遠(yuǎn)紅外輻射溫度對金銀花干燥特性及品質(zhì)的影響

李曉芳，劉云宏,2,*，馬麗婷，于慧春，檀茜茜，劉建學(xué),2

（1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.河南省食品原料工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471023）

遠(yuǎn)紅外輻射溫度對金銀花干燥特性及品質(zhì)的影響

李曉芳1，劉云宏1,2,*，馬麗婷1，于慧春1，檀茜茜1，劉建學(xué)1,2

（1.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.河南省食品原料工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471023）

為探討遠(yuǎn)紅外輻射溫度對金銀花干燥特性、微觀結(jié)構(gòu)、有效成分及產(chǎn)品色澤的影響，采用遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備，對金銀花進(jìn)行遠(yuǎn)紅外輻射干燥實驗研究。結(jié)果表明：在金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥過程中，提高輻射溫度能夠顯著提高干燥速率和縮短干燥時間；金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥過程為內(nèi)部擴(kuò)散控制；有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍為1.13×10-10～4.57×10-10m2/s，其值隨著輻射溫度的升高而極顯著增加（P＜0.01）；提高輻射溫度能夠在金銀花組織結(jié)構(gòu)中生成更多、更大的微孔道，從而促進(jìn)水分?jǐn)U散；隨著輻射溫度的升高，金銀花中綠原酸、木犀草苷、馬錢苷等功效成分含量均呈先升高后降低的趨勢，L*值先升高后降低，a*值和ΔE值先降低后升高；在其他干燥參數(shù)固定的條件下，輻射溫度為240 ℃時，可以在實現(xiàn)較快干燥速率的同時獲得良好的產(chǎn)品品質(zhì)。

干燥；遠(yuǎn)紅外輻射；輻射溫度；金銀花；干燥特性

金銀花（Flos Lonicerae）為忍冬科植物忍冬的花蕾，也是常用的藥食兩用中草藥，富含酚類、黃酮類、三萜類、精油、礦物質(zhì)等多種有效成分，具有清熱解毒、保肝利膽、消炎抗菌等作用[1-2]。新鮮金銀花含水率較高、組織嬌嫩、采摘后極易發(fā)生褐變而不耐貯藏，因此，金銀花采后應(yīng)立即進(jìn)行干燥。干燥金銀花的傳統(tǒng)方法有曬干、陰干、烘干等[3]，但傳統(tǒng)方法干燥時間長、產(chǎn)品品質(zhì)較低。有研究將真空冷凍干燥[4]、真空干燥[5]、氣調(diào)熱泵干燥[6]等現(xiàn)代干燥技術(shù)用于金銀花干燥，但這些干燥方式具有設(shè)備投入大、操作成本高、干燥時間長等不足，因此，目前仍主要采用熱風(fēng)干燥等常規(guī)方法進(jìn)行金銀花的干燥。金銀花雖然體積不大，但其結(jié)構(gòu)致密，且由于花瓣包裹著花蕊，常規(guī)方法的表面加熱導(dǎo)致外部熱量難以有效傳入到內(nèi)部的花蕊，內(nèi)部水分也難以順利擴(kuò)散出來。采用具有良好熱效應(yīng)和一定穿透性的遠(yuǎn)紅外輻射作為熱源來實現(xiàn)內(nèi)部加熱，可能是改善金銀花受熱狀態(tài)、克服其較大的內(nèi)部質(zhì)熱傳遞阻力的有效途徑之一。

遠(yuǎn)紅外輻射干燥作為一種新型干燥技術(shù)，在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛[7]。它是利用輻射元件發(fā)射出遠(yuǎn)紅外線，物料吸收紅外輻射能量后，會產(chǎn)生共振現(xiàn)象并強化原子、分子的振動和轉(zhuǎn)動，使物料內(nèi)部發(fā)生激烈摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能，從而使物料溫度升高并促進(jìn)水分受熱蒸發(fā)，達(dá)到脫除水分的目的[8]。遠(yuǎn)紅外輻射干燥具有加熱均勻、熱效率高、操作容易、能耗較低等優(yōu)點[9]，非常適合形狀不規(guī)則、組織結(jié)構(gòu)致密物料的干燥加工。遠(yuǎn)紅外輻射的另一個顯著特點是具有一定的穿透性[9]，不但能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部加熱，還使物料內(nèi)部熱擴(kuò)散與濕擴(kuò)散的方向一致，從而提高干燥速率[10]。有關(guān)山藥[11]、棗[12]、胡蘿卜[13]、雙孢菇[14]、香蕉[15]遠(yuǎn)紅外輻射干燥的研究表明，物料在吸收遠(yuǎn)紅外輻射能量時，會加劇物料中的水分子運動，物料受熱均勻、干燥速率快，有利于物料中有效成分的保留及產(chǎn)品品質(zhì)的提高。將遠(yuǎn)紅外輻射應(yīng)用于金銀花的干燥，理論上可實現(xiàn)內(nèi)部加熱，改善金銀花受熱情況及降低質(zhì)熱傳遞阻力，進(jìn)而提高干燥速率及保護(hù)有效成分[16]。輻射溫度是遠(yuǎn)紅外輻射干燥最重要、最具影響的工藝參數(shù)，但有關(guān)紅外輻射溫度對金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥機(jī)制及品質(zhì)特性的深入研究十分匱乏。

