云南栘依热风干燥动力学模型及品质变化

王安娜　彭小伟　胡艳　阚欢　王大玮　邱旭　刘云

关键词：云南栘依；热风干燥；干燥动力学；品质分析

中图分类号：TS255.3 文献标识码：A

云南栘依[Docynia delavayi （Franch.） Schneid.]为蔷薇科（Rosaceae）栘依属（Docynia）植物，其资源丰富[1]，具有药食两用的特性，在云南一带极为常见，当地人经常用其果替代山楂来食用，果实富含多酚、黄酮、多糖等多种活性成分[2]，具有抗氧化、抗炎、降低心血管疾病等功效[3-5]。

目前，云南栘依的研究集中于活性物质[4-6]及产品开发等方面，主要产品有果醋、果酒、果汁、果脯等[7-10]。然而，新鲜云南栘依在储存运输过程中会发生物理损坏、营养流失及腐败变质等情况，导致其品质下降，成本也随之增加。干燥是食品保存的方法之一[11]，主要通过使材料脱水，达到延长保质期、延缓食品腐烂的目的[12]，也是活性成分提取的必要工艺。现阶段食品原料的干燥方式主要集中于热风、热泵、真空、微波等[13]，与自然干燥相比，不仅能提高效率，而且能获得更优质的产品原料[14]。

对于果蔬而言，不同的干燥方式、干燥温度等均会影响品质的变化，其中干燥温度的影响最大[15]。同时，筛选适合果蔬的干燥模型对于准确预测其水分扩散的变化规律至关重要[14]。传统自然干燥易受外部条件的影响，且品质差[12]；冷冻干燥、真空干燥是重要的脱水方法，产品品质较好，但成本高、操作不便[13]；热泵干燥节能、成本低，但产品品质较差[15]；热风干燥是果蔬干燥中较为常见的方法，操作方便、成本低，适用于大批量生产加工[11]。忻晓庭等[16]以冷冻干燥为对照，研究了热风干燥对冰菜品质的影响，发现热风80 ℃下与冷冻干燥的品质接近。目前对于云南栘依干燥动力学及其品质变化的研究鲜有报道。

为了云南栘依的储运及最大程度保留其营养成分，增加经济效益，推动云南栘依产业的现代化发展，本研究通过不同热风温度干燥云南栘依，探究其干燥特性、干燥动力学模型，综合评价不同温度对云南栘依品质的影响并对其进行相关性分析，为云南栘依的进一步开发利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

云南栘依产自云南省临沧市。芦丁、没食子酸、福林酚、1-二苯基-2-苦肼基自由基（DPPH）、2，2-联氮- 二（3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸）二铵盐（ABTS）购于上海源叶生物科技公司；苯酚、过氧化氢购于天津市风船化学试剂科技有限公司；以上试剂均为分析纯。

DHG-9240A 电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；BJ-800A 粉碎机，永康市铂欧五金制品有限公司；DT-1 电子天平，赛多利斯科学仪器公司；DK-98-2 恒温水浴锅，天津市泰斯特仪器有限公司；ST3100 电子pH 计，奥豪斯仪器（常州）有限公司；SC-80 轻便色彩色差计，北京康光仪器有限公司；SB25-12DTDS 超聲波清洗机，宁波新艺超声设备有限公司；UV-2600 紫外可见分光光度计，日本岛津公司。

1.2 方法

1.2.1 云南栘依预处理 取大小均匀、成熟度一致的新鲜云南栘依，洗净、沥干水分，后去籽、切片（厚度为5 mm），备用。

1.2.2 云南栘依的干燥工艺 取200.0 g 大小一致的云南栘依切片分散于不锈钢烘盘上，在风速为1.5 m/s，干燥温度分别为40、60、80、100 ℃的电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥，每隔1 h 取样测定质量。

1.2.3 干燥特性指标的测定 （1）干基含水量。干燥过程中干基含水量的测定参考《食品安全国家标准 食品中水分的测定》GB 5009.3—2016 的直接干燥法进行，计算如公式（1）所示。

1.3 数据处理

利用Origin 2018 软件对动力学模型进行拟合及绘图；采用IBM SPASS Statistics 26.0 软件对实验数据进行显著性分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 热风干燥水分比曲线

由图1 可知，水分比（MR）随干燥时间的延长逐渐减少，各温度的水分比曲线变化趋势大致相同，均呈指数下降趋势。热风温度分别为40、60、80、100 ℃ 时，云南栘依达到干燥终点（MR<0.03）的时间分别为14、10、7、4 h，说明提高干燥温度可以显著缩短云南栘依的干燥时间，温度越高，水分比曲线越陡，水分去除速度越快，所需时间越短[28]。在干燥过程的早期阶段，样品的水分去除迅速，因为干燥早期云南栘依细胞间充满水分，受表面温度的影响，水分可自由通过松散的通道扩散，随着干燥时间的延长，水分去除速度趋于放缓，可能是由于水分扩散从云南栘依表面向内部转移，受内部阻力的影响导致速度降低[14]；后期，水分去除速度处于稳定阶段，可能是云南栘依含水量接近平衡水分含量（已到达干燥终点），因此水分比不再变化。

