刺梨果渣的干燥模型建立及品質分析

彭邦遠，張 瑜，張洪禮，丁筑紅*

（貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州省農畜產品貯藏與加工重點實驗室，貴州省藥食同源植物資源研究開發中心，貴州 貴陽 550025）

刺梨果渣的干燥模型建立及品質分析

彭邦遠，張 瑜，張洪禮，丁筑紅*

（貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州省農畜產品貯藏與加工重點實驗室，貴州省藥食同源植物資源研究開發中心，貴州 貴陽 550025）

為科學合理地選擇刺梨果渣干燥保藏實用技術，以減少果渣原料品質變化和營養損失。以刺梨果渣為原料，采用熱風干燥、遠紅外干燥和真空干燥方式，構建果渣干燥模型，確定最佳干燥技術。結果表明：Midilli和Kucuk數學干燥模型具有較高的決定系數R2，較低的χ2、誤差平方和及均方根誤差，對3 種干燥方式的擬合度最高，可以用來描述和預測刺梨果渣的干燥進程；遠紅外50 ℃干燥為果渣最優干燥方式，此條件下刺梨果渣品質指標最優，L*值為44.12，ΔE為6.87，果渣復水性為7.53，VC損失率為20.54%，黃酮含量為1.97 mg/g。

刺梨果渣；熱風干燥；遠紅外干燥；真空干燥；品質

刺梨（Rosa roxburghii Tratt.）為薔薇科植物，是一種具有亟待開發價值的營養水果，富含超氧化物歧化酶和VC、刺梨黃酮、多糖等物質[1]。其加工產品多以榨汁后果汁為原料，刺梨經榨汁后殘留50%左右刺梨果渣，富含大量的糖類、氨基酸、黃酮、VC等營養物質[2]，尤其含有豐富的膳食纖維，可以作為優質膳食纖維的良好來源，是一種很好的再利用原料且具有良好的開發利用價值。果渣原料干燥保存是刺梨鮮果渣常規的保藏處理方法，主要以自然干燥為主，自然干燥過程雖然簡單，但干燥周期長、易造成果渣干品質不佳，影響后續的高值化利用及產品開發；熱風干燥操作簡便、成本廉價，對設備、環境及操作技術要求不高[3]，但干燥中溫度波動較大，易造成物料氧化及熱損傷，導致物料營養損失、品質下降；遠紅外干燥是一種穿透力很強的輻射干燥，能被高分子和水等物質吸收，引起分子共振而達到快速干燥的目的，遠紅外干燥加熱溫度穩定且物料受熱均勻，對含水量高的食品及果蔬等農副產品的干燥尤為適宜[4]；真空干燥的干燥室內氣體分子數少，密度低，具有低壓除濕的優點，其干燥產品復水性較好[5]。金昌福[6]研究了不同烘干方法對香菇干燥品質的影響，結果表明遠紅外50 ℃處理香菇的干燥品質優于熱風干燥。目前，對刺梨果渣干制的研究鮮少有詳細的報道，而對不同干燥溫度條件下刺梨果渣的干燥特性，干燥前后的色值、功能成分等品質指標也鮮見綜合詳細的報道。本研究通過分析熱風干燥、遠紅外干燥和真空干燥在刺梨果渣的干燥過程中含水量變化及干燥速率的變化規律，探討不同干燥技術對刺梨果渣干燥特性的影響，建立刺梨果渣適合的干燥模型及篩選最佳干燥技術條件，以期為生產企業進行刺梨果渣原料干燥加工提供科學實用的技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

刺梨：貴州省龍里縣，貴農5號品種，新鮮無霉爛變質，清洗、濾干、榨汁后取果渣（出汁率50%）。

硼酸、草酸、無水乙醇、抗壞血酸、苯酚、濃硫酸、鹽酸、氫氧化鈉、葡萄糖均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

