西梅(Prunus domestica L.),又称欧洲李,属蔷薇科李属植物,是近年由国外引进的新型水果,在我国主要分布在新疆、陕西、山西等地区。西梅富含多种维生素、抗氧化剂和矿物质,且不含脂肪和胆固醇,被誉为第三代功能性水果[1]。新鲜西梅含水率高,采摘后生理代谢旺盛,容易发生后熟软化,霉烂变质[2],对贮藏、运输具有较高要求[3]。干燥能有效减少西梅内水分含量,对延长货架期,减少资源浪费保证其经济价值[4]具有重要意义,现已成为西梅产后加工的重要途径。
热风干燥是目前市场上应用最广泛的干燥方式[5]。湿度是影响物料热风干燥过程的重要因素,对热质传递具有显著影响[6]。调控干燥室内的湿度,可以改变干燥介质和物料表面的水蒸气压力差,加大干燥推动力,故能缩短干燥时间,提高干燥效率,并减少物料表面结壳现象,现已在山药[7]、枸杞[8]、苹果[9]、胡萝卜[10]、沙棘[11]、花椒[12]等物料的干燥中得以应用。如,张卫鹏等[7]研究发现,在60 ℃条件下,相对湿度50% 保持15 min而后降到20%,比恒湿20% 的条件下,山药片的干燥时间缩短了14.3%。效碧亮等[9]研究得出,在60 ℃条件下,相对湿度30%保持30 min而后降到20%,比恒湿20%的条件下,苹果片的干燥时间缩短了16.66%。薛韩玲等[12]研究在干燥温度60 ℃,相对湿度50% 保持20 min后降到10%,比恒湿为50%的条件下,大红袍花椒的干燥时间缩短了51.76%。综上可知,阶段降湿能加快物料升温及提高干燥速度的结论已在多种物料中得以证实,但如何合理调控西梅热风干燥各阶段的具体参数仍缺乏科学指导。本文以相对湿度为切入点,探讨在恒温恒风干燥条件下,不同相对湿度和保湿时间对西梅干燥特性、能耗和品质指标的影响,旨在保证干燥品质的前提下,充分利用干燥室内的湿空气,达到进一步降低干燥能耗,提高干燥品质的目的,为今后西梅干燥工业化应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
实验材料:实验所用的西梅品种为法兰西,购于乌鲁木齐市九鼎农贸市场。人工挑选(外形尺寸、硬度、色泽等基本一致、无破损)实验所需的西梅置于4 ℃恒温恒湿箱保存备用。西梅平均长轴直径(40.96±1.50) mm,短轴直径(31.47± 1.50) mm,单粒重(23.60±1.50) g,初始湿基含水率(79.10±0.50)%。
实验试剂:乙醇、氯化钾、草酸、亚硝酸钠、芦丁、NaOH(分析纯),中国医药集团有限公司;2,6-二氯靛酚,北京索莱宝科技有限公司;盐酸,上海麦克林有限公司。
1.2 仪器与设备
温湿度控制热风干燥机,自制;DTS606电子表,德力西集团仪器仪表有限公司;V-5100分光光度计,上海元析仪器有限公司;TF-FD-1冻干机,上海拓纷机械设备有限公司;JJ-2B高速组织捣碎机,常州市伟嘉仪器制造有限公司;NR-110色差计,三丰精密量仪有限公司;JM电子分析天平,上海权衡工贸有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 实验设计
将西梅单层均匀铺放在料盘上,每盘(2 000±5) g。选用干燥温度为60 ℃,风速为2.0 m/s,相对湿度为50%,探讨不同保湿时间(1、3、5、7 h)对西梅干燥特性及品质指标的影响,通过干燥时间确定第一阶段最优保湿时间;再在该时间参数下,在相对湿度为30%的条件下,探讨第二阶段不同保湿时间(5、10、15、20 h)对西梅干燥特性及品质指标的影响。具体实验设计如表1所示。当西梅水分含量降到13%时停止试验[13],每组实验重复3次。
表1 实验设计及相关参数
