王志鵬,徐智昕,范利君,楊域?qū)帲酌鳙h,王 偉
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院,新疆烏魯木齊 830000)
西梅(Prune)又稱歐洲李(Prunes domesticaL.),營養(yǎng)豐富[1],因其是呼吸躍變型果實,采后易腐爛變質(zhì)[2],而制干后的西梅不僅易于保存,且含有豐富的膳食纖維、鉀及維生素K。研究發(fā)現(xiàn)一枚4 g 的西梅干可提供2.4 g 膳食纖維、280 mg 鉀和22.8 μg 維生素K[3-5]。然而,加工過程中光、熱、氧、酶、金屬離子以及過長的加工時間導(dǎo)致西梅干品質(zhì)劣化,干燥效率低,是西梅干制過程中需要解決的問題。
果蔬干制是果品加工的重要手段,目前果蔬干制的方式常見有自然曬干、熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥等[6]。熱風(fēng)干燥由于其能耗低、設(shè)備簡單廉價等優(yōu)點,目前仍是一種廣泛應(yīng)用的水果脫水技術(shù)。熱風(fēng)干燥是以熱空氣為介質(zhì),表面水分最先被汽化,由外向內(nèi)的干燥方法。它首先加熱介質(zhì)的外表面,然后將熱量傳遞到介質(zhì)內(nèi)部[7],已被廣泛應(yīng)用于杏[8]、木瓜[9]、枸杞[10]等果蔬的干燥中。目前對熱風(fēng)干燥的研究較多,如承春平[11]研究表明溫度60 ℃下處理的杏品質(zhì)更佳;張雪波[12]研究發(fā)現(xiàn)哈密瓜切片干,熱風(fēng)干燥最佳工藝為溫度56 ℃、風(fēng)速1.6 m/s、厚度5.6 mm時感官品質(zhì)較佳。在蔬菜和水果的商業(yè)干燥過程中,漂燙處理是一個重要的加工步驟,采用燙漂預(yù)處理通常是為了使酶滅活和去除細(xì)胞間隙中的空氣,以防止干燥過程中顏色和風(fēng)味的變化[13]。如Cheng 等[14]研究表明干燥前的漂燙處理對保持櫻桃番茄的顏色和減少干燥時間有積極的作用。商桑等[15]研究表明,漂燙處理使得果蔬細(xì)胞膜透性提高,減少氧化酶活性,從而提高干燥效率。
然而,目前有關(guān)西梅熱風(fēng)干燥特性及其品質(zhì)的研究相對較少。因此,本研究以西梅為原料,篩選出最優(yōu)的漂燙條件,研究西梅在不同溫度和風(fēng)速下熱風(fēng)干燥特性的變化,并進(jìn)行干燥模型擬合、色差和香氣的分析,為西梅精深加工產(chǎn)品提供理論依據(jù)。
西梅 新疆烏魯木齊九鼎農(nóng)產(chǎn)品市場,選取相同成熟度、無病無損傷,硬度為(16.09±0.1)N,可溶性固形物為24.6%±0.2%;2,6-二氯靛酚鈉、草酸、乙醇、甲醇、氯化鉀、醋酸鈉、愈創(chuàng)木酚 均為國產(chǎn)分析純。
PV4 型紫外風(fēng)光光度計 上海精密科學(xué)儀器有限公司;NH310 型色差儀 廣東三恩時智能科技有限公司;DZKW-S-4 型電熱恒溫水浴鍋 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;Flavour Spec 型風(fēng)味分析儀 山東海能科學(xué)儀器有限公司。
1.2.1 漂燙實驗 參照Cheng 等[14]的方法略作修改,溫度設(shè)計在80、85、90、95、100 ℃,時間為30、60、90、120、150 s,熱水漂燙結(jié)束后瀝干水分冷卻至室溫等待干制。以VC含量、花色苷含量、過氧化物酶(peroxidase,POD)活性及多酚氧化酶(Polyphenol oxidase,PPO)活性為指標(biāo),測定不同漂燙條件下果實品質(zhì)指標(biāo)的變化。
