復(fù)合干燥對(duì)紫薯全粉細(xì)胞破損及花青素含量的影響

韋 璐，陳 悅，顧晶晶，高 路

(沈陽(yáng)師范大學(xué) 糧食學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110034)

紫薯(purple sweet potato)，薯肉呈紫色或深紫色，屬旋花科、番薯屬。紫薯除富含花色苷類(lèi)色素、硒元素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分外[1-2]，還含有黃酮、綠原酸等抗氧化、增強(qiáng)人體免疫力等作用的物質(zhì)[3-5]。紫薯還是“生理堿性”食物，可保持人體內(nèi)的酸堿平衡[6-7]。

新鮮紫薯經(jīng)去皮、蒸煮、干燥、粉碎等加工工藝制成的粉末狀產(chǎn)品即為紫薯全粉。紫薯全粉最大限度地保留了紫薯的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[8]，是薯類(lèi)中高級(jí)增值產(chǎn)品[9]。目前，在紫薯全粉的加工過(guò)程中，全粉的干燥方法主要有熱風(fēng)、冷凍、微波干燥，這3種干燥方式各有利弊[10]。熱風(fēng)干燥成本低廉、操作簡(jiǎn)單，但干燥成品營(yíng)養(yǎng)成分有損失[11-12]；冷凍干燥較好地保留了成品的營(yíng)養(yǎng)成分和色澤，但干燥時(shí)間長(zhǎng)，成本高且能耗大[13-14]。研究不同干燥方法對(duì)紫薯全粉品質(zhì)特性的影響，對(duì)紫薯全粉加工品質(zhì)的改善具有重要意義[15-16]。熱風(fēng)- 冷凍復(fù)合干燥方法在紫薯全粉加工技術(shù)研究中少見(jiàn)報(bào)道。本研究擬采用先熱風(fēng)干燥再冷凍干燥的復(fù)合干燥方法，以紫薯全粉的碘藍(lán)值為指標(biāo)，分析復(fù)合干燥方法對(duì)紫薯全粉細(xì)胞破損的影響，同時(shí)探討紫薯全粉花青素含量與紫薯全粉細(xì)胞破損之間的關(guān)系，希望為紫薯全粉細(xì)胞抗破損加工技術(shù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮紫薯(紫羅蘭)，產(chǎn)地山東濟(jì)南；檸檬酸(分析純)，天津市北辰方正試劑廠；植酸、鹽酸(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)；L-半胱氨酸(分析純)，天津市大茂化學(xué)試劑廠；抗壞血酸鈣、單硬脂酸甘油酯(食品級(jí))，河南圣斯德實(shí)業(yè)有限公司；碘化鉀(分析純)，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司；碘(分析純)，天津市鼎盛鑫化工有限公司；95%乙醇(分析純)，沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

AL104-IC型電子天平，梅特勒- 托利多儀器(上海)有限公司；UV-5100型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司；HH- 4型數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海皓莊儀器有限公司；RRHP-200型萬(wàn)能高速粉碎機(jī)，歐凱萊芙實(shí)業(yè)公司(香港)；GFL-125型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市萊玻特瑞儀器設(shè)備有限公司；Scientz-12N型冷凍干燥機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1紫薯全粉加工工藝流程及操作要點(diǎn)

挑選未發(fā)芽、未腐敗變質(zhì)的新鮮紫薯清洗后去皮。將去皮紫薯切片備用，每片厚度約0.3 cm。將紫薯片浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%檸檬酸、0.35%植酸、0.3% L-半胱氨酸的復(fù)合護(hù)色劑中護(hù)色20 min，防止氧化變色。將護(hù)色后的紫薯片放入125 μg/mL抗壞血酸鈣溶液中浸漬20 min，以增強(qiáng)紫薯細(xì)胞壁強(qiáng)度。將護(hù)色、浸鈣后的紫薯片于66 ℃預(yù)煮11 min,以增強(qiáng)紫薯細(xì)胞抗破損能力。將預(yù)煮后的紫薯片置于蒸鍋中蒸煮9 min。蒸煮過(guò)程有利于紫薯細(xì)胞間的分離，避免細(xì)胞破碎。將蒸煮后的紫薯片搗碎制泥，同時(shí)添加已均質(zhì)的乳化劑，添加量為紫薯泥質(zhì)量的2.5%，乳化劑可起到分散劑作用，降低紫薯泥黏性。干燥前紫薯泥的含水率為65%，采用熱風(fēng)干燥和冷凍干燥相結(jié)合的復(fù)合干燥方法干燥紫薯泥。熱風(fēng)干燥過(guò)程中翻攪紫薯泥三、四次，使紫薯泥干燥均勻，測(cè)定中間轉(zhuǎn)換含水率后再進(jìn)行冷凍干燥至水分含量為6%。用萬(wàn)能粉碎機(jī)將干燥后的紫薯泥粉碎，再過(guò)100目篩，即為紫薯全粉成品。

