射频预处理对杏果热风干燥特性及营养成分的影响

2019-03-01刘家璇彭孟晨杨雪洁雷洋黄小丽王军

食品与发酵工业 2019年3期

刘家璇，彭孟晨，杨雪洁，雷洋，黄小丽，王军

(陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安，710119)

杏原产我国，分布广泛，产量高，品质好，风味独特，但常温下易腐败[1]。黄杏果肉中碳水化合物约占干物质的60%～77%，糖类物质约占5.5%～17.7%，含氮类物质约占0.6%～0.86%，矿物质类约占0.37%～0.83%。此外，还含有少量的纤维素和果胶、单宁类物质。据中国医学科学院卫生研究所分析：每100 g杏的果肉中含糖10 g、蛋白质0.9 g、钙26 mg、磷24 mg、铁0.8 mg、β-胡萝卜素1.79 mg、硫胺素(AB1)0.02 mg、核酸素(AB2)0.03 mg、尼克酸(Vpp)0.6 mg、抗坏血酸(VC)7 mg等[2]。鲜杏含水量高，不耐储藏，干燥是延长杏保存期的有效方法。太阳能集热器-热泵组合干燥设备进行杏干燥的试验研究表明，与自然干燥相比，组合干燥周期缩短近2/3，可节约能源和保护环境[3]。但太阳能干燥受自然条件影响较大。王宁采用低温薄层干燥杏，探索了温度、风速对杏干燥特性的影响，确定了在一定范围内温度是影响干燥速率的主要因素[4]。目前，国内杏果干燥常用方法为自然风干和热风干燥。自然风干时间长，褐变严重[5]。为了防止褐变，需对杏果进行漂烫处理，但漂烫温度高，营养损失大，同时耗能[6]。而射频(radio frequency，RF)是一种新型的加热方式，具有选择性加热,能量穿透深度大,加热速度快[7]等优点，使其在农产品干燥、灭虫[8-9],以及粉末和孔物料的杀菌[10-12]和热处理领域具有巨大的发展潜力。

国内关于射频联合干燥技术应用于干果、蔬菜脱水的研究并不多。张丽等[13]探索射频加热对红枣热风干燥影响，发现经过360 min加热，红枣的含水量降到25.68%，与采用60 ℃热风洞道干燥机干燥相比，时间缩短了2/3，并给出较优干燥条件：极板间距20.5 cm、热风温度45 ℃。在食品行业，射频技术已应用于烤焙制品的干燥[14-16]、肉制品的加工[17-18]、红枣及澳洲坚果的干燥等[10,19]。为了克服杏果传统热风干燥存在的干燥时间长，褐变严重等问题，结合射频技术的优点，本研究尝试采用射频处理杏果，以提高杏果干燥速率，同时改善干制杏果品质。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

杏果由西安户县李杏研究所提供，为7～8成熟的法杏6号。新鲜的杏果在4 ℃下保存，并在2个星期内使用完。新鲜杏果初始水分测定参考GB 5009.3—2016食品中水分测定方法。

试剂：NaHSO3(AR)，天津市津北精细化工有限公司；无水Na2CO3(AR)、NaOH(AR)、草酸(AR),天津市天力化学试剂有限公司；抗坏血酸(AR)，天津市科密欧化学试剂有限公司；2,6-二氯靛酚钠(ACS)，进口分装；NaNO2(AR)，天津市化学试剂六厂；Al(NO3)3(AR)，天津市博迪化工有限公司。试验用水为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

粮食、食品射频干燥杀虫设备(GJX-6B-27II-JY型)，河北华氏纪元高频设备有限公司；对流热风干燥设备，实验室自行搭建；数显鼓风干燥箱(GZX-9146MBE型)，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；豆浆-沙冰-水果料理机(B-767型)，苏州市伯马电器制造有限公司；高速多功能粉碎机(RRH-A400型)，上海缘沃工贸有限公司；电子天平(JA2003N型)，北京赛多利斯仪器系统有限公司；电热恒温水槽(HHW-21CU-600型)，上海福玛实验设备有限公司；循环水式真空泵(SHZ-D(Ⅲ))，巩义市予华仪器有限责任公司；可见分光光度计(722型)，上海棱光技术有限公司。

1.3 方法

1.3.1 杏果射频处理

挑选8成熟、硬度适中的杏果洗净、对半切、去核，浸没于2%亚硫酸氢钠溶液中护色1 h，取出沥干表面水分，最后移入射频设备进行干燥处理。射频设备功率6 kW，频率27.1 Hz，极板间距固定为6.0 cm，射频处理时间选取20、30、40、50 min。

