響應面法優(yōu)化杭白菊烘干工藝研究

（清遠加多寶草本植物科技有限公司，廣東清遠511675）

菊花為菊科植物菊（Chrysanthemum morifolium Ramat.）的干燥頭狀花序[1]，有散風清熱、平肝明目、清熱解毒等功效，主治頭痛、眩暈、目赤、心胸煩熱、疔瘡、腫毒等癥[2]。菊花含有咖啡?；鼘幩犷?、黃酮類、三萜類、甾醇類、揮發(fā)油等化學成分[3-4]，具有抗菌、抗炎、抗病毒、抗氧化、抗突變、抗腫瘤等多種生物活性[5-8]。按產(chǎn)地和加工方法不同，菊花可分為杭菊、亳菊、貢菊、滁菊、祁菊、懷菊、濟菊、黃菊八大品種，其中杭菊產(chǎn)量最大。菊花品質(zhì)與其品種、種植環(huán)境、產(chǎn)后加工方式有關，菊花的加工方式有蒸制曬干、硫熏曬干、熱風干燥、微波干燥、真空干燥、遠紅外干燥等[9-11]。曬干工藝簡單易行，但耗時長，產(chǎn)品品質(zhì)受環(huán)境影響大；硫熏可提高干燥速率，但是會對產(chǎn)品造成污染，此方法已被禁用于菊花的生產(chǎn)；微波、真空、遠紅外干燥菊花品質(zhì)較好，但設備投資大、成本高，而菊花生產(chǎn)廠家以小型散戶為主，對設備投資能力較小；熱風干燥法投資小、干燥快速、統(tǒng)一、衛(wèi)生，目前廣泛應用于菊花加工[12]。

菊花烘干過程是一個失水與功效成分損失并存的過程，其質(zhì)量與烘干溫度、烘干時間、回潮時間、復烘溫度、復烘時間。綠原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎寧酸等功效指標含量常用于菊花質(zhì)量評價。響應面分析法通過建立數(shù)學模型來解決受多種因素影響的最優(yōu)組合問題，用于確定各因素及其交互作用在工藝過程中對響應值的影響[13-17]。本研究以杭白菊為原料，探討菊花蒸汽殺青-烘干工藝，首次應用響應面法對菊花烘干工藝進行優(yōu)化，以期為杭白菊工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

新鮮杭白菊：浙江桐鄉(xiāng)；綠原酸、木犀草苷、3，5-o-二咖啡酰基奎寧酸：中國藥品生物制品檢定所；甲醇、乙腈、磷酸（均為色譜純）：霍尼韋爾（中國）有限公司。

1.2 儀器及設備

FD115熱風循環(huán)烘箱：德國Binder公司；XL-10B密封型搖擺式粉碎機：廣州市旭朗機械設備有限公司；Agilent 1260 HPLC色譜儀：安捷倫科技（中國）有限公司；BSA224S-CW電子天平：賽多利斯科學儀器（北京）有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 菊花加工工藝流程

1.3.2 蒸汽殺青工藝

常見殺青方法有高溫殺青、蒸汽蒸制殺青、微波殺青等。高溫殺青時間長、微波殺青菊花易烤焦，且設備改良投資大，蒸汽殺青時間短、效率高、品質(zhì)好，本研究主要考察蒸汽殺青對菊花品質(zhì)的影響。將煮鍋中放入2/3的水，在電磁爐上燒開沸騰后并有水蒸氣溢出時，取一定量花瓣完整、無霉變、褐變的新鮮菊花，平鋪于隔板上蒸制，平鋪厚度控制為2～3朵花，計時，分別殺青 20、40、60、80、100 s后，關閉電磁爐，打開鍋蓋，取出菊花，均勻平攤在托盤內(nèi)，取適量測定綠原酸的含量，同時觀察殺青后菊花感官品質(zhì)，考察殺青時間對菊花品質(zhì)的影響。

