響應面法優化黑果腺肋花楸真空冷凍干燥工藝

徐海龍 于 瑩 趙明波

（1威海市藍色經濟研究院有限公司，山東威海 264300；2威海市海洋生態經濟研究院，山東威海 264300）

黑果腺肋花楸（Aronia melanocarpa）為薔薇科腺肋花楸屬多年生落葉灌木，是一種新興小漿果果樹。該果樹原產于美國東北部以及加拿大東部，是集食用、藥用、園林和生態等價值于一身的經濟樹種[1-3]。試驗研究表明，黑果腺肋花楸果實中富含黃酮類和酚酸類成分，具有較強的抗氧化活性和清除自由基的能力，在抗癌、抗炎、降血糖、抗突變、防治心血管疾病等方面具有良好的生物活性和藥理作用[4-7]。黑果花楸產業是新興產業。2018年9月，國家衛生健康委員會正式批準黑果腺肋花楸為新食品原料。黑果花楸可溶性固形物含量高，總酸低，與藍莓、黑莓、紅梅相比，更適合開發飲料、果酒等產品，但目前市面上產品比較單一，主要以鮮果為主。它不易儲藏，極易變質，對其干果產品鮮有報道。國內外對黑果腺肋花楸的研究多集中在種植、生物學特征、功能性成分提取和對人體健康潛在的價值等方面，對產品干燥技術研究較少[8-12]。

真空冷凍干技術，是將濕物料凍結到共晶點溫度下，使物料中的水分變成固態冰，然后在較高的真空環境下給物料加熱，使冰直接升華成水蒸氣，再利用真空系統中的水汽冷凝器將水蒸氣冷凝，從而達到物料脫水干燥的目的的技術，是目前保存生物活性成分最全面的干燥技術[13-15]。本文通過響應面分析法優化黑果腺肋花楸真空冷凍干燥條件，旨在為黑果腺肋花楸凍干技術提供最佳的工藝參數。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為黑果腺肋花楸，由遼寧富康源黑果花楸科技開發有限公司提供，在超低溫冰箱-80℃條件下預凍至共晶點以下，備用。

試驗試劑有：甲醇、鹽酸，分析純；原花青素標準品（95%），由今品化學技術（上海）有限公司提供；香草醛，由上海源葉生物科技有限公司提供。

試驗儀器包括真空冷凍干燥機（ALPHA2-4 LD plus，德國 Marin Christ公司）、恒溫水浴鍋（HH-601，常州索奧儀器制造有限公司）、紫外可見分光光度計（T6，北京普析通用儀器有限責任公司）等。

1.2 試驗方法

1.2.1 單因素試驗。以加熱板溫度35℃、真空度20 Pa、干燥時間66 h為基本提取條件，進一步探究加熱板溫度（25、30、35、40、45 ℃）、真空度（10、20、30、40、50 Pa）、干燥時間（48、54、60、66、72 h）3 個因素對黑果腺肋花楸復水比的影響。

1.2.2 響應面優化試驗。在單因素試驗的基礎上，以黑果腺肋花楸復水比為響應值，根據Box-Behnken設計原理進行3因素3水平響應面分析試驗，試驗因素和水平見表1。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 復水比的測定。參照羅潔瑩[16]等的方法，準確稱取1 g黑果腺肋花楸干品，30℃恒溫水浴中浸泡30 min，取出后用濾紙吸干表面水分，稱重，復水后質量與干品質量之比即為復水比，對每批樣品進行3次重復測定。

1.3.2 原花青素的測定。精密稱取原花青素標準品適量，置于10 mL容量瓶中，加甲醇制得2.5 mg/mL的原花青素對照品溶液，分別精密吸取對照品溶液適量，再用甲醇稀釋成 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/mL 不同濃度的原花青素工作液。采用紫外可見分光光度計測定原花青素含量，以原花青素標準品濃度為橫坐標（x）、吸光度為縱坐標（y），繪制標準曲線 y=0.8774x-0.015 6，R2=0.999 2，并按下式計算樣品中原花青素的含量：

式中，C為樣品中原花青素濃度（mg/mL）；V為提取液體積（mL）；m 為樣品質量（mg）。

2 結果與分析

2.1 單因素條件對黑果腺肋花楸復水比的影響

2.1.1 加熱板溫度對黑果腺肋花楸復水比的影響。在真空度20 Pa條件下，真空冷凍干燥66 h，依次用加熱板溫度為 25、30、35、40、45 ℃進行處理，研究不同加熱溫度對黑果腺肋花楸復水比的影響。由圖1可知，在一定溫度范圍內，復水比隨溫度升高而增加。因為適當提高溫度有利于增加熱源與升華界面的溫差，從而提高傳熱驅動力，更有利于物料干燥。當到達升華界面的最高允許溫度后，復水比下降趨勢明顯。由于過高的外界供熱，物料中冰晶融化成液態，冷凍干燥無法進行，最終導致干品中水分超標。因此，加熱板溫度過高或過低均對黑果腺肋花楸復水比有影響，選擇35℃為最佳加熱板溫度。