本研究利用遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備進(jìn)行金銀花干燥實驗，固定輻射距離、風(fēng)速、風(fēng)溫、物料量等干燥參數(shù)，研究不同輻射溫度條件下金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥的干燥特性及有效水分?jǐn)U散系數(shù)，分析遠(yuǎn)紅外輻射對金銀花微觀結(jié)構(gòu)和色澤變化的影響，并選擇金銀花中主要酚類成分綠原酸、主要黃酮類成分木犀草苷和主要環(huán)烯醚萜類成分馬錢苷為對象，探討輻射溫度對上述功效成分的影響規(guī)律，以期為金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為遠(yuǎn)紅外輻射干燥技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮金銀花由洛陽市新安縣金銀花GAP種植基地提供，貯存于2～4 ℃冰箱中。要求新鮮、成熟度一致、顏色嫩綠、無蟲害。實驗所用金銀花采用105 ℃烘箱法測得其干基含水率為3.91～4.15 kg/kg。

綠原酸標(biāo)準(zhǔn)品、木犀草苷標(biāo)準(zhǔn)品、馬錢苷標(biāo)準(zhǔn)品上海源葉生物科技有限公司；甲醇、乙腈均為國產(chǎn)色譜純，冰醋酸、甲醇、乙醇均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

圖1 遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備示意圖Fig. 1 Schematic of far-infrared radiation dryer

本研究所用的遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備由河南科技大學(xué)自制，其結(jié)構(gòu)見圖1。干燥箱主要包括干燥倉、風(fēng)機(jī)、加熱器、物料架及控制面板等。遠(yuǎn)紅外輻射系統(tǒng)主要由伸縮架、遠(yuǎn)紅外輻射板、控制器等組成。伸縮架上下表面均為20 cm×20 cm的方形鋁氧化板，其中，伸縮架上表面通過緊固螺釘固定在干燥倉排氣孔下方。干燥所用的加熱元件為18 cm×18 cm的埋入式方形陶瓷遠(yuǎn)紅外輻射板（由洛陽耐火材料研究院提供），其主要輻射波長范圍為5～15 μm，輻射率為0.90，最高許用溫度為1 000 ℃。遠(yuǎn)紅外輻射板通過緊固螺釘固定在伸縮架的下板，并由電纜線連接到控制系統(tǒng)，溫度傳感器固定于遠(yuǎn)紅外輻射板表面，遠(yuǎn)紅外輻射板溫度可通過溫度傳感器連接的溫控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。物料盤置于遠(yuǎn)紅外輻射板的下方，物料和輻射板之間的距離可通過旋動升降旋鈕來改變伸縮架的伸縮程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，物料溫度通過熱電偶進(jìn)行測量。

其他儀器與設(shè)備：202型熱風(fēng)干燥箱 北京永光明醫(yī)療儀器廠；SB-120DT型超聲波清洗機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；DT-2000E型電子天平 常熟市佳衡天平儀器有限公司；ALC-210.3型電子天平（精度0.01 g） 德國賽多利斯艾科勒公司；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；TG16-WS臺式高速離心機(jī) 湖南湘儀離心機(jī)儀器有限公司；JSM-6010LA型掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社；X-rite color i5色差儀 美國愛色麗公司；高效液相色譜儀美國安捷倫公司；ThermoAir3型熱球風(fēng)速儀 瑞士舒耐克特公司。