1.3.3 菊花烘干工藝

以綠原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡?；鼘幩岷繛橹笜耍O計單因素試驗考查烘干溫度、烘干時間、回潮時間、復烘溫度、復烘時間對菊花品質(zhì)的影響，并在單因素試驗結(jié)果基礎上，采用響應面法確定菊花的最佳烘干條件。

1.3.3.1 單因素試驗

在1.3.2確定的菊花蒸汽殺青工藝下，進一步對菊花烘干工藝進行研究。烘干溫度采用50、60、70、80℃4 個水平，烘干時間采用 3、4、5、6 h 4 個水平，回潮時間采用24、48、72 h 3個水平，復烘溫度采用50、60、70℃3個水平，復烘時間采用1、2、3、4 h 4個水平，以綠原酸、木犀草苷、3，5-oO-二咖啡?；鼘幩岷繛樵u價指標，分別考察烘干溫度、烘干時間、回潮時間、復烘溫度、復烘時間對菊花品質(zhì)的影響。

1.3.3.2 響應面試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，控制回潮時間為48 h，采用四因素三水平響應面法，以烘干溫度、烘干時間、復烘溫度、復烘時間4個因素為自變量，以綜合指標為響應值（其中綜合指標/%=0.4×綠原酸含量+0.3×木犀草苷含量+0.3×3，5-O-二咖啡?；鼘幩岷浚瑧肂ox-Behnken設計模型優(yōu)化和預測菊花最佳烘干條件。試驗因素和水平設計見表1。

表1 響應面試驗設計表Table 1 Experimental design of RSM

1.3.4 菊花指標測定

1.3.4.1 水分測定

參考《中華人民共和國藥典-2015版》（通則0832第二法）檢測方法進行測定[1]。

1.3.4.2 綠原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎寧酸含量測定

參考《中華人民共和國藥典-2015版》（高效液相色譜法（通則0512））檢測方法進行測定[1]，綠原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡?；鼘幩岷烤愿苫嫛?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 菊花殺青工藝確定

鮮菊花在采摘以后會在內(nèi)源酶的作用下發(fā)生品質(zhì)劣變，如褐變、功效成分降低等，需采取一定的措施遏制這種劣變趨勢，研究表明蒸汽殺青可滅活絕大部分的過氧化物酶和多酚氧化酶[18]，顯著降低菊花因褐變導致的功效成分降低，極大的改善干燥菊花品質(zhì)，且可使菊花組織軟化有利于后續(xù)干燥的進行；殺青不足，殘存酶活力大，使菊花發(fā)生酶促褐變，功效成分酶解損失，殺青過度，菊花有過熟味，菊花香氣損失殆盡；因此適宜的殺青時間有助于提高菊花干制品品質(zhì)。圖1為不同殺青時間下菊花綠原酸含量結(jié)果。

圖1 不同殺青時間下菊花綠原酸含量Fig.1 Variations of chlorogenic acid of chrysanthemum steamblanched for different streaming time

圖1可知，蒸汽殺青80 s，綠原酸含量最高（0.356%），此時菊花綠原酸保留率為92%，殺青后菊花香氣突出，無過熟味，放置后無褐變，從能耗和效率考慮，殺青工藝確定為蒸汽殺青80 s。

2.2 菊花烘干工藝的確定

2.2.1 單因素試驗結(jié)果

2.2.1.1 烘干溫度對菊花品質(zhì)的影響

不同烘干溫度對菊花品質(zhì)的影響結(jié)果見圖2。

圖2 不同烘干溫度對菊花品質(zhì)的影響Fig.2 Variations of quality of chrysanthemum for different drying temperatures

由圖2可知，菊花綠原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎寧酸含量隨烘干溫度升高逐漸增加，70℃時達最大，此后隨烘干溫度繼續(xù)增加，含量下降?？赡茉蚴堑蜏叵拢栈ㄊ俣嚷?，高濕環(huán)境且溫度適宜情況下，在殘余酶活的作用下菊花功效成分酶解損失，此后隨溫度升高，菊花失水速率增加，同時高溫對殘余酶形成一定的抑制作用，菊花功效成分損失降低，隨著溫度進一步增加，菊花功效成分受熱分解損失含量降低；所以，70℃烘干，菊花品質(zhì)保存較好。

