干燥条件对海巴戟天果中水分和蒽醌类化合物含量的影响

王凯悦，廖小伟，刘红，2*，马艺丹，闫瑞昕，何云啸

（1.海南师范大学化学与化工学院，海南海口571158；2.海口市热带特色药食同源植物研究与开发重点实验室，海南海口571158）

干燥条件对海巴戟天果中水分和蒽醌类化合物含量的影响

王凯悦1，廖小伟1，刘红1，2*，马艺丹1，闫瑞昕1，何云啸1

（1.海南师范大学化学与化工学院，海南海口571158；2.海口市热带特色药食同源植物研究与开发重点实验室，海南海口571158）

在真空干燥、密闭干燥、热风干燥条件下，研究干燥温度为50℃、60℃、70℃和样品厚度（1 mm、2 mm、3 mm）对海巴戟天果的干燥动力学和蒽醌类化合物含量的影响.水分的干燥曲线表明干燥动力学和有效水分扩散率的关系，阿伦尼乌斯方程则表示扩散系数与温度的关系.干燥条件、样品厚度（1 mm、2 mm和3 mm厚度）以及干燥温度影响干燥率和蒽醌类化合物含量.真空干燥条件具有更高的干燥效率，水分扩散率和蒽醌类化合物含量均较高.当样品厚度为3 mm，真空条件下扩散系数8.82×10-10m2/s，活化能为36.52 KJ/mol.

海巴戟天果；干燥动力学；蒽醌类化合物

海巴戟天属热带常绿多年生阔叶灌木至小乔木，是热带及亚热带地区的重要经济作物，其含有7-羟基-6-甲氧基香豆素、萜类化合物、蒽醌类化合物、生物碱、β-谷甾醇、黄酮糖苷、茜素、芸香苷等药用成分[1-2]，抗氧化活性和生物活性比绿茶和红酒更强[3-4].市售产品有果粉、果汁浓缩液和酵素[5-9]，常应用于化妆品，药物，酒精和非酒精饮料行业等.在医疗方面，海巴戟天能抗病毒、抗癌，对治疗自身免疫疾病、急慢性疼痛、呼吸道疾病、心血管疾病、糖尿病、骨病等都具有显著的疗效[10-11].

在海巴戟果粉的干燥过程中，影响产品的质量和药效成分-蒽醌类化合物含量的因素很多，如干燥方式、干燥温度以及干燥厚度等.目前有关海巴戟天果的热风干燥处理条件的报道很少.本文研究海巴戟天果的干燥动力学和蒽醌类化合物含量的影响，采用三种不同的干燥方法（真空、密闭、热风干燥），于不同的干燥温度（50℃、60℃、70℃）和不同的样品厚度（1 mm、2 mm、3 mm）的条件下，研究了海巴戟天果的干燥速率[12-13]和蒽醌类化合物的含量.

1　材料与方法

1.1仪器、试剂与材料

电热恒温鼓风干燥箱（上海申贤恒温设备厂，DHG-9070A）；真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司，DZF-6050）；双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司，TU-1901）；超声波清洗仪（XO-5200DTS，南京先欧仪器制造有限公司）.

可溶性淀粉（天津市瑞金特化学品有限公司，分析纯）；乙醇（国药集团化学试剂有限公司，分析纯）；盐酸（广州市东红化工厂，分析纯）；醋酸镁（上海化学试剂有限公司，分析纯）；甲醇（广州化学试剂厂，分析纯）.

海巴戟天果（海南西沙诺丽生物科技有限公司提供），可溶性淀粉.

1.2海巴戟天浓缩液制作

用蒸馏水洗净海巴戟天，沥干，榨汁，加水，制成58%（w/w）的浓缩液；放入温度为70℃的水浴锅中加热，在搅拌的条件下慢慢滴加煮沸的淀粉溶液（淀粉含量为5%，w/w），此时浓缩液浓度达到44%；将上述混合物加热3 min，将含水率为（58.76%，w/w）的混合物移入玻璃模具（直径10 cm）、厚度（1、2、3 mm），将样品根据不同厚度平铺在纱布上，过滤.

