菊花干燥技術(shù)研究進(jìn)展

陳 強(qiáng),苗文娟,查 靖,凌倩倩,孫艷輝

(滁州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院,安徽滁州 239000)

菊花是菊科多年生草本植物菊(ChrysanthemummorifoliumRamat)的頭狀花序,是我國傳統(tǒng)中藥,其藥理作用一直受到人們的普遍認(rèn)同。菊花味甘、苦,性微寒;歸肺、肝經(jīng);其主要功效為散風(fēng)清熱、平肝明日、清熱解毒,可用于風(fēng)熱感冒、頭痛目炫等[1],近年來的藥理研究也證實(shí)菊花具有抗菌、抗炎、降血脂、抗腫瘤和抗氧化等方面的作用[2-3]。但新鮮菊花的含水率達(dá)到80%以上[4],若不及時(shí)脫除水分,會(huì)使菊花品質(zhì)大幅度降低。所以剛采摘的菊花需要盡快進(jìn)行干燥,這是菊花采摘后至關(guān)重要的一步,因?yàn)樗诒３志栈ㄓ行С煞值耐瑫r(shí)抑制了酶活和微生物生長,避免褐變、腐敗變質(zhì),保障了菊花質(zhì)量和藥效。干燥后菊花的質(zhì)量主要取決于感官以及其中活性成分如綠原酸、總黃酮等物質(zhì)的含量。

2010年《中國藥典》一部[1]開始將綠原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡?；鼘幩崛N化學(xué)成分作為菊花質(zhì)量的控制指標(biāo)。目前菊花的干燥技術(shù)已從傳統(tǒng)的陰干、硫熏以及氣流干燥等發(fā)展到現(xiàn)在的高新技術(shù)化和多元化方式,如:微波干燥、真空干燥等。但目前對菊花的研究大多集中于菊花中活性成分如綠原酸[5]、總黃酮[6]等的分析以及菊花中活性成分的提取工藝研究[7],菊花干燥技術(shù)相關(guān)的研究和綜述則相對較少。本文將對近年來關(guān)于菊花干燥的主要研究內(nèi)容進(jìn)行綜述,并對不同的干燥技術(shù)進(jìn)行對比分析。

1 菊花的傳統(tǒng)干燥技術(shù)

菊花的傳統(tǒng)干燥技術(shù)主要有陰涼干燥、硫磺熏蒸和熱風(fēng)干燥。陰涼干燥和硫磺熏蒸因不需要特殊設(shè)備,干燥成本低,是最經(jīng)濟(jì)的兩種干燥方法。

1.1 陰涼干燥

陰涼干燥簡稱陰干,是一種將物料置于不高于20 ℃且通風(fēng)處使物料水分散失的干燥方法。陰干在古時(shí)是常用的一種菊花處理方法[8]。最傳統(tǒng)的陰干方式為選取晴天的下午,將菊花整株割下,掛在架子上至陰干,全干后剪下花序部分備用,這種方式在現(xiàn)代仍被運(yùn)用,其中運(yùn)用最廣泛的當(dāng)屬亳菊[9]。王霏等[10]采用HPLC方法對陰干和其他三種(烘干、微波殺青烘干和蒸汽殺青烘干)處理方式得到的亳菊中的綠原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡?；鼘幩岬暮窟M(jìn)行測定,結(jié)果顯示陰干處理后亳菊中這三種成分的含量均比其他三種處理方式所得菊花的含量高。Choi等[11]采用GC-MS分析陰干和冷凍干燥對野菊花中的揮發(fā)性成分的影響,結(jié)果表明新鮮野菊花中富含樟腦(Camphor,43.8%)和馬鞭草烯醇(Verbenol,7.1%),陰干后的野菊花中樟腦、乙酸冰片酯(Endobornyl acetate)和松油烯-3-醇(Terpinene-3-ol)含量減少,馬鞭草烯醇完全揮發(fā),而冰片(Borneol)的含量卻顯著提高。陰干的環(huán)境要求是通風(fēng)開放處而不能在密閉空間中,在此過程中可能會(huì)有灰塵以及其他雜物混入其中以致產(chǎn)品的衛(wèi)生和安全質(zhì)量不達(dá)標(biāo);陰干成本雖低,但由于干燥周期長,導(dǎo)致陰干這種低效率干燥技術(shù)逐漸被其他干燥技術(shù)所取代。

