姜春慧，萬芳新，謝永清，趙永彪，李武強(qiáng)，邱進(jìn)棟，黃曉鵬

(1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，甘肅 武威733000)

甜葉菊(Steviarebaudiana(Bertoni) Hemsl)是菊科、甜葉菊屬多年生草本植物，于20世紀(jì)80年代引入我國，在北京、河北、江蘇、福建和甘肅等地均有種植[1]。甜葉菊葉片甜度高、熱量低，具有生津止渴、降血壓和促進(jìn)新陳代謝等功效[2-3]。由于甜葉菊葉片中的糖分可被糖尿病人食用，其常代替蔗糖作為食品添加劑和藥用甜味輔助劑[4-6]。然而新鮮甜葉菊葉片中水分較多，很容易因貯藏或加工方式選用不當(dāng)而發(fā)生霉變。因此，選擇適宜的加工方式對甜葉菊葉片的綜合利用具有重要意義。

干燥是甜葉菊葉片產(chǎn)地加工的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)其含水率降至10%以下時(shí)，貨架期明顯延長[7-9]。目前，甜葉菊的干燥主要采用曬干和陰干，但存在耗費(fèi)時(shí)間長和受環(huán)境影響大等不足，不利于甜葉菊的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，故熱風(fēng)干燥、噴霧干燥和冷凍干燥等現(xiàn)代干燥方法逐漸被應(yīng)用到甜葉菊葉片的加工中。劉旺星等[10]利用紅外-熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)加工甜葉菊，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合干燥法能明顯降低能耗，提高干燥效率，并且很好地保證了物料的品質(zhì)。Periche等[11]評估了不同干燥方法(陰干、熱風(fēng)干燥和冷凍干燥)對甜葉菊葉片抗氧化劑和甜菊糖苷的影響，發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥是較適宜的干燥方法。Chranioti等[12]比較了噴霧干燥、冷凍干燥和真空干燥對甜菊醇糖苷的影響，發(fā)現(xiàn)噴霧干燥所得的甜菊醇糖苷具有最佳的物理化學(xué)特性和感官品質(zhì)?？v觀現(xiàn)有關(guān)于甜葉菊葉片干燥的研究成果發(fā)現(xiàn)，有關(guān)甜葉菊干燥技術(shù)的研究還處于探索階段，尚未確定一種經(jīng)濟(jì)可行、干燥品質(zhì)高、可工業(yè)化推廣應(yīng)用的干燥工藝。

遠(yuǎn)紅外干燥也是當(dāng)今產(chǎn)品加工中常用的干燥方法，具有干燥速率高、熱損失小和易于控制等優(yōu)點(diǎn)。其原理為當(dāng)紅外線的發(fā)射頻率與被干燥物料分子的固有頻率一致時(shí)，物料內(nèi)部分子產(chǎn)生共振，將吸收的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而使物料?nèi)水分蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)干燥?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于金銀花、當(dāng)歸和菊苣葉等[13-16]物料的加工。但尚未見將遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)應(yīng)用于甜葉菊葉片干燥的報(bào)道。Box-Behnken法綜合了試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)建模，能夠直觀地觀察試驗(yàn)因素對加工工藝影響的顯著程度，通過AHP-熵權(quán)法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重并計(jì)算考察指標(biāo)，所得優(yōu)化的試驗(yàn)參數(shù)具有更高的參考價(jià)值，已應(yīng)用于鐵皮石斛、蜜麥麩、玄參等[17-19]物料的加工工藝優(yōu)化。

本研究基于課題組前期對于甜葉菊葉片干燥處理的單因素試驗(yàn)研究結(jié)果[20]，利用AHP-熵權(quán)法確定各糖苷的權(quán)重，以糖苷的綜合評分為考察指標(biāo)，研究不同試驗(yàn)因素的顯著性程度，以期確定甜葉菊葉片的最優(yōu)干燥工藝，為甜葉菊葉片的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用甜葉菊葉片收獲于甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院甜葉菊栽培基地，品種為“甘甜1號”。清洗瀝干后，選擇外表無損傷、尺寸相當(dāng)?shù)娜~片作為試驗(yàn)材料。參照GB 5009.3-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》[21]測得甜葉菊葉片的初始含水率為70%。