1.3.2碘藍(lán)值測(cè)定

碘藍(lán)值可反映細(xì)胞破損程度：碘藍(lán)值越大，說(shuō)明游離淀粉多，細(xì)胞破損嚴(yán)重；反之，碘藍(lán)值越小，游離淀粉越少，細(xì)胞破損較少，細(xì)胞完整性好。參考文獻(xiàn)[17-18]的碘藍(lán)值測(cè)定方法：在50 mL容量瓶中加蒸餾水近刻度線，將容量瓶置于65.5 ℃水浴鍋中預(yù)熱；稱(chēng)取0.25 g紫薯全粉于50 mL燒杯中，將預(yù)熱的蒸餾水定容并倒入燒杯中，在65.5 ℃水浴鍋中保溫并不斷攪拌5 min，靜置1 min后過(guò)濾；在50 mL顯色管中加5 mL濾液和1 mL 0.02 mol/L碘標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容；取1 mL 0.02 mol/L碘標(biāo)液定容至50 mL，作為空白并調(diào)零。在波長(zhǎng)650 nm處測(cè)定樣品吸光度。碘藍(lán)值計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

A=E×54.2+5。

(1)

式(1)中，A是碘藍(lán)值，E是樣品吸光度。

1.3.3花青素含量測(cè)定

花青素含量可反映紫薯全粉加工過(guò)程中細(xì)胞破損情況?；ㄇ嗨睾康臏y(cè)定根據(jù)尹晴紅等[19]的總花色苷測(cè)定方法并加以改動(dòng)：取紫薯全粉1 g，加入提取劑(含1 mol/L鹽酸的95%乙醇，乙醇與鹽酸的體積比為85∶15)，紫薯全粉與提取劑的質(zhì)量比為1∶20；加入提取劑后立即放入50 ℃恒溫水浴鍋中浸提1 h，取出后過(guò)濾，再浸提一次，將兩次的濾液合并；取0.5 mL濾液稀釋20倍，用提取劑作空白，在波長(zhǎng)535 nm下測(cè)定濾液吸光度，按照式(2)計(jì)算花色苷含量。

(2)

式(2)中：w(總花色苷)，mg/100 g；98.2為花色苷的分子消光系數(shù)。

1.3.4復(fù)合干燥紫薯全粉的單因素實(shí)驗(yàn)

分3組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組各取200 g紫薯泥放于培養(yǎng)皿中，樣品厚度為3 mm，再將培養(yǎng)皿放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中。第一組分別在50、60、70、80、90 ℃下干燥至水分含量為30%(此時(shí)的水分含量即為中間轉(zhuǎn)換含水率)，再在冷凍干燥7 h的條件下將樣品干燥至水分含量為6%；第二組選取中間轉(zhuǎn)換含水率分別為25%、30%、35%、40%、45%，在熱風(fēng)干燥溫度60 ℃及冷凍干燥時(shí)間7 h條件下進(jìn)行干燥；第三組在熱風(fēng)干燥溫度60 ℃、中間轉(zhuǎn)換含水率30%的條件下，將培養(yǎng)皿置于-20 ℃冰柜中預(yù)凍8 h以上，分別冷凍干燥5、7、9、11、13 h。將3組干燥樣品粉碎過(guò)100目篩制成紫薯全粉，并測(cè)定碘藍(lán)值及花青素含量，每個(gè)樣品做5個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel計(jì)算數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差；采用Origin Pro 9.1軟件繪圖，且對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化，圖像中的誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差；采用Design-Expert V8.0.6.1軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型；采用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風(fēng)干燥溫度對(duì)紫薯全粉細(xì)胞破損和花青素含量的影響

選擇不同的熱風(fēng)干燥溫度(干燥時(shí)間不超過(guò)10 h，具體以中間轉(zhuǎn)換含水率的取值為準(zhǔn))，在中間轉(zhuǎn)換含水率為30%，冷凍干燥時(shí)間為7 h的條件下，將紫薯泥從含水率65%干燥到水分含量為6%，粉碎后過(guò)篩，制成紫薯全粉，然后測(cè)定碘藍(lán)值及花青素含量。圖1為碘藍(lán)值隨熱風(fēng)干燥溫度的變化情況，圖2為花青素含量隨熱風(fēng)干燥溫度的變化情況。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 熱風(fēng)干燥溫度對(duì)紫薯全粉碘藍(lán)值的影響Fig.1 Effects of hot air drying temperatures on iodine blue value of purple sweet potato granules

