不同干燥方式下菠菜粉理化性質的比較

宋娟，張海燕，袁晶，曾朝珍，慕鈺文，康三江*，李玉新，茍麗娜,2

（1.甘肅省農業(yè)科學院農產品貯藏加工研究所，甘肅蘭州 730070）（2.甘肅省農業(yè)大學食品科學與工程學院，甘肅蘭州 730070）

菠菜（Spinacia oleraleaL.）又名波斯草，莧科，富含維生素和多種礦物質，具有很高的營養(yǎng)價值和藥理功能[1,2]。由于菠菜水分大，采收后易腐爛變質、貨架期短，降低了經濟效益。目前由果蔬直接加工成果蔬粉已經成為新的趨勢，提高了果蔬原料的加工利用率，被廣泛應用在家庭調味品、快餐食品和方便食品[3]。常見的菠菜粉加工方法一般包括噴霧干燥、超微粉碎（微波真空干燥、熱泵干燥、遠紅外干燥等）[4]。

近年來，諸多研究集中在比較不同干燥方式對菠菜粉理化品質的影響，尤其是噴霧干燥對菠菜粉品質影響顯著。Syamila 等[5]研究發(fā)現和冷凍干燥相比，噴霧干燥菠菜粉的干燥速度更快，較好的保留β-胡蘿卜素（2.64 mg/g）和α-生育酚（1.02 mg/g）的含量。?al??kan 等[6]研究表明噴霧干燥中不同的干燥劑（麥芽糊精、乳清粉和阿拉伯膠）和不同的進/出口空氣溫度（160～200℃/80～100℃）可以顯著降低菠菜粉的總葉綠素、褐變指數、水分和總酚含量，但是顯著提高了菠菜粉的pH 和總顏色變化（p<0.05）。?stbring 等[7]采用滾筒干燥、冷凍干燥和噴霧干燥的方式研究了菠菜粉葉綠素含量，結果表明，滾筒干燥后菠菜粉的葉綠素受熱降解，葉綠素含量較低，冷凍干燥葉綠素含量較高，噴霧干燥的菠菜類囊體中葉綠素和乳化率最高。李昌文等[8]研究了與真空和熱風干燥相比，噴霧干燥的菠菜粉的粉質特性和感官評價最好。然而，國內外針對不同干燥方式對菠菜粉抗氧化活性、微觀結構等理化性質影響的研究鮮有報道。

本試驗以新鮮的菠菜為試材，通過熱風、太陽能、真空冷凍和噴霧干燥方式，以理化性質作為檢測指標，采用粒度分析儀和掃描電鏡，分析不同干燥方式對菠菜粉粒徑、抗氧化活性和微觀結構的影響，探究適合菠菜粉品質提升的干燥方式，為高質量菠菜粉的產業(yè)化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

菠菜“綠神1”，采購于甘肅省永登縣，挑選無病蟲害的植株，清洗去根，切分段（3.0～4.0 cm），然后進行不同干燥方式制備樣品，每次物料量為1 kg，平行測3 次。

1.1.2 試劑

碳酸氫鈉（食品級）：河南華悅化工產品有限公司；硫酸亞鐵、氫氧化鈉、丙酮、六水氯化鐵、過氧化氫、乙醇、亞硝酸鈉、鹽酸、醋酸、草酸、氯化鋁、碳酸鈉、水楊酸：天津市富宇精細化工有限公司；石英砂：天津大茂；福林酚、Fe3+-三吡啶三吖嗪（TPTZ）、水溶性維生素E（Trolox）、2,6-二氯靛酚、沒食子酸（>99%）、蘆?。好绹鳶igma 生物科技有限公司。

1.2 試驗儀器

DHG-9145A 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司；Scientz-10ND 原位普通型真空冷凍干燥機，寧波新芝生物科技有限公司；自制太陽能干燥裝置（太陽能干燥裝置主要由四部分組成，基本構架部分、干燥室、太陽能接收部分和通風除濕及控制系統(tǒng)）；SP-1500 實驗型噴霧干燥機，上海順儀實驗設備有限公司；WZJ-6BI 振動式藥物超微粉碎機，廣州旭朗機械設備有限公司；CR-400 型色差計，日本柯尼卡美能達公司；UV2400 紫外可見分光光度計，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；TGL-16LM 高速冷凍離心機，湖南星科科學儀器有限公司；BL-2200H 電子天平，日本島津儀器公司；Bettersize2600 激光粒度分布儀，丹東市皓宇科技有限公司；JSM-6701F 冷場發(fā)射型掃描電鏡，日本電子光學公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