2.2.1.2 烘干時間對菊花品質(zhì)的影響

2017年，國家食品藥品監(jiān)督管理總局藥品審評中心副主任尹紅章因受賄罪被判處有期徒刑10年，同時獲刑的還有其妻子、兒子。法院查明，2002年至2014年間，尹一家三口共收取多家生物制藥企業(yè)給予的財物共356萬余元。

不同烘干時間對菊花品質(zhì)的影響結(jié)果見圖3。

圖3 不同烘干時間對菊花品質(zhì)的影響Fig.3 Variations of quality of chrysanthemum for different drying time

由圖3可知，70℃下烘干4 h菊花功效成分含量最高，可見適宜的烘干時間有助于菊花品質(zhì)的保存。

2.2.1.3 回潮時間對菊花品質(zhì)的影響

不同回潮時間對菊花品質(zhì)的影響結(jié)果見圖4。

圖4 不同回潮時間對菊花品質(zhì)的影響Fig.4 Variations of quality of chrysanthemum for moisture regaining time

由圖4可知，菊花功效成分隨回潮時間延長含量增加，回潮48 h后，含量變化不大，所以，選擇回潮時間為48 h。

2.2.1.4 復烘溫度對菊花品質(zhì)的影響

菊花各部位因含水量及組織結(jié)構(gòu)不同，干燥過程失水速率不一，張曉辛等[10]研究表明，失水速率：花瓣＞整花＞花芯。若連續(xù)干燥可造成菊花花瓣因過干而剝落，影響菊花整體品質(zhì)，工廠上一般將菊花干燥一定時間后進行回潮，使花瓣、花芯水分均一后再進行復烘，達到菊花品質(zhì)要求。可見，復烘有助于保持菊花良好的品質(zhì)。不同復烘溫度對菊花品質(zhì)的影響結(jié)果見圖5。

圖5 不同復烘溫度對菊花品質(zhì)的影響Fig.5 Variations of quality of chrysanthemum for re-drying temperature

由圖5可知，復烘溫度對菊花功效成分有一定的影響。因高溫導致菊花功效成分受熱分解，70℃復烘時菊花功效成分含量降低，而60℃復烘時菊花品質(zhì)保存較好。

2.2.1.5 復烘時間對菊花品質(zhì)的影響

不同復烘時間對菊花品質(zhì)的影響結(jié)果見圖6。

圖6 不同復烘時間對菊花品質(zhì)的影響Fig.6 Variations of quality of chrysanthemum for re-drying time

由圖6可知，復烘1 h～3 h，菊花功效成分含量相差不大，超過3 h，菊花功效成分顯著降低，可見，復烘時間控制在3 h內(nèi)有助于菊花品質(zhì)的保留。

2.2.2 響應面法優(yōu)化菊花烘干工藝

根據(jù)單因素試驗的結(jié)果，控制回潮時間為48 h，以烘干溫度、烘干時間、復烘溫度、復烘時間作為因素，以綜合指標為響應值，用Box-Behnken設計試驗，試驗方案及結(jié)果見表2。

表2 響應面分析試驗及結(jié)果Table 2 Design and results of RSM

2.2.2.1 模型建立及顯著性分析

所得的試驗數(shù)據(jù)采用Design Expert 6.15軟件進行多元回歸擬合，以綜合指標為響應值，得到以綜合評價指標為目標函數(shù)的二次回歸方程：