1.3 方法

1.3.1 金銀花干燥

每次實驗時，揀選并稱取40 g的新鮮金銀花作為實驗樣品。由于金銀花在干燥過程中容易發(fā)生酶促褐變[5-6]，因此，將稱量好的新鮮金銀花用蒸汽蒸燙1 min進(jìn)行鈍酶殺青處理后再用于干燥實驗。

為探討遠(yuǎn)紅外輻射溫度對金銀花干燥特性及品質(zhì)的影響，本研究固定遠(yuǎn)紅外輻射板與物料盤之間的輻射距離為10 cm、熱風(fēng)溫度為30 ℃、物料上方的風(fēng)速為1.5 m/s，其中選擇較低熱風(fēng)溫度的目的是為了盡量體現(xiàn)遠(yuǎn)紅外輻射溫度對金銀花干燥過程及其品質(zhì)指標(biāo)的影響。每次干燥前，按實驗要求設(shè)定遠(yuǎn)紅外輻射板溫度（160、200、240、280 ℃和320 ℃）及其他參數(shù)。待設(shè)備運行穩(wěn)定后，將經(jīng)過殺青處理的金銀花均勻平鋪到網(wǎng)狀物料盤上，并迅速放入遠(yuǎn)紅外輻射干燥機(jī)的物料支架上進(jìn)行干燥。將一個熱電偶用小卡釘固定到金銀花表面以測量干燥過程中物料表面溫度，將另一個熱電偶從金銀花頭端插入其內(nèi)部以測量金銀花花瓣內(nèi)表面溫度。干燥時，前2 h每隔20 min將物料盤迅速取出稱其質(zhì)量，之后每隔30 min迅速取出稱其質(zhì)量，然后迅速放回繼續(xù)干燥，稱質(zhì)量操作及重新放置熱電偶所需時間約為25 s，直至連續(xù)兩次稱質(zhì)量數(shù)值基本不變時，干燥結(jié)束，物料質(zhì)量為每次所稱質(zhì)量減去物料盤質(zhì)量。每組實驗均重復(fù)3 次。

1.3.2 干燥特性的測定

1.3.2.1 干基含水率的測定

物料干基含水率的計算如式（1）所示。

式中：Dt為t時刻物料的干基含水率/%；mt為t時刻物料的質(zhì)量/g；md為物料的干基質(zhì)量/g。

1.3.2.2 干燥速率的測定

干燥速率是指干燥過程中單位時間減少的干基含水率，其計算如式（2）所示。

式中：DR為干燥速率/（%/min）；Dt1為t1時刻的干基含水率/%；Dt2為t2時刻的干基含水率/%；t為干燥時間/min。

1.3.2.3 水分比的測定

物料水分比的測定參照文獻(xiàn)[13]，其計算如式（3）所示。

式中：MR為水分比；Xt為物料在干燥t時刻的水分含量/%；X0為物料的初始水分含量/%；Xe為物料的平衡水分含量/%。

1.3.2.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的測定

利用游標(biāo)卡尺測量金銀花樣品的長度和不同位置的直徑，可得金銀花的平均長度和平均直徑分別為（3.2±0.4） cm和（2.4±0.3） mm。單個金銀花為前粗后細(xì)的不規(guī)則柱狀體，為簡化計算，將單個金銀花近似看為細(xì)長的圓柱體，則根據(jù)Fick擴(kuò)散定律計算干燥過程中柱狀物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)[17]，這種計算方法可以近似表達(dá)遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的水分?jǐn)U散特性。其計算如式（4）～（6）所示。

式中：X為水分含量/%；t為時間/s；Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)/（m2/s）；r為金銀花近似圓柱體的半徑/m。

方程（4）的解析式為式（5）[17]。

式中：μn為零階一類貝塞爾函數(shù)的根，μn={2.404 8，5.520 1，8.653 7，…}。

將式（5）簡化并對數(shù)線性化，可得式（6）。

利用Origin 8.5軟件對lnMR與t進(jìn)行線性擬合，求出斜率并計算出有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff的值。

1.3.3 微觀結(jié)構(gòu)觀察

將待測金銀花干制品縱切為小片并粘到樣品臺上，噴金60 s后用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察金銀花表面的微觀結(jié)構(gòu)；將金銀花橫切為小段并粘到樣品臺上，噴金60 s后用SEM觀察金銀花花瓣和花蕊橫截面的微觀結(jié)構(gòu)。放大倍數(shù)設(shè)置為100 倍。

