干燥方法對植物產(chǎn)品化學(xué)成分影響的研究進(jìn)展

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(1.運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系,山西運(yùn)城 044000; 2.漯河食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品工程系,河南漯河 462000; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西楊凌 712100; 4.漢中植物研究所,陜西漢中 723000; 5.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,北京 100193)

植物產(chǎn)品含水量高,季節(jié)性強(qiáng),上市集中,若處理不及時容易腐爛變質(zhì)。干燥是植物加工過程中常見的保存方法,具有降低產(chǎn)品水分活性、抑制酶活及微生物生長的作用,從而延長植物產(chǎn)品在室溫條件下的保藏時間[1]。干燥過程中無論是否有熱參與都會對植物產(chǎn)品產(chǎn)生不同程度的影響,引起物理、化學(xué)或生物性質(zhì)的改變[2],如植物產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性、視覺特性、復(fù)水特性及營養(yǎng)特性[3]等質(zhì)量特性發(fā)生改變,同時其營養(yǎng)特性也會受到相應(yīng)的影響,而營養(yǎng)特性不僅包括蛋白質(zhì)、粗纖維、礦物質(zhì)等基本營養(yǎng)成分,還包括酚類化合物、多糖、揮發(fā)油等功能活性成分。干燥過程中的高溫、氧氣、微波、紫外線輻射等是影響這些化合物含量、生物利用度等的重要因素[1,4]。本文全面回顧了干燥方法對植物產(chǎn)品化學(xué)成分影響的最新研究成果,總結(jié)了常規(guī)干燥方式及聯(lián)合干燥方式對植物產(chǎn)品中營養(yǎng)組分如VC、類胡蘿卜素及活性成分如酚類化合物、揮發(fā)油、多糖的影響。

1 常規(guī)干燥方法對植物產(chǎn)品營養(yǎng)成分及活性成分的影響

常規(guī)的自然干燥方法包括曬干和陰干,人工干燥包括烘干、真空干燥、冷凍干燥、微波干燥及中短波紅外干燥等。

1.1 常規(guī)干燥方法對植物產(chǎn)品營養(yǎng)成分的影響

植物產(chǎn)品中的營養(yǎng)物質(zhì)主要包括維生素、蛋白質(zhì)、糖類及礦物質(zhì)等。王恒超等[5]研究表明不同干制方式(自然干制、熱風(fēng)干制及真空冷凍干制)對紅棗營養(yǎng)物質(zhì)影響較大。在干制過程中,VC和總酸含量隨干燥時間的延長及紅棗含水量的下降而呈降低趨勢,VC因其結(jié)構(gòu)中存在烯二醇基,所以極易受熱、光、氧和pH等因素的影響,在干制過程中損失率極大[6],經(jīng)12 d自然干制后(22～43 ℃,11 d)紅棗表層果肉和深層果肉的VC保存率僅為3.42%和3.52%,熱風(fēng)干制(50～65 ℃,24 h)較自然干制VC保存率高3.88%。另外,總糖、果糖及葡萄糖的含量呈上升趨勢,而蔗糖含量呈下降趨勢;可溶性蛋白質(zhì)的含量呈先下降后上升的趨勢,其中采用真空冷凍(12 h)得到干制品對以上幾種營養(yǎng)物質(zhì)的保存率最高,熱風(fēng)干燥次之,自然干制最低。Kumar等[7]在對木槿的研究中發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)果,冷凍干燥(-110 ℃,1.2 Pa)得到的木槿中VC含量及抗氧化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中短波紅外干燥((50±5) ℃,1.1～1.3 μm,5 h)、氣流干燥((50±5) ℃,16 h)、微波干燥(850 W,5 min)、烘干(65 ℃,5 h)及曬干((35±3) ℃,1 d)。徐曉飛等[8]研究了不同干燥方式對香菇的營養(yǎng)成分包括水分、灰分、粗脂肪、蛋白質(zhì)、粗纖維、干物質(zhì)、高分子多糖和總糖的影響,結(jié)果表明冷凍干燥(-40 ℃,1.2×104Pa)對香菇的營養(yǎng)成分影響最小,其次是真空干燥(60 ℃,9.5×104Pa),最差的是熱風(fēng)干燥(60 ℃)。真空冷凍干燥過程能較好的保存產(chǎn)品的營養(yǎng)成分,這是因?yàn)閮龈蛇^程在高度真空的條件下,升華干燥階段干燥箱中的加熱板以輻射的形式將熱量傳遞給干燥物,熱量可直接作用于水分子,從而有效減少了營養(yǎng)成分的損失,且低溫能有效的抑制植物細(xì)胞的呼吸作用[9]。

