密蒙花黃色素提取動力學(xué)及其糯米飯染制工藝

張婷婷，馬博，麥馨允，盤翠君

(百色學(xué)院 農(nóng)業(yè)與食品工程學(xué)院，廣西 百色，533000)

密蒙花，又名黃飯花、染飯花、米湯花和小錦花等，是馬錢科醉魚草屬落葉灌木植物密蒙花樹的干燥花絮和花蕾[1]。密蒙花最早出現(xiàn)在《開寶本草》中，作為傳統(tǒng)中藥至今已有一千多年的使用歷史[2]。同時(shí)，密蒙花作為藥食兩用植物，在我國西南少數(shù)民族地區(qū)常用來染制糯米飯，其黃色素鮮亮、自然，氣味清香，備受歡迎[3]。研究表明，密蒙花黃色素是主要由蒙花苷、芹菜素、木犀草素及藏紅花素等組成，具有抗炎、護(hù)肝、抗氧化、抗抑郁、抗腫瘤、神經(jīng)保護(hù)、改善記憶及治療糖尿病等多種功能[4-11]?？梢姡苊苫S色素是一種具有保健功效的新型植物源天然色素，作為食品添加劑應(yīng)用前景廣闊。當(dāng)前，密蒙花黃色素制備工藝還不成熟，提取研究多集中在通過正交或響應(yīng)面設(shè)計(jì)等方法進(jìn)行一般提取工藝的優(yōu)化[2-3，12-15]，試驗(yàn)結(jié)果不能很好反映某一因素變化對其提取效果的影響，而從動力學(xué)角度研究其浸提過程，建立提取模型，可以提高提取工藝篩選效率，通過不斷矯正和優(yōu)化進(jìn)而達(dá)到指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)的目的[15]。為此，本實(shí)驗(yàn)以Fick第二定律為基礎(chǔ)，建立了密蒙花黃色素提取動力學(xué)模型、求解了相關(guān)動力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)，并優(yōu)化了其糯米飯的染制工藝，以期為密蒙花黃色素提取工業(yè)化放大及其相關(guān)民族傳統(tǒng)食品產(chǎn)業(yè)化提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

密蒙花，廣西百色市金三角農(nóng)貿(mào)市場，經(jīng)百色學(xué)院蘇仕林教授鑒定確認(rèn)；糯米，廣西靖西鴻豐大米加工廠；無水乙醇，天津市富宇精細(xì)化工有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

UV-2700紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司；FD5系列真空冷凍干燥機(jī)，金西蒙(北京)儀器有限公司；AL204電子分析天平，德國梅特勒公司；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀和SHZ-Ⅲ循環(huán)水真空泵，上海亞榮生化儀器廠；DL-3000循環(huán)水冷器，鄭州長城科工貿(mào)公司；3H20RI智能冷凍高速離心機(jī)，湖南赫西儀器裝備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 黃色素制備與光譜掃描

密蒙花50 ℃干燥粉碎后，按料液比1∶20加去離子水室溫避光浸提。浸提后，抽濾，加無水乙醇至體積分?jǐn)?shù)80%，醇沉過夜，8 000 r/min、4 ℃離心20 min，棄沉淀，上清液濃縮后轉(zhuǎn)至塑料燒杯內(nèi)，-80 ℃預(yù)冷24 h后，進(jìn)行低溫真空冷凍干燥。干燥所得密蒙花黃色素用去離子水配制一定質(zhì)量濃度后，進(jìn)行光譜掃描(400～800 nm)，其特征吸收峰在435 nm處(圖1-a)。

1.3.2 黃色素標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

先取1.3.1所制備的密蒙花黃色素，配制質(zhì)量濃度分別為0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 mg/mL溶液，再在435 nm處測定各自吸光度。以吸光度為縱坐標(biāo)，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。由圖1-b可知，密蒙花黃色素質(zhì)量濃度在0.05～0.6 mg/mL時(shí)，線性關(guān)系良好。

a-可見光光譜;b-標(biāo)準(zhǔn)曲線
圖1 密蒙花黃色素可見光光譜圖及其標(biāo)準(zhǔn)曲線
Fig.1 Visible spectrogram and standard curve of yellow pigment fromBuddlejaofficinalisflower

