基于酒花水分含量变化研究变温干燥模式对酒花干燥效率的影响

洪 凯，杨赟毓, ，范玉芳，马伟成，宋玉梅，谢 鑫，马长伟,

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，中国轻工业食品生物工程重点实验室，北京 100083；2.玉门拓璞科技开发有限责任公司，甘肃玉门 735211；3.北京燕京啤酒股份有限公司，北京 101300）

酒花（Humulus lupulusL.），其学名为蛇麻，又称啤酒花、香蛇麻、蛇麻草和忽布，是一种多年生雌雄异株攀缘植物，我国种植区域主要分布在新疆、甘肃、内蒙古等地[1]。酒花在发芽3个月后可生长出球果，称为现蕾，通常在现蕾后1～2个月内收获[2]，并进行烘干造粒。酒花为啤酒提供苦味、滋味和香气，这主要来自于酒花中的苦味酸（α-酸、β-酸）[3]、多酚[4]和萜类等化合物[5]。其中α-酸、β-酸含有双键，是酮的衍生物，其性质活泼，在酒花烘干过程中易被氧化，从而造成酒花在干燥和贮藏过程中贮藏指数上升[6]。烘干温度过高还可能造成酒花精油的损失[7]和多酚的氧化[8]，最终影响啤酒的香气和滋味[9-10]。近年来，随着精酿啤酒在我国的兴起，啤酒生产企业及精酿厂商对于高品质酒花产品的需求越来越旺盛[11]。因此，研究如何设计合适的干燥温度梯度，以获得高品质的酒花产品，提高酒花加工质量，就显得非常重要。

在食品工业中，物料的干燥分为恒速干燥和降速干燥，其中以降速干燥最为常见，干燥操作的强化须从改善内部扩散着眼[12-13]。酒花独特的结构特征给酒花高效干燥带来了挑战，酒花由花轴和以花轴为中心生长的外部苞片组成[14]，在酒花干燥过程中，苞片干燥较快，而内部含水量更高的花轴干燥较慢，最终导致酒花干燥周期变长或干燥不充分。因此，控制酒花的烘干温度对获得良好的酒花品质至关重要。为此，本文重点研究不同变温干燥模式对甘肃地区酒花品种‘拓璞1号’干燥效率的影响，并将试验结果在实际生产中进行验证，以评估烘干工艺对酒花干燥效率及酒花品质的影响，为企业改进生产工艺提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

酒花 ‘拓璞1号’酒花采收自玉门拓璞科技开发有限责任公司酒花生产基地；槲皮素、没食子酸、福林酚、甲苯、甲醇、氢氧化钠、碳酸钠等其他试剂AR，上海麦克林生化科技有限公司。

精创RC-4温湿度记录仪 江苏省精创电气股份有限公司；N4紫外可见分光光度计 上海仪电分析仪器有限公司制造；高速多功能粉碎机 永康市铂欧五金制品有限公司；BSA224S-CW电子天平 无锡英衡电子有限公司；电热鼓风干燥箱 上海丙林电子科技有限公司；ZD-85双功能气浴恒温振荡器金坛市城西峥嵘实验仪器厂；HH-6数显恒温水浴锅

常州天瑞仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 烘箱变温干燥模式设计 将采集的样品使用改造后的烘箱（使用铁板密封酒花层上方侧面进风通道，确保热风从下往上通过酒花层）分别进行下列4种变温干燥模式处理：

40～60 ℃：初始温度为40 ℃，在7 h内逐渐上升至60 ℃；

30～50 ℃：初始温度为30 ℃，在7 h内逐渐上升至50 ℃；

30～40 ℃：初始温度为30 ℃，在7 h内逐渐上升至40 ℃；

30～60～40 ℃：初始温度为 30 ℃，在 5.5 h 内上升至60 ℃，随后的1.5 h下降至40 ℃（模拟生产中干燥末期使用余热烘干）。

幼树修剪，有利于主枝发育，提高核桃树的长势。幼树修剪从每年8月下旬开始，秋季修剪有助于伤口愈合。修剪过程中一般将主干的高度控制在50-80 cm之间，定植当年通常不做任何修剪，只需要将主干扶正并且对顶芽进行保护即可。等到春季发芽之后，需要对顶芽进行控制，一般在5-6月进行修剪，将顶芽下部分布均匀、生长较为旺盛的5-6个嫩芽作为萌发的侧枝予以保留即可。次年按照同样的方法进行修剪，培育第二层的主枝，留2-3个主枝即可，第三年对第三层主枝进行修剪。

1.2.2 烘箱干燥模式中酒花含水量测定 使用经典质量法测定酒花含水量[15]。即从烘箱中取得的酒花样品（约30颗酒花球果），使用四分法进行分选，并用医用剪刀剥离每颗酒花的苞片和花轴，剪切成碎片，置于103 ℃下烘干至恒重，称量烘烤前后的酒花质量，计算酒花苞片、酒花轴及酒花整体水分含量。

