气体射流冲击干燥对山楂抗坏血酸、还原糖、总酸及总黄酮的影响

李文峰，金欢欢，肖旭霖

(陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安，710062)

山楂富含Vc、有机酸、膳食纤维、黄酮类化合物及多种矿物质元素［1］，具有多种生理活性功能，如保护心血管系统、治疗心力衰竭及心绞痛、降低血压和总胆固醇、抗氧化等［2］，在我国及欧洲已被广泛地用于医药及食品原料［2］。目前，我国山楂干制主要采用自然干燥和热风干燥。虽然这2 种干燥方式具有生产成本低且利于推广的优点，但自然干制受条件影响，卫生条件较差，干燥时间长;而热风干燥能耗较高，且对食品原料中的糖、矿质元素、灰分、蛋白质、维生素、酚类物质及其抗氧化能力均具有不同程度的影响［3］。气体射流冲击干燥与普通热风干燥相比不仅具有更高的干燥速度以及更低的能耗，而且干制品品质较好［4］。本文探讨了不同温度、风速、物料盒宽度、喷嘴距离对山楂的还原糖、总酸、Vc 和总黄酮含量的影响，然后采用二次通用旋转组合设计确定最优干燥条件。

1 材料与方法

1.1 试验原料

鲜山楂，购买于西安朱雀批发市场。挑选无腐坏及机械损伤、大小适中的山楂鲜果。使用前保存于0～4℃。山楂样品的湿含量采用直接干燥法［5］在105℃烘至恒重进行测定，样品的平均湿含量为77.69%。

1.2 主要仪器及试剂

气体射流冲击干燥试验设备［6］为试验室自行设计，采用多排管、圆形喷嘴、喷嘴间距85 mm、喷嘴内直径15 mm;BS224S 型电子天平，北京赛多利斯系统有限公司;AVM-03 风速计，泰仪电子工业股份有限公司;鼓风烘箱，常州远宇干燥设备有限公司;722 型分光光度计，上海光谱仪器有限公司;其他常用仪器。

芦丁为色谱纯;葡萄糖、乙酸锌、亚铁氰化钾、Cu-SO4、酒石酸钾钠、NaOH、邻苯二甲酸氢钾、偏磷酸、乙酸钠、冰醋酸、2，6-二氯靛酚、二甲苯、NaHCO3、乙醇、NaNO2、Al(NO3)3，均为分析纯试剂。

1.3 试验方法

1.3.1 干燥条件的单因素及优化试验

挑选无腐坏及机械损伤、大小适中的山楂鲜果，用清水洗净后沥干表面水分。将山楂去籽后切成3 mm 厚的薄片，在不同气体射流冲击干燥条件下干至干基(d. b. )含水率约为20%左右。

在单因素试验中，探讨风温对山楂营养组分含量的影响时，固定山楂片的厚度为3 mm，风速为13m/s，喷嘴高度为110 mm，物料盒宽度为210 mm，分别测定山楂在干燥温度40、60、80 和100℃条件下的各营养组分含量的变化。在探讨风速的影响试验中，固定山楂片的厚度为3 mm，风温为60℃，喷嘴高度为110 mm，物料盒宽度为210 mm，风速分别为10、11、12 和13 m/s。在探讨物料盒宽度的影响试验中，固定山楂片的厚度为3 mm，风速为11 m/s，风温为60℃，喷嘴距离为110 mm，物料盒宽度分别为90、130、170 和210 mm。在探讨喷嘴高度的影响试验中，固定山楂片的厚度为3mm，风速为11 m/s，风温为60℃，物料盒宽度为170 mm，喷嘴高度分别约为110、140、170 和200 mm。每次试验的进样量约为250 g 山楂鲜品。

在单因素试验的基础上，采用二次通用旋转组合设计方案进行优化试验。

1.3.2 还原糖含量的测定

参考GB/T 5009.7 －2008 及SB/T10092 －1992。取3 g 干燥山楂样品，加入少量蒸馏水研磨，将匀浆移入250 mL 容量瓶，置于80℃水浴0.5h(每5min 摇动1 次)。冷却至室温后，缓慢加入5 mL 浓度219g/L 乙酸锌溶液及5 mL 106 g/L 亚铁氰化钾溶液，摇匀，定容，静置30 min。过滤，取滤液20 mL 置于100 mL 容量瓶，定容，作为待测液。各取5.0 mL 碱式酒石酸铜甲液及乙液于100 mL 锥形瓶中，加入10 mL蒸馏水和4 粒玻璃珠，加热至沸腾状态，用待测液或葡萄糖标液滴定，直至溶液蓝色褪去为终点，平行测定3 次。还原糖含量计算:

式中:T，标定碱式酒石酸铜甲乙液(各5.0 mL)相当葡萄糖的质量(g);m，测定样品质量(g);c—样品中的干物质含量(g/g);V—滴定碱式酒石酸铜甲乙液(各5.0 mL)，消耗待测液体积(mL)。

1.3.3 总酸含量的测定

依据GB/T12456 －2008，采用酸碱滴定法测定。取3 g 山楂干制样品和少量蒸馏水并充分研磨，将匀浆转移至100 mL 容量瓶中，沸水浴0.5 h，每5 min摇动一次使有机酸充分溶解。冷却至室温后，用冷却后的沸水定容，过滤。取滤液10 mL 和30 mL 蒸馏水置于100 mL 锥形瓶中，以酚酞为指示剂，用0.1 mol/L 的NaOH 标准溶液滴定至微红色(30 s 不褪色)，总酸含量平行测定3 次。

总酸/(g·g－1)=(c×V×k×100)/(m×x×10)

式中:c，NaOH 标准溶液的浓度(mol/L);V—滴定10.0 mL 待测液，消耗NaOH 标准溶液的体积(mL);k，换算为适当酸的系数(以柠檬酸计，k =0.064);m，测定样品质量(g);x，样品中的干物质含量(g/g)。

1.3.4 还原性Vc 含量的测定

依据GB 6195 －1986，采用二甲苯-二氯靛酚比色法测定。取3 g 干燥的山楂样品与少量2%偏磷酸提取剂充分研磨后移至100 mL 容量瓶，用提取剂定容后备用。取2.5 mL Vc 浸提液与2.5 mL 提取剂于25 mL 具塞试管中并加入5 mL pH 4.0 的乙酸钠缓冲液和1 mL 2，6-二氯靛酚溶液，剧烈振荡5 s 后立即加入10 mL 二甲苯，再剧烈振荡20 s，静置，取3.5 mL 二甲苯层，加入光程1 cm 比色皿中于500 nm 波长下测定吸光度。2，6-二氯靛酚溶液标准曲线y=0.304 4x+0.003 3，R2=0.994 5;Vc 含量计算:

Vc 含量/［mg·(100 g)－1］= ((1 －V)×T×100)/(m×x×2.5)×100

式中:1，所用的2，6-二氯靛酚染料的体积(mL);V，根据标准曲线，查得2，6-二氯靛酚染料的体积(mL);T，2，6-二氯靛酚染料的滴定度(mg/mL);m，测定样品质量(g);x，样品中的干物质含量(g/g)。

1.3.5 总黄酮的测定

采用超声波提取-硝酸铝显色法测定［7］。精密称取干燥的山楂粉末0.5 g 置于100 mL 容量瓶，加入50 mL 60%乙醇，称量，超声处理30 min。冷却至室温后再次称量，补充损失的溶剂重量(精确至0.001 g)，摇匀，过滤。取滤液2 mL，置于25 mL 容量瓶中，加入4 mL 蒸馏水和1 mL 5%亚硝酸钠溶液，摇匀。静置6 min 后加入1 mL 10%硝酸铝溶液，摇匀，6 min后加10 mL 浓度为1 mol/L 的氢氧化钠溶液，用蒸馏水定容，15 min 后以试剂空白为参比于500 nm 波测定吸光度。山楂总黄酮含量以芦丁当量计(g/g)，芦丁标准曲线y=0.469 9x+0.003 7;R2=0.999 3。

1.3.6 数据统计分析

所有试验数据采用Excl 2010 进行简要计算及图表绘制。方差分析及二次通用旋转组合试验设计和数据分析利用“Date Processing System”(DPS，12.01高级版)软件进行，平均值显著水平为5%。

