紅心火龍果熱風(fēng)干燥動力學(xué)模型及品質(zhì)變化

楚文靖，盛丹梅，張 楠，于 艷，張 峰，葉雙雙

（黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，安徽 黃山 245041）

火龍果（Hylocereus undatus）又名紅龍果、青龍果、仙蜜果、玉龍果、情人果等，為仙人掌科三角柱屬植物的果實[1]。栽培品種主要有紅皮白肉、紅皮紅肉、黃皮白肉3 種[2]，其中紅肉火龍果比白肉火龍果含有更豐富的甜菜紅素和酚類物質(zhì)，具有更高的抗氧化活性[3-4]?；瘕埞且环N風(fēng)味獨特、多汁、營養(yǎng)豐富的熱帶、亞熱帶水果，富含低聚糖、膳食纖維、多種維生素和礦物質(zhì)，具有降血脂、養(yǎng)顏、減肥和抗衰老等功效[1,5-6]。

新鮮火龍果較不耐貯藏，將其進(jìn)行深加工有利于貯藏?；瘕埞募庸ぎa(chǎn)品主要有火龍果汁、火龍果醬、火龍果酒、火龍果醋及火龍果中活性成分提取物等[7]。關(guān)于火龍果干制的報道相對較少，陳曉旭等[8]研究了不同聯(lián)合干燥方式對火龍果粉品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)中短波紅外聯(lián)合變溫壓差膨化干燥制得的火龍果粗粉和超微粉品質(zhì)較優(yōu)。盤喻顏等[9]研究了不同微波間歇條件對火龍果片干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)火龍果片微波間歇干燥動力學(xué)符合Page模型。熱風(fēng)干燥是最常見、最常用的食品干燥方法之一。然而，目前鮮見關(guān)于火龍果熱風(fēng)干燥特性及品質(zhì)變化的相關(guān)報道。

本實驗探究干燥溫度和切片厚度對紅心火龍果熱風(fēng)干燥特性的影響，并對干燥過程進(jìn)行模型擬合，對比分析不同溫度和切片厚度干燥產(chǎn)品的品質(zhì)特性，以期為火龍果熱風(fēng)干燥參數(shù)的優(yōu)化及實際干燥工藝設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅心火龍果 安徽省黃山市屯溪區(qū)大潤發(fā)超市。

甲醇、乙醇、Folin-Ciocalteu試劑、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、2,2’-聯(lián)氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽（2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)diammonium salt，ABTS）、磷酸鹽緩沖液 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PGFB-6型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 吳江品格烘箱電爐制造有限公司；UV1700PC型紫外-可見分光光度計上海奧析科學(xué)儀器有限公司；TGL20MW型離心機湖南赫西儀器裝備有限公司；SB-4200D型超聲波清洗機寧波新芝生物科技股份有限公司；CR-400型手持色差儀日本柯尼卡美能達(dá)公司。

1.3 方法

1.3.1 火龍果的干燥

取新鮮火龍果原料，清洗、去皮，切片厚度分別為6、8、10、12 mm，取大小均勻的火龍果切片用于實驗。將火龍果片按不同厚度取相同片數(shù)稱質(zhì)量，然后分散于不銹鋼烘盤上；分別在干燥溫度為50、60、70、80 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥，每隔1 h取樣測定樣品質(zhì)量。

1.3.2 干燥特性指標(biāo)的測定

干燥過程中干基水分含量的測定參考GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》中直接干燥法進(jìn)行，計算如式（1）所示。

式中：Ct為t時刻樣品的干基水分含量/（g/g）；mt為t時刻樣品的質(zhì)量/g；m為樣品干燥后的質(zhì)量/g。

水分比（moisture ratio，MR）按式（2）[10]計算。

式中：Ct為t時刻樣品的干基水分含量/（g/g）；C0為初始時刻樣品的干基水分含量/（g/g）；Ce為干燥平衡時樣品的干基水分含量/（g/g）。

干燥速率按式（3）[11]計算。

式中：DR為干燥速率/（g/（g·h））；C1和C2分別為干燥到t1和t2時刻紅心火龍果片的干基水分含量/（g/g）。

1.3.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計算

有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）[12]可以通過測定物料的干燥曲線，結(jié)合Fick方程和Arrhenius方程進(jìn)行計算，在理想狀態(tài)下Fick方程經(jīng)簡化后如式（4）所示，為線性方程；通過ln MR對時間t作圖，擬合直線方程，得到斜率k0，用式（5）計算Deff。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)/（m2/s）；L為火龍果切片厚度的一半/m；t為干燥時間/s。

