真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥對(duì)甘肅紫斑牡丹品質(zhì)的影響

趙雪芳 梁 琪 唐 紅 張絲曼 徐寶弟

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省功能乳品工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

牡丹(PaeoniaSect.Moutan.)是芍藥科芍藥屬的多年生落葉灌木，原產(chǎn)于中國(guó)[1]。紫斑牡丹(Paeoniarockii)是中國(guó)第二大本土牡丹品種群[2]，其主要分布于甘肅南部，種植面積超過1 300 hm2。紫斑牡丹花瓣基部均有明顯的紫色大斑塊[3]，花色以白色、粉色、玫紅色為常見，花型為單瓣型和復(fù)瓣型。在《中藥大辭典》中已明確記載了紫斑牡丹的食用價(jià)值和藥用價(jià)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維生素E的10倍、維生素C的20倍[7]，在當(dāng)前已知的抗氧化活性物質(zhì)中位居前列[8]，且其花青素含量和結(jié)構(gòu)決定了牡丹花的顏色[9]。

干燥是可食用花茶制備的關(guān)鍵工藝。目前，國(guó)內(nèi)外食用花干燥技術(shù)主要采用微波輔助加熱干燥[10]、熱風(fēng)干燥[11]、真空冷凍干燥[12]和聯(lián)合干燥[13]等。單一熱風(fēng)干燥工藝對(duì)食用花的質(zhì)構(gòu)破壞嚴(yán)重，使其外觀皺縮變形，色澤褐變。單一真空冷凍干燥是在低溫低壓的傳熱傳質(zhì)過程中進(jìn)行脫水，該干燥工藝雖然對(duì)食用花的揮發(fā)性物質(zhì)破壞程度較小，保持了產(chǎn)品原有的外觀形狀，質(zhì)地較脆，色澤變化較小，但其干燥時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備復(fù)雜且能耗高[14-15]。而熱風(fēng)干燥聯(lián)合真空冷凍干燥可以在提高產(chǎn)品干燥效率的同時(shí)改善品質(zhì)。此外，前期的熱風(fēng)干燥降低食用花水分，有利于實(shí)現(xiàn)“熱風(fēng)干燥—真空冷凍干燥—貯藏”的高品質(zhì)花茶工業(yè)化干燥模式。Ferenczi等[16]提出了真空冷凍與熱風(fēng)聯(lián)合干燥(FHCD)技術(shù)。鄧媛元等[17]研究發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)—真空冷凍聯(lián)合干燥比真空冷凍干燥節(jié)約干燥時(shí)間12.16%，節(jié)約單位能耗25.40%。羅小梅等[18]研究發(fā)現(xiàn)冷凍真空—熱風(fēng)聯(lián)合干燥所制的金花茶花朵綜合品質(zhì)明顯優(yōu)于單一干燥工藝，并能較好地保留花朵中茶多酚活性成分，常溫下(18～22 ℃)貯藏時(shí)間長(zhǎng)、不易變質(zhì)，且干燥效率高于冷凍真空干燥。但有關(guān)FHCD技術(shù)對(duì)紫斑牡丹花冠茶品質(zhì)的影響尚未見報(bào)道。試驗(yàn)擬系統(tǒng)研究采用真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥(FHCD)、變溫?zé)犸L(fēng)干燥(VHD)和真空冷凍干燥(VFD)3種干燥技術(shù)對(duì)紫斑牡丹鮮花進(jìn)行干燥，分析紫斑牡丹花冠茶的活性成分(花青素)和質(zhì)量屬性(含水量、皺縮率、復(fù)水性和感官特性)，并評(píng)估3種干燥工藝的能耗和效率，旨在為提高紫斑牡丹花冠茶的綜合品質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫斑牡丹鮮花：花瓣為白色、粉色和玫紅色，直徑約為12～18 cm，每年4月下旬—6月中旬采摘，甘肅省蘭州市榆中縣官灘溝紫斑牡丹培育基地；

所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

分析天平：FR224CN型，奧豪斯儀器(常州)有限公司；

微波爐：G70F20CN3L-C2(B0)型，廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：GZX-GF101-Ⅱ型，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司；

高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)：TGL-20M型，長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器公司；

可見分光光度計(jì)：UV8500型，上海光譜儀器有限公司；

電熱恒溫水浴鍋：HWS26型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

冷凍干燥機(jī)：SCIENTZ-10ND型，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 原料預(yù)處理 紫斑牡丹鮮花從花蒂下1～2 cm處剪下(保留花萼)，修剪掉花蒂下帶有的綠葉和花梗。整理好花型，按相同尺寸花型和顏色分組放入3個(gè)特制的箱子中，貯藏于甘肅省功能乳品工程實(shí)驗(yàn)室-80 ℃冰箱中。