1.3.3 黃色素提取與測定

取10 g密蒙花顆粒(半徑約為0.125 mm)置于250 mL三口燒瓶中，緩慢加入不同溫度(303、313、323和333 K)的去離子水200 mL，攪拌。相應(yīng)溫度下提取密蒙花黃色素，分別在2.5、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80和100 min時(shí)取樣0.1 mL，適當(dāng)稀釋后再在435 nm處直接測定其吸光度，并帶入標(biāo)曲中求得黃色素質(zhì)量濃度。重復(fù)3次，求其平均值。由于提取過程中取樣造成了體積的變化，故需按照公式(1)對實(shí)測黃色素質(zhì)量濃度進(jìn)行校正：

(1)

式中:Cn為第n次取樣黃色素質(zhì)量濃度修正值，mg/mL；Ci為第n次取樣黃色素質(zhì)量濃度實(shí)測值，mg/mL；n為取樣次數(shù)。

1.3.4 黃色素浸提動力學(xué)模型

密蒙花黃色素的浸提過程實(shí)質(zhì)是溶質(zhì)的固液物理傳質(zhì)過程，為不穩(wěn)定擴(kuò)散過程。以單粒密蒙花顆粒為計(jì)算對象，假設(shè)密蒙花顆粒均勻球形、黃色素進(jìn)行徑向擴(kuò)散、提取過程中球形內(nèi)部黃色素均勻分布、黃色素質(zhì)量濃度和擴(kuò)散系數(shù)保持不變、密蒙花顆粒表面?zhèn)髻|(zhì)阻力忽略不計(jì)、提取體系溫度相同且均勻分布。那么，密蒙花黃色素傳質(zhì)過程的擴(kuò)散系數(shù)可由Fick第二擴(kuò)散定律計(jì)算，如公式(2)所示[16-17]：

(2)

對公式(2)取對數(shù)可得：

(3)

式中：C∞為浸提平衡時(shí)提取液中黃色素的質(zhì)量濃度，mg/mL；C0為提取液中黃色素初始質(zhì)量濃度，mg/mL；Ct為浸提t(yī)min時(shí)提取液中黃色素的質(zhì)量濃度，mg/mL；κ為浸提速率常數(shù)；Ds為有效擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s；R為顆粒半徑，mm。

公式(2)和(3)即為根據(jù)Fick第二定律建立的黃色素浸提動力學(xué)模型。該模型反映了密蒙花顆粒尺寸、提取時(shí)間和提取溫度與其黃色素質(zhì)量濃度之間的關(guān)系。

1.3.5 黃色糯米飯染制工藝

1.3.5.1 糯米飯染制工藝操作要點(diǎn)

糯米飯染制工藝如下：

1.3.5.2 單因素實(shí)驗(yàn)

米飯品質(zhì)既受大米本身營養(yǎng)成分組成及結(jié)構(gòu)的影響，又和蒸煮條件如加水量、浸泡與否、蒸煮方式等因素有關(guān)[18]。結(jié)合百色地區(qū)壯族五色糯米飯的傳統(tǒng)染制工藝，在室溫條件下，實(shí)驗(yàn)選取料液比(加水量)、染色時(shí)間和色素濃度3個關(guān)鍵步驟進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。在預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定色素質(zhì)量濃度(0.6 mg/mL)和染色時(shí)間(8 h)，考察料液比(1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5和1∶6)對黃色糯米飯品質(zhì)的影響；固定料液比(1∶4)和色素質(zhì)量濃度(0.6 mg/mL)，考察染色時(shí)間(6、8、10、12、14和16 h)對黃色糯米飯品質(zhì)的影響；固定染色時(shí)間(10 h)和料液比(1∶4)，考察黃色素質(zhì)量濃度(0.2、0.4、0.6、0.8和1.2 mg/mL)對黃色糯米飯品質(zhì)的影響。

