紅棗微波-熱風聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化

劉小丹，徐懷德,*，孫田奎，張淑娟，黃小奇

(1.西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省紅棗工程技術中心，陜西 清澗 718300；3.清澗縣宏祥有限責任公司，陜西 清澗 718300)

紅棗是鼠李科棗屬植物棗樹的成熟果實，含有豐富的糖、酸、維生素等營養(yǎng)物質，尤以VC含量最高，此外還含有較多的黃酮類物質、環(huán)磷酸腺苷等，是人們喜愛的營養(yǎng)果品。《神農本草經》將紅棗和人參并列為諸藥之首，《本草綱目》也記載了“紅棗氣味甘、平、無毒”，有“潤心肺、止咳、補五臟、治虛損、除腸胃癖氣呼光粉燒治疳痢”的作用，紅棗具有較高營養(yǎng)價值和藥用價值[1-4]。紅棗原產于黃河沿岸晉、冀、魯、豫、陜等省，近年來新疆、甘肅、寧夏等省也有大量栽植，栽培面積已達150多萬公頃，年產鮮棗約350多萬t，我國是商品棗的生產和出口貿易大國，栽培面積和產量均居世界首位。

紅棗含水量很高，收獲期短，每年紅棗成熟后期的多雨天氣使大量果實出現裂果現象，收獲后由于不能及時干燥而使霉變腐爛加劇，給紅棗產業(yè)造成了極大的經濟損失，是限制紅棗產業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。我國95%以上的紅棗被制成干棗，使其適宜儲藏和后續(xù)加工、消費。紅棗干制多采用熱風干燥[5]，干燥時間長，VC等營養(yǎng)物質損失嚴重。近年來，許多新的干燥技術已經應用到紅棗干燥中[6]，其中微波干燥干燥速度快，干凈衛(wèi)生，受到了廣泛關注[7]。但是單獨微波干燥紅棗，紅棗溫度升高快，容易褐變[8]。為改善單一干燥方式的缺點，目前國內外許多學者研究復合干燥技術，石啟龍等[9]研究了雪蓮果熱風-微波聯(lián)合干燥的最適工藝參數；Gowen等[10]利用微波輔助熱風干燥法能有效地縮短澳洲堅果的干燥時間，提高澳洲堅果的品質；張國琛等[11]曾利用微波真空＋熱風＋微波真空的組合干燥方式對扇貝柱進行干燥，干燥時間比單純熱風干燥縮短50%以上，收縮率和復水率比單純微波真空干燥均有不同程度的改善，抗破碎能力明顯優(yōu)于熱風干燥。Fang Shuzheng等[12]采用先熱風后微波的兩段式干燥方法干燥紅棗，結果表明聯(lián)合干燥的紅棗品質優(yōu)于熱風干燥產品。但是采用先微波后高溫熱風再低溫熱風的3段式干燥還未見報道。本研究采用Box-Behnken試驗設計分析法優(yōu)化紅棗微波-熱風聯(lián)合干燥工藝條件，分析聯(lián)合干燥對產品品質的影響，以期對實際生產提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與設備

材料：木棗采自陜西省清澗縣雙廟河鄉(xiāng)鮑家山村(濕基含水率59%)，果實充分成熟，運回實驗室后選擇成熟度相對均勻的果實于(0±1)℃、相對濕度85%～90%冷庫中貯藏。

蘆丁(純度≥95%) 國藥集團化學試劑有限公司；抗壞血酸(純度≥99.7%) 天津博迪化工股份有限公司；其他試劑均為分析純。

DHG-9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；PJ21C-B1型微波爐 廣東美的微波爐制造有限公司；JYL-A020型九陽料理機 九陽股份有限公司；ALC-210.3型電子分析天平 賽多利斯艾科勒公司；HH-S6雙列六孔型電熱水浴鍋 北京科偉有限公司；KDC-40型低速離心機 科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司；KQ-600DB型數控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司；UV-mini1240紫外-可見分光光度計 日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 紅棗的3種干燥方式

