云南栘依熱風干燥動力學模型及品質(zhì)變化

王安娜　彭小偉　胡艷　闞歡　王大瑋　邱旭　劉云

關鍵詞：云南栘依；熱風干燥；干燥動力學；品質(zhì)分析

中圖分類號：TS255.3 文獻標識碼：A

云南栘依[Docynia delavayi （Franch.） Schneid.]為薔薇科（Rosaceae）栘依屬（Docynia）植物，其資源豐富[1]，具有藥食兩用的特性，在云南一帶極為常見，當?shù)厝私?jīng)常用其果替代山楂來食用，果實富含多酚、黃酮、多糖等多種活性成分[2]，具有抗氧化、抗炎、降低心血管疾病等功效[3-5]。

目前，云南栘依的研究集中于活性物質(zhì)[4-6]及產(chǎn)品開發(fā)等方面，主要產(chǎn)品有果醋、果酒、果汁、果脯等[7-10]。然而，新鮮云南栘依在儲存運輸過程中會發(fā)生物理損壞、營養(yǎng)流失及腐敗變質(zhì)等情況，導致其品質(zhì)下降，成本也隨之增加。干燥是食品保存的方法之一[11]，主要通過使材料脫水，達到延長保質(zhì)期、延緩食品腐爛的目的[12]，也是活性成分提取的必要工藝?，F(xiàn)階段食品原料的干燥方式主要集中于熱風、熱泵、真空、微波等[13]，與自然干燥相比，不僅能提高效率，而且能獲得更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品原料[14]。

對于果蔬而言，不同的干燥方式、干燥溫度等均會影響品質(zhì)的變化，其中干燥溫度的影響最大[15]。同時，篩選適合果蔬的干燥模型對于準確預測其水分擴散的變化規(guī)律至關重要[14]。傳統(tǒng)自然干燥易受外部條件的影響，且品質(zhì)差[12]；冷凍干燥、真空干燥是重要的脫水方法，產(chǎn)品品質(zhì)較好，但成本高、操作不便[13]；熱泵干燥節(jié)能、成本低，但產(chǎn)品品質(zhì)較差[15]；熱風干燥是果蔬干燥中較為常見的方法，操作方便、成本低，適用于大批量生產(chǎn)加工[11]。忻曉庭等[16]以冷凍干燥為對照，研究了熱風干燥對冰菜品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)熱風80 ℃下與冷凍干燥的品質(zhì)接近。目前對于云南栘依干燥動力學及其品質(zhì)變化的研究鮮有報道。

為了云南栘依的儲運及最大程度保留其營養(yǎng)成分，增加經(jīng)濟效益，推動云南栘依產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，本研究通過不同熱風溫度干燥云南栘依，探究其干燥特性、干燥動力學模型，綜合評價不同溫度對云南栘依品質(zhì)的影響并對其進行相關性分析，為云南栘依的進一步開發(fā)利用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

云南栘依產(chǎn)自云南省臨滄市。蘆丁、沒食子酸、福林酚、1-二苯基-2-苦肼基自由基（DPPH）、2，2-聯(lián)氮- 二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二銨鹽（ABTS）購于上海源葉生物科技公司；苯酚、過氧化氫購于天津市風船化學試劑科技有限公司；以上試劑均為分析純。

DHG-9240A 電熱恒溫鼓風干燥箱，上海齊欣科學儀器有限公司；BJ-800A 粉碎機，永康市鉑歐五金制品有限公司；DT-1 電子天平，賽多利斯科學儀器公司；DK-98-2 恒溫水浴鍋，天津市泰斯特儀器有限公司；ST3100 電子pH 計，奧豪斯儀器（常州）有限公司；SC-80 輕便色彩色差計，北京康光儀器有限公司；SB25-12DTDS 超聲波清洗機，寧波新藝超聲設備有限公司；UV-2600 紫外可見分光光度計，日本島津公司。

1.2 方法

1.2.1 云南栘依預處理 取大小均勻、成熟度一致的新鮮云南栘依，洗凈、瀝干水分，后去籽、切片（厚度為5 mm），備用。

1.2.2 云南栘依的干燥工藝 取200.0 g 大小一致的云南栘依切片分散于不銹鋼烘盤上，在風速為1.5 m/s，干燥溫度分別為40、60、80、100 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中進行干燥，每隔1 h 取樣測定質(zhì)量。