1.3.4 活化能的計算

物料Deff和干燥溫度的關(guān)系可以用Arrhenius方程（式（6））[13]表示。

式中：D0為物料中的擴散常數(shù)/（m2/s）；Ea為物料的干燥活化能/（kJ/mol）；R為氣體摩爾常數(shù)（8.314 472 J/（mol·K））；T為物料的干燥溫度/℃。

對公式（6）兩邊取自然對數(shù)得式（7），由式（7）可知ln Deff與1/（T＋273.15）呈線性關(guān)系，經(jīng)擬合直線方程可得斜率－Ea/R，從而計算。

1.3.5 干燥模型

建立干燥模型對研究干燥變化規(guī)律、預(yù)測干燥工藝參數(shù)有重要作用。目前，用來描述食品干燥過程的模型一般有3 種[15]，即指數(shù)模型（Lewis模型）、單項擴散模型（Henderson模型）和Page模型。根據(jù)文獻(xiàn)[16-18]，蔬菜、水果干燥適用Page模型（式（8））。

式中：t為干燥時間/h；k、n為待定系數(shù)。

為便于分析，將Page模型取對數(shù)得到線性模型，如式（9）所示。

分別作不同火龍果片厚度、干燥溫度下的（－ln MR）-t關(guān)系曲線和（ln（－ln MR））-ln t關(guān)系曲線，得到斜率n和截距l(xiāng)n k。

1.3.6 色澤測定

用CR-400型手持色差儀測定干燥后紅心火龍果的色澤，其中CIELAB為色澤空間，記錄L*、a*、b*值。L*值代表亮度從黑（L*＝0）到白（L*＝100）；a*值代表紅綠度從綠（－）到紅（＋）；b*值代表黃藍(lán)度從藍(lán)（－）到黃（＋）。

1.3.7 總酚含量的測定

總酚含量采用Folin-Ciocalteu法[19]測定。準(zhǔn)確稱取1.00 g紅心火龍果粉，加入25 mL體積分?jǐn)?shù)80%乙醇溶液，室溫下超聲提取20 min，離心，取上清液400 μL，依次加入10 mL蒸餾水、1 mL 1 mol/L Folin-Ciocalteu試劑、2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%碳酸鈉溶液，定容到25 mL，混勻。避光反應(yīng)1 h，在760 nm波長處測定吸光度。利用沒食子酸作標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果表示為每克樣品中沒食子酸的質(zhì)量。

1.3.8 抗氧化活性測定

按照1.3.7節(jié)方法獲得火龍果粉提取液，DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除能力采用比色法[20-21]測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。用SPSS 21軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和方差分析，用Origin 8.5軟件進(jìn)行圖形的繪制和模型擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 火龍果片熱風(fēng)干燥特性

2.1.1 切片厚度對火龍果片干燥特性的影響

圖1為70 ℃下不同厚度紅心火龍果片的熱風(fēng)干燥曲線和干燥速率曲線，其余溫度下的干燥曲線和干燥速率曲線趨勢與70 ℃相似。由圖1A可知，隨著干燥的進(jìn)行，干基水分含量逐漸減??；隨著火龍果片厚度的減小，干燥時間縮短。6 mm厚的火龍果片70 ℃下熱風(fēng)干燥僅需6 h。

圖1 不同厚度火龍果片干燥曲線（A）及干燥速率曲線（B）Fig. 1 Drying curves (A) and drying rate curves (B) of pitaya slices of different thicknesses

由圖1B可知，干燥的初期干燥速率最快，出現(xiàn)峰值。隨后，干燥速率隨干基水分含量的減小而緩慢減小，出現(xiàn)長時間的降速干燥階段，這與蓮子[22]、杏鮑菇[23]和竹筍[24]等熱風(fēng)干燥的結(jié)果類似。干燥初期，火龍果表面水分快速向周圍空氣蒸發(fā)，干燥速率增加。當(dāng)表面水分減少到一定程度后，物料內(nèi)部的水分?jǐn)U散成為影響干燥的主要因素?；瘕埞穸仍叫?，內(nèi)部水分遷移到表面的距離就越短，干燥速率越快。對于一定體積的物料來說，厚度越小，與干燥空氣接觸的相對表面積越大，干燥越迅速[24]。