1.3.2 杏果热风干燥实验

将射频处理后的杏果放入热风干燥设备将杏从含水量约85%(鲜果含水量)至约20%，期间分5次取样测定营养成分；为了探索杏果干燥特性，干燥过程每小时称量杏果质量1次，并记录数据。

1.3.3 营养成分测定

1.3.3.1 黄酮的测定[20-21]

(1)标准曲线的绘制：用95%无水乙醇溶解无水芦丁20.00 mg，定容于100 mL容量瓶中。分别移取0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL溶液于25 mL容量瓶中，定容，加蒸馏水至6 mL，再加入5% NaNO21 mL，摇匀，放置6 min，加10%Al(NO3)31 mL，摇匀，放置6 min；再加入10%NaOH 10 mL，摇匀，放置15 min，定容至刻度，在波长510 nm处测定吸光值。

(2)样品测定：用粉碎机将杏果打成浆状，稀释一定倍数后真空抽滤；准确吸取样液1.0 mL，置于25 mL容量瓶中，加蒸馏水至6 mL，再加入1 mL 5% NaNO2，摇匀、放置6 min，加1 mL 10%Al(NO3)3，摇匀、放置6 min；再加入10 mL 10%NaOH，摇匀、放置15 min，最后用蒸馏水定容至刻度线，在波长510 nm处测定样品吸光值。将测得结果代入标准品回归方程，求得黄酮含量。

1.3.3.2 多酚的测定

(1)标准曲线的制作：用10 mL无水乙醇溶解0.05 g没食子酸，定容于100 mL容量瓶中。分别移取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 mL溶液于25 mL容量瓶中定容。分别从上述标准溶液移取5.0 mL于100 mL容量瓶中，加入50 mL蒸馏水，再加入4 mL福林酚试剂、摇匀、静置4 min，加入8 mL 10%Na2CO3后用蒸馏水定容，于50 ℃的恒温水浴锅中加热5 min，最后冷却至室温，于765 nm波长下测定吸光度，可得浓度与吸光度的曲线。

(2)样品测定：杏果中多酚含量测定采用福林酚法[22]。用粉碎机将杏果打成浆状，稀释一定倍数后真空抽滤；准确吸取样液2.0 mL置于50 mL容量瓶中，移取5.0 mL到100 mL容量瓶中，然后加入50 mL蒸馏水，再加入4 mL福林酚试剂，摇匀、静置4 min，加入8 mL 10%Na2CO3，最终用蒸馏水定容至刻度线，于50 ℃的恒温水浴锅中加热5 min，并冷却至室温，于765 nm波长下测定样液吸光度，测得结果代入标准品回归方程，求得多酚含量。

1.3.3.3 VC的测定

杏果中VC含量测定采用2,6-二氯靛酚法[23]。准确称取5.000 g果浆，用10 mL蒸馏水溶解并移入50 mL容量瓶中，用2%草酸溶液定容至刻度线，摇匀后真空抽滤；取10 mL滤液于三角烧瓶中，用标定过的2,6-二氯靛酚钠盐滴定，至溶液变为桃红色，15 s不褪色即为终点。

100.00 g样品中VC含量的计算如公式(1)：

(1)

式中：A，1 mL 2,6-二氯靛酚钠盐溶液相当于VC的质量，mg；B，滴定时所用样品溶液的体积，mL；V，滴定时消耗的2,6-二氯靛酚钠盐溶液的体积，mL；a，样品的质量，g；b，样品稀释后的总体积，mL。

1.3.4 水分比、干燥速率计算

湿物料水分比MR表示在干燥过程中任意时刻物料剩余水分与初始水分之比，见公式(2)[24-25]：

(2)

式中：Mt，t时刻湿物料干基含水率，%；M0，湿物料初始干基含水率，%；Me，湿物料平衡干基含水率，%。由于Me的值远小于Mt与M0，故可忽略。因此，水分比简化式如公式(3)：

(3)

干燥速率是衡量干燥快慢的指标，其原意表示单位时间单位面积上迁移出来的水的质量。由于干燥过程物料表面积时刻发生变化，难以准确测量。通常采用干燥过程中湿物料含水量变化快慢来替代干燥速率，见公式(4)：

(4)

