超聲和燙漂預處理對紅薯葉熱風干燥的影響

張迎敏 任廣躍，2 屈展平 靳力為 段 續(xù)，2 張樂道，2

(1.河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471000；2.糧食儲藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001)

紅薯葉為紅薯藤蔓葉子，一年可多次收獲，產(chǎn)量與紅薯塊莖相似。紅薯葉富含大量營養(yǎng)和功能成分，如蛋白質、膳食纖維、多酚類、黃酮類及礦物質等，可作為優(yōu)質蔬菜資源食用[1-2]?，F(xiàn)有的紅薯葉產(chǎn)品包括紅薯葉保健茶[3]、紅薯葉益生菌健康飲品[4]、紅薯葉發(fā)酵飲料[5]、紅薯葉山楂玫瑰保健清酒[6]及紅薯葉戚風蛋糕[7]等。由于儲存和運輸條件有限，上述產(chǎn)品的加工容易造成原料損失和營養(yǎng)物質的惡化[8]。同時紅薯葉利用率較低，大部分都被遺棄在農(nóng)田，造成嚴重的環(huán)境污染和資源浪費[9]。紅薯葉如若干燥或研磨成粉末不僅可以減少儲存和運輸?shù)南麚p，還可更易添加到主食、休閑食品、飲料及干制輔料等食品中，以彌補食品中營養(yǎng)素的不足，提高紅薯葉的加工利用率。

熱風干燥是一種操作簡單、生產(chǎn)成本低的干燥技術，是目前果蔬干制品中運用最普遍且經(jīng)濟性較高的加工形式，干燥速率高、所用時間短，但對品質有不利影響[10]。干燥前的預處理對改善物料色澤、減少營養(yǎng)成分流失、縮短干燥時間等有著積極影響[11]。司金金等[12]研究得到紅薯葉的最佳燙漂處理條件為90 ℃、50 s。馬瑞等[13]發(fā)現(xiàn)，隨著漂燙溫度升高，預處理時間變短，黃花菜干制品中抗壞血酸、葉綠素含量提高，褐變度及5-羥甲基糠醛含量降低，產(chǎn)品色澤較好。

超聲作為一種現(xiàn)代化食品加工技術，能夠較好地保持食品組分的色、香、味及營養(yǎng)物質含量，改變物料組織結構，提高生產(chǎn)效率，減少能源消耗和污染[14-15]。為了提高干燥效率，熱風干燥通常在較高溫度下進行，增加了干燥過程中的能耗，同時高溫不利于食品中熱敏性成分和某些活性成分的保存。將超聲用于熱風干燥可降低熱風干燥溫度，減少耗能，提高熱風干燥效率[16]。

試驗擬研究超聲輔助超聲時間、超聲溫度、超聲功率和燙漂時間、燙漂液ZnAc2與EDTA-2Na質量比、燙漂溫度對紅薯葉熱風干燥過程中干基含水率、色澤、葉綠素含量和復水性的影響，以期為紅薯葉精深加工和高價值利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

紅薯葉：臺灣紅薯葉，陸馬綠色蔬菜農(nóng)產(chǎn)品基地；

乙醇、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)：分析純，天津市德恩化學試劑有限公司；

乙酸鋅(ZnAc2)：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；

石英砂：分析純，天津石英鐘廠霸州市化工分廠；

碳酸鈣粉：分析純，天津市大茂化學試劑廠。

1.1.2 儀器與設備

電子分析天平：JA2003-N型，上海佑科儀器儀表有限公司；

電熱鼓風干燥箱：101型，北京市永光明醫(yī)療器械廠；

電熱恒溫水?。篐H-S4型，北京科偉永興儀器有限公司；

紫外—可見分光光度計：UV-2600型，上海龍尼柯儀器有限公司；

色差儀：D-110型，美國愛色麗公司；

臺式電鏡：TM3030型，日本電子株式會社；

數(shù)控超聲波清洗器：KQ-500DE型，昆山市超聲儀器有限公司；

冰箱：BC型，青島海爾股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 紅薯葉燙漂預處理工藝

挑選→清洗→瀝干→燙漂→冷卻、瀝水→干燥

(1)燙漂時間：固定燙漂溫度90 ℃、ZnAc2與EDTA-2Na質量比1∶1，燙漂時間分別為30，60，90，120，150 s，探究燙漂時間對紅薯葉色澤、葉綠素和復水性的影響。

