滾筒催化紅外—熱風聯合干燥核桃的貯藏特性

曲文娟 凡 威 馬海樂 師俊玲 蔣群輝 潘忠禮

(1.江蘇大學食品物理加工研究院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；3.西北工業大學生命學院，陜西 西安 710072；4.鎮江美博紅外科技有限公司，江蘇 鎮江 212013；5.美國加州大學戴維斯分校生物與農業工程系，美國 加州 95616)

核桃果仁含有豐富的蛋白質和亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸，而且富含多種人體必需的氨基酸和礦物質元素，經濟價值較高[1]。但采摘后的新鮮核桃若不及時處理常常會導致腐爛發霉，影響食用品質，而干燥脫水是延長貨架期最常見的加工方式之一[2]。

核桃仁含油率較高，其中不飽和脂肪酸占比達95%以上，n6∶n3脂肪酸比例高達5以上，且必需脂肪酸含量占75%以上[3]。富含油脂的產品在加工和貯藏過程中極易發生水解和氧化酸敗，不僅出現異味，同時會產生對人體有害的物質，從而降低產品的感官品質、營養價值和貨架期[4-5]。近年來，國內外學者已從干燥工藝[6]、包裝[7-8]、貯藏因素[9]等方面對核桃的品質變化進行分析，但這些研究多集中于對核桃油脂氧化酸敗指標的靜態分析，而有關核桃在貯存過程中油脂氧化酸敗變化的動力學特性及貨架期預測研究較少，同時對于新型干燥方式——滾筒催化紅外—熱風聯合干燥核桃的貯藏特性未見報道。

研究擬以酸價和過氧化值為指標，將恒溫和變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥的核桃進行加速貯藏試驗用以評估其在不同貯藏時間下的油脂品質變化規律，并與單一熱風干燥進行比較。此外，在不同貯藏溫度條件下進行變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥核桃的貯藏試驗，應用氧化酸敗反應動力學建立核桃貨架期預測模型，以實現對產品在貯存過程中氧化酸敗狀況的實時監測，為預測核桃品質狀況的長期變化趨勢提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗原料與試劑

新鮮帶青皮核桃：清香，于9月份成熟時采摘于陜西，-20 ℃貯藏備用；

無水硫酸鈉、酚酞、異丙醇、無水乙醇、正己烷、三氯甲烷、冰乙酸、無水乙醚、碘化鉀、硫代硫酸鈉、重鉻酸鉀、氫氧化鉀、可溶性淀粉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設備

滾筒催化紅外干燥設備(圖1)：江蘇大學食品學院聯合鎮江美博紅外科技有限公司研制；

熱風干燥設備：江蘇大學食品學院聯合泰州圣泰科紅外科技有限公司研制；

天平：BAS2202S型，德國Sartorius公司；

循環水式多用真空泵：SHZ-D(Ⅲ)型，上海秋佐科學儀器有限公司；

旋轉蒸發器：RE-2000B型，上海亞榮生化儀器廠；

恒溫恒濕培養箱：HWS-P250C型，合肥華德利科學器材有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 核桃干燥處理 將鮮核桃從冷藏室取出，室溫(25 ℃)解凍，除去外層青皮及表面雜質，清洗后于通風處瀝干表面水分，分別經恒溫滾筒催化紅外—熱風聯合、變溫滾筒催化紅外—熱風聯合和單一熱風干燥至干基含水率8%以下，具體干燥條件詳見表1。收集3種干燥方式處理后的核桃作為后續貯藏試驗原料。

表1 不同干燥處理方法的條件

1.3.2 加速貯藏試驗 將3種干燥方式處理后的核桃于35 ℃、相對濕度75%的培養箱中進行加速貯藏，每隔15 d取樣提取油脂，分別測定酸價和過氧化值。

1.3.3 核桃油脂提取 參照孟阿會[10]16的方法并略有修改。取核桃仁粉碎處理后，與正己烷按m核桃粉∶V正己烷為1∶5(g/mL)混合后置于具塞錐形瓶中，暗處提取12 h，真空抽濾，經旋轉蒸發處理除去提取劑，得到核桃油樣。

1.3.4 核桃油理化指標測定

(1)酸價(AV)：按GB 5009.229—2016執行。

(2)過氧化值(POV)：按GB 5009.227—2016執行。

1.3.5 貨架期預測試驗 將變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥的核桃分別于5，15，25，35 ℃、相對濕度75%條件下進行貯藏，每隔15 d取樣提取油脂，分別測定酸價和過氧化值。