Table 1 Experimental design and related parameters
1.3.2 指标测定
1.3.2.1 水分比(moisture ratio,MR)测定
在干燥过程中,每隔2 h取样称重,计算出西梅MR随干燥时间的变化情况,并绘制干燥动力学曲线。其中,t 时刻西梅水分比计算如公式(1)所示[14]:
式中:M0、Me 和Mt分别表示西梅初始、干燥到平衡时以及干燥到t 时刻时西梅的干基含水率,g/g。
1.3.2.2 水分有效扩散系数计算
西梅在干燥过程中水分迁移速度的快慢可以用水分有效扩散系数Deff来表示。利用费克第二定律计算西梅的水分有效扩散系数,计算如公式(2)所示[15]:
式中:T 为干燥时长,min;L 为样品厚度的一半,m。
1.3.2.3 比能耗
比能耗利用干燥总能耗与脱除的水分质量的比值计算[16]。具体计算如公式(3)所示:
式中:SEC为单位能耗,kW·h/kg;ΔW 为干燥过程中的总能耗,kW·h;G 为干燥物料的绝对干质量,kg。
1.3.2.4 复水比测定
每组实验中随机选取10粒西梅干放在40 ℃的蒸馏水中60 min,取出沥干20 min。复水比R 的计算如公式(4)所示[17]:
式中:M1 和M2 分别表示复水后和复水前西梅的质量,g。
1.3.2.5 色泽测定
参照JIANG等[18]的方法,采用色差仪测定西梅的明亮度L∗、红绿值a∗和黄蓝值b∗。重复3次取平均值,总色差值ΔE 计算如公式(5)所示:
式中:L、a 和b 分别表示西梅鲜样的明亮度、红绿值和黄蓝值;L∗、a∗和b∗分别表示西梅干样的明亮度、红绿值和黄蓝值。
1.3.2.6 花色苷含量的测定
采用pH示差法测定西梅内花色苷含量。pH值为1.0和pH值为4.5的缓冲液是由KCl(0.025 mol/L)和CH3COONa(0.4 mol/L)用HCl溶液调配而成。取干燥后充分研磨的西梅样品1 g,加入3 mL水、10 mL pH值为3.0的75% (体积分数)乙醇溶液,40 ℃水浴2 h,至提取液无色,过滤。在24 mL的缓冲液中加入1 mL提取液,振荡,避光静置15 min,以蒸馏水为对照,在510 nm和700 nm波长下测定其吸光度值[19],花色苷含量计算如公式(6)所示:
式中:ΔA 为花色苷吸光度,ΔA=(A510nmpH1.0-A700nmpH1.0)-(A510nmpH4.5-A700nm pH4.5);Mr 为矢车菊-3-葡萄糖苷的相对分子质量,449.2 g/mol;Df 为稀释倍数;V 为提取液总体积,mL;ε 为矢车菊-3-葡萄糖苷的摩尔消光系数,26 900 L/mol·cm;m 为样品质量,g;LC 为光程,1 cm。
1.3.2.7 维生素C含量的测定
参照GB 5009.86—2016《食品安全国家标准 食品中抗坏血酸的测定》,采用2,6-二氯靛酚溶液滴定法测定西梅维生素C含量。
1.3.2.8 总黄酮的测定
参考王庆惠等[5]方法,略作修改。样品于70%(体积分数)乙醇提取后,加入0.2 mL 50 g/L的NaNO2溶液和0.3 mL 100 g/L的AlCl3 溶液,振荡静置5 min,加入1.0 mL 1 mol/L NaOH溶液,在510 nm波长处测定吸光度值,以芦丁标准品做标样绘制标准曲线,计算如公式(7)所示:
式中:c 为总黄酮质量浓度,mg/mL;V 为总黄酮提取液体积,mL;n 为总黄酮稀释的倍数。
1.3.2.9 西梅干制品的综合评分
采用隶属度综合评分优化法,参考谢永康等[17]的方法,分别计算干燥时间、单位能耗、复水比、花色苷含量、维生素C含量和总黄酮含量6项指标的隶属度。西梅干的综合评分和参评指标间的关系为:
式中:ai为指标权重;bi 为指标得分;n=6。评分标准为10～2分,根据显著性分析结果进行评分,相邻等级相差2分,相同水平分数同样。利用AHP层次分析法软件进行数据分析得到干燥时间、单位能耗、复水比、花色苷含量、维生素C含量和总黄酮含量的权重系数分别为0.15、0.15、0.1、0.2、0.2和0.2。
1.4 数据处理
所有实验均重复3次,取平均值。实验结果以“平均值±标准差”的方式表示,采用Excel处理实验原始数据及表格绘制,采用SPSS 27对各实验数据进行方差分析,当P <0.05时表示差异显著,采用Origin 2022软件进行图形绘制和处理。
2 结果与分析
2.1 阶段降湿对西梅热风干燥特性的影响
不同相对湿度和保湿时间对西梅热风干燥特性的影响如图1所示。西梅的水分比随干燥时间的延长而逐渐降低,最终趋于稳定。在图1-a中,干燥初期相对湿度为50%,保湿时间分别为1、3、5、7 h时,所需的干燥时间分别为(82.67±4.50)、(56.33±2.25)、(65.33±4.03)、(72.18±3.61) h,随着保湿时间的延长,干燥时间呈现先缩短后延长的趋势,湿度保持时间对干燥时间具有显著影响。其中,在保湿3 h出现了拐点,比恒湿10% (试验组9)的干燥时间[(92.66±3.18) h]缩短了39.21%。这是因为在相对湿度较高的热风干燥过程中,当保湿1 h时,细胞内部结构变化不明显,水分迁移扩散速度较慢;保湿时间提高到3 h时,细胞膜破裂,细胞通透性增加,加快了水分迁移扩散进程;但当保湿时间延长到5 h和7 h时,过长时间的高温高湿会导致西梅细胞壁刚性下降和结构坍塌,阻碍内部水分迁移,延长干燥时间[20]。这与焦明月[20]在进行海带热风干燥,JU等[21]进行西洋参热风干燥得出的结论一致。
图1 阶段降湿对西梅热风干燥特性的影响
Fig.1 Effects of step-down relative humidity on hot air drying characteristics of plum
a-两段式干燥;b-三段式干燥
在相对湿度为50%,保湿时间为3 h的基础上,进行第二阶段的实验。由图1-b可以看出,第二阶段相对湿度为30%,保湿时间为5、10、15、20 h所对应的干燥时间分别为(54.16±3.37)、(42.23±2.57)、(46.18±2.67)、(50.16±2.51) h,随着保湿时间的延长,干燥时间也呈现出先缩短后延长的趋势,其中保湿10 h比第二阶段恒湿10%(试验组2)的干燥时间缩短了25.04%,也出现了拐点。因此,阶段降湿的干燥方式能有效缩短干燥时间,但保湿时间也至关重要。
2.2 阶段降湿对西梅水分有效扩散系数的影响
由公式(2)对不同相对湿度和保湿时间下西梅水分有效扩散系数进行计算,由表2可知,水分有效扩散系数在4.46 ×10-10～9.33 ×10-10 m2/s。水分有效扩散系数变化规律与干燥时间的长短呈负相关。此外,由表2还可以得出,水分有效扩散系数值的大小还与干燥工艺相关,其中三阶段水分有效扩散系数值较大,一阶段水分有效扩散系数值较小,这是因为采用阶段降湿的干燥方式既能保持一定的水蒸气分压,加速西梅表面水分蒸发,缓解表面结壳;还可使西梅内部保持较高的温度,加速内部水分向表面扩散迁移,缩短干燥的进程[22]。因此,阶段降湿的干燥方式能缩短干燥时间,提高水分有效扩散系数。
表2 阶段降湿对西梅的水分有效扩散系数、比能耗和复水比的影响
Table 2 Effects of step-down relative humidity on moisture effective diffusion coefficient,specific energy consumption and rehydration ratio of plum
