黑果枸杞速溶粉的制備工藝研究

楊冬彥，趙慶生，趙兵，查圣華，王曉東，趙明霞

（1.中國科學院大學，北京100049；2.中國科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室，北京100190；3.北京同仁堂健康藥業股份有限公司，北京100022）

黑果枸杞（Lycium ruthenicum Murr.），茄科枸杞屬，主要生長在我國新疆、青海、甘肅等海拔高、日照足地區，是一種耐干旱、耐鹽堿的沙生植物，其果實中含有大量的原花青素、花色苷、多糖、黃酮等營養成分[1]。已有大量的研究報道其具有抗氧化、降血脂、降血糖、抗疲勞及免疫調節的作用[2-6]?！毒S吾爾藥志》記載，黑果枸杞果實及根皮可治療尿道結石、癬疥、齒齦出血等癥，民間則用作滋補強壯、明目以及降壓藥[7]。

黑果枸杞多棘刺，采摘困難，果實易破損，成品產率極低，造成其價格昂貴。對次果的充分利用，以及產品食用便利性、有效性是黑果枸杞產業急需解決的問題。目前對果黑果枸杞的研究集中在其所含活性成分的提取優化[2，8-10]、結構表征[11-13]、活性測定[2-6]等。果蔬粉是一種良好的深加工產品[14]，開發黑果枸杞速溶粉可以提高黑果枸杞食用便利性、有效性并拓寬其在食品、醫藥、保健品等領域的應用范圍。

噴霧干燥過程物料受熱時間短，干燥迅速，能較好保留產品營養成分及風味、便于貯存運輸[15-16]，是目前產業化過程常用的干燥方式之一。Thunnop[17]對噴霧干燥和冷凍干燥兩種干燥方式得到的黑糯米麩皮色素粉進行了研究，發現雖然冷凍干燥所得樣品產率、花青素保留率相對較高，但具有很高的操作成本。張妍[18]通過響應面試驗優化噴霧干燥，最終得到了沖調性較為理想的核桃分心木速溶粉。梁辰[19]采用超聲提取和噴霧干燥工藝制備瑪咖速溶粉，提高了瑪咖中有效成分的提取率，制備出高品質的瑪咖速溶粉。

以黑果枸杞干果為原料，通過超聲輔助水提及噴霧干燥制備黑果枸杞速溶粉，為消費市場提供了一種新的產品。但黑果枸杞花青素穩定性差[20]，多糖具有較高的黏性，為解決由此產生的速溶粉活性成分損失和干燥過程中霧化不均勻、產品粘壁等問題，本研究通過雙重優化即在提取及干燥部分分別進行工藝優化，旨在充分提取黑果枸杞活性成分并獲得得率高、品質優良的黑果枸杞速溶粉。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑果枸杞：內蒙古產。

無水乙醇、鹽酸、亞硝酸鈉、硝酸鋁：北京化工廠；氯化鉀、氫氧化鈉、檸檬酸：西隴化工股份有限公司；結晶乙酸鈉：天津市福晨化學試劑廠。

1.2 儀器與設備

TDL-5-A型大容量常溫離心機：上海安亭科學儀器廠；WF2UV-2802H分光光度計：上海尤尼柯儀器有限公司；CTXNW-2B超聲加熱循環提取機：北京弘祥隆生物技術股份有限公司；RE-6000旋轉蒸發儀：上海亞榮生化儀器廠；真空脈動超聲干燥機：中國科學院過程工程研究所生化國家重點實驗室自主研發；LPG-10噴霧干燥機：南京凱歐機械制造有限公司；Mastersizer 2000 E激光粒度分析儀：英國馬爾文儀器有限公司；JSM 6700F冷場發射掃描電子顯微鏡：日本電子株式會社（JEOL）。

1.3 方法

1.3.1 花色苷測定方法

采用pH示差法[21]，配置pH值分別為1.0和4.5的緩沖溶液，量取0.5 mL黑果枸杞花色苷溶液，分別加入pH=1.0和pH=4.5緩沖溶液，室溫下放置30分鐘后于530 nm和700 nm波長下分別測定黑果枸杞花色苷在在上述兩種緩沖液中的吸光值A。

黑果枸杞花色苷含量計算公式：

式中：ΔA為吸光度差值；Mw為矢車菊素-3-葡萄糖苷分子量（取449.2）；DF為稀釋倍數；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數[26 900 L/（mol·cm）]；L為比色皿光程（1 cm）；c為待測液中黑果枸杞花色苷濃度，g/mL；V為溶液體積，mL；M為黑果枸杞干果質量，g；Y為黑果枸杞干果花色苷得率，mg/100 g。