1.2.3 干燥特性指標的測定 （1）干基含水量。干燥過程中干基含水量的測定參考《食品安全國家標準 食品中水分的測定》GB 5009.3—2016 的直接干燥法進行，計算如公式（1）所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Origin 2018 軟件對動力學模型進行擬合及繪圖；采用IBM SPASS Statistics 26.0 軟件對實驗數(shù)據(jù)進行顯著性分析及相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱風干燥水分比曲線

由圖1 可知，水分比（MR）隨干燥時間的延長逐漸減少，各溫度的水分比曲線變化趨勢大致相同，均呈指數(shù)下降趨勢。熱風溫度分別為40、60、80、100 ℃ 時，云南栘依達到干燥終點（MR<0.03）的時間分別為14、10、7、4 h，說明提高干燥溫度可以顯著縮短云南栘依的干燥時間，溫度越高，水分比曲線越陡，水分去除速度越快，所需時間越短[28]。在干燥過程的早期階段，樣品的水分去除迅速，因為干燥早期云南栘依細胞間充滿水分，受表面溫度的影響，水分可自由通過松散的通道擴散，隨著干燥時間的延長，水分去除速度趨于放緩，可能是由于水分擴散從云南栘依表面向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，受內(nèi)部阻力的影響導致速度降低[14]；后期，水分去除速度處于穩(wěn)定階段，可能是云南栘依含水量接近平衡水分含量（已到達干燥終點），因此水分比不再變化。

2.2 熱風干燥速率

由圖2 可知，云南栘依的整個干燥過程分為升速、恒速、降速3 個階段，干燥速率（DR）隨溫度升高而加快，水分去除越快，干燥速率越大，與圖1 相符。在干燥初期，云南栘依內(nèi)外部自由水含量高，流動速度快，升溫能加快自由水蒸發(fā)，促使自由水不斷蒸發(fā)，干燥速率不斷增大至峰值[29]；在干燥中期，云南栘依隨時間的延長，表面溫度上升至環(huán)境溫度，其水分不斷從表面擴散，干燥速率呈恒速階段[30]；在后期，云南栘依表面水分不斷轉(zhuǎn)移到內(nèi)部結(jié)合水，因為云南栘依與結(jié)合水結(jié)合緊密，存在一定阻力，導致干燥速率逐漸減少，呈降速階段；而后隨著熱動力不斷增大，云南栘依整體水分逐漸減少，到達干燥終點，干燥速率逐漸趨于0，水分擴散也隨之終止。

2.3 不同溫度對水分有效擴散系數(shù)的影響

由圖3 可知，對lnMR 與時間（t）的關系進行擬合（R²>0.94），根據(jù)公式（6）可得到云南栘依的有效水分擴散系數(shù)（表2）。由表2 可知，熱風溫度為40～100 ℃時，有效水分擴散系數(shù)在0.61×10^–6～1.78×10^–6m²/s 范圍內(nèi)，與效碧亮等[31]研究百合干燥中的Deff 范圍相近。隨著干燥溫度的升高云南栘依的有效水分擴散系數(shù)逐漸增大，說明干燥速度明顯受溫度的影響，主要是云南栘依內(nèi)部的水分子隨溫度升高移動速度加劇，水分去除加快，使其干燥速率加快[20]，與圖1、圖2結(jié)果相符。

2.4 干燥活化能

從圖4 可知，干燥過程中云南栘依的lnDeff與1/T 呈較好的線性關系（R²=0.9978），并根據(jù)公式（8）算出云南栘依的干燥活化能（E_a）為17.64 kJ/mol，說明在熱風干燥時每干燥其內(nèi)部1 mol 水分最低消耗17.64 kJ 能量，與紅龍果[19]熱風干燥所需的最低能量相近。