1.2.3 烘箱干燥模式中酒花层温湿度测定 烘箱内的酒花层高度为15 cm，厚度均匀。分别将距离烘箱烘烤架底部 10～15、5～10和 0～5 cm的空间记为酒花层上层、中层、下层。在各酒花层位置分别放置精创RC-4温湿度记录仪，记录整个烘干过程中酒花层温湿度变化；使用温湿度仪数据收集软件RC-4&5 Conventional （V2.0） 收集酒花层温湿度数据。

1.2.4 车间烤池变温干燥模式设计 对比分析以上四种变温干燥模式对烘箱干燥过程中酒花干燥效率的影响，以7 h内酒花整体水分含量为评价指标，选择 30～50 ℃ 以及 30～60～40 ℃ 两种变温干燥模式进行车间大批量干燥实验的验证。车间干燥以‘拓璞1号’为试验样品，使用单层高床烤池进行烘干（图1）。酒花层高度为50 cm，酒花厚度一致。分别将距离烤池底部 35～50、15～35和 0～15 cm的空间记为酒花层上层、中层、下层。

图1 单层高床烤池示意图Fig.1 Sketch map of single-layer bakery

1.2.5 车间烤池变温干燥模式下酒花水分含量及酒花层相对湿度测定 酒花水分含量及酒花层相对湿度测定参照1.2.2、1.2.3中的方法进行测定。

1.2.6 车间烤池变温干燥模式下酒花品质指标测定

1.2.6.1 酒花苦味酸和酒花贮藏指数测定 酒花α-酸、β-酸、贮藏指数的测定参照GB/T 20369-2006《啤酒花制品》中的紫外分光光度法与贮藏指数测定法[16]。

1.2.6.3 酒花多酚含量测定 参考Kowalczyk等[18]的方法，并作修改。称取粉碎的酒花1.0 g（一式三份），加入30 mL 50%乙醇，于40℃下振荡1 h，离心 （10 min，8000 r/min） 收集上清液，将沉淀再次提取两次，合并上清液并使用50%乙醇补足至100 mL。取1 mL萃取液，加入4 mL福林酚试剂（福林酚稀释5倍后使用），反应3 min后，加入5 mL的 Na2CO3溶液 （7.5%, w/v），静置 1 h后于740 nm测定吸光值。多酚含量用没食子酸当量表示为mg·g-1。

1.2.6.4 酒花铁还原能力测定 参考Kowalczyk等[18]的方法，并作修改。取0.25 mL萃取液，加0.75 mL蒸馏水，加入2.5 mL浓度为0.2 mol·L-1的pH为6.6的磷酸盐缓冲溶液，2.5 mL 10%的三氯乙酸和2.5 mL 1%的铁氰化钾溶液混合，于50 ℃反应20 min，之后取2.5 mL反应液，加入0.5 mL 0.1%三氯化铁与2.5 mL蒸馏水，室温下反应50 min，于700 nm比色测定吸光度。铁还原能力以抗坏血酸当量表示为mmol·L-1。

1.3 数据处理

试验数据由 Excel 2016、Origin2017、SPSS21等软件进行处理，对数据进行计算、拟合以及图表的绘制。结果中数据以平均值±标准差（SD）的形式进行表示，并对品质指标数据进行显著性分析，以不同字母 a、b、c、d 表示差异显著（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同变温干燥模式对烘箱干燥中酒花含水量、酒花层相对湿度的影响

在酒花干燥的研究中，通常通过测定酒花烘干过程中的整体水分含量来评估酒花的干燥进程，但是鲜有测定酒花苞片或花轴的水分来综合分析其含水量变化规律。酒花在整个干燥过程中外层苞片及内部花轴的水分流失速度存在较大差异，一部分原因是由于酒花苞片和花轴的相对空间位置差异，酒花苞片结构松散，而花轴部分结构致密又被酒花苞片包被，造成酒花花轴的干燥速度远低于外层苞片的干燥速度。如图2A所示，采用40～60 ℃变温干燥的酒花，在整个干燥过程中（7 h）其苞片水分由72.9%下降到19.5%，失水率为73.3%，而内部花轴的水分由73.1%下降为58.7%，水分损失率为19.7%。