101-3A電熱鼓風干燥箱、DZ-BCII電熱真空干燥箱、GX-45B遠紅外干燥箱、FW100高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；TG328A分析天平 上海分析天平廠；HH-S數顯六孔水浴鍋 上海欣茂儀器有限公司；T6新世紀紫外-可見光分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；WSC-S測色色差儀 上海精密科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 刺梨果渣干燥處理

分別取1 000 g新鮮刺梨果渣平鋪于托盤，采用不同干燥方式于相應干燥箱內干燥，熱風干燥、遠紅外干燥分別設定40、50、60、70 ℃不同溫度梯度，真空干燥，真空度為0.07 MPa，設定溫度為55、60、65、70、75 ℃。每0.5 h測一次水分，直至水分趨于穩定。根據水分比變化建立干燥模型，以色差值變化進行品質分析。

1.3.2 干燥數學模型擬合

選擇7 種常用的薄層干燥數學模型[7-12]對刺梨果渣熱風干燥、遠紅外干燥及真空干燥的實驗數據進行模擬，如表1所示。

表1 幾種常見的干燥數學模型Table 1 Several common drying models

干燥數學模型中MR計算公式[13]為：

式中：Mt表示t時刻的含水率/%；Me表示平衡含水率/%；M0表示初始含水率/%。

以不同干燥方式干燥刺梨果渣得到的數據為實測值樣本，使用SPSS 20.0軟件非線性回歸對7 種干燥模型進行模型擬合。選擇最佳干燥模型對干燥曲線進行預測和描述[14]。

式中：MRpre,i表示預測水分比；MRexp,i表示實測水分比；N表示實驗次數；n表示參數個數；SSE為誤差平方和（sum of the squared errors）；RMSE為均方根誤差（root mean square error）。

1.3.3 刺梨果渣品質分析

根據熱風、遠紅外、真空干制模型以及干制前后果渣色澤變化選擇最佳干燥條件，在最佳干制條件下得到刺梨果渣成品進行理化指標和營養指標測定，采用逼近理想解排序（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）綜合評定法確定刺梨果渣最佳干燥條件。

水分含量測定：參考GB 5009.3—2010《食品中水分的測定》[15]；還原糖含量測定：采用3,5-二硝基水楊酸法[16]；可溶性糖含量測定：采用蒽酮試劑法[16]；VC含量測定：采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[17]；黃酮含量測定：采用分光光度計法[18]；色澤測定[19-20]：采用全自動色差計測定刺梨果渣干制品的L*、a*、b*值，計算色差值ΔE和飽和度C；褐變度測定[21]：取刺梨果渣10 g，加入490 mL蒸餾水，攪拌均勻后放置24 h后3 500 r/min離心5 min，取上清液以蒸餾水做空白樣，在420 nm波長處比色，以吸光度表示刺梨果渣褐變度。

TOPSIS綜合評價法[22-25]計算公式如下：

式中：Rij為加權的規范化矩陣；X+為指標的理想解；X－為指標的負理想解；Di+為該方法與理想解的距離；Di－為該方法與負理想解的距離；Ci為該方法對理想解的相對接近度。采用TOPSIS法對多因素指標進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 不同干燥工藝刺梨果渣干燥特性

2.1.1 熱風干燥對刺梨果渣含水量的影響

圖1 熱風干燥條件下刺梨果渣水分比變化Fig. 1 Changes of moisture ratio during hot air drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

表2 熱風干燥條件下刺梨果渣色澤變化Table 2 Changes of color parameters during hot air drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

