檸檬皮渣干燥工藝探討

劉江，張?jiān)婄?，雷激，蘇菲煙，任倩

(西華大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，四川 成都,610039)

檸檬(lemon)是在柑和橙后出現(xiàn)的第三大柑橘品種，全國各地都有種植和栽培[1-2]。目前，檸檬通常加工成檸檬酒、檸檬醋、檸檬飲料等產(chǎn)品，造成大量的檸檬皮渣被丟棄，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。檸檬皮渣中的果膠含量達(dá)30%[3]，是生產(chǎn)果膠較好的原材料。與其他種類的果膠相比，檸檬皮渣果膠膠凝性強(qiáng)，酯化度高，分子量大。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，隨著消費(fèi)量逐年增加，我國每年消耗果膠4 000 t以上，但由于果膠生產(chǎn)技術(shù)較落后、提取成本高、產(chǎn)量低等原因，我國80%的果膠依靠進(jìn)口，其中檸檬果膠約2 000 t[4-6]。此外，從果蔬加工副產(chǎn)品綜合利用來看，利用檸檬皮渣提取果膠，達(dá)到變廢渣為寶，既增加了農(nóng)產(chǎn)品附加值，豐富檸檬果膠市場，又提高了經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。果膠生產(chǎn)主要包括皮渣干燥和果膠提取2個(gè)步驟[7-9]，檸檬皮渣干燥是果膠提取的重要環(huán)節(jié)，但目前生產(chǎn)中存在皮渣干燥耗能大、所得干渣顏色深、質(zhì)量差等問題，亟待解決?；诖?，本研究以新鮮檸檬皮渣為原料，探討不同干燥方法對檸檬干渣和果膠質(zhì)量的影響，為檸檬皮渣的干燥節(jié)能和制備優(yōu)質(zhì)果膠型檸檬干渣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

尤力克檸檬，市售；95%乙醇、HCl、NaOH、酚酞均屬于分析純，成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平(TB-214),北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；微型電力監(jiān)測儀(功率計(jì))(PowerBay-SSM),深圳市北電儀表有限公司；萬用電爐(DL-1),北京中業(yè)儀器有限公司；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(NDJ-1),浙江力辰儀器科技有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(SHZ-DIII),北京普瑞奇科技股份有限公司；pH計(jì)(PHS-320),上海霄盛有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(SFG-02.400),黃石市恒豐醫(yī)療器械有限公司；微波爐(G70F20N2L-DG),廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司；冷凍干燥機(jī)(Lyalab-3000),寧波市雙嘉儀器有限公司；真空干燥箱(DZF-6021),上海一恒科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 檸檬皮渣干燥及果膠提取工藝流程

新鮮檸檬→檸檬皮去油→榨汁→皮渣切碎過篩(顆粒直徑1～5 mm，大于5 mm的占10%～15%)→檸檬皮渣滅酶(100 ℃水浴5 min)→檸檬皮渣干燥(16種干燥工藝)→干渣→粉碎過篩(100目)→加蒸餾水，液料比為20∶1，用0.1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)至pH 1.5→70 ℃水浴90 min→1 500 r/min下離心20 min,收集上清液→濾渣用蒸餾水洗滌離心→95%乙醇沉淀→65 ℃干燥→果膠(稱重)

1.3.2 干燥方式

取相同質(zhì)量(100±5)g的新鮮檸檬皮渣(初始含水82%～84%)，采用16種不同處理方式干燥至檸檬干渣含水量8%～10%。干燥方式如表1和表2所示。

注：AD，Hot-airdrying，熱風(fēng)干燥；ADD，Hot-air drying with gradient temperature (drop)，熱風(fēng)梯度干燥；VD，Vacuum drying，真空干燥;MD，Microwave drying，微波干燥；FD，F(xiàn)reeze drying，真空冷凍干燥；MAD，Microwave-hot-air drying，微波-熱風(fēng)干燥；FAD，F(xiàn)reeze-hot-air drying，冷凍-熱風(fēng)干燥。

表2 微波間歇-熱風(fēng)干燥、真空冷凍-熱風(fēng)干燥工藝

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)及測定方法

1.4.1 檸檬皮渣含水率測定

參照孫曼兮等[10]方法測定含水量。

1.4.2 干燥速率[11-13]