由图中酒花苞片、花轴及整体水分的变化趋势可知，在酒花干燥前期和后期，酒花的干燥速度存在差异。以酒花苞片的干燥速度为例，40～60 ℃变温干燥的酒花在烘干时间5 h之前，酒花苞片水分的损失速度为8.99 RH·h-1，5 h之后的水分损失速度为5.55 RH·h-1；30～50 ℃ 变温干燥的酒花在前 4 h 的水分损失速度为 11.76 RH·h-1，4 h 之后为 6.95 RH· h-1；30～40 ℃变温干燥的酒花在前5 h的水分损失速度为 9.31 RH·h-1，5 h 之后为 1.39 RH·h-1；30～60～40 ℃在整个烘干期间其苞片水分损失速度差异不明显。这表明酒花在干燥过程中，其干燥速度变化类型与干燥温度有关，为降速干燥或恒速干燥方式。

分析四种不同的变温干燥模式对酒花干燥效率的影响。由图2可知，以酒花整体水分为评价指标，四种不同变温干燥模式下，酒花整体含水量均随干燥时间的延长而下降。不同干燥模式影响酒花的干燥效率，采用 40～60 ℃、30～50 ℃、30～40 ℃、30～60～40 ℃变温干燥的酒花在干燥终点（7 h）时其失水率分别为33.78%、54.48%、31.60%和49.82%，烘干早期温度较高（40～60 ℃）或烘干中后期温度较低（30～40 ℃）均会造成酒花干燥效率较低。这一结果与廖正宣[10]和舒翔等[19]的研究结果是相近的，即酒花烘干初期的温度应在30～35 ℃, 中期温度控制在40～45 ℃, 后期温度控制在50～55 ℃。烘干早期由于酒花干燥室及酒花层的湿度较高，过高的烘干温度反而不利于水分的蒸发（图2A）；而烘干中后期温度较低，则会大大降低干燥效率，如图2C所示，采用30～40 ℃变温干燥的酒花其干燥终点的水分最高，其酒花层湿度也在较长时间内处于较低水平，表明酒花内部的水分向外迁移受阻。

图2 不同烘干温度下酒花含水量及酒花层相对湿度变化Fig.2 Change of moisture content of hops and RH value of hop layers baked with different temperatures

综上所述，在所研究的四种变温干燥模式中，采用 30～50 ℃ 和 30～60～40 ℃ 两种变温干燥模式干燥酒花的效果更佳。

2.2 不同变温干燥模式对烤池干燥中酒花层温湿度的影响

根据2.1部分的实验结果，以酒花整体水分为评价指标分析，采用 30～50 ℃ 变温干燥、30～60～40 ℃变温干燥的干燥方案其效果较好。实验进一步将以上两种干燥工艺在生产车间进行了验证比较，并使用干燥模型对酒花水分比变化进行拟合，分析其干燥类型及变化规律。

实验跟踪记录了生产车间烤池中酒花的干燥进程（30～50 ℃ 变温干燥；30～60～40 ℃ 变温干燥），采用智能温湿度记录仪实时监测了烤池酒花层的相对温湿度变化。由图3B及3D可知，酒花层相对湿度呈先降低后稳定的趋势，表明酒花在干燥过程中首先经历一个水分快速损失的阶段，即快速排潮阶段[20]，之后酒花的干燥速度相对平稳。在水分快速损失阶段，其损失的水分来自于酒花外层花苞及内部花轴，而随着外层花苞的干燥，逐渐开始影响内部水分的向外迁移。对比这两种不同的干燥工艺下的酒花层相对湿度变化，30～50 ℃ 变温干燥和 30～60～40 ℃ 变温干燥酒花层的相对湿度分别在前6 h（图3B）和4 h（图3D）的时间内下降到20%左右，即完成快速排潮，随后保持相对稳定。

图3 生产车间不同烘干温度下酒花层温湿度变化Fig.3 Changes of temperature and humidity in hop layers baked with different baking temperatures in workshop

2.3 不同变温干燥模式对烤池干燥中酒花水分含量的影响

食品物料在干燥动力学中一般满足恒速干燥或降速干燥模型[21]，在降速干燥模型中，一般采用Weibull等方程进行拟合[22-23]。实验进一步分析了30～50 ℃ 变温干燥及 30～60～40 ℃ 变温干燥模式下，酒花上、中、下层的苞片、花轴以及整体水分含量的变化，分别利用线性方程和Weibull函数模拟其干燥曲线，并计算其决定系数R2，离差平方和χ2以及RMSE值（表1）。

由表1 可以看出，不同烘干温度下酒花苞片或花轴拟合函数的决定系数R2有较大差异，选择拟合效果更好的模型对曲线进行拟合，结果如图4。由拟合结果可知，线性方程可更好地拟合30～50 ℃干燥组中花轴水分含量和整体水分含量（R2＞0.96），以及30～60～40 ℃干燥组中上层酒花花轴水分含量，表明其水分干燥模式为恒速干燥。而Weibull分布函数能够更好地模拟酒花苞片的干燥曲线，在干燥过程中，Weibull 分布函数中的尺度参数α表示干燥过程的速率常数，其值约等于干燥过程完成63%所需要的时间（以h表示），即尺度参数α越小，其干燥效率越高。由表1可以看出，采用30～50 ℃干燥模式时，酒花上、中、下层苞片的尺度参数α分别为5.62、5.21 和 4.33；而采用 30～60～40 ℃ 干燥时，这一参数分别为4.65、3.96和2.42。由此结果可知，不同酒花层的酒花干燥效率存在差异，且采用30～60～40 ℃干燥模式下的酒花苞片更易失去水分。