式中：Mt+Δt，湿物料t+Δt时刻干基含水率，%；Mt，湿物料t时刻干基含水率，%；Δt，相邻2次测量时间间隔，min。

1.4 有效水分扩散系数

有效水分扩散系数(Deff)是表示湿分在湿物料内部整体扩散能力大小的参数。通过计算和分析不同干燥条件下湿物料的有效水分扩散系数(Deff)，可指导干燥过程各条件参数的控制，改进干燥工艺和方法，提高干燥效率。通常采用费克扩散第二定律描述湿物料内部水分迁移[26]。用体积等效的球体近似对半切开的半球体杏果。由费克方程可知，球体有效水分扩散系数表示见公式(5)：

(5)

式中：Deff，干燥过程中物料的水分有效扩散系数；t，干燥时间，s；r，等效半径，m。r的计算方法如公式(6)：

(6)

式中：L，杏果长轴，m；W，杏果中轴，m；S，杏果短轴，m。

(7)

(8)

绘制lnMR与干燥时间t之间的曲线，从曲线斜率可获得k值，将k值代入公式(7)，即可获得有效水分扩散系数Deff。

1.5 数学模型

描述果蔬干燥的模型较多[27-31]，而Herdenson and Pabis模型、Page模型和Lemus模型对杏果干燥数据拟合程度较高，故本文主要选取这3种模型进行分析。

判断干燥数学模型的拟合程度，可用拟合系数R2、卡方值χ2与均方根误差RMSE作为重要指标。通常而言，R2越高，χ2和RMSE越小，说明拟合程度越好，实际值与预测值的差异越不显著。

(9)

(10)

(11)

2 结果与分析

2.1 杏果干燥特性分析

2.1.1 射频技术处理后的杏果热风干燥特性

经射频技术预处理后，直接将杏果放进65 ℃、风速3.0 m/s的热风干燥设备进行干燥脱水。杏果热风干燥不存在恒速干燥阶段，只有降速干燥阶段，见图1。

图1 经不同射频预处理后杏果热风干燥
速率曲线
Fig.1 Drying rate curves of apricot during hot air drying
after radio frequency pretreatment with different
treatment times

与未预处理样品相比，经射频预处理后，杏果干燥速率明显得到提高。预处理时间在20～50 min范围内，随着射频处理时间的增长，杏果热风干燥速率呈现增大趋势。其中射频预处理50 min，杏果干燥速率最高，而预处理20 min的样品干燥速率较低，但与未经预处理样品相比，射频预处理后杏果干燥速率显著提高。这是因为射频预处理可破坏组织结构，有利于水分析出，且随着处理时间延长，组织破坏程度增大，更有利于后续干燥水分迁移出来。

2.1.2 射频预处理时间对黄杏热风干燥水分变化的影响

经不同时间的射频预处理(20、30、40、50 min)后，杏果热风干燥过程中水分比随时间变化情况见图2。从图2可以看出，随着干燥时间的增加，物料的水分不断下降，与未预处理样品相比，经射频处理后，杏果水分比下降较快，即水分下降较快。其中，射频预处理50 min杏果热风干燥过程水分比下降最快。从预备试验中还发现，射频预处理超过50 min后，杏果容易导致焦糊。因此，适当地射频预处理有利于物料水分迁移出来。

图2 杏果热风干燥过程中水分比变化曲线
Fig.2 Curves of moisture ratio of apricot changing
with drying time during hot air drying

2.2 杏果热风干燥有效水分扩散系数

经射频预处理后杏果热风干燥有效水分扩散系数的计算值见表2。

表2 杏果热风干燥的水分有效扩散系数Table 2 Effective diffusion coefficients of apricot during hot air drying

由表2可知，随着射频预处理时间的增加，杏果有效水分扩散系数大致呈上升趋势，与前面分析得到经预处理杏果干燥速率随预处理时间延长呈增大趋势是一致的。与未经射频预处理样品相比，经射频预处理后杏果热风干燥水分有效扩散系数Deff都得到提高，提高了31.34%～81.35%。

2.3 杏果热风干燥模型的拟合

通常认为，R2越高，χ2和RMSE越小，说明拟合程度越好，实际值与预测值的差异越不显著，更适合描述物料在一定干燥条件下的水分变化规律。本研究采用3个常用干燥数学模型方程对未处理组和经射频预处理不同时间后干燥得到的数据进行拟合，将分析数据结果整理如表3。

表3 经射频预处理后杏果热风干燥模型R2, RMSE, χ2Table 3 R2, RMSE, χ2of drying model for apricot dried with hot air after pretreated with radio frequency technology

