熱泵和熱風干燥對龍眼干營養品質和褐變反應的影響

溫靖 徐玉娟 肖更生 吳繼軍 安可婧 林羨 張巖

摘 要 以龍眼果實（儲糧）為研究對象，研究熱泵和熱風干燥對水分含量、5-羥甲基糠醛（5-HMF）、褐變度、維生素C、總多酚、糖組分、游離氨基酸和總氨基酸含量等與非酶褐變有關的基礎物質和褐變度的變化情況。結果表明：在干燥過程中，蔗糖、維生素C、總多酚、游離氨基酸和總氨基酸含量顯著降低；果糖及葡萄糖含量有少量增加；5-HMF及褐變度逐漸增加。表明了龍眼干制過程提供了龍眼果肉中發生非酶褐變反應的條件，并初步判斷龍眼果肉中發生了美拉德反應，其中美拉德反應為龍眼干制過程中主要的非酶褐變反應。

關鍵詞 龍眼；熱泵干燥；熱風干燥；品質；褐變反應

中圖分類號 S667.2 文獻標識碼 A

龍眼俗稱“桂圓”，是中國南亞熱帶名貴特產，歷史上有南方“桂圓”北方“人參”之稱。龍眼果實營養豐富，并且富含多糖、多酚、類黃酮等天然生物活性物質，自古受人們喜愛，被視為珍貴補品。由于龍眼盛產于高溫季節，成熟期集中、季節性強、水分含量高且營養極其豐富，導致果實極易腐爛變質。目前龍眼的保鮮技術尚不夠成熟，許多低溫貯藏技術由于費用投入較大，難以將其商品化[1]，各種原因導致高產季節大量新鮮龍眼滯銷、變質腐爛。而干制加工作為替代方法則非常適用于季節性較強的龍眼加工，能降低自身酶活性、提高其貯藏能力、延長銷售時間，因此，開發具有高附加值的新型龍眼干制產品，有利于促進龍眼產業的健康發展，提高龍眼的經濟利用價值。

目前，傳統日曬和烘焙干制兩種方法仍是龍眼干制加工的主要方法，其他干燥方法如冷凍干燥、熱風干燥、微波干燥、噴霧干燥、真空干燥及聯合輔助干燥方法等現階段國內外研究比較多，盡管這些新型干燥方法以及聯合輔助干燥方法干制龍眼已經被研究證明，并且具有縮短干燥時間、提高干制品的品質和降低生產所需能耗等優點，但由于這些技術投入成本高，設備研究不夠深入，到目前為止還沒有將其產業化，因此尋求適宜的低成本、低能耗、縮短干燥時間，最大程度保留營養品質的干制方法和技術，仍是現階段龍眼干制研究的難題和重點。

熱風干燥對設備投資要求較低，適應各種物料的干燥，但其干燥產品質量低且生產能耗大；而熱泵干燥作為一種新型節能環保的干燥技術，能耗低、能源利用率高、并且最大程度的保持干制品的品質，完全可以彌補熱風干燥的不足。目前，僅有一種熱風干燥或者熱泵干燥方式用于龍眼干加工工藝優化的報道，未有兩種干燥方式相比較對龍眼干品質及褐變度影響的相關研究報道[2]。因此，本研究以初期實驗室對熱泵、熱風干燥龍眼干的最佳工藝研究為背景，選用60 ℃熱泵、熱風干燥參數，對比研究兩種干燥方法加工半干型龍眼干中營養組分與5-HMF及褐變度的規律，進一步分析干制過程中發生的非酶褐變反應，以其為龍眼干的制作提供一種高效的節能干燥技術，并為將來龍眼熱泵-熱風聯合干燥研究提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試植物材料 鮮龍眼（“儲良”品種，購于廣州市天平架農貿市場，剪枝清理后，選取新鮮、完整無損傷、無褐變的龍眼備用）。