從圖1可知，熱風(fēng)干燥溫度升高的過(guò)程中，紫薯全粉的碘藍(lán)值前期減小又增大，隨后再次減小。當(dāng)干燥溫度在50～60 ℃，碘藍(lán)值下降很快，這可能是因?yàn)楦稍餃囟鹊纳仙龑?dǎo)致紫薯泥表面水分蒸發(fā)變快，內(nèi)部水分會(huì)緩慢擴(kuò)散至表面，淀粉顆粒沒(méi)有充足的水分溶脹，不會(huì)使紫薯泥細(xì)胞破裂，因此游離淀粉較少，碘藍(lán)值低。干燥溫度在60 ℃時(shí)，碘藍(lán)值為6.26，此時(shí)碘藍(lán)值最低，游離淀粉少，說(shuō)明紫薯全粉細(xì)胞破損較少。熱風(fēng)干燥溫度高于60 ℃時(shí)，紫薯全粉中淀粉顆粒溶出較多，這可能是因?yàn)樽鲜砟鄡?nèi)部水分遷移變慢，這些水分足以讓糊化淀粉膨脹溶出，導(dǎo)致紫薯全粉細(xì)胞破損較多，碘藍(lán)值升高。綜合紫薯全粉碘藍(lán)值的變化趨勢(shì)，當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃時(shí)，碘藍(lán)值最低，紫薯全粉細(xì)胞破損最少。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2 熱風(fēng)干燥溫度對(duì)紫薯全粉花青素含量的影響Fig.2 Effects of hot air drying temperatures on anthocyanin content of purple sweet potato granules

由圖2可知，紫薯全粉的花青素含量隨熱風(fēng)干燥溫度的升高呈現(xiàn)總體下降的趨勢(shì)。當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為50～60 ℃時(shí)，花青素含量明顯減少，這是因?yàn)榛ㄇ嗨厥撬苄蕴烊簧?，高溫?huì)導(dǎo)致花青素降解，大量花青素?fù)p失。熱風(fēng)干燥溫度高于60 ℃，花青素含量沒(méi)有明顯變化，但含量都較少，大約為熱風(fēng)干燥溫度50 ℃時(shí)的花青素含量的一半。從圖1可看出，熱風(fēng)干燥溫度高于60 ℃之后，碘藍(lán)值升高，紫薯全粉的細(xì)胞破損增多。由此可見(jiàn)，紫薯全粉的細(xì)胞破損對(duì)紫薯全粉的花青素含量有一定影響。綜合紫薯全粉碘藍(lán)值及花青素含量的變化趨勢(shì)，當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃時(shí)，紫薯全粉花青素含量與碘藍(lán)值相對(duì)較優(yōu)。

2.2 中間轉(zhuǎn)換含水率對(duì)紫薯全粉細(xì)胞破損和花青素含量的影響

在熱風(fēng)干燥溫度60 ℃、冷凍干燥時(shí)間為7 h，中間轉(zhuǎn)換含水率為25%、30%、35%、40%、45%的條件下制成紫薯全粉，測(cè)定碘藍(lán)值及花青素含量，圖3為碘藍(lán)值隨中間轉(zhuǎn)換含水率的變化情況，圖4為花青素含量隨中間轉(zhuǎn)換含水率的變化情況。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖3 中間轉(zhuǎn)換含水率對(duì)紫薯全粉碘藍(lán)值的影響Fig.3 Effects of intermediate conversion moisture content on iodine blue value of purple sweet potato granules

由圖3可知，隨著中間轉(zhuǎn)換含水率升高，碘藍(lán)值先下降后升高。當(dāng)中間轉(zhuǎn)換含水率為30%時(shí)，碘藍(lán)值最低，為7.87；當(dāng)中間轉(zhuǎn)換含水率為25%～30%時(shí)，紫薯全粉中的水分較少，淀粉顆粒沒(méi)有過(guò)多溶出，游離淀粉少，碘藍(lán)值低。當(dāng)中間轉(zhuǎn)換含水率較高時(shí)，紫薯泥中的水分使糊化淀粉顆粒溶脹，導(dǎo)致紫薯全粉細(xì)胞脹裂，紫薯全粉細(xì)胞破損增多，淀粉顆粒溶出，碘藍(lán)值升高。綜合紫薯全粉細(xì)胞破損隨中間轉(zhuǎn)換含水率的變化情況，選擇30%為較佳中間轉(zhuǎn)換含水率。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖4 中間轉(zhuǎn)換含水率對(duì)紫薯全粉花青素含量的影響Fig.4 Effects of intermediate conversion moisture content on anthocyanin content of purple sweet potato granules