2.2 热风干燥速率

由图2 可知，云南栘依的整个干燥过程分为升速、恒速、降速3 个阶段，干燥速率（DR）随温度升高而加快，水分去除越快，干燥速率越大，与图1 相符。在干燥初期，云南栘依内外部自由水含量高，流动速度快，升温能加快自由水蒸发，促使自由水不断蒸发，干燥速率不断增大至峰值[29]；在干燥中期，云南栘依随时间的延长，表面温度上升至环境温度，其水分不断从表面扩散，干燥速率呈恒速阶段[30]；在后期，云南栘依表面水分不断转移到内部结合水，因为云南栘依与结合水结合紧密，存在一定阻力，导致干燥速率逐渐减少，呈降速阶段；而后随着热动力不断增大，云南栘依整体水分逐渐减少，到达干燥终点，干燥速率逐渐趋于0，水分扩散也随之终止。

2.3 不同温度对水分有效扩散系数的影响

由图3 可知，对lnMR 与时间（t）的关系进行拟合（R²>0.94），根据公式（6）可得到云南栘依的有效水分扩散系数（表2）。由表2 可知，热风温度为40～100 ℃时，有效水分扩散系数在0.61×10^–6～1.78×10^–6m²/s 范围内，与效碧亮等[31]研究百合干燥中的Deff 范围相近。随着干燥温度的升高云南栘依的有效水分扩散系数逐渐增大，说明干燥速度明显受温度的影响，主要是云南栘依内部的水分子随温度升高移动速度加剧，水分去除加快，使其干燥速率加快[20]，与图1、图2结果相符。

2.4 干燥活化能

从图4 可知，干燥过程中云南栘依的lnDeff与1/T 呈较好的线性关系（R²=0.9978），并根据公式（8）算出云南栘依的干燥活化能（E_a）为17.64 kJ/mol，说明在热风干燥时每干燥其内部1 mol 水分最低消耗17.64 kJ 能量，与红龙果[19]热风干燥所需的最低能量相近。

2.5 干燥模型分析

云南栘依在不同温度下的热风干燥实验数据用水分比表示，并与表1 中6 个模型拟合，以平均决定系数（R2）、卡方（X²）和误差平方和（SSE）平均值作为判定拟合标准，其拟合结果见表3。由表3 可知，所有模型的相关系数均大于0.97，R2>0.95，表明拟合良好，得出X²在0.281×10^–3～3.294×10^–3范围内，SSE 在0.276×10^–2～3.021×10–2范围内，X²、SSE 值越小，相关性越高；R² 则值越大，模型拟合越好[17]。综合所有模型拟合结果，得出Page 模型拟合度高，其R²、X²、SSE 平均值分别为0.9946、0.281×10^–3、0.276×10^–2，表明Page模型能准确描述云南栘依的干燥动力学。

由图5 可知，图5A 与图5B 相比，后者存在较明显的线性关系， 说明可以用Page 方程[MR=exp（–ktⁿ）]来预测热风干燥中云南栘依的水分变化规律。Page 模型拟合云南栘依热风干燥拟合结果见表4，相关系数及R2 分别在0.99、0.98以上，X²、SSE 分别在0.149×10^–3～ 0.548×10^–3、0.184×10^–2～0.493×10^–2范围内。由图6 可知，热风干燥不同温度下云南栘依的水分比预测曲线和实际测定值相近，说明Page 模型拟合度很高，可较准确地反映云南栘依干燥水分比的变化规律。进一步证实Page 模型可较准确描述和预测云南栘依的热风干燥过程。

2.6 干燥温度对云南栘依品质的影响

2.6.1 色泽果蔬颜色的变化会影响其质量和市场价值[31]。综合分析表5 色泽参数发现，不同温度对云南栘依色泽的影响顺序为100 ℃>80 ℃>40 ℃>60 ℃。由于40 ℃下干燥溫度低，云南栘依水分扩散慢，干燥速率低，干燥时间延长，发生酶促褐变；80～100 ℃快速干燥，色素分解加快，受热而产生的酶促和非酶促褐变影响了云南栘依的颜色变化[12]；60 ℃可以最大程度保持云南栘依的色泽。说明干燥温度和时间都是导致颜色劣化的因素，适宜温度有助于减少干燥过程中的褐变反应[31]。

2.6.2 复水性 因为干燥过程中细胞和结构损伤的发生率较高，复水性能够反映云南栘依的结构特征，复水比（RR）越大，其吸水性能越好，表示干燥过程中对其质构的破坏程度越小[12]。从图7 可以看出，云南栘依的复水顺序为40 ℃>60 ℃>80 ℃>100 ℃。随着干燥温度升高，RR 值越低，可能是高温导致云南栘依的结构变化大，收缩率高，孔隙率低所致[32]。

