氣體射流沖擊干燥對山楂抗壞血酸、還原糖、總酸及總黃酮的影響

李文峰，金歡歡，肖旭霖

(陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西 西安，710062)

山楂富含Vc、有機酸、膳食纖維、黃酮類化合物及多種礦物質元素［1］，具有多種生理活性功能，如保護心血管系統、治療心力衰竭及心絞痛、降低血壓和總膽固醇、抗氧化等［2］，在我國及歐洲已被廣泛地用于醫藥及食品原料［2］。目前，我國山楂干制主要采用自然干燥和熱風干燥。雖然這2 種干燥方式具有生產成本低且利于推廣的優點，但自然干制受條件影響，衛生條件較差，干燥時間長;而熱風干燥能耗較高，且對食品原料中的糖、礦質元素、灰分、蛋白質、維生素、酚類物質及其抗氧化能力均具有不同程度的影響［3］。氣體射流沖擊干燥與普通熱風干燥相比不僅具有更高的干燥速度以及更低的能耗，而且干制品品質較好［4］。本文探討了不同溫度、風速、物料盒寬度、噴嘴距離對山楂的還原糖、總酸、Vc 和總黃酮含量的影響，然后采用二次通用旋轉組合設計確定最優干燥條件。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

鮮山楂，購買于西安朱雀批發市場。挑選無腐壞及機械損傷、大小適中的山楂鮮果。使用前保存于0～4℃。山楂樣品的濕含量采用直接干燥法［5］在105℃烘至恒重進行測定，樣品的平均濕含量為77.69%。

1.2 主要儀器及試劑

氣體射流沖擊干燥試驗設備［6］為試驗室自行設計，采用多排管、圓形噴嘴、噴嘴間距85 mm、噴嘴內直徑15 mm;BS224S 型電子天平，北京賽多利斯系統有限公司;AVM-03 風速計，泰儀電子工業股份有限公司;鼓風烘箱，常州遠宇干燥設備有限公司;722 型分光光度計，上海光譜儀器有限公司;其他常用儀器。

蘆丁為色譜純;葡萄糖、乙酸鋅、亞鐵氰化鉀、Cu-SO4、酒石酸鉀鈉、NaOH、鄰苯二甲酸氫鉀、偏磷酸、乙酸鈉、冰醋酸、2，6-二氯靛酚、二甲苯、NaHCO3、乙醇、NaNO2、Al(NO3)3，均為分析純試劑。

1.3 試驗方法

1.3.1 干燥條件的單因素及優化試驗

挑選無腐壞及機械損傷、大小適中的山楂鮮果，用清水洗凈后瀝干表面水分。將山楂去籽后切成3 mm 厚的薄片，在不同氣體射流沖擊干燥條件下干至干基(d. b. )含水率約為20%左右。

在單因素試驗中，探討風溫對山楂營養組分含量的影響時，固定山楂片的厚度為3 mm，風速為13m/s，噴嘴高度為110 mm，物料盒寬度為210 mm，分別測定山楂在干燥溫度40、60、80 和100℃條件下的各營養組分含量的變化。在探討風速的影響試驗中，固定山楂片的厚度為3 mm，風溫為60℃，噴嘴高度為110 mm，物料盒寬度為210 mm，風速分別為10、11、12 和13 m/s。在探討物料盒寬度的影響試驗中，固定山楂片的厚度為3 mm，風速為11 m/s，風溫為60℃，噴嘴距離為110 mm，物料盒寬度分別為90、130、170 和210 mm。在探討噴嘴高度的影響試驗中，固定山楂片的厚度為3mm，風速為11 m/s，風溫為60℃，物料盒寬度為170 mm，噴嘴高度分別約為110、140、170 和200 mm。每次試驗的進樣量約為250 g 山楂鮮品。

在單因素試驗的基礎上，采用二次通用旋轉組合設計方案進行優化試驗。

1.3.2 還原糖含量的測定

參考GB/T 5009.7 －2008 及SB/T10092 －1992。取3 g 干燥山楂樣品，加入少量蒸餾水研磨，將勻漿移入250 mL 容量瓶，置于80℃水浴0.5h(每5min 搖動1 次)。冷卻至室溫后，緩慢加入5 mL 濃度219g/L 乙酸鋅溶液及5 mL 106 g/L 亞鐵氰化鉀溶液，搖勻，定容，靜置30 min。過濾，取濾液20 mL 置于100 mL 容量瓶，定容，作為待測液。各取5.0 mL 堿式酒石酸銅甲液及乙液于100 mL 錐形瓶中，加入10 mL蒸餾水和4 粒玻璃珠，加熱至沸騰狀態，用待測液或葡萄糖標液滴定，直至溶液藍色褪去為終點，平行測定3 次。還原糖含量計算:

式中:T，標定堿式酒石酸銅甲乙液(各5.0 mL)相當葡萄糖的質量(g);m，測定樣品質量(g);c—樣品中的干物質含量(g/g);V—滴定堿式酒石酸銅甲乙液(各5.0 mL)，消耗待測液體積(mL)。

1.3.3 總酸含量的測定

依據GB/T12456 －2008，采用酸堿滴定法測定。取3 g 山楂干制樣品和少量蒸餾水并充分研磨，將勻漿轉移至100 mL 容量瓶中，沸水浴0.5 h，每5 min搖動一次使有機酸充分溶解。冷卻至室溫后，用冷卻后的沸水定容，過濾。取濾液10 mL 和30 mL 蒸餾水置于100 mL 錐形瓶中，以酚酞為指示劑，用0.1 mol/L 的NaOH 標準溶液滴定至微紅色(30 s 不褪色)，總酸含量平行測定3 次。

總酸/(g·g－1)=(c×V×k×100)/(m×x×10)

式中:c，NaOH 標準溶液的濃度(mol/L);V—滴定10.0 mL 待測液，消耗NaOH 標準溶液的體積(mL);k，換算為適當酸的系數(以檸檬酸計，k =0.064);m，測定樣品質量(g);x，樣品中的干物質含量(g/g)。

1.3.4 還原性Vc 含量的測定

依據GB 6195 －1986，采用二甲苯-二氯靛酚比色法測定。取3 g 干燥的山楂樣品與少量2%偏磷酸提取劑充分研磨后移至100 mL 容量瓶，用提取劑定容后備用。取2.5 mL Vc 浸提液與2.5 mL 提取劑于25 mL 具塞試管中并加入5 mL pH 4.0 的乙酸鈉緩沖液和1 mL 2，6-二氯靛酚溶液，劇烈振蕩5 s 后立即加入10 mL 二甲苯，再劇烈振蕩20 s，靜置，取3.5 mL 二甲苯層，加入光程1 cm 比色皿中于500 nm 波長下測定吸光度。2，6-二氯靛酚溶液標準曲線y=0.304 4x+0.003 3，R2=0.994 5;Vc 含量計算:

Vc 含量/［mg·(100 g)－1］= ((1 －V)×T×100)/(m×x×2.5)×100

式中:1，所用的2，6-二氯靛酚染料的體積(mL);V，根據標準曲線，查得2，6-二氯靛酚染料的體積(mL);T，2，6-二氯靛酚染料的滴定度(mg/mL);m，測定樣品質量(g);x，樣品中的干物質含量(g/g)。

1.3.5 總黃酮的測定

采用超聲波提取-硝酸鋁顯色法測定［7］。精密稱取干燥的山楂粉末0.5 g 置于100 mL 容量瓶，加入50 mL 60%乙醇，稱量，超聲處理30 min。冷卻至室溫后再次稱量，補充損失的溶劑重量(精確至0.001 g)，搖勻，過濾。取濾液2 mL，置于25 mL 容量瓶中，加入4 mL 蒸餾水和1 mL 5%亞硝酸鈉溶液，搖勻。靜置6 min 后加入1 mL 10%硝酸鋁溶液，搖勻，6 min后加10 mL 濃度為1 mol/L 的氫氧化鈉溶液，用蒸餾水定容，15 min 后以試劑空白為參比于500 nm 波測定吸光度。山楂總黃酮含量以蘆丁當量計(g/g)，蘆丁標準曲線y=0.469 9x+0.003 7;R2=0.999 3。

1.3.6 數據統計分析

所有試驗數據采用Excl 2010 進行簡要計算及圖表繪制。方差分析及二次通用旋轉組合試驗設計和數據分析利用“Date Processing System”(DPS，12.01高級版)軟件進行，平均值顯著水平為5%。