(1)氧化酸敗反應動力學方程：根據楊虎清等[11]的方法，選擇一級反應動力學模型，其反應方程為：

(1)

式中：

At——貯藏t時間后某理化指標含量；

A0——某理化指標的初始含量；

t——貯藏時間，d；

k——氧化酸敗反應速率常數，d-1。

(2)氧化酸敗反應速率常數與溫度的關系：根據式(1)計算不同貯藏溫度下的氧化酸敗反應速率常數kT，按照Arrhenius方程[12-13]計算kT與T的關系式為：

(2)

式中：

kT——溫度T下的氧化酸敗反應速率常數，d-1；

k0——指數前因子，d-1；

EA——活化能，J/mol；

R——氣體常數，8.314 4 J/(mol·K)；

T——熱力學溫度，K。

對式(2)取自然對數得：

(3)

式中：

kT1、kT2——對應于溫度T1、T2下的氧化酸敗反應速率常數，d-1。

試驗中，通過不同溫度T條件下的kT值可計算獲得不同溫度段278～288，288～298，298～308 K下氧化酸敗反應的活化能EA1、EA2和EA3。

(3)貨架期預測模型：通常用Q10表示油脂氧化酸敗速率對溫度的敏感性[11-13]，其計算公式為：

(4)

式中：

Q10——溫差為10 ℃某理化指標降低速率比或食品品質保持的時間比原來延長的倍數；

θT——溫度為T時的貯藏時間，d；

θT+10——溫度為T+10 ℃時的貯藏時間，d。

將式(2)代入式(4)得：

(5)

θT=θT0×Q10(T0-T)/10(T≥T0)。

(6)

1.3.6 貨架期預測模型的驗證實驗 將變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥的核桃分別于18，28 ℃、相對濕度75%條件下進行貯藏，每隔15 d取樣提取油脂，分別測定酸價和過氧化值，用以驗證貨架期預測模型。

1.4 數據統計分析

所有試驗均平行3次，結果以平均值±標準偏差表示，采用OriginPro 9.1軟件制圖。利用IBM SPSS Statistics 25軟件對試驗數據進行顯著性分析，采取Duncan檢驗，當P<0.05時，代表數據之間存在顯著性差異。

2 結果與討論

2.1 3種干燥方式核桃酸價和過氧化值變化與貯藏時間的關系

2.1.1 酸價 酸價(AV)是用以表征油脂氧化酸敗水解程度的指標，可以用來反映油脂水解的程度。當AV升高時，油脂內游離脂肪酸占比上升[11]。由圖2可知，3種干燥方式處理的核桃在貯藏期間AV均隨貯藏時間的延長而上升，是由脂肪水解酶不斷水解油脂產生越來越多的游離脂肪酸造成的[14]，與楊虎清等[11]的結論一致。此外，單一熱風干燥處理的核桃AV升高最為顯著，35 ℃貯藏90 d后，AV達到1.71 mg/g；恒溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥的升高幅度次之，90 d后為1.39 mg/g；而變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥的增幅最小，90 d后AV僅為1.27 mg/g。3種干燥方式處理的核桃在35 ℃下貯藏90 d后的AV值(1.27～1.71 mg/g)接近山核桃[11]的。貯藏90 d后，變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥處理的核桃AV最低，其次是恒溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥核桃，單一熱風干燥的最高，這是由于3種干燥方式的干燥時間不同引起的核桃油初始品質不同。在達到相同干燥效果(干基含水率8%)下，變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥、恒溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥、單一熱風干燥所需時間分別為14.38，16.16，20.00 h。變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥時間最短，故油脂初始品質最好，隨著貯藏時間的增加，AV增幅最小。3種干燥方式處理的核桃貯藏90 d后的AV值均未超過GB 19300—2014《堅果與籽類食品》的要求，表明核桃AV指標達標。

