響應面法優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]。菊花含有咖啡酰基奎寧酸類、黃酮類、三萜類、甾醇類、揮發油等化學成分[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，其中杭菊產量最大。菊花品質與其品種、種植環境、產后加工方式有關，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，產品品質受環境影響大；硫熏可提高干燥速率，但是會對產品造成污染，此方法已被禁用于菊花的生產；微波、真空、遠紅外干燥菊花品質較好，但設備投資大、成本高，而菊花生產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、統一、衛生，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量評價。響應面分析法通過建立數學模型來解決受多種因素影響的最優組合問題，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化，以期為杭白菊工業化生產提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料及試劑

新鮮杭白菊：浙江桐鄉；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、品質好，本研究主要考察蒸汽殺青對菊花品質的影響。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，取適量測定綠原酸的含量，同時觀察殺青后菊花感官品質，考察殺青時間對菊花品質的影響。

1.3.3 菊花烘干工藝

以綠原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎寧酸含量為指標，設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的影響，并在單因素試驗結果基礎上，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-二咖啡酰基奎寧酸含量為評價指標，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的影響。

1.3.3.2 響應面試驗

根據單因素試驗結果，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-二咖啡酰基奎寧酸含量），應用Box-Behnken設計模型優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-二咖啡酰基奎寧酸含量均以干基計。

2 結果與分析

2.1 菊花殺青工藝確定

鮮菊花在采摘以后會在內源酶的作用下發生品質劣變，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，且可使菊花組織軟化有利于后續干燥的進行；殺青不足，殘存酶活力大，使菊花發生酶促褐變，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。圖1為不同殺青時間下菊花綠原酸含量結果。

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 單因素試驗結果

2.2.1.1 烘干溫度對菊花品質的影響

不同烘干溫度對菊花品質的影響結果見圖2。

圖2 不同烘干溫度對菊花品質的影響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增加，含量下降。可能原因是低溫下，菊花失水速度慢，高濕環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，菊花品質保存較好。

2.2.1.2 烘干時間對菊花品質的影響

2017年，國家食品藥品監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給予的財物共356萬余元。

不同烘干時間對菊花品質的影響結果見圖3。

圖3 不同烘干時間對菊花品質的影響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的保存。

2.2.1.3 回潮時間對菊花品質的影響

不同回潮時間對菊花品質的影響結果見圖4。

圖4 不同回潮時間對菊花品質的影響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的影響

菊花各部位因含水量及組織結構不同，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。若連續干燥可造成菊花花瓣因過干而剝落，影響菊花整體品質，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，達到菊花品質要求。可見，復烘有助于保持菊花良好的品質。不同復烘溫度對菊花品質的影響結果見圖5。

圖5 不同復烘溫度對菊花品質的影響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℃復烘時菊花品質保存較好。

2.2.1.5 復烘時間對菊花品質的影響

不同復烘時間對菊花品質的影響結果見圖6。

圖6 不同復烘時間對菊花品質的影響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內有助于菊花品質的保留。

2.2.2 響應面法優化菊花烘干工藝

根據單因素試驗的結果，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，試驗方案及結果見表2。

表2 響應面分析試驗及結果Table 2 Design and results of RSM

2.2.2.1 模型建立及顯著性分析

所得的試驗數據采用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的二次回歸方程：

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

由表3分析結果可知，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]。回歸模型的校正決定系數R2Adj為0.966 7，說明有96.67%的數據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，此結果與單因素試驗結果吻合。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：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化

響應面圖形是響應值對各試驗因子A、B、C、D所構成的三維空間的曲面圖，反應最佳參數及各參數之間的相互作用。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，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%。考慮實際操作的可行性，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-二咖啡酰基奎寧酸含量0.88%，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，且對菊花品質有一定改善，對菊花烘干工藝的研究具有指導意義。

3 結論

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-二咖啡酰基奎寧酸含量0.88%，水分含量10.5%。