1.3.5.3 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇色素質(zhì)量濃度(A)、浸泡時(shí)間(B)和料液比(C)最佳水平及其上下梯度為考察水平，采用3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，對密蒙花黃色素染制糯米飯工藝進(jìn)行優(yōu)化(表1)。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 1 Design of orthogonal experiment

1.3.5.4 感官評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)

黃色糯米飯品質(zhì)由其感官評價(jià)分值表示。糯米染色蒸煮冷卻后，選取經(jīng)食品感官評價(jià)技術(shù)培訓(xùn)的10人(男女各半)組成評定小組，從氣味、外觀結(jié)構(gòu)、適口性、滋味及冷飯質(zhì)地等方面對其進(jìn)行評價(jià)，滿分100，最后結(jié)果為10人評分的平均值。具體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 密蒙花黃色素提取動力學(xué)分析

2.1.1 浸提速率常數(shù)求解

不同提取溫度和時(shí)間下，密蒙花提取液中的黃色素濃度如表3所示。由表3可知，密蒙花黃色素質(zhì)量濃度達(dá)到平衡的時(shí)間隨著提取溫度升高而減少；而在達(dá)到質(zhì)量濃度平衡前，相同提取時(shí)間的黃色素質(zhì)量濃度隨提取溫度升高而增加。提取溫度303 K時(shí)，密蒙花黃色素質(zhì)量濃度在100 min時(shí)才趨于平衡，為5.75 mg/mL；而在313、323和333 K時(shí)，其平衡時(shí)間依次降低到40、30和25 min，但其質(zhì)量濃度卻依次增加到5.84、6.00和7.40 mg/mL。密蒙花黃色素提取過程中，提取溫度升高，分子運(yùn)動速度加快，有利于擴(kuò)散傳質(zhì)，故黃色素分子與提取溶劑間動態(tài)平衡所需時(shí)間縮短、平衡前相同提取時(shí)間的質(zhì)量濃度較高。然而，由于密蒙花黃色素的熱不穩(wěn)定性[19]，造成在提取溫度313、323和333 K時(shí)達(dá)到質(zhì)量濃度平衡的后期，其濃度有明顯下降。

表3 不同提取溫度和時(shí)間下提取液中黃色素質(zhì)量濃度 單位：mg/mL

利用表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，做ln[C∞/(C∞-Ct)]與時(shí)間t的關(guān)系函數(shù)，得出回歸方程和提取速率常數(shù)(表4)。

表4 不同溫度下ln[C∞/(C∞-Ct)]與t關(guān)系Table 4 Relation of ln[C∞/(C∞-Ct)] and t at different temperature

由表4可以看出，提取速率常數(shù)κ隨溫度的升高而增加，在0.77×10-3/s～3.44×10-3/s，說明升溫有助于密蒙花黃色素的溶出。此外，其回歸方程的擬合系數(shù)R2均在0.97以上，說明ln[C∞/(C∞-Ct)]與t之間線性關(guān)系良好，密蒙花黃色素的熱浸提取行為符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程。

2.1.2 相對萃余率求解

相對萃余率為(C∞-Ct)/C∞。由于密蒙花黃色素提取之前沒有經(jīng)過浸泡，故其初始提取濃度C0=0，公式(2)可變?yōu)?C∞-Ct)/C∞=(6/π2)exp(-κt)。利用表1數(shù)據(jù)，做(C∞-Ct)/C∞與提取時(shí)間t的關(guān)系函數(shù)，可得不同提取溫度下的相對萃余率方程(表5)。

表5 不同溫度下相對萃余率與時(shí)間的關(guān)系Table 5 Relation of (C∞-Ct)/C∞ and t at different temperature

由表5可知，擬合方程相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，表明擬合方程精度較高，密蒙花黃色素提取過程可以用指數(shù)模型進(jìn)行解釋，但提取溫度在303和313 K時(shí)利用一級動力學(xué)方程進(jìn)行解釋更加合理。此外，由于采用了不同模型對密蒙花黃色素提取過程進(jìn)行擬合分析，故表4和表5中的提取速率常數(shù)κ有一定偏差。