2.5 干燥模型分析

云南栘依在不同溫度下的熱風干燥實驗數(shù)據(jù)用水分比表示，并與表1 中6 個模型擬合，以平均決定系數(shù)（R2）、卡方（X²）和誤差平方和（SSE）平均值作為判定擬合標準，其擬合結(jié)果見表3。由表3 可知，所有模型的相關系數(shù)均大于0.97，R2>0.95，表明擬合良好，得出X²在0.281×10^–3～3.294×10^–3范圍內(nèi)，SSE 在0.276×10^–2～3.021×10–2范圍內(nèi)，X²、SSE 值越小，相關性越高；R² 則值越大，模型擬合越好[17]。綜合所有模型擬合結(jié)果，得出Page 模型擬合度高，其R²、X²、SSE 平均值分別為0.9946、0.281×10^–3、0.276×10^–2，表明Page模型能準確描述云南栘依的干燥動力學。

由圖5 可知，圖5A 與圖5B 相比，后者存在較明顯的線性關系， 說明可以用Page 方程[MR=exp（–ktⁿ）]來預測熱風干燥中云南栘依的水分變化規(guī)律。Page 模型擬合云南栘依熱風干燥擬合結(jié)果見表4，相關系數(shù)及R2 分別在0.99、0.98以上，X²、SSE 分別在0.149×10^–3～ 0.548×10^–3、0.184×10^–2～0.493×10^–2范圍內(nèi)。由圖6 可知，熱風干燥不同溫度下云南栘依的水分比預測曲線和實際測定值相近，說明Page 模型擬合度很高，可較準確地反映云南栘依干燥水分比的變化規(guī)律。進一步證實Page 模型可較準確描述和預測云南栘依的熱風干燥過程。

2.6 干燥溫度對云南栘依品質(zhì)的影響

2.6.1 色澤果蔬顏色的變化會影響其質(zhì)量和市場價值[31]。綜合分析表5 色澤參數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同溫度對云南栘依色澤的影響順序為100 ℃>80 ℃>40 ℃>60 ℃。由于40 ℃下干燥溫度低，云南栘依水分擴散慢，干燥速率低，干燥時間延長，發(fā)生酶促褐變；80～100 ℃快速干燥，色素分解加快，受熱而產(chǎn)生的酶促和非酶促褐變影響了云南栘依的顏色變化[12]；60 ℃可以最大程度保持云南栘依的色澤。說明干燥溫度和時間都是導致顏色劣化的因素，適宜溫度有助于減少干燥過程中的褐變反應[31]。

2.6.2 復水性 因為干燥過程中細胞和結(jié)構損傷的發(fā)生率較高，復水性能夠反映云南栘依的結(jié)構特征，復水比（RR）越大，其吸水性能越好，表示干燥過程中對其質(zhì)構的破壞程度越小[12]。從圖7 可以看出，云南栘依的復水順序為40 ℃>60 ℃>80 ℃>100 ℃。隨著干燥溫度升高，RR 值越低，可能是高溫導致云南栘依的結(jié)構變化大，收縮率高，孔隙率低所致[32]。

2.6.3 活性成分 多酚、黃酮、多糖等活性物質(zhì)是物料的重要評價指標，是云南栘依具有抗氧化等多種功效的主要原因[33]。由表6 可知，活性成分含量為60 ℃>40 ℃>80 ℃>100 ℃，60 ℃所得到的活性成分含量最高，當溫度大于60 ℃時，云南栘依的活性成分含量逐漸下降。這可能是活性物質(zhì)在干燥過程中易受環(huán)境因素的影響發(fā)生氧化降解，干燥時間的延長，加快了活性物質(zhì)的氧化分解；同時，適當升高溫度會加快組織細胞破裂，促進活性物質(zhì)釋放，但高溫會導致化學結(jié)構破壞，使其含量也隨之降低[34]，說明活性物質(zhì)在干燥過程中受溫度的影響較大。

2.6.4 抗氧化能力 不同干燥溫度對云南栘依抗氧化能力的影響見表7，抗氧化能力依次為60 ℃>40 ℃>80 ℃>100 ℃，熱風60 ℃條件下，DPPH·、ABTS+、·OH 以及鐵還原能力均較高，100 ℃的抗氧化能力最低。綜合表6、表7 可以看出，60℃下活性成分含量高，相應的抗氧化能力也高，可能是因為隨著溫度的升高，活性物質(zhì)被分解破壞，導致抗氧化活性降低[35]，說明抗氧化能力受干燥溫度的影響較大。

