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(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；2.中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；3.北京同仁堂健康藥業(yè)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(zhǎng)在我國(guó)新疆、青海、甘肅等海拔高、日照足地區(qū)，是一種耐干旱、耐鹽堿的沙生植物，其果實(shí)中含有大量的原花青素、花色苷、多糖、黃酮等營(yíng)養(yǎng)成分[1]。已有大量的研究報(bào)道其具有抗氧化、降血脂、降血糖、抗疲勞及免疫調(diào)節(jié)的作用[2-6]?！毒S吾爾藥志》記載，黑果枸杞果實(shí)及根皮可治療尿道結(jié)石、癬疥、齒齦出血等癥，民間則用作滋補(bǔ)強(qiáng)壯、明目以及降壓藥[7]。

黑果枸杞多棘刺，采摘困難，果實(shí)易破損，成品產(chǎn)率極低，造成其價(jià)格昂貴。對(duì)次果的充分利用，以及產(chǎn)品食用便利性、有效性是黑果枸杞產(chǎn)業(yè)急需解決的問題。目前對(duì)果黑果枸杞的研究集中在其所含活性成分的提取優(yōu)化[2，8-10]、結(jié)構(gòu)表征[11-13]、活性測(cè)定[2-6]等。果蔬粉是一種良好的深加工產(chǎn)品[14]，開發(fā)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(yī)藥、保健品等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

噴霧干燥過程物料受熱時(shí)間短，干燥迅速，能較好保留產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分及風(fēng)味、便于貯存運(yùn)輸[15-16]，是目前產(chǎn)業(yè)化過程常用的干燥方式之一。Thunnop[17]對(duì)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(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)雖然冷凍干燥所得樣品產(chǎn)率、花青素保留率相對(duì)較高，但具有很高的操作成本。張妍[18]通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化噴霧干燥，最終得到了沖調(diào)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(zhì)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(fèi)市場(chǎng)提供了一種新的產(chǎn)品。但黑果枸杞花青素穩(wěn)定性差[20]，多糖具有較高的黏性，為解決由此產(chǎn)生的速溶粉活性成分損失和干燥過程中霧化不均勻、產(chǎn)品粘壁等問題，本研究通過雙重優(yōu)化即在提取及干燥部分分別進(jìn)行工藝優(yōu)化，旨在充分提取黑果枸杞活性成分并獲得得率高、品質(zhì)優(yōu)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(nèi)蒙古產(chǎn)。

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(jié)晶乙酸鈉：天津市福晨化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

TDL-5-A型大容量常溫離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；WF2UV-2802H分光光度計(jì)：上海尤尼柯儀器有限公司；CTXNW-2B超聲加熱循環(huán)提取機(jī)：北京弘祥隆生物技術(shù)股份有限公司；RE-6000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；真空脈動(dòng)超聲干燥機(jī)：中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所生化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)；LPG-10噴霧干燥機(jī)：南京凱歐機(jī)械制造有限公司；Mastersizer 2000 E激光粒度分析儀：英國(guó)馬爾文儀器有限公司；JSM 6700F冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡：日本電子株式會(huì)社（JEOL）。

1.3 方法

1.3.1 花色苷測(cè)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(zhǎng)下分別測(cè)定黑果枸杞花色苷在在上述兩種緩沖液中的吸光值A(chǔ)。

黑果枸杞花色苷含量計(jì)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(shù)；ε為矢車菊素-3-葡萄糖苷的摩爾消光系數(shù)[26 900 L/（mol·cm）]；L為比色皿光程（1 cm）；c為待測(cè)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(zhì)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(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)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(tài)來提高花色苷的穩(wěn)定性[20]。

1.3.2.1 單因素試驗(yàn)

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

1.3.2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果選定超聲設(shè)備最大功率400 W，考察料液比（A），提取溫度（B），提取時(shí)間（C）對(duì)花色苷得率的影響。正交因素水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.3 干燥工藝比較與優(yōu)化

根據(jù)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(fēng)干燥（70℃）、超聲干燥、冷凍干燥方式對(duì)水提液進(jìn)行干燥。為提高后3種干燥方式的干燥速率，需將提取液預(yù)先濃縮（噴霧干燥無需濃縮處理）。比較4種干燥方式對(duì)產(chǎn)品物理特征及花色苷得率、含量的影響，優(yōu)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(shè)計(jì)的Box-Behnken試驗(yàn)，以3個(gè)因素?zé)犸L(fēng)溫度、料液進(jìn)樣速度、料液密度為考察對(duì)象，以得粉率為響應(yīng)值來獲得噴霧干燥的最優(yōu)工藝條件。其中得粉率定義為試驗(yàn)設(shè)計(jì)中產(chǎn)品質(zhì)量與冷凍干燥條件下產(chǎn)品質(zhì)量的比值。觀察試驗(yàn)過程中有無霧化不均勻、產(chǎn)品粘壁、結(jié)塊現(xiàn)象；并對(duì)制備的樣品重量、花色苷含量、水分含量、堆積密度進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表2。