1.1.2 儀器設備及試劑 主要儀器：GHRH-20型熱泵干燥機（廣東省農業機械研究所）、DHG-9240A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗有限公司）、SB-5200DT 超聲波清洗機（寧波新芝生物科技有限公司）、UV-2450分光光度計（SHIMADZU CORPORATION）、ALC-210.4分析天平（賽多利斯科學儀器有限公司）、榨汁攪拌機（廣東美的精品電器制造有限公司）、L-8900型全自動氨基酸分析儀（HITACHI/日本）、Agilent-1200高效液相色譜（美國安捷倫公司）。

主要試劑：DPPH（購自Sigma 公司）；福林酚、碳酸鈉、丙酮、H202、水楊酸、FeS04等（均為分析純）；蔗糖、葡萄糖、果糖品（購自Sigma 公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗方法 選取新鮮成熟度、大小一致的龍眼，分別60 ℃熱泵、熱風干燥至水分含量為35%左右得到高水分龍眼干，干燥前機器預熱30 min達到穩定溫度后，稱取（10±0.2）kg鮮龍眼，按0.5 kg/m2裝載量放入果實。干燥過程中，每干燥12 h停止加熱讓果品回軟3 h，然后重復加熱與回軟直至含水量達到要求，回軟時間不計入整體干燥時間內。每隔3 h取樣，樣品經液氮處理后置于-80 ℃，待用。

1.2.2 指標測定及分析 （1）水分含量：參照國標GB5009.3-2010（食品中水分的測定方法）。

（2）5-HMF含量測定[3]。樣品處理：取10 g樣品，加入40 mL 50%的甲醇，超聲波功率300 W、室溫條件下提取1 h后抽濾，收集濾液在35 ℃水浴中旋轉蒸發后用50%甲醇定容至25 mL，0.45 μm濾膜過濾后進樣。色譜分析條件：色譜柱Agilent Zorbax Eclipse XDB-C18（4.6×250 mm，5 μm），柱溫30 ℃；紫外檢測，波長為280 nm；用10%甲醇和90%水（含1%乙酸）混合液作流動相，流速0.6 mL/min；進樣量10 μL。

（3）褐變度測定[4]：取2 g樣品，加入5 mL 95%乙醇，組織勻漿3 min，靜置提取1 h，4 000 r/min 離心20 min，取上清液測定420 nm處吸光值。

（4）維生素C含量測定[5]：采用鄰苯二胺衍生法，使用熒光光度計測定相對熒光強度。精密稱取1.5 g左右的龍眼果肉，共3份，加入10 mL的1%草酸，充分研磨后過濾，取樣品濾液5ml加入0.4 g活性炭，充分振蕩后靜置10 min，再 45 000 r/min離心。分別吸取已上清液1 mL于A管（樣品管）與B管（樣品空白管）。在A管中加入250 g/L的乙酸鈉溶液1 mL，在B管中1 mL的加入30 g/L硼酸-250 g/L乙酸鈉溶液，于旋渦混合器上充分混勻，在暗處放置20 min后迅速在暗室或避光條件下，準確迅速地向各試管加入1 mL 0.2 g/L鄰苯二胺溶液，于旋渦混合器上充分混勻，在暗室中避光反應40 min。激光波長355 nm，發射波長425 nm，兩端狹縫均為5 nm測定各管的熒光強度和空白熒光強度，樣品熒光強度減去樣品空白熒光強度，取得相對的熒光強度，代入標準曲線方程為y=2.11x+1.164 4（R2=0.999 2），結果表示為mg抗壞血酸當量（GAE）/100 g干重。

（5）總酚含量的測定：參照Sun等[6]的方法加以改進，得到具體操作步驟為稱取15 g的龍眼果肉樣品，加液氮研磨之后加入100 mL體積分數為80%的丙酮（預冷）震蕩提取1.5 h，之后真空抽濾收集濾液，濾渣再次加入100 mL 80%丙酮重復上述步驟提取1次。合并兩次抽濾得到的濾液，45 ℃條件下旋轉蒸發完全，殘余物用蒸餾水定容至100 mL。分裝后凍存于-80體冰箱備用。每個樣品重復3次提取作為平行。參照Singleton等[7]的福林酚法測定總酚含量，標準曲線方程為y = 0.008 6x - 0.001 2（R2=0.999 1），結果表示為mg沒食子酸當量（GAE）/100 g干重。

