基于结构表征和热力学分析的2 种菊花粉水分吸附特性研究

程新峰，留芳芳，潘 玲，洪礼杰，汪世豪，杨晨晖

（1.安徽师范大学生态与环境学院，安徽芜湖 241002；2.皖江流域退化生态系统的恢复与重建省部共建协同创新中心，安徽芜湖 241002；3.黄山畲农生态农业有限公司，安徽休宁 245452）

菊花（Chrysanthemum morifoliumRamat.）又名寿客、金英，为多年生草本植物。菊花性微寒、味甘苦，具有清热解毒、抑制肿瘤、延缓衰老、清除自由基、提高免疫力等功效[1]。此外，菊花含有多种活性成分，如黄酮类化合物、咖啡酸、绿原酸等，已被广泛用于酿酒、茶饮、保健食品加工之中。干制是菊花常见保藏方式之一，但不恰当的干燥工艺和贮藏条件会导致菊花变色、香味流失、蛀虫、发霉等，从而降低其商用价值。Wang 等[2]比较研究了热风干燥（HD）、微波+热风干燥（MHD）、蒸汽杀青+热风干燥（BHD）、真空-热风联合干燥（VHD）、阴干（SD）和冷冻干燥（FD）对菊花品质及生物活性成分的影响，发现与热风干燥（HD）相比，MHD 处理较好地保留了3,5-二咖啡酰奎宁酸、木犀草苷等活性成分，使样品具有较高的抗氧化能力和乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制效果。吴玉珍等[3]采用SPME-GC-MS 分析了不同干燥方式下菊花脑挥发性成分差异，结果表明，冻干菊花脑的风味与新鲜样品相似，具有樟脑、松花油及花草的清香味。Chen 等[4]采用平衡相对湿度法测定了杭白菊于5 个温度下的水分吸附数据，并通过非线性回归分析确定了最佳水分吸附等温线模型。结果显示，温度对杭白菊水分吸附行为影响较小；Caurie 和Henderson 模型与菊花水分吸附等温线较吻合，而组分模型只有在Aw=0～0.65 区间内才能较好地预测水分吸附数据。因此，深入研究菊花水分吸附特性对其最佳干燥工艺和贮藏条件选择具有一定的指导意义。

水分吸附等温线是设定温度下，平衡干基含水率与水分活度的关系曲线，反映物料的吸湿特性，对农副产品贮藏稳定性评价、包装材料选择、配方设计、干燥条件优化等具有指导作用[5-7]。基于水分吸附数据，通过模型拟合和热力学分析可深入了解吸附水的性质及水分吸附过程的能量需求[8-9]。Cheng等[10]发现在Aw=0.112～0.976 内小球藻粉和螺旋藻粉的水分吸附数据符合II 类等温线，且它们吸附水分由焓驱动，是一个非自发过程。Shirkole 等[11]基于GAB 模型参数估算，发现微波干燥辣椒粉水分吸附过程物料表面吸附位点与水分子相互作用是一个放热过程。此外，通过水分吸附数据分析还能获得物料比表面积、有效孔径、表面扩张压力等方面的信息。Tavares 等[8]比较研究了不同壁材（WPI/CH/POL 和GA/CH/POL）对蒜泥胶囊水分吸附性质的影响，结果显示WPI/CH/POL 蒜泥胶囊相比GA/CH/POL 蒜泥胶囊表面含有更多亲水位点。Alpizar-Reyes 等[12]研究表明，喷雾干燥酸豆种子黏液水分吸附过程中，当水分含量由0.02 g/g 增至0.20 g/g时，样品有效孔径也由0.92 nm 上升到7.24 nm。然而水分吸附过程物料对水分吸附能力、能量需求与其表面结构和组分密切相关，这方面还有待于进一步深入研究。

