基于酒花水分含量變化研究變溫干燥模式對酒花干燥效率的影響

洪 凱，楊赟毓, ，范玉芳，馬偉成，宋玉梅，謝 鑫，馬長偉,

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，中國輕工業(yè)食品生物工程重點實驗室，北京 100083；2.玉門拓璞科技開發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅玉門 735211；3.北京燕京啤酒股份有限公司，北京 101300）

酒花（Humulus lupulusL.），其學(xué)名為蛇麻，又稱啤酒花、香蛇麻、蛇麻草和忽布，是一種多年生雌雄異株攀緣植物，我國種植區(qū)域主要分布在新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地[1]。酒花在發(fā)芽3個月后可生長出球果，稱為現(xiàn)蕾，通常在現(xiàn)蕾后1～2個月內(nèi)收獲[2]，并進行烘干造粒。酒花為啤酒提供苦味、滋味和香氣，這主要來自于酒花中的苦味酸（α-酸、β-酸）[3]、多酚[4]和萜類等化合物[5]。其中α-酸、β-酸含有雙鍵，是酮的衍生物，其性質(zhì)活潑，在酒花烘干過程中易被氧化，從而造成酒花在干燥和貯藏過程中貯藏指數(shù)上升[6]。烘干溫度過高還可能造成酒花精油的損失[7]和多酚的氧化[8]，最終影響啤酒的香氣和滋味[9-10]。近年來，隨著精釀啤酒在我國的興起，啤酒生產(chǎn)企業(yè)及精釀廠商對于高品質(zhì)酒花產(chǎn)品的需求越來越旺盛[11]。因此，研究如何設(shè)計合適的干燥溫度梯度，以獲得高品質(zhì)的酒花產(chǎn)品，提高酒花加工質(zhì)量，就顯得非常重要。

在食品工業(yè)中，物料的干燥分為恒速干燥和降速干燥，其中以降速干燥最為常見，干燥操作的強化須從改善內(nèi)部擴散著眼[12-13]。酒花獨特的結(jié)構(gòu)特征給酒花高效干燥帶來了挑戰(zhàn)，酒花由花軸和以花軸為中心生長的外部苞片組成[14]，在酒花干燥過程中，苞片干燥較快，而內(nèi)部含水量更高的花軸干燥較慢，最終導(dǎo)致酒花干燥周期變長或干燥不充分。因此，控制酒花的烘干溫度對獲得良好的酒花品質(zhì)至關(guān)重要。為此，本文重點研究不同變溫干燥模式對甘肅地區(qū)酒花品種‘拓璞1號’干燥效率的影響，并將試驗結(jié)果在實際生產(chǎn)中進行驗證，以評估烘干工藝對酒花干燥效率及酒花品質(zhì)的影響，為企業(yè)改進生產(chǎn)工藝提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

酒花 ‘拓璞1號’酒花采收自玉門拓璞科技開發(fā)有限責(zé)任公司酒花生產(chǎn)基地；槲皮素、沒食子酸、福林酚、甲苯、甲醇、氫氧化鈉、碳酸鈉等其他試劑AR，上海麥克林生化科技有限公司。

精創(chuàng)RC-4溫濕度記錄儀 江蘇省精創(chuàng)電氣股份有限公司；N4紫外可見分光光度計 上海儀電分析儀器有限公司制造；高速多功能粉碎機 永康市鉑歐五金制品有限公司；BSA224S-CW電子天平 無錫英衡電子有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海丙林電子科技有限公司；ZD-85雙功能氣浴恒溫振蕩器金壇市城西崢嶸實驗儀器廠；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋

常州天瑞儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 烘箱變溫干燥模式設(shè)計 將采集的樣品使用改造后的烘箱（使用鐵板密封酒花層上方側(cè)面進風(fēng)通道，確保熱風(fēng)從下往上通過酒花層）分別進行下列4種變溫干燥模式處理：

40～60 ℃：初始溫度為40 ℃，在7 h內(nèi)逐漸上升至60 ℃；

30～50 ℃：初始溫度為30 ℃，在7 h內(nèi)逐漸上升至50 ℃；

30～40 ℃：初始溫度為30 ℃，在7 h內(nèi)逐漸上升至40 ℃；

30～60～40 ℃：初始溫度為 30 ℃，在 5.5 h 內(nèi)上升至60 ℃，隨后的1.5 h下降至40 ℃（模擬生產(chǎn)中干燥末期使用余熱烘干）。