1.3.4 綠原酸、木犀草苷的提取與檢測

綠原酸與木犀草苷的提取與檢測方法參見文獻(xiàn)[18-19]。

1.3.5 馬錢苷的提取與檢測

參照文獻(xiàn)[20-21]對馬錢苷進(jìn)行提取與檢測。將金銀花磨碎并過60 目篩后，精確稱取金銀花粉末0.5 g，置于100 mL具塞錐形瓶中，加入25 mL 30%甲醇，室溫條件下超聲輔助提取40 min，放冷后過濾，所得濾液在4 000 r/min條件下離心20 min，取上清液過0.22 μm微孔濾膜。

C18色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動相：乙腈-水溶液（體積比15∶85）；流速1 mL/min；檢測波長：240 nm；柱溫25 ℃；進(jìn)樣量：10 μL。

1.3.6 色澤的測定

利用色差儀對新鮮金銀花和干燥后的金銀花產(chǎn)品進(jìn)行亮度值L*、紅綠值a*、黃藍(lán)值b*等色澤值的測量，每個樣品測量5 次并取平均值?？偵瞀的計算如式（7）所示。

式中：L*0、a*0、b*0為新鮮金銀花的色澤值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥特性

圖2 不同輻射溫度下金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥的干燥曲線（A）和干燥速率曲線（B）Fig. 2 Drying curves (A) and drying rate curves (B) of Flos Lonicerae at different radiation temperatures

由圖2可知，隨著輻射溫度的升高，干燥速率加快、干燥時間明顯縮短。當(dāng)輻射溫度為160、200、240、280 ℃及320 ℃時，到達(dá)干燥終點所需時間分別為450、330、240、180 min和150 min，根據(jù)式（2）計算得到平均干燥速率分別為0.87、1.18、1.63、2.17%/min和2.60%/min。方差分析結(jié)果表明，輻射板溫度對干燥時間及干燥速率的影響為極顯著（P＜0.01）。在相同輻射板溫度條件下，隨著干燥的進(jìn)行及水分含量的不斷減少，干燥速率也隨之降低。這是由于物料中水分的遷移主要靠擴(kuò)散作用，而擴(kuò)散作用又與物料中的水分含量有關(guān)[22-23]。高含水率下的水分子擴(kuò)散能力及流動性較強，干燥速率較快；干燥至低含水率后，水分子擴(kuò)散作用變?nèi)?，水分遷移阻力顯著增大，導(dǎo)致干燥速率變慢。在所有輻射板溫度條件下，干燥速率曲線均顯示為降速干燥階段而沒有恒速干燥階段，表明金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥過程為內(nèi)部擴(kuò)散控制，內(nèi)部傳質(zhì)阻力要遠(yuǎn)大于表面汽化阻力。

此外，干燥速率隨著輻射溫度的升高而增大，且在物料含水率較高時尤其明顯。當(dāng)輻射溫度為160 ℃時，金銀花含水率從400%降至150%所需干燥時間為90 min，對應(yīng)的平均干燥速率為2.78%/min；而輻射溫度為320 ℃時，金銀花含水率從400%降至150%所需干燥時間縮短至25 min，對應(yīng)的平均干燥速率約為10%/min，和輻射溫度為160 ℃時相比，干燥速率提升了259.71%。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，遠(yuǎn)紅外輻射板的輻射能力與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比[9]。因此，提高輻射板溫度會顯著增加所發(fā)射出的紅外輻射能量，物料所吸收的輻射能量及所產(chǎn)生的熱效應(yīng)也隨之增加，物料內(nèi)部水分子內(nèi)能升高，水分子中O—H鍵的轉(zhuǎn)動、振動及伸縮等運動隨之加劇，水分子間的摩擦和碰撞也更加劇烈，進(jìn)而提升了水分子的流動性和水分子由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的相變速率，從而提高干燥速率及縮短干燥時間。Doymaz等[12]研究了遠(yuǎn)紅外加熱干燥棗的干燥動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)提高遠(yuǎn)紅外輻射功率會加快干燥速率及縮短干燥時間，與本研究結(jié)果一致。

2.2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

圖3 不同輻射溫度下金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Fig. 3 Effective moisture diffusivity in Flos Lonicerae during farinfrared radiation drying at different radiation temperatures