图4 生产车间不同烘干温度下酒花部位的水分比变化Fig.4 Change of hop moisture ratio with different drying temperature in workshop

表1 Weibull和Line函数模拟酒花干燥试验测试数据Table 1 Data of hop drying test functional simulation by Weibull and Line functions

形状参数β与干燥过程中水分迁移机理相关[24-25]：形状参数β在0.3～1.0之间时，表示物料在干燥过程中是由内部水分扩散控制，即表现降速干燥的特点。由表中分析结果可知，在符合Weibull模型拟合的实验组中，采用30～60～40 ℃干燥模式下的形状参数β值大多均小于1，表明以上所研究的酒花部位其干燥类型均为降速干燥。而采用30～50 ℃干燥的酒花整体水分均满足线性拟合，表明其整体水分干燥属于恒速干燥。进一步对酒花整体水分的烘干效率进行评估，使用以上的拟合方程计算当整体水分为20%时各层酒花所需的烘干时间，得出，采用30～50 ℃变温干燥组上中下酒花层所需的干燥时间为 16.76、14.36 和 13.61 h，而采用 30～60～40 ℃ 变温干燥组为19.93、22.28和19.70 h。表明采用30～50 ℃干燥对酒花的干燥效率更高。结合30～60～40 ℃的尺度参数更低，推断其整体水分干燥进程受阻是由于其外层苞片水分的快速损失所致。

Dcal表示干燥过程中估算的水分扩散系数，表明水分扩散的速度，其值越大，表明水分扩散越快[25-26]。30～50 ℃干燥温度下酒花层从上到下苞片的水分扩散系数逐渐增大，分别为 0.26×10-9、0.28×10-9、0.33×10-9m2·s-1。而对于 30～60～40 ℃ 干燥组，这一值分别为 0.31×10-9、0.36×10-9、0.60×10-9m2·s-1，表明 30～60～40 ℃干燥下酒花苞片干燥速率更快。且苞片的水分扩散系数远远大于整体酒花的水分扩散系数，即外部苞片的水分干燥速率远快于内部花轴，这与2.1的研究结果一致。

2.4 不同变温干燥模式对烤池干燥中酒花品质的影响

在烘干车间中采用两种不同烘干温度生产的酒花品质指标测定结果如表2所示，其中贮藏指数是评价酒花加工品质、衡量酒花老化程度的重要指标。由表中检测数据可知，采用30～50 ℃和30～60～40 ℃干燥对酒花苦味酸含量、贮藏指数、多酚含量及其铁还原力均无显著影响；而两种干燥模式对酒花精油含量影响显著（P＜0.05），30～60～40 ℃ 变温干燥的酒花具有更高的精油含量，为0.63%，约比30～50 ℃变温干燥下（0.44%）高43%，这可能是由于30～60～40 ℃干燥后期的温度更低，由于蒸发作用导致的精油损失更少。

表2 不同烘干工艺下酒花产品品质指标比较Table 2 Quality index of hops products with different drying methods

3 结论

烘箱干燥实验中，30～50 ℃ 和 30～60～40 ℃ 变温干燥较40～60 ℃、30～40 ℃变温干燥模式明显提高了酒花的干燥效率，进一步通过车间烤池实验验证得出，当酒花整体水分为20%时，采用30～50 ℃变温干燥组上中下酒花层所需的干燥时间为16.76、14.36 和 13.61 h，而采用 30～60～40 ℃ 变温干燥组为 19.93、22.28和 19.70 h，表明 30～50 ℃ 变温干燥组的干燥效率要高于30～60～40 ℃干燥组。本研究不仅验证了前期低温、后期高温的变温干燥模式下酒花的干燥效率更佳，还分析了形成较高干燥效率的原因可能是在这样的干燥模式下（30～50 ℃），其整体酒花干燥处于恒速干燥模式（整体水分含量变化满足线性拟合），而两种变温干燥模式对酒花苦味酸含量、贮藏指数、多酚含量及其铁还原力均无显著影响，30～60～40 ℃干燥组的酒花精油含量更高。该工艺技术可为企业进行酒花干燥和其它类似产品的加工提供理论依据和技术参考。但本研究尚有不足之处，如未考虑热风风速对酒花干燥效率的影响等，需要综合不同风速下变温干燥模式对酒花干燥效率的影响。