圖2 3種干燥方式核桃酸價隨貯藏時間的變化

2.1.2 過氧化值 過氧化值(POV)是用以衡量脂肪一級氧化產物的指標，表明物料內脂肪氧化的初級程度，因而可以通過測定POV的高低來評判脂肪氧化的程度[11]。由圖3可知，3種干燥方式處理的核桃在貯藏期間POV的變化趨勢一致，均隨貯藏時間的延長不斷升高，是因為隨著貯藏時間的延長，油脂氧化反應速度不斷增加，與楊虎清等[11]的結果一致。POV升高最顯著的為單一熱風干燥處理的核桃，貯藏90 d后，POV由最初的0.002 5 g/100 g 上升至0.022 4 g/100 g，增加了7.96倍；其次是恒溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥處理的核桃，POV由0.002 4 g/100 g上升至0.021 1 g/100 g，增加了7.79倍；POV增幅最小的為變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥處理的核桃，POV上升至0.019 9 g/100 g，增加了7.29倍。3種干燥方式處理的核桃在35 ℃下貯藏90 d后的POV值(0.019 9～0.022 4 g/100 g)低于山核桃[11]的。此外，貯藏90 d后，變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥處理的核桃油POV最低，其次是恒溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥，單一熱風干燥核桃的POV最高。3種干燥方式處理的核桃POV隨貯藏時間的變化趨勢與AV的相似，均是由3種干燥方式處理下核桃油初始品質不同引起的。3種干燥方式處理的核桃貯藏90 d后的POV值均未超過GB 19300—2014《堅果與籽類食品》的要求，表明核桃POV指標達標。

圖3 3種干燥方式核桃過氧化值隨貯藏時間的變化

2.2 變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥核桃貯藏期油脂變化和貨架期模型構建

2.2.1 核桃酸價和過氧化值的變化與貯藏時間的關系

由圖4可知，不同貯藏溫度下核桃AV和POV均呈相似的變化趨勢，隨貯藏時間的延長而逐漸升高，且增長速率與貯藏溫度關系密切[15]，貯藏溫度越高，AV和POV增加的速率越大，與楊虎清等[11]的結論一致。以貯藏90 d為例，不同貯藏溫度下AV和POV均出現顯著性差異(P<0.05)；35 ℃下的核桃AV值從0.37 mg/g上升至1.27 mg/g，升高了2.43倍；25 ℃下的AV值從0.37 mg/g上升至1.00 mg/g，升高了1.70倍；其次是15 ℃的，AV值增加了0.97倍；而5 ℃的AV值僅增加了0.59倍。不同貯藏溫度下POV值變化趨勢與AV值的相似，35 ℃時的POV值升高幅度最大，由0.002 g/100 g升高至0.020 g/100 g，升高了8.97倍；其次是25 ℃的，POV值由0.002 g/100 g升高至0.013 g/100 g，升高了5.50倍；15 ℃下的POV值由0.002 g升高至0.008 g，提升了3倍；而5 ℃下的POV值升高幅度最小，僅增加了2.01倍。說明低溫貯藏處理可以有效抑制脂肪酶的活性，降低脂肪氧化酸敗程度[11,16]。而較高的貯藏溫度對于脂肪氧化酸敗的影響主要有兩方面：① 加速脂肪內部碳鏈的受熱斷裂；② 加速脂肪酶、過氧化物酶以及脂氧合酶等酶類對脂肪的水解和氧化，產生了更多的游離脂肪酸和過氧化氫，從而提高了酸價和過氧化值[17-18]。5 ℃下貯藏的核桃的AV和POV值呈緩慢上升趨勢，表明核桃內部氫過氧化物處于緩慢累積階段，油脂氧化程度較慢，品質依舊保持良好，與王玉良[19]15-17的結論一致，說明低溫貯藏有利于降低氧化反應程度。

圖4 不同貯藏溫度下核桃酸價和過氧化值隨貯藏時間的變化

2.2.2 油脂氧化酸敗反應動力學結果 Labuza等[20]指出大多數食品的品質變化可以用定量的質量指標A(營養物質、特殊風味等)的損失或不良質量指標B(有害物質、異味等)的生成來評價。運用式(1)分別建立不同貯藏溫度下的貯藏時間t與AV和POV值的回歸方程，求出反應速率常數k和回歸系數R2，結果見表2。