1.3干燥过程

1）热风干燥在干燥箱内空气速度为1.2 m/s，在三种不同的温度下（50℃、60℃、70℃）干燥，间隔5～ 10 min，记录样品质量直到样品水分达到0.02 kg H2O/kg干基.

2）真空干燥在真空度为0.09 M Pa，三种不同的温度下（50℃、60℃、70℃）干燥，间隔10 min，记录样品质量直到样品水分达到0.02 kgH2O/kg干基.

3）密闭干燥在鼓风干燥箱中关闭鼓风机的条件下，三种不同的温度下（50℃、60℃、70℃）干燥，间隔10～20 min，记录样品质量直到样品水分达到0.02 kgH2O/kg干基.

1.4干燥曲线并计算有效水分扩散系数和活化能

菲克第二定律被广泛用来解释大多数有机材料在干燥过程中水分变化率.菲克扩散方程如下：

X表示任一时刻的含水率（水的质量/干燥固体的质量），X0原始含水量（水的质量/干燥固体的质量），Xe平衡含水率（水的质量/干燥固体的质量），Deff有效水分扩散系数（m2·s-1），L平板厚度（m），t干燥时间（min）.

讨论lnMR与有效水分扩散系数的关系，得到一条直线，其斜率（K）如下所示：

与温度有关的扩散系数与活化能的关系，遵循阿仑尼乌斯方程，即：

D0是阿仑尼乌斯方程的常数（m2·s-1），Ea是活化能（KJ·mol-1），R是气体常数（KJ·mol-1·K-1），绝对温度（K）.

1.5提取过程

在海巴戟天干燥样品中加入1 mL 50%（v/v）乙醇盐酸溶液（0.01%（v/v）HCl）将其研成粉末并在50℃水浴中保持10 min，然后将其用保鲜膜封口冷藏于-4℃保存.

1.6蒽醌含量测定

采用醋酸镁-甲醇分光光度法测定.取不同温度下不同厚度一定量的海巴戟天干燥样品于烧杯中，用过量的甲醇溶液浸泡24 h，超声提取40 min，过滤，真空干燥直至大量絮状物的出现，取出.加2 mL蒸馏水，超声混合均匀，加入28.5%（w/w）FeCl3溶液1.0 mL，煮沸15 min后，加入稀盐酸2.0 mL，水浴加热30 min，待冷却至室温，将其移至分液漏斗，蒸馏水和氯仿萃取多次，水洗萃取液至PH值=7，置于旋转蒸发浓缩干燥（温度40℃），残渣加10 mL 1%（w/w）的醋酸镁-甲醇溶液，超声混合均匀，避光放置30 min，于510 nm处测定吸光度（A）值.分别配制10 mL、25 mL、50 mL溶液，以蒽醌浓度（X）和A值（Y）制得回归方程.

1.7数据分析

实验数据进行方差分析，因变量的影响进行了多变量分析，所有的实验数据重复3次.

2　结果与讨论

2.1海巴戟天果的热风、真空、密闭干燥

影响海巴戟天浓缩液的干燥效果是干燥方法、干燥温度以及样品厚度.实验中添加少量的热淀粉溶液，使H键重新排列从而使海巴戟天果浓缩液形成胶状结构.在热风、真空和密闭的干燥条件下，温度分别50℃、60℃、70℃和样品厚度为1 mm、2 mm、3 mm时，样品水分比例（MR）达到0.02 kgH2O/干基（水分12.4%），终止干燥，结果见从表1.从表1可以看出，在70℃条件下,真空干燥样品厚度为1 mm、2 mm、3 mm时所需干燥时间分别为20 min、40 min和50 min.在热风干燥过程中，干燥1 mm、2 mm、3 mm样品所需时间分别为35 min、65 min、90 min.样品厚度的增加，达到目标所需的MR干燥时间增加，如图4表示样品厚度的增加导致干燥时间延长.三种干燥条件下，1、2、3 mm样品的初始厚度下降到0.67±0.03毫米、1.56±0.05 mm和2.38±0.03 mm左右，产品的厚度与干燥方法无显著性差异（P>0.05）.