在自然狀態(tài)下,類胡蘿卜素的典型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是高度不飽和,其最顯著特征為含有3～15個共軛雙鍵,共軛雙鍵存在的位置決定類胡蘿卜素的功能特性,包括在光合生物中可起到光吸收和光保護(hù)的作用、作為細(xì)胞膜的抗氧化保護(hù)劑[10]、抗癌及對眼睛的保護(hù)等功能[11]。類胡蘿卜素是一種對氧氣、輻照等敏感的不穩(wěn)定物質(zhì),在干燥過程中容易被破壞[12]。鄧媛元等[13]對比了真空冷凍干燥(-80 ℃,0.03～0.04 Pa,40 h)、日曬干燥(60 ℃處理1 h后20 ℃,8 h)、熱泵干燥(60 ℃,6 h)、熱風(fēng)干燥(95 ℃,3h)、微波干燥(800 W處理5 min后60 ℃風(fēng)干30 min)及真空熱干燥(60 ℃,1.8～2.0 Pa,6 h)對苦瓜中類胡蘿卜素的影響,熱泵干燥苦瓜的類胡蘿卜素含量最高為0.86 mg·g-1DW,日曬干燥最低為0.11 mg·g-1DW,表明日曬干燥對苦瓜中類胡蘿卜素的破壞能力最強(qiáng)。采用微波進(jìn)行干燥時,隨著微波功率的增加胡蘿卜素含量呈下降趨勢,這是由于高微波功率會被干燥樣品吸收,導(dǎo)致其能量急劇上升,不利于類胡蘿卜的保留[14],汪小娉在對南瓜片的干燥研究中發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果[15]。

1.2 常規(guī)干燥方法對植物產(chǎn)品活性成分的影響

1.2.1 常規(guī)干燥方法對植物產(chǎn)品中酚類化合物的影響 酚類化合物是植物生長所必需的次生代謝物,在惡劣環(huán)境中可保護(hù)植物免于不利因素如干旱、紫外線輻射、感染及物理損害等的影響[16]。研究表明酚類化合物具有清除自由基、螯合金屬離子和防止脂質(zhì)過氧化的作用,此外飲食中的多酚類化合物具有抗腫瘤、降低血糖、預(yù)防心臟病等作用[17]。

植物在干燥過程中微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,其酚類化合物的含量也會隨之改變,不同植物中酚類化合物含量的變化趨勢各不相同。?A Gümüay等[17]采用曬干(25～30 ℃,36 h日曬)、烘干(60 ℃,36 h)、真空干燥(60 ℃,2.5 Pa,36 h)及冷凍干燥(-50 ℃,13.3 Pa,24 h)對生姜和西紅柿進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn),與新鮮樣品相比,經(jīng)過干燥之后多酚含量均有所下降。在低溫條件下進(jìn)行干燥,一些氧化酶如多酚氧化酶和過氧化酶等的活化會導(dǎo)致多酚含量的下降。另外,酚類化合物與蛋白質(zhì)的結(jié)合、化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變及不合適的提取方法都可能是酚類化合物含量降低的原因。而S Roshanak等[18]對綠茶采用陰干(25 ℃,36 h)、曬干(30～35 ℃,7.5 h)、60 ℃烘干、80 ℃烘干、100 ℃烘干、微波(800 W,240 s)及冷凍干燥(-50 ℃,24 h)進(jìn)行處理,研究結(jié)果卻表明,干燥過程可能會破壞植物組織的細(xì)胞,導(dǎo)致更多酚類物質(zhì)的釋放,從而干燥的樣品中多酚含量較新鮮樣品均有所升高。這可能與多酚在植物材料中的類型和在細(xì)胞中的位置相關(guān)[12]。López等[19]采用50、60、70、80、90 ℃的熱風(fēng)對藍(lán)莓進(jìn)行干燥,其中干制品中多酚含量顯著地低于新鮮樣品,且多酚含量隨著溫度的升高而增加。這可能是由于在低溫條件下所需的干燥時間較長,使得空氣中的氧化物質(zhì)與樣品中的抗氧化物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),從而使得總酚含量下降。