（1）新鮮菠菜→分選→清洗→去根→切段→漂燙→0.2%無水碳酸氫鈉溶液護色→熱風/太陽能/真空冷凍干燥→粗粉碎（用萬能粉碎機對菠菜干制品進行粗粉碎，過60 目篩后得到粗粉）→過篩→超微粉碎（振蕩式藥物超微粉碎機，對其進行干法粉碎40 min，過最細160 目的濾網）→樣品

（2）新鮮菠菜→分選→清洗→去根→切段→漂燙→0.2%無水碳酸氫鈉溶液護色→打漿（1:1 加水）→過膠體磨→均質→噴霧干燥→樣品

1.3.2 干燥條件

（1）熱風干燥：烘箱溫度為50℃，風速1 m/s，每0.5 h 測定一次水分，干燥到原料水分指標低于8%（干基計）；

（2）太陽能干燥：在自建的太陽能干燥車間進行晝夜連續(xù)干燥，溫度為20℃～50℃，風速1 m/s，每0.5 h 測定一次水分，干燥到原料水分指標低于8%（干基計）；

（3）真空冷凍干燥：用原位真空冷凍干燥機干燥樣品，真空度1.0 Pa，冷阱溫度-58.7℃～-59.3℃；每0.5 h 測定一次水分，干燥到原料水分指標低于8%（干基計）；

（4）噴霧干燥：用噴霧干燥機干燥樣品，菠菜汁進口溫度Ti=160℃，出口溫度T0=70℃～72℃，蠕動泵流量S=50 mL/min，風機頻率40 Hz，干燥到原料水分指標低于8%（干基計）。

1.3.3 測定方法

1.3.3.1 粒徑

采用激光粒度分布儀濕法測定，重復5 次。

1.3.3.2 色澤

采用CIELAB 表色系統(tǒng)測定樣品的L*、a*和b*，平行測5 次。通過公式計算：

式中：L*、a*和 b*是干燥樣品的色澤值，L0、a0和b0是鮮樣色澤值。

1.3.3.3 葉綠素

檢測參考成啟明等[9]的方法：稱2 g 鮮樣或者1 g干制品，用丙酮（80%）萃取到無色，定容于50 mL后避光放置16 h，取上清液分別于645 nm、663 nm測定吸光值，實驗重復3 次取平均值。通過公式計算：

式中：Ca為葉綠素a 的濃度（mg/g DM）；V 為容量瓶體積（L）；m 為樣品質量（g）；G 為樣品的含水量（%）；Cb為葉綠素b 的濃度（mg/g DM）；CT為總葉綠素濃度（mg/g DM）。

1.3.3.4 抗壞血酸

檢測參考Nizori 等[10]的方法。稱2 g 鮮樣或者1 g干制品，在2%草酸溶液5 mL 研磨，定容25 mL，離心4℃、10000 r/min、15 min，吸上清液20 mL 用2,6-二氯靛酚溶液15 s 內微紅色不退色。

1.3.3.5 總酚

檢測參考Gallegos-Infante等[11]的方法，略有改動。稱2 g 鮮樣或者1 g 干制品，吸取80%乙醇20 mL，超聲處理30 min 的提取液濃縮到25 mL。吸1 mL 濃縮液，加入福林酚1 mL，7.5% Na2CO3溶液3 mL 和蒸餾水5 mL 混合后，40℃水浴15 min，測定765 nm 吸光值，平行測3 次。

1.3.3.6 總黃酮

檢測參考Osae[12]、聶繼云等[13]的方法，略有改動。取上述總酚濃縮液1 mL，加入5%亞硝酸鈉溶液0.3 mL、蒸餾水5 mL、10%鋁鹽溶液0.3 mL、1 mo1/L氫氧化鈉溶液2 mL，混合均勻后定容到10 mL，以蘆丁為標樣制作標準曲線，測定510 nm 吸光值，平行測3 次。