表1　干燥条件对干燥时间的影响（分钟），有效水分扩散系数和样品MR值达0.02（kg H2O/kg干燥固体）Tab.1Effect of drying conditions on the drying time(minutes),effective moisture diffusion coefficient and sample MR value of 0.02(kg H2O/kg dry solid)

图1-3表示在密闭、真空和热风情况下，干燥时间随干燥温度升高而缩短，干燥速率随着温度的升高而提高[12].热风干燥是被世界广泛认同的一种工业干燥方法，尽管这种方法对产品有些不利影响，因此我们也研究了海巴戟天果在空气流通的干燥箱中的干燥方法.对比可得，真空干燥的速率比热风干燥速率更高，热风干燥比密闭干燥速率更快.根据实验结果，无论是样品厚度还是干燥温度对样品的干燥曲线（P<0.05）都有显著的影响.样品厚度的增加导致干燥时间随之显著增加，干燥温度的升高可减少干燥时间.

2.2有效水分扩散系数和干燥进程中的活化能

有效水分扩散系数由公式（1）计算得出，有效水分扩散系数与温度的关系，如图5-7所示.真空干燥条件下样品的有效水分扩散系数从2.94×10-10m2/s到21.16×10-10m2/s，在热风干燥条件下样品的有效水分扩散系数从1.68×10-10m2/s到11.77×10-10m2/s，在密闭干燥条件下样品的有效水分扩散系数从0.336×10-10m2/s到2.67×10-10m2/s.说明不同的干燥方法和温度影响有效水分的扩散系数.由图5可以看出，在真空干燥条件下有效水分的扩散系数值大于密闭干燥和热风干燥条件下的有效水分扩散系数值.此外，温度与与样品厚度显著的影响样品有效水分扩散系数值（P<0.05）.总体来说，真空干燥条件下，样品的水分扩散速率相比于其他条件下更快，反映出真空条件相比于热风干燥条件和密闭干燥条件更快地完成干燥.

图1　3mm样品热风干燥曲线Fig.1Hot air drying curve of samples with 3 mm thickness

图2　3mm样品真空干燥曲线Fig.2Vacuum drying curve of samples with 3mm thickness

图3　3mm样品密闭干燥曲线Fig.3Cabinet drying curve of samples with 3mm thickness

图4　不同厚度样品的真空干燥曲线Fig.4Vacuum drying curve of samples with different thickness

图5　热风干燥有效水分扩散系数与温度的关系Fig.5The relationship between effective moisture diffusion coefficient and temperature in hot air drying

图6　真空干燥有效水分扩散系数与温度的关系Fig.6The relationship between effective moisture diffusion coefficient and temperature in vacuum drying

图7　密闭干燥有效水分扩散系数与温度的关系Fig.7The relationship between effective moisture diffusion coefficient and temperature in cabinet drying

根据活化能计算绘制lnDeff相对于温度的倒数（1/T）关系图，在样品真空干燥条件下，样品厚度为1 mm的活化能为43.22 KJ/mol，并且活化能值随样品厚度的增加而减小.在真空干燥中最低活化能是由样品厚度为3 mm的样品计算得出.样品厚度和干燥方法对活化能值有一定的影响，海巴戟天果浓缩液样品厚度的减少导致样品的活化能值明显增加.另外，真空干燥与密闭干燥下，海巴戟天果浓缩液的活化能在36.52～43.22 KJ/mol之间，而食品的活化能值一般在12.7～110 KJ/mol范围内.