真空冷凍干燥是非加熱的干燥方式,會使干燥材料具有低密度,高孔隙率的特性。N Izli等[27]研究了不同干燥方式對獼猴桃中多酚含量及抗氧化活性的影響,新鮮獼猴桃中多酚的含量為381.8 mg GA/100 g,經(jīng)過熱風(fēng)干燥(60、70、80 ℃)、微波干燥(120、350 W)及冷凍干燥(-50 ℃,52 Pa)之后獼猴桃中的多酚含量與新鮮樣品相比下降5%～49%,其中冷凍干燥樣品中多酚含量最高,為361.38 mg GA/100 g。L Valadez-Carmona等[28]采用微波(595 W,11.5 min)、熱風(fēng)(60 ℃,24 h)及冷凍干燥(-60 ℃,20～40 Pa,24 h)對可可豆莢進(jìn)行干燥,其中采用冷凍干燥得到的多酚含量最高,是新鮮樣品中多酚含量的5.86倍。這可能是由于植物材料經(jīng)過預(yù)冷凍之后水形成冰晶體,而冰晶體會破壞植物細(xì)胞結(jié)構(gòu),同時在干燥過程中水分升華導(dǎo)致干燥材料中形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),冷凍干燥的高提取率可能與細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞及多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于溶劑的溶入及細(xì)胞組分的溶出[29]有關(guān)。

1.2.2 干燥方法對植物產(chǎn)品多糖的影響 多糖是一種廣泛存在于植物中的碳水化合物,研究表明多糖具有獨(dú)特的活性,例如抗炎、抗凝血、抗病毒、抗癌及抗氧化等作用[30-33]。多糖的表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)受到不同干燥、提取、純化及制備方法的影響[34-36]。

L Kong等[37]分析了真空干燥法(72 h)及真空冷凍干燥法(-60 ℃,24 h)對白芍多糖理化特性的影響,真空冷凍干燥得到的多糖具有空隙大小均一的網(wǎng)狀松散結(jié)構(gòu),在溶解后能與水很好的結(jié)合,而真空干燥得到的多糖具有絮狀纖維的緊密結(jié)構(gòu),其溶解度小于真空冷凍干燥得到的多糖。

吳振等[38]研究了熱風(fēng)干燥(50 ℃,16 h)、冷凍干燥(-50 ℃,72 h)及真空干燥(50 ℃,6×104Pa,12 h)三種干燥方式對銀耳多糖理化特性和抗氧化活性的影響,結(jié)果表明由于高溫條件下多糖分子易發(fā)生交聯(lián)和聚集,因此通過熱風(fēng)干燥得到的銀耳多糖相對分子質(zhì)量最大,而冷凍干燥得到的多糖相對分子質(zhì)量最小,這可能是由于凍干過程中隨著溫度的升高,細(xì)胞中部分酶被激活,促進(jìn)了大分子糖類物質(zhì)的代謝,多糖發(fā)生降解[39],降解之后的低分子質(zhì)量多糖能顯現(xiàn)出較強(qiáng)的抗氧化作用,其抗氧化活性也是最強(qiáng)。L Ma等[40]在對不同干燥對枸杞的研究中發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果,采用冷凍干燥(-50 ℃)得到的多糖產(chǎn)量最高,抗氧化活性最強(qiáng),均優(yōu)于熱風(fēng)干燥(50 ℃)和真空干燥(50 ℃)。