基于干制菊花贮藏期间变色、香味流失、蛀虫等问题，本文以安徽黄山地区常见菊花品种-小黄菊和贡菊王为原料，首先采用粒径分析仪、电子扫描显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X 射线光电子能谱（XPS）等对菊花粉末粒径大小、表面形态、官能团及元素化学态进行检测；其次采用静态称量法测定2 种菊花粉末在20、30 和40 ℃下的水分吸附数据，并通过非线性回归分析确定最佳水分吸附等温线模型；最后，通过估算净等量吸附热、微分熵、比表面积等热力学参数揭示菊花粉末的水分吸附机制，以期为菊花干燥工艺优化和贮藏条件选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小黄菊（ChrysanthemummorifoliumRamat.vs Xiaohuangju）和贡菊王（Chrysanthemum morifoliumRamat.vs Gongjuwang）采摘于2021 年11 月，由黄山畲农生态农业有限公司提供。新鲜菊花经挑选、清洗后置于热泵烘干机托盘上，采用分段干燥方式（分成八段）将水分降至0.087 g/g（干基）而获得干制菊花。水分吸附实验前，挑选干制菊花去蒂、去萼，然后置于高速粉碎机中粉碎，过120 目筛以获得菊花粉末样品。氯化锂（LiCl）、醋酸钾（CH3COOK）、氯化镁（MgCl26H2O）、碳酸钾（K2CO3）、溴化钠（NaBr）、氯化钠（NaCl）、硫酸铵（（NH4）2SO4）、氯化钡（BaCl22H2O）、硫酸钾（K2SO4）、麝香草酚 均为分析纯，购于中国上海阿拉丁试剂有限公司。

PGX-350B 智能光照培养箱 宁波赛福实验仪器有限公司；FW100 高速粉碎机 天津泰斯特仪器有限公司；MS3000 激光衍射粒度分析仪 马尔文仪器有限公司；VM-01S 快速卤素水分测定仪 江苏维科特仪器仪表有限公司；ME204E 分析天平 梅特勒-托利多仪器有限公司；SU8100 扫描电子显微镜日立科技有限公司；Nicolet iS 20 傅里叶变换红外光谱仪、PHI 5000 型X 射线光电子光谱仪 赛默飞世尔科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 表面结构特征分析 采用扫描电镜对菊花粉末表面形貌进行观测。将少量菊花粉末置于涂有导电胶的载物台上，按压后除去多余粉末，喷金，然后在15 kV 下放大200 倍拍照[13]。应用红外光谱仪对菊花粉末表面官能团进行分析。将少量菊花粉末与KBr 混合，压片，然后在4000～400 cm-1范围内采集分辨率为4 cm-1的FTIR 光谱，并用OPUS 软件对光谱进行基线校正、平滑和反卷积处理以获得表面官能团分布信息[2]。采用X 射线光电子能谱仪对菊花粉末表面元素化学态进行检测。采用单铬化Al Kα源，在15 kV 和基压10-6Pa 下采集XPS 全谱和精细谱，并用XPS PEAK 软件对XPS 光谱分峰拟合[14]。采用MS3000 激光粒度分析仪在干法模式下对菊花粉末的粒径大小进行分析。

1.2.2 水分吸附实验 采用静态称量法在9 种空气相对湿度下测定2 种菊花粉末的水分吸附数据。将1.000 g 样品放入装有不同饱和盐溶液的小型干燥器内，然后转移至20、30、40 ℃的恒温培养箱中，并定期监测其质量变化，直到吸湿平衡为止。选取LiCl、CH3COOK、MgCl2·6H2O、K2CO3、NaBr、NaCl、（NH4）2SO4、BaCl2·2H2O 和K2SO49 种饱和盐溶液营造不同空气相对湿度（RH），它们在实验温度下对应RH 值见表1。在Aw＞0.75 的干燥器中需添加少量麝香草酚，以防止霉菌生长繁殖。水分吸附平衡后，取出菊花粉末依据AOAC 方法在VM-01S 快速卤素水分测定仪中测定样品平衡含水率（Xe），每个样品重复3 次。

表1 实验温度下不同饱和盐溶液的水分活度[5,10]Table 1 Water activity (Aw) of selected saturated salt solution at the studied temperatures[5,10]

1.2.3 模型拟合及参数估算

1.2.3.1 数据拟合 参考文献[7,10,15-16]，选取表2中的5 种数学模型对菊花粉末的水分吸附数据进行拟合，模型拟合效果由决定系数（R2）和均方根误差（RMSE）确定。

表2 用于描述水分吸附等温线的数学模型Table 2 Mathematical models used to describe water adsorption isotherms