(2)ZnAc2與EDTA-2Na質量比：最佳燙漂時間，燙漂溫度90 ℃，ZnAc2與EDTA-2Na質量比分別為1∶1，1∶2，1∶3，2∶1，3∶1(護色劑總量3 g/kg水)，探究ZnAc2與EDTA-2Na質量比對紅薯葉色澤、葉綠素和復水性的影響。

(3)燙漂溫度：最佳ZnAc2與EDTA-2Na質量比和燙漂時間下，燙漂溫度分別為80，85，90，95，100 ℃，探究燙漂溫度對紅薯葉色澤、葉綠素和復水性的影響。

1.2.2 紅薯葉超聲預處理工藝

挑選→清洗→瀝干→超聲→冷卻、瀝水→干燥

(1)超聲時間：超聲溫度60 ℃、超聲功率200 W，超聲時間分別為5，10，15，20，25，30 min，探究超聲時間對紅薯葉色澤、葉綠素和復水性的影響。

(2)超聲功率：超聲溫度60 ℃、最佳超聲時間，超聲功率分別為200，250，300，350，400 W，探究超聲功率對紅薯葉色澤、葉綠素和復水性的影響。

(3)超聲溫度：最佳超聲時間和超聲功率下，超聲溫度分別為40，50，60，70，80 ℃，探究超聲溫度對紅薯葉色澤、葉綠素和復水性的影響。

1.2.3 色澤的測定 參照文獻[18]的方法,分別按式(1)和(2)計算色度變化值和飽和度。

(1)

(2)

式中：

L——明暗指數(shù)；

a——紅綠值；

b——黃藍值；

ΔE——色差值；

C——色調飽和度；

L0、a0、b0、C0——新鮮紅薯葉色度值，L0=48.81，a0=-6.00，b0=17.69，C0=18.91。

1.2.4 葉綠素含量的測定 根據(jù)文獻[17]修改如下：準確稱取0.20 g干制紅薯葉，向研缽中加入95%乙醇溶液3 mL和少許石英砂、碳酸鈣粉(用于中和酸性，防止葉綠素酯酶分解葉綠素)并研磨成勻漿，再加入95%乙醇溶液2 mL繼續(xù)研磨至組織細膩變白，濾紙過濾至25 mL容量瓶，用滴管吸取95%乙醇溶液將缽體洗凈，清洗過濾至容量瓶中，并用95%乙醇溶液沿濾紙周圍洗脫色素至濾紙及組織殘渣全部變白，用95%乙醇溶液定容至25 mL，于645，663 nm處測定溶液吸光值，按式(3)和(4)計算葉綠素含量。

N=20.21×A645+8.02×A663，

(3)

(4)

式中：

A663——663 nm下紅薯葉提取液吸光度；

A645——645 nm下紅薯葉提取液吸光度；

N——25 mL溶液中葉綠素濃度，mg/L；

D——葉綠素含量，mg/g；

V——提取液體積，mL；

m——紅薯葉質量，g。

1.2.5 復水率的測定 取干燥后的紅薯葉，加入300 mL清水，室溫下浸泡2 h，濾紙瀝干表面水分，稱重，每個樣品重復3次，按式(5)計算復水率[18]。

(5)

式中：

R——干燥紅薯葉復水率，%；

m1——紅薯葉樣品質量，g；

m2——樣品復水后的瀝干質量，g。

1.2.6 干基含水率測定 按GB/T 5009.2—2016執(zhí)行，以干基濕含量表示含水率[19]，并按式(6)進行計算。

(6)

式中：

Md——干基含水率，g/g；

mw——物料中水分含量，g；

md——物料中干物質質量，g。

1.2.7 微觀結構測定 紅薯葉經(jīng)熱風干燥后，取約0.2 cm 大小正方形干制品進行微觀結構測定[20]。

1.2.8 能耗測定 分為干燥前預處理和干燥過程能耗兩部分，只考慮機器自身的實際輸出功率能耗，忽略預處理過程和干燥系統(tǒng)中其他設備以及物料自身的熱損失，按式(7)計算系統(tǒng)能耗[20]。

(7)

式中：

t1——預處理所需時間，s；

t2——干燥所需時間，s；

P1——預處理輸入功率，W；

P2——熱風干燥箱輸入功率，W；

E——總能耗，J。

1.2.9 數(shù)據(jù)處理 采用Origin 8.5軟件進行統(tǒng)計分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 燙漂工藝對紅薯葉熱風干燥的影響