2 結果與分析

2.1 干燥風溫對山楂營養品質的影響

如表1 所示為不同干燥溫度(40、60、80 和100℃)及風速為13 m/s，物料盒寬度為210 mm，噴嘴高度為110 mm 時對山楂營養成分的影響。由表1可知，隨著溫度的升高，干物質含量逐步提高，所需干燥時間減少。干后山楂的還原糖含量隨著干燥溫度的升高顯著下降，這可能由于溫度的升高，美拉德反應和焦糖化反應加劇，從而導致還原糖的損耗加大［8］。雖然60、80℃實驗組之間的總酸含量無顯著性差異(P＜0.05)，但依然可以看出總酸含量隨著溫度的升高而顯著降低，這可能由于有機酸隨著溫度的升高其揮發率增加［9］。干后山楂Vc 含量隨著溫度從40℃升高到60℃而顯著降低，雖然60、80 與100℃組之間相互無顯著性差異但Vc 含量隨著溫度升高呈現下降的趨勢。這可能由于Vc 在高溫加熱過程中易被氧化損失，此變化在山楂熱風干燥的研究中也具有相似的規律［10］。從表1 可知，溫度對總黃酮無顯著影響。綜上所述，雖然山楂在40℃干燥后其營養成分損失較少，但需要更長的干燥時間且干后水分含量較高不利于長期保存，而60℃干燥品質較好且耗時適中，故選擇60℃作為其他單因素試驗的溫度條件。

表1 不同干燥溫度對產品品質的影響Table 1 Effect of different drying temperature on the product quality

2.2 干燥風速對山楂營養品質的影響

表2 所示為不同干燥風速(10、11、12 與13 m/s)及風溫60℃，物料盒寬度為210 mm，噴嘴高度為110 mm 時對山楂營養成分的影響。由表2 可知，隨著風速的增加干物質含量有增加，但所需干燥時長并無顯著差別。雖然10 與11 m/s、12 與13 m/s 實驗組之間的還原糖含量無顯著性差異(P＜0.05)，但依然可以看出隨著風速的增加還原糖含量顯著降低。這可能由于介質風速的增大，氣體與物料表面的邊界層變薄，美拉德反應和焦糖化反應加劇，還原糖的損耗加大［8］。干后山楂的Vc 含量隨著風速的增加而增大。而風速對總酸及總黃酮含量無顯著性影響。綜合風速對各指標的影響，選擇11 m/s 作為優化條件。

表2 不同干燥風速對產品品質的影響Table 2 Effect of different drying air velocity on the product quality

2.3 物料盒寬度對山楂營養品質的影響

表3 所示為不同物料盒寬度(90、130、170 與210 mm)及風溫60℃，風速11 m/s，噴嘴高度為110 mm時對山楂營養成分的影響。由表3 可知，隨著物料盒寬度的增大，干物質含量有增大趨勢，但所需時間無顯著差別。雖然還原糖和總酸含量隨著物料盒寬度增加而減低，但物料盒寬度對還原糖和總酸含量無顯著性影響。雖然隨著風速增加山楂的總黃酮含量增加但無顯著影響。雖然90、130 與170 mm，110、130與170 mm 試驗之間無顯著差異(P＜0.05)，但依然可以知道Vc 含量隨著物料盒寬度的增加而顯著增加。這可能是由于隨著物料盒寬度增大，單位面積受熱減少，Vc 保存率較高，這在氣體射流沖擊干燥蘋果片的實驗中亦有類似報道［11］。所以在綜合考慮最終的水分含量及干燥時間，選擇130 mm 作為優化條件。

按照消毒的有關流程嚴格對病牛污染的牛舍、用具等進行消毒處理，對牛場地、圈舍、車輛等采用2%燒堿消毒，對飼養場的金屬設備設施采用火焰、熏蒸等方式消毒[3]，對病牛剩下的飼料以及墊料采用深埋發酵或者焚燒的方式處理，對于病牛的糞便采用堆積密封發酵方式進行處理。

表3 不同物料盒寬度對產品品質的影響Table 3 Effect of different drying box width on the product quality

2.4 不同噴嘴高度對山楂營養品質的影響

表4 所示為當風溫60℃，風速11 m/s，物料盒寬度為130 mm 時，不同噴嘴高度(110、140、170 與200 mm)對山楂營養成分的影響。由表4 可知，不同噴嘴高度組之間所需干燥時間無明顯差別。但還原糖含量隨著噴嘴高度的增加而顯著的降低。總酸含量及Vc 含量隨著噴嘴高度的增加而增加。這可能是因為隨著噴嘴高度的增加，物料表面的實際風速與風溫低于設定風速與風溫，從而氣體與物料表面的邊界層變薄，降低了物料的實際溫度計換熱速率，從而減少了物料中有機酸的揮發及Vc 的氧化。這與蘋果氣體射流沖擊干燥的研究報道中有相似的規律［15］。噴嘴距離對總黃酮無顯著影響，但依然可以看出隨著噴嘴高度的增加總黃酮含量呈現減小趨勢。綜上所述，140 mm 條件干燥品質較好，因此選擇140 mm 作為條件。