1.3.3.7 總抗氧化能力

檢測參考Duthie[14]、Drakou 等[15]的方法，略有改動。將上述提取液稀釋至總酚濃度為120 mg/L，取20 μL 稀釋后的提取液、去離子水1 mL 和FRAP 溶液（10 mmol/L TPTZ 溶液、20 mmol/L 六水氯化鐵溶液、pH 3.6 的0.3 mmol/L 醋酸緩沖液，采用1:1:10 的比例配置）1.8 mL，37℃孵化10 min，檢測593 nm 的吸光值，平行測3 次；以Trolox 為標樣制作標曲計算。

1.3.3.8 羥自由基清除率

試管中吸取1.5 mL 樣液，1 mL 硫酸亞鐵（4.5 mmol/L），1 mL 水楊酸-乙醇溶液（4.5 mmol/L），10.5 mL 蒸餾水，1 mL H2O2（10 mmol/L），37℃水浴30 min，測定510 nm 吸光度[16]。通過公式計算：

式中：Ax指加樣品的吸光值；A0指空白組的吸光值；Ax0指不加H2O2吸光值。

1.3.3.9 超氧陰離子清除能力

取4.5 mL Tris-HCl 緩沖液（50 mmol/L，pH 8.2）和4.2 mL 蒸餾水，25℃水浴20 min，取出加入0.3 mL鄰苯三酚（3 mmol/L），混勻，每隔30 s，測定325 nm吸光度[17]。通過公式計算：

式中：A0指鄰苯三酚的自氧化速率；A 指加入總多酚樣液后鄰苯三酚的氧化速率。

1.3.3.10 微觀結構

為了分析不同干燥方式對菠菜粉組織結構的影響，通過掃描電鏡（SEM）觀察菠菜粉（×1000 倍）的微觀結構。

1.3.3.11 微生物指標

菌落總數、大腸桿菌、沙門氏菌、至賀氏菌、金黃色葡萄球菌：分別參照中華人民共和國國家標準GB 4789.2-2016、GB 4789.3-2016、GB 4789.4-2016、GB 4789.5-2016、GB 4789.10-2016，委托蘭州中檢科測試技術有限公司依據相應標準進行判定。

1.4 數據方式

本實驗所有指標測定均重復3 次，所示數據均為3 次平行的平均值。采用Excel 2010、SPSS 22.0 對數據進行整理與分析，采用Origin 8.5 進行制圖，方差分析結果用字母a～d 表示，數據以（均值±標準差）表示。

2 結果與分析

2.1 干燥方式對菠菜粉理化性質的影響

2.1.1 粒徑分布

從表1 可以看出，不同干燥方式對菠菜粉粒徑大小和比表面積的影響差異顯著（p<0.05）。其中，噴霧干燥的中位粒徑Dx(50)最小，比表面積最大，而熱風干燥的Dx(50)最大，比表面積最小。和其它3 種干燥方式相比，噴霧干燥菠菜粉的中位粒徑Dx(50)降低到17.76 μm，D[3,2]降低到24.36 μm，D[4,3]降低到9.75 μm，比表面積增加到228.3 m2/kg，跨度減小到2.87，這表明噴霧干燥使菠菜粉粒徑減小、比表面積增大、跨度值減小。這可能是由于熱風和太陽能干燥時間較長，物料表面硬化及收縮，所以干燥后組織致密、硬，破碎難度大，粒徑大棱角多，真空冷凍干燥的物料預凍和冷凍過程中均處于靜止狀態(tài)，真空冷凍干燥的樣品體積保持較好，脆性好，易破碎，所以粒徑小，棱角小；噴霧干燥過程中由于料液濃度、霧化時霧滴的大小等因素決定菠菜粉粒徑較小，導致每單位重量的菠菜粉中含有更多的顆粒，使得與其他物質結合時接觸面積更大，更容易混合均勻。

表1 干燥方式對菠菜粉粒徑的影響 Table 1 Influence of different drying methods on the particle size of spinach powder