1.2.3.2 净等量吸附热（qst）和微分熵（ΔSd）在特定含水率下，qst可通过Clausius-Clapeyron 方程计算获得[17]，其大小与水分子和基质吸附位点作用强度有关。

式中，R 为气体常数（8.314 J/（mol K））；Aw为水分活度；X 为干基含水率（g/g）；T 为绝对温度（K）。在设定水分含量下，ln Awvs 1/T 作图所得直线的斜率和截距可用于计算净等量吸附热（qst，kJ/mol）和微分熵（ΔSd，kJ/（mol K）），计算公式如下：

1.2.3.3 吸附比表面积（S0）吸附比表面积（S0）与物料水合能力有关，由GAB 模型中的Xm计算而得[13]。

式中，Xm为单分子层水分含量（g/g）；S0为吸附比表面积（m2/g）；NA为阿伏伽德罗常数（6.022×1023/mol）；Mm为水的分子量（18 g/mol）；Am为水分子面积（1.06×10-19m2）。

1.2.3.4 有效吸附孔径（rp）初始空段落

物料有效孔径（rp）是临界孔隙半径（rc）与多层吸附水厚度（t）之和，它们分别通过Kelvin 方程（式4）和Halsey 等式（式5）计算获得[8]。

式中，rc为临界孔隙半径（m）；t 为多层吸附水厚度（m）；γ为水的表面张力（75.64×10-3N/m）；Vm为水摩尔体积（1.8×10-5m3/mol）；R 为气体常数（8.314 J/（mol K））；T 为绝对温度（K）。

1.3 数据处理

水分吸附实验每个样品重复3 次，取其平均值。采用Origin 8.5 软件绘图并对水分吸附数据进行非线性回归分析，依据R2和RMSE 来判定模型的拟合效果。

2 结果与分析

2.1 菊花粉末表面结构特征

为了探究菊花粉末水分吸附机制，采用SEM 对小黄菊和贡菊王粉末的表面形貌进行观察，如图1所示。2 种菊花粉末均呈现不规则的形态，且表面比较粗糙，含有大量凹陷和孔洞结构，但与小黄菊粉末相比，贡菊王粉末粒径更小，这与激光粒度分析仪所测结果相符，小黄菊和贡菊王粉末的d50分别为95.09 μm 和53.95 μm。

图1 小黄菊（a）和贡菊王（b）粉末的扫描电镜图（200×）Fig.1 Scan electron microscopy (SEM) images of"Xiaohuangju" (a) and "Gongjuwang" (b) powder (200×)

图2 为2 种菊花粉末的红外光谱图。如图所示，2926 cm-1和2850 cm-1处为-CH2中碳氢键的非对称和对称伸缩振动，与挥发油类中疏水性烃链存在有关[18]。红外光谱图中1800～1350 cm-1区间吸收峰与黄酮类化合物存在有关，其中1647 cm-1处是黄酮类化合物中C=O 的吸收峰，而1600 cm-1和1445 cm-1则与黄酮类化合物A、B 环骨架伸缩振动有关，1260 cm-1与C 环中C-O-C 伸缩振动相关[19]。1300～900 cm-1处为亲水性糖（苷）类或有机酸类物质的特征吸收峰，其中1256 cm-1和1050 cm-1处与化合物中C-O-C 和CH2-OH 的伸缩振动相关[13]。此外，3395 cm-1处强且宽的吸收峰是O-H 和N-H 的振动吸收叠加，而1735 cm-1处则与羰基（C=O）的伸缩振动有关[8]。菊花中含有多种化学成分，主要有黄酮类（如槲皮素、木犀草素）、挥发油类（以含氧衍生物、萜烯、萜醇、萜酮为主，也有一些芳香族和脂肪族化合物）、糖（苷）类及有机酸类化合物等[1]。比较2 种菊花粉末红外光谱，发现贡菊王在3395 cm-1和1053 cm-1处光吸收强度高于小黄菊，而2926 cm-1和1800～1350 cm-1处却低于小黄菊，说明与小黄菊相比，贡菊王粉末表面含有更多糖（苷）类或有机酸（如阿魏酸、咖啡酸）类化合物，它们能为水分吸附提供亲水位点。