1.2 儀器設(shè)備

YHG-300-S型遠(yuǎn)紅外快速恒溫干燥箱，上海博泰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；Agilent 1100型高效液相色譜儀，美國安捷倫公司；AUW 220D型電子天平，日本島津公司；KQ-300 VDE型三頻數(shù)控超聲波清洗機(jī)，昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

遠(yuǎn)紅外干燥箱預(yù)熱30 min后，稱量外形完整、尺寸相當(dāng)、清洗瀝干的甜葉菊葉片(100±2) g放入干燥箱中進(jìn)行干燥處理。當(dāng)甜葉菊葉片的含水率降至10%時(shí)，停止試驗(yàn)[22]。每組試驗(yàn)均重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。干燥結(jié)束后將甜葉菊葉片取出，冷卻后密封于自封袋中，以備后續(xù)其他指標(biāo)的測量。

1.3.1 干基含水率(MC)的計(jì)算 甜葉菊干基含水率的計(jì)算公式為：

(1)

式中：MC為干基含水率，%；Mt為t時(shí)刻甜葉菊葉片的質(zhì)量，g；Md為甜葉菊葉片的干質(zhì)量，g。

1.3.2 HPLC測定方法的建立 選用高效液相色譜法測定甜葉菊葉片中各糖苷的含量。色譜條件：色譜柱為Agilent Eclipes XDB-B-C18反相色譜柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)；流動(dòng)相：乙腈-磷酸鈉緩沖液(體積比32∶68)；流動(dòng)相流速：1.0 mL/min，檢測波長210 nm，進(jìn)樣量5 μL，柱溫40 ℃。

1.3.3 混合標(biāo)準(zhǔn)品溶液的制備 稱取適量萊鮑迪苷A(RA)、甜菊苷(STV)、萊鮑迪苷C(RC)、萊鮑迪苷B(RB)、萊鮑迪苷F(RF)、杜爾可苷A(DA)、甜菊雙糖苷(SX)標(biāo)準(zhǔn)品于10 mL容量瓶中，用體積分?jǐn)?shù)80%甲醇溶液溶解定容至刻度，即得甜葉菊混合標(biāo)準(zhǔn)品溶液，于2～4 ℃冰箱冷藏。

1.3.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備 稱取0.05 g(精確到0.001 g)RA、STV標(biāo)準(zhǔn)品，分別置于50 mL容量瓶中，用乙腈水溶液溶解后定容至刻度，得到RA、STV標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3.5 試樣溶液的制備 稱取遠(yuǎn)紅外干燥后的甜葉菊粉末0.05 g(精確到0.001 g)，置于50 mL具塞錐形瓶中，加入體積分?jǐn)?shù)80%甲醇20 mL，密塞，稱其質(zhì)量。浸泡1 h，超聲處理(功率50 W，頻率40 kHz)45 min，放冷至室溫后稱質(zhì)量，用體積分?jǐn)?shù)80%甲醇溶液補(bǔ)足質(zhì)量，搖勻、高速離心(4 ℃、5 000 r/min)后取上清液過微孔濾膜得試樣溶液。

1.3.6 糖苷含量的測定 參照GB 8270-2014[23]的方法測定甜葉菊中各糖苷的含量，分別對混合標(biāo)準(zhǔn)溶液、標(biāo)準(zhǔn)溶液和試樣溶液進(jìn)行色譜分析，記錄峰面積，計(jì)算各糖苷含量。其中萊鮑迪苷A(RA)含量的計(jì)算公式為：

(2)

式中：ωa為萊鮑迪苷A(RA)的含量，mg/g；Mr為標(biāo)準(zhǔn)溶液中RA的含量，mg/g；M為試樣溶液中RA的含量，mg/g；Aa為試樣溶液色譜圖中RA的峰面積值；Ar為RA標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖中RA的峰面積值。

其余糖苷含量的計(jì)算公式為：

(3)

