反应还原糖的羰基，这些羰基主要来源于蛋白质和淀粉的分解[28]。

表6 烘烤对黑苦荞壳营养成分的影响 %

2.5 黑苦荞壳酚类物质的成分分析

孙坤坤等[2]研究了不同低海拔地区的黑苦荞中的酚类物质，发现黑苦荞中的主要酚酸为芦丁、槲皮素、表儿茶素、山奈酚等物质。混合标准品HPLC 图如图2所示，根据图谱确定黑苦荞壳中单酚物质的含量。

图2 7种酚类化合物在黑苦荞壳中的HPLC分析结果图

实验结果表明，黑苦荞壳经最佳工艺条件烘烤后酚类物质含量发生变化，变化情况如表7所示。烘烤后没食子酸、儿茶素、表儿茶素、对香豆酸、山奈酚含量分别为含量为14.10 mg GAE/100g，0.758 mg GAE/100g、1.626 mg GAE/100g、0.772 mg GAE/100g、0.52 mg GAE/100g，这5种物质含量与未烘烤组相比都有所增加。芦丁和槲皮素含量分别为1.140 mg GAE/100g、11.96 mg GAE/100g，与未烘烤组相比相对减少了4.8%和28.0%。这可能是因为经烘烤黑苦荞壳中的酚类物质发生分解，其中槲皮素等物质转换成了其他活性成分。

表7 黑苦荞壳7种酚类物质含量 mgGAE/100g

2.6 黑苦荞壳颗粒微观形态观察

为了研究黑苦荞壳膳食纤维样品的形态差异，运用扫描电镜对烘烤及未烘烤黑苦荞壳进行了形态分析。如图3所示为水分含量分别为10.02%和13.05%未烘烤及烘烤的样品，在200倍和400倍下观察其结构大致相似，但放大800倍及3000倍时可以清晰地看出，未烘烤黑苦荞壳粉体形状呈椭圆形或球状结构，颗粒较规则且分布均匀，在放大到800倍下测量粒径大小均值为（9.40±0.75)μm。烘烤后样品表面较粗糙，纤维颗粒的晶体颗粒大小不均匀，结构多样变得无定形(见图3中 A2、B2、C2、D2)，这可能是因为经烘烤后样品水分散失，而水分是保持样品细胞完整性的重要属性。这与Chiang等[29-30]的研究结论一致。

图3 黑苦荞壳粉结构扫描电镜图

3 结束语

本研究采用单因素和响应面法对黑苦荞壳烘烤工艺参数进行优化，结果表明，最佳工艺条件为烘烤时间12 min、烘烤温度75℃和铺盘厚度1.4 cm。此试验条件下，测得实际总黄酮含量为9.1 mg RE/g，总酚含量为38.9 mg GAE/g。在影响黑苦荞壳烘烤工艺的各个因素中，烘烤温度和烘烤时间影响效果最为显著。随着烘烤温度和时间的增加，其黄酮及总酚含量随烘烤温度的升高而降低，烘烤后营养成分也有所变化。通过HPLC测定最佳烘烤工艺条

件下黑苦荞壳没食子酸、儿茶素、表儿茶素、芦丁、对香豆酸、槲皮素、山奈酚含量分别为14.10 mg GAE/100g，0.758 mg GAE/100g、1.626 mg GAE/100g、1.140 mg GAE/100g、0.772 mg GAE/100g、11.96 mg GAE/100g、0.52 mg GAE/100g，其中没食子酸与未烘烤组相比含量增加最多，相对提高了30.4%。

本研究为黑苦荞壳产品加工处理提供了一定的理论支撑，该烘烤工艺可进一步用于黑苦荞壳保健食品、饼干、复合饮料、奶茶等相关产品研究与开发，后期可进一步对烘烤后的黑苦荞壳活性成分及其特性进行研究。