由表2可知，以AV和POV為指標的核桃氧化酸敗反應符合一級反應動力學，與楊虎清等[11]和任斯忱等[21]的結論一致。其R2均>0.99，表明各回歸方程均具有較高的擬合精度，建立的一級動力學模型可以很好地預測不同貯藏時間下油脂氧化酸敗反應的進展情況。所有貯藏溫度下，k均為正值，表明AV和POV值均與貯藏時間呈正相關，隨著貯藏時間的不斷延長，POV和AV不斷增加，且兩者增加的快慢受溫度影響顯著，k值均隨貯藏溫度的升高而升高，也進一步證明了貯藏溫度的升高可以加快脂質氧化酸敗反應速度[17-18]。這可能是由于高溫狀態下，脂肪氧化生成氫過氧化物反應速率加快，同時促進了氫過氧化物向低級產物(醛、酮等)的轉化進程，與Mexis等[22]的結論一致。最長貯藏時間隨貯藏溫度的增加而縮短，以AV為指標，最長貯藏時間從5 ℃的373 d縮短至35 ℃的165 d；以POV為指標，最長貯藏時間從5 ℃的326 d縮短至35 ℃的150 d。這是因為貯藏溫度升高加速了氧化酸敗反應，使貯藏時間變短，與楊虎清等[11]的變化趨勢一致。

表2 不同貯藏溫度下的回歸方程、回歸系數和最長貯藏時間

2.2.3 貯藏貨架期預測模型建立 建立不同貯藏溫度T與AV和POV反應速率常數kT的Arrhenius方程回歸曲線見圖5。由圖5可知，AV和POV的lnkT值與1/T擬合方程的R2值均>0.95，說明該方程具有較高的擬合精度，可以很好地預測不同貯藏溫度下油脂氧化酸敗反應的進展情況，與任斯忱等[21]的變化趨勢一致。

圖5 不同貯藏溫度下的Arrhenius方程回歸曲線

活化能EA是指品質因子發生質變所需要突破的能量壁壘，可以用來表示化學反應進行的難易程度，EA值越小，表明該反應發生時所需克服的能壘越低，化學反應越容易進行。由表3可知，以AV為指標時，5～15 ℃下的EA為2 2257.84 J/mol，25～35 ℃下為6 824.94 J/mol，降低了2.26倍；以POV為指標時，5～15 ℃下的EA為15 720.53 J/mol，25～35 ℃下為13 107.57 J/mol，降低了0.20倍，說明隨著貯藏溫度的升高核桃氧化酸敗反應EA降低，反應更容易進行，從而導致貯藏時間Q10變短，與楊虎清等[11]的變化趨勢一致。根據表3的Q10和表2的θT0數據，通過式(6)建立以AV和POV為評價指標的核桃貨架期預測模型，其數學方程見表4。

表3 不同貯藏溫度區間的EA和Q10?

表4 不同貯藏溫度下的貨架期預測模型

2.2.4 貯藏貨架期預測模型的驗證 在不同貯藏溫度(18，28 ℃)下，用貨架期實測值驗證貨架期預測模型，結果如表5所示。

由表5可知，當貯藏溫度分別為18，28 ℃時，核桃貨架期實測值與預測值的相對誤差均<9%，具有較低的預測偏差，表明試驗建立的貨架期模型能夠較好地對貯藏溫度為5～35 ℃下的核桃貨架期進行預測。

表5 核桃在8，28 ℃下的貨架期預測值和實測值?

3 結論

建立了變溫滾筒紅外—熱風聯合干燥核桃的貯藏貨架期預測模型，以實現產品貯藏過程中氧化酸敗狀況的實時監測。結果表明，3種干燥方式處理后的核桃酸價和過氧化值均隨貯藏時間的延長而不斷升高，貯藏溫度越高，酸價和過氧化值增加的速率越大，且符合一級化學反應動力學模型；其中變溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥處理的核桃酸價和過氧化值增幅最小，貯藏90 d后酸價為1.27 mg/g，過氧化值為0.019 9 g/100 g，其次是恒溫滾筒催化紅外—熱風聯合干燥的，單一熱風干燥處理的核桃酸價和過氧化值增幅最大，但均未超過國家規定標準，品質良好。建立了以酸價和過氧化值為評價指標的變溫滾筒紅外—熱風聯合干燥核桃的貯藏貨架期預測模型，其R2均>0.99，相對誤差<9%，具有較高的擬合精度，表明該模型可以較好地對貯藏溫度為5～35 ℃下的核桃貨架期進行預測。但由于試驗中因核桃品種、試驗溫度、時間、濕度因素的有限性，以上由試驗值推導的貨架壽命預測模型在適用性上仍存在局限性，如進一步研究并控制這些影響因素，可進一步完善以上模型，拓寬適用性。