式中：ωi表示STV、RB、RC、RF、DA、SX糖苷的含量，mg/g；MS表示標(biāo)準(zhǔn)溶液中STV的含量，mg/g；M表示試樣溶液中STV的含量，mg/g；fi表示各糖苷與甜菊苷試樣的質(zhì)量濃度比(RB/RC/RF/DA/SX與STV的比值分別為1，1.18，1.16，0.98，0.80)；Ai表示試樣溶液色譜圖中i組分的峰面積值；AS表示甜菊苷標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜圖中甜菊苷的峰面積值。

各糖苷含量之和即為試樣中的甜菊總苷含量。

1.4 糖苷復(fù)合權(quán)重的計(jì)算

1.4.1 熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重 熵作為客觀賦權(quán)法的一種，不依賴于決策者的主觀態(tài)度，評價(jià)過程的再現(xiàn)性較強(qiáng)[24]，目前已經(jīng)在工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[25]。熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)的變異程度確定權(quán)重，所選指標(biāo)的熵權(quán)系數(shù)變異程度越大，說明指標(biāo)的重要程度越高[26]。利用熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重的步驟如下：

(1)無量綱處理。因本試驗(yàn)所選指標(biāo)為各糖苷的含量，其數(shù)值越大越好，故均選用正向指標(biāo)。對于正向指標(biāo)，無量綱化處理公式為：

(4)

式中：xij表示第i次試驗(yàn)中j指標(biāo)所得試驗(yàn)值；mj表示該組試驗(yàn)值中的最小值；Mj表示該組試驗(yàn)值中的最大值。

(2)消零及去負(fù)數(shù)處理。由于無量綱化處理后數(shù)據(jù)的最小值為0，為了使數(shù)據(jù)處理有意義，需按公式(5)對數(shù)據(jù)進(jìn)行消零處理。即：

Xij=Xij+α。

(5)

式中：α表示最接近試驗(yàn)值Xij的最小值，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，α取較小值[27]，本文取0.001。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各糖苷含量在甜葉菊中的差異較大，為使評分更準(zhǔn)確，需按公式(6)對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

(6)

式中：Pij表示i次試驗(yàn)在j評價(jià)指標(biāo)下的概率；n表示試驗(yàn)組數(shù)。

(4)熵值計(jì)算。若所測指標(biāo)的熵值越大，表明其離散程度越大，權(quán)重越高。若所測指標(biāo)的熵值全部相等或變化程度不大，表明其在綜合評價(jià)中的影響不顯著，可將其剔除[28-29]。熵值的計(jì)算公式為：

(7)

式中：ej表示第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值。

(5)差異系數(shù)。對第j項(xiàng)指標(biāo)而言，指標(biāo)值的差異系數(shù)越大，表明該指標(biāo)所占權(quán)重越大。其計(jì)算公式為：

gj=1-ej。

(8)

式中：gj表示第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)。

(6)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。指標(biāo)權(quán)重為評價(jià)甜葉菊品質(zhì)優(yōu)劣程度的重要依據(jù)，其計(jì)算公式為：

(9)

式中：Wj表示第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值；m表示試驗(yàn)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

根據(jù)式(9),最終得到各指標(biāo)的權(quán)重值如表1所示。

表1 甜葉菊各糖苷含量指標(biāo)的權(quán)重值Table 1 Weight value of each glycoside content index of Stevia rebaudiana

1.4.2 層次分析法(AHP)計(jì)算權(quán)重 層次分析法(AHP)是指將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題分解成多個(gè)層次，并以此進(jìn)行定性和定量分析，該方法使評價(jià)結(jié)果更具系統(tǒng)性和層次性[30]。層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的步驟為：

(1)甜葉菊中各成分權(quán)重的賦值。根據(jù)文獻(xiàn)[31]，將甜葉菊各糖苷的優(yōu)先順序(RA>STV>總苷>RC>RB=RF>DA>SX)作為權(quán)重并予以量化，依此構(gòu)建判斷矩陣，同時(shí)對各指標(biāo)按列進(jìn)行歸一化處理，所得權(quán)重系數(shù)如表2所示。

表2 甜葉菊各糖苷含量指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of glycoside content index weights of Stevia rebaudiana