由圖4可知，復(fù)合干燥的中間轉(zhuǎn)換含水率越高，紫薯全粉的花青素含量越高?；ㄇ嗨匾资芎芏嘁蛩氐挠绊?，其中金屬離子及食品添加劑會(huì)影響花青素的穩(wěn)定性。中間轉(zhuǎn)換含水率為25%時(shí)，游離的花青素已經(jīng)在前期預(yù)處理及熱風(fēng)干燥過(guò)程中損失，花青素含量較低；隨著中間轉(zhuǎn)換含水率的升高，細(xì)胞破損增多會(huì)導(dǎo)致大量花青素溶出細(xì)胞，從而花青素含量較高；中間轉(zhuǎn)換含水率為40%時(shí)，花青素含量的小幅下降可能是因?yàn)榻峄ㄇ嗨貢r(shí)原料的損失與提取劑的揮發(fā)導(dǎo)致浸提不完全。綜合圖3碘藍(lán)值的變化趨勢(shì)，選取中間轉(zhuǎn)換含水率30%，紫薯全粉的細(xì)胞破損程度與花青素含量相對(duì)均較優(yōu)。

2.3 冷凍干燥時(shí)間對(duì)紫薯全粉細(xì)胞破損和花青素含量的影響

在熱風(fēng)干燥溫度60 ℃，中間轉(zhuǎn)換含水率30%，冷凍干燥時(shí)間為5、7、9、11、13 h的條件下制成紫薯全粉。圖5為紫薯全粉碘藍(lán)值隨冷凍干燥時(shí)間的變化情況，圖6為花青素含量隨冷凍干燥時(shí)間的變化情況。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖5 冷凍干燥時(shí)間對(duì)紫薯全粉碘藍(lán)值的影響Fig.5 Effects of freeze drying time on iodine blue value of purple sweet potato granules

由圖5可知，隨著冷凍干燥時(shí)間的逐漸延長(zhǎng)，碘藍(lán)值變化趨勢(shì)是先減小后增大。冷凍干燥5～7 h時(shí)碘藍(lán)值快速下降；冷凍干燥7 h時(shí)的碘藍(lán)值最低，為8.33，這時(shí)的紫薯全粉細(xì)胞的完整度較高，淀粉不會(huì)大量溶出。冷凍干燥使紫薯泥水分直接由固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，避免細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而保持了紫薯全粉的細(xì)胞完整性，綜合紫薯全粉碘藍(lán)值的變化趨勢(shì)，當(dāng)冷凍干燥時(shí)間為7 h時(shí)，磺藍(lán)值最低，紫薯全粉細(xì)胞破損最少。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖6 冷凍干燥時(shí)間對(duì)紫薯全粉花青素含量的影響Fig.6 Effects of freeze drying time on anthocyanin content of purple sweet potato granules

由圖6可知，冷凍干燥時(shí)間越長(zhǎng)，紫薯全粉花青素含量顯示出先增加后減少，然后再次增多的趨勢(shì)。在冷凍干燥7 h時(shí)，紫薯全粉花青素含量最高。從圖5可以看出，冷凍干燥7 h時(shí)，紫薯全粉的細(xì)胞破損最少，大量花青素保留在細(xì)胞內(nèi)，在浸提時(shí)溶出細(xì)胞，總花青素?fù)p失較少，這可能是冷凍干燥7 h花青素含量高的原因。冷凍干燥7～9 h，紫薯全粉細(xì)胞破損增多，花青素溶出細(xì)胞，隨全粉水分散失而損失，造成花青素含量減少；冷凍干燥9 h以上，紫薯全粉細(xì)胞破損不斷增多，大量花青素暴露在細(xì)胞外，但是全粉水分已經(jīng)大部分散失，低溫保護(hù)了花青素，使總花青素含量增多。綜合紫薯全粉碘藍(lán)值及花青素含量的變化趨勢(shì)，選取7 h為冷凍干燥時(shí)間，此時(shí)紫薯全粉細(xì)胞破損最少，花青素含量最高。