干燥速率反映物料在干燥過程中除濕的快慢程度，按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：V，干燥速率，g/(g·min)；ΔW，物料在干燥過程中被除去的水分質(zhì)量，g；G，絕干物料的質(zhì)量，g；Δt，除去ΔW水分所消耗的時(shí)間，min。

1.4.3 檸檬皮渣干燥單位能耗[14-16]

單位能耗N計(jì)算公式：

(2)

式中：N，單位能耗，kJ/g；Wt，干燥結(jié)束時(shí)功率計(jì)讀數(shù)，kW·h；W0，干燥開始時(shí)功率計(jì)讀數(shù)，kW·h；G，干燥中除去水分的質(zhì)量，g；3 600，換算系數(shù)，1 kW·h=3 600 kJ。

1.4.4 檸檬干渣色差[17]

采用色彩色差計(jì)CIELAB系統(tǒng)測定色澤。本實(shí)驗(yàn)用ΔE代表干渣顆粒的色澤與新鮮檸檬濕渣(L*、a*、b*)的色差值，并按公式計(jì)算ΔE，每組樣品平行測定3次，取平均值。

(3)

式中：ΔE，總色差；L，樣品亮度；a，樣品紅綠值；b，樣品黃藍(lán)值。

1.4.5 復(fù)水性[18-19]

將1 g檸檬干渣粉放于50 mL離心管中，加入20 mL蒸餾水，在25 ℃下放置1 h，3 000 r/min離心25 min，稱取沉淀物質(zhì)量。計(jì)算公式如下：

(4)

式中：W1，復(fù)水前檸檬粉末的質(zhì)量，g；W2，復(fù)水后檸檬粉末的質(zhì)量，g。

1.4.6 果膠提取率[20-21]

采用重量法測定檸檬干渣果膠提取率，計(jì)算如公式(5)所示：

(5)

式中：P，果膠提取率，%；m，提取得到的果膠質(zhì)量，g；W，樣品檸檬干渣的質(zhì)量，g。

1.4.7 果膠黏度[22]

以0.1%的果膠溶液為基準(zhǔn)，常溫下(20±2)℃用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(1號(hào)轉(zhuǎn)子，60 r/min)測定黏度(MPa·s)。

1.4.8 果膠酯化度

采用滴定法[23]進(jìn)行測定，計(jì)算公式：

(6)

式中：V1，樣品的初始滴定體積，mL；V2，樣品溶液的皂化滴定體積，mL。

1.4.9 檸檬干渣感官測定[24-25]

篩選嗅覺、味覺敏感、不吸煙的食品專業(yè)人士12名為感官評定員，采用盲樣評定法對干燥后的檸檬皮渣色澤、氣味、形態(tài)、質(zhì)地進(jìn)行評分，滿分100分，評分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 檸檬干渣感官評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4.10 綜合評分

綜合評分參考文獻(xiàn)[26-27]進(jìn)行。利用變異系數(shù)法確定上述各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，采用加權(quán)平均的方法得到16種干燥方式制得檸檬渣粉的綜合評分。各指標(biāo)的變異系數(shù)計(jì)算如公式(7)所示：

(7)

各指標(biāo)的權(quán)重的計(jì)算如公式(8)所示：

(8)

采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化法對各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算如公式(9)所示：

(9)

式中：Zij，標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值；Xij，實(shí)際變量值；Vi，第i項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)；бi，第i項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；Xi，第i項(xiàng)指標(biāo)的算術(shù)平均值。

單位能耗及色差越小越好，為逆指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)化后將正負(fù)號(hào)對調(diào)。將不同干燥方式下各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)分別與權(quán)重相乘后，計(jì)算總和，得到綜合評分。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用SPSS 21.0 進(jìn)行單因素ANOVA分析和最小顯著差數(shù)法(LSD)多重比較(P<0.05)，結(jié)果用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Origin 8.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥方式對檸檬干渣感官品質(zhì)的影響