由圖1、表2可知，在不同的干燥溫度條件下，刺梨果渣熱風干燥過程中水分含量隨時間的延長，呈現“S”型曲線變化。40、50、60、70 ℃干燥條件下，刺梨果渣干燥時間分別為11.5、7.0、5.5、4.0 h，各組間的亮度L*、黃藍值b*、色度C和色調H0與干燥前之間呈顯著性差異（P＜0.05），其中L*值與b*值呈現正相關關系。干燥前b*值為26.42，干燥后果渣中b*值均降低，即黃色向藍色轉變，導致果渣亮度L*降低，由于果渣中酚類物質、VC與氧氣接觸發生褐變等導致果渣褐變加重。50 ℃干燥時Δ E是7.05，褐變度最輕。表中處理組的H0、C與干燥前差異顯著（P＜0.05），50 ℃和60 ℃干燥差異不顯著。溫度越高對果渣內部組織結構、營養成分的影響越大[26]，故刺梨果渣色澤穩定最佳的熱風干燥溫度為50 ℃。

2.1.2 遠紅外干燥對刺梨果渣干燥速率的影響

圖2 遠紅外干燥條件下刺梨果渣水分比變化Fig. 2 Change of moisture ratio during far-infrared drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

表3 遠紅外干燥條件下刺梨果渣色澤變化Table 3 Changes of color parameters during far-infrared drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

由圖2、表3可知，刺梨果渣干燥過程中水分比隨時間變化呈“S”曲線變化。刺梨果渣干燥過程中，其內溫變化有升溫、恒溫和再升溫3 個階段，初始升溫階段時由于果渣含水量高，吸收的遠紅外用于提高果渣內溫度，水分損失較慢，當吸收的遠紅外用于水分蒸發時，干燥進入恒溫階段，此階段水分干燥速率加快，當水分蒸發速率降低時，果渣內溫度再一次升高，當果渣內溫度與箱體溫度相同時，升溫現象不再明顯，在此階段自由水越來越少，干燥速率越來越慢直至穩定。溫度與干燥速率之間呈正相關聯系，40 ℃時干燥需8 h，比相同條件下熱風干燥縮短3.5 h；70 ℃干燥需3.5 h，較熱風干燥減少0.5 h。70 ℃干燥果渣褐變嚴重，50 ℃和60 ℃的果渣色澤相近。各組間的L*、b*、C、H0與干燥前之間呈顯著性差異（P＜0.05），其中不同溫度條件下得到的L*、b*、ΔE、C之間均呈顯著性差異（P＜0.05），說明遠紅外干燥對刺梨果渣色澤影響較大。其中當干燥溫度為50 ℃時，L*為44.12，ΔE最小，說明在50 ℃干燥條件下果渣色澤最佳。在相同溫度條件下，遠紅外干燥方法與熱風干燥相比，所需時間短、L*值最高、ΔE最小，遠紅外干燥是一種輻射產熱干燥，能穿透到果渣內部，是物料內部發生激烈摩擦產生熱而達到干燥的目的，并且易被果渣內部高分子、水等物質吸收，從而使物料干燥更快、所需時間更短[27]，效果優于熱風干制。

2.1.3 真空干燥工藝對刺梨果渣干燥速率的影響

圖3 真空干燥條件下刺梨果渣水分比變化Fig. 3 Changes of moisture ratio during vacuum drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

表4 真空干燥條件下刺梨果渣色澤變化Table 4 Changes of color parameters during vacuum drying ofRosa roxburghii Tratt. pomace

由圖3、表4可知，在真空干燥下刺梨果渣水分比與時間之間呈“S”型曲線變化，與熱風、遠紅外干燥規律相似。當溫度為55、60、65、70、75 ℃時，干燥時間分別為17、13、11、9、8 h，最高溫度和最低溫度干制時間相差9 h，這是因為真空干燥受壓力和溫度的共同作用提高干燥速率，在相同壓力下溫度越高，果渣干燥速率越快，但由于干燥環境封閉的，提高干燥效率的能力是有限的。溫度為60 ℃和65 ℃時，L*、ΔE、C和H0之間數值相差不大。55 ℃色澤品質較高溫干燥褐變嚴重，可能溫度較低時干燥時間過長，對果渣內部組織結構、色澤造成一定的損失[28]。結合干燥溫度與干燥時間及色澤變化，為保證果渣品質，故真空干燥溫度不宜超過70 ℃。真空干燥與熱風、遠紅外干燥相比，在同一溫度條件下，所需時間長，果渣亮度值低，干燥效果差，可能是因為熱風干燥和遠紅外干燥的鼓風加熱循環使果渣表面的氣化速率大于真空干燥的恒溫密封加熱，從而導致真空干燥時間變長，影響果渣色澤及品質。