表2 試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)Table 2 Factors and levels for orthogonal test

1.4 速溶粉微觀結(jié)構(gòu)表征與沖調(diào)性

1.4.1 掃描電鏡

采用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察噴霧干燥制備的產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)及其表面形態(tài)。

1.4.2 粒徑分布

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

1.4.3 感官評(píng)價(jià)及溶解時(shí)間

根據(jù)NY/T 1323-2017《中國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)綠色食品固體飲料標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)噴霧干燥制備的產(chǎn)品從色澤、組織形態(tài)、滋味和氣味方面進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，并參照QB/T 3623-1999《中國(guó)輕工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)果香型固體飲料標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定產(chǎn)品溶解時(shí)間，即稱取25 g產(chǎn)品于500 mL燒杯中，加入200 mL冷開水（10℃），攪拌，計(jì)算從加入冷開水到完全溶解的時(shí)間（s），全部溶解的時(shí)間在60 s內(nèi)即為符合標(biāo)準(zhǔn)。

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(cè)定浸泡出花色苷的含量、液體溫度隨時(shí)間的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲輔助提取優(yōu)化

2.1.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

不同因素對(duì)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(shí)間對(duì)花色苷得率的影響?？梢钥闯?，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，花色苷得率逐漸增加，由于花色苷不穩(wěn)定，易受光照、氧氣等因素的影響而發(fā)生降解，到達(dá)一定提取時(shí)間后提取速率小于降解速率而產(chǎn)生花色苷得率下降的結(jié)果。

圖1 不同因素對(duì)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(shí)間50 min，研究提取溫度對(duì)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(shì)。花色苷在溶液介質(zhì)中會(huì)隨pH值的變化發(fā)生結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)換，并且結(jié)構(gòu)之間存在著一定的平衡，溫度升高會(huì)加速水解反應(yīng)和開環(huán)反應(yīng)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(zhuǎn)化。因此當(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)間50 min，研究料液比對(duì)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(shí)花色苷可能發(fā)生水解反應(yīng)，所以出現(xiàn)花色苷得率隨著溶劑的增加先上升后下降的現(xiàn)象。

圖1（d）為固定料液比 1∶10（g/mL）、提取溫度 20 ℃、提取時(shí)間50 min，研究超聲功率對(duì)花色苷得率的影響。Tiwari等[23]研究了超聲波處理對(duì)紅葡萄汁顏色和花色苷提取效果的影響，結(jié)果表明超聲輔助提取對(duì)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(yàn)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(chǎn)生極低值，這可能由于此頻率范圍的超聲波對(duì)黑果枸杞花色苷的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，或者此頻率范圍超聲波對(duì)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(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果分析如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)分析方案及結(jié)果Table 3 Experimental design and results for orthogonal test analysis

極差分析結(jié)果表明，各因素對(duì)花色苷得率的影響大小順序?yàn)锽＞C＞A，即提取溫度＞提取時(shí)間＞料液比。比較每個(gè)因素對(duì)應(yīng)的K值大小，得出花色苷提取工藝最優(yōu)組合為 A3B1C2，即當(dāng)料液比 1∶20（g/mL），提取溫度20℃，提取時(shí)間50 min時(shí)獲得最高得率，經(jīng)3次平行試驗(yàn)，此時(shí)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(fēng)干燥、超聲干燥、冷凍干燥、噴霧干燥4種干燥方式對(duì)其干燥，不同干燥方式對(duì)產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)，任何一種干燥方式的最終質(zhì)量跟冷凍干燥質(zhì)量的比值為該干燥方式的產(chǎn)率。提取液濃縮處理后，經(jīng)熱風(fēng)干燥、超聲干燥、冷凍干燥仍耗時(shí)較久，而噴霧干燥用時(shí)短，所得樣品無需粉碎，粉質(zhì)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(chǎn)品花色苷含量高于冷凍干燥及其他干燥方式，但產(chǎn)率相對(duì)較小。綜合考慮時(shí)間與成本，優(yōu)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(yōu)化

響應(yīng)面方案及結(jié)果與如表5所示。

表5 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果Table 5 Experimental design and results for response surface analysis

應(yīng)用Design-Expert 8.05軟件對(duì)表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合和響應(yīng)面分析，得出方差分析表6和響應(yīng)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(dá)到極顯著水平。失擬項(xiàng)不顯著，表明方程對(duì)試驗(yàn)擬合良好，可用于黑果枸杞水提物噴霧干燥得率的預(yù)測(cè)。一次項(xiàng)B、C對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響極顯著；二次項(xiàng)C2對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著；一次項(xiàng)A、交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。綜合回歸模型分析結(jié)果，可確定最佳工藝參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)溫度190℃，進(jìn)樣速度20 mL/min，料液密度1.01 g/mL，在此條件下預(yù)測(cè)速溶粉得率為97.98%，而實(shí)測(cè)值為97.32%，該實(shí)際值與預(yù)測(cè)值大小相近，因此利用響應(yīng)面法優(yōu)化所得的工藝條件具有可行性。

