干燥方法對植物產品化學成分影響的研究進展

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(1.運城學院生命科學系,山西運城 044000; 2.漯河食品職業技術學院食品工程系,河南漯河 462000; 3.西北農林科技大學食品科學與工程學院,陜西楊凌 712100; 4.漢中植物研究所,陜西漢中 723000; 5.中國農業科學院農產品加工研究所,北京 100193)

植物產品含水量高,季節性強,上市集中,若處理不及時容易腐爛變質。干燥是植物加工過程中常見的保存方法,具有降低產品水分活性、抑制酶活及微生物生長的作用,從而延長植物產品在室溫條件下的保藏時間[1]。干燥過程中無論是否有熱參與都會對植物產品產生不同程度的影響,引起物理、化學或生物性質的改變[2],如植物產品的結構特性、視覺特性、復水特性及營養特性[3]等質量特性發生改變,同時其營養特性也會受到相應的影響,而營養特性不僅包括蛋白質、粗纖維、礦物質等基本營養成分,還包括酚類化合物、多糖、揮發油等功能活性成分。干燥過程中的高溫、氧氣、微波、紫外線輻射等是影響這些化合物含量、生物利用度等的重要因素[1,4]。本文全面回顧了干燥方法對植物產品化學成分影響的最新研究成果,總結了常規干燥方式及聯合干燥方式對植物產品中營養組分如VC、類胡蘿卜素及活性成分如酚類化合物、揮發油、多糖的影響。

1 常規干燥方法對植物產品營養成分及活性成分的影響

常規的自然干燥方法包括曬干和陰干,人工干燥包括烘干、真空干燥、冷凍干燥、微波干燥及中短波紅外干燥等。

1.1 常規干燥方法對植物產品營養成分的影響

植物產品中的營養物質主要包括維生素、蛋白質、糖類及礦物質等。王恒超等[5]研究表明不同干制方式(自然干制、熱風干制及真空冷凍干制)對紅棗營養物質影響較大。在干制過程中,VC和總酸含量隨干燥時間的延長及紅棗含水量的下降而呈降低趨勢,VC因其結構中存在烯二醇基,所以極易受熱、光、氧和pH等因素的影響,在干制過程中損失率極大[6],經12 d自然干制后(22～43 ℃,11 d)紅棗表層果肉和深層果肉的VC保存率僅為3.42%和3.52%,熱風干制(50～65 ℃,24 h)較自然干制VC保存率高3.88%。另外,總糖、果糖及葡萄糖的含量呈上升趨勢,而蔗糖含量呈下降趨勢;可溶性蛋白質的含量呈先下降后上升的趨勢,其中采用真空冷凍(12 h)得到干制品對以上幾種營養物質的保存率最高,熱風干燥次之,自然干制最低。Kumar等[7]在對木槿的研究中發現同樣的結果,冷凍干燥(-110 ℃,1.2 Pa)得到的木槿中VC含量及抗氧化能力遠遠高于中短波紅外干燥((50±5) ℃,1.1～1.3 μm,5 h)、氣流干燥((50±5) ℃,16 h)、微波干燥(850 W,5 min)、烘干(65 ℃,5 h)及曬干((35±3) ℃,1 d)。徐曉飛等[8]研究了不同干燥方式對香菇的營養成分包括水分、灰分、粗脂肪、蛋白質、粗纖維、干物質、高分子多糖和總糖的影響,結果表明冷凍干燥(-40 ℃,1.2×104Pa)對香菇的營養成分影響最小,其次是真空干燥(60 ℃,9.5×104Pa),最差的是熱風干燥(60 ℃)。真空冷凍干燥過程能較好的保存產品的營養成分,這是因為凍干過程在高度真空的條件下,升華干燥階段干燥箱中的加熱板以輻射的形式將熱量傳遞給干燥物,熱量可直接作用于水分子,從而有效減少了營養成分的損失,且低溫能有效的抑制植物細胞的呼吸作用[9]。