不同輻射溫度下金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)如圖3所示，其范圍為1.13×10-10～4.57× 10-10m2/s。輻射溫度為200、240、280、320 ℃時對應(yīng)的Deff值比輻射溫度為160 ℃時所得Deff值分別提高了71.1%、139.2%、203.7%、303.4%，可見，提高輻射溫度會導(dǎo)致Deff值的大幅提高，方差分析表明輻射溫度對金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥的Deff值具有極顯著影響（P＜0.01）。前期研究結(jié)果表明在金銀花熱泵干燥過程中，干燥溫度為40～70 ℃時所對應(yīng)的Deff值在4.14×10-11～17.45× 10-11m2/s之間[6]，低于本研究中遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的Deff值。這與熱泵干燥和遠(yuǎn)紅外輻射干燥的不同加熱機(jī)理有關(guān)。在金銀花熱泵或熱風(fēng)干燥過程中，干燥介質(zhì)先對金銀花的花瓣表面加熱，熱量再傳導(dǎo)進(jìn)入花瓣內(nèi)部并為花蕊提供熱量，這種加熱方式具有較大的質(zhì)熱傳遞阻力，導(dǎo)致金銀花內(nèi)部花蕊的受熱狀態(tài)極差。和常規(guī)熱風(fēng)干燥的表面加熱不同，遠(yuǎn)紅外輻射具有一定的穿透性（1～3 mm）[9]。在干燥過程中利用熱電偶監(jiān)測金銀花花瓣表面和內(nèi)表面的溫度變化，發(fā)現(xiàn)在含水率較高時，花瓣內(nèi)表面溫度要比其表面溫度略高2～3 ℃，在干燥后期才又轉(zhuǎn)變?yōu)槁缘陀诒砻鏈囟?，說明遠(yuǎn)紅外輻射在干燥前期階段可以透入金銀花花瓣。這樣的內(nèi)部加熱機(jī)制不但會強化金銀花花瓣的受熱，還會顯著改善金銀花內(nèi)部水分的受熱狀態(tài)，有利于減少質(zhì)熱傳遞阻力、降低細(xì)胞組織對水分子的束縛力、提高內(nèi)部水分的流動性并加快其汽化速率，進(jìn)而提升金銀花花瓣和花蕊水分?jǐn)U散能力。輻射溫度越高，遠(yuǎn)紅外輻射線的穿透性越好、熱效應(yīng)越強，越有利于內(nèi)部水分遷徙與蒸發(fā)，從而顯著提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)并縮短干燥時間。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

圖4 不同輻射溫度干燥的金銀花表面的SEM圖Fig. 4 SEM photomicrographs of the surface of dried Flos Lonicerae at different radiation temperatures

圖5 不同輻射溫度干燥的金銀花橫截面的SEM圖Fig. 5 SEM photomicrographs of the cross section of dried Flos Lonicerae at different radiation temperatures

遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花表面的SEM圖如圖4所示，較低溫度干燥金銀花的表面十分致密，孔道分布小且少。與輻射溫度160 ℃干燥所得的金銀花表面相比，輻射溫度升至320 ℃時所得金銀花表面結(jié)構(gòu)明顯疏松，且出現(xiàn)幾個較大的孔道，這非常有利于提升金銀花表面的傳質(zhì)通透性和減小水分?jǐn)U散和蒸發(fā)阻力。遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的橫截面微觀結(jié)構(gòu)SEM照片如圖5所示，金銀花為花瓣包著花蕊的雙層結(jié)構(gòu)，外部熱量向花蕊傳遞以及內(nèi)部花蕊水分向外遷徙均要通過花瓣來進(jìn)行，這是金銀花質(zhì)熱傳遞阻力較大的主要原因，因此，常規(guī)干燥中經(jīng)常出現(xiàn)花瓣已干，但花蕊未干的現(xiàn)象。輻射溫度為160 ℃時，物料橫切面中微孔道普遍較小，其組織結(jié)構(gòu)較為致密；而當(dāng)輻射板溫度升至320 ℃時，無論是花瓣還是花蕊，其橫切面的微孔道尺寸均明顯增大。上述微觀結(jié)構(gòu)的差異可能是由于更高的輻射溫度會提供更多的輻射能量及產(chǎn)生更強的熱效應(yīng)所致。金銀花花瓣直接接收來自輻射板的輻射能并將熱量傳遞給內(nèi)部的花蕊，輻射板溫度升高，所發(fā)出的能量及光譜效應(yīng)也越強，被花瓣吸收和傳給花蕊的能量增加，物料內(nèi)部水分子的內(nèi)能升高及水分子間的摩擦更加激烈，使水分子由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的速率加快，較快的相變過程會產(chǎn)生更大的蒸汽壓和更強的膨脹力，并壓迫和擴(kuò)張汽化點周圍的組織結(jié)構(gòu)，從而使金銀花花瓣和花蕊內(nèi)部的微孔道增大、增多。