2.1.2 色澤

從菠菜粉色度測定結果如圖1，不同干燥方式下的菠菜粉的L*值、a*值和b*值差異顯著，溫度越高產品L*值越大，亮度越高，a*值越小，綠越深，△E值越小，與鮮樣顏色越接近。熱風、太陽能、真空冷凍干燥和噴霧干燥的樣品間色澤值存在顯著差異（p<0.05）。其中，真空冷凍干燥△E 值最大為7.82，與鮮樣原色差異較大，色澤不佳；熱風干燥、太陽能干燥和噴霧干燥△E 值較低，且不同干燥處理之間無顯著差異（p>0.05），但噴霧干燥的L*值較高為33.28，a*值最小為-5.86，太陽能干燥的L*值最低為29.73，a*值最大為-4.1，表明噴霧干燥制備的菠菜粉，顏色較綠，與原色最接近，這與蔣鵬飛等[18]的研究結果一致，可能是由于干燥方式中干燥溫度和干燥時間的不同，使菠菜粉發(fā)生不同程度的酶促褐變和非酶褐變，從而引起菠菜粉色澤的變化。

圖1 干燥方式對菠菜粉色澤的影響 Fig.1 Effects of different drying methods on the color of spinach powder

2.1.3 葉綠素含量

從圖2 可以看出，相對于新鮮菠菜，不同干燥方式均會使菠菜粉的葉綠素含量顯著降低（p<0.05）。不同干燥方式對菠菜粉的葉綠素含量由大到小為：噴霧干燥（6.85 mg/g）>真空冷凍干燥（5.24 mg/g）>熱風干燥（4.48 mg/g）>太陽能干燥（4.12 mg/g），其中噴霧干燥與熱風、太陽能和真空冷凍干燥樣品的葉綠素含量均存在顯著差異（p<0.05）。這與王冬梅[19]等的研究結果類似，干燥后菠菜粉的葉綠素含量減少除了損耗外，可能還有干燥后物料性質變化導致提取困難的原因，而且葉綠素是非常不穩(wěn)定的非水溶性色素物質，熱風、太陽能、真空冷凍干燥過程中可能由于干燥時間過長導致葉綠素降解，使得檢測到葉綠素含量很少，然而噴霧干燥的時間短，環(huán)境密閉且菠菜粉霧化后水分含量比較高，避免葉綠素的降解或變質，可以保持樣品原色，這與圖1 變化趨勢相符。

圖2 干燥方式對菠菜粉葉綠素含量的影響 Fig.2 Effects of different drying methods on on the content of chlorophyll in spinach powder

2.1.4 抗壞血酸含量

從圖3 可以看出，相對于新鮮菠菜，不同干燥方式均會使菠菜粉的抗壞血酸含量顯著降低（p<0.05）。不同干燥方式對菠菜粉抗壞血酸含量由大到小為：真空冷凍干燥（883.94 μg/g）>噴霧干燥（862.82 μg/g）>太陽能干燥（694.83 μg/g）>熱風干燥（561.68 μg/g），其中，噴霧干燥與熱風、太陽能干燥樣品的抗壞血酸含量存在顯著差異（p<0.05），而與真空冷凍干燥樣品的抗壞血酸含量不存在顯著差異（p>0.05）。這與雷湘蘭等[20]研究結果是一致的，抗壞血酸是一種熱敏感化合物，尤其在熱風、太陽能和噴霧干燥的高溫環(huán)境中容易分解，導致抗壞血酸含量降低，然而在低溫和真空條件下的真空冷凍干燥對菠菜粉的抗壞血酸的降解較少，對抗壞血酸的保留效果最佳。

圖3 干燥方式對菠菜粉抗壞血酸含量的影響 Fig.3 Effects of different drying methods on the content of ascorbic acid in spinach powder