1.3.2 變溫?zé)犸L(fēng)干燥(VHD)

紫斑牡丹鮮花→微波(功率700 W)殺青1 min→室溫冷卻20 min→80 ℃熱風(fēng)干燥15 min→室溫吸濕回潮20 min→60 ℃熱風(fēng)干燥5 h→室溫吸濕回潮20 min →55 ℃熱風(fēng)干燥至恒重(熱風(fēng)干燥風(fēng)速均為0.3～0.5 m/s)

1.3.3 真空冷凍干燥(VFD) 設(shè)置真空冷凍干燥機(jī)時(shí)間為24 h、真空壓力為40 Pa。將3種顏色紫斑牡丹鮮花放入真空冷凍干燥機(jī)托盤上，花朵間距1～2 cm，冷凍干燥至樣品恒重。

1.3.4 真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥(FHCD) 真空冷凍干燥機(jī)真空壓力40 Pa、干燥時(shí)間12 h，干燥結(jié)束后，測(cè)定紫斑牡丹花冠茶半成品水分含量，采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(溫度60 ℃)干燥至恒重。

1.4 紫斑牡丹花冠茶理化指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 水分含量 按GB 5009.3—2016中的直接干燥法進(jìn)行。水分含量按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：

M——水分含量，%；

W1——干燥前紫斑牡丹鮮花重量，g；

W2——干燥后紫斑牡丹花冠茶重量，g。

1.4.2 花青素含量 根據(jù)文獻(xiàn)[19]稍作修改。將紫斑牡丹花瓣剪成寬1 mm左右的細(xì)絲，用分析天平稱量3種顏色鮮花細(xì)絲各1 g，并置于50 mL錐形瓶中，加入10 mL、0.1 mol/L的HCl溶液，32 ℃水浴提取4 h，6 000 r/min冷凍離心10 min，上清液用0.1 mol/L HCl溶液稀釋10倍，測(cè)定530 nm處吸光度。以每克花瓣細(xì)絲在10 mL、0.1 mol/L的HCl浸提液中的吸光度A=0.1為一個(gè)花青素單位(U)。上述試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

1.4.3 皺縮率 根據(jù)文獻(xiàn)[20]稍作修改：將花瓣在A4紙上沿邊緣準(zhǔn)確畫線并剪下，準(zhǔn)確稱量其重量，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)面積紙張重量，并按式(2)計(jì)算花瓣面積。

(2)

式中：

Z——皺縮率，%；

S1——干燥后花瓣面積，cm2；

S2——鮮花花瓣面積，cm2。

1.4.4 復(fù)水性 根據(jù)文獻(xiàn)[21]稍作修改：將紫斑牡丹花冠茶花瓣于80 ℃蒸餾水中浸泡30 min，3 000 r/min離心1 min，準(zhǔn)確稱量其重量，并按式(3)計(jì)算其復(fù)水性。

(3)

式中：

F——復(fù)水性，%；

W1——復(fù)水前紫斑牡丹花冠茶重量，g；

W2——復(fù)水后紫斑牡丹花冠茶重量，g。

1.5 能耗計(jì)算

1.5.1 真空冷凍干燥能耗 根據(jù)文獻(xiàn)[16]。

W=P1×t1，

(4)

式中：

W——真空冷凍干燥能耗，kW·h；

P1——電功率，kW；

t1——消耗時(shí)間，h。

1.5.2 熱風(fēng)干燥能耗 根據(jù)文獻(xiàn)[16]。

W=0.1×P2×t2，

(5)

式中：

W——熱風(fēng)干燥能耗，kW·h；

P2——電功率，kW；

t2——消耗時(shí)間，h。

1.6 紫斑牡丹花冠茶品質(zhì)評(píng)價(jià)

采用盲樣評(píng)定法對(duì)3種干燥方法下的紫斑牡丹花冠茶進(jìn)行評(píng)分。利用感官加權(quán)計(jì)算最終得分。其中花冠茶干制品形態(tài)和氣味占30%，茶湯顏色占20%，茶湯中形態(tài)占30%，茶湯氣味和口味占20%，感官評(píng)價(jià)表總分100分，感官評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)見表1。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

所有試驗(yàn)重復(fù)3次，采用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析和Pearson相關(guān)性分析，用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 FHCD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量變化

采用FHCD干燥紫斑牡丹花冠茶過程中，真空冷凍和熱風(fēng)聯(lián)合干燥的順序是影響花冠茶品質(zhì)的重要因素之一，先熱風(fēng)干燥再真空冷凍干燥的花冠茶品質(zhì)更接近熱風(fēng)干燥的花冠茶品質(zhì)；先真空冷凍干燥再熱風(fēng)干燥的花冠茶品質(zhì)更接近真空冷凍干燥的花冠茶品質(zhì)，該順序干燥的產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高效。FHCD下的紫斑牡丹花冠茶的水分含量變化見表2。

表2 FHCD工藝加工的紫斑牡丹花冠茶水分含量變化?