2.2 干燥模型的建立

2.2.1 不同干燥方式數學模型擬合結果分析

取實驗值對表1中7 種干燥模型進行擬合，通過Excel軟件對實驗數據進行繪圖，分析軟件SPSS 20.0進行非線性回歸擬合，其中相關系數R2越大，χ2、SSE和RMSE越小，模型擬合程度越高。擬合結果見表5～7。

彈性固定是符合固定部位生理功能的一種固定方式，指在滿足固定強度的情況下，保留固定部位一定的活動度，避免長期剛性固定導致的相關并發癥(關節僵硬、骨性融合、內固定材料斷裂等)。應選擇有足夠強度的內固定材料來維持固定部位的穩定性，便于早期活動，同時需符合自身微動特征。目前骨科應用(脊柱、肩鎖關節、下脛腓聯合等)廣泛。下脛腓聯合是復雜的微動彈性關節，微動連接可隨踝關節相應運動。下脛腓聯合韌帶復合體的功能是加強踝關節的穩定性，維持關節在軸向、旋轉及前后方向的應力平衡[8-10]。故實現下脛腓聯合的彈性固定至關重要，目前彈性固定種類繁多，各有優劣。

表5 刺梨果渣熱風干燥數學模型及其擬合結果Table 5 Hot air drying models and their fitting parameters ofRosa roxburghii Tratt. pomace

通過對表5中7 種模型R2值對比可知，Page模型和Midilli和Kucuk模型的決定系數R2均在可接受數值的范圍內，即R2＞0.98，其中Midilli和Kucuk模型對實驗數據擬合后R2為0.997，擬合程度最高，χ2為0.000 51，SSE為0.006 75，RMSE為0.052 86，均高于Page模型。故Midilli和Kucuk模型為預測刺梨果渣熱風干燥特性最適合的數學模型。

表6 刺梨果渣遠紅外干燥數學模型及其擬合結果Table 6 Far-infrared drying models and their fitting parameters of Rosa roxburghii Tratt. pomace

由表6可知，Page模型和Midilli和Kucuk模型的R2＞0.98，其中Midilli和Kucuk模型平均相關系數R2為0.997，χ2為0.000 51，SSE為0.004 30，RMSE為0.017 01，擬合程度最高，故Midilli和Kucuk模型為預測刺梨果渣遠紅外干燥特性最適合的數學模型。

從表7可知，Page模型和Midilli和Kucuk模型的R2均在0.990以上，其中Midilli和Kucuk模型平均相關系數R2為0.996，χ2為0.000 74，SSE為0.006 28，RMSE為0.021 98，擬合程度最高，故Midilli和Kucuk模型為預測刺梨果渣真空干燥特性時最適合的數學模型。

表7 刺梨果渣真空干燥數學模型及其擬合結果Table 7 Vacuum drying models and their fitting parameters ofRosa roxburghii Tratt. pomace

2.2.2 模型驗證

為了對所選擇的模型進一步驗證，取建模以外的實驗數據對該模型進行擬合分析。分別取1 000 g刺梨果渣進行熱風、遠紅外和真空干燥，3 種干燥溫度分別為50、50、65 ℃，得到的3 組實驗數據作為實測值樣本，分別驗證Midilli和Kucuk干燥模型，結果見圖4。

圖4 熱風干燥（A）、遠紅外干燥（B）和真空干燥（C）Midilli和Kucuk模型對實驗點的擬合Fig. 4 Good agreement between Midilli-Kucuk model predictions and experimental values of hot air drying (A), far-infrared drying (B) and vacuum drying (C)