如表4所示，F(xiàn)D所處理的檸檬皮渣干品評分最高，干品呈鮮黃色，形狀完整飽滿，保留了新鮮檸檬皮渣的狀態(tài)，有較強(qiáng)的檸檬特有香味；FAD隨著水分轉(zhuǎn)折點(diǎn)增加，評分減?。籄D產(chǎn)品的色澤要高于VD，這可能與真空干燥處理時(shí)間遠(yuǎn)大于熱風(fēng)干燥有關(guān)；MD產(chǎn)品色澤評分最差，主要由于微波處理時(shí)檸檬皮渣的起始含水量較高且水分分布不均勻，導(dǎo)致檸檬皮渣局部溫度過高，出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，對其感官質(zhì)量造成嚴(yán)重的破壞，評分顯著低于其他處理組(P<0.05)。

表4 干燥方式對檸檬皮渣感官品質(zhì)的影響

續(xù)表4

實(shí)驗(yàn)號(hào)干燥方式指標(biāo)色澤氣味形態(tài)質(zhì)地感官總分8VD7012.30±0.06g19.21±0.47cd15.08±1.02ef14.33±0.26f61.02±0.15h9MD8.67±0.07i10.68±0.15g12.00±1.00g10.00±0.01g41.33±1.08i10FD23.67±0.21a23.69±0.58a23.48±0.49a24.00±0.01a93.67±0.31a11MAD1111.00±0.01h14.61±0.58f12.39±1.05g14.42±0.54f60.33±1.65h12MAD1216.33±0.31f17.57±0.39e16.68±0.68e16.36±0.61e66.67±1.37g13MAD1317.33±0.58f18.00±0.03e18.54±0.35d19.33±0.52c69.32±0.49f14FAD1423.00±0.04a22.67±0.52b22.33±0.53b22.67±0.58b89.48±1.20b15FAD1521.68±0.23bc20.33±0.54cd20.91±0.02c21.86±1.02bc85.03±0.75c16FAD1620.43±0.05cd20.35±0.43cd20.75±0.03c20.00±0.04c81.60±0.89d

注：肩標(biāo)字母相同表示同列比較差異不顯著，不同字母表示差異顯著(P<0.05)

此外，MAD的感官評分顯著高于MD(P<0.05)，說明采用MAD能顯著改善檸檬皮渣品質(zhì)，微波干燥時(shí)間短、水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)高得到的檸檬干渣品質(zhì)好。感官評分由高到低分別為：FD>FAD14>FAD15>ADD2≥FAD16≥AD70≥ADD1>AD60>AD50>AD80≥MAD13>MAD12>VD60>VD70>MAD11>MD。

2.2 熱風(fēng)干燥特性以及不同干燥方式所用能耗

熱風(fēng)溫度是影響物料干燥時(shí)間的決定因素，由圖1可知，不同熱風(fēng)溫度處理對干基含水量和干燥速率影響顯著(P<0.05)。AD干燥初期濕皮渣周圍的空氣需要大量熱量，熱風(fēng)干燥的溫度越高，檸檬濕渣失水越快，到達(dá)干燥終點(diǎn)所需時(shí)間越短。在AD50和AD60時(shí)，干燥速率曲線變化較緩；AD70、AD80、ADD1和ADD 2干燥曲線變化較大，存在明顯加速和降速干燥階段。初期干燥蒸發(fā)的是大量游離水，當(dāng)內(nèi)部結(jié)合水開始蒸發(fā)時(shí)改變溫度，由于內(nèi)部水分?jǐn)U散速度小于表面汽化速度，干燥產(chǎn)生的溫差大，傳熱傳質(zhì)動(dòng)力大[18]，與單一干燥方式相比，初始溫度為70 ℃，含水量在40%時(shí)改變溫度比在60%改變溫度干燥速率更高，效果更好。

由于干燥過程設(shè)備和運(yùn)行時(shí)間均不相同，各干燥方法能耗差異顯著(P<0.05)。由圖2知，ADD2和ADD1能耗顯著低于AD50，說明變溫干燥比恒溫干燥節(jié)時(shí)；AD50干燥功率低但時(shí)間長，AD80干燥時(shí)間短但功率高，與AD60、AD70相比，單位能耗高；MD所需能耗最低，隨著水分轉(zhuǎn)折點(diǎn)的增加，MAD能耗逐漸增加，MAD13較AD節(jié)能約30%，干燥時(shí)間縮短1～2 h；雖然FD、VD干燥對檸檬皮渣各方面損失較小，但其能耗成本遠(yuǎn)高出其他干燥(P<0.05)；FAD較FD干燥差異顯著,即聯(lián)合干燥能相對降低產(chǎn)品所需能耗，這個(gè)結(jié)果與孫曼兮等[10]干燥銀耳的結(jié)果類似。

a-不同熱風(fēng)溫度下干基含水率隨干燥時(shí)間的變化曲線;b-不同熱風(fēng)溫度下干燥速率隨干基含水率的變化曲線。圖1 檸檬濕渣熱風(fēng)干燥特性曲線