該方程的相關系數(shù)R2=0.983 3，變異系數(shù)（C.V.）為3.05，在可接受范圍內(nèi)。方差分析見表3。

由表3分析結(jié)果可知，整體模型極為顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P=0.083 5＞0.05），說明方程和試驗擬合較好，可用于菊花最佳烘干工藝的預測[19-20]?；貧w模型的校正決定系數(shù)R2Adj為0.966 7，說明有96.67%的數(shù)據(jù)的變異性可由此模型來解釋。Adeq Precision用來檢測噪音信號的比率，反映模型的信噪比，比值大于4是可行的，本試驗Adeq Precision為25.933，信號適中，說明此模型可對試驗結(jié)果進行準確預測。一次項A、B、C對菊花綜合指標影響顯著，其中A因素影響極顯著，D對菊花綜合指標影響不顯著，此結(jié)果與單因素試驗結(jié)果吻合。二次項AB、AC、AD、BD、CD對菊花綜合指標均有顯著影響，其中AD、AC、BD交互影響極顯著，BC交互影響不顯著，說明各具體試驗因素對響應值的影響不是簡單的線性關系，除烘干時間與復烘溫度外，其他因素間均存在一定的交互作用，其中烘干溫度與復烘時間、烘干時間與復烘時間對菊花綜合指標極顯著，說明菊花品質(zhì)與首次烘干溫度和總體烘干時間關系密切。由F判斷，在試驗條件范圍內(nèi)：4個因素對菊花綜合指標影響次序為：烘干溫度＞復烘溫度＞烘干時間＞復烘時間；各因素間交互作用影響次序為：烘干時間與復烘時間＞烘干溫度與復烘時間＞烘干溫度與復烘溫度＞復烘溫度與復烘時間＞烘干溫度與烘干時間＞烘干時間與復烘溫度。

表3 響應面方差分析Table 3 Analysis of variance of RSM

2.2.2.2 烘干工藝的響應面分析與優(yōu)化

響應面圖形是響應值對各試驗因子A、B、C、D所構(gòu)成的三維空間的曲面圖，反應最佳參數(shù)及各參數(shù)之間的相互作用。用Design Expert 6.15軟件，依回歸方程式繪制響應面圖7。

從圖7中可以看出，6個響應面均為開口向下的凸型曲線，說明響應值（綜合指標）存在極大值。

圖7 交互因素對菊花綜合指標的影響響應面曲線圖Fig.7 Chart on effects of interaction factors on the comprehensive index of chrysanthemum

2.2.2.3 烘干工藝的確定

在選取的各因素范圍內(nèi)，由Design Expert 6.15軟件分析得出，菊花最佳烘干工藝為：烘干溫度67.8℃，烘干時間3.86 h，復烘溫度58.33℃，復烘時間2.35 h，綜合指標預測值為0.458%?？紤]實際操作的可行性，確定菊花最佳烘干工藝為烘干溫度68℃，烘干時間3.9 h，復烘溫度58℃，復烘時間2.4 h。為驗證預測結(jié)果的可信度，在該最佳條件下重復3次，得菊花平均綜合指標為0.460%（菊花含綠原酸0.34%、木犀草苷0.2%、3，5-O-二咖啡?；鼘幩岷?.88%，水分含量10.5%），與預測值0.458%基本一致（相對誤差0.44%），較單因素最佳烘干工藝得到的菊花綜合指標提高了4.07%。說明回歸方程與實際情況擬合很好，能夠真實地反映篩選因素對菊花綜合指標的影響，且對菊花品質(zhì)有一定改善，對菊花烘干工藝的研究具有指導意義。

3 結(jié)論

菊花蒸汽殺青80 s，菊花綠原酸含量最高，保留率在92%。響應面法可用于菊花最佳工藝的優(yōu)化，通過響應面法得到菊花最佳烘干工藝為：蒸汽殺青80 s后于68℃烘干3.9 h，室溫回潮48 h，然后再在58℃下復烘2.4 h，得到的菊花品質(zhì)較佳，綜合指標為0.460%，其中綠原酸含量0.34%，木犀草苷含量0.2%，3，5-O-二咖啡?；鼘幩岷?.88%，水分含量10.5%。