幼樹修剪，有利于主枝發(fā)育，提高核桃樹的長勢。幼樹修剪從每年8月下旬開始，秋季修剪有助于傷口愈合。修剪過程中一般將主干的高度控制在50-80 cm之間，定植當(dāng)年通常不做任何修剪，只需要將主干扶正并且對頂芽進行保護即可。等到春季發(fā)芽之后，需要對頂芽進行控制，一般在5-6月進行修剪，將頂芽下部分布均勻、生長較為旺盛的5-6個嫩芽作為萌發(fā)的側(cè)枝予以保留即可。次年按照同樣的方法進行修剪，培育第二層的主枝，留2-3個主枝即可，第三年對第三層主枝進行修剪。

1.2.2 烘箱干燥模式中酒花含水量測定 使用經(jīng)典質(zhì)量法測定酒花含水量[15]。即從烘箱中取得的酒花樣品（約30顆酒花球果），使用四分法進行分選，并用醫(yī)用剪刀剝離每顆酒花的苞片和花軸，剪切成碎片，置于103 ℃下烘干至恒重，稱量烘烤前后的酒花質(zhì)量，計算酒花苞片、酒花軸及酒花整體水分含量。

1.2.3 烘箱干燥模式中酒花層溫濕度測定 烘箱內(nèi)的酒花層高度為15 cm，厚度均勻。分別將距離烘箱烘烤架底部 10～15、5～10和 0～5 cm的空間記為酒花層上層、中層、下層。在各酒花層位置分別放置精創(chuàng)RC-4溫濕度記錄儀，記錄整個烘干過程中酒花層溫濕度變化；使用溫濕度儀數(shù)據(jù)收集軟件RC-4&5 Conventional （V2.0） 收集酒花層溫濕度數(shù)據(jù)。

1.2.4 車間烤池變溫干燥模式設(shè)計 對比分析以上四種變溫干燥模式對烘箱干燥過程中酒花干燥效率的影響，以7 h內(nèi)酒花整體水分含量為評價指標(biāo)，選擇 30～50 ℃ 以及 30～60～40 ℃ 兩種變溫干燥模式進行車間大批量干燥實驗的驗證。車間干燥以‘拓璞1號’為試驗樣品，使用單層高床烤池進行烘干（圖1）。酒花層高度為50 cm，酒花厚度一致。分別將距離烤池底部 35～50、15～35和 0～15 cm的空間記為酒花層上層、中層、下層。

圖1 單層高床烤池示意圖Fig.1 Sketch map of single-layer bakery

1.2.5 車間烤池變溫干燥模式下酒花水分含量及酒花層相對濕度測定 酒花水分含量及酒花層相對濕度測定參照1.2.2、1.2.3中的方法進行測定。

1.2.6 車間烤池變溫干燥模式下酒花品質(zhì)指標(biāo)測定

1.2.6.1 酒花苦味酸和酒花貯藏指數(shù)測定 酒花α-酸、β-酸、貯藏指數(shù)的測定參照GB/T 20369-2006《啤酒花制品》中的紫外分光光度法與貯藏指數(shù)測定法[16]。

1.2.6.3 酒花多酚含量測定 參考Kowalczyk等[18]的方法，并作修改。稱取粉碎的酒花1.0 g（一式三份），加入30 mL 50%乙醇，于40℃下振蕩1 h，離心 （10 min，8000 r/min） 收集上清液，將沉淀再次提取兩次，合并上清液并使用50%乙醇補足至100 mL。取1 mL萃取液，加入4 mL福林酚試劑（福林酚稀釋5倍后使用），反應(yīng)3 min后，加入5 mL的 Na2CO3溶液 （7.5%, w/v），靜置 1 h后于740 nm測定吸光值。多酚含量用沒食子酸當(dāng)量表示為mg·g-1。