分段熱風干燥：第一階段取紅棗置于溫度為55℃的烘箱內干燥，干燥至紅棗的濕基含水率不高于50%為止；第二階段將溫度升至60℃，干燥至紅棗的濕基含水率不高于40%為止；第三階段將溫度降至50℃，干燥至紅棗的濕基含水率不高于28%為止。

微波間歇干燥：將紅棗均勻平鋪成一層在微波爐的轉盤上，在微波功率119W條件下干燥，干燥12min，間歇4min，重復此過程，至紅棗的濕基含水率不高于28%為止。

微波-熱風聯(lián)合干燥：第一階段采用微波間歇干燥，在微波功率為119W條件下，干燥12min，間歇4min，間歇次數為7次；第二階段將紅棗轉入烘箱，在55℃條件下干燥9h；第三階段將烘箱溫度降至50℃，干燥至紅棗的濕基含水率不高于28%為止。

1.2.2 投料量和微波間歇次數單因素試驗

分別以投料量100、200、300、400g在119W條件下微波間歇干燥，干燥12min，間歇4min，重復此過程，直到紅棗的濕基含水率不高于28%為止。

第一階段采用微波間歇干燥，微波功率為119W，間歇次數分別為6、7、8、9，其他操作同1.2.1節(jié)中微波-熱風聯(lián)合干燥。

1.2.3 響應面的試驗設計

依據Box-Behnken試驗設計原理，以投料量、微波間歇次數、55℃熱風干燥時間3個因素為自變量，分析它們對產品總VC含量、總黃酮含量、A420的影響規(guī)律。

1.3 指標測定

1.3.1 總VC含量

總VC含量(濕基計)按照GB/T 5009.86—2003《蔬菜、水果及其制品中總抗壞血酸的測定》中2,4-二硝基苯肼比色法進行測定。

1.3.2 總黃酮含量

黃酮含量(濕基計)的測定采用NaNO2-Al(NO3)3比色法[13-14]。

標準曲線的繪制：準確稱取干燥、質量恒定的蘆丁標準品0.1g，用60%的乙醇溶解并定容至100mL，搖勻得1mg/mL標準溶液。分別取上述蘆丁標準溶液0、0.15、0.3、0.45、0.6、0.75mL于25mL的試管中，準確加入5%亞硝酸鈉溶液1mL，搖勻，放置6min，加2.5%硝酸鋁溶液4mL，搖勻，放置6min，加1mol/L氫氧化鈉溶液5mL，搖勻，放置15min，在510nm波長處測吸光度。

樣品中總黃酮含量的測定：精確稱取2g樣品于具塞三角瓶中，加入60%乙醇溶液50mL，放入超聲波儀中超聲提取40min，功率為420W，在4℃的環(huán)境下靜置4h，在2583×g條件下離心10min后過濾，精確吸取過濾液2mL，分置于25mL的試管中，按繪制標準曲線的方法顯色，以蒸餾水為空白對照，在510nm波長處測吸光度。

1.3.3 褐變系數A420

將樣品充分研細，稱取5g，用水定容至50mL，靜置2h，后用離心機在2583×g條件下離心10min，取測定樣5mL，再加入95%的乙醇5mL，用離心機在3800r/min條件下離心10min，在420nm 處測定吸光度(A420)，用吸光度的大小直接表示褐變度[15]。

2 結果與分析

2.1 3種干燥方式對紅棗品質特性的影響

對分段熱風干燥、微波間歇干燥、微波-熱風聯(lián)合干燥產品的總VC含量、總黃酮含量、A420進行分析。據圖1可知，總VC含量由低到高依次是分段熱風干燥、微波間歇干燥、微波-熱風聯(lián)合干燥產品，三者之間差異顯著。其中分段熱風干燥屬于長時間干燥，總VC含量最低；微波間歇干燥過程中，極性分子間劇烈碰撞和摩擦會產生大量的熱量，物料中心部位熱量積累很多，導致物料內部溫度很高，雖然干燥時間短，但VC極易受熱破壞，VC的含量相對分段熱風干燥產品較低[16]；而微波-熱風聯(lián)合干燥能較好地保存VC，同時，第一階段的微波間歇干燥最大程度上將物料內部的水分向外層轉移，提高了第二階段高溫熱風干燥的效率，縮短了干燥時間，抑制了產品的褐變，微波-熱風聯(lián)合干燥紅棗的褐變系數A420最小，與另兩種干燥方式差異顯著。3種不同方式干燥產品總黃酮的含量沒有顯著性的變化。因此微波-熱風聯(lián)合干燥法在提高產品品質方面具有優(yōu)勢。