Fig.1 Hot air drying curve of lemon wet pomace

圖2 干燥方式對干燥能耗的影響

Fig.2 Effect of drying methods on drying energy consumption注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同干燥方式對檸檬干渣色澤的影響

由表5可知，16種不同干燥方式得到的檸檬干渣ΔE差異明顯(P<0.05)。FD、FAD得到的色差值最小，檸檬干渣呈現(xiàn)鮮黃色；其次是ADD、AD,檸檬干渣呈黃色，AD干燥色差值要低于相同溫度下VD干燥處理；AD干燥中，隨著熱風(fēng)溫度的升高,檸檬干品色差值呈現(xiàn)增加的趨勢，當(dāng)溫度超過80 ℃時(shí)，干渣色澤變暗；MD、VD檸檬果膠的ΔE最大，檸檬干渣為暗棕色；MAD干燥過程中水分轉(zhuǎn)化點(diǎn)越高,其色澤較MD越好?？傮w而言，其色差值ΔE為冷凍干燥<熱風(fēng)變溫干燥<熱風(fēng)干燥<真空干燥<微波干燥，這種現(xiàn)象同高煒等[28]研究的不同干燥方式對檸檬片品質(zhì)影響的色差結(jié)果相一致。

表5 不同干燥方式對檸檬果膠色澤的影響

2.4 不同干燥方式對檸檬干渣粉末復(fù)水性的影響

在干燥研究中，衡量干燥產(chǎn)品品質(zhì)通常用復(fù)水性作為測定指標(biāo)。從圖3可知，不同干燥方式所得產(chǎn)品的復(fù)水性差異顯著(P<0.05)。

圖3 干燥方式對檸檬干粉復(fù)水性的影響

Fig.3 Effects of drying methods on rehydration of lemon peel powder

FD檸檬皮渣干品的復(fù)水比最大，因?yàn)樵诶鋬龈稍锵聶幟势ぴ械乃钟杀顟B(tài)直接升華，物料的物理結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)改變較小，較好地保存了其組織結(jié)構(gòu)和外觀形態(tài)，故具有較好的復(fù)水性；VD檸檬皮渣內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不容易被破壞，體積改變很小，仍能保持較好的復(fù)水力；AD檸檬皮渣是在常壓下進(jìn)行，隨著溫度的升高，產(chǎn)品收縮，表面氧化形成致密保護(hù)層，阻礙水分進(jìn)出，檸檬皮渣干品的復(fù)水性逐漸下降[25]；干品復(fù)水效果最差的是MD，可能是由于微波干燥過程中出現(xiàn)局部過度加熱，其組織逐漸形成相對致密的結(jié)構(gòu)，得到干品的復(fù)水性能低，復(fù)水效果顯著低于其他處理組(P<0.05)。

2.5 不同干燥方式對檸檬干渣果膠得率的影響

在不同干燥條件下，檸檬干渣粉通過傳統(tǒng)酸提取法得到檸檬果膠。由圖4可得，不同干燥方式下果膠得率差異較大(P<0.05)，AD溫度在50～70 ℃時(shí)，果膠的得率受溫度的影響很小，在70 ℃時(shí)果膠含量達(dá)到最大，當(dāng)溫度升至80 ℃，果膠的含量下降，因?yàn)楦邷亓似茐墓z質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使果膠的含量降低[7]；FD檸檬皮渣能夠較好地保持產(chǎn)品原有形態(tài)，對細(xì)胞組織的損傷相對較小，提取率較好;FAD隨著水分轉(zhuǎn)折點(diǎn)的增加，果膠得率降低;FAD16與AD50、AD60差異不顯著；VD干燥檸檬皮渣內(nèi)部組織不容易被破壞，損失小，提取率高；MD中果膠得率最小，可能是因?yàn)槲⒉ǜ稍镞^程其組織結(jié)構(gòu)被破壞，提取不完全，導(dǎo)致果膠得率低。