2 结果与分析

2.1 干燥风温对山楂营养品质的影响

如表1 所示为不同干燥温度(40、60、80 和100℃)及风速为13 m/s，物料盒宽度为210 mm，喷嘴高度为110 mm 时对山楂营养成分的影响。由表1可知，随着温度的升高，干物质含量逐步提高，所需干燥时间减少。干后山楂的还原糖含量随着干燥温度的升高显著下降，这可能由于温度的升高，美拉德反应和焦糖化反应加剧，从而导致还原糖的损耗加大［8］。虽然60、80℃实验组之间的总酸含量无显著性差异(P＜0.05)，但依然可以看出总酸含量随着温度的升高而显著降低，这可能由于有机酸随着温度的升高其挥发率增加［9］。干后山楂Vc 含量随着温度从40℃升高到60℃而显著降低，虽然60、80 与100℃组之间相互无显著性差异但Vc 含量随着温度升高呈现下降的趋势。这可能由于Vc 在高温加热过程中易被氧化损失，此变化在山楂热风干燥的研究中也具有相似的规律［10］。从表1 可知，温度对总黄酮无显著影响。综上所述，虽然山楂在40℃干燥后其营养成分损失较少，但需要更长的干燥时间且干后水分含量较高不利于长期保存，而60℃干燥品质较好且耗时适中，故选择60℃作为其他单因素试验的温度条件。

表1 不同干燥温度对产品品质的影响Table 1 Effect of different drying temperature on the product quality

2.2 干燥风速对山楂营养品质的影响

表2 所示为不同干燥风速(10、11、12 与13 m/s)及风温60℃，物料盒宽度为210 mm，喷嘴高度为110 mm 时对山楂营养成分的影响。由表2 可知，随着风速的增加干物质含量有增加，但所需干燥时长并无显著差别。虽然10 与11 m/s、12 与13 m/s 实验组之间的还原糖含量无显著性差异(P＜0.05)，但依然可以看出随着风速的增加还原糖含量显著降低。这可能由于介质风速的增大，气体与物料表面的边界层变薄，美拉德反应和焦糖化反应加剧，还原糖的损耗加大［8］。干后山楂的Vc 含量随着风速的增加而增大。而风速对总酸及总黄酮含量无显著性影响。综合风速对各指标的影响，选择11 m/s 作为优化条件。

表2 不同干燥风速对产品品质的影响Table 2 Effect of different drying air velocity on the product quality

2.3 物料盒宽度对山楂营养品质的影响

表3 所示为不同物料盒宽度(90、130、170 与210 mm)及风温60℃，风速11 m/s，喷嘴高度为110 mm时对山楂营养成分的影响。由表3 可知，随着物料盒宽度的增大，干物质含量有增大趋势，但所需时间无显著差别。虽然还原糖和总酸含量随着物料盒宽度增加而减低，但物料盒宽度对还原糖和总酸含量无显著性影响。虽然随着风速增加山楂的总黄酮含量增加但无显著影响。虽然90、130 与170 mm，110、130与170 mm 试验之间无显著差异(P＜0.05)，但依然可以知道Vc 含量随着物料盒宽度的增加而显著增加。这可能是由于随着物料盒宽度增大，单位面积受热减少，Vc 保存率较高，这在气体射流冲击干燥苹果片的实验中亦有类似报道［11］。所以在综合考虑最终的水分含量及干燥时间，选择130 mm 作为优化条件。

按照消毒的有关流程严格对病牛污染的牛舍、用具等进行消毒处理，对牛场地、圈舍、车辆等采用2%烧碱消毒，对饲养场的金属设备设施采用火焰、熏蒸等方式消毒[3]，对病牛剩下的饲料以及垫料采用深埋发酵或者焚烧的方式处理，对于病牛的粪便采用堆积密封发酵方式进行处理。

表3 不同物料盒宽度对产品品质的影响Table 3 Effect of different drying box width on the product quality

2.4 不同喷嘴高度对山楂营养品质的影响

表4 所示为当风温60℃，风速11 m/s，物料盒宽度为130 mm 时，不同喷嘴高度(110、140、170 与200 mm)对山楂营养成分的影响。由表4 可知，不同喷嘴高度组之间所需干燥时间无明显差别。但还原糖含量随着喷嘴高度的增加而显著的降低。总酸含量及Vc 含量随着喷嘴高度的增加而增加。这可能是因为随着喷嘴高度的增加，物料表面的实际风速与风温低于设定风速与风温，从而气体与物料表面的边界层变薄，降低了物料的实际温度计换热速率，从而减少了物料中有机酸的挥发及Vc 的氧化。这与苹果气体射流冲击干燥的研究报道中有相似的规律［15］。喷嘴距离对总黄酮无显著影响，但依然可以看出随着喷嘴高度的增加总黄酮含量呈现减小趋势。综上所述，140 mm 条件干燥品质较好，因此选择140 mm 作为条件。