2.1.1 燙漂時間 由圖1可知，干基含水率隨干燥時間的增長逐漸減小，在相同干燥時間內，隨燙漂時間的增長，干基含水率先減小后增大再減小，前期燙漂時間增長有利于紅薯葉內部組織結構變得疏松稚嫩，結合水相對減少，因此所需干燥時間變短[21]，燙漂時間過長會破壞細胞孔隙，不利于水分散失，造成干燥速率減小。葉綠素含量隨燙漂時間的增長先增大后減小，當燙漂時間為60 s時，葉綠素含量最高(6.96 mg/g)；當燙漂時間為150 s時，葉綠素含量最低(5.04 mg/g)，燙漂時間太長一部分葉綠素溶于預處理液中，另一部分葉綠素結構被破壞，因此紅薯葉葉綠素含量開始下降。復水率隨燙漂時間的增長先減小后增大，當燙漂時間為30，120 s時，復水率最高，為184%，當燙漂時間為90 s時，復水率最低，為164%。

由表1可知，L值隨燙漂預處理時間的增長先增大后減小，當燙漂時間為60 s時，達到最大值，此時，C值較大(所有產(chǎn)品中顏色最亮的)，ΔE最小(與新鮮紅薯葉相比色差值最小)，說明適當?shù)念A處理可有效減少干燥過程中褐變的發(fā)生。燙漂時間為60 s時，干燥后紅薯葉的葉綠素含量最高，葉子表面褐變率最低，顏色最鮮亮，復水比和干燥速率都相對較高，因此選擇60 s為最佳燙漂時間。

2.1.2 ZnAc2與EDTA-2Na質量比 由圖2可知，在同一干燥時間下，干基含水率隨ZnAc2與EDTA-2Na質量比的增加先減小后增大，當ZnAc2與EDTA-2Na質量比為2∶1時，干基含水率最小，干燥速率最快；燙漂液中添加ZnAc2有利于紅薯葉表面水分遷移，但添加量過高會鎖住水分，阻礙水分移動，使得干燥過程中水分不易蒸發(fā)，因此，ZnAc2與EDTA-2Na質量比不易過高，否則不利于紅薯葉的干燥歷程[22-23]。復水率隨ZnAc2與EDTA-2Na質量比的增加先增大后減小，當ZnAc2與EDTA-2Na質量比為1∶2時，復水率達到最大值(176%)。葉綠素含量隨ZnAc2與EDTA-2Na質量比的增加而增大，當ZnAc2與EDTA-2Na質量比為2∶1時，葉綠素含量增加開始變得緩慢，可能是燙漂液中的ZnAc2更有利于維護葉綠素結構，能較好地保留紅薯葉中的葉綠素。

圖1 燙漂時間對紅薯葉干基含水率、復水率和葉綠素含量的影響

表1 燙漂時間對紅薯葉色澤的影響?

? 字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖2 ZnAc2與EDTA-2Na質量比對紅薯葉干基含水率、復水率和葉綠素含量的影響

由表2可知，L值隨ZnAc2與EDTA-2Na質量比的增加先減小后增大，當ZnAc2與EDTA-2Na質量比為1∶1時，L值最低，為31.06，此時紅薯葉氧化最嚴重，顏色最黯淡；當適當?shù)卦黾覼nAc2與EDTA-2Na質量比時，紅薯葉表面鮮亮度開始升高，可能是熱燙過程中，ZnAc2在紅薯葉表面形成一層保護膜，可防止干燥過程中氧氣進入紅薯葉中，減小氧化程度[17]。當ZnAc2與EDTA-2Na質量比為2∶1時，C值相對較大，ΔE相對較小，結合干燥后紅薯葉的干燥速率、復水率、葉綠素含量以及L值可知，ZnAc2與EDTA-2Na質量比2∶1為最佳的燙漂液比例，此時干燥效果最佳。