在自然狀態下,類胡蘿卜素的典型結構特點是高度不飽和,其最顯著特征為含有3～15個共軛雙鍵,共軛雙鍵存在的位置決定類胡蘿卜素的功能特性,包括在光合生物中可起到光吸收和光保護的作用、作為細胞膜的抗氧化保護劑[10]、抗癌及對眼睛的保護等功能[11]。類胡蘿卜素是一種對氧氣、輻照等敏感的不穩定物質,在干燥過程中容易被破壞[12]。鄧媛元等[13]對比了真空冷凍干燥(-80 ℃,0.03～0.04 Pa,40 h)、日曬干燥(60 ℃處理1 h后20 ℃,8 h)、熱泵干燥(60 ℃,6 h)、熱風干燥(95 ℃,3h)、微波干燥(800 W處理5 min后60 ℃風干30 min)及真空熱干燥(60 ℃,1.8～2.0 Pa,6 h)對苦瓜中類胡蘿卜素的影響,熱泵干燥苦瓜的類胡蘿卜素含量最高為0.86 mg·g-1DW,日曬干燥最低為0.11 mg·g-1DW,表明日曬干燥對苦瓜中類胡蘿卜素的破壞能力最強。采用微波進行干燥時,隨著微波功率的增加胡蘿卜素含量呈下降趨勢,這是由于高微波功率會被干燥樣品吸收,導致其能量急劇上升,不利于類胡蘿卜的保留[14],汪小娉在對南瓜片的干燥研究中發現類似的結果[15]。

1.2 常規干燥方法對植物產品活性成分的影響

1.2.1 常規干燥方法對植物產品中酚類化合物的影響 酚類化合物是植物生長所必需的次生代謝物,在惡劣環境中可保護植物免于不利因素如干旱、紫外線輻射、感染及物理損害等的影響[16]。研究表明酚類化合物具有清除自由基、螯合金屬離子和防止脂質過氧化的作用,此外飲食中的多酚類化合物具有抗腫瘤、降低血糖、預防心臟病等作用[17]。

植物在干燥過程中微觀結構會發生變化,其酚類化合物的含量也會隨之改變,不同植物中酚類化合物含量的變化趨勢各不相同。?A Gümüay等[17]采用曬干(25～30 ℃,36 h日曬)、烘干(60 ℃,36 h)、真空干燥(60 ℃,2.5 Pa,36 h)及冷凍干燥(-50 ℃,13.3 Pa,24 h)對生姜和西紅柿進行處理發現,與新鮮樣品相比,經過干燥之后多酚含量均有所下降。在低溫條件下進行干燥,一些氧化酶如多酚氧化酶和過氧化酶等的活化會導致多酚含量的下降。另外,酚類化合物與蛋白質的結合、化學結構的改變及不合適的提取方法都可能是酚類化合物含量降低的原因。而S Roshanak等[18]對綠茶采用陰干(25 ℃,36 h)、曬干(30～35 ℃,7.5 h)、60 ℃烘干、80 ℃烘干、100 ℃烘干、微波(800 W,240 s)及冷凍干燥(-50 ℃,24 h)進行處理,研究結果卻表明,干燥過程可能會破壞植物組織的細胞,導致更多酚類物質的釋放,從而干燥的樣品中多酚含量較新鮮樣品均有所升高。這可能與多酚在植物材料中的類型和在細胞中的位置相關[12]。López等[19]采用50、60、70、80、90 ℃的熱風對藍莓進行干燥,其中干制品中多酚含量顯著地低于新鮮樣品,且多酚含量隨著溫度的升高而增加。這可能是由于在低溫條件下所需的干燥時間較長,使得空氣中的氧化物質與樣品中的抗氧化物質發生反應,從而使得總酚含量下降。

真空冷凍干燥是非加熱的干燥方式,會使干燥材料具有低密度,高孔隙率的特性。N Izli等[27]研究了不同干燥方式對獼猴桃中多酚含量及抗氧化活性的影響,新鮮獼猴桃中多酚的含量為381.8 mg GA/100 g,經過熱風干燥(60、70、80 ℃)、微波干燥(120、350 W)及冷凍干燥(-50 ℃,52 Pa)之后獼猴桃中的多酚含量與新鮮樣品相比下降5%～49%,其中冷凍干燥樣品中多酚含量最高,為361.38 mg GA/100 g。L Valadez-Carmona等[28]采用微波(595 W,11.5 min)、熱風(60 ℃,24 h