1.2 硫磺熏蒸

硫磺熏蒸是一種古老的藥材加工方法,其歷史至少可以追溯到1個(gè)世紀(jì)之前[12]。雖然這種干燥技術(shù)能夠有效地延長藥材的保質(zhì)期[13]甚至能起到殺螨的作用,但近年來諸多研究均發(fā)現(xiàn)硫磺熏蒸后的菊花中的生物活性成分[14-16](如酚酸類、黃酮苷類等)和微量元素[17](如Cu2+等)等的含量顯著降低。同時(shí)硫磺熏蒸后的中藥材可能會(huì)出現(xiàn)SO2殘留量超標(biāo)現(xiàn)象,過量的SO2會(huì)與藥材中的酮基、羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[18],從而導(dǎo)致某些成分的破壞,致使有些活性成分流失。長期服用硫磺熏蒸的中藥材也會(huì)導(dǎo)致抽筋、痙攣、腹瀉、腹脹、胃灼痛以及胃功能紊亂[19-20],所以在2005版《中國藥典》一部[1]中開始規(guī)定禁止菊花干燥過程中使用硫磺熏蒸。

1.3 熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥是以熱空氣為加熱介質(zhì),通過對流傳導(dǎo)等加熱方式,在一定時(shí)間內(nèi)對物料進(jìn)行加熱以脫除物料水分的干燥技術(shù)。因其操作簡單、物料處理量大且成本低、衛(wèi)生條件也能得到保障,所以被廣泛應(yīng)用于食品和藥材的前處理上。隨著干菊花需求量的上升,干菊花的市場也不斷擴(kuò)大,為提高生產(chǎn)效率,熱風(fēng)干燥也廣泛運(yùn)用于菊花干制行業(yè)中[9]。

由于熱風(fēng)干燥是由外向內(nèi)加熱,形成一定的溫度梯度,引發(fā)水分梯度的形成以達(dá)到干燥的目的,所以熱風(fēng)干燥溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。蔣磊等[21]在對比不同烘干溫度對亳菊成分含量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著溫度逐漸升高,綠原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡?；鼘幩徇@3種成分的含量均處于下降趨勢。徐建[22]對滁菊干燥及儲(chǔ)藏方法進(jìn)行探索時(shí)所得出的結(jié)果與蔣磊等[21]相似:隨著熱風(fēng)干燥溫度升高,滁菊中的主要活性成分的含量逐漸降低,干燥溫度大于80 ℃時(shí)活性成分的含量均未達(dá)到《中國藥典》的含量要求[1]。Shi Xiao-fei[23]對比研究了未殺青-熱風(fēng)干燥、蒸汽殺青-熱風(fēng)干燥、105 ℃熱風(fēng)殺青-熱風(fēng)干燥后祁菊中黃酮、綠原酸、類胡蘿卜素以及游離氨基酸等成分的含量變化,結(jié)果表明,熱風(fēng)殺青后干燥的祁菊中綠原酸含量最高,且殺青1 min后干燥的祁菊中綠原酸含量達(dá)到峰值、類胡蘿卜素的穩(wěn)定性也最高,說明在干燥前進(jìn)行高溫殺青可更好的保留菊花中的活性成分。Yuan Jun等[24]在研究不同干燥方法對菊花中活性成分的影響時(shí),認(rèn)為烘干較陰干和曬干干燥速度快,在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)選用三段溫度:低溫(40、50、60 ℃)、中溫(70、80、90 ℃)、高溫(100、110、120 ℃),對不同花期的菊花進(jìn)行干燥處理,結(jié)果顯示,菊花中綠原酸含量在低溫條件下有微弱的降低;在60～70 ℃時(shí)綠原酸含量反而上升,這與潘蕓蕓[25]等的研究結(jié)果符合,50 ℃以后綠原酸含量基本保持不變,但在潘蕓蕓[25]的研究中烘干菊花中氨基酸和綠原酸含量較鮮菊花高,其余各成分(槲皮素、黃岑苷等)含量均明顯低于鮮菊花,而凍干菊花中可溶性糖含量高于鮮菊花,凍干菊花與鮮菊花中總黃酮含量無顯著差異。梁迎暖等[26]通過研究發(fā)現(xiàn)不同的干燥方法對懷菊中的活性成分均有顯著性影響,其中烘干后的懷大白菊和懷小白菊中綠原酸的含量分別為2.2581‰和1.2043‰,低于陰干及傳統(tǒng)蒸曬,其中懷小白菊中綠原酸更是低于《中國藥典》一部[1]規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)2‰。