1.2.6.4 酒花鐵還原能力測定 參考Kowalczyk等[18]的方法，并作修改。取0.25 mL萃取液，加0.75 mL蒸餾水，加入2.5 mL濃度為0.2 mol·L-1的pH為6.6的磷酸鹽緩沖溶液，2.5 mL 10%的三氯乙酸和2.5 mL 1%的鐵氰化鉀溶液混合，于50 ℃反應(yīng)20 min，之后取2.5 mL反應(yīng)液，加入0.5 mL 0.1%三氯化鐵與2.5 mL蒸餾水，室溫下反應(yīng)50 min，于700 nm比色測定吸光度。鐵還原能力以抗壞血酸當(dāng)量表示為mmol·L-1。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)由 Excel 2016、Origin2017、SPSS21等軟件進行處理，對數(shù)據(jù)進行計算、擬合以及圖表的繪制。結(jié)果中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SD）的形式進行表示，并對品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進行顯著性分析，以不同字母 a、b、c、d 表示差異顯著（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同變溫干燥模式對烘箱干燥中酒花含水量、酒花層相對濕度的影響

在酒花干燥的研究中，通常通過測定酒花烘干過程中的整體水分含量來評估酒花的干燥進程，但是鮮有測定酒花苞片或花軸的水分來綜合分析其含水量變化規(guī)律。酒花在整個干燥過程中外層苞片及內(nèi)部花軸的水分流失速度存在較大差異，一部分原因是由于酒花苞片和花軸的相對空間位置差異，酒花苞片結(jié)構(gòu)松散，而花軸部分結(jié)構(gòu)致密又被酒花苞片包被，造成酒花花軸的干燥速度遠(yuǎn)低于外層苞片的干燥速度。如圖2A所示，采用40～60 ℃變溫干燥的酒花，在整個干燥過程中（7 h）其苞片水分由72.9%下降到19.5%，失水率為73.3%，而內(nèi)部花軸的水分由73.1%下降為58.7%，水分損失率為19.7%。

由圖中酒花苞片、花軸及整體水分的變化趨勢可知，在酒花干燥前期和后期，酒花的干燥速度存在差異。以酒花苞片的干燥速度為例，40～60 ℃變溫干燥的酒花在烘干時間5 h之前，酒花苞片水分的損失速度為8.99 RH·h-1，5 h之后的水分損失速度為5.55 RH·h-1；30～50 ℃ 變溫干燥的酒花在前 4 h 的水分損失速度為 11.76 RH·h-1，4 h 之后為 6.95 RH· h-1；30～40 ℃變溫干燥的酒花在前5 h的水分損失速度為 9.31 RH·h-1，5 h 之后為 1.39 RH·h-1；30～60～40 ℃在整個烘干期間其苞片水分損失速度差異不明顯。這表明酒花在干燥過程中，其干燥速度變化類型與干燥溫度有關(guān)，為降速干燥或恒速干燥方式。

分析四種不同的變溫干燥模式對酒花干燥效率的影響。由圖2可知，以酒花整體水分為評價指標(biāo)，四種不同變溫干燥模式下，酒花整體含水量均隨干燥時間的延長而下降。不同干燥模式影響酒花的干燥效率，采用 40～60 ℃、30～50 ℃、30～40 ℃、30～60～40 ℃變溫干燥的酒花在干燥終點（7 h）時其失水率分別為33.78%、54.48%、31.60%和49.82%，烘干早期溫度較高（40～60 ℃）或烘干中后期溫度較低（30～40 ℃）均會造成酒花干燥效率較低。這一結(jié)果與廖正宣[10]和舒翔等[19]的研究結(jié)果是相近的，即酒花烘干初期的溫度應(yīng)在30～35 ℃, 中期溫度控制在40～45 ℃, 后期溫度控制在50～55 ℃。烘干早期由于酒花干燥室及酒花層的濕度較高，過高的烘干溫度反而不利于水分的蒸發(fā)（圖2A）；而烘干中后期溫度較低，則會大大降低干燥效率，如圖2C所示，采用30～40 ℃變溫干燥的酒花其干燥終點的水分最高，其酒花層濕度也在較長時間內(nèi)處于較低水平，表明酒花內(nèi)部的水分向外遷移受阻。

圖2 不同烘干溫度下酒花含水量及酒花層相對濕度變化Fig.2 Change of moisture content of hops and RH value of hop layers baked with different temperatures