1.2.2 熱風(fēng)干燥實驗 西梅果實在90 ℃,漂燙90 s后,晾干分組,稱重,在干燥溫度70、75、80 ℃、風(fēng)速3 m/s,以及干燥溫度為75 ℃、風(fēng)速2、3、4 m/s 條件下進(jìn)行熱風(fēng)干燥。對西梅干燥過程中干基含水率、含水比、干燥速率、色澤、揮發(fā)性物質(zhì)等進(jìn)行測定。
1.3.1 VC含量的測定 采用2,6-二氯靛酚滴定法[16]測定VC含量,單位:mg/100 g。
1.3.2 花色苷含量測定 采用pH 色差法[17],單位:mg/100 g。
1.3.3 POD 及PPO 活性的測定 POD 活性采用愈創(chuàng)木酚法[18]測定;PPO 活性的測定參照曹健康等[19]的方法。單位分別為:ΔOD470/min·mg,ΔOD420/min·mg。
1.3.4 熱風(fēng)干燥特性測定
1.3.4.1 水分含量測定 干基含水率M 的計算公式:
式中:M 為西梅的干基含水率,g/g;w 為西梅的初始質(zhì)量,g;wt為西梅t 時刻的質(zhì)量,g。
含水比MR 的計算公式:
式中:MR 為西梅的含水比;Mt為t 時刻的干基含水率;M0為初始時刻的含水量;Me為平衡含水量。
1.3.4.2 干燥速率的測定 干速率測定的計算公式:
式中:Mt、Mt2為西梅干制至t1、t2時刻的西梅質(zhì)量;t1、t2為干制時間。
1.3.4.3 干燥模型擬合 采用干燥模型對西梅的熱風(fēng)干燥進(jìn)行模擬,均通過R2,Χ2,均方根偏差RMSE三個指標(biāo)對該模擬進(jìn)行評估,其公式如下:
式中:MRi,exp和MRi,pre分別為第i 個數(shù)據(jù)點試驗獲得的含水量比率與模式的預(yù)測值;N 為試驗數(shù)據(jù)的數(shù)量;n 為該模式中參數(shù)的數(shù)量。其中,R2越接近1,X2越小,RMSE 越小,擬合程度越好。
1.3.5 色差的測定 采用色差儀測定西梅色差,在風(fēng)速為3 m/s,溫度為70、75、80 ℃,每小時測定,果實表面色差用L*、a*、b*表示,ΔE為總色差值。
式中:ΔL*為明度差;Δa*,Δb*色度差。
1.3.6 揮發(fā)性物質(zhì)測定
1.3.6.1 GC-IMS 樣品處理 分別取鮮果6 g、果干2.7 g,置于20 mL 頂空瓶中,50 ℃孵育15 min 后進(jìn)樣500 μL。孵育溫度50 ℃;孵化轉(zhuǎn)速500 r/min;孵育時間15 min;進(jìn)樣溫度85 ℃;進(jìn)樣體積500 μL。
1.3.6.2 GC-IMS 測定條件 分析時間:30 min;色譜柱類型:MXT-5-ID-FT(15 mL×0.53 mm,1 μm);柱溫:60 ℃;載氣:N2;IMS 溫度:45 ℃:采用自動頂空進(jìn)樣,進(jìn)樣體積為500 μL;孵育時間:15 min:孵育溫度:50 ℃:進(jìn)樣針溫度:85 ℃;孵化轉(zhuǎn)速:500 r/min;離子源為氚源(6.5 keV);正離子模式;漂移管長度:9.8 cm;管內(nèi)線性電壓:500 V/cm;漂移氣流速:150 mL/min(N2,純度≥99.999%);漂移管溫度:45 ℃。
每個樣本進(jìn)行3 次重復(fù)試驗,SPSS 中的Duncan檢驗顯著性。本章采用Origin 8.5 進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計;圖內(nèi)數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,不同的字母表示同一時期數(shù)據(jù)存在顯著差異(P<0.05);相同字母代表差異不顯著(P>0.05)。
