响应面法优化黑果腺肋花楸真空冷冻干燥工艺

徐海龙 于 莹 赵明波

（1威海市蓝色经济研究院有限公司，山东威海 264300；2威海市海洋生态经济研究院，山东威海 264300）

黑果腺肋花楸（Aronia melanocarpa）为蔷薇科腺肋花楸属多年生落叶灌木，是一种新兴小浆果果树。该果树原产于美国东北部以及加拿大东部，是集食用、药用、园林和生态等价值于一身的经济树种[1-3]。试验研究表明，黑果腺肋花楸果实中富含黄酮类和酚酸类成分，具有较强的抗氧化活性和清除自由基的能力，在抗癌、抗炎、降血糖、抗突变、防治心血管疾病等方面具有良好的生物活性和药理作用[4-7]。黑果花楸产业是新兴产业。2018年9月，国家卫生健康委员会正式批准黑果腺肋花楸为新食品原料。黑果花楸可溶性固形物含量高，总酸低，与蓝莓、黑莓、红梅相比，更适合开发饮料、果酒等产品，但目前市面上产品比较单一，主要以鲜果为主。它不易储藏，极易变质，对其干果产品鲜有报道。国内外对黑果腺肋花楸的研究多集中在种植、生物学特征、功能性成分提取和对人体健康潜在的价值等方面，对产品干燥技术研究较少[8-12]。

真空冷冻干技术，是将湿物料冻结到共晶点温度下，使物料中的水分变成固态冰，然后在较高的真空环境下给物料加热，使冰直接升华成水蒸气，再利用真空系统中的水汽冷凝器将水蒸气冷凝，从而达到物料脱水干燥的目的的技术，是目前保存生物活性成分最全面的干燥技术[13-15]。本文通过响应面分析法优化黑果腺肋花楸真空冷冻干燥条件，旨在为黑果腺肋花楸冻干技术提供最佳的工艺参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为黑果腺肋花楸，由辽宁富康源黑果花楸科技开发有限公司提供，在超低温冰箱-80℃条件下预冻至共晶点以下，备用。

试验试剂有：甲醇、盐酸，分析纯；原花青素标准品（95%），由今品化学技术（上海）有限公司提供；香草醛，由上海源叶生物科技有限公司提供。

试验仪器包括真空冷冻干燥机（ALPHA2-4 LD plus，德国 Marin Christ公司）、恒温水浴锅（HH-601，常州索奥仪器制造有限公司）、紫外可见分光光度计（T6，北京普析通用仪器有限责任公司）等。

1.2 试验方法

1.2.1 单因素试验。以加热板温度35℃、真空度20 Pa、干燥时间66 h为基本提取条件，进一步探究加热板温度（25、30、35、40、45 ℃）、真空度（10、20、30、40、50 Pa）、干燥时间（48、54、60、66、72 h）3 个因素对黑果腺肋花楸复水比的影响。

1.2.2 响应面优化试验。在单因素试验的基础上，以黑果腺肋花楸复水比为响应值，根据Box-Behnken设计原理进行3因素3水平响应面分析试验，试验因素和水平见表1。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 复水比的测定。参照罗洁莹[16]等的方法，准确称取1 g黑果腺肋花楸干品，30℃恒温水浴中浸泡30 min，取出后用滤纸吸干表面水分，称重，复水后质量与干品质量之比即为复水比，对每批样品进行3次重复测定。

1.3.2 原花青素的测定。精密称取原花青素标准品适量，置于10 mL容量瓶中，加甲醇制得2.5 mg/mL的原花青素对照品溶液，分别精密吸取对照品溶液适量，再用甲醇稀释成 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/mL 不同浓度的原花青素工作液。采用紫外可见分光光度计测定原花青素含量，以原花青素标准品浓度为横坐标（x）、吸光度为纵坐标（y），绘制标准曲线 y=0.8774x-0.015 6，R2=0.999 2，并按下式计算样品中原花青素的含量：

式中，C为样品中原花青素浓度（mg/mL）；V为提取液体积（mL）；m 为样品质量（mg）。

2 结果与分析

2.1 单因素条件对黑果腺肋花楸复水比的影响

2.1.1 加热板温度对黑果腺肋花楸复水比的影响。在真空度20 Pa条件下，真空冷冻干燥66 h，依次用加热板温度为 25、30、35、40、45 ℃进行处理，研究不同加热温度对黑果腺肋花楸复水比的影响。由图1可知，在一定温度范围内，复水比随温度升高而增加。因为适当提高温度有利于增加热源与升华界面的温差，从而提高传热驱动力，更有利于物料干燥。当到达升华界面的最高允许温度后，复水比下降趋势明显。由于过高的外界供热，物料中冰晶融化成液态，冷冻干燥无法进行，最终导致干品中水分超标。因此，加热板温度过高或过低均对黑果腺肋花楸复水比有影响，选择35℃为最佳加热板温度。