图2 菊花粉末的红外图谱Fig.2 Fourier infrared spectra of powdered chrysanthemums

图3 为2 种菊花粉末的XPS 全谱图和精细谱图。由图可知，2 种菊花粉颗粒表面主要有碳、氧和氮3 种元素组成，其中小黄菊表面C 元素占83.68%，O 元素占15.38%，N 元素占0.94%；贡菊王C 元素占75.90%，O 元素占23.06%，N 元素占1.04%，这与2 种菊花粉末表面官能团类型与数量不同有关。从菊花粉末C1s 精细谱（图3b）可以看出，小黄菊在283.27、284.80、286.24、287.99 和288.94 eV 具有5 个吸收峰，分别对应于C=C（1.68%），C-（C,H）（61.23%），C-O/C-NH-（C=O）（18.14%），O-C-O/C-NH-（C=O）（0.89%）和O=C-O-C/O=C-OH（1.74%）。贡菊王在283.30，284.80，286.14，287.96 和288.93 eV处出现5 个吸收峰，它们分别为C=C（1.58%），C-（C,H）（48.42%），C-O/C-NH-（C=O）（22.80%），OC-O/C-NH-（C=O）（1.21%）和O=C-O-C/O=C-OH（1.89%）[20-21]。在O1s 精细谱中（图3c），小黄菊和贡菊王均具有3 种不同化学态的氧元素，分别与CNH-（C=O）/O=C-O-（C,H），C-OH/O-C-O 和O=CO-C/O=C-OH 有关[21]，但2 种菊花粉末中各种化学态氧元素所占比例不同，其中小黄菊为3.46%、7.31%和4.61%；而贡菊王则为4.16%、9.59%和9.31%。图3d 是菊花粉末的N1s 精细谱。从图中可以看出，小黄菊在400.01 eV 存在1 个吸收峰，对应于CNH-（C=O）（占0.94%）；而贡菊王在399.96 和401.99 eV 附近出现了2 个吸收峰，分别与C-NH-（C=O）（占0.70%）和C-NH3+（占0.34%）有关[10]。284.8 eV 吸收峰C-（C,H）与脂质碳氢化合物存在有关，决定了菊花粉末的疏水性[22]。C-OH 和O-C-O对应醇羟基和半缩醛羟基，与糖（苷）类或有机酸化合物有关，它们属于亲水性基团能为水分提供吸附位点[10]。289.1 eV 处吸收峰（O=C-O-C）值与脂质（甘油三酯）的存在有关，而287.9 eV 吸收峰对应C-NH-（C=O）表明多肽或蛋白中的酰胺存在[20]。比较2 种菊花粉末的XPS 图谱发现，相比小黄菊粉末贡菊王表面与脂类有关的化学基团含量较低，而亲水性的C-OH 和O-C-O 较高，这与红外光谱结果相一致。

2.2 菊花粉末的水分吸附特性

图4 为小黄菊和贡菊王粉末在20、30 和40 ℃下的水分吸附等温线。由图可知，2 种菊花粉末水分吸附行为符合II 型等温线。温度一定时2 种菊花粉末的平衡干基含水率（Xe）均随Aw升高而增大，其中当Aw＜0.6 时，物料吸附水分较少，平衡干基含水率变化不明显，但当Aw高于0.65 时Xe值明显增大，这是因为在水分吸附过程中，水分会在物料内微孔的界面冷凝，并逐渐加厚形成球面，导致水层在物料孔隙上所受到的压力随着外界附加压力的增加而减小，因此在高Aw条件下Xe值呈现迅速上升趋势[23]。相同Aw下，温度越高，菊花粉末的Xe值越低，这是因为温度升高，空气蒸气压下降，促使物料水分向周围环境迁移加快，平衡水分含量降低[6]。其次，温度上升，物料的表面结构及官能团分布会发生变化，导致水分吸附位点减少，平衡水分含量降低[7]。此外，温度升高时，物料内水分子动能增加易从吸附位点脱落也是引起物料平衡含水率下降的原因之一[16]。比较2 种菊花粉末的水分吸附特性，在相同温度和Aw下贡菊王的水分含量要高于小黄菊，说明贡菊王粉末水分吸附性能要强于小黄菊，这种差异可能与菊花粉末的结构、粒径大小以及表面官能团组成有关，2.1 部分的检测结果也证实这一点。