2.1.3 燙漂溫度 由圖3可知，燙漂溫度對干基含水率影響不顯著(P>0.05)，可能是高溫使紅薯葉結構變得更通透，細胞完全張開，水分更易蒸發(fā)，因此干燥過程中干燥速率較高。葉綠素含量隨燙漂溫度升高而減??；當燙漂溫度為80 ℃時，葉綠素含量最高，為8.92 mg/g；當燙漂溫度為100 ℃時，葉綠素含量最低；燙漂溫度越高，熱敏性營養(yǎng)物質越易溶于水中或水溶性營養(yǎng)分子被蒸發(fā)至空氣中，燙漂溫度過高甚至會破壞細胞結構，導致營養(yǎng)物質含量降低。復水率隨燙漂液溫度的升高先減小后增大，當燙漂溫度為90 ℃時達到最小值(171%)；燙漂溫度越高，細胞損壞越大，干燥后產(chǎn)品復水率越小，細胞孔隙也就越大，部分細胞的孔隙可能受損，但開口吸水作用大于細胞受損吸水能力，因此吸水能力越強；繼續(xù)升高燙漂溫度，自由水越容易丟失，干燥速率相對較快，細胞孔隙處于開放狀態(tài)，因此，當燙漂溫度為100 ℃時，復水率最高。

表2 ZnAc2與EDTA-2Na質量比對紅薯葉色澤的影響?

? 字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖3 燙漂溫度對紅薯葉干基含水率、復水率和葉綠素含量的影響

由表3可知，L值隨燙漂溫度的升高逐漸減小，ΔE隨燙漂溫度的升高逐漸增大，紅薯葉表面變得暗淡，當燙漂溫度為80 ℃時，L值最高，為38.86，ΔE最低為13.07，C值相對較大。燙漂溫度越高，燙漂過程中紅薯葉褐變程度越大，葉子表面色素積沉，故干燥后的紅薯葉表面顏色稍暗，色澤越差，另一方面可能是紅薯葉在高溫燙漂后進行冷卻瀝水過程中與空氣接觸，溫差過大，加快褐變反應導致葉子表面色素沉積。因此選擇最佳燙漂溫度80 ℃。

表3 燙漂溫度對紅薯葉色澤的影響?

? 字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

由單因素試驗可得，最佳燙漂工藝為燙漂時間60 s、燙漂液ZnAc2與EDTA-2Na質量比2∶1、燙漂溫度80 ℃，對此工藝條件進行驗證實驗(n=3)，結果表明，燙漂預處理后紅薯葉干基含水率曲線與前期測得的重合，復水率為189%，葉綠素含量為8.92 mg/g，L值為38.86。

2.2 超聲預處理對紅薯葉熱風干燥的影響

2.2.1 超聲時間 由圖4可知，干基含水率隨超聲時間的增長先減小后增大。當超聲時間為15 min時，干基含水率最小，干燥速率最快；當超聲時間>15 min時，干基含水率突增；當超聲時間為30 min時，干基含水率最大，所需干燥時間最長。復水率與葉綠素含量隨超聲時間的增長先增大后減小，當超聲時間為10 min時均達最大值(葉綠素含量為7.42 mg/g，復水率為168%)。超聲適當時間可以疏化紅薯葉的結構組織，加快干燥過程中結合水分的散發(fā)[24]；超聲波可穿透紅薯葉表面，有助于細胞孔隙的開放，超聲時間過長會破壞葉子本身的組織結構及含有的營養(yǎng)物質分子，復水性變差，葉綠素含量也急劇下降。

由表4可知，L值隨超聲時間的增長逐漸下降，紅薯葉表面變得灰暗，從而影響色澤的感官評價[25]。超聲時間越長，與水接觸時間越長，葉子表面氧化程度越高，就會失去紅薯原有的色度。當超聲時間為5 min時，L值最大，與超聲10 min的僅相差1.47，ΔE最小，與超聲10 min 的僅相差1.24；當超聲10 min時，色澤飽和度C值最高，再結合葉綠素含量和復水率，選擇10 min為最佳超聲時間。

2.2.2 超聲功率 由圖5可知，同一干燥時間下，超聲功率越大，干基含水率越大；當超聲功率為200 W時，干基含水率最小、干燥速率最快。葉綠素含量與復水率均隨超聲功率的升高先增大后減小，當超聲功率為300 W時達到峰值，干燥效果最優(yōu)。在一定范圍內，超聲功率越高，干燥速率越慢，影響后期紅薯葉的干燥歷程；超聲功率越大，穿透力越強，對紅薯葉開孔作用越大；紅薯葉具有一定的恢復能力，當大于恢復能力時，紅薯葉無法平衡超聲波的穿透作用，自身結構被破壞，復水性變差。

圖4 超聲時間對紅薯葉干基含水率、復水率和葉綠素含量的影響

表4 超聲時間對紅薯葉色澤的影響?