1.3.2 超聲輔助提取

原料粉碎過40目篩，以0.01%檸檬酸水溶液為提取溶劑，通過單因素試驗和正交試驗優化超聲輔助提取黑果枸杞花色苷工藝。檸檬酸的作用是使提取液呈酸性狀態來提高花色苷的穩定性[20]。

1.3.2.1 單因素試驗

以花色苷得率為指標，研究超聲功率、料液比、提取溫度、提取時間4個因素對花色苷提取效果的影響。固定其中3個因素，以第四個因素為變量依次研究。

1.3.2.2 正交試驗

根據單因素試驗的結果選定超聲設備最大功率400 W，考察料液比（A），提取溫度（B），提取時間（C）對花色苷得率的影響。正交因素水平設計見表1。

表1 試驗因素與水平設計Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.3 干燥工藝比較與優化

根據最佳提取工藝條件，制備黑果枸杞水提液，分別采用噴霧干燥、熱風干燥（70℃）、超聲干燥、冷凍干燥方式對水提液進行干燥。為提高后3種干燥方式的干燥速率，需將提取液預先濃縮（噴霧干燥無需濃縮處理）。比較4種干燥方式對產品物理特征及花色苷得率、含量的影響，優選噴霧干燥為黑果枸杞提取液干燥方式。采用Design-Expert 8.0.5軟件設計的Box-Behnken試驗，以3個因素熱風溫度、料液進樣速度、料液密度為考察對象，以得粉率為響應值來獲得噴霧干燥的最優工藝條件。其中得粉率定義為試驗設計中產品質量與冷凍干燥條件下產品質量的比值。觀察試驗過程中有無霧化不均勻、產品粘壁、結塊現象；并對制備的樣品重量、花色苷含量、水分含量、堆積密度進行測量。試驗因素與水平設計見表2。

表2 試驗因素與水平設計Table 2 Factors and levels for orthogonal test

1.4 速溶粉微觀結構表征與沖調性

1.4.1 掃描電鏡

采用冷場發射掃描電子顯微鏡觀察噴霧干燥制備的產品微觀結構及其表面形態。

1.4.2 粒徑分布

噴霧干燥制備的產品的粒徑大小及分布由激光粒度分析儀測定。其中樣品分散劑為異丙醇。

1.4.3 感官評價及溶解時間

根據NY/T 1323-2017《中國農業行業標準綠色食品固體飲料標準》，對噴霧干燥制備的產品從色澤、組織形態、滋味和氣味方面進行感官評價，并參照QB/T 3623-1999《中國輕工業行業標準果香型固體飲料標準》測定產品溶解時間，即稱取25 g產品于500 mL燒杯中，加入200 mL冷開水（10℃），攪拌，計算從加入冷開水到完全溶解的時間（s），全部溶解的時間在60 s內即為符合標準。

1.4.4 速溶粉與干果沖泡效果比較

為比較速溶粉與干果食用的便利性與有效性，稱取黑果枸杞速溶粉3 g、黑果枸杞干果3 g、黑果枸杞干果6 g，分別加入100 mL 60℃的飲用水，測定浸泡出花色苷的含量、液體溫度隨時間的變化情況。

2 結果與分析

2.1 超聲輔助提取優化

2.1.1 單因素試驗結果分析

不同因素對花色苷提取率的影響，見圖1。

圖1（a）為固定超聲功率 400W、料液比 1∶20（g/mL）、提取溫度40℃，研究不同提取時間對花色苷得率的影響?？梢钥闯觯S著提取時間的延長，花色苷得率逐漸增加，由于花色苷不穩定，易受光照、氧氣等因素的影響而發生降解，到達一定提取時間后提取速率小于降解速率而產生花色苷得率下降的結果。

圖1 不同因素對黑果枸杞花色苷提取率的影響Fig.1 The Effect of different factors on Lycium ruthenicum Murr.anthocyanins extraction ratio

圖1（b）為固定超聲功率 400W、料液比 1∶20（g/mL）、提取時間50 min，研究提取溫度對花色苷得率的影響。隨著提取溫度的升高，花色苷得率呈下降趨勢?；ㄉ赵谌芤航橘|中會隨pH值的變化發生結構上的轉換，并且結構之間存在著一定的平衡，溫度升高會加速水解反應和開環反應使花色苷從有色形式向著無色的查爾酮和甲醇假堿形式轉化。因此當溫度升高時，花色苷得率下降[22]。

圖1（c）為固定超聲功率400 W、提取溫度20℃、提取時間50 min，研究料液比對花色苷得率的影響。足夠的溶劑能夠和原料充分接觸使得花色苷溶出率增大，但是溶劑過多時花色苷可能發生水解反應，所以出現花色苷得率隨著溶劑的增加先上升后下降的現象。