結(jié)果表明,采用真空冷凍干燥對植物產(chǎn)品進(jìn)行處理得到的多糖含量高,且是具有網(wǎng)絡(luò)松散結(jié)構(gòu)的低分子質(zhì)量多糖,其溶解度高,抗氧化活性強(qiáng);而高溫條件下處理植物產(chǎn)品,多糖分子易發(fā)生聚集,導(dǎo)致得到的多糖分子質(zhì)量大,抗氧化性低。

1.2.3 干燥方法對植物產(chǎn)品揮發(fā)油及揮發(fā)性組分的影響 植物揮發(fā)油又稱精油、香精油、芳香油,是從植物的花、莖、葉、皮、根、果實(shí)中提取出的一類植物次生代謝產(chǎn)物,分子量比較小可隨水蒸氣蒸餾,具有一定芳香氣味且能在常溫下?lián)]發(fā)[41]。植物精油具有多種生物活性,例如抗菌、抗氧化、殺蟲等,在食品、香料及制藥等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用[42]。

Rahimmalek等[43]采用陰干(25 ℃,3 d)、微波(300 W,0.25 min)、曬干(30～40 ℃,13 h)、50 ℃烘干(20 h)、70 ℃烘干(15 h)及冷凍干燥(-15 ℃,6 h)對百里香葉進(jìn)行處理,結(jié)果表明不同干燥方式對百里香葉揮發(fā)油含量影響顯著。經(jīng)過干燥之后,揮發(fā)油含量的升高或者降低主要取決于干燥溫度及干燥時間。冷凍干燥溫度低且時間短,因此得到的揮發(fā)油含量最高為1.7%,而陰干時間長,百里香葉長時間暴露在空氣中,導(dǎo)致?lián)]發(fā)油含量下降為0.91%。

Argyropoulos等[44]對比了不同干燥溫度(30、45、60、75、90 ℃)對木犀草中精油含量的影響,結(jié)果表明在所有的干燥溫度下木犀草精油含量均有所下降,且隨著干燥溫度的升高精油含量下降幅度越大,其中30、45、60、75 ℃條件下精油含量分別下降了16%、23%、65%及73%。通過掃描電子顯微鏡的觀察推測精油的損失可能與熱風(fēng)干燥過程中植物材料角質(zhì)層的收縮及細(xì)胞的損傷有關(guān)。有關(guān)精油含量與干燥溫度呈負(fù)相關(guān)也有類似報(bào)道,如羅勒[45]、百里香[46]等植物中。采用微波干燥得到的植物揮發(fā)油含量均比較低,如月桂樹葉[47]、紫色羅勒和綠色羅勒[48]等中。原因可能歸結(jié)于在微波干燥過程中植物材料組織結(jié)構(gòu)及角質(zhì)層會收縮,柵欄層的葉肉細(xì)胞和表皮細(xì)胞嚴(yán)重倒塌[49]。

植物材料中的揮發(fā)性組分是干燥過程中變化最為顯著的成分,其中,干燥參數(shù)(方法、溫度和時間)及植物材料的生物學(xué)特性是影響揮發(fā)性組分變化的重要因素[50]。不同干燥方式對植物揮發(fā)油含量的影響不一樣,這與干燥機(jī)理、揮發(fā)油的分泌組織及組分、植物生長環(huán)境有關(guān),不同的植物材料應(yīng)根據(jù)自身的特性選擇合適的干燥方式[43]。

