復(fù)合干燥對紫薯全粉細(xì)胞破損及花青素含量的影響

韋 璐，陳 悅，顧晶晶，高 路

(沈陽師范大學(xué) 糧食學(xué)院， 遼寧 沈陽 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色素、硒元素、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分外[1-2]，還含有黃酮、綠原酸等抗氧化、增強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養(yǎng)物質(zhì)[8]，是薯類中高級增值產(chǎn)品[9]。目前，在紫薯全粉的加工過程中，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、操作簡單，但干燥成品營養(yǎng)成分有損失[11-12]；冷凍干燥較好地保留了成品的營養(yǎng)成分和色澤，但干燥時間長，成本高且能耗大[13-14]。研究不同干燥方法對紫薯全粉品質(zhì)特性的影響，對紫薯全粉加工品質(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)研究中少見報道。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)合干燥方法對紫薯全粉細(xì)胞破損的影響，同時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)，國藥集團化學(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)，河南圣斯德實業(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型紫外可見分光光度計，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型萬能高速粉碎機，歐凱萊芙實業(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，寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1紫薯全粉加工工藝流程及操作要點

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)合護色劑中護色20 min，防止氧化變色。將護色后的紫薯片放入125 μg/mL抗壞血酸鈣溶液中浸漬20 min，以增強紫薯細(xì)胞壁強度。將護色、浸鈣后的紫薯片于66 ℃預(yù)煮11 min,以增強紫薯細(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)干燥過程中翻攪紫薯泥三、四次，使紫薯泥干燥均勻，測定中間轉(zhuǎn)換含水率后再進行冷凍干燥至水分含量為6%。用萬能粉碎機將干燥后的紫薯泥粉碎，再過100目篩，即為紫薯全粉成品。

1.3.2碘藍(lán)值測定

碘藍(lán)值可反映細(xì)胞破損程度：碘藍(lán)值越大，說明游離淀粉多，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[17-18]的碘藍(lán)值測定方法：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650 nm處測定樣品吸光度。碘藍(lán)值計算方法見式(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花青素含量測定

花青素含量可反映紫薯全粉加工過程中細(xì)胞破損情況。花青素含量的測定根據(jù)尹晴紅等[19]的總花色苷測定方法并加以改動：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535 nm下測定濾液吸光度，按照式(2)計算花色苷含量。

(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驗

分3組進行實驗，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 ℃及冷凍干燥時間7 h條件下進行干燥；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100目篩制成紫薯全粉，并測定碘藍(lán)值及花青素含量，每個樣品做5個平行實驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel計算數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差；采用Origin Pro 9.1軟件繪圖，且對圖像進行優(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)計響應(yīng)面優(yōu)化試驗的數(shù)學(xué)模型；采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風(fēng)干燥溫度對紫薯全粉細(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(干燥時間不超過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%，粉碎后過篩，制成紫薯全粉，然后測定碘藍(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，這可能是因為干燥溫度的上升導(dǎo)致紫薯泥表面水分蒸發(fā)變快，內(nèi)部水分會緩慢擴散至表面，淀粉顆粒沒有充足的水分溶脹，不會使紫薯泥細(xì)胞破裂，因此游離淀粉較少，碘藍(lán)值低。干燥溫度在60 ℃時，碘藍(lán)值為6.26，此時碘藍(lán)值最低，游離淀粉少，說明紫薯全粉細(xì)胞破損較少。熱風(fēng)干燥溫度高于60 ℃時，紫薯全粉中淀粉顆粒溶出較多，這可能是因為紫薯泥內(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，當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃時，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。當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為50～60 ℃時，花青素含量明顯減少，這是因為花青素是水溶性天然色素，高溫會導(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 ℃，花青素含量沒有明顯變化，但含量都較少，大約為熱風(fēng)干燥溫度50 ℃時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，紫薯全粉的細(xì)胞破損對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，當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃時，紫薯全粉花青素含量與碘藍(lán)值相對較優(yōu)。