綜上所述，在所研究的四種變溫干燥模式中，采用 30～50 ℃ 和 30～60～40 ℃ 兩種變溫干燥模式干燥酒花的效果更佳。

2.2 不同變溫干燥模式對烤池干燥中酒花層溫濕度的影響

根據(jù)2.1部分的實驗結(jié)果，以酒花整體水分為評價指標(biāo)分析，采用 30～50 ℃ 變溫干燥、30～60～40 ℃變溫干燥的干燥方案其效果較好。實驗進一步將以上兩種干燥工藝在生產(chǎn)車間進行了驗證比較，并使用干燥模型對酒花水分比變化進行擬合，分析其干燥類型及變化規(guī)律。

實驗跟蹤記錄了生產(chǎn)車間烤池中酒花的干燥進程（30～50 ℃ 變溫干燥；30～60～40 ℃ 變溫干燥），采用智能溫濕度記錄儀實時監(jiān)測了烤池酒花層的相對溫濕度變化。由圖3B及3D可知，酒花層相對濕度呈先降低后穩(wěn)定的趨勢，表明酒花在干燥過程中首先經(jīng)歷一個水分快速損失的階段，即快速排潮階段[20]，之后酒花的干燥速度相對平穩(wěn)。在水分快速損失階段，其損失的水分來自于酒花外層花苞及內(nèi)部花軸，而隨著外層花苞的干燥，逐漸開始影響內(nèi)部水分的向外遷移。對比這兩種不同的干燥工藝下的酒花層相對濕度變化，30～50 ℃ 變溫干燥和 30～60～40 ℃ 變溫干燥酒花層的相對濕度分別在前6 h（圖3B）和4 h（圖3D）的時間內(nèi)下降到20%左右，即完成快速排潮，隨后保持相對穩(wěn)定。

圖3 生產(chǎn)車間不同烘干溫度下酒花層溫濕度變化Fig.3 Changes of temperature and humidity in hop layers baked with different baking temperatures in workshop

2.3 不同變溫干燥模式對烤池干燥中酒花水分含量的影響

食品物料在干燥動力學(xué)中一般滿足恒速干燥或降速干燥模型[21]，在降速干燥模型中，一般采用Weibull等方程進行擬合[22-23]。實驗進一步分析了30～50 ℃ 變溫干燥及 30～60～40 ℃ 變溫干燥模式下，酒花上、中、下層的苞片、花軸以及整體水分含量的變化，分別利用線性方程和Weibull函數(shù)模擬其干燥曲線，并計算其決定系數(shù)R2，離差平方和χ2以及RMSE值（表1）。

由表1 可以看出，不同烘干溫度下酒花苞片或花軸擬合函數(shù)的決定系數(shù)R2有較大差異，選擇擬合效果更好的模型對曲線進行擬合，結(jié)果如圖4。由擬合結(jié)果可知，線性方程可更好地擬合30～50 ℃干燥組中花軸水分含量和整體水分含量（R2＞0.96），以及30～60～40 ℃干燥組中上層酒花花軸水分含量，表明其水分干燥模式為恒速干燥。而Weibull分布函數(shù)能夠更好地模擬酒花苞片的干燥曲線，在干燥過程中，Weibull 分布函數(shù)中的尺度參數(shù)α表示干燥過程的速率常數(shù)，其值約等于干燥過程完成63%所需要的時間（以h表示），即尺度參數(shù)α越小，其干燥效率越高。由表1可以看出，采用30～50 ℃干燥模式時，酒花上、中、下層苞片的尺度參數(shù)α分別為5.62、5.21 和 4.33；而采用 30～60～40 ℃ 干燥時，這一參數(shù)分別為4.65、3.96和2.42。由此結(jié)果可知，不同酒花層的酒花干燥效率存在差異，且采用30～60～40 ℃干燥模式下的酒花苞片更易失去水分。

圖4 生產(chǎn)車間不同烘干溫度下酒花部位的水分比變化Fig.4 Change of hop moisture ratio with different drying temperature in workshop

表1 Weibull和Line函數(shù)模擬酒花干燥試驗測試數(shù)據(jù)Table 1 Data of hop drying test functional simulation by Weibull and Line functions