(2)計(jì)算結(jié)果的一致性檢驗(yàn)。由于層次分析法屬于主觀賦權(quán)法，受決策者經(jīng)驗(yàn)的影響較大。為保證所得權(quán)重的準(zhǔn)確性，需按公式(10)～(12)對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[30]。

(10)

CI=(λmax-m)/(m-1)；

(11)

CR=CI/RI。

(12)

式中：λmax表示矩陣的最大特征值；ω表示各指標(biāo)按列歸一化后的算術(shù)平均值；Aω表示各指標(biāo)權(quán)重值；m表示指標(biāo)個(gè)數(shù)；CI、RI為一致性指標(biāo)；CR表示檢驗(yàn)系數(shù)。根據(jù)指標(biāo)個(gè)數(shù)查表得RI值為1.41[32]。

通過計(jì)算得：λmax=8.237 5，CI=0.033 9，CR=0.024 1，其中CR小于0.1，說明所選指標(biāo)適宜，符合一致性檢驗(yàn)要求。

1.4.3 復(fù)合權(quán)重 AHP法考慮了上層指標(biāo)對下層指標(biāo)的依存和反饋，但受決策者的影響較大。熵權(quán)法雖然不依賴于決策者的主觀態(tài)度，但未考慮各指標(biāo)之間的相關(guān)性，使得所得權(quán)重可能會(huì)與實(shí)際不符。為保證各糖苷權(quán)重的準(zhǔn)確性，避免任何一種指標(biāo)權(quán)重結(jié)果的影響，本研究利用AHP-熵權(quán)法綜合考慮糖苷的權(quán)重[33]。復(fù)合權(quán)重的計(jì)算公式為：

(13)

式中：Qj表示AHP-熵權(quán)法所得復(fù)合權(quán)重值；Wj表示用熵權(quán)法所得各成分的權(quán)重值；Aω表示用層次分析法所得各成分的權(quán)重值。

由公式(13)計(jì)算可得，RA、STV、RC、RB、RF、DA、SX、總苷的復(fù)合權(quán)重Qj分別為0.35，0.21，0.09，0.05，0.07，0.03，0.05和0.14。

1.5 甜葉菊葉片遠(yuǎn)紅外干燥最優(yōu)工藝的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于前期的單因素試驗(yàn)結(jié)果[20]，以干燥溫度(X1)、輻照距離(X2)、料層厚度(X3)為試驗(yàn)因素，以前文所得復(fù)合權(quán)重為依據(jù)，計(jì)算各糖苷的綜合評分，并將其作為響應(yīng)值，利用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)，確定甜葉菊葉片遠(yuǎn)紅外干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)(表3)。甜葉菊中糖苷綜合評分的計(jì)算公式為：

表3 甜葉菊葉片遠(yuǎn)紅外干燥最優(yōu)工藝參數(shù)響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)方案Table 3 Scheme of the response surface optimization test of optimal process parameters of the far-infrared drying of Stevia rebaudiana leaves

(14)

式中：Yj表示8種成分指標(biāo)所得綜合評分；Xj表示第j列成分所測試驗(yàn)值。

用Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對所得優(yōu)化條件進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜葉菊葉片干燥工藝優(yōu)化的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

甜葉菊葉片遠(yuǎn)紅外干燥最優(yōu)工藝參數(shù)的響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

通過Design-Expert 8.0.6軟件對表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到綜合評分(Y)對干燥溫度(X1)、輻照距離(X2)、料層厚度(X3)的回歸方程為：

表4 甜葉菊遠(yuǎn)紅外干燥工藝響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of response surface optimization test of Stevia rebaudiana far-infrared drying process

(15)

表5 甜葉菊葉片遠(yuǎn)紅外干燥工藝參數(shù)回歸方程的方差分析Table 5 Variance analysis of the regression equations of the far-infrared drying process parameters of Stevia rebaudiana leaves

2.2 各因素間交互作用對甜葉菊葉片中糖苷綜合評分的影響

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到輻照距離與干燥溫度、料層厚度與干燥溫度及輻照距離與料層厚度交互作用的等高線和響應(yīng)面如圖1所示。