2.7 云南栘依品質(zhì)變化的相關性分析

不同熱風溫度干燥對云南栘依品質(zhì)變化的相關性分析如圖8 所示，總酚、總黃酮、總多糖與云南栘依干燥的色澤L*值呈顯著正相關（P<0.05），與a^*值、ΔE 值呈負相關，并與a*值呈顯著負相關（P<0.05）；而總酚、總黃酮、總多糖與RR 值呈正相關，與蘋果[36]、香蕉[37]等干燥實驗結(jié)果相近。同時，總酚、總黃酮、總多糖與云南栘依的抗氧化能力有較好的相關性，其中，總酚、總黃酮、總多糖對DPPH·、ABTS+、·OH、鐵離子還原力均呈顯著正相關（P<0.05）。說明云南栘依的抗氧化能力是多種活性物質(zhì)共同作用的結(jié)果。

3 討論

云南栘依營養(yǎng)價值豐富，是一種較好的藥食同源性植物，具有較大的開發(fā)價值[2]，而目前對于云南栘依干燥的研究較少，僅停留在傳統(tǒng)的自然干燥，對其干燥特性及品質(zhì)研究尤為重要。其中熱風干燥具有成本低、效率高、使用范圍廣等優(yōu)點，研究熱風干燥40、60、80、100 ℃下的水分遷移規(guī)律，通過擬合模型，可以較為準確地描述云南栘依（厚度5 mm）的干燥過程，較好地保留其品質(zhì)，為下一步研究提供一定的理論基礎。

本研究發(fā)現(xiàn)云南栘依在干燥過程中水分比（MR）呈指數(shù)下降趨勢，與等熱風干燥相似，干燥速率（DR）分為升速、恒速、降速3 個階段，且MR 越小，DR 越大，耗時越短，Deff 越大，與紅龍果[19]、哈密瓜[38]、柿子片[31]、冰菜[16]、無籽刺梨[20]等果蔬干燥一致；云南栘依的水分有效擴散系數(shù)（D_eff）為0.61×10^–6～1.78×10^–6m²/s，云南栘依在干燥過程中所需活化能（ E_a） 為17.64 kJ/mol ， 符合大多數(shù)食品的活化能范圍（12.7～110.0 kJ/mol）[32]。本研究中Page 模型也能較好地預測云南栘依的水分遷移規(guī)律，R2 均大于0.98，而Page 模型常用來描述水果、蔬菜以及其他農(nóng)作物的干燥過程，紅心紅龍果[19]、哈密瓜[38]、蘋果[39]等在熱風干燥過程中以Page 模型與實測過程較為吻合。同時，不同干燥溫度下云南栘依的品質(zhì)表現(xiàn)出一定的差異，其中60 ℃能夠最大程度地保持云南栘依的色澤；溫度升高，樣品表面硬化嚴重、收縮率升高，導致復水性越差，40 ℃時有較高的復水比，與KUMAR 等[40]的青椒干燥結(jié)果接近；但40 ℃下溫度低，耗時長、效率低，導致色澤下降，而當溫度超過60 ℃時，耗時越短、效率高，云南栘依的色澤和復水性越差；同時，在干燥過程中，云南栘依隨著溫度的升高，其總酚、總黃酮等活性成分含量呈先升后降的趨勢，60 ℃時總酚、總黃酮、總多糖含量最高，與忻曉庭等[16]的研究類似；抗氧化能力與活性物質(zhì)變化趨勢類似，先升后降，與梨片[32]的熱風干燥結(jié)果一致。因此，本研究證明了干燥溫度和時間對云南栘依的色澤、結(jié)構、活性成分及抗氧化能力的影響較為顯著，這與效碧亮等[33]在對百合熱風干燥的品質(zhì)研究中結(jié)果一致；此外，相關性分析結(jié)果表明，活性成分含量與抗氧化能力呈顯著正相關，與花椒葉[21]干燥的研究結(jié)果一致。經(jīng)綜合分析，云南栘依的適宜干燥溫度為60 ℃。而張雪波等[38]和楚文靖等[19]在物料熱風干燥的研究中，發(fā)現(xiàn)熱風溫度及切片厚度會影響物料的品質(zhì)；ABBASPOUR 等[12]通過超聲波-微波-熱風干燥法不僅提高了山楂的干燥效率，而且得到的產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)于其他干燥法。本研究結(jié)果為進一步確定云南栘依的最佳干燥工藝，探究干燥條件對其品質(zhì)的影響奠定基礎。