從圖4可以推斷，熱風干燥、遠紅外干燥和真空干燥分別在50、50、65 ℃條件下所得的Midilli和Kucuk模型方程與實測值基本相符，熱風干燥法相關系數R2=0.999，遠紅外干燥法相關系數R2=0.997，真空干燥法相關系數R2=0.990。說明Midilli和Kucuk模型可以用來描述和預測刺梨果渣熱風、遠紅外和真空干燥過程中含水量變化。本實驗中得到適合熱風、遠紅外和真空干燥刺梨果渣的模型均為Midilli和Kucuk模型，說明干燥條件和干燥方式對物料影響很大，所對應的最佳干燥模型也不同，需要針對性選擇。

2.3 不同干燥方式刺梨果渣品質綜合評定

在以上實驗中，以干燥時間和色澤變化為指標選擇出熱風、遠紅外和真空干燥最佳溫度分別為熱風干燥50 ℃、遠紅外50 ℃和真空65 ℃進行干燥，分別對3 種條件下得到的干制品進行成分分析，得到表8，并對得到的數據進行綜合評價。

表8 不同干燥條件對刺梨果渣品質的影響Table 8 Influence of different drying conditions on Rosa roxburghii Tratt. pomance quality

不同干燥方式對刺梨果渣色澤、組織、營養等方面影響不同。由表8可知，遠紅外干燥得到的刺梨果渣色差值為6.8，與另外兩組樣品差異顯著（P＜0.05）。不同干燥方式對復水性的影響差異顯著（P＜0.05），熱風干燥時果渣復水比為5.82，遠紅外干燥為7.53，遠紅外干燥果渣VC的損失率最少為20.54%，其次是真空干燥，熱風干燥VC損失最大，為遠紅外干燥的1.17 倍。3 種干燥方式對刺梨果渣的可溶性糖含量差異不顯著（P＞0.05），對還原性糖含量的差異顯著（P＜0.05），由于在干燥的過程中果渣中部分還原糖參與美拉德反應[29]，發生褐變引起還原糖減少，遠紅外干燥對還原糖的影響介于熱風干燥和真空干燥之間。刺梨黃酮是刺梨重要的功能組分，遠紅外干燥和真空干燥對總黃酮的差異不顯著（P＞0.05），與熱風干燥之間差異顯著（P＜0.05），在熱風干燥中，刺梨果渣中的黃酮在高溫條件下會加速黃酮的分解，從而導致熱風干燥刺梨果渣的黃酮損失嚴重[30]；相比而言，真空干燥中溫度雖高，但在低壓的環境，黃酮含量穩定，同時，真空干燥可以保持刺梨果渣的組織結構[31]。

按照TOPSIS法的基本原理，把不同干制條件下得到的成品各個指標都量化為可比較的規范化標準值，借助多目標決策問題的“理想解”和“負理想解”排序，比較不同干制條件下的差異，按照Ci大小排序。

表9 規范化決策矩陣Table 9 Standardized decision matrix

根據刺梨果渣不同干燥方法的各個指標計算和評判的規范化變化矩陣（表9），從而得到指標的理想解和負理想解即為最優值向量和最劣值向量。

最優值向量（指標的理想解）：X＋=（0.018 0，0.092 6，0.049 4，0.365 7，0.038 9，0.038 8，0.099 7）

最劣值向量（性狀的負理想解）：X－=（0.016 5，0.071 6，0.023 8，0.168 9，0.030 5，0.030 7，0.095 6）

根據最優值向量和最劣值向量，計算各指標值與最優值和最劣值的距離及其與最優值的相對接近程度，并按Ci值大小進行排序，其中Ci值在0～1之間，該值越接近1表示評價對象越接近最優水平，即Ci值越大，干燥方法越優，否則反之。