2.1.3 活化能求解

由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)可知，低溫下的溶質(zhì)擴(kuò)散速率常數(shù)與溫度有關(guān)，一般遵循Arrhenius方程。通過對Arrihenius公式兩端取對數(shù)可得到公式lnκ=lnA-(Ea/RT)。其中κ為黃色素的提取速率常數(shù)，s-1；A為前指因子；Ea為表觀活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol；T為提取溫度，K。

利用表4中κ，對-lnκ與1/T做圖(圖2)，進(jìn)行回歸擬合，其方程為-lnκ=(4 933.26/T)×9.151 49，R2為0.992 8。可求得活化能為Ea=41.02 kJ/mol。

圖2 -lnκ與1/T的關(guān)系
Fig.2 Relation of -lnκand 1/T

2.1.4 半衰期求解

當(dāng)密蒙花提取液中黃色素質(zhì)量濃度達(dá)到平衡濃度一半所需要的時(shí)間為其半衰期，可以通過對t1/2=ln2/κ和溫度T做圖求得(圖3)。通過指數(shù)擬合可得其方程為t1/2=1.266 9×108exp(-0.052 7T)，R2=0.987 71。由該方程可知，隨著溫度增加，密蒙花黃色素提取半衰期逐漸減小，提取效率逐漸增加，提取過程逐漸加快。

圖3 半衰期t1/2與提取溫度κ的關(guān)系
Fig.3 Relation of half-life and extract temperature

2.1.5 有效擴(kuò)散系數(shù)Ds求解

有效擴(kuò)散系數(shù)Ds可由公式(3)κ=π2Ds/R2推導(dǎo)出Ds=κR2/π2。通過對Ds和提取溫度T做圖(圖4)，并進(jìn)行指數(shù)方程擬合可得：108Ds=0.005 71exp(0.046 73T)，R2=0.995 23。由此方程可計(jì)算不同提取溫度下密蒙花黃色素的有效擴(kuò)散系數(shù)。

圖4 有效擴(kuò)散系數(shù)Ds與提取溫度的關(guān)系
Fig.4 Relation ofDsand extract temperature

2.2 密蒙花黃色糯米飯染制工藝

2.2.1 料液比(加水量)對糯米飯品質(zhì)的影響

加水量是影響糯米飯品質(zhì)的重要因素。糯米中水分的含量、分布及存在狀態(tài)會使米飯呈現(xiàn)不同的物性，故可以通過控制水量來提高米飯的食味品質(zhì)[20]。由圖5可知，隨料液比增大，黃色糯米飯品質(zhì)感官得分先上升后下降。在料液比1∶4時(shí)，感官分值最高，為82.21。這是因?yàn)榱弦罕容^低時(shí)，水量不足，糯米內(nèi)外層淀粉糊化不均勻，糯米飯硬度大，飯粒松散，適口性差；飯粒黃色較淡，偶見著色不均；料液比過大時(shí)，糯米龜裂，蒸煮后飯粒彈性差，較軟、偶見粘牙；同時(shí)，從糯米粒龜裂處滲入黃色素的量增加，密蒙花香味較重。故選擇糯米浸泡料液比為1∶4。

圖5 料液比對對黃色糯米飯品質(zhì)的影響
Fig.5 Effect of solid-liquid ratio on the quality of yellow milled glutinous rice

2.2.2 染色時(shí)間對糯米飯品質(zhì)的影響

浸泡染色是五色糯米飯制作的必需環(huán)節(jié)，其目的是使糯米粒充分吸水膨脹，促進(jìn)加熱過程熱量在組分間傳遞，糊化均一，米粒松軟。研究表明，大米中水分遷移由外至內(nèi)、沿著淀粉細(xì)胞間隙進(jìn)行的，而米粒腹部細(xì)胞間隙較大，是其滲透的主要路線[21-22]。此外，浸泡也能夠促進(jìn)密蒙花水溶性黃色素隨著水分的遷移而更好地與米粒中的蛋白、淀粉等成分結(jié)合著色。染色時(shí)間對黃色糯米飯品質(zhì)影響如圖6所示。