2.4 不同遠(yuǎn)紅外輻射溫度對金銀花功效成分的影響

2.4.1 綠原酸

圖6 不同輻射溫度下遠(yuǎn)紅外輻射干燥對金銀花綠原酸含量的影響Fig. 6 Chlorogenic acid contents of far-infrared radiation dried Flos Lonicerae at different radiation temperatures

綠原酸為《中國藥典》中規(guī)定的金銀花品質(zhì)的指標(biāo)性成分[24]，同時也是金銀花中主要的多酚類功效成分，不同輻射溫度條件下遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的綠原酸含量如圖6所示。綠原酸含量隨著輻射溫度的升高呈先上升后下降的變化規(guī)律，在輻射板溫度為240 ℃時達(dá)到最大值。綠原酸分子中含有鄰位酚羥基及多個不飽和鍵，具有較強的熱敏性和氧敏性，易在多酚氧化酶的催化作用下氧化生成具有極強活性的綠原酸醌，并進(jìn)一步縮合為高分子化合物或氧化產(chǎn)生黑色素[6]。在金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥過程中，改變輻射溫度可以造成物料溫度、干燥時間及多酚氧化酶活性的明顯變化，從而顯著影響綠原酸含量。當(dāng)輻射溫度為160 ℃時，干燥過程中金銀花的平均溫度約為41 ℃，該溫度在多酚氧化酶的適宜溫度范圍內(nèi)[25-26]，較強的多酚氧化酶活性會產(chǎn)生強烈的催化作用，干燥時間也長達(dá)450 min，綠原酸與多酚氧化酶和氧氣接觸時間較長，會促進(jìn)綠原酸的氧化降解，導(dǎo)致其含量較低。當(dāng)輻射溫度升至240 ℃時，對應(yīng)的金銀花平均溫度約為54 ℃，該溫度能夠顯著抑制多酚氧化酶活性[26]，同時干燥時間及物料的受熱時間也有所縮短，有利于綠原酸的保護(hù)，從而提高其保持率。但當(dāng)輻射溫度繼續(xù)升至320 ℃，對應(yīng)的金銀花平均溫度約為70 ℃，該干燥條件雖然會大幅縮短干燥時間并顯著抑制多酚氧化酶活性，有利于抑制綠原酸的酶促氧化反應(yīng)，但綠原酸作為典型的多酚羥基酸性物質(zhì)，熱穩(wěn)定性較差，較高的干燥溫度會導(dǎo)致綠原酸自身的氧化、分解及聚合，同時會造成非酶促氧化反應(yīng)的加快，增加對細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)的破壞并提高組織敏感性，從而導(dǎo)致綠原酸含量的大幅下降。此外，過高的溫度會加劇金銀花內(nèi)細(xì)胞的收縮與破損，導(dǎo)致更多綠原酸由細(xì)胞液泡中流出并與細(xì)胞質(zhì)壁上的催化酶及空氣直接接觸，從而進(jìn)一步促進(jìn)其氧化降解。

2.4.2 木犀草苷

圖7 不同輻射溫度下遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的木犀草苷含量Fig. 7 Luteoloside contents of far-infrared radiation dried Flos Lonicerae at different radiation temperatures

木犀草苷是金銀花中重要的黃酮類功效成分之一，也是評價干制金銀花品質(zhì)的重要指標(biāo)。長時間暴露于氧氣中或加熱會使黃酮類化合物在干燥過程中發(fā)生顯著的降解損失[27]。不同輻射溫度下遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的木犀草苷含量如圖7所示，木犀草苷含量隨輻射溫度的升高而先略微升高，當(dāng)輻射溫度為200 ℃時，其木犀草苷含量最高（0.44 mg/g），繼續(xù)提高輻射溫度則使木犀草苷含量逐漸降低。木犀草苷是木犀草素配糖化后的化合物，其性質(zhì)極不穩(wěn)定，在干燥受熱過程中，木犀草苷不但會水解生成木犀草素進(jìn)而氧化生成半醌式化合物，還可能在糖苷鍵不斷裂的情況下直接氧化降解[28]。因此，輻射溫度在160～240 ℃的區(qū)間內(nèi)，由于物料溫度較低，有利于抑制木犀草苷的氧化降解及提高木犀草苷含量，但輻射溫度繼續(xù)升高則會使物料溫度快速上升，加劇木犀草苷的水解、氧化、聚合等反應(yīng)，同時由于微細(xì)孔道的擴(kuò)張造成細(xì)胞組織變形破損，使部分木犀草苷從液泡中流失出來并增加了與氧氣的接觸，也可能導(dǎo)致木犀草苷含量的顯著降低。