2.4 紫薯全粉復(fù)合干燥方法的優(yōu)化分析

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，選擇熱風(fēng)干燥溫度、中間轉(zhuǎn)換含水率、冷凍干燥時(shí)間三個(gè)因素，以紫薯全粉的碘藍(lán)值為響應(yīng)值，采用Box-Behnken的原理設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)化紫薯全粉復(fù)合干燥的工藝條件。此優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)為三因素三水平，共有17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。表1為響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)因素水平表。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)的因素水平Tab.1 Factor and levels for response surface optimization experiments

Y=10.36+1.11A+0.77B-0.82C-0.86AB+ 0.68AC+1.11BC-0.76A2-0.60B2-0.39C2。

(3)

式(3)中，A為熱風(fēng)干燥溫度，B為中間轉(zhuǎn)換含水率，C為冷凍干燥時(shí)間。各項(xiàng)系數(shù)的絕對(duì)值表示對(duì)應(yīng)因素對(duì)紫薯全粉碘藍(lán)值的影響程度，而系數(shù)的正負(fù)則表示影響方向。由表3可知，A、B、C、AB、BC、A2對(duì)碘藍(lán)值影響極顯著，AC、B2對(duì)碘藍(lán)值影響較顯著，C2對(duì)碘藍(lán)值影響顯著。這表明熱風(fēng)干燥溫度、中間轉(zhuǎn)換含水率、冷凍干燥時(shí)間三個(gè)因素對(duì)碘藍(lán)值都有顯著的影響，影響大小順序分別為熱風(fēng)干燥溫度、冷凍干燥時(shí)間、中間轉(zhuǎn)換含水率。

根據(jù)軟件分析得出紫薯全粉復(fù)合干燥的優(yōu)化工藝參數(shù)為：熱風(fēng)干燥溫度70 ℃、中間轉(zhuǎn)換含水率25%、冷凍干燥時(shí)間7 h。從表2可知，此時(shí)的紫薯全粉碘藍(lán)值為10.28，而預(yù)測(cè)值為10.19，紫薯全粉碘藍(lán)值的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型擬合度良好，這也符合前面的模型與實(shí)際情況的擬合度分析。同時(shí)，測(cè)得優(yōu)化參數(shù)下紫薯全粉花青素含量為16.23 mg/100 g，高于單因素實(shí)驗(yàn)較佳水平下紫薯全粉的花青素含量，這也說(shuō)明經(jīng)過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)所得的復(fù)合干燥紫薯全粉細(xì)胞破損較少，較好地保留了紫薯全粉中的花青素。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test protocol and results

表3 響應(yīng)面二次模型的方差分析及顯著性檢驗(yàn)Tab.3 Analysis of variance and significance analysis of response surface quadratic model

3 結(jié) 論

將熱風(fēng)干燥與冷凍干燥組合在一起應(yīng)用于紫薯全粉干燥過(guò)程，既可解決熱風(fēng)干燥紫薯全粉的色澤較差、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失較嚴(yán)重等問(wèn)題，也可彌補(bǔ)冷凍干燥時(shí)間較長(zhǎng)、能耗大的缺點(diǎn)，提高了紫薯全粉加工過(guò)程中的干燥效率。分析了熱風(fēng)干燥溫度、中間轉(zhuǎn)換含水率及冷凍干燥時(shí)間對(duì)紫薯全粉細(xì)胞破損和花青素含量的影響，得到了各因素對(duì)紫薯全粉干燥影響的規(guī)律。通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)得到了復(fù)合干燥優(yōu)化參數(shù)組合為：熱風(fēng)干燥溫度70 ℃、中間轉(zhuǎn)換含水率25%、冷凍干燥時(shí)間7 h，這時(shí)紫薯全粉的碘藍(lán)值為10.25，花青素含量為16.23 mg/100 g。響應(yīng)面優(yōu)化模型紫薯全粉碘藍(lán)值為10.28，由此可知，優(yōu)化模型可以較好地預(yù)測(cè)實(shí)際情況下紫薯全粉的碘藍(lán)值；且復(fù)合干燥優(yōu)化的紫薯全粉花青素含量較未經(jīng)優(yōu)化的全粉高，說(shuō)明按照復(fù)合干燥優(yōu)化工藝參數(shù)加工的紫薯全粉細(xì)胞破損較少，花青素保留情況較好。熱風(fēng)干燥與冷凍干燥組合的復(fù)合干燥方法在一定程度上減少了紫薯全粉的細(xì)胞破損，較好地保留了全粉花青素。

復(fù)合干燥方法與紫薯全粉的持水持油性、凍融穩(wěn)定性等品質(zhì)特性之間的相關(guān)性還有待進(jìn)一步研究。