2.1.2 干燥溫度對火龍果片干燥特性的影響

圖2 不同干燥溫度火龍果片干燥曲線（A）和干燥速率曲線（B）Fig. 2 Drying curves (A) and drying rate curves (B) of pitaya slices at different temperatures

圖2 為8 mm的紅心火龍果片在不同溫度下的熱風(fēng)干燥曲線和干燥速率曲線，其余厚度下的干燥曲線和干燥速率曲線趨勢與8 mm火龍果片相似。由圖2A可知，隨著干燥的進(jìn)行，干基水分含量逐漸減小。在50～80 ℃干燥時，隨著干燥溫度的升高，干基水分含量下降速率加快，降低到同一水平時所需的時間明顯縮短。

由圖2B可知，干燥初始階段，干燥速率迅速達(dá)到最大，然后逐漸下降。除去起始階段，整個過程可看成降速干燥，且溫度越高，降速階段越明顯。干燥過程中，火龍果表面水分含量減少，內(nèi)部傳質(zhì)和傳熱阻力不斷增加，水分從表面蒸發(fā)到空氣的速率和從內(nèi)部遷移到表面的速率也隨之降低，故干燥速率也降低。80 ℃的干燥速率高于其他干燥溫度，可能的原因是在50～80 ℃干燥時，溫度越高，火龍果表面水分蒸發(fā)量越多，表面含水量越低，內(nèi)部與表層之間形成了水分梯度，更有利于內(nèi)部水分向表層的遷移。

2.2 火龍果片的熱風(fēng)干燥動力學(xué)模型

為了建立火龍果片的最佳熱風(fēng)干燥模型，分別作不同火龍果片厚度和干燥溫度下的（－ln MR）-t關(guān)系曲線和（ln（－ln MR））-lnt關(guān)系曲線（圖3、4）。

圖3 不同厚度火龍果片（－ln MR）-t關(guān)系曲線（A）及（ln（－ln MR））-ln t關(guān)系曲線（B）Fig. 3 Relationship between ?ln MR and t (A) and relationship between ln (?ln MR) and ln t (B) at different slice thicknesses

圖4 不同干燥溫度下（－ln MR）-t關(guān)系曲線（A）及（ln（－ln MR））-ln t關(guān)系曲線（B）Fig. 4 Relationship between ?ln MR and t (A) and relationship between ln (?ln MR) and ln t (B) at different hot air temperatures

由圖3A、4A可知，－ln MR與t呈現(xiàn)非線性關(guān)系；由圖3B、4B可知，（ln（－ln MR））與lnt呈線性關(guān)系，故可以選擇Page模型作為火龍果片熱風(fēng)干燥動力學(xué)模型。lnk和n分別按式（10）、（11）計算。

式中：H為火龍果片厚度/mm；T為干燥溫度/℃；a、b、c、d、e、f、g、h、i、j為待定系數(shù)。將式（10）、（11）代入式（9）得到式（12）。

將熱風(fēng)干燥過程中不同時間下的水分比代入Page模型得到不同厚度和干燥溫度下的Page模型系數(shù)（表1）。

表1 不同厚度和干燥溫度下火龍果片的Page模型系數(shù)Table 1 Page equation coefficients at different slice thickness and drying temperatures

將表1中各項系數(shù)代入式（10）、（11）計算得到系數(shù)如下：a＝－0.925、b＝0.032、c＝－5.699×10－5、d＝－0.464、e＝0.021、f＝－1.714、g＝0.103、h＝0、i＝－0.057、j＝0.003。將各項系數(shù)代入式（12）得到紅心火龍果片熱風(fēng)干燥模型的回歸方程（式（13））。

經(jīng)檢驗，該模型R2＝0.919、F＝470.216、P＜0.001，能夠較好地描述不同切片厚度、不同干燥溫度下火龍果片的熱風(fēng)干燥過程。

2.3 火龍果片熱風(fēng)干燥動力學(xué)模型的驗證

由圖5可以看出，實驗值與模型預(yù)測值的擬合度較高，Pearson相關(guān)系數(shù)為0.998，二者顯著相關(guān)（P＜0.05），說明Page模型能夠較好地反映紅心火龍果片熱風(fēng)干燥中水分比的變化規(guī)律，適合描述實驗條件下火龍果片熱風(fēng)干燥過程。

圖5 相同干燥條件下火龍果片MR的實驗值與預(yù)測值Fig. 5 Experimental values versus predicted values of moisture ratio under the same drying conditions