? 字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

由表5可知，L值、C值隨超聲功率的增大先增大后減小，當超聲功率為350 W時取得最大值(L為37.87、C為14.79)；當超聲功率>350 W時，L值和C值急劇下降。ΔE隨超聲功率的升高先減小后增大，當超聲功率為300 W時，L(35.22)、C和ΔE值與最大值相差較小。在一定范圍內，超聲功率的增大可有效防止紅薯葉在干燥過程中過度氧化，亮度減小。綜合考慮，選取300 W為最佳超聲功率。

2.2.3 超聲溫度 由圖6可知，在一定范圍內，干基含水率隨超聲溫度的升高而減小，可能是超聲溫度影響了超聲波在紅薯葉中的穿透能力，導致水分不能較快散失，造成后期干燥速率較低；當超聲溫度為40 ℃時，干基含水率最高。復水率隨超聲溫度的升高先降低后增加，當超聲溫度為60 ℃時取得最小值(175%)，與超聲溫度越高，細胞組織越疏松不符，可能是超聲預處理影響了溫度對干燥后紅薯葉的復水性。葉綠素含量隨超聲溫度的升高逐漸減小，溫度越高，葉綠素越易溶于水中，甚至蒸發(fā)散失，當超聲溫度為40 ℃時取得最大值(8.89 mg/g)。

圖5 超聲功率對紅薯葉干基含水率、復水率和葉綠素含量的影響

表5 超聲功率對紅薯葉色澤的影響?

? 字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

圖6 超聲溫度對紅薯葉干基含水率、復水率和葉綠素含量的影響

由表6可知，L值隨超聲溫度的升高而降低，當超聲溫度為40 ℃時達最高(36.83)，C值相對較大，ΔE相對最小，表明超聲溫度對紅薯葉干燥后的色澤影響較大，隨超聲溫度的增大，葉子表面色澤越暗淡。綜合考慮，選取40 ℃為最佳超聲溫度。

由單因素試驗可知，最佳超聲預處理工藝為超聲時間10 min、超聲功率300 W、超聲溫度40 ℃，對此工藝條件進行驗證實驗(n=3)，結果表明，超聲預處理后紅薯葉干基含水率與前期測得的重合度達99.9%，復水率為242%，綠素含量為8.88 mg/g，L值為36.83。

2.3 紅薯葉微觀結構分析

由圖7可知，熱燙干燥后紅薯葉結構緊密，伸縮率高，細胞開孔率高，脆性較高，表面皺縮率更大，因經(jīng)過熱燙，紅薯葉表面結構更柔軟，干燥過程中遇到高溫極易收縮，所以褶皺率更大。超聲處理后紅薯葉結構稍平坦均勻，組織整體結構較為疏松完整，并且細胞開孔稍大，復水率更高，因此組織面積孔隙率較低。

圖7 干燥紅薯葉電鏡圖

表6 超聲溫度對紅薯葉色澤的影響?

? 字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

2.4 能耗計算

由表7可知，燙漂預處理工藝的前處理過程能耗高于超聲預處理的，但干燥過程的能耗低，耗時少，總能耗比超聲工藝的低35.71 kJ/g。

表7 燙漂與超聲預處理下的能耗

3 結論

試驗結果表明，紅薯葉的最佳燙漂工藝為燙漂時間60 s、燙漂液ZnAc2與EDTA-2Na質量比2∶1、燙漂溫度80 ℃，此時葉綠素含量為8.92 mg/g，復水率為189%，L值為38.86；紅薯葉的最佳超聲工藝為超聲時間10 min、超聲功率300 W、超聲溫度40 ℃，此時葉綠素含量為8.88 mg/g，復水率為242%，L值為36.83。經(jīng)過護色液燙漂處理的紅薯葉干燥后的葉綠素含量和L值較高，而經(jīng)過超聲處理的紅薯葉干燥后復水率較高；經(jīng)超聲處理的紅薯葉干燥速率高于護色液處理的紅薯葉的，皺縮率低；經(jīng)燙漂處理的紅薯葉前處理能耗比超聲前處理的高1.46 kJ/g，總能耗比超聲預處理的低35.71 kJ/g。試驗為紅薯葉干燥預處理工藝提供了新思路，但僅涉及一種干燥方法，后期可對多種干燥方式進行探究以提高紅薯葉的干燥效率。