VC含量作為評價果蔬加工方式的重要指標(biāo)之一,同時也可作為預(yù)防壞血病等疾病的必需物質(zhì),具有生物抗氧化劑的作用,由于人類沒有能力合成這種成分,需從飲食中攝入[20]。由圖1 可知,隨著漂燙時間的增加,西梅果實中的VC含量在急速下降。西梅在90 ℃以上,漂燙時間在90 s 就達(dá)到了最大程度的降解,VC含量維持在1 mg/100 g 以上,與95、100 ℃漂燙存在顯著差異(P<0.05)。這可能是由于高溫改變了VC中烯二醇結(jié)構(gòu)C2、C3、N 的位置易被還原,被熱氧化所分解。
花色苷是一組天然存在的酚類化合物,賦予食物顏色,具有很強(qiáng)的抗氧化、抗高血壓、抗突變和抗癌等特性,高溫使其易被降解[21],如圖2 所示,隨著漂燙時間的延長,花色苷含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,漂燙時間的確定對漂燙工藝有著關(guān)鍵的影響,在漂燙30 s 時,80、85、90 ℃的漂燙溫度能保持較好的花色苷含量,漂燙90 s 后,花色苷含量呈現(xiàn)上升趨勢,這可能是由于西梅的細(xì)胞組織被破壞,果皮中色素溶解,影響測定,造成花色苷含量的微量上升[22]。
圖2 漂燙處理對西梅花色苷含量的影響Fig.2 Effect of blanching treatment on anthocyanin content of prune
POD、PPO 在果蔬中廣泛存在,酚類化合物向醌類化合物的化學(xué)轉(zhuǎn)化由多酚氧化酶催化,并導(dǎo)致酶促褐變和新鮮果蔬中酚類物質(zhì)的損失,PPO、POD 還能氧化單酚和二酚生成鄰醌,呈現(xiàn)為棕色色素[23]。PPO 活性可作為判斷果實衰老的依據(jù)[24],POD 在果蔬中具有較高的熱穩(wěn)定性且含量豐富,所以POD 與PPO 活性常被用作食品熱加工處理的指標(biāo)。
POD、PPO 的失活對防止果實褐變和獲得優(yōu)質(zhì)西梅干有所幫助[25]。由圖3~圖4 可知,隨著漂燙時間以及溫度的上升,POD、PPO 活性在迅速下降。果實POD、PPO 活性在90 s 時,漂燙85 ℃與90 ℃均存在顯著性差異(P<0.05),當(dāng)漂燙溫度為90 ℃時,90 s 時果實POD、PPO 活性分別為0.99 ΔOD470/min·mg、0.57 ΔOD420/min·mg,果實酶活性基本喪失。
圖3 漂燙處理對西梅POD 活性的影響Fig.3 Effect of blanching treatment on POD content of prune
圖4 漂燙處理對西梅PPO 活性的影響Fig.4 Effect of blanching treatment on PPO activity of prune
由圖5 可知,70、75、80 ℃干燥至平衡水分所用的時間分別為10、12、14 h,溫度越高達(dá)到平衡水分所用的時間越短。不同熱風(fēng)溫度下,干燥時間越長,含水比越低,各溫度下含水比的變化在干燥第一階段變化較小,含水比下降較小,在干燥的第二階段,干燥含水比變化較快,而在最后階段,含水比呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢,這些變化變得非常小。如圖6 所示,干燥溫度影響著干燥速率,隨著溫度的升高,西梅的干燥速率也相應(yīng)升高,80 ℃的干燥速率曲線變化較大。干燥過程當(dāng)中主要分為加速期和降速期兩個階段,且以降速期為主;這是由于干燥前期果實中自由水的含量很高,與熱空氣接觸時,形成了較大的水分梯度,增強(qiáng)了水分遷移能力,干燥速率快速升到最大,而干燥后期果實中自由水減少,水分梯度減小,此外,一部分水為結(jié)合水,流動性較差,難以除去,故干燥速率逐漸減慢,轉(zhuǎn)為降速階段[26],因此,提高干燥溫度能提高干燥速率。
圖5 不同干燥溫度對西梅含水比的影響Fig.5 Effect of different drying temperatures on water content ratio of prune