形狀參數(shù)β與干燥過程中水分遷移機理相關(guān)[24-25]：形狀參數(shù)β在0.3～1.0之間時，表示物料在干燥過程中是由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制，即表現(xiàn)降速干燥的特點。由表中分析結(jié)果可知，在符合Weibull模型擬合的實驗組中，采用30～60～40 ℃干燥模式下的形狀參數(shù)β值大多均小于1，表明以上所研究的酒花部位其干燥類型均為降速干燥。而采用30～50 ℃干燥的酒花整體水分均滿足線性擬合，表明其整體水分干燥屬于恒速干燥。進一步對酒花整體水分的烘干效率進行評估，使用以上的擬合方程計算當(dāng)整體水分為20%時各層酒花所需的烘干時間，得出，采用30～50 ℃變溫干燥組上中下酒花層所需的干燥時間為 16.76、14.36 和 13.61 h，而采用 30～60～40 ℃ 變溫干燥組為19.93、22.28和19.70 h。表明采用30～50 ℃干燥對酒花的干燥效率更高。結(jié)合30～60～40 ℃的尺度參數(shù)更低，推斷其整體水分干燥進程受阻是由于其外層苞片水分的快速損失所致。

Dcal表示干燥過程中估算的水分?jǐn)U散系數(shù)，表明水分?jǐn)U散的速度，其值越大，表明水分?jǐn)U散越快[25-26]。30～50 ℃干燥溫度下酒花層從上到下苞片的水分?jǐn)U散系數(shù)逐漸增大，分別為 0.26×10-9、0.28×10-9、0.33×10-9m2·s-1。而對于 30～60～40 ℃ 干燥組，這一值分別為 0.31×10-9、0.36×10-9、0.60×10-9m2·s-1，表明 30～60～40 ℃干燥下酒花苞片干燥速率更快。且苞片的水分?jǐn)U散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整體酒花的水分?jǐn)U散系數(shù)，即外部苞片的水分干燥速率遠(yuǎn)快于內(nèi)部花軸，這與2.1的研究結(jié)果一致。

2.4 不同變溫干燥模式對烤池干燥中酒花品質(zhì)的影響

在烘干車間中采用兩種不同烘干溫度生產(chǎn)的酒花品質(zhì)指標(biāo)測定結(jié)果如表2所示，其中貯藏指數(shù)是評價酒花加工品質(zhì)、衡量酒花老化程度的重要指標(biāo)。由表中檢測數(shù)據(jù)可知，采用30～50 ℃和30～60～40 ℃干燥對酒花苦味酸含量、貯藏指數(shù)、多酚含量及其鐵還原力均無顯著影響；而兩種干燥模式對酒花精油含量影響顯著（P＜0.05），30～60～40 ℃ 變溫干燥的酒花具有更高的精油含量，為0.63%，約比30～50 ℃變溫干燥下（0.44%）高43%，這可能是由于30～60～40 ℃干燥后期的溫度更低，由于蒸發(fā)作用導(dǎo)致的精油損失更少。

表2 不同烘干工藝下酒花產(chǎn)品品質(zhì)指標(biāo)比較Table 2 Quality index of hops products with different drying methods

3 結(jié)論

烘箱干燥實驗中，30～50 ℃ 和 30～60～40 ℃ 變溫干燥較40～60 ℃、30～40 ℃變溫干燥模式明顯提高了酒花的干燥效率，進一步通過車間烤池實驗驗證得出，當(dāng)酒花整體水分為20%時，采用30～50 ℃變溫干燥組上中下酒花層所需的干燥時間為16.76、14.36 和 13.61 h，而采用 30～60～40 ℃ 變溫干燥組為 19.93、22.28和 19.70 h，表明 30～50 ℃ 變溫干燥組的干燥效率要高于30～60～40 ℃干燥組。本研究不僅驗證了前期低溫、后期高溫的變溫干燥模式下酒花的干燥效率更佳，還分析了形成較高干燥效率的原因可能是在這樣的干燥模式下（30～50 ℃），其整體酒花干燥處于恒速干燥模式（整體水分含量變化滿足線性擬合），而兩種變溫干燥模式對酒花苦味酸含量、貯藏指數(shù)、多酚含量及其鐵還原力均無顯著影響，30～60～40 ℃干燥組的酒花精油含量更高。該工藝技術(shù)可為企業(yè)進行酒花干燥和其它類似產(chǎn)品的加工提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。但本研究尚有不足之處，如未考慮熱風(fēng)風(fēng)速對酒花干燥效率的影響等，需要綜合不同風(fēng)速下變溫干燥模式對酒花干燥效率的影響。