圖 1 3種干燥方式對總VC、總黃酮含量和A420的影響Fig.1 Vitamin C, fl avonoid content and A420 of jujube products treated by three drying techniques

2.2 單因素試驗結果分析

2.2.1 投料量對微波干燥產品品質的影響

分析不同投料量對紅棗總VC含量、總黃酮含量、A420的影響。結果如圖2所示，不同投料量的總VC含量之間有顯著性差異。投料量為300g時，總VC含量、總黃酮含量最高，A420最低。當投料量增大到400g時，單位質量物料受到的微波強度減小，干燥時間延長，VC、黃酮成分氧化分解，含量降低，褐變加劇。當投料量減小到100～200g時，單位質量物料受到的微波輻射強度增大，干燥過程中物料的溫度上升幅度增大，紅棗內部溫度達到80～90℃，酶促褐變受到抑制，但是加劇了非酶褐變，VC、黃酮受熱氧化，產品褐變加深[17-18]。

圖 2 投料量對總VC、總黃酮含量和A420的影響Fig.2 Effect of material loading on vitamin C, fl avonoid content and A420

2.2.2 間歇次數對微波-熱風聯(lián)合干燥產品品質的影響

圖 3 微波間歇次數對總VC、總黃酮含量、A420的影響Fig.3 Effect of intermittent number during microwave treatment on vitamin C, fl avonoid content and A420

由圖3可知，微波間歇次數為7次時，總VC含量和總黃酮含量都最高，A420較低。微波間歇次數為6次時，第一階段轉換點干基含水率較高，導致熱風干燥時間延長，而高溫和氧化的作用會使VC、黃酮類物質氧化，故含量相對較低，酶褐變加劇，A420增大。當微波間歇次數增加到8～9次時，微波干燥時間延長，且微波干燥階段，物料的溫度較高，會引起VC、黃酮類物質的氧化分解；并且會使果肉褐變加劇。

2.3 微波-熱風聯(lián)合干燥中心組合試驗結果分析

以投料量、微波間歇次數、55℃熱風干燥時間為自變量，分別以總VC含量、總黃酮含量、A420為響應值，采用Design Expert 8.0.5軟件進行響應面分析方案設計，試驗設計和結果見表1。

表1 響應面試驗設計與結果Table 1 Box-Behnken design matrix and response values of vitamin C, flavonoid content and A420

對表1中的試驗數據進行分析，得到各個因素與產品總VC含量、總黃酮含量和A420指標之間的預測模型，并進行模型檢驗。

2.3.1 各因素對總VC含量的影響

各個因素與產品總VC含量之間的多元二次回歸方程式如下：

模型P＝0.0002，表明模型方程極顯著，不同處理間的差異極顯著，具有統(tǒng)計學的意義；失擬項P＝0.3456，失擬不顯著，說明模型擬合程度好，具有實際應用意義。模型的總決定系數R2＝0.9684，表明響應值總VC含量實際值與預測值之間具有良好的擬合度，校正決定系數R2Adj＝0.9279，說明92.79%的總VC含量變異可由此回歸模型解釋，模型可以用來估計總VC含量。影響總VC含量的主次順序為投料量、55℃熱風干燥時間、微波間歇次數，即投料量對總VC含量的影響最大，微波間歇次數對總VC含量的影響最小。模型中X1影響極顯著，X3影響顯著；交互項X1X3的影響是顯著的；二次項對總VC含量的影響均是極顯著的。