2.3 水分吸附等温线模型拟合

采用表2 中的数学模型对实验所得水分吸附数据进行拟合，结果如表3 所示。在实验Aw和温度下，Peleg 模型对2 种菊花粉末的水分吸附数据的拟合效果最好（R2=0.940～0.997，RMSE=1.142～2.779），其次为GAB 模型（R2=0.894～0.994，RMSE=1.077～4.305），之后依次为Halsey、Caurie 和BET 模型。Yogendrarajah 等[24]对黑胡椒在Aw=0.13～0.97 范围内的水分吸附行为进行研究，发现Peleg 和GAB 模型也能较好地描述黑胡椒的水分吸附特性。水分活度（Aw）与农副产品贮藏稳定性密切相关，当Aw低于0.70 时，霉菌、细菌和酵母生长会受到抑制，而在Aw＜0.60 条件下，几乎所有微生物都不能生存[25]。因此，将Aw=0.60 时物料的水分含量定义为绝对安全含水量，而Aw=0.70 时则为相对安全含水量。基于Peleg 模型，20 ℃下小黄菊粉末的绝对安全和相对安全含水量分别为0.113 和0.162 g/g（d.b）；贡菊王的绝对安全和相对安全含水量分别为0.135 和0.176g/g（d.b）。

表3 菊花粉水分吸附等温线拟合结果Table 3 Fitting results of water adsorption isotherms of powered chrysanthemums

2.4 水分吸附热力学性质

净等量吸附热（qst）是吸附热（Qst）与纯水蒸发潜热的差值，反映水分子与物料非水组分的结合强度，其信息对于干燥设备设计与干燥终点确定具有指导意义[8,13]。图5 为2 种菊花粉末的净等量吸附热（qst）、微分熵（ΔSd）与平衡干基含水率（Xe）的关系曲线。由图5a 可知，随Xe值增大，小黄菊和贡菊王的qst均呈指数形式递减，方程分别为qst=27.25 exp（-Xe/0.0592）和qst=127.80 exp（-Xe/0.0385）。就小黄菊粉末而言，随平衡干基含水率增大，其qst值由13.44 kJ/mol 逐渐减少，当Xe＞0.14 g/g 时，qst值基本保持不变；贡菊王的qst值由最初的26.99 kJ/mol 逐渐下降，至Xe＞0.24 g/g 时才趋于恒定。类似变化趋势在超微粉碎菱角壳粉[7]、冻干杨梅果粉[9]的水分吸附过程也有报道。这是因为在低含水率时，菊花粉表面含有较多活性吸附位点，它们与水分子结合紧密，因而这部分水不易被微生物利用，不会引起化学反应；随着水分吸附推进，非水基质吸水膨胀，表面吸附位点减少，致使与水分子结合强度降低，多分子层水形成；当qst值趋于稳定时，吸附水则大部分为自由水[24]。相比小黄菊粉末，贡菊王水分吸附初始阶段qst值显著偏大，这是因为贡菊王粉末粒径较小，且表面含有较多的亲水物质或官能团，它们能与分子紧密结合。

图5 菊花粉末净等量吸附热（qst）和微分熵（ΔSd）与平衡干基含水率的关系Fig.5 Relationship of net isosteric heat of adsorption (qst) and differential entropy (ΔSd) of powdered chrysanthemums with equilibrium water content

由图5b 可知，2 种菊花粉末的ΔSd值随平衡含水率增加而呈现相似的变化趋势。就小黄菊粉末而言，当Xe＜0.14 g/g 时，随着平衡含水率增大，ΔSd值逐渐降低，因为特定能级水平下，物料单位表面的水分吸附位点数量与ΔSd值成正比[10,13]，因此随着水分吸附进行，物料表面水分吸附位点被逐渐占据，ΔSd值也随之减小。当Xe＞0.14 g/g 时，ΔSd值趋于稳定，因为吸附到一定程度时，物料表面可吸附位点基本被水分子饱和。比较2 种菊花粉末发现，当Xe＜0.21 g/g 时，贡菊王的ΔSd值均大于小黄菊，说明水分吸附前期贡菊王比小黄菊单位表面的水分吸附位点要多，FTIR 和XPS 的结果也证实了这点。