圖6 不同干燥溫度對西梅干燥速率的影響Fig.6 Effect of different drying temperatures on drying rate of prune
由圖7 可知,西梅水分比下降速率與風(fēng)速呈正比,熱風(fēng)風(fēng)速在4 m/s 比2、3 m/s 分別縮短干燥時長為1、3 h。由圖8 可知,干燥速率隨風(fēng)速增大而加快,在不同風(fēng)速下,呈現(xiàn)增速與降速兩個過程,恒速階段并不明顯。主要原因為西梅初始含水比高,干燥前期風(fēng)速越高表面水分蒸發(fā)速率越快,后期水分遷移主要為內(nèi)部水分?jǐn)U散,且表面結(jié)殼現(xiàn)象加劇,水分結(jié)合能增大[27],干燥速率明顯下降,故后期風(fēng)速的影響作用并不明顯。
圖7 不同熱風(fēng)風(fēng)速對西梅含水比的影響Fig.7 Effect of different hot wind customs on the water content ratio of prune
圖8 不同熱風(fēng)風(fēng)速對西梅干燥速率的影響Fig.8 Effect of different hot wind speed on drying rate of prune
干燥模型的經(jīng)驗常數(shù)由歸一化的實驗干燥數(shù)據(jù)水分比在每個研究溫度下獲得。對于每個模型,根據(jù)以下統(tǒng)計參數(shù)的值來評估擬合優(yōu)度:決定系數(shù)R2、RMSE 和減少的X2。其中MRi,exp和MRi,pre分別為實驗和預(yù)測的無因次水分比。X2是模型的實驗值與預(yù)測值之間偏差的均方。用決定系數(shù)和均方根偏差來評價實驗數(shù)據(jù)與預(yù)測值的擬合精度[28],如表1 所示,R2值越高,RMSE 值越低,擬合越好[29]。
表1 Page 溫度干燥模型Table 1 Page temperatures-speed drying model
由表1~表2 可知用決定系數(shù)R2、減少的X2和RMSE 來描述擬合的質(zhì)量。實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)之間擬合良好,R2值最高,X2和RMSE 值最低。不同溫度、風(fēng)速下3 種模型的R2均大于0.99,這表明3種模型擬合良好,Page 模型具有最高R2值(0.99356~0.99823、0.999893~0.999038),在研究所有模型的情況下,均方根誤差在(0.000011~0.014623、0.000007~0.232317)之間變化;希望出現(xiàn)較低的X2值。Page模型在不同溫度、風(fēng)速條件下都顯示出較低的X2值( 0.00011~0.00032、 0.000007~0.000041) 。 Dinani等[30]發(fā)現(xiàn)Page 模型蘑菇片干燥動力學(xué)最合適的模型。Ding 等[31]使用了五種不同擬合模型對胡蘿卜的干燥研究中,結(jié)果發(fā)現(xiàn),Page 模型提供了最好的統(tǒng)計結(jié)果。從本實驗的擬合模型的結(jié)果來看,Page 模型最適合描述所有研究溫度下的西梅干燥曲線,R2值最高,X2和RMSE 值最低,表明西梅的干燥溫度在75 ℃、風(fēng)速為3 m/s 時,Page 模型地預(yù)測結(jié)果最優(yōu)。
表2 Page 風(fēng)速干燥模型Table 2 Page wind-speed drying model