2.6.3 活性成分 多酚、黄酮、多糖等活性物质是物料的重要评价指标，是云南栘依具有抗氧化等多种功效的主要原因[33]。由表6 可知，活性成分含量为60 ℃>40 ℃>80 ℃>100 ℃，60 ℃所得到的活性成分含量最高，当温度大于60 ℃时，云南栘依的活性成分含量逐渐下降。这可能是活性物质在干燥过程中易受环境因素的影响发生氧化降解，干燥时间的延长，加快了活性物质的氧化分解；同时，适当升高温度会加快组织细胞破裂，促进活性物质释放，但高温会导致化学结构破坏，使其含量也随之降低[34]，说明活性物质在干燥过程中受温度的影响较大。

2.6.4 抗氧化能力 不同干燥温度对云南栘依抗氧化能力的影响见表7，抗氧化能力依次为60 ℃>40 ℃>80 ℃>100 ℃，热风60 ℃条件下，DPPH·、ABTS+、·OH 以及铁还原能力均较高，100 ℃的抗氧化能力最低。综合表6、表7 可以看出，60℃下活性成分含量高，相应的抗氧化能力也高，可能是因为随着温度的升高，活性物质被分解破坏，导致抗氧化活性降低[35]，说明抗氧化能力受干燥温度的影响较大。

2.7 云南栘依品质变化的相关性分析

不同热风温度干燥对云南栘依品质变化的相关性分析如图8 所示，总酚、总黄酮、总多糖与云南栘依干燥的色泽L*值呈显著正相关（P<0.05），与a^*值、ΔE 值呈负相关，并与a*值呈显著负相关（P<0.05）；而总酚、总黄酮、总多糖与RR 值呈正相关，与苹果[36]、香蕉[37]等干燥实验结果相近。同时，总酚、总黄酮、总多糖与云南栘依的抗氧化能力有较好的相关性，其中，总酚、总黄酮、总多糖对DPPH·、ABTS+、·OH、铁离子还原力均呈显著正相关（P<0.05）。说明云南栘依的抗氧化能力是多种活性物质共同作用的结果。

3 讨论

云南栘依营养价值丰富，是一种较好的药食同源性植物，具有较大的开发价值[2]，而目前对于云南栘依干燥的研究较少，仅停留在传统的自然干燥，对其干燥特性及品质研究尤为重要。其中热风干燥具有成本低、效率高、使用范围广等优点，研究热风干燥40、60、80、100 ℃下的水分迁移规律，通过拟合模型，可以较为准确地描述云南栘依（厚度5 mm）的干燥过程，较好地保留其品质，为下一步研究提供一定的理论基础。

本研究发现云南栘依在干燥过程中水分比（MR）呈指数下降趋势，与等热风干燥相似，干燥速率（DR）分为升速、恒速、降速3 个阶段，且MR 越小，DR 越大，耗时越短，Deff 越大，與红龙果[19]、哈密瓜[38]、柿子片[31]、冰菜[16]、无籽刺梨[20]等果蔬干燥一致；云南栘依的水分有效扩散系数（D_eff）为0.61×10^–6～1.78×10^–6m²/s，云南栘依在干燥过程中所需活化能（ E_a） 为17.64 kJ/mol ， 符合大多数食品的活化能范围（12.7～110.0 kJ/mol）[32]。本研究中Page 模型也能较好地预测云南栘依的水分迁移规律，R2 均大于0.98，而Page 模型常用来描述水果、蔬菜以及其他农作物的干燥过程，红心红龙果[19]、哈密瓜[38]、苹果[39]等在热风干燥过程中以Page 模型与实测过程较为吻合。同时，不同干燥温度下云南栘依的品质表现出一定的差异，其中60 ℃能够最大程度地保持云南栘依的色泽；温度升高，样品表面硬化严重、收缩率升高，导致复水性越差，40 ℃时有较高的复水比，与KUMAR 等[40]的青椒干燥结果接近；但40 ℃下温度低，耗时长、效率低，导致色泽下降，而当温度超过60 ℃时，耗时越短、效率高，云南栘依的色泽和复水性越差；同时，在干燥过程中，云南栘依随着温度的升高，其总酚、总黄酮等活性成分含量呈先升后降的趋势，60 ℃时总酚、总黄酮、总多糖含量最高，与忻晓庭等[16]的研究类似；抗氧化能力与活性物质变化趋势类似，先升后降，与梨片[32]的热风干燥结果一致。因此，本研究证明了干燥温度和时间对云南栘依的色泽、结构、活性成分及抗氧化能力的影响较为显著，这与效碧亮等[33]在对百合热风干燥的品质研究中结果一致；此外，相关性分析结果表明，活性成分含量与抗氧化能力呈显著正相关，与花椒叶[21]干燥的研究结果一致。经综合分析，云南栘依的适宜干燥温度为60 ℃。而张雪波等[38]和楚文靖等[19]在物料热风干燥的研究中，发现热风温度及切片厚度会影响物料的品质；ABBASPOUR 等[12]通过超声波-微波-热风干燥法不仅提高了山楂的干燥效率，而且得到的产品品质优于其他干燥法。本研究结果为进一步确定云南栘依的最佳干燥工艺，探究干燥条件对其品质的影响奠定基础。