可以看出Henderson and Pabis具有最高的R2和较低的χ2、RMSE，拟合程度较好。而其他2个模型的R2值也在0.92以上，但组间波动较大，某些组的拟合程度较差。总体而言，未经射频处理组的数据和所有模型的拟合度最好。

2.4 射频处理后的杏果热风干燥过程中营养成分变化规律分析

2.4.1 黄酮含量变化规律

经射频处理后，杏果热风干燥过程中其黄酮含量随含水率变化情况见图3。从图3发现，经射频技术处理后，杏果热风干燥过程中其黄酮含量随水分下降先升高后下降，随着射频预处理时间延长也呈现出先增大后减小趋势。射频与微波同属于高频技术，微波辅助提取法是总黄酮提取的主要方法之一[32]，随着射频预处理时间的延长,黄杏总黄酮的提取率逐渐升高，预处理时间为40 min时，提取效果已基本达到最佳。随着射频处理时间的增加，物料温度也随之上升，当处理时间到达50 min时，温度较高，且在研究中发现，此时黄杏已开始出现局部焦糊的现象，而高温会导致细胞内蛋白质的变性凝固,阻碍细胞中总黄酮的溶出[33]。与鲜果黄酮含量0.907 5 mg/100g相比，经过射频处理，杏果虽然经过干燥，但测得杏干黄酮保存量仍较高。原因主要是，高频技术具有辅助提取果蔬有效成分的功能，射频处理使得存在于杏果各个组织中的黄酮容易溶出。从曲线中可发现，经射频处理后，随处理时间的增加，黄酮含量先上升后下降，但下降较少，经50 min射频处理后的黄酮含量比30、40 min处理组的低，但仍高于20 min处理组，这与杨洁等人在枣叶黄酮微波-离子液体辅助提取工艺优化及其抗氧化活性研究中所得的结果相似[34]。

图3 经射频技术处理后杏果热风干燥中黄酮
含量随水分变化曲线
Fig.3 Contents of flavonoids in apricot pretreated with
radio frequency changing with drying time during hot
air drying

2.4.2 多酚含量变化规律

射频处理后，杏果热风干燥过程中其多酚含量比鲜果中的含量增加，20、30、40 min处理是在70%左右的水分含量处，50 min处理是在80%左右的水分含量处，多酚含量出现一个峰值，之后再趋于平缓。这可能是因为，一开始随着射频处理时间的增加，有利于多酚溶出，当多酚成分溶出达到极限时，继续延长射频处理时间，多酚在空气中氧化增加[35]，且此时温度较高，导致多酚提取率下降[36]，甚至低于20 min。而析出的多酚中一部分在热风干燥过程损失，含量略有下降，受65 ℃热风影响，不明显，所以在后期杏果多酚含量趋于平缓。在20、30、40、50 min射频处理组中，30和40 min处理组总体含量高且比较接近。经20 min处理的多酚含量偏低，是由于20 min射频处理杏果中黄酮析出不充分。经50 min射频处理，杏果多酚总体含量也偏低，这可能是因为射频时间过长可能导致多酚的组织结构被破坏，使得含量下降。从曲线变化可知，经射频处理后，随处理时间的增加，多酚含量先上升后下降，且下降趋势明显，50 min处理组的多酚含量最低，这与赵二劳等研究玉米苞叶多酚微波辅助提取工艺及其抗氧化性[37]中所得的结果相似。

图4 经射频技术处理后杏果热风干燥过程中多酚
含量随水分变化曲线
Fig.4 Contents of polyphenol in apricot pretreated with
radio frequency changing with moisture content during
hot air drying

2.4.3 维生素C(VC)

经射频预处理后，杏果热风干燥过程中VC含量随含水率下降先升高后下降，见图5，且随着射频预处理时间延长呈降低趋势。其中，射频预处理40和50 min，杏果VC保存量偏低。主要原因是，射频预处理致使组织结构崩解，营养成分析出，故热风干燥开始阶段测VC含量呈现上升趋势，但是，随着干燥时间的延长，VC暴露在高温环境下开始逐步降解，果实组织崩解程度越大，意味着干燥后期VC损失就越大，保存量就越少。与鲜果VC含量0.781 7 mg/100g相比，经过射频预处理，热风干燥所得杏干其VC含量略高，便于人体食用吸收。

图5 经射频处理后杏果热风干燥过程中VC
含量随水分变化曲线
Fig.5 Contents of vitamin C in apricot pretreated with
radio frequency changing with moisture content during
hot air drying