2 聯(lián)合干燥方法對植物產(chǎn)品化學(xué)成分的影響

自然曬干及陰干操作簡單,節(jié)約成本,但干燥時間長且易受氣候的影響;真空冷凍干燥可最大限度的保持產(chǎn)品活性、風(fēng)味及形狀等原有特性,但是需消耗大量的時間和能量,干燥成本高,且由于真空不利于揮發(fā)性化合物的形成[51];采用熱風(fēng)干燥得到的產(chǎn)品不僅易皺縮及褐變,且營養(yǎng)成分損失嚴(yán)重;真空干燥對于在高溫或有氧氣的環(huán)境中易發(fā)生損壞或變化的植物材料而言是比較好的選擇,真空干燥不僅能夠除去植物材料中的水分還能防止其中的活性物質(zhì)與氧氣接觸發(fā)生氧化,但是植物材料在真空干燥箱中易產(chǎn)生氣泡,導(dǎo)致干燥物料的不均勻[52];微波干燥技術(shù)干燥時間短、效率高,但是微波干燥單獨(dú)使用時,由于干燥材料的大小形狀不一,受熱不均勻而導(dǎo)致過熱和碳化,干燥材料水分含量較低時,微波轉(zhuǎn)化為熱量的程度降低,干燥樣品對微波穿透力產(chǎn)生限制,從而導(dǎo)致干燥材料結(jié)構(gòu)的損壞程度增強(qiáng)[53]。聯(lián)合干燥技術(shù)是結(jié)合各種干燥方法的特點(diǎn),進(jìn)行分階段干燥的一種復(fù)合技術(shù),實(shí)現(xiàn)單一干燥所不能達(dá)到的目的,具有最大程度保留物料原有的品質(zhì)和色澤的優(yōu)勢。聯(lián)合干燥能夠較好地控制整個干燥過程,提高干燥效率、節(jié)約能源成本、改善產(chǎn)品質(zhì)量,尤其適用于植物產(chǎn)品中一些對熱敏感、易氧化的物料[54-55]。

2.1 聯(lián)合干燥方法對植物產(chǎn)品營養(yǎng)成分的影響

熱風(fēng)-真空聯(lián)合干燥是根據(jù)植物產(chǎn)品在不同干燥階段含水量及組織結(jié)構(gòu)等特性的不同而進(jìn)行的干燥,聯(lián)合干燥能夠結(jié)合熱風(fēng)和真空干燥的優(yōu)點(diǎn),既能平衡植物產(chǎn)品內(nèi)部的水分,又能改善產(chǎn)品的色澤,且不影響產(chǎn)品的品質(zhì)。陳君琛等[54]對即食杏鮑菇熱風(fēng)-真空聯(lián)合干燥工藝進(jìn)行了優(yōu)化,確定的最佳工藝條件為:先熱風(fēng)干燥(60 ℃,20 min,轉(zhuǎn)換點(diǎn)濕基含水率≤78%),后真空干燥(55 ℃,-900 MPa);聯(lián)合干燥即食杏鮑菇休閑產(chǎn)品的品質(zhì)優(yōu)于熱風(fēng)干燥和真空干燥產(chǎn)品的品質(zhì),能耗比真空干燥減少57%。

2.2 聯(lián)合干燥方法對植物產(chǎn)品活性成分的影響

微波-熱風(fēng)聯(lián)合干燥是最常見聯(lián)合干燥技術(shù)之一,在這種組合干燥技術(shù)中,熱空氣可以從樣品的表面除去自由狀態(tài)的水,微波可以從產(chǎn)品的內(nèi)部除去水分[56]。這樣不僅可以提高干燥速率,還可保持干燥產(chǎn)品良好的質(zhì)量特性[57]。E Horuz等[58]采用微波聯(lián)合烘干對酸櫻桃進(jìn)行處理,研究表明聯(lián)合干燥處理時間短,得到的樣品中多酚含量高,抗氧化活性強(qiáng)。劉小丹[59]等采用微波+高溫?zé)犸L(fēng)+低溫?zé)犸L(fēng)組合方式對紅棗進(jìn)行干燥,與熱風(fēng)干燥相比,組合干燥速率高(組合方式干燥時間為22.4 h,熱風(fēng)干燥時間為28 h),能耗低(組合方式能耗為26.32 g·(kW·h-1),熱風(fēng)干燥能耗為30.8 g·(kW·h-1)),且抑制了干燥過程中酶促褐變并減緩了非酶褐變。