2.3蒽醌含量

长期高温处理对干果的质量产生负面影响,导致生物功能性食品组分的降解.借助蒽醌化合物的含量来衡量功能性食品组分.不同温度不同厚度的样品的吸光度，以1,8-二羟基蒽醌浓度（X）和A值（Y）制得回归方程：

密闭干燥条件下50℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.03337X-0.01582；2mm：Y=0.05291X-0.02149；3mm：Y=0.06991X-0.01192；

60℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.02776X-0.02390；2mm：Y=0.04491X-0.01877；3mm：Y=0.05019X-0.01044；

70℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.01397X-0.1077；2mm：Y=0.03973X-0.01103；3mm：Y=0.04502X-0.01720；

热风干燥条件下50℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.03401X-0.01629；2mm：Y=0.05187X-0.02018；3mm：Y=0.06701X-0.01204；

60℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.02813X-0.02377；2mm：Y=0.04318X-0.01972；3mm：Y=0.05201X-0.01201；

70℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.01528X-0.0127；2mm：Y=0.03372X-0.01692；3mm：Y=0.04677X-0.01298；

真空干燥条件下50℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.03609X-0.01549；2mm：Y=0.05348X-0.01937；3mm：Y=0.06936X-0.01921；

60℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.02969X-0.01739；2mm：Y=0.04619X-0.01639；3mm：Y=0.05829X-0.02183；

70℃时，样品的回归方程1mm：Y=0.01643X-0.01326；2mm：Y=0.01298X-0.01721； 3mm：Y=0.04811X-0.01412.

由表2可得，干燥温度是蒽醌化合物的降解的最重要的影响参数（P<0.01），样品的厚度和干燥条件也影响产品的蒽醌含量（P<0.05）.真空干燥有可能因较少的干燥时间和更多的缺氧介质而保留更多的蒽醌化合物.温度50℃，厚度3mm得到的产品蒽醌含量为682.51±2.49 mg/mL.

表2　干燥条件、干燥温度和样品厚度与样品蒽醌化合物含量Tab.2Drying conditions,drying temperatures sample thickness,and content of in the samples anthraquinone

3　结论

众所周知，干燥方法、干燥温度和产品厚度对产品的质量有极大的影响.从工程的角度来看，干燥处理应该考虑成本、产品最终质量以及消费者的喜好.干燥效率可以通过优化干燥条件得以提高.采用真空干燥海巴戟天果浓缩液，当温度为50℃，样品厚度3 mm可以保持产品最高的生物活性，而且时间较短.海巴戟天果浓缩液在热风干燥与密闭干燥的条件下也可以有效地脱水.

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责任编辑：毕和平

The Effects of Drying Conditions on Moisture Transfer and Anthraquinones Contents in Morinda Citrifolia

WANG Kaiyue1，LIAO Xiaowei1，LIU Hong1，2*，MA Yidan1，YAN Ruixin1，HE Yunxiao1
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Hainan Normal University，Haikou 571158，China 2.Haikou Key Laboratory of Research and Development on Topical and Special Medicine and Edible Plant，Haikou 571158，China）

Studies of the drying kinetics and anthraquinone content in Morinda citrifolia were carried out under different drying conditioner（vacuum,cabinet,hot air drying）and different thickness（1 mm，2 mm，3 mm）.Drying curves exhibited the relationship between drying kinetics and effective moisture diffusion.The temperature dependence of the effective mois⁃ture diffusion was satisfactorily described by an Arrehenius-type relationship.Drying conditions,thickness and operation temperature had various effects on drying rate,anthraquinone content and final quality of the product.Vacuum method had higher drying rate with higher conservation of anthraquinone that was connected to faster drying condition and oxygen defi⁃cient medium.If the thickness was 3mm,the effective moisture coefficient was 8.82×10-10（m2/s)under the vacuum drying conditions.Then,activation energy was calculated to be 36.52 kJmol-1.

morindacitrifolia；dryingkinetics；anthraquinones

TS 205.1

A

1674-4942（2016）01-0055-06

2015-11-17

海口市应用技术研究与开发项目（2014-90）；海南省级创新训练项目（20140067）