2.5 菊花粉吸附水性质

单分子层水分含量（Xm）是指在物料可接近的强极性基团周围完成单层覆盖所需的近似水量，这部分水与物料非水组分紧密结合，可视为物料的固有成分[17,26]。由表3 可知，20、30 和40 ℃下，小黄菊粉末的Xm值分别为0.0690、0.0525、0.0505 g/g（d.b）；贡菊王粉末分别为0.0645、0.0591 和0.0584 g/g（d.b）。随温度升高，2 种菊花粉末的Xm值均呈现下降趋势，因为温度升高会引发物料发生一系列物理或化学反应，导致表面亲水官能团数量减少，吸湿能力下降[7,27]。Carvalho Lago 等[28]在20～50 ℃和aw=0.11～0.97 下对雪莲果渣粉水分吸附特性研究中也得到了类似结果。

基于GAB 模型参数Xm值可计算2 种菊花粉末的吸附比表面积（So），结果显示20、30 和40 ℃下，小黄菊的So值为244.73，186.04 和179.16 m2/g；贡菊王的So值为228.70，209.81 和206.93 m2/g。这与大多数的农副产品的So值（100～250 m2/g）基本相符[12-13,24]，但明显低于冻干香蕉皮粉的So值，414.81 m2/g，可能与香蕉皮粉含有较多亲水物质，内部具有更多微孔结构有关[15]。两种菊花粉末的S0值均随温度升高而降低，因为温度升高会引发基质亲水位点减少[24]。此外，温度升高会增强水分子的运动能力，易从吸附位点脱离，从而降低单分子层水分含量[7]。

图6 为小黄菊和贡菊王粉末的有效孔径（rp）和多层水厚度（t）与平衡干基含水率（Xe）之间的关系。在实验Aw和温度下，小黄菊和贡菊王粉末的rp值分别在1.018～27.036 nm 和 1.008～28.008 nm 之间。类似的rp值在菱角壳粉水分吸附研究中也有报道，作者发现当水分含量在0.08～0.30 g/g（d.b）范围内，样品的rp值由1.628 nm 增至21.761 nm[7]。按照国际理论和应用化学联合会（IUPAC）的规定[8,13]，本研究中菊花粉末内孔隙属于微孔（rp＜2 nm）和介孔（rp=2～50 nm），其中Xe＞0.09 g/g（d.b）时，无论温度高低，小黄菊的rp值均大于2 nm，属于介孔，而贡菊王则当Xe＞0.11 g/g（d.b）时才呈现介孔特性。同一温度下，随着水分吸附进行，rp值越来越大，其中当水分含量高于某临界值时（与温度有关），孔径大小增速加剧，这可能意味着样品孔隙内水分子簇聚合/桥联已完成，并实现了水分子簇从凸面向凹面的结构转变[29]。比较rp曲线和t 曲线可以看出，t 对rp的贡献相对较小，尤其在低水分含量下，rp值由临界孔径大小（rc）决定。从图中还可看出，与低温相比，高温下菊花粉末的rp值较大，其中小黄菊粉末在高水分含量下rp值上升尤为明显，这可能与物料受热膨胀有关。

图6 菊花粉有效孔径大小与平衡干基含水率的关系Fig.6 Relationship of radius of the pores in powdered chrysanthemums with equilibrium water content

3 结论

小黄菊和贡菊王粉末水分吸附行为符合Ⅱ型吸附等温线。同一温度下，2 种菊花粉末的平衡干基含水率（Xe）随水分活度（Aw）升高而增加，而相同Aw下，温度越高，菊花粉末的Xe值越低。在20、30 和40 ℃，Aw=0.112～0.976 条件下，Peleg 模型为描述2 种菊花粉末水分吸附特性的最佳模型。从热力学分析和结构表征可看出，2 种菊花粉末均呈现多孔特性，其中贡菊王粉末粒径小，比表面积（S0）大，表面活性位点较多，且在水分吸附初始阶段具有较高的净等量吸附热（qst）和微分熵（ΔSd），说明与小黄菊相比，贡菊王粉末具有较强吸湿能力，易从周围环境吸附水分。该研究结果可为菊花的加工和贮藏条件选择提供理论指导。