微波真空干燥(MWVD)是一種干燥溫度低、速率高且能獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的干燥方式,在微波真空干燥之前或之后使用冷凍干燥能較好降低能耗,提高產(chǎn)品品質(zhì)[60]。Lue-lue Huang等[61]對比了冷凍(-40 ℃,100 Pa)、冷凍-微波真空聯(lián)合(先于-40 ℃,100 Pa下干燥,后于絕對壓力為5000 Pa,轉(zhuǎn)速為5 r/min下干燥)及微波真空-冷凍干燥(先于絕對壓力為5000 Pa,轉(zhuǎn)速為5 r/min下微波真空干燥20 min,后于-40 ℃,100 Pa下干燥)聯(lián)合三種方式對蘋果片的影響,其中冷凍-微波真空聯(lián)合干燥得到的產(chǎn)品中糖和總酚含量高,香味成分保留性好,且產(chǎn)品脆性好、色澤優(yōu)。NingJiang等[62]以秋葵為原料,對比了熱風(fēng)干燥(70 ℃,風(fēng)速1.5 m/s)、冷凍干燥(-50 ℃,20 Pa,41 h)、微波真空干燥(7×104Pa,1536 W,微波脈沖比為1.5)、熱風(fēng)-微波真空聯(lián)合干燥(先于70 ℃,風(fēng)速1.5 m/s條件下處理2 h,后于7×104Pa,1536 W,微波脈沖比為1.5條件下處理)及冷凍-微波真空聯(lián)合干燥(先于-50 ℃,20 Pa條件下冷凍干燥至水分含量小于80 g/100 g,后于7×104Pa,1536 W,微波脈沖比為1.5條件下處理)對其主要活性成分及抗氧化性的影響,研究結(jié)果表明冷凍-微波真空聯(lián)合干燥產(chǎn)品的色值和品質(zhì)較好,具有更高的抗氧化特性保持性,且干燥速率高,能耗低。

王迪等[63]采用遠(yuǎn)紅外(70 ℃,10.2 h)、熱風(fēng)(70 ℃,8.2 h)、真空冷凍(-45 ℃,400 Pa,41 h)、真空微波(微波間歇比為1.5,能量密度為8 W/g,0.25 h)、真空冷凍聯(lián)合真空微波(先-45 ℃,400 Pa干燥約10 h至平均含水量為80%,再于微波間歇比為1.5,能量密度為8 W/g下處理0.25 h)及熱風(fēng)聯(lián)合真空微波(70 ℃下干燥2 h至含水量60%,再于微波間歇比為1.5,能量密度為8 W/g下處約理0.15 h)對黃秋葵進(jìn)行處理,其中采用真空冷凍干燥得到的多糖含量最高,為69.28 mg/g d·w,真空微波干燥由于升溫快、干燥時間短,樣品中多糖的含量僅次于真空冷凍及真空冷凍聯(lián)合真空微波干燥,而熱風(fēng)干燥及遠(yuǎn)紅外干燥所需溫度高,干燥時間長,因此其含量最低。

3 結(jié)論與展望

本文著重分析了常見的干燥方式如熱風(fēng)干燥、真空干燥、微波干燥、日曬、陰干、冷凍干燥及聯(lián)合干燥方法如微波-熱風(fēng)、熱風(fēng)-真空、冷凍-微波聯(lián)合干燥對植物產(chǎn)品營養(yǎng)成分及活性成分的影響,為植物材料干燥方法的選擇提供一定的理論基礎(chǔ)。干燥是植物產(chǎn)品加工過程中常見的工序,近年來關(guān)于不同干燥方式對植物產(chǎn)品物理特性及化學(xué)成分的影響研究越來越多,但是有關(guān)不同干燥方式對植物產(chǎn)品影響的機(jī)理研究尚未完善,很多理化特性變化的解釋僅為推測,大多數(shù)沒有相關(guān)理論的支持。另外,有關(guān)聯(lián)合干燥的研究仍處于工藝優(yōu)化及橫向?qū)Ρ确矫?缺乏相應(yīng)的聯(lián)合干燥設(shè)備,只能停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段,無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此,應(yīng)著重加大干燥機(jī)理的研究,合理的解釋理化特性的改變,同時為聯(lián)合干燥機(jī)械設(shè)備的研制提供理論支持。