表10TOPSIS計算結果Table 10 Results of calculation by TOPSIS

由于TOPSIS法是把每個數值都轉化為可比較的規范化指標，且對每一指標都找出理想解和負理想解，因而能詳細比較各性狀指標的差異。從表10可以看出，遠紅外干燥方法Ci值最接近理想解，即遠紅外干燥方法最優。經色澤和營養等綜合評價，遠紅外干燥法與熱風、真空干燥法相比，能最大限度保存刺梨果渣中營養物質，對果渣結構破壞和色澤變化影響最小。

3 結 論

不同干燥方式及溫度條件對刺梨果渣品質影響差異顯著。熱風干燥、遠紅外干燥在溫度為50 ℃時對刺梨果渣干燥效果最好，真空干燥因為溫度較低時干燥時間過長，對果渣內部組織結構、色澤造成一定的損失，結合干燥溫度與干燥時間及色澤變化，盡量提高果渣品質，故溫度不宜超過70 ℃。

通過對Nowton等7 種常見的薄層干燥模型進行非線性擬合，得到熱風、遠紅外和真空干燥模擬效果較好的數學模型均為Midilli和Kucuk模型，是適合刺梨果渣干燥的數學模型。

對熱風50 ℃、遠紅外50 ℃、真空65 ℃條件下的刺梨果渣干制品進行品質分析，并結合TOPSIS法進行綜合評判，干燥方式接近理想解的順序是遠紅外干燥＞真空干燥＞熱風干燥，其中遠紅外50 ℃條件下干燥，刺梨果渣品質各指標最優，L*值44.12，ΔE 6.87，果渣復水性7.53，VC損失率20.54%、黃酮含量1.97 mg/g。

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Quality Analysis and Drying Modeling of Rosa roxburghii Tratt. Pomace

PENG Bangyuan, ZHANG Yu, ZHANG Hongli, DING Zhuhong*
(Research and Development Center of Medicinal and Edible Plant Resources of Guizhou Province, Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store and Processing of Guizhou Province, College of Wine and Food Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

This study aimed to choose a scientific and reasonable drying method to reduce the quality changes and nutritional losses in Rosa roxburghii Tratt. pomace during preservation. The material was dried by three different drying methods: hot air drying, far-infrared drying and vacuum drying, and the drying processes were investigated by mathematical modeling to select the optimal one. The results showed that the Midilli-Kucuk model presented a high correction coefficient (R2), and minimum χ2, SSE and RMSE values, and it could exactly describe and predict all the drying processes above with the highest degree of fitting. In summary, far-infrared drying at 50 ℃ was found to be the best among these drying methods, giving the best quality characteristics, namely, a brightness value L* of 44.12, and a color difference value of 6.87, a water reabsorbing capacity of 7.53, a VC loss rate of 20.54% and a flavone content of 1.97 mg/g.

Rosa roxburghii Tratt. pomace; hot air drying; far-infrared drying; vacuum drying; quality

10.7506/spkx1002-6630-201711026

TS255.36

A

1002-6630（2017）11-0161-07

彭邦遠, 張瑜, 張洪禮, 等. 刺梨果渣的干燥模型建立及品質分析[J]. 食品科學, 2017, 38(11): 161-167. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201711026. http://www.spkx.net.cn

PENG Bangyuan, ZHANG Yu, ZHANG Hongli, et al. Quality analysis and drying modeling of Rosa roxburghii Tratt. pomace[J]. Food Science, 2017, 38(11): 161-167. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711026. http://www.spkx.net.cn

2016-05-13

貴州省重大科技攻關項目（黔科合重大專項字[2013]6006）；貴州省藥食同源植物資源研究開發中心項目（黔科合G字[2014]4003號）

彭邦遠（1992—），女，碩士研究生，研究方向為食品科學。E-mail：450682911@qq.com

*通信作者：丁筑紅（1966—），女，教授，本科，研究方向為農產品加工。E-mail：gzdxdzh@163.com