顏色作為主要的感官質(zhì)量參數(shù),是消費者評價和購買商品的重要指標(biāo)。如圖9 所示,新鮮果實L*(亮度)、a*(紅綠)、b*(黃藍(lán))的值分別為34.04±0.4、10.04±0.7、15.58±0.8。隨著溫度的升高,干燥時間在不斷縮短,干燥期間均呈L*、a*、b*值下降趨勢,其中a*值呈下降趨勢,這可能由于葉綠素在高溫條件下很容易降解,同時氧化作用以及較長的干燥時間,酶促褐變導(dǎo)致棕色素的形成[32];代表黃藍(lán)顏色的b*值和代表亮度的L*呈下降趨勢,可能與果實中的抗壞血酸易被氧化成雙羰基化合物,分解進(jìn)一步生成還原酮,進(jìn)而參與美拉德反應(yīng)的中間及最終階段,無氧分解形成糠醛,形成褐色物質(zhì)[33]。由此可見,干燥時間和干燥溫度對西梅顏色有一定的影響。ΔE值與溫度呈負(fù)相關(guān),在75 ℃,14 h 條件下總色差值最高,這可能是由于熱風(fēng)干燥期間花青素的降解[34]造成的。
圖9 不同干燥溫度對西梅色差的影響Fig.9 Effect of different drying temperatures on the color of prune
由圖10 可知,在不同干燥溫度下,果實色差ΔE隨著含水比減少而上升,在75、80 ℃熱風(fēng)干燥溫度下的ΔE趨于穩(wěn)定時的含水比分別為23.65%、24.35%,而70 ℃的ΔE值存在波動,根據(jù)西梅的總色差值變化情況,干燥過程中的變色可能與非酶促褐變有關(guān)[35]。當(dāng)干燥溫度為75、80 ℃時,果實色差ΔE值分別在10、6 h 是變化趨于穩(wěn)定。干燥溫度為80 ℃時較比75 ℃先進(jìn)入褐變期,從曲線呈平穩(wěn)趨勢,推測果實發(fā)生褐變。
圖10 不同溫度下西梅干燥過程中顏色隨含水比的變化Fig.10 Change of color with water content ratio during west plune drying at different temperatures
揮發(fā)性香氣成分決定了水果的特殊風(fēng)味,與人體健康和營養(yǎng)密切相關(guān)。隨著人們對水果品質(zhì)要求的提高,采用氣相-離子遷移色譜(GC-IMS)分析技術(shù)對其進(jìn)行了分析,在對新鮮西梅和采用熱風(fēng)干燥的西梅對比后,共檢測出55 種化合物其中酯類13 種,醛類16 種,醇類4 種,酮類8 種,雜環(huán)類1 種,其他未檢測出的化合物12 種。西梅揮發(fā)物主要有酯類、醛類、萜類、酸類、醇類、烷烴類、酮類、內(nèi)酯類、酚類等,其中酯類含量最多[36]。如圖11 所示,根據(jù)上述指紋圖(A)建立了視覺廊圖(B),通過信號強(qiáng)度可以觀察到各香氣成分的濃度。鮮果酯類的含量較高(以峰體積反映)是樣品氣味的來源,從圖A 中可以看出,新鮮西梅中,乙酸乙酯、辛酸乙酯、水楊酸甲酯、己酸乙酯、2-甲基丙酸乙酯、丙酸乙酯等主要酯類化合物的強(qiáng)度是樣品中最高的。西梅果實的干燥過程降低了這些化合物的持久性,與新鮮西梅相比,西梅果干中揮發(fā)性化合物壬醛、辛醛、苯甲醛、庚醛、糠醛、戊醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛、己醛的濃度有所增加或出現(xiàn)新物質(zhì)。這些結(jié)果表明,西梅果實的干燥過程伴隨著一些現(xiàn)有揮發(fā)物(酯類)的降解和一些其他揮發(fā)物(醇類)的產(chǎn)生。這種現(xiàn)象可能與干燥過程中的化學(xué)反應(yīng)(不同分子之間的相互作用和大分子的降解)有關(guān)風(fēng)味化合物強(qiáng)度的變化與干燥技術(shù)有關(guān),在之前蘋果[13]的干燥研究中也觀察到類似的結(jié)果。
圖11 西梅果干及西梅香氣分析樣品風(fēng)味指紋圖譜(A)、廊圖(B)Fig.11 Flavor fingerprint (A) and corridor (B) of dried prune and prune aroma analysis samples