可用該方程對不同投料量、微波間歇次數、55℃熱風干燥時間處理條件下紅棗總VC含量進行預測。

2.3.2 各因素對總黃酮含量的影響

各個因素與產品總黃酮含量之間的多元二次回歸方程式如下：

模型P＝0.0034，表明模型方程極顯著，不同處理間的差異及顯著，具有統(tǒng)計學的意義；失擬項P＝0.9224，失擬不顯著，說明模型擬合程度好，具有實際應用意義。模型的總決定系數R2＝0.9254，表明響應值總黃酮含量實際值與預測值之間具有良好的擬合度，校正決定系數R2Adj＝0.8295，說明82.95%的總黃酮含量變異可由此回歸模型解釋，模型可以用來估計總黃酮含量。影響總黃酮含量的主次順序為投料量、微波間歇次數、55℃熱風干燥時間，即投料量對總黃酮含量的影響最大，55℃熱風干燥時間對總黃酮含量的影響最小。模型中X1和X2影響極顯著；交互項X1X2的影響是顯著的；X1的二次項對總黃酮含量的影響均是極顯著的，X2、X3的二次項對總黃酮含量的影響是顯著的。

可用該方程對不同投料量、微波間歇次數、55℃熱風干燥時間處理條件下紅棗總黃酮含量進行預測。

2.3.3 各因素對A420的影響

各個因素與產品A420之間的多元二次回歸方程式如下：

模型P＝0.00005，表明模型方程極顯著，不同處理間的差異及顯著，具有統(tǒng)計學的意義；失擬項P＝0.1301，失擬不顯著，說明模型擬合程度好，具有實際應用意義。模型的總決定系數R2＝0.9091，表明響應值A420實際值與預測值之間具有良好的擬合度，校正決定系數R2Adj＝0.8383，說明83.83%的A420變異可由此回歸模型解釋，模型可以用來估計A420含量。影響A420的主次順序為投料量、55℃熱風干燥時間、微波間歇次數，即投料量對A420的影響最大，微波間歇次數對A420的影響最小。模型中X1影響極顯著，X2和X3影響顯著；交互項X1X3的影響顯著。

可用該方程對不同投料量、微波間歇次數、55℃熱風干燥時間處理條件下紅棗A420進行預測。

2.3.4 聯(lián)合干燥工藝參數的優(yōu)化

經過軟件的優(yōu)化，總VC含量、總黃酮含量、A420的最佳試驗參數為投料量305.28g、微波間歇次數7.09次、55℃熱風干燥時間9.14h，但考慮到實際情況將最佳干燥條件修正為投料量305g、微波間歇次數7次(對應的紅棗濕基含水率≤50%)、55℃熱風干燥時間9h(對應的紅棗濕基含水率≤40%)。在此條件下，所得紅棗的總VC含量為36.22mg/100g，總黃酮含量為35.53mg/100g，A420為0.3079?；貧w模型預測總VC含量為38.24mg/100g、總黃酮含量為36.89mg/100g、A420為0.328。實際測定值比理論預測值接近。因此，采用RSM法優(yōu)化得到的干燥條件參數準確可靠。

3 結 論

3種干燥方式中，微波-熱風聯(lián)合干燥產品總VC含量最高，與分段熱風、微波間歇干燥產品相比，分別提高了99.53%、30.99%；褐變系數A420明顯低于分段熱風、微波間歇干燥產品，3種干燥方式的總黃酮含量接近。故微波-熱風聯(lián)合干燥法可明顯提高紅棗品質，具有推廣應用的價值。

采用試驗設計軟件Design-Expert 8.0.5，通過Box-Behnken試驗設計得到了聯(lián)合干燥過程中投料量、微波間歇次數、55℃熱風干燥時間與總VC含量、總黃酮含量、A420關系的回歸模型，經驗證該模型是合理可靠的，可用于生產預測。

紅棗微波-熱風聯(lián)合干燥最佳工藝條件為投料量305g、119W微波干燥12min、間歇4min、微波間歇次數7次，然后55℃熱風干燥時間9h、50℃熱風干燥12h，紅棗總VC含量達36.22mg/100g、總黃酮含量為35.53mg/100g、A420為0.3079。

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