（6）糖分的測定。樣品處理：綜合參考Korbel[8]及胡志群[9]的方法，準確稱取龍眼果肉 2 g 加入30 mL超純水，震蕩提取2 h后5 000 r/min離心，取其中上清液1 mL 過 0.45 μm 濾膜后待測。

色譜分析條件：色譜柱Agilent Zorbax Carbohydrate（4.6×150 mm，5 μm），柱溫30 ℃；示差檢測器進行檢測，RID光學元件溫度35 ℃；流動相：70%乙睛水溶液；流速：1 mL/min；進樣量：10 μL。

（7）氨基酸含量的測定[10]，氨基酸含量使用氨基酸自動分析儀測定。具體為：①準確稱取2 g液氮粉碎的龍眼果肉，加入4 mL 10 g/100 mL的5-磺基水楊酸，振蕩混勻，4 ℃靜置30 min；②用高速離心機在12 000 r/min，4 ℃下離心15 min，上清液經0.22 μm的水溶性濾膜過濾后上機測試。根據氨基酸標準物質的質量濃度與峰面積的關系，外標法定量樣品中的氨基酸組分，單位以mg/100 g干重表示。

測試條件：855-350型色譜柱（4.6 mm×60 mm）；柱溫134 ℃；雙通道紫外檢測波長440 nm和570 nm；進樣量20 μL；保留時間148 min。

2 結果與分析

2.1 干制過程中龍眼水分含量的變化

通過恒重法測定不同干燥時間點龍眼果肉中的水分含量的實驗結果如圖1所示，在龍眼干燥至30%～35%含量時，60 ℃熱泵干燥需要30～33 h，而60 ℃熱風干燥卻需要45 h左右，在獲得半干型龍眼干的本次干制方式中熱泵干燥速度要遠高于熱風干燥，熱泵干燥在前期干燥速度較快，而熱風干燥則在后期速度較快。

2.2 干制對龍眼果肉5-HMF含量和褐變度的影響

5-HMF（5-羥甲基糠醛）是葡萄糖和果糖等單糖化合物在高溫和酸性條件下，催化脫水產生的醛類化合物，其作為美拉德反應及抗壞血酸氧化分解反應的中期產物，與褐變速度有密切關系[11]。因此我們可以測定5-HMF的積累情況預測非酶褐變的速度，結果如圖2所示，無論是熱泵還是熱風干燥，在其干燥初期5-HMF的積累量都較低，但從15 h開始其呈直線上升趨勢，增長速度加快，且干燥過程中熱泵干燥的5-HMF的積累量要略高于熱風干燥，這一點也與干制過程中水分含量的變化類似，從側面反映了熱泵干燥速度要快于熱風干燥。

從圖3中可以看出， 龍眼果肉的A420值與干制時間的延長呈正相關，隨著時間的延長褐變度逐漸上升，熱泵、熱風干燥中分別從最初干燥時間的0.003，到第3 h的0.013、0.011上升到干燥末期的0.137、0.163。在干燥前期褐變度的增長比較緩慢，這與之前5-HMF在前期的積累較少出現的情況一致，而在干燥后期，熱泵干燥從18 h、熱風干燥從24 h開始褐變度的上升量增大，5-HMF的累積速度，這些現象進一步說明干燥前期褐變反應比較緩慢，通過這些可以初步的得出龍眼干制過程中的非酶褐變反應主要集中在干燥中期和后期。