由圖1可以看出，干燥溫度、輻照距離、料層厚度兩兩交互作用得到的等高線均接近橢圓，說明所選因素的交互作用對甜葉菊葉片干燥過程影響顯著。其中料層厚度和干燥溫度的交互作用對綜合評分影響較大，當(dāng)料層厚度為22 mm時(shí)，隨著干燥溫度的升高，綜合評分先升高后降低，在55 ℃時(shí)綜合評分超過90分，這可能是因?yàn)闇囟壬呤刮锪现械乃趾拷档?，糖苷穩(wěn)定性增強(qiáng)；但當(dāng)溫度超過臨界值時(shí)，部分糖苷受熱分解，導(dǎo)致綜合評分降低；干燥溫度為55 ℃時(shí)，隨著料層厚度的增大，綜合評分呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這可能是因?yàn)檫h(yuǎn)紅外線的輻射強(qiáng)度與料層厚度的耦合作用影響了甜葉菊的干燥速率。料層厚度較小時(shí)，甜葉菊葉片的水分散失較快，糖苷穩(wěn)定性較差；隨著料層厚度的增加，遠(yuǎn)紅外線對物料干燥速率的影響加大；當(dāng)料層厚度超過臨界值時(shí)，單位質(zhì)量甜葉菊葉片獲得的輻射強(qiáng)度減弱，從而導(dǎo)致干燥時(shí)間延長，糖苷分解，綜合評分降低。

2.3 甜葉菊葉片干燥的最佳工藝參數(shù)及驗(yàn)證

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件確定遠(yuǎn)紅外干燥甜葉菊的最優(yōu)工藝參數(shù)為干燥溫度55.26 ℃，輻照距離189.03 mm，料層厚度21.00 mm，此時(shí)對應(yīng)的綜合評分為94.95分?？紤]到實(shí)際操作，將其調(diào)整為干燥溫度55 ℃、輻照距離180 mm、料層厚度21 mm，在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，驗(yàn)證試驗(yàn)所得綜合評分的平均值為96.54分，試驗(yàn)值與預(yù)測值的誤差僅為1.84%，說明響應(yīng)面優(yōu)化所得工藝參數(shù)準(zhǔn)確性高，可為甜葉菊葉片的產(chǎn)后加工提供技術(shù)參考。

表6 甜葉菊遠(yuǎn)紅外干燥最優(yōu)工藝參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Validation of optimal process parameters for Stevia far-infrared drying

3 結(jié) 論

本研究將遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)應(yīng)用于甜葉菊葉片的加工，基于AHP-熵權(quán)法確定各糖苷權(quán)重，采用Box-Behnken響應(yīng)面法進(jìn)行甜葉菊葉片的遠(yuǎn)紅外干燥工藝優(yōu)化，所得結(jié)論如下：

1)通過AHP法和熵權(quán)法復(fù)合加權(quán)，得到甜葉菊葉片各糖苷(RA、STV、RC、RB、RF、DA、SX、總苷)的復(fù)合權(quán)重(Qj)分別為0.35，0.21，0.09，0.05，0.07，0.03，0.05和0.14。本研究將主客觀賦權(quán)法相結(jié)合，所得權(quán)重更為科學(xué)合理，可應(yīng)用于甜葉菊葉片干燥工藝參數(shù)的優(yōu)化。

2)以干燥溫度、輻照距離、料層厚度為試驗(yàn)因素，各糖苷的綜合評分為響應(yīng)值，利用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化甜葉菊的干燥工藝，發(fā)現(xiàn)回歸分析所得模型顯著，不同試驗(yàn)因素對綜合評分的影響從大到小依次為輻照距離、料層厚度、干燥溫度。

3)通過響應(yīng)面分析，得到甜葉菊葉片遠(yuǎn)紅外干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)為干燥溫度55 ℃、輻照距離180 mm、料層厚度21 mm。驗(yàn)證試驗(yàn)與預(yù)測結(jié)果誤差僅為1.84%，說明優(yōu)化工藝參數(shù)準(zhǔn)確性高，優(yōu)化結(jié)果可靠，可用于甜葉菊葉片遠(yuǎn)紅外干燥的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。