响应面法优化杭白菊烘干工艺研究

（清远加多宝草本植物科技有限公司，广东清远511675）

菊花为菊科植物菊（Chrysanthemum morifolium Ramat.）的干燥头状花序[1]，有散风清热、平肝明目、清热解毒等功效，主治头痛、眩晕、目赤、心胸烦热、疔疮、肿毒等症[2]。菊花含有咖啡酰基奎宁酸类、黄酮类、三萜类、甾醇类、挥发油等化学成分[3-4]，具有抗菌、抗炎、抗病毒、抗氧化、抗突变、抗肿瘤等多种生物活性[5-8]。按产地和加工方法不同，菊花可分为杭菊、亳菊、贡菊、滁菊、祁菊、怀菊、济菊、黄菊八大品种，其中杭菊产量最大。菊花品质与其品种、种植环境、产后加工方式有关，菊花的加工方式有蒸制晒干、硫熏晒干、热风干燥、微波干燥、真空干燥、远红外干燥等[9-11]。晒干工艺简单易行，但耗时长，产品品质受环境影响大；硫熏可提高干燥速率，但是会对产品造成污染，此方法已被禁用于菊花的生产；微波、真空、远红外干燥菊花品质较好，但设备投资大、成本高，而菊花生产厂家以小型散户为主，对设备投资能力较小；热风干燥法投资小、干燥快速、统一、卫生，目前广泛应用于菊花加工[12]。

菊花烘干过程是一个失水与功效成分损失并存的过程，其质量与烘干温度、烘干时间、回潮时间、复烘温度、复烘时间。绿原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎宁酸等功效指标含量常用于菊花质量评价。响应面分析法通过建立数学模型来解决受多种因素影响的最优组合问题，用于确定各因素及其交互作用在工艺过程中对响应值的影响[13-17]。本研究以杭白菊为原料，探讨菊花蒸汽杀青-烘干工艺，首次应用响应面法对菊花烘干工艺进行优化，以期为杭白菊工业化生产提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料及试剂

新鲜杭白菊：浙江桐乡；绿原酸、木犀草苷、3，5-o-二咖啡酰基奎宁酸：中国药品生物制品检定所；甲醇、乙腈、磷酸（均为色谱纯）：霍尼韦尔（中国）有限公司。

1.2 仪器及设备

FD115热风循环烘箱：德国Binder公司；XL-10B密封型摇摆式粉碎机：广州市旭朗机械设备有限公司；Agilent 1260 HPLC色谱仪：安捷伦科技（中国）有限公司；BSA224S-CW电子天平：赛多利斯科学仪器（北京）有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 菊花加工工艺流程

1.3.2 蒸汽杀青工艺

常见杀青方法有高温杀青、蒸汽蒸制杀青、微波杀青等。高温杀青时间长、微波杀青菊花易烤焦，且设备改良投资大，蒸汽杀青时间短、效率高、品质好，本研究主要考察蒸汽杀青对菊花品质的影响。将煮锅中放入2/3的水，在电磁炉上烧开沸腾后并有水蒸气溢出时，取一定量花瓣完整、无霉变、褐变的新鲜菊花，平铺于隔板上蒸制，平铺厚度控制为2～3朵花，计时，分别杀青 20、40、60、80、100 s后，关闭电磁炉，打开锅盖，取出菊花，均匀平摊在托盘内，取适量测定绿原酸的含量，同时观察杀青后菊花感官品质，考察杀青时间对菊花品质的影响。

1.3.3 菊花烘干工艺

以绿原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎宁酸含量为指标，设计单因素试验考查烘干温度、烘干时间、回潮时间、复烘温度、复烘时间对菊花品质的影响，并在单因素试验结果基础上，采用响应面法确定菊花的最佳烘干条件。

1.3.3.1 单因素试验

在1.3.2确定的菊花蒸汽杀青工艺下，进一步对菊花烘干工艺进行研究。烘干温度采用50、60、70、80℃4 个水平，烘干时间采用 3、4、5、6 h 4 个水平，回潮时间采用24、48、72 h 3个水平，复烘温度采用50、60、70℃3个水平，复烘时间采用1、2、3、4 h 4个水平，以绿原酸、木犀草苷、3，5-oO-二咖啡酰基奎宁酸含量为评价指标，分别考察烘干温度、烘干时间、回潮时间、复烘温度、复烘时间对菊花品质的影响。

1.3.3.2 响应面试验

根据单因素试验结果，控制回潮时间为48 h，采用四因素三水平响应面法，以烘干温度、烘干时间、复烘温度、复烘时间4个因素为自变量，以综合指标为响应值（其中综合指标/%=0.4×绿原酸含量+0.3×木犀草苷含量+0.3×3，5-O-二咖啡酰基奎宁酸含量），应用Box-Behnken设计模型优化和预测菊花最佳烘干条件。试验因素和水平设计见表1。