2.3 干制對龍眼維生素C含量變化的影響

從圖4中可以得知，鮮龍眼果肉的維生素C含量為147.45 mg/100 g DW，熱泵干燥33 h后含量變為5.62 mg/100 g DW，熱風干燥45 h后降到1.15 mg/100 g DW，由于熱泵干燥33 h和熱風干燥45 h后果肉含水量比較接近，可以認為在熱泵、熱風干制過程中龍眼果肉中的抗壞血酸損失量非常大，在達到含水量要求時維生素C幾乎全部損失，且兩種干燥方法都在干燥初期損失速率非常快，在18 h時已損失75%～85%。維生素C即抗壞血酸具有烯二醇類結構，在干制過程中嚴重損失是由于其是一種酸性顯著且具有強還原性的化合物[12]，極易通過多種方式氧化降解，尤其在在高溫有氧條件下極不穩定，發生自氧化反應成為α-雙羰基化合物，之后進一步降解聚合形成有色物質[13]，另外氨基酸等含氮化合物能與氧化后的脫氫抗壞血酸發生美拉德反應引起褐變，以及脫氫抗壞血酸發生復雜的自身降解反應生成褐色物質[14]，但是從對5-HMF的積累量的變化規律來看龍眼干制的非酶褐變主要從干燥中期開始，而維生素C的損失主要集中在干燥前期，因此可以推測，抗壞血酸氧化反應不是龍眼干制過程中非酶促褐變反應的重要反應。

2.4 干制對龍眼總酚含量變化的影響

如圖5所示，新鮮龍眼中總酚含量為446.08 mg GAE/100g DW，在熱泵干燥至33 h時降至113.76 mg GAE/100 g DW， 熱風干燥至45 h時降到102.54 mg GAE/100 g DW，尤以熱泵干燥9～24 h、熱風干燥21～27 h之間多酚的含量急劇下降，因此可以得知龍眼總酚含量在干燥后顯著下降，由于多酚類化合物含有酚羥基而化學性質非常活潑，在高溫高濕的干制過程中極易發生自氧化生成有色物質[15]，由于總酚含量的降低主要集中在干燥中期，結合對于5-HMF積累量的分析，因此在干制過程中，大部分龍眼多酚發生氧化反應引起非酶促褐變，是可能造成龍眼干具有獨特色澤的原因之一。

2.5 干制對龍眼糖類含量變化的影響

由于果糖，葡萄糖，蔗糖等具有游離羰基的化合物與美拉德反應密切相關，因此其是本研究考察的一個重點，圖6、圖7和圖8表示龍眼熱泵和熱風干燥過程中葡萄糖、果糖和蔗糖的變化趨勢，從圖中得出在干燥過程中蔗糖含量顯著下降，干燥結束時熱泵干燥中下降了219.36 mg/g DW，而熱風干燥下降了234.17 mg/g DW，由于蔗糖屬于非還原糖，并不直接參與以還原糖為基礎的美拉德反應，但是蔗糖可以在高溫環境中由轉化酶水解產生果糖和葡萄糖，可以間接的參與美拉德反應[16]，由此可以推測龍眼在干燥蔗糖發生降解產生還原糖，使得蔗糖含量在干燥過程中一直呈下降趨勢，因此出現了圖中葡萄糖和果糖都大致呈上升的趨勢，熱泵干燥和熱風干燥最終葡萄糖含量分別上升18.25和12.44 mg/g DW，而果糖則上升較大分別為88.84和75.78 mg/g DW；但在干制達到終點時，兩種干燥方法蔗糖水解約轉化為109～117mg/g DW左右的葡萄糖和果糖，遠高于葡萄糖和果糖的增長量，而且根據果糖、葡萄糖的增加量和蔗糖的損失量也可以注意到葡萄糖的總損失量顯著高于果糖的損失量，因此可以得知龍眼干制中與氨基酸發生非酶褐變反應的主要糖類為葡萄糖、其次是果糖，同樣的，Korbel等[8]在研究芒果干燥溫度和水分活度對酶促和非酶褐變影響的過程中發現在美拉德反應中葡萄糖比果糖更具反應活性。