2.4.3 馬錢苷

圖8 不同輻射溫度下遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的馬錢苷含量Fig. 8 Loganin contents of far-infrared radiation dried Flos Lonicerae at different radiation temperatures

馬錢苷是常見的環(huán)烯醚萜類糖苷成分之一，也是金銀花中最主要的環(huán)烯醚萜類化合物，對保障金銀花的抗炎抗菌功效起著重要作用。不同輻射溫度條件下遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花中馬錢苷含量如圖8所示，馬錢苷含量隨著輻射溫度的升高呈先上升后下降的變化規(guī)律，在輻射板溫度為200～240 ℃時達(dá)到最大值。在加熱條件下，馬錢苷等環(huán)烯醚萜類物質(zhì)容易脫除糖苷而形成具有環(huán)狀烯醚結(jié)構(gòu)及半縮醛羥基的化合物，其性質(zhì)十分活躍，容易進(jìn)一步發(fā)生氧化、聚合、水解等化學(xué)反應(yīng)[29]。在輻射溫度較低時，干燥時間過長導(dǎo)致馬錢苷的受熱時間和反應(yīng)時間較長，從而不利于對馬錢苷的保護(hù)。當(dāng)輻射溫度由160 ℃升至200、240 ℃時，干燥時間由450 min大幅縮短至330 min和240 min，同時馬錢苷脫除糖苷所需的葡萄糖苷酶活性也會受到明顯抑制，從而減弱馬錢苷的降解損失。但進(jìn)一步升高輻射溫度可顯著提高物料溫度，會導(dǎo)致馬錢苷的活躍性明顯升高，很可能在缺乏葡萄糖苷酶催化作用的情況下直接發(fā)生快速的水解和氧化反應(yīng)，甚至可能在不失去葡萄糖基團(tuán)的情況下與其他活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而在較短的干燥時間內(nèi)導(dǎo)致馬錢苷含量的下降。

2.5 不同輻射溫度下遠(yuǎn)紅外輻射干燥對金銀花色澤的影響

表1 不同輻射溫度下遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的產(chǎn)品色澤Table 1 Color parameters of dried Flos Lonicerae at different radiation temperatures

不同輻射溫度下遠(yuǎn)紅外輻射干燥金銀花的產(chǎn)品色澤如表1所示。色澤是判斷干燥產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，而干燥過程中色澤的變化通常是氧化反應(yīng)、酶促褐變或美拉德反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果[12,30]。ΔE值越大表示干燥后與新鮮物料之間的色差越大。由表1可知，金銀花干燥后的L*值均低于新鮮金銀花，這說明干燥脫水過程可使金銀花表面變暗，且隨著輻射溫度的升高，L*值先升高后降低，輻射溫度為240 ℃時，其L*值與新鮮金銀花最接近。a*值越低表示金銀花產(chǎn)品越綠、越接近新鮮物料。在輻射溫度為240 ℃時，a*值最小且最接近新鮮金銀花的a*值，說明在該輻射溫度下干燥能較好地保持金銀花中酚類物質(zhì)、綠原酸、葉綠素等呈綠物質(zhì)。ΔE值隨輻射溫度的升高而先減小后增大，當(dāng)輻射溫度為240 ℃時，ΔE值最小，說明在此輻射溫度條件下干燥所得物料的褐變程度最低，最接近新鮮物料的色澤。這可能是由于當(dāng)輻射溫度為240 ℃時，干燥時間較短，金銀花所含酶的活性也能被有效抑制，從而減弱了酶促氧化作用，該溫度也不足以促使金銀花發(fā)生明顯的美拉德反應(yīng)，因此獲得最好的產(chǎn)品外觀與品質(zhì)。