圖1（d）為固定料液比 1∶10（g/mL）、提取溫度 20 ℃、提取時間50 min，研究超聲功率對花色苷得率的影響。Tiwari等[23]研究了超聲波處理對紅葡萄汁顏色和花色苷提取效果的影響，結果表明超聲輔助提取對不同類型的花色苷影響不同，影響較大的是矢車菊素和飛燕草素。在本試驗中隨著超聲功率的增大，花色苷得率先下降后上升，在功率240 W附近產生極低值，這可能由于此頻率范圍的超聲波對黑果枸杞花色苷的結構產生破壞作用，或者此頻率范圍超聲波對黑果枸杞中主要花色苷提取效果影響較小。

2.1.2 正交試驗

正交試驗設計方案和結果分析如表3所示。

表3 正交試驗分析方案及結果Table 3 Experimental design and results for orthogonal test analysis

極差分析結果表明，各因素對花色苷得率的影響大小順序為B＞C＞A，即提取溫度＞提取時間＞料液比。比較每個因素對應的K值大小，得出花色苷提取工藝最優組合為 A3B1C2，即當料液比 1∶20（g/mL），提取溫度20℃，提取時間50 min時獲得最高得率，經3次平行試驗，此時黑果枸杞平均花色苷得率為1 473.2 mg/100 g，高于其他組合。

2.2 干燥工藝

2.2.1 干燥方式比較

取400 mL黑果枸杞提取液，分別用熱風干燥、超聲干燥、冷凍干燥、噴霧干燥4種干燥方式對其干燥，不同干燥方式對產品物理性狀及花色苷含量的影響如表4所示。

以冷凍干燥所得產品質量為標準，任何一種干燥方式的最終質量跟冷凍干燥質量的比值為該干燥方式的產率。提取液濃縮處理后，經熱風干燥、超聲干燥、冷凍干燥仍耗時較久，而噴霧干燥用時短，所得樣品無需粉碎，粉質松軟，色澤美觀；由于噴霧干燥前提取液未濃縮處理，因此噴霧干燥產品花色苷含量高于冷凍干燥及其他干燥方式，但產率相對較小。綜合考慮時間與成本，優選噴霧干燥為黑果枸杞水提物的干燥方式。

表4 干燥方式比較Table 4 Comparison of four dry ways

2.2.2 噴霧干燥工藝優化

響應面方案及結果與如表5所示。

表5 響應面分析方案及結果Table 5 Experimental design and results for response surface analysis

應用Design-Expert 8.05軟件對表5中數據進行二次多元回歸擬合和響應面分析，得出方差分析表6和響應面曲面圖2。

表6 方差分析Table 6 Analysis of variance

由表6可以看出，回歸方程的P＜0.01，表明該回歸模型達到極顯著水平。失擬項不顯著，表明方程對試驗擬合良好，可用于黑果枸杞水提物噴霧干燥得率的預測。一次項B、C對試驗結果影響極顯著；二次項C2對試驗結果影響顯著；一次項A、交互項對試驗結果影響不顯著。綜合回歸模型分析結果，可確定最佳工藝參數為：進風溫度190℃，進樣速度20 mL/min，料液密度1.01 g/mL，在此條件下預測速溶粉得率為97.98%，而實測值為97.32%，該實際值與預測值大小相近，因此利用響應面法優化所得的工藝條件具有可行性。

圖2 各因素對黑果枸杞速溶粉得率的交互影響Fig.2 Response surface showing the interaction of various factors on the extraction yield of Lycium ruthenicum Murr.instant powder

另外對表5中產品得率、產品水分含量等指標進行分析。7、11、13號樣品（進樣速度為60 mL/min，得粉率分別為60.5%、65.7%、75.1%）噴霧干燥過程中噴頭滴液，且所得產品水分含量偏高（分別為3.7%、3.5%、3.9%），這是由于進樣速度過快，導致樣品受熱不充分，水分來不及被熱風蒸發帶走，使得產品水分含量較高，這也直接導致產品較黏而粘在干燥塔內壁影響產率。如果適當提高進風溫度則可以降低產品的水分含量（對比11、12號樣品）。2、9號樣品由于密度過大（密度為1.05 g/mL），干燥時出現霧化不均勻的現象。本次試驗采用離心式噴霧干燥法，由于黑果枸杞多糖本身具有一定的黏度，另外如果進樣樣品密度大，霧化器無法充分將樣品散成很微小的液滴導致霧化不均勻現象的發生，霧化不均勻不僅會影響產品顆粒的均勻性，還會造成部分料液無法干燥成粉。通過調節噴霧干燥環節的料液進樣速度、進風溫度，在保證干燥速率的同時還可以降低產品含水量，避免干燥不充分而導致得粉率下降。通過控制料液的密度來減少霧化不均勻現象的發生，從而保證產品顆粒的均勻性和較高的得粉量。經驗證，優化條件下的黑果枸杞速溶粉有較高的得率（97.32%），因此采用響應面優化噴霧干燥工藝可提高產品的得率，提升產品在含水量、顆粒均勻性等方面的品質。