由表2可知，紫斑牡丹花在真空冷凍干燥階段(VFD)和熱風(fēng)干燥階段(HD)含水量均大幅下降。紫斑牡丹鮮花含水量為78.09%，在VFD階段花冠茶含水量減少了25.04%，在HD(溫度60 ℃，時(shí)間3 h)階段花冠茶含水量減少了58.05%。HD階段初期(0.0～1.5 h)紫斑牡丹花冠茶水分含量快速下降，到HD階段后期(1.5～3.0 h)其水分含量下降速率明顯減慢。這是由于干燥初期(0.0～1.5 h)花冠茶含水量較高，且牡丹花瓣薄(厚度為0.03～0.10 mm)，花瓣中的水分?jǐn)U散到花瓣表面后快速被蒸發(fā)，花瓣結(jié)構(gòu)收縮，內(nèi)部水分?jǐn)U散受阻。

2.2 干燥工藝對(duì)紫斑牡丹花冠茶含水量的影響

由圖1可知，F(xiàn)HCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量差異顯著(P<0.05)。VFD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量最高，該工藝下的花冠茶水分含量比FHCD和VHD的分別高14.82%和16.56%，是由于VHD過程中干燥初期(0～3 h)溫度高，干燥時(shí)間長(zhǎng)(7 h)，所以產(chǎn)品含水量低。FHCD和VHD下的紫斑牡丹花冠茶水分含量分別為9.46%和7.72%，均低于GH/T 1091—2014代用茶中花類安全水分含量(13%)。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.3 干燥工藝對(duì)紫斑牡丹花冠茶花青素含量的影響

花青素對(duì)pH、光、氧氣、溫度等有較強(qiáng)的敏感性[22-23]，因此在紫斑牡丹花冠茶加工過程中防止花青素被破壞是重點(diǎn)。由圖2可知，3種顏色的紫斑牡丹鮮花和花冠茶中的花青素含量差異顯著(P<0.05)。紫斑牡丹鮮花中花青素含量規(guī)律為玫紅色>粉色>白色，玫紅色紫斑牡丹鮮花中花青素含量比粉色和白色分別高7.70%和9.44%，是由于不同顏色的紫斑牡丹花花青素含量和結(jié)構(gòu)不同[24]。3種顏色的紫斑牡丹用不同干燥工藝加工后花青素含量均相應(yīng)減少，同種顏色不同干燥工藝下的花冠茶花青素含量差異顯著(P<0.05)。其中FHCD下的花冠茶花青素含量是VHD的2倍，且該工藝下的花冠茶的保真性最好，是由于快速而短暫地加熱能減少產(chǎn)品中抗氧化物質(zhì)的破壞，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，花冠茶中的生物活性物質(zhì)(花青素)也隨之減少，F(xiàn)HCD工藝有效保留了花冠茶中花青素含量。這與Samoticha等[25]的結(jié)果類似。Lu等[26]研究發(fā)現(xiàn)40 ℃低溫?zé)犸L(fēng)干燥法和真空冷凍干燥可以有效保留花茶中的活性成分。試驗(yàn)所用的牡丹花冠茶較其他花茶外形大很多[27]，為了提高干燥效率且防止花冠茶長(zhǎng)時(shí)間暴露于有氧的熱環(huán)境中，所以FHCD工藝中熱風(fēng)干燥階段的溫度為60 ℃。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.4 干燥工藝對(duì)紫斑牡丹花冠茶皺縮率和復(fù)水性的影響

由圖3可知，F(xiàn)HCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶的皺縮率差異顯著(P<0.05)，其中VHD下的紫斑牡丹花冠茶皺縮率最大，為66.67%，該工藝下的花冠茶皺縮率比VFD的高28.71%，是由于VHD過程中干燥溫度高、干燥時(shí)間長(zhǎng)，其產(chǎn)品花瓣結(jié)構(gòu)變化嚴(yán)重，所以產(chǎn)品皺縮率最大。FHCD下的花冠茶皺縮率比VHD的減小了13.82%，由于FHCD過程中真空壓力小、干燥溫度低，所以產(chǎn)品皺縮率減小。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

FHCD、VHD和VFD下的紫斑牡丹花冠茶間的復(fù)水性差異顯著(P<0.05)。其中，F(xiàn)HCD下的紫斑牡丹花冠茶復(fù)水性比VHD的高58.24%。這是由于FHCD過程中花冠茶中的水分先冷凍后升華，使得花瓣質(zhì)地松脆，所以其復(fù)水性好。

2.5 FHCD下花冠茶參數(shù)間的相關(guān)性

由表3可知，F(xiàn)HCD下的4個(gè)指標(biāo)間均存在正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。其中花冠茶的花青素含量與復(fù)水性和含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.741和0.738，由于花冠茶加熱時(shí)間越長(zhǎng)含水量越低，從而破壞了花冠茶的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和花青素結(jié)構(gòu)?；ü诓璧陌櫩s率與含水量和花青素含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.992和-0.749，因?yàn)榘櫩s使得花冠茶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致花冠茶中花青素被破壞。

表3 FHCD下花冠茶參數(shù)間的相關(guān)性?