漂燙處理的目的是鈍化果蔬中存在的氧化酶,抑制酶促褐變,軟化組織以促進(jìn)干燥過程。漂燙后的產(chǎn)品品質(zhì)可能比未漂燙的產(chǎn)品品質(zhì)好,Lavelli 等[37]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過漂燙處理的胡蘿卜中,α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素和葉黃素的含量分別比未漂燙樣品高51%、76%和87%,這與POD 的失活有關(guān),另一方面,漂燙時間過長或者漂燙溫度過高,不可避免的會使得果實中營養(yǎng)物質(zhì)的流失[38]。Mayank 等[39]通過對比漂燙處理與未處理的綠芒果粉發(fā)現(xiàn),漂燙處理樣品比未處理樣品干燥得更快。因此,篩選出最適漂燙條件有利于西梅熱風(fēng)干燥特性的研究,根據(jù)本實驗可知,5 組處理下,需保證西梅果中的POD 和PPO 失去活性,同時又能最大限度保留住果實中的營養(yǎng)物質(zhì)的一組為漂燙溫度為90 ℃、時間為90 s 進(jìn)行處理。
在熱風(fēng)干燥中提高熱風(fēng)溫度、降低空氣相對濕度可加快物料水分蒸發(fā)的速度,與普通的日光干燥相比,熱風(fēng)干燥能夠顯著縮短時間。不同干燥風(fēng)速的西梅干燥曲線和干燥速率曲線表明,增大風(fēng)速可使干燥初期的干燥速率增大,而使干燥后期的干燥速率減小。這與Ma 等[40]對藕片采用熱風(fēng)耦合微波干燥的研究一致;本實驗結(jié)果表明,干燥過程既有加速期,也有減速期,沒有恒速期。其中,基于R2、卡方和均方根偏差的Page 模型最適合描述西梅的干燥行為,擬合方程得出熱風(fēng)溫度在75 ℃、風(fēng)速在3 m/s 的條件下更適合西梅的干燥。
果干的顏色與香氣是衡量干果品質(zhì)重要的參數(shù),然而經(jīng)過熱風(fēng)干燥處理后的鮮果向果干轉(zhuǎn)化的過程中褐變是客觀存在的,西梅在不同干燥溫度干燥后發(fā)生不同程度的褐變,這是由于西梅中的多酚類物質(zhì),受熱后容易發(fā)生酶促氧化、氧化聚合和降解反應(yīng)導(dǎo)致果實褐變,這與Li 等[41]采用熱風(fēng)干燥處理蘋果片的研究一致,熱風(fēng)干燥的溫度是影響西梅果實褐變的關(guān)鍵因素,這也與Elmizadeh 等[9]對木瓜片的研究相吻合。酯類化合物常伴隨著果香氣味和輕微油脂香味,是西梅香氣的主要來源。對新鮮西梅香氣起主要作用的物質(zhì)為乙酸乙酯、辛酸乙酯、水楊酸甲酯、己酸乙酯、2-甲基丙酸乙酯等酯類化合物,這與龍杰等[42]對桃脆片揮發(fā)性風(fēng)味研究吻合。醛類物質(zhì)對西梅干的香氣貢獻(xiàn)較為突出,熱風(fēng)干燥后的西梅干,醛類物質(zhì)為己醛、壬醛、辛醛、苯甲醛、庚醛、糠醛、戊醛、2-甲基丁醛、3-甲基丁醛,通過不飽和脂肪酸的自氧化,酶分解、α-氧化和β-氧化產(chǎn)生[43]。
西梅果實熱風(fēng)干燥前,熱水漂燙在90 ℃,90 s條件下,既能保留活性物質(zhì),同時達(dá)到所需的滅酶要求,果實中POD、PPO 活性抑制率分別為78%、72%。采用Page 模型擬合方程得出,西梅熱風(fēng)干燥的模型熱風(fēng)溫度在75 ℃、風(fēng)速在3 m/s 的條件下更適合西梅的干制。熱風(fēng)干燥過程中西梅的色澤變化受干燥溫度變化影響顯著,色差值呈上升趨勢,熱風(fēng)干燥中期過程果實發(fā)生褐變,西梅干制前后,香氣物質(zhì)成分迥異,鮮果中酯類物質(zhì)含量更高,熱風(fēng)干燥后的西梅醛類物質(zhì)更高。未來將對西梅在干制過程中果實變色機(jī)理會要進(jìn)一步的研究。