表1 响应面试验设计表Table 1 Experimental design of RSM

1.3.4 菊花指标测定

1.3.4.1 水分测定

参考《中华人民共和国药典-2015版》（通则0832第二法）检测方法进行测定[1]。

1.3.4.2 绿原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎宁酸含量测定

参考《中华人民共和国药典-2015版》（高效液相色谱法（通则0512））检测方法进行测定[1]，绿原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎宁酸含量均以干基计。

2 结果与分析

2.1 菊花杀青工艺确定

鲜菊花在采摘以后会在内源酶的作用下发生品质劣变，如褐变、功效成分降低等，需采取一定的措施遏制这种劣变趋势，研究表明蒸汽杀青可灭活绝大部分的过氧化物酶和多酚氧化酶[18]，显著降低菊花因褐变导致的功效成分降低，极大的改善干燥菊花品质，且可使菊花组织软化有利于后续干燥的进行；杀青不足，残存酶活力大，使菊花发生酶促褐变，功效成分酶解损失，杀青过度，菊花有过熟味，菊花香气损失殆尽；因此适宜的杀青时间有助于提高菊花干制品品质。图1为不同杀青时间下菊花绿原酸含量结果。

图1 不同杀青时间下菊花绿原酸含量Fig.1 Variations of chlorogenic acid of chrysanthemum steamblanched for different streaming time

图1可知，蒸汽杀青80 s，绿原酸含量最高（0.356%），此时菊花绿原酸保留率为92%，杀青后菊花香气突出，无过熟味，放置后无褐变，从能耗和效率考虑，杀青工艺确定为蒸汽杀青80 s。

2.2 菊花烘干工艺的确定

2.2.1 单因素试验结果

2.2.1.1 烘干温度对菊花品质的影响

不同烘干温度对菊花品质的影响结果见图2。

图2 不同烘干温度对菊花品质的影响Fig.2 Variations of quality of chrysanthemum for different drying temperatures

由图2可知，菊花绿原酸、木犀草苷、3，5-O-二咖啡酰基奎宁酸含量随烘干温度升高逐渐增加，70℃时达最大，此后随烘干温度继续增加，含量下降。可能原因是低温下，菊花失水速度慢，高湿环境且温度适宜情况下，在残余酶活的作用下菊花功效成分酶解损失，此后随温度升高，菊花失水速率增加，同时高温对残余酶形成一定的抑制作用，菊花功效成分损失降低，随着温度进一步增加，菊花功效成分受热分解损失含量降低；所以，70℃烘干，菊花品质保存较好。

2.2.1.2 烘干时间对菊花品质的影响

2017年，国家食品药品监督管理总局药品审评中心副主任尹红章因受贿罪被判处有期徒刑10年，同时获刑的还有其妻子、儿子。法院查明，2002年至2014年间，尹一家三口共收取多家生物制药企业给予的财物共356万余元。

不同烘干时间对菊花品质的影响结果见图3。

图3 不同烘干时间对菊花品质的影响Fig.3 Variations of quality of chrysanthemum for different drying time

由图3可知，70℃下烘干4 h菊花功效成分含量最高，可见适宜的烘干时间有助于菊花品质的保存。

2.2.1.3 回潮时间对菊花品质的影响

不同回潮时间对菊花品质的影响结果见图4。

图4 不同回潮时间对菊花品质的影响Fig.4 Variations of quality of chrysanthemum for moisture regaining time

由图4可知，菊花功效成分随回潮时间延长含量增加，回潮48 h后，含量变化不大，所以，选择回潮时间为48 h。

2.2.1.4 复烘温度对菊花品质的影响

菊花各部位因含水量及组织结构不同，干燥过程失水速率不一，张晓辛等[10]研究表明，失水速率：花瓣＞整花＞花芯。若连续干燥可造成菊花花瓣因过干而剥落，影响菊花整体品质，工厂上一般将菊花干燥一定时间后进行回潮，使花瓣、花芯水分均一后再进行复烘，达到菊花品质要求。可见，复烘有助于保持菊花良好的品质。不同复烘温度对菊花品质的影响结果见图5。

图5 不同复烘温度对菊花品质的影响Fig.5 Variations of quality of chrysanthemum for re-drying temperature