2.4 干燥過程中火龍果片的Deff和Ea

表2 干燥過程中火龍果片的Deff和EaTable 2 Moisture effective diffusion coefficients and activation energy during drying of pitaya slices

Deff和Ea是衡量干燥過程物料脫水能力的重要指標(biāo)。Deff越高，其脫水能力越強，水分?jǐn)U散所需要的Ea越低[25]。由表2可知，不同厚度、不同溫度對應(yīng)的Deff不同，其值在3.537 4×10－10～19.942 6×10－10m2/s之間。厚度固定時，紅心火龍果片Deff隨著干燥溫度的提高而增大。8 mm厚火龍果片在80 ℃干燥時的Deff約是50 ℃干燥時Deff的3 倍。干燥溫度固定時，Deff隨著切片厚度的增加而增大。70 ℃干燥時，12 mm厚火龍果片的Deff約是6 mm厚火龍果片Deff的2 倍。厚度為6、8、10、12 mm的火龍果片熱風(fēng)干燥對應(yīng)的Ea分別為32.985 7、27.086 1、26.889 4、17.792 9 kJ/mol。不同厚度的火龍果片Ea不同，這與南瓜紅外干燥的研究結(jié)果[26]一致。

2.5 熱風(fēng)干燥溫度對火龍果片總酚含量、抗氧化能力和色澤的影響

由表3可知，切片厚度恒定（8 mm），干燥溫度對火龍果片的總酚含量和抗氧化活性有顯著影響（P＜0.05）。隨著干燥溫度的增加，總酚含量有增加的趨勢，70 ℃和80 ℃條件下火龍果片的總酚含量明顯高于50 ℃。這可能是因為低溫（50 ℃）干燥時多酚氧化酶未完全失活[27]，導(dǎo)致酚類物質(zhì)分解較多。較低溫度（50 ℃或60 ℃）干燥火龍果片的抗氧化活性比較高溫度（70 ℃或80 ℃）干燥得到的火龍果片低，可能和產(chǎn)品的總酚含量有關(guān)。由表3還可得出，干燥溫度對火龍果片色澤（L*、a*、b*值）的影響不顯著，不同溫度下的干燥產(chǎn)品色澤無顯著差異。

表3 干燥溫度對火龍果片總酚含量、抗氧化能力和色澤的影響Table 3 Effects of different drying temperatures on total phenol content, antioxidant activity and color of dried pitaya slices

2.6 切片厚度對火龍果片總酚含量、抗氧化活性和色澤的影響

表4 切片厚度對火龍果片總酚含量、抗氧化活性和色澤的影響Table 4 Effects of different thicknesses on total phenol content,antioxidant activity and color of dried pitaya slices

由表4可知，干燥溫度恒定（70 ℃），切片厚度對火龍果片的總酚含量和抗氧化活性有顯著影響（P＜0.05）。切片厚度為6 mm與8 mm的火龍果片總酚含量和抗氧化活性無顯著差異，但優(yōu)于切片厚度為10 mm和12 mm的樣品。這可能是因為較厚的火龍果片需要的干燥時間長，在高溫下長時間干燥過程中，酚類物質(zhì)發(fā)生分解、聚合等反應(yīng)。由表4還可得出，紅心火龍果片70 ℃熱風(fēng)干燥時，切片厚度對其制品色澤（L*、a*、b*值）影響不顯著，不同切片厚度的干燥產(chǎn)品色澤無顯著差異。

3 結(jié) 論

不同厚度、不同干燥溫度下，紅心火龍果片的熱風(fēng)干燥曲線呈現(xiàn)基本相同的變化趨勢，干燥初始階段有明顯的升速過程，除去起始階段，整個過程可看成降速干燥過程。Page模型能較好地表達(dá)和預(yù)測紅心火龍果片干燥任意時刻（t）水分比（MR）隨厚度（H）和干燥溫度（T）的變化情況，擬合方程為ln（－ln MR）＝－0.925＋0.032 T－5.699×10－5T2－0.464H＋0.021H2＋（－1.714＋0.103T－0.057H＋0.003H2）ln t。紅心火龍果片的Deff在3.537 4×10－10～19.942 6×10－10m2/s之間；厚度為6、8、10、12 mm時，對應(yīng)的Ea分別為32.985 7、27.086 1、26.889 4、17.792 9 kJ/mol。在干燥溫度70 ℃、切片厚度6 mm、干燥時間6 h下，紅心火龍果片的總酚含量和抗氧化能力較高。干燥溫度和切片厚度對紅心火龍果片的色澤影響不顯著。