3 結(jié) 論

本研究以金銀花為實驗材料，探討了遠(yuǎn)紅外輻射溫度對金銀花干燥特性及品質(zhì)特性的影響。輻射溫度升高會顯著縮短干燥時間及提高干燥速率；金銀花遠(yuǎn)紅外輻射干燥過程為內(nèi)部擴(kuò)散控制。在輻射溫度為160～320 ℃時，對應(yīng)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍為1.13× 10-10～4.57×10-10m2/s，其值隨著輻射溫度的升高而顯著增加；SEM結(jié)果顯示，提高輻射溫度可使金銀花組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更多、更大的微孔道。上述結(jié)果說明提高輻射溫度會實現(xiàn)更好的輻射穿透性及提供更多的輻射能量，有利于改善金銀花內(nèi)部的受熱狀態(tài)及流動通道，從而有效提升金銀花內(nèi)部水分?jǐn)U散性能。

隨著輻射溫度的升高，金銀花中綠原酸、木犀草苷、馬錢苷等功效成分的含量均呈先升高后降低的趨勢；L*值先升高后降低，a*值和ΔE值先降低后升高。輻射溫度過低會導(dǎo)致較長的干燥時間，從而顯著降低有效成分保持率及提高褐變程度；輻射溫度過高會導(dǎo)致上述熱敏性成分的顯著受熱降解，還可能發(fā)生美拉德反應(yīng)等非酶促化學(xué)反應(yīng)，也不利于保護(hù)金銀花的干燥產(chǎn)品品質(zhì)。

本研究中，對各指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，在輻射溫度為200～280 ℃區(qū)間內(nèi)，可以實現(xiàn)較快的干燥速率和較好的產(chǎn)品品質(zhì)。其中，輻射溫度為240℃時對應(yīng)的干燥時間、平均干燥速率、綠原酸含量、木犀草苷含量、馬錢苷含量及色差值分別為240 min、1.63%/min、37.21 mg/g、0.42 mg/g、0.483 mg/g和9.66，品質(zhì)綜合評價最好，因此是本研究中輻射溫度的最優(yōu)選擇。

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Effect of Far-Infrared Radiation Temperature on Drying Characteristics and Quality of Flos Lonicerae

LI Xiaofang1, LIU Yunhong1,2,*, MA Liting1, YU Huichun1, TAN Xixi1, LIU Jianxue1,2
(1. College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China; 2. Henan Engineering Technology Research Center of Food Materials, Luoyang 471023, China)

The aim of this study was to investigate the effect of radiation temperature during far-infrared radiation drying on drying characteristics, microstructure, nutrient components and color of Flos Lonicerae. Drying of Flos Lonicerae was carried out with a far-infrared radiation dryer. The results showed that the increase in radiation temperature could signi fi cantly improve the drying rate and shorten the drying time. Only the falling-rate period appeared during the drying process, suggesting that far-infrared radiation drying of Flos Lonicerae is controlled by internal diffusion. The values of effective moisture diffusivity ranged from 1.13 × 10-10to 4.57 × 10-10m2/s, which increased with radiation temperature. The increase in radiation temperature could result in the formation of more micro-tunnels of larger size in the structure of dried Flos Lonicerae, which is bene fi cial to moisture diffusion during the drying process. With increasing radiation temperature, the contents of chlorogenic acid, luteoloside and loganin showed an initial increase followed by a decline. The L* value increased fi rst and then decreased, and the opposite trend was observed for a* and ΔE values. At a radiation temperature of 240 ℃, both high drying rate and a good quality product could be achieved by fi xing other drying parameters in this study.

drying; far-infrared radiation; radiation temperature; Flos Lonicerae; drying characteristics

10.7506/spkx1002-6630-201715012

TS255.3

A

1002-6630（2017）15-0069-08

李曉芳, 劉云宏, 馬麗婷, 等. 遠(yuǎn)紅外輻射溫度對金銀花干燥特性及品質(zhì)的影響[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(15): 69-76.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201715012. http://www.spkx.net.cn

LI Xiaofang, LIU Yunhong, MA Liting, et al. Effect of far-infrared radiation temperature on drying characteristics and quality of Flos Lonicerae[J]. Food Science, 2017, 38(15): 69-76. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201715012. http://www.spkx.net.cn

2017-02-07

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目（U1404334）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃項目（2015GGJS-048）；河南省自然科學(xué)基金面上項目（162300410100）；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊支持計劃項目（16IRTSTHN009）

李曉芳（1993—），女，碩士研究生，研究方向為干燥理論與技術(shù)。E-mail：2465074335@qq.com

*通信作者：劉云宏（1975—），男，副教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程。E-mail：beckybin@haust.edu.cn