通過多元回歸擬合分析得到黑果枸杞速溶粉得率（Y）與進風溫度（A）、進樣速度（B）、料液密度（C）之間的二次多項回歸方程：Y=10 026.70+2.02A+9.94B-19 532.32C-8.39×10-3AB-0.96AC-8.42BC-2.53×10-3A2-0.03B2+9 503.78C2

2.3 速溶粉微觀結構表征與沖調性

2.3.1 掃描電鏡及粒徑分布

黑果枸杞速溶粉掃描電鏡和粒徑分布見圖3。

圖3 黑果枸杞速溶粉掃描電鏡和粒徑分布Fig.3 Scanning electron microscope image and particle size distribution of Lycium ruthenicum Murr.instant powder

通過圖3（a）可以看出其樣品在噴霧干燥過程中形成了空腔結構，空腔結構為其速溶性提供了結構基礎；粒徑分布圖（b）為一單一峰，未出現多峰，粒徑較為均一。激光粒度分析儀結果顯示粒徑范圍4 μm～60 μm，平均粒徑17 μm，這與黑果枸杞水提物的成分及噴霧干燥過程的參數有關。

2.3.2 感官評價及溶解時間

經觀察，制備的產品呈紫黑色，無結塊，沖溶后為均勻混懸液，無肉眼可見的雜質，具有特殊的香甜氣味，無刺激、酸敗、焦糊等異味，符合中國農業行業標準綠色食品固體飲料感官規定。3次平行試驗平均基本溶解時間為32.1 s，平均完全溶解時間為43.4 s，小于行業標準溶解時間60 s，達到了中國輕工業行業標準果香型固體飲料溶解時間標準。

2.3.3 速溶粉與干果沖泡效果比較

不同樣品隨著時間延長花色苷浸出量以及水溫變化見圖4。

圖4 不同樣品隨著時間延長花色苷浸出量以及水溫變化Fig.4 The changes in water temperature and the anthocyanin leaching content of different samples with time

從圖4可以看出黑果枸杞速溶粉在沖泡的瞬間其活性成分花色苷已幾乎完全溶解，而浸泡干果方式花色苷溶出速度較慢。兩倍速溶粉質量的干果浸泡50分鐘后其花色苷含量僅達到速溶粉沖泡初期的53.0%，并且溶液溫度已降至28℃，遠遠低于人們正常用水的溫度。干果3、6 g浸泡6小時后，溶液中的可溶性固形物含量分別為1.029 3、2.001 5 g，為干果質量的34.3%、33.4%，仍有大量的成分滯留在果實內，所以速溶粉具有顯著的飲用優勢。

3 結論

黑果枸杞作為為我國西部特有的植物品種，正日益受到消費者喜愛，其研究和開發也在逐步深入。本研究利用超聲輔助水提黑果枸杞花色苷，并采用響應面設計優化噴霧干燥工藝，制得黑果枸杞速溶粉，后探討了黑果枸杞速溶粉微觀結構、粒徑分布及溶解時間。經正交優化，在超聲功率400 W條件下，黑果枸杞花色苷的最佳水提工藝為料液比1∶20（g/mL）、提取時間50 min、提取溫度40℃。噴霧干燥最佳工藝為進風溫度190℃，進樣速度20 mL/min，料液密度1.01 g/mL，在此條件下預測速溶粉得率為97.98%，實測值為97.32%，與預測值大小相近，響應面法優化工藝條件具有可行性。通過優化噴霧干燥工藝參數可降低產品含水量，減少霧化不均勻現象的發生，從而提高了產品的品質與得率。經表征，制得的速溶粉是空腔結構，粒徑分布較為均一，粒徑范圍為4 μm～60 μm，平均粒徑17 μm，并達到了溶解時間標準。由于花色苷的不穩定性，極易受外界環境的影響而發生降解，所以在黑果枸杞速溶粉制備過程中不可避免地出現花色苷含量降低的現象。本次研究采用超聲水提、無輔料添加更為安全、環保、健康的方式，將黑果枸杞以一種新的形式呈現出來，可擴大其在食品、保健品及醫藥等領域的應用。