2.6 干制對龍眼游離氨基酸和總氨基酸含量變化的影響

美拉德反應、維生素C的氧化褐變反應以及多酚類物質的縮合反應都需要游離氨基酸的參與，因此為了進一步了解龍眼干非酶褐變反應的影響因素，測定其干制過程中游離氨基酸總量和干燥開始和結束時龍眼果肉中的總氨基酸含量，結果如圖9和表1中所示。圖9中可以看出在干燥中期階段游離氨基酸的總量有一定的波動變化，但總體呈下降趨勢，熱泵和熱風干燥最后分別下降到0.361%和0.373%，并且通過上述對于糖類的測定分析，我們可推斷在干制過程中，游離氨基酸大部分與還原糖發生了美拉德反應；且熱泵干燥過程中游離氨基酸量下降速度要高于熱風干燥；導致趨勢波動的原因可能從干燥中期開始有大部分蛋白質發生了水解，從而導致氨基酸的含量變化發生不規律變化。在熱泵和熱風干燥結束時總氨基酸量從新鮮含量4 898.15 mg/100 g DW，分別降至570.02 mg/100 g DW和485.22 mg/100 g DW，變化率分別為88.36%和90.09%，由此可知在干燥過程中龍眼的總氨基酸量大量下降，且干制時間越長，其損失率更大，中后期5-HMF含量的大量累積，因此可以得出干燥過程中蛋白質發生了水解，生成游離氨基酸并參與到美拉德反應當中，且還原糖類與氨基酸發生的美拉德反應是龍眼干制過程中最主要的褐變反應。

3 討論與結論

通過測定龍眼熱泵、熱風干燥過程中水分含量、果糖、葡萄糖、蔗糖、游離氨基酸和總氨基酸量、維生素C、總多酚、5-羥甲基糠醛（5-HMF）等與非酶褐變有關的基礎物質及褐變中間產物含量和褐變度的變化情況，結果顯示，隨著干燥的進行，蔗糖、維生素C、總多酚、游離氨基酸、總氨基酸含量顯著降低，尤其是維生素C、總多酚、游離氨基酸、總氨基酸的下降量巨大且主要在干燥中后期含量急劇下降；果糖及葡萄糖含量有少量的增加，說明蔗糖在干燥過程中大量轉化成果糖和葡萄糖，且果糖和葡萄糖損失量較大；5-HMF及褐變度逐漸增加，且都在干燥中后期積累較快。這些現象均表明干制加工過程提供了龍眼果肉中發生非酶褐變反應的條件，可以初步判斷龍眼果肉中含有的蛋白質、氨基酸的游離羰基和還原糖的游離醛基之間發生美拉德反應，維生素C和多酚類物質發生了自氧化反應，且主要集中在干燥中后期，其中美拉德反應為龍眼干制過程中主要的非酶褐變反應。

美拉德非酶褐變反應主要是體系中的游離羰基與游離氨基經環化、Amadori分子重排生成果糖基胺，在pH≤7的條件下經1，2-烯醇化反應后再脫水、脫氨，最后生成HMF等中級階段產物，然后經過進一步縮合、聚合形成復雜的高分子色素[17]，試驗中檢測到葡萄糖的變化沒有規律性，而果糖含量則有所增加，但是蔗糖含量卻顯著下降，這主要是由于蔗糖的水解反應造成的結果，蔗糖水解后的果糖、葡萄糖與游離氨基酸發生美拉德反應，同時也可以說明葡萄糖參與美拉德反應的活性要高于果糖。游離氨基酸以及總氨基酸在干制過程中也顯著降低，這說明蛋白質在干制過程中發生了水解生成游離氨基酸，之后參與美拉德反應導致總氨基酸大幅度下降。綜合前面的分析所述，氨基酸的含量、糖類含量、A420值和5-HMF的含量變化提供了美拉德反應發生的條件，得出龍眼在熱泵、熱風干制過程中中發生了美拉德反應。由于維生素C的化學結構與糖類相似， 也具有糖類的性質能夠發生水解和脫羧等反應，在受熱條件下，可發生脫水、 脫二氧化碳、 開環及閉環等一系列復雜降解反應，使其含量下降，因此在本次試驗中也檢測了總多酚以及維生素C含量的變化情況，發現兩者的損失量也非常大，說明多酚以及維生素C在干制過程中也發生了氧化反應，生成中間產物參與美拉德反應進而影響龍眼干果肉的色澤。

非酶褐變反應是一個復雜的反應體系，通過對龍眼在熱泵、熱風干制過程中組分的變化來分析過程中的反應雖然可以得到一定的結論，但是仍存在著一定的局限性。因此，本試驗為下一步研究龍眼干制的模擬實驗，以及進一步深入探討龍眼干制過程中的反應奠定了理論基礎。

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