圖4 干燥方式對檸檬干渣果膠得率的影響

Fig.4 Effects of drying methods on pectin yield

2.6 不同干燥方式對檸檬果膠黏度的影響

黏度是度量果膠品質(zhì)的重要特征之一。果膠的黏度與其分子量及分支度有很大關(guān)系，氫鍵及甲基的疏水相互作用會(huì)導(dǎo)致分子內(nèi)或分子間距離的減少，從而提高果膠的分支度，黏度也相應(yīng)增大。由圖5可知，AD中隨著熱風(fēng)溫度的升高，所得干渣制備的果膠黏度增加，但超過70 ℃后黏度降低，因?yàn)楦邷厥构z發(fā)生鏈解聚，果膠分子鏈的柔順度增加，果膠分子間的交聯(lián)作用減弱，從而使果膠黏度下降[29]；FD檸檬皮渣對細(xì)胞組織的損傷小，得到的果膠黏度較好；FAD水分轉(zhuǎn)折點(diǎn)對所得果膠黏度影響小，所得果膠黏度高；VD在空氣稀薄狀態(tài)下干燥，檸檬皮渣內(nèi)部組織不容易被破壞，提取的果膠黏度好、質(zhì)量高；MD過程中局部組織結(jié)構(gòu)被破壞，提取到果膠質(zhì)量差、黏度低。

圖5 不同干燥方式對檸檬干渣果膠黏度的影響

Fig.5 Effects of different drying methods on pectin viscosity

2.7 不同干燥方式對果膠酯化度的影響

酯化度對果膠的膠凝特性影響很大，酯化度越高，果膠中含游離羧基的數(shù)目越少，與水分子形成水合離子后，脫水導(dǎo)致果膠的長分子鏈形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠速度越快[24]。由圖6可知，用同一方法提取不同干燥方式得到的檸檬干渣，得到的果膠酯化度均大于50%，其中FD干燥提取得到的果膠酯化度最高，其次是VD，MD最低，而AD、ADD和MAD干燥之間沒有顯著性差異。

圖6 不同干燥方式對檸檬果膠酯化度的影響

Fig.6 Effects of different drying methods on esterification degree of pectin

2.8 不同干燥方式下干渣的加權(quán)綜合評分

由表6可知，變異系數(shù)法得到的權(quán)重分布合適，加權(quán)后綜合評分排序基本與上述各項(xiàng)指標(biāo)所得結(jié)論相符合。檸檬皮渣干燥的評價(jià)應(yīng)首先考慮其干燥能耗，其次是干渣色澤、果膠得率、果膠黏度、復(fù)水比及感官質(zhì)量，最后是果膠酯化度。由表7可知，加權(quán)得到的綜合評分依次為：ADD2>FAD16>ADD1>AD70>MAD13>FAD15>AD60>AD50>AD80>FAD14>VD60>FD>VD70>MAD12>MD>MAD11。通過加權(quán)評分所得最佳方案是ADD2，其所得干品所需干燥時(shí)間短，操作簡單，能耗較低；MAD11加權(quán)評分低于單一MD，主要是MAD11干燥能耗高于單一微波干燥，該工藝所得產(chǎn)品與其他處理組存在顯著性差異(P<0.05)，加權(quán)評分最低。

表6 各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重

表7 不同干燥方式檸檬皮渣綜合評分(n=3)

3 結(jié)論

不同干燥方式對檸檬皮渣不同品質(zhì)指標(biāo)的影響顯著(P<0.05)，其影響程度也很不同，變異系數(shù)法加權(quán)評分可認(rèn)為是能對干燥效果進(jìn)行整體評價(jià)的方法。由綜合評分可得，熱風(fēng)梯度干燥ADD2處理的檸檬干渣品質(zhì)最佳，即先70 ℃烘至水分含量約(40%±2)%后50 ℃恒溫干燥，處理的檸檬干渣品質(zhì)最佳，其次是FAD16。熱風(fēng)梯度干燥所需設(shè)備相對簡單，易于操作，且能耗低、產(chǎn)品品質(zhì)較好，對檸檬果膠皮渣干燥加工產(chǎn)業(yè)研究具有重要意義。