同時(shí),熱風(fēng)干燥過程中也會(huì)影響菊花中褐變相關(guān)酶(多酚氧化酶(PPO)、過氧化物酶(POD)等)的活性變化。徐文斌等[27]研究發(fā)現(xiàn)在較低溫度下對菊花進(jìn)行干燥時(shí),PPO活性會(huì)因溫度適宜而提高,造成損失較多的綠原酸,推測可能是由于綠原酸分子結(jié)構(gòu)中含有鄰二酚羥基,是酚酶催化最適合的反應(yīng)底物,受熱見光均易氧化[28]。同時(shí),梁迎暖等[26]的研究也證實(shí)高溫會(huì)抑制菊花中相關(guān)酶的活性;崔莉等[29]研究不同干燥方法對菊花褐變相關(guān)酶活性及活性成分的影響時(shí)也表明,干燥過程中菊花所含的綠原酸以及木犀草苷等活性成分的含量與PPO活性顯著相關(guān)。

熱風(fēng)干燥雖簡單易行、干燥過程不受時(shí)間以及環(huán)境的限制,但其溫度直接影響干菊花的品質(zhì),菊花中的熱敏性成分會(huì)因溫度的改變而發(fā)生含量的顯著降低或空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變而喪失其生理活性,降低菊花的藥用價(jià)值。且菊花中的水分含量高,花瓣花蕊厚度不一致,在干燥過程中必須控制好熱風(fēng)溫度,熱風(fēng)溫度過高會(huì)導(dǎo)致菊花外形不完整,質(zhì)地過脆,同時(shí)會(huì)伴有焦黑現(xiàn)象,其商品價(jià)值直接降低;熱風(fēng)溫度過低則干燥時(shí)間長,能耗高,且菊花中的相關(guān)酶如PPO等活性提高使菊花發(fā)生酶促褐變,也會(huì)使綠原酸等活性成分被分解。

2 菊花的現(xiàn)代干燥技術(shù)

2.1 微波干燥技術(shù)

微波干燥是以微波作為熱源降低物料含水量以達(dá)到干燥目的現(xiàn)代干燥技術(shù)。由于傳統(tǒng)干燥技術(shù)處理后的菊花活性成分含量顯著降低,研究者開始采用微波對菊花進(jìn)行前處理。韓波[30]在對祁菊的干燥工藝進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著微波爐火力的升高,干制后的祁菊中綠原酸、槲皮素、木犀草苷和總黃酮的含量均先升高后降低,480 W時(shí)各物質(zhì)含量均達(dá)到最高值。徐建[22]將100 g滁菊置于微波爐中,用160、320、480、640、800 W對滁菊分別進(jìn)行干燥,然后對處理后滁菊中的綠原酸、木犀草苷和3,5-O-咖啡?；鼘幩岷窟M(jìn)行測定,結(jié)果顯示隨著火候的增加和時(shí)間的延長,這3種物質(zhì)的含量均呈上升趨勢。Shi Xiao-fei等[23]的研究表明隨著微波功率的增加,菊花干燥時(shí)間逐漸縮短,菊花中綠原酸、總黃酮含量逐漸上升,而類胡蘿卜素、氨基酸等物質(zhì)的含量卻逐漸下降,微波干燥是保持黃酮、維生素C和可溶性糖含量較高的最佳干燥方法,兼顧效率和能耗。由此可見,微波干燥雖然具有效率高、速度快等優(yōu)點(diǎn),但微波功率的升高和微波加熱時(shí)間的延長可能導(dǎo)致某些熱敏性活性成分吸收大量微波而被破壞,因此針對菊花而言,微波與其他干燥技術(shù)相結(jié)合的組合式干燥技術(shù)可能更具有應(yīng)用前景。

2.2 熱泵干燥技術(shù)