注:同列数据不同字母表示具有显著性差异(P <0.05)(下同)。
2.3 阶段降湿对西梅热风干燥比能耗的影响
比能耗是评判干燥过程重要技术经济指标。阶段降湿对西梅干燥比能耗结果如表2所示。干燥比能耗在(2.94±0.23)～ (7.52±0.78) kW·h/kg。对比不同干燥条件发现,干燥工艺是影响干燥能耗的主要因素。其中三阶段能耗需求量最少,一阶段能耗需求量最多,这是因为能耗与干燥时间呈正相关,一阶段干燥时间最长,加热管、排湿风机、循环风机等电器原件长时间运行导致能耗消耗较大。因此,阶段降湿干燥技术可在同样的干燥温度下实现更高的干燥效率和更少的能源消耗。这一发现对降低湿度可提高干燥速率的传统观点提出了挑战,并为基于温湿度精准控制的干燥技术的工业进步奠定了理论基础。
2.4 阶段降湿对西梅复水比的影响
干燥过程改变了物料内部水与非水组分之间的相互作用,对物料内部的组织结构产生了不可逆的损坏。复水能力的强弱是样品结构完整性的重要表现[23]。阶段降湿对西梅复水比结果如表2所示。三阶段条件下复水比较高,在(3.06±0.10)～(3.24±0.08) g/g,恒定相对湿度10%的复水比仅为(2.31±0.12) g/g。这是因为采用阶段降湿干燥工艺干燥后的物料表面存在大量疏松多孔蜂窝状的迁移扩散孔道[24],促使西梅构建稳定的骨架结构,增加复水比。而保持同样的阶段数和相对湿度,随着保湿时间的延长,复水比呈现先增大后减小的趋势,这是因为前期高湿环境能使西梅内部的气孔打开,增加水分迁移的速度,促进水分自内向外扩散,避免蜡质层覆盖导致的结壳现象发生,复水比增加,但长时间的高湿环境会使空气热焓值过大,破坏西梅细胞结构,复水比下降[11]。
2.5 阶段降湿对西梅色泽的影响
色泽是感官评价的主要质量参数,也是消费者喜爱并购买商品的直观反映。总色差△E 值越小,表示干制品与鲜样色泽变化越小,干制品表观品质越好。阶段降湿对西梅色泽变化如图2所示。干燥后西梅的L∗、a∗、b∗值与鲜样的L、a、b 值之间具有显著性差异(P <0.05)。与鲜果相比,干燥后西梅的L∗、a∗、b∗值均有所下降。这是因为热风干燥过程中,长时间的高温会加剧酶促褐变和非酶促褐变的发生,形成深褐色物质[25]。在同样的温度条件下,干燥时间对西梅色泽的变化有一定的影响。对于ΔE 来说:三阶段<二阶段<一阶段,其中实验组6的ΔE 最小,为16.28,最接近鲜果色泽,这也就是说多阶段能减少干制品与鲜样之间的色泽恶化。
图2 阶段降湿对西梅色泽的影响
Fig.2 Effects of step-down relative humidity on color of plum
注:柱状图中试验组号0表示西梅新鲜果实的值。
2.6 阶段降湿对西梅品质指标的影响
花色苷是一类天然存在的酚类化合物,是植物主要的呈色物质,具有很强的抗肿瘤、抗癌、抗炎等特性。图3显示出阶段降湿对西梅花色苷含量变化的影响。可以看出,各组实验中花色苷含量的高低依次为:三阶段>二阶段>一阶段,其中实验组6的花色苷含量最高,为0.17 mg/g,比实验组9的0.06 mg/g提高了183.33%,花色苷含量变化与干燥时间的长短有关,这是因为花色苷结构不稳定,遇热容易分解,采用多阶段干燥工艺能有效缩短干燥时间,降低花色苷的分解。在同样多的阶段条件下,花色苷的含量随着保湿时间的延长,呈现先增加后减少的变化趋势,适当的保湿时间能够提高花色苷的保留率,但长时间的高温高湿环境会加速细胞内分子运动,促使花色苷与氧接触发生降解,同时水分活度升高还能加剧水解反应,不利于花色苷的保留。
图3 阶段降湿对西梅花色苷指标的影响