2.1.5 總酚含量

酚類物質是果蔬中常見的一類重要的抗氧化物質。由圖4 可知，相對于新鮮菠菜，不同干燥方式均會使菠菜粉的總酚含量顯著降低（p<0.05）。不同干燥處理菠菜粉的總酚含量大小關系是：噴霧干燥（14.10 mg/g）>真空冷凍干燥（12.53 mg/g）>熱風干燥（11.81 mg/g）>太陽能干燥（11.74 mg/g）。和鮮樣相比，經熱風、太陽能、真空冷凍干燥和噴霧干燥樣品的總酚分別損失了40.93%、41.22%、37.30%、30.01%；噴霧干燥與熱風、太陽能和真空冷凍干燥樣品的總酚存在顯著差異（p<0.05），這與康志敏等[21]的研究結果相符。產生顯著差異的原因一方面是損耗和干燥后導致酚類物質提取困難，另一方面是熱風與太陽能干燥的樣品由于較高溫度促進原料發(fā)生氧化反應，真空冷凍樣品由于低溫產生的冰晶造成細胞結構破損，導致總酚含量流失，然而噴霧干燥的菠菜汁霧化后水分含量比較高，有效防止熱敏性物質的分解，保護易氧化成分，致使菠菜粉的總酚含量損失較小。結果表明，噴霧干燥對菠菜粉的總酚的保護效果最好。

圖4 干燥方式對菠菜粉總酚含量的影響 Fig.4 Effects of different drying methods on total phenol content of spinach powder

2.1.6 總黃酮含量

從圖5 可知，相對于新鮮菠菜，不同干燥方式均會使菠菜粉的總黃酮含量顯著降低（p<0.05）。4 種干燥方式對菠菜粉總黃酮含量由大到小為：噴霧干燥（13.49 mg/g）>真空冷凍干燥（10.36 mg/g）>熱風干燥（7.56 mg/g）>太陽能干燥（7.14 mg/g）。和鮮樣相比，經熱風、太陽能和真空冷凍干燥樣品的總黃酮含量分別損失了61.20%、63.37%、46.87%、41.07%。其中，噴霧干燥與熱風、太陽能干燥樣品的總黃酮含量存在顯著差異（p<0.05），而與真空冷凍干燥樣品的總黃酮含量不存在顯著差異（p>0.05）。這與潘少香[22]等的研究報道類似，可能因為干燥后物料性質變化導致提取困難和損耗外，還有熱風與太陽能干燥過程中由于高溫促使熱敏性物質發(fā)生氧化反應，導致黃酮大量損失，然而噴霧干燥和真空冷凍干燥在低溫條件下使得物料的總黃酮保留較好。

圖5 干燥方式對菠菜粉總黃酮含量的影響 Fig.5 Effects of different drying methods on total flavonoids content in spinach powder

2.2 抗氧化活性

由圖6 可知，相對于新鮮菠菜，不同種干燥方式均會使菠菜粉的抗氧化活性顯著降低（p<0.05）。其中，噴霧干燥處理的菠菜粉抗氧化活性最高。和鮮樣相比，經熱風、太陽能、真空冷凍和噴霧干燥樣品的總抗氧化能力分別損失了65.27%、56.43%、46.08%、33.01%，羥自由基清除率分別損失了88.96%、90.56%、58.49%、43.39%，超氧陰離子清除率分別損失了88.96%、90.56%、58.49%、43.39%。這與于漫漫[23]等的研究結果類似，可能是因為噴霧干燥的菠菜汁霧化后水分含量比較高，有效防止抗氧化物質的降解；真空冷凍干燥在真空和低溫條件下隔絕了氧氣，氧化反應減少了，使得抗氧化活性較高；然而熱風干燥與太陽能干燥方式的樣品在干燥過程中的由于高溫使得原料發(fā)生氧化反應，促進了抗氧化物質的降解，一定程度上降低了抗氧化活性。結果表明，噴霧干燥的菠菜粉具有更好的抗氧化能力。

圖6 干燥方式對菠菜粉抗氧化活性的影響 Fig.6 Effects of different drying methods on antioxidant activity of spinach powder

表2 相關性分析 Table 2 Correlation analysis

2.3 相關性分析

由相關性分析可知，菠菜粉的總酚、總黃酮、抗壞血酸與總抗氧化能力、羥自由基清除率以及超氧陰離子清除率均呈顯著正相關（p<0.05）。其中，總酚與菠菜粉總抗氧化能力之間的相關性最高為0.966（p<0.01），總黃酮與菠菜粉總抗氧化能力之間的相關性為0.943（p<0.05），抗壞血酸與菠菜粉羥自由基清除率之間的相關性為0.943（p<0.05），說明總酚、總黃酮和抗壞血酸對菠菜粉的抗氧化活性相關性貢獻較大。