表4 不同喷嘴距离对产品品质的影响Table 4 Effect of different distances from nozzle to materials on the product quality

2.5 二次通用旋转组合设计结果与分析

通过单因素试验发现，物料盒宽度对测定指标影响不大，因此优化试验以温度、风速、喷嘴距离作为输入变量。物料盒宽度固定为130 mm，因素水平编码如表5 所示。将还原糖含量、总酸含量、Vc 含量作为输出指标，以温度、风速和喷嘴高度三因素进行二次通用旋转组合优化试验，结果如表6 所示。

表5 因素水平编码表Table 5 Coding of factors and levels

表6 试验设计方案及结果Table 6 Experimental designs and results

续表6

2.5.1 还原糖的优化试验结果与分析

还原糖含量的试验方差分析结果如表7 所示。利用回归系数建立还原糖含量与温度、风速、喷嘴距离3 因素的数学回归方程，剔除不显著项(α =0.10)，简化后的回归方程为:Y1=0.388 15 －0.010 67X1－ 0.006 99X2－ 0.002 67X3－ 0.005 60X12 －0.004 50X22 +0.003 34X1X2－0.002 04X1X3+0.002 49X2X3

其中R2=0.96 ＞0.8，说明优化后方程的预测值与实际值拟合良好，能正确反映还原糖含量与温度、风速、喷嘴距离3 个因素编码值之间的关系。偏回归系数检验结果可以看出X1、X2、X3、X12、X2

2 的P＜0.01，表明偏回归系数检验结果达到极显著水平，证明温度、风速、喷嘴距离这3 个因子对还原糖含量影响极显著。交互项X1X2、X2X3的P＜0.05 达到显著水平，而交互项X1X3未达到显著水平。各因素在实验取值范围内对产品还原糖含量的影响的主次顺序为:X1＞X2＞X3，即温度对还原糖含量影响最大，其次是风速，再次是喷嘴距离，X1、X2、X3都是影响Y1的显著因素。

表7 还原糖含量的试验结果方差分析表Table 7 Results table of variance analysis on the sugar contents

表8 总酸含量的试验结果方差分析表Table 8 Results table of variance analysis on the content of total acid

总酸含量的试验方差分析结果如表8 所示。利用回归系数建立总酸含量与温度、风速、喷嘴距离3因素的数学回归方程，剔除不显著项(α =0.10)，简化后的回归方程为:Y2=0.164 18 －0.001 63X1－0.000 42X12 － 0.000 39X22 － 0.001 22X32 + 0.001 16X1X2+0.000 79X1X3－0.000 66X2X3

其中R2=0.99 ＞0.8，说明优化后方程的预测值与实际值拟合良好，能正确反映总酸含量与温度、风速、喷嘴距离3 个因素编码值之间的关系。偏回归系数检验结果可以看出X1、X12、X22、X32 的P＜0.01，表明偏回归系数检验结果达到极显著水平，证明温度、风速、喷嘴距离这3 个因子对还原糖含量影响极显著。交互项、X1X2、X1X3、X2X3的P＜0.01 达到极显著水平。各因素在实验取值范围内对产品还原糖含量的影响的主次顺序为:X1＞X3＞X2，即温度对还原糖含量影响最大，其次是喷嘴距离，再次是风速，X1、X2、X3都是影响Y2的显著因素。

2.5.3 VC的优化试验结果与分析

依据表6 的结果，计算各因素的回归系数，得出Vc 含量的试验结果方差分析如表9 所示。利用回归系数建立Vc 含量与温度、风速、喷嘴距离三因素的数学回归方程，剔除不显著项(α =0.10)，简化后的回归方程为:

表9 Vc 含量的试验结果方差分析表Table 9 Results table of variance analysis on the content of Vc