2.6 3種干燥工藝的干燥效率

由表4可知，VFD的干燥時(shí)間比FHCD和VHD的分別長(zhǎng)9，17 h。由于VFD過程中產(chǎn)品受真空壓力和干燥時(shí)間的影響，該工藝的干燥周期長(zhǎng)(24 h)且真空壓力低(40 Pa)，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)效率低且耗能最大。與VFD相比，F(xiàn)HCD的干燥效率提高了1倍，且節(jié)約能耗51.79%，因?yàn)椴捎寐?lián)合干燥法縮短了干燥時(shí)間，所以能量消耗降低，與Agnieszka等[28]和Qiu等[29]的結(jié)果類似。

表4 3種工藝的干燥時(shí)間和能耗

2.7 紫斑牡丹花冠茶感官評(píng)價(jià)及產(chǎn)品圖例

由圖4可知，VHCD下的花冠茶感官評(píng)價(jià)得分最高，為89分，且該工藝下的花冠茶品質(zhì)最好，是由于該干燥工藝綜合考慮了影響花冠茶品質(zhì)的因素，并且結(jié)合了HD和VFD的優(yōu)點(diǎn)(熱風(fēng)干燥時(shí)間降低為3 h，熱風(fēng)干燥溫度降低為60 ℃，花冠茶的大量水分通過升華的方式排出)。其次是VFD下的花冠茶得分(80分)，VHD下的花冠茶感官評(píng)價(jià)綜合得分最低，為62分。因?yàn)镕HCD下的產(chǎn)品花青素含量降低得較少(從14.96%下降到8.63%)，花瓣的細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整，所以FHCD下的花冠茶感官品質(zhì)優(yōu)于VHD和VFD的。

圖4 3種工藝下的紫斑牡丹花冠茶感官評(píng)價(jià)

采摘的鮮花直徑大約為12～18 cm，F(xiàn)HCD下的花冠茶直徑減小到原來的3/5～4/5，花冠茶高1.0～1.5 cm，外觀立體飽滿、朵型大、產(chǎn)品美觀，VHD下的花冠茶直徑減小到原來的2/5，花冠茶高2.3～2.5 cm，外觀立體朵型小、產(chǎn)品干脆易碎、美觀性差。采用VHD干燥的花冠茶結(jié)構(gòu)破壞最大，且紫斑牡丹花瓣細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量孔洞，與干燥水果、蔬菜和其他食品中的結(jié)果類似[30-31]。

3 結(jié)論

采用真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥、變溫?zé)犸L(fēng)干燥和真空冷凍干燥對(duì)紫斑牡丹花進(jìn)行干燥，分析花冠茶的活性成分(花青素含量)和質(zhì)量屬性(水分含量、皺縮率和復(fù)水性)，并分析其節(jié)能性和生產(chǎn)效率。結(jié)果表明，真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥下的花冠茶優(yōu)質(zhì)，產(chǎn)品花青素含量高(8.63%)、復(fù)水性好(491.52%)、水分含量低(9.46%)，皺縮褐變不嚴(yán)重且高效節(jié)能。與變溫?zé)犸L(fēng)干燥相比，真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥下的產(chǎn)品花青素含量、復(fù)水性分別增加了3.95%和52.24%，其干燥時(shí)間是真空冷凍干燥的1/2，且節(jié)約51.79%的能耗。真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥下的花冠茶外觀飽滿(直徑7.2～14.4 cm)，其感官品質(zhì)最佳(感官評(píng)分89分，朵型大，優(yōu)美綻放)。因此，真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥綜合了變溫?zé)犸L(fēng)干燥和真空冷凍干燥的優(yōu)點(diǎn)，最大程度地降低了干燥處理對(duì)紫斑牡丹花冠茶結(jié)構(gòu)和活性成分的破壞。但是在采用真空冷凍—熱風(fēng)聯(lián)合干燥紫斑牡丹花冠茶過程中花冠茶褐變和活性成分(花青素)被破壞的具體時(shí)間點(diǎn)尚不清楚，后續(xù)可探尋該臨界點(diǎn)，并且采取有效保護(hù)措施，從而提高產(chǎn)品綜合品質(zhì)，為紫斑牡丹花冠茶的干燥工藝提供精確的理論參數(shù)。