Fig.3 Effect of step-down relative humidity on anthocyanins content of plum
维生素C是参与植物生长发育的重要物质,是一种强大的抗氧化剂,人类没有合成这种成分的能力,只能从饮食中摄入。图4显示出阶段降湿对西梅维生素C含量变化的影响。由图4可以看出,各组实验中维生素C含量的高低依次为:三阶段>二阶段>一阶段,其中采用三阶段干燥工艺的实验组6中维生素C含量最高为2.29 mg/g DW,而一阶段实验组9中维生素C含量最低,仅为1.99 mg/g DW。这主要是因为维生素C含量的变化一般会受光、热、碱等因素的影响,相对湿度会影响干燥时间,进而影响维生素C含量的转化降解[22]。
图4 阶段降湿对西梅维生素C指标的影响
Fig.4 Effect of step-down relative humidity on vitamin C content of plum
总黄酮具有抗氧化、抗炎症和调节免疫力等多种功能,对人类身体健康具有一定的促进作用。图5显示出阶段降湿对西梅总黄酮含量变化的影响。采用三阶段干燥后的西梅中总黄酮含量最高,一阶段总黄酮含量最低,其中实验组6中总黄酮含量为3.74 mg/g比实验组9中总黄酮含量2.34 mg/g高59.83%。这是因为总黄酮是热敏性物质,在同样的干燥温度条件下,西梅中总黄酮含量主要是由黄酮类化合物的合成及氧化降解决定,干燥速率是影响其合成量以及氧化降解的关键因素[26],随着干燥速率的增加,缩短了西梅与氧气接触时间,降低了西梅中黄酮类化合物的降解。阶段降湿可以缩短干燥时间,增加总黄酮类化合物的保留量。
图5 阶段降湿对西梅总黄酮指标的影响
Fig.5 Effect of step-down relative humidity on total flavonoid content of plum
2.7 阶段降湿对西梅综合评分的影响
综合评分结果如图6所示。各组实验中评分高低依次为:三阶段>二阶段>一阶段,其中采用三阶段干燥工艺的试验组6评分最高为9.35分,而一阶段试验组9评分最低,仅为7.03分。说明阶段降湿干燥时间越短,品质指标越高,其综合评分越高,此结论与李星仪等[23]研究香菇干燥中得到的结论相同。实际生产中,每次被干物料装载量较大,为了保证干燥室内快速升温,可阶段性地控制排湿风机的开闭,不仅能达到节约能耗,缩短干燥时间的目的,还可以保留物料的干燥品质。
图6 阶段降湿对西梅综合评分
Fig.6 Effects of step-down relative humidity on the comprehensive score of plum
3 结论
a)本文研究了不同相对湿度和保湿时间对西梅干燥特性及干燥品质的影响。结果表明,阶段降湿的干燥方式能有效缩短干燥时间,采用相同干燥阶段数随着保湿时间的延长,干燥时间呈现出先减小后增加的趋势,保湿时间是影响干燥特性的重要因素。
b)水分有效扩散系数的大小与干燥工艺相关,采用多阶段干燥工艺有利于提高水分有效扩散系数,缩短干燥时间,降低干燥能耗,提高西梅的复水比。
c)对于色泽而言,干燥后西梅的L∗、a∗、b∗值均分别低于鲜样的L、a、b 值,并具有显著性差异(P <0.05),对于ΔE 来说:三阶段<二阶段<一阶段,阶段降湿能减少干制品与鲜样之间的色泽恶化。
d)测定不同相对湿度和保湿时间对西梅花色苷含量、维生素C含量和总黄酮含量的影响,发现花色苷、维生素C和总黄酮含量的高低依次为:三阶段>二阶段>一阶段,阶段降湿干燥工艺有利于西梅营养成分的保留。
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