圖1 加熱板溫度對黑果腺肋花楸復水比的影響

2.1.2 真空度對黑果腺肋花楸復水比的影響。設定加熱板溫度為 35℃，依次選擇真空度 10、20、30、40、50 Pa，真空冷凍干燥66 h，研究不同真空度對黑果腺肋花楸復水比的影響。由圖2可知，由于在升華階段有大量水蒸氣需要捕捉，較低的真空度更有利于干燥，但過低的真空度同時增加了運行費用；當真空度過高時，對流將會減緩，減少了熱量傳遞，升華所生成的蒸汽不能及時排除，蒸汽分壓就會升高，物料溫度也隨之升高融化，出現冒泡現象，不利于干燥過程的進行，因而選擇真空度20 Pa為宜。

圖2 真空度對黑果腺肋花楸復水比的影響

2.1.3 干燥時間對黑果腺肋花楸復水比的影響。在真空度20 Pa、加熱板溫度35℃條件下，分別干燥48、54、60、66、72 h，考察不同干燥時間對黑果腺肋花楸復水比的影響。由圖3可知，在一段時間內，黑果腺肋花楸復水比隨干燥時間延長而增加。一般來說，干燥時間和復水比成正比，時間愈長，干燥愈徹底。從降低成本考慮，選擇66 h作為最佳干燥時間。

圖3 干燥時間對黑果腺肋花楸復水比的影響

2.2 響應面法優化黑果腺肋花楸干燥工藝

單因素試驗結果表明，本試驗的最佳提取條件為加熱板溫度35℃、真空度20 Pa、干燥時間66 h。以黑果腺肋花楸復水比為響應值，根據Box-Behnken設計原理，進行3因素3水平響應面優化試驗，試驗方案及結果見表2。

表2 響應面法優化黑果腺肋花楸真空冷凍干燥工藝試驗設計及結果

2.3 回歸模型方差分析

利用Design Expect軟件對表2數據進行分析。經回歸擬合后，得到黑果腺肋花楸復水比與加熱板溫度、真空度、干燥時間的線性回歸模型方程為：Y=4.51+0.094A+0.28B+0.025C-0.018AB+0.005AC+0.035 BC-0.12A2-0.49B2-0.25C2。由表3可知，模型回歸效果高度顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P=0.084 1），說明試驗模型擬合程度較好，用此方程得出真空干燥的最佳工藝條件。同時從顯著性檢驗可以看出，影響復水比的主次順序依次為干燥時間、加熱板溫度和真空度。

表3 響應面法優化黑果腺肋花楸真空冷凍干燥工藝的回歸模型方差分析結果

2.4 響應曲面分析

從圖4可以看出，加熱板溫度與干燥時間的等高線呈橢圓形，說明他們彼此間交互作用顯著。真空度與干燥時間的等高線接近圓形，說明真空度與干燥時間的交互作用對復水比的影響較弱。

2.5 原花青素的檢測

通過響應面法得到黑果腺肋花楸的最佳干燥條件為加熱板溫度36.9℃、真空度20.73 Pa、干燥時間67.67 h，此時黑果腺肋花楸復水比為4.57。根據實際操作可以將條件改為加熱板溫度37℃、真空度21 Pa、干燥時間67.5 h，在此條件下進行試驗，得出黑果腺肋花楸復水比為4.58，與預測結果接近，證明該模型結果可靠。以最優工藝條件進行真空冷凍干燥，得到黑果腺肋花楸干品，測定其原花青素的含量，結果為50.72 mg/100 g；同時取70℃鼓風干燥24 h得到的干品，按照同樣方法測定原花青素的含量，結果為33.46 mg/100 g。說明在真空冷凍干燥條件下得到的黑果腺肋花楸干品中原花青素含量更高，該工藝更有利于黑果腺肋花楸的儲存。

3 結論

通過單因素試驗及響應面優化試驗研究真空冷凍干燥黑果腺肋花楸的最佳工藝條件，結果表明：影響黑果腺肋花楸復水比的主要因素依次為干燥時間、加熱板溫度和真空度；黑果腺肋花楸真空冷凍干燥最佳工藝條件為加熱板溫度37℃、真空度21 Pa、干燥時間67.5 h，黑果腺肋花楸復水比為4.58，與模型預測值接近，其所含原花青素含量優于鼓風干燥產品，該工藝更有利于黑果腺肋花楸的儲存。