2.4 微觀結構

利用掃描電鏡（SEM）對放大1000 倍的菠菜粉進行觀察發(fā)現，不同干燥方式對菠菜粉微觀結構影響很大。由圖7 可知，熱風和太陽能干燥的菠菜粉存在較大的組織碎塊，顆粒表面粗糙且出現棱角和裂紋、呈不規(guī)則片狀結構、分布不均，可能是熱風與太陽能干燥使樣品表面硬化和收縮，所以干燥后樣品致密，硬度大，破碎難，所以粒徑大，棱角多（圖7a、b）；真空冷凍干燥的菠菜粉大小和分布不均勻，表面結構較圓潤，可能與其物料在低溫狀態(tài)下形成冰晶的相互作用使物料隨意組合有關，樣品硬度小，易破碎，所以粒徑小，棱角?。▓D7c）；噴霧干燥的菠菜粉組織細小，基本呈短小的圓棒狀或圓球狀，顆粒飽滿，大小和分布相對較均勻，有許多乳狀突起，部分表面光滑圓潤，部分顆粒表面有凹陷孔洞，部分粉體之間更易發(fā)生粘結團聚現象，這與李明娟[24]、石云嬌等[25]的研究結果類似，由于噴霧干燥的料液流動性好，霧化出的霧滴較小，導致噴霧干燥制備的菠菜粉粒徑小，細胞結構較好，且變小的粒徑具有更強的吸附作用，這種表觀形態(tài)有助于改善菠菜粉的粉質特性（如溶解性、復水性），而且食用方便，便于貯藏和運輸（圖7d）。

圖7 干燥方式對菠菜粉微觀結構的影響 Fig.7 Effects of different drying methods on the microstructure of spinach powder

2.5 微生物指標

對噴霧干燥制備的菠菜粉樣品進行微生物指標檢測，從表3 的檢測和判定結果可以看出，噴霧干燥菠菜粉各項指標均達到食品安全國家標準的要求，因此采用噴霧干燥制備菠菜粉是可行的，所得產品安全健康。

表3 微生物指標檢測 Table 3 Microbial index detection

3 結論

3.1 與新鮮菠菜相比，經過熱風、太陽能、真空冷凍和噴霧干燥制備的菠菜粉色澤、葉綠素、抗壞血酸、總酚、總黃酮、抗氧化活性均有所下降，微觀結構也出現不同程度的形變。同其它3 種干燥方式相比，噴霧干燥制備的菠菜粉的色澤與鮮樣較接近（L*值較高為33.28，a*值最小為-5.86），而真空冷凍干燥的菠菜粉△E 值最大為7.82，色澤不佳；噴霧干燥菠菜粉的葉綠素含量最高為6.85 mg/g，抗氧化活性最強，而真空冷凍干燥的抗壞血酸含量最高為883.94 μg/g；通過激光粒度分布儀分析，噴霧干燥制備的菠菜粉粒徑中位粒徑Dx(50)減小至17.76 μm、比表面積增大到228.3 m2/kg、跨度值減小為2.87；通過SEM 觀察出噴霧干燥制備的的菠菜粉呈短小的圓棒狀或圓球狀，顆粒小且大小和分布相對較均勻，部分表面光滑圓潤，部分顆粒表面有凹陷孔洞，細胞結構保持較好。

3.2 雖然，真空冷凍干燥處理的菠菜粉抗壞血酸活性保留最好，但是色澤不佳，從耗時長、成本高、能耗大角度考慮，真空冷凍干燥不適合菠菜粉工業(yè)化生產；噴霧干燥對菠菜粉的色澤、葉綠素、總酚、總黃酮含量的保留效果好，抗氧化活性最高，而且操作簡單、干燥時間短、投資小，具有很好的應用前景，是制備高質量菠菜粉產品的較優(yōu)的一種方法。但是，噴霧干燥過程中不可避免會有設備堵塞或老化，物料掛壁等問題，導致果蔬粉的制備效率降低，本課題組將會深入研究不同噴霧干燥參數對果蔬有效營養(yǎng)成分和集粉率的影響，構建干燥數學模型，添加輔料復配功能性果蔬粉，建立品質評價體系，以期提高菠菜粉的附加值，為噴霧干燥制備功能性復配果蔬粉的精深加工提供數據支持和理論依據。