熱泵是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理[31],消耗少量的電能驅(qū)動(dòng)熱泵,吸收空氣中大量的低溫?zé)崮?通過壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮?降低干燥室內(nèi)空氣的相對濕度,使被干燥物料脫除水分的一種干燥技術(shù);因其獨(dú)特的干燥原理,具有高效節(jié)能、熱效率快、除濕快、環(huán)境友好等特點(diǎn),逐漸被應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品干燥中[32]。戴源德[33]和劉濤[34]等研究了熱泵干燥室內(nèi)不同熱風(fēng)溫度、循環(huán)風(fēng)速和排濕時(shí)間對菊花干燥特性的影響,結(jié)果顯示,熱風(fēng)溫度越高、循環(huán)風(fēng)速越大或排濕時(shí)間越長,干燥周期越短,但任何一種參數(shù)過高均會(huì)影響成品菊花的品質(zhì),綜合來看,工況八(預(yù)熱階段50 ℃、高速干燥階段65 ℃、第一降速干燥階段75 ℃、第二降速干燥階段55 ℃,風(fēng)速0.25 m/s,排濕時(shí)間200 s,排濕間隔1 min)的干燥條件下所出的菊花干制品花朵干燥均勻、無卷邊、顏色金黃、干制品有韌性、氣味清香。工況八與其他工況相比,雖干燥周期略長,約20 h,但其感官評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)卻是最高,且其熱風(fēng)溫度和循環(huán)風(fēng)速均不是最高,所以可得品質(zhì)最佳的成品。

由于熱泵干燥是將低熱能轉(zhuǎn)化為高熱能實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品脫水干燥的一項(xiàng)干燥技術(shù),所以其節(jié)能減排的特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注。但熱泵干燥在中后期時(shí),由于物料含水量下降,干燥速度變慢,干燥時(shí)間延長,導(dǎo)致能耗增加[31],如果將熱泵干燥技術(shù)與其他干燥技術(shù)聯(lián)用,將能實(shí)現(xiàn)在節(jié)能的同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量,這是熱泵干燥技術(shù)的未來發(fā)展方向之一,同時(shí)開發(fā)高溫?zé)岜肹34],提高熱泵的干燥效率,也將是熱泵干燥技術(shù)另一發(fā)展方向。

2.3 真空冷凍干燥技術(shù)

真空冷凍干燥也稱冷凍干燥,是一種將物料凍結(jié)到共晶點(diǎn)溫度以下,在低壓狀態(tài)下通過升華除去物料中水分的干燥方法[35]。由于干燥是在真空低溫條件下進(jìn)行,菊花中的活性成分能夠有效的保存,其色澤以及外觀等也可基本保持原狀。蔡亞祿等[36]對黃山貢菊進(jìn)行微波漂燙和蒸汽殺青處理后,先以2～3 ℃的降溫速度將處理后的貢菊花凍結(jié)至-20～-25 ℃,保持2～4 h;再真空冷凍干燥10～15 h后得其干品,通過對比該法炮制后的菊花與現(xiàn)有方法烘干后的菊花中綠原酸及木犀草苷的含量,結(jié)果顯示,該法炮制后的貢菊花中綠原酸和木犀草苷的含量分別為0.739%和0.405%,遠(yuǎn)超于現(xiàn)行方法烘干后菊花中的綠原酸(0.462%)和木犀草苷(0.226%)含量。劉鴻雁等[37]以白菊為對象,對其進(jìn)行真空冷凍干燥后得出其最佳干燥工藝,將花材預(yù)凍6 h,升華干燥15 h,再以45 ℃的加熱擱板溫度進(jìn)行解析干燥14 h效果最佳,干燥后的白菊縮小率僅有18%,菊花中心顏色及外層顏色均為白色。

冷凍干燥雖能極大的保持菊花的品質(zhì),但低溫條件下菊花中的相關(guān)酶卻不能被高度滅活。潘蕓蕓等[25]的研究表明,經(jīng)冷凍干燥后,菊花中綠原酸、槲皮素等均較鮮菊花降低,這些活性成分均為多酚類化合物,說明凍干可能會(huì)導(dǎo)致菊花中的PPO滅活不徹底,致使貯藏過程中活性成分的損失。

凍干食品因其最大限度的保持了產(chǎn)品的營養(yǎng)成分以及風(fēng)味等優(yōu)點(diǎn)而受到消費(fèi)者的青睞,但現(xiàn)階段真空凍干設(shè)備價(jià)格昂貴,真空冷凍干燥技術(shù)在大規(guī)模生產(chǎn)過程中能耗大的問題也影響著凍干技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,因此開發(fā)真空凍干設(shè)備以及降低能耗是未來真空冷凍干燥技術(shù)在食品工業(yè)中的發(fā)展方向。