图1 加热板温度对黑果腺肋花楸复水比的影响

2.1.2 真空度对黑果腺肋花楸复水比的影响。设定加热板温度为 35℃，依次选择真空度 10、20、30、40、50 Pa，真空冷冻干燥66 h，研究不同真空度对黑果腺肋花楸复水比的影响。由图2可知，由于在升华阶段有大量水蒸气需要捕捉，较低的真空度更有利于干燥，但过低的真空度同时增加了运行费用；当真空度过高时，对流将会减缓，减少了热量传递，升华所生成的蒸汽不能及时排除，蒸汽分压就会升高，物料温度也随之升高融化，出现冒泡现象，不利于干燥过程的进行，因而选择真空度20 Pa为宜。

图2 真空度对黑果腺肋花楸复水比的影响

2.1.3 干燥时间对黑果腺肋花楸复水比的影响。在真空度20 Pa、加热板温度35℃条件下，分别干燥48、54、60、66、72 h，考察不同干燥时间对黑果腺肋花楸复水比的影响。由图3可知，在一段时间内，黑果腺肋花楸复水比随干燥时间延长而增加。一般来说，干燥时间和复水比成正比，时间愈长，干燥愈彻底。从降低成本考虑，选择66 h作为最佳干燥时间。

图3 干燥时间对黑果腺肋花楸复水比的影响

2.2 响应面法优化黑果腺肋花楸干燥工艺

单因素试验结果表明，本试验的最佳提取条件为加热板温度35℃、真空度20 Pa、干燥时间66 h。以黑果腺肋花楸复水比为响应值，根据Box-Behnken设计原理，进行3因素3水平响应面优化试验，试验方案及结果见表2。

表2 响应面法优化黑果腺肋花楸真空冷冻干燥工艺试验设计及结果

2.3 回归模型方差分析

利用Design Expect软件对表2数据进行分析。经回归拟合后，得到黑果腺肋花楸复水比与加热板温度、真空度、干燥时间的线性回归模型方程为：Y=4.51+0.094A+0.28B+0.025C-0.018AB+0.005AC+0.035 BC-0.12A2-0.49B2-0.25C2。由表3可知，模型回归效果高度显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P=0.084 1），说明试验模型拟合程度较好，用此方程得出真空干燥的最佳工艺条件。同时从显著性检验可以看出，影响复水比的主次顺序依次为干燥时间、加热板温度和真空度。

表3 响应面法优化黑果腺肋花楸真空冷冻干燥工艺的回归模型方差分析结果

2.4 响应曲面分析

从图4可以看出，加热板温度与干燥时间的等高线呈椭圆形，说明他们彼此间交互作用显著。真空度与干燥时间的等高线接近圆形，说明真空度与干燥时间的交互作用对复水比的影响较弱。

2.5 原花青素的检测

通过响应面法得到黑果腺肋花楸的最佳干燥条件为加热板温度36.9℃、真空度20.73 Pa、干燥时间67.67 h，此时黑果腺肋花楸复水比为4.57。根据实际操作可以将条件改为加热板温度37℃、真空度21 Pa、干燥时间67.5 h，在此条件下进行试验，得出黑果腺肋花楸复水比为4.58，与预测结果接近，证明该模型结果可靠。以最优工艺条件进行真空冷冻干燥，得到黑果腺肋花楸干品，测定其原花青素的含量，结果为50.72 mg/100 g；同时取70℃鼓风干燥24 h得到的干品，按照同样方法测定原花青素的含量，结果为33.46 mg/100 g。说明在真空冷冻干燥条件下得到的黑果腺肋花楸干品中原花青素含量更高，该工艺更有利于黑果腺肋花楸的储存。

3 结论

通过单因素试验及响应面优化试验研究真空冷冻干燥黑果腺肋花楸的最佳工艺条件，结果表明：影响黑果腺肋花楸复水比的主要因素依次为干燥时间、加热板温度和真空度；黑果腺肋花楸真空冷冻干燥最佳工艺条件为加热板温度37℃、真空度21 Pa、干燥时间67.5 h，黑果腺肋花楸复水比为4.58，与模型预测值接近，其所含原花青素含量优于鼓风干燥产品，该工艺更有利于黑果腺肋花楸的储存。