表4 不同噴嘴距離對產品品質的影響Table 4 Effect of different distances from nozzle to materials on the product quality

2.5 二次通用旋轉組合設計結果與分析

通過單因素試驗發現，物料盒寬度對測定指標影響不大，因此優化試驗以溫度、風速、噴嘴距離作為輸入變量。物料盒寬度固定為130 mm，因素水平編碼如表5 所示。將還原糖含量、總酸含量、Vc 含量作為輸出指標，以溫度、風速和噴嘴高度三因素進行二次通用旋轉組合優化試驗，結果如表6 所示。

表5 因素水平編碼表Table 5 Coding of factors and levels

表6 試驗設計方案及結果Table 6 Experimental designs and results

續表6

2.5.1 還原糖的優化試驗結果與分析

還原糖含量的試驗方差分析結果如表7 所示。利用回歸系數建立還原糖含量與溫度、風速、噴嘴距離3 因素的數學回歸方程，剔除不顯著項(α =0.10)，簡化后的回歸方程為:Y1=0.388 15 －0.010 67X1－ 0.006 99X2－ 0.002 67X3－ 0.005 60X12 －0.004 50X22 +0.003 34X1X2－0.002 04X1X3+0.002 49X2X3

其中R2=0.96 ＞0.8，說明優化后方程的預測值與實際值擬合良好，能正確反映還原糖含量與溫度、風速、噴嘴距離3 個因素編碼值之間的關系。偏回歸系數檢驗結果可以看出X1、X2、X3、X12、X2

2 的P＜0.01，表明偏回歸系數檢驗結果達到極顯著水平，證明溫度、風速、噴嘴距離這3 個因子對還原糖含量影響極顯著。交互項X1X2、X2X3的P＜0.05 達到顯著水平，而交互項X1X3未達到顯著水平。各因素在實驗取值范圍內對產品還原糖含量的影響的主次順序為:X1＞X2＞X3，即溫度對還原糖含量影響最大，其次是風速，再次是噴嘴距離，X1、X2、X3都是影響Y1的顯著因素。

表7 還原糖含量的試驗結果方差分析表Table 7 Results table of variance analysis on the sugar contents

表8 總酸含量的試驗結果方差分析表Table 8 Results table of variance analysis on the content of total acid

總酸含量的試驗方差分析結果如表8 所示。利用回歸系數建立總酸含量與溫度、風速、噴嘴距離3因素的數學回歸方程，剔除不顯著項(α =0.10)，簡化后的回歸方程為:Y2=0.164 18 －0.001 63X1－0.000 42X12 － 0.000 39X22 － 0.001 22X32 + 0.001 16X1X2+0.000 79X1X3－0.000 66X2X3

其中R2=0.99 ＞0.8，說明優化后方程的預測值與實際值擬合良好，能正確反映總酸含量與溫度、風速、噴嘴距離3 個因素編碼值之間的關系。偏回歸系數檢驗結果可以看出X1、X12、X22、X32 的P＜0.01，表明偏回歸系數檢驗結果達到極顯著水平，證明溫度、風速、噴嘴距離這3 個因子對還原糖含量影響極顯著。交互項、X1X2、X1X3、X2X3的P＜0.01 達到極顯著水平。各因素在實驗取值范圍內對產品還原糖含量的影響的主次順序為:X1＞X3＞X2，即溫度對還原糖含量影響最大，其次是噴嘴距離，再次是風速，X1、X2、X3都是影響Y2的顯著因素。

2.5.3 VC的優化試驗結果與分析

依據表6 的結果，計算各因素的回歸系數，得出Vc 含量的試驗結果方差分析如表9 所示。利用回歸系數建立Vc 含量與溫度、風速、噴嘴距離三因素的數學回歸方程，剔除不顯著項(α =0.10)，簡化后的回歸方程為:

表9 Vc 含量的試驗結果方差分析表Table 9 Results table of variance analysis on the content of Vc