其中R2=0.89 ＞0.8，说明优化后方程的预测值与实际值拟合良好，能正确反映Vc 含量与温度、风速、喷嘴距离3 个因素编码值之间的关系。偏回归系数检验结果可以看出X1、X2、X3、X32 的P＜0.01，表明偏回归系数检验结果达到极显著水平，证明温度、风速、喷嘴距离这3 个因子对Vc 含量影响极显著。交互项X1X2、X1X3、X2X3的P＞0.05，未达到显著水平，证明3 因素之间的交互作用不显著。因所建立的二次项系数之间存在着一定的相关性，虽然为微弱的交互项，但原则上也不能删除。各因素在实验取值范围内对产品Vc 含量的影响的主次顺序为:X1＞X3＞X2，即温度对Vc 含量影响最大，其次是喷嘴距离，再次是风速，X1、X2、X3都是影响Y3的极显著因素。

2.5.4 山楂片还原糖含量的优化工艺参数

利用DPS 软件分析，采用频率分析法寻优，在还原糖含量大于0.38 的方案中，对数学回归模型分析的结果列于表10。通过表10，在95%置信区间内，还原糖大于0.38 的优化方案为:温度为53.5 ～55.9℃，风速为10.4 ～10.6 m/s，喷嘴距离为134.9～143.6 mm。取优化方程中各个数据的平均值得出最优方案:X1= 54.7℃，X2= 10.5 m/s，X3= 139.2 mm，将优化得出的最优方案带入最优方程Y1得出最大值Y1=0.3986。所以山楂片还原糖含量的优化方案为:温度54.7℃，风速10.5m/s，喷嘴高度139.2 mm，物料盒宽度130 mm。

表10 还原糖含量大于0.38 的45 个方案中各个因子频率表Table 10 The frequency distribution of each variable value with 45 scheme of more than 0.38

2.5.5 山楂片总酸含量的优化工艺参数

利用DPS 软件分析，采用频率分析法寻优，总酸含量大于0.16 的方案中，对数学回归模型分析的结果列于表11。通过表11，在95%置信区间内，总酸含量大于0.16 的优化方案为:温度为53.0 ～56.8℃，风速为10.8 ～11.2 m/s，喷嘴距离为133.6～140.5 mm。取优化方程中各个数据的平均值得出最优方案:X1=54.9℃，X2=11 m/s，X3=137.0 mm，将优化得出的最优方案带入最优方程Y2，得出最大值Y2=0.1654。所以山楂总酸含量的优化方案为:温度54.9℃，风速11.0 m/s，喷嘴高度137.0 mm，物料盒宽度130 mm。

表11 总酸含量大于0.16 的46 个方案中各个因子频率表Table 11 The frequency distribution of each variable value with 46 scheme of more than 0.16

2.5.6 山楂片Vc 含量的优化工艺参数

利用DPS 软件分析，采用频率分析法寻优，Vc含量大于107.86 的方案中，对数学回归模型分析的结果列于表16。通过表16，在95%置信区间内，Vc大于107.86 的优化方案为:温度为54.3 ～57.2℃，风速为11.0 ～11.4 m/s，喷嘴距离为145.3 ～150.7 mm。取优化方程中各个数据的平均值得出最优方案:X1=55.8℃，X2=11.2 m/s，X3=148.0 mm，将优化得出的最优方案带入最优方程Y3，得出最大值Y3=117.56。所以山楂片Vc 含量的优化方案为:温度55.8℃，风速11 m/s，喷嘴高度148.0 mm，物料盒宽度130 mm。

表16 Vc 含量大于107.86 的58 个方案中各个因子频率表Table 16 The frequency distribution of each variable value with 58 scheme of more than 107.86

3 结论

单因素实验表明，随着风温的增加还原糖、总酸和Vc 含量均显著降低，随着风速的增加还原糖含量显著下降但总酸及Vc 含量显著增加，物料盒宽度增加仅对Vc 含量有显著影响，随着喷嘴高度的增加还原糖含量显著降低且总酸及Vc 含量显著增加。但不同的干燥条件对总黄酮含量的影响并不显著。并且通过三因素的二次通用旋转组合设计对山楂中Vc、还原糖及总酸的含量进行了优化试验得到了不同的优化方案。其中山楂Vc 含量的优化方案为:温度55.8℃，风速11.0 m/s，喷嘴高度148.0 mm，物料盒宽度130 mm。总酸含量的优化方案为:温度54.9℃，风速11.0 m/s，喷嘴高度137.0 mm，物料盒宽度130 mm。山楂还原糖含量的优化方案为:温度54.7℃，风速10.5 m/s，喷嘴高度139.2 mm，物料盒宽度130 mm。

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