圖2 各因素對(duì)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(duì)表5中產(chǎn)品得率、產(chǎn)品水分含量等指標(biāo)進(jìn)行分析。7、11、13號(hào)樣品（進(jìn)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(chǎn)品水分含量偏高（分別為3.7%、3.5%、3.9%），這是由于進(jìn)樣速度過快，導(dǎo)致樣品受熱不充分，水分來不及被熱風(fēng)蒸發(fā)帶走，使得產(chǎn)品水分含量較高，這也直接導(dǎo)致產(chǎn)品較黏而粘在干燥塔內(nèi)壁影響產(chǎn)率。如果適當(dāng)提高進(jìn)風(fēng)溫度則可以降低產(chǎn)品的水分含量（對(duì)比11、12號(hào)樣品）。2、9號(hào)樣品由于密度過大（密度為1.05 g/mL），干燥時(shí)出現(xiàn)霧化不均勻的現(xiàn)象。本次試驗(yàn)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(jìn)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(dǎo)致霧化不均勻現(xiàn)象的發(fā)生，霧化不均勻不僅會(huì)影響產(chǎn)品顆粒的均勻性，還會(huì)造成部分料液無法干燥成粉。通過調(diào)節(jié)噴霧干燥環(huán)節(jié)的料液進(jìn)樣速度、進(jìn)風(fēng)溫度，在保證干燥速率的同時(shí)還可以降低產(chǎn)品含水量，避免干燥不充分而導(dǎo)致得粉率下降。通過控制料液的密度來減少霧化不均勻現(xiàn)象的發(fā)生，從而保證產(chǎn)品顆粒的均勻性和較高的得粉量。經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)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(yīng)面優(yōu)化噴霧干燥工藝可提高產(chǎn)品的得率，提升產(chǎn)品在含水量、顆粒均勻性等方面的品質(zhì)。

通過多元回歸擬合分析得到黑果枸杞速溶粉得率（Y）與進(jìn)風(fēng)溫度（A）、進(jìn)樣速度（B）、料液密度（C）之間的二次多項(xiàng)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(jié)構(gòu)表征與沖調(diào)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(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)為其速溶性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；粒徑分布圖（b）為一單一峰，未出現(xiàn)多峰，粒徑較為均一。激光粒度分析儀結(jié)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(shù)有關(guān)。

2.3.2 感官評(píng)價(jià)及溶解時(shí)間

經(jīng)觀察，制備的產(chǎn)品呈紫黑色，無結(jié)塊，沖溶后為均勻混懸液，無肉眼可見的雜質(zhì)，具有特殊的香甜氣味，無刺激、酸敗、焦糊等異味，符合中國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)綠色食品固體飲料感官規(guī)定。3次平行試驗(yàn)平均基本溶解時(shí)間為32.1 s，平均完全溶解時(shí)間為43.4 s，小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溶解時(shí)間60 s，達(dá)到了中國(guó)輕工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)果香型固體飲料溶解時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.3 速溶粉與干果沖泡效果比較

不同樣品隨著時(shí)間延長(zhǎng)花色苷浸出量以及水溫變化見圖4。

圖4 不同樣品隨著時(shí)間延長(zhǎng)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(zhì)量的干果浸泡50分鐘后其花色苷含量?jī)H達(dá)到速溶粉沖泡初期的53.0%，并且溶液溫度已降至28℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人們正常用水的溫度。干果3、6 g浸泡6小時(shí)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(zhì)量的34.3%、33.4%，仍有大量的成分滯留在果實(shí)內(nèi)，所以速溶粉具有顯著的飲用優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

黑果枸杞作為為我國(guó)西部特有的植物品種，正日益受到消費(fèi)者喜愛，其研究和開發(fā)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(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)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(jié)構(gòu)、粒徑分布及溶解時(shí)間。經(jīng)正交優(yōu)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(shí)間50 min、提取溫度40℃。噴霧干燥最佳工藝為進(jìn)風(fēng)溫度190℃，進(jìn)樣速度20 mL/min，料液密度1.01 g/mL，在此條件下預(yù)測(cè)速溶粉得率為97.98%，實(shí)測(cè)值為97.32%，與預(yù)測(cè)值大小相近，響應(yīng)面法優(yōu)化工藝條件具有可行性。通過優(yōu)化噴霧干燥工藝參數(shù)可降低產(chǎn)品含水量，減少霧化不均勻現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高了產(chǎn)品的品質(zhì)與得率。經(jīng)表征，制得的速溶粉是空腔結(jié)構(gòu)，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(dá)到了溶解時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。由于花色苷的不穩(wěn)定性，極易受外界環(huán)境的影響而發(fā)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(xiàn)花色苷含量降低的現(xiàn)象。本次研究采用超聲水提、無輔料添加更為安全、環(huán)保、健康的方式，將黑果枸杞以一種新的形式呈現(xiàn)出來，可擴(kuò)大其在食品、保健品及醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。