其中R2=0.89 ＞0.8，說明優化后方程的預測值與實際值擬合良好，能正確反映Vc 含量與溫度、風速、噴嘴距離3 個因素編碼值之間的關系。偏回歸系數檢驗結果可以看出X1、X2、X3、X32 的P＜0.01，表明偏回歸系數檢驗結果達到極顯著水平，證明溫度、風速、噴嘴距離這3 個因子對Vc 含量影響極顯著。交互項X1X2、X1X3、X2X3的P＞0.05，未達到顯著水平，證明3 因素之間的交互作用不顯著。因所建立的二次項系數之間存在著一定的相關性，雖然為微弱的交互項，但原則上也不能刪除。各因素在實驗取值范圍內對產品Vc 含量的影響的主次順序為:X1＞X3＞X2，即溫度對Vc 含量影響最大，其次是噴嘴距離，再次是風速，X1、X2、X3都是影響Y3的極顯著因素。

2.5.4 山楂片還原糖含量的優化工藝參數

利用DPS 軟件分析，采用頻率分析法尋優，在還原糖含量大于0.38 的方案中，對數學回歸模型分析的結果列于表10。通過表10，在95%置信區間內，還原糖大于0.38 的優化方案為:溫度為53.5 ～55.9℃，風速為10.4 ～10.6 m/s，噴嘴距離為134.9～143.6 mm。取優化方程中各個數據的平均值得出最優方案:X1= 54.7℃，X2= 10.5 m/s，X3= 139.2 mm，將優化得出的最優方案帶入最優方程Y1得出最大值Y1=0.3986。所以山楂片還原糖含量的優化方案為:溫度54.7℃，風速10.5m/s，噴嘴高度139.2 mm，物料盒寬度130 mm。

表10 還原糖含量大于0.38 的45 個方案中各個因子頻率表Table 10 The frequency distribution of each variable value with 45 scheme of more than 0.38

2.5.5 山楂片總酸含量的優化工藝參數

利用DPS 軟件分析，采用頻率分析法尋優，總酸含量大于0.16 的方案中，對數學回歸模型分析的結果列于表11。通過表11，在95%置信區間內，總酸含量大于0.16 的優化方案為:溫度為53.0 ～56.8℃，風速為10.8 ～11.2 m/s，噴嘴距離為133.6～140.5 mm。取優化方程中各個數據的平均值得出最優方案:X1=54.9℃，X2=11 m/s，X3=137.0 mm，將優化得出的最優方案帶入最優方程Y2，得出最大值Y2=0.1654。所以山楂總酸含量的優化方案為:溫度54.9℃，風速11.0 m/s，噴嘴高度137.0 mm，物料盒寬度130 mm。

表11 總酸含量大于0.16 的46 個方案中各個因子頻率表Table 11 The frequency distribution of each variable value with 46 scheme of more than 0.16

2.5.6 山楂片Vc 含量的優化工藝參數

利用DPS 軟件分析，采用頻率分析法尋優，Vc含量大于107.86 的方案中，對數學回歸模型分析的結果列于表16。通過表16，在95%置信區間內，Vc大于107.86 的優化方案為:溫度為54.3 ～57.2℃，風速為11.0 ～11.4 m/s，噴嘴距離為145.3 ～150.7 mm。取優化方程中各個數據的平均值得出最優方案:X1=55.8℃，X2=11.2 m/s，X3=148.0 mm，將優化得出的最優方案帶入最優方程Y3，得出最大值Y3=117.56。所以山楂片Vc 含量的優化方案為:溫度55.8℃，風速11 m/s，噴嘴高度148.0 mm，物料盒寬度130 mm。

表16 Vc 含量大于107.86 的58 個方案中各個因子頻率表Table 16 The frequency distribution of each variable value with 58 scheme of more than 107.86

3 結論

單因素實驗表明，隨著風溫的增加還原糖、總酸和Vc 含量均顯著降低，隨著風速的增加還原糖含量顯著下降但總酸及Vc 含量顯著增加，物料盒寬度增加僅對Vc 含量有顯著影響，隨著噴嘴高度的增加還原糖含量顯著降低且總酸及Vc 含量顯著增加。但不同的干燥條件對總黃酮含量的影響并不顯著。并且通過三因素的二次通用旋轉組合設計對山楂中Vc、還原糖及總酸的含量進行了優化試驗得到了不同的優化方案。其中山楂Vc 含量的優化方案為:溫度55.8℃，風速11.0 m/s，噴嘴高度148.0 mm，物料盒寬度130 mm。總酸含量的優化方案為:溫度54.9℃，風速11.0 m/s，噴嘴高度137.0 mm，物料盒寬度130 mm。山楂還原糖含量的優化方案為:溫度54.7℃，風速10.5 m/s，噴嘴高度139.2 mm，物料盒寬度130 mm。

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