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，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、護肝、抗氧化、抗抑郁、抗腫瘤、神經(jīng)保護、改善記憶及治療糖尿病等多種功能[4-11]?？梢?，密蒙花黃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)計等方法進行一般提取工藝的優(yōu)化[2-3，12-15]，試驗結(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)化進而達到指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)的目的[15]。為此，本實驗以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 實驗材料

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；糯米，廣西靖西鴻豐大米加工廠；無水乙醇，天津市富宇精細化工有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

UV-2700紫外可見分光光度計，日本島津公司；FD5系列真空冷凍干燥機，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，湖南赫西儀器裝備有限公司。

1.3 實驗方法

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數(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 黃色素標準曲線繪制

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，以質(zhì)量濃度為橫坐標，繪制標準曲線。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，線性關(guān)系良好。

a-可見光光譜;b-標準曲線
圖1 密蒙花黃色素可見光光譜圖及其標準曲線
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)對實測黃色素質(zhì)量濃度進行校正：

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

糯米飯染制工藝如下：

1.3.5.2 單因素實驗

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，實驗選取料液比(加水量)、染色時間和色素濃度3個關(guān)鍵步驟進行單因素實驗。在預(yù)實驗的基礎(chǔ)上，固定色素質(zhì)量濃度(0.6 mg/mL)和染色時間(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 正交實驗

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，選擇色素質(zhì)量濃度(A)、浸泡時間(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水平正交實驗，對密蒙花黃色素染制糯米飯工藝進行優(yōu)化(表1)。

表1 正交實驗設(shè)計表Table 1 Design of orthogonal experiment

1.3.5.4 感官評價方法和標準

黃色糯米飯品質(zhì)由其感官評價分值表示。糯米染色蒸煮冷卻后，選取經(jīng)食品感官評價技術(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)地等方面對其進行評價，滿分100，最后結(jié)果為10人評分的平均值。具體評價標準見表2。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.0對數(shù)據(jù)進行分析處理和做圖。

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)量濃度達到平衡的時間隨著提取溫度升高而減少；而在達到質(zhì)量濃度平衡前，相同提取時間的黃色素質(zhì)量濃度隨提取溫度升高而增加。提取溫度303 K時，密蒙花黃色素質(zhì)量濃度在100 min時才趨于平衡，為5.75 mg/mL；而在313、323和333 K時，其平衡時間依次降低到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，分子運動速度加快，有利于擴散傳質(zhì)，故黃色素分子與提取溶劑間動態(tài)平衡所需時間縮短、平衡前相同提取時間的質(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時達到質(zhì)量濃度平衡的后期，其濃度有明顯下降。

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

利用表3實驗數(shù)據(jù)，做ln[C∞/(C∞-Ct)]與時間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)模型進行解釋，但提取溫度在303和313 K時利用一級動力學(xué)方程進行解釋更加合理。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)，進行回歸擬合，其方程為-lnκ=(4 933.26/T)×9.151 49，R2為0.992 8?？汕蟮没罨転镋a=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)量濃度達到平衡濃度一半所需要的時間為其半衰期，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 有效擴散系數(shù)Ds求解

有效擴散系數(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。由此方程可計算不同提取溫度下密蒙花黃色素的有效擴散系數(shù)。

圖4 有效擴散系數(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，感官分值最高，為82.21。這是因為料液比較低時，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，糯米龜裂，蒸煮后飯粒彈性差，較軟、偶見粘牙；同時，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)、沿著淀粉細胞間隙進行的，而米粒腹部細胞間隙較大，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。染色時間對黃色糯米飯品質(zhì)影響如圖6所示。

圖6 染色時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，染色時間在10 h時，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，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，染色時間較短，色素吸附量不夠。當(dāng)染色12 h時，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，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、粘牙。故選擇染色時間為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，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，其感官分值逐漸下降，食味品質(zhì)變差。主要是因為高濃度色素溶液中糯米吸附色素量增加，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 正交實驗結(jié)果分析及驗證

由表7的極差可知，對黃色糯米飯品質(zhì)貢獻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驗表中，故需對最佳工藝進行驗證試驗。驗證結(jié)果表明，3次驗證實驗的感官平均得分為85.02，高于正交實驗表中的組合最高感官得分，可見正交實驗達到了優(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 正交實驗結(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)。實驗以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小；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、浸泡時間和料液比等3個因素進行單因素試驗，進而采用3因素3水平的正交試驗。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。本實驗可以為密蒙花黃色素的生產(chǎn)工藝設(shè)計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。