3 菊花的微波聯(lián)合干燥技術(shù)

眾所周知,干燥方式的選擇對產(chǎn)品的形狀、風(fēng)味、活性成分的含量以及能耗都有著直接影響,不同的干燥技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于農(nóng)產(chǎn)品物料的多樣性以及性質(zhì)的復(fù)雜性,單一的干燥技術(shù)已很難滿足最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求,因此在不斷完善和探索各種干燥技術(shù)及其工藝之外,將不同的干燥技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ),同時(shí)或者分段使用進(jìn)行聯(lián)合干燥已成為一大趨勢[38]。從近幾年的研究來看,將微波干燥與其他干燥技術(shù)進(jìn)行組合是菊花干燥的一大研究熱點(diǎn)。肖宏儒等[4]對比分析純微波、純氣流以及兩者組合干燥,結(jié)果顯示純氣流干燥時(shí),花瓣的干燥速率高于花頭的干燥速率,當(dāng)花頭的含水率降至18%時(shí),花瓣已出現(xiàn)部分干枯脫落;純微波干燥雖所需時(shí)間短,但在這個(gè)過程中菊花的品質(zhì)發(fā)生了很大變化,當(dāng)菊花含水率至18%左右,菊花的色、香、形、味發(fā)生了很大變化;而兩者組合進(jìn)行干燥所得的菊花干制品質(zhì)量較單獨(dú)的氣流或微波干燥,質(zhì)量要高出很多。孫艷輝[39]用熱泵干燥箱在低溫下對蒸汽殺青后的滁菊干制5～8 h,使滁菊水分含量降至30%～40%,最后用功率為3 kW的微波在真空環(huán)境下對滁菊進(jìn)行6～10 min的輻照干燥,所得滁菊花型完整,沖泡茶湯清亮,營養(yǎng)物質(zhì)保留率高。任源[40]、張鐳[41]和侯芳潔等[42]也分別使用微波干燥技術(shù)和其他干燥技術(shù)聯(lián)用并對菊花進(jìn)行處理,其研究結(jié)果均表明用聯(lián)合干燥技術(shù)處理后的菊花品質(zhì)優(yōu)于單一干燥技術(shù)所處理的菊花的品質(zhì)(表1)。因此綜上分析認(rèn)為,依據(jù)菊花鮮花花瓣花蕊厚度不均勻的特點(diǎn),利用微波聯(lián)合其他干燥技術(shù)的組合式干燥技術(shù)能夠達(dá)到更好的干燥效果。

表1 菊花微波聯(lián)合干燥技術(shù)Table 1 Microwave combined drying technology of chrysanthemum

4 結(jié)論與展望

菊花采后干燥技術(shù)和工藝參數(shù)的選取直接影響到干菊花的質(zhì)量,目前普遍采用的菊花干燥技術(shù)是熱風(fēng)干燥,同時(shí)也有微波干燥、熱泵干燥、真空冷凍干燥等現(xiàn)代干燥技術(shù)。但基于新鮮菊花的花瓣和花蕊厚度不一的特點(diǎn),在干燥過程中其傳熱傳質(zhì)阻力不同,采用單一的干燥工藝存在干燥效果差、干制品品質(zhì)低等問題,因此,單一的干燥技術(shù)并不能滿足現(xiàn)在市場對高端品質(zhì)菊花干制品的需求,采用多種干燥技術(shù)組合的聯(lián)合干燥技術(shù)對菊花進(jìn)行采后干燥處理,同時(shí)開展更多關(guān)于其組合方式及參數(shù)對菊花品質(zhì)影響的研究,是菊花干燥的未來發(fā)展趨勢。

目前,菊花干燥技術(shù)的選取仍取決于干燥后的菊花中活性成分的含量和感官分析,較少研究菊花干燥過程中PPO、POD等的活性變化對菊花干制品的品質(zhì)影響。PPO、POD等酶不僅影響著菊花的褐變程度,酶解也會(huì)致使活性成分降低,同時(shí)對菊花的風(fēng)味也會(huì)造成一定的影響。不少學(xué)者開始關(guān)注菊花中相關(guān)酶的酶學(xué)特性以及在干燥過程中PPO和POD的酶活與特定功能成分含量之間的相關(guān)性,而究竟選取哪些干燥工藝和聯(lián)用干燥技術(shù)能顯著降低酶活以提高菊花干制品的品質(zhì)仍待研究。