圖6 染色時(shí)間對對黃色糯米飯品質(zhì)的影響
Fig.6 Effect of dyeing time on the quality of yellow milled glutinous rice

由圖6可知，染色時(shí)間在10 h時(shí)，黃色糯米飯品質(zhì)最好，感官分值最高，為84.85。當(dāng)染色6 h時(shí)，糯米飯呈淡黃色，且密蒙花花香不明顯。這是由于糯米著色滯后于水分滲透，染色時(shí)間較短，色素吸附量不夠。當(dāng)染色12 h時(shí)，糯米飯呈暗黃色，且密蒙花花香較重；當(dāng)染色14 h和16 h時(shí)，由于糯米在色素溶液中浸泡過久，米粒偶見開裂、不完整、淀粉脫落，糯米飯口感較軟、易結(jié)團(tuán)、粘牙。故選擇染色時(shí)間為10 h。

2.2.3 色素質(zhì)量濃度對糯米飯品質(zhì)的影響

色素溶液質(zhì)量濃度影響糯米著色效率。由圖7可知，密蒙花黃色素質(zhì)量濃度在0.2～0.6 mg/mL時(shí)，黃色糯米飯品質(zhì)隨色素質(zhì)量濃度增加而提升，感官分值逐漸升高；質(zhì)量濃度超過0.6 mg/mL時(shí)，其感官分值逐漸下降，食味品質(zhì)變差。主要是因?yàn)楦邼舛壬厝芤褐信疵孜缴亓吭黾?，糯米飯呈暗黃色，且密蒙花花香掩蓋了糯米本有的清香。這與曹昌偉等人的報(bào)道一致[23]，故選擇密蒙花黃色素質(zhì)量濃度為0.6 mg/mL。

圖7 色素質(zhì)量濃度對黃色糯米飯品質(zhì)的影響
Fig.7 Effect of pigment content on the quality of yellow milled glutinous rice

2.2.4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及驗(yàn)證

由表7的極差可知，對黃色糯米飯品質(zhì)貢獻(xiàn)大小的各因素依次為A、B和C，即色素質(zhì)量濃度、料液比和浸泡時(shí)間，最佳染制工藝條件為A2B3C2，即色素質(zhì)量濃度0.6 mg/mL、料液比1∶4(g∶mL)和浸泡12 h。由于最佳工藝組合不在正交實(shí)驗(yàn)表中，故需對最佳工藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證結(jié)果表明，3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的感官平均得分為85.02，高于正交實(shí)驗(yàn)表中的組合最高感官得分，可見正交實(shí)驗(yàn)達(dá)到了優(yōu)化目的。因此，密蒙花黃色素染制糯米飯的最佳工藝為黃色素質(zhì)量濃度0.6 mg/mL、料液比1∶4(g∶mL)浸泡12 h后，蒸煮20 min。

表7 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Result of f orthogonal experiment

3 結(jié)論

密蒙花黃色素的提取過程是一個復(fù)雜的物理溶解過程，與提取條件和自身性質(zhì)有關(guān)。實(shí)驗(yàn)以Fick第二定律為基礎(chǔ)，采用球形模型，建立了密蒙花黃色素的浸提動力學(xué)方程，求解了相關(guān)動力學(xué)參數(shù)。其中，浸提速率隨溫度上升而增加，而半衰期隨溫度上升而減??；活化能為41.02 kJ/mol。此外，根據(jù)壯族傳統(tǒng)五色糯米飯染制工藝，選取色素濃度、浸泡時(shí)間和料液比等3個因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，進(jìn)而采用3因素3水平的正交試驗(yàn)。結(jié)果顯示，對密蒙花黃色素糯米飯品質(zhì)影響大小的各因素依次為色素質(zhì)量濃度、浸泡時(shí)間和料液比；其最佳染制工藝為用0.6 mg/mL的黃色素溶液，按照料液比1∶4(g∶mL)染色12 h。本實(shí)驗(yàn)可以為密蒙花黃色素的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)與操作條件選擇和優(yōu)化提供理論依據(jù)，也可以為民族傳統(tǒng)食品產(chǎn)業(yè)化提供數(shù)據(jù)支撐。