2.2 中間轉(zhuǎn)換含水率對紫薯全粉細(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，碘藍(lán)值最低，為7.87；當(dāng)中間轉(zhuǎn)換含水率為25%～30%時，紫薯全粉中的水分較少，淀粉顆粒沒有過多溶出，游離淀粉少，碘藍(lán)值低。當(dāng)中間轉(zhuǎn)換含水率較高時，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。花青素易受很多因素的影響，其中金屬離子及食品添加劑會影響花青素的穩(wěn)定性。中間轉(zhuǎn)換含水率為25%時，游離的花青素已經(jīng)在前期預(yù)處理及熱風(fēng)干燥過程中損失，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，花青素含量的小幅下降可能是因為浸提花青素時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，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均較優(yōu)。

2.3 冷凍干燥時間對紫薯全粉細(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)值隨冷凍干燥時間的變化情況，圖6為花青素含量隨冷凍干燥時間的變化情況。

不同字母表示差異顯著(P<0.05)。圖5 冷凍干燥時間對紫薯全粉碘藍(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，隨著冷凍干燥時間的逐漸延長，碘藍(lán)值變化趨勢是先減小后增大。冷凍干燥5～7 h時碘藍(lán)值快速下降；冷凍干燥7 h時的碘藍(lán)值最低，為8.33，這時的紫薯全粉細(xì)胞的完整度較高，淀粉不會大量溶出。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，當(dāng)冷凍干燥時間為7 h時，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 冷凍干燥時間對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，冷凍干燥時間越長，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。在冷凍干燥7 h時，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，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，選取7 h為冷凍干燥時間，此時紫薯全粉細(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)單因素實驗的結(jié)果，選擇熱風(fēng)干燥溫度、中間轉(zhuǎn)換含水率、冷凍干燥時間三個因素，以紫薯全粉的碘藍(lán)值為響應(yīng)值，采用Box-Behnken的原理設(shè)計響應(yīng)面試驗，優(yōu)化紫薯全粉復(fù)合干燥的工藝條件。此優(yōu)化試驗設(shè)計為三因素三水平，共有17個試驗點。表1為響應(yīng)面優(yōu)化試驗因素水平表。

表1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗的因素水平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為冷凍干燥時間。各項系數(shù)的絕對值表示對應(yīng)因素對紫薯全粉碘藍(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對碘藍(lán)值影響極顯著，AC、B2對碘藍(lán)值影響較顯著，C2對碘藍(lán)值影響顯著。這表明熱風(fēng)干燥溫度、中間轉(zhuǎn)換含水率、冷凍干燥時間三個因素對碘藍(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%、冷凍干燥時間7 h。從表2可知，此時的紫薯全粉碘藍(lán)值為10.28，而預(yù)測值為10.19，紫薯全粉碘藍(lán)值的預(yù)測值與實測值吻合，說明預(yù)測模型擬合度良好，這也符合前面的模型與實際情況的擬合度分析。同時，測得優(yōu)化參數(shù)下紫薯全粉花青素含量為16.23 mg/100 g，高于單因素實驗較佳水平下紫薯全粉的花青素含量，這也說明經(jīng)過響應(yīng)面優(yōu)化試驗所得的復(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程，既可解決熱風(fēng)干燥紫薯全粉的色澤較差、營養(yǎng)物質(zhì)損失較嚴(yán)重等問題，也可彌補冷凍干燥時間較長、能耗大的缺點，提高了紫薯全粉加工過程中的干燥效率。分析了熱風(fēng)干燥溫度、中間轉(zhuǎn)換含水率及冷凍干燥時間對紫薯全粉細(xì)胞破損和花青素含量的影響，得到了各因素對紫薯全粉干燥影響的規(guī)律。通過響應(yīng)面試驗得到了復(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%、冷凍干燥時間7 h，這時紫薯全粉的碘藍(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)測實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)性還有待進一步研究。