由图5可知，复烘温度对菊花功效成分有一定的影响。因高温导致菊花功效成分受热分解，70℃复烘时菊花功效成分含量降低，而60℃复烘时菊花品质保存较好。

2.2.1.5 复烘时间对菊花品质的影响

不同复烘时间对菊花品质的影响结果见图6。

图6 不同复烘时间对菊花品质的影响Fig.6 Variations of quality of chrysanthemum for re-drying time

由图6可知，复烘1 h～3 h，菊花功效成分含量相差不大，超过3 h，菊花功效成分显著降低，可见，复烘时间控制在3 h内有助于菊花品质的保留。

2.2.2 响应面法优化菊花烘干工艺

根据单因素试验的结果，控制回潮时间为48 h，以烘干温度、烘干时间、复烘温度、复烘时间作为因素，以综合指标为响应值，用Box-Behnken设计试验，试验方案及结果见表2。

表2 响应面分析试验及结果Table 2 Design and results of RSM

2.2.2.1 模型建立及显著性分析

所得的试验数据采用Design Expert 6.15软件进行多元回归拟合，以综合指标为响应值，得到以综合评价指标为目标函数的二次回归方程：

该方程的相关系数R2=0.983 3，变异系数（C.V.）为3.05，在可接受范围内。方差分析见表3。

由表3分析结果可知，整体模型极为显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P=0.083 5＞0.05），说明方程和试验拟合较好，可用于菊花最佳烘干工艺的预测[19-20]。回归模型的校正决定系数R2Adj为0.966 7，说明有96.67%的数据的变异性可由此模型来解释。Adeq Precision用来检测噪音信号的比率，反映模型的信噪比，比值大于4是可行的，本试验Adeq Precision为25.933，信号适中，说明此模型可对试验结果进行准确预测。一次项A、B、C对菊花综合指标影响显著，其中A因素影响极显著，D对菊花综合指标影响不显著，此结果与单因素试验结果吻合。二次项AB、AC、AD、BD、CD对菊花综合指标均有显著影响，其中AD、AC、BD交互影响极显著，BC交互影响不显著，说明各具体试验因素对响应值的影响不是简单的线性关系，除烘干时间与复烘温度外，其他因素间均存在一定的交互作用，其中烘干温度与复烘时间、烘干时间与复烘时间对菊花综合指标极显著，说明菊花品质与首次烘干温度和总体烘干时间关系密切。由F判断，在试验条件范围内：4个因素对菊花综合指标影响次序为：烘干温度＞复烘温度＞烘干时间＞复烘时间；各因素间交互作用影响次序为：烘干时间与复烘时间＞烘干温度与复烘时间＞烘干温度与复烘温度＞复烘温度与复烘时间＞烘干温度与烘干时间＞烘干时间与复烘温度。

表3 响应面方差分析Table 3 Analysis of variance of RSM

2.2.2.2 烘干工艺的响应面分析与优化

响应面图形是响应值对各试验因子A、B、C、D所构成的三维空间的曲面图，反应最佳参数及各参数之间的相互作用。用Design Expert 6.15软件，依回归方程式绘制响应面图7。

从图7中可以看出，6个响应面均为开口向下的凸型曲线，说明响应值（综合指标）存在极大值。

图7 交互因素对菊花综合指标的影响响应面曲线图Fig.7 Chart on effects of interaction factors on the comprehensive index of chrysanthemum

2.2.2.3 烘干工艺的确定

在选取的各因素范围内，由Design Expert 6.15软件分析得出，菊花最佳烘干工艺为：烘干温度67.8℃，烘干时间3.86 h，复烘温度58.33℃，复烘时间2.35 h，综合指标预测值为0.458%。考虑实际操作的可行性，确定菊花最佳烘干工艺为烘干温度68℃，烘干时间3.9 h，复烘温度58℃，复烘时间2.4 h。为验证预测结果的可信度，在该最佳条件下重复3次，得菊花平均综合指标为0.460%（菊花含绿原酸0.34%、木犀草苷0.2%、3，5-O-二咖啡酰基奎宁酸含量0.88%，水分含量10.5%），与预测值0.458%基本一致（相对误差0.44%），较单因素最佳烘干工艺得到的菊花综合指标提高了4.07%。说明回归方程与实际情况拟合很好，能够真实地反映筛选因素对菊花综合指标的影响，且对菊花品质有一定改善，对菊花烘干工艺的研究具有指导意义。

3 结论

菊花蒸汽杀青80 s，菊花绿原酸含量最高，保留率在92%。响应面法可用于菊花最佳工艺的优化，通过响应面法得到菊花最佳烘干工艺为：蒸汽杀青80 s后于68℃烘干3.9 h，室温回潮48 h，然后再在58℃下复烘2.4 h，得到的菊花品质较佳，综合指标为0.460%，其中绿原酸含量0.34%，木犀草苷含量0.2%，3，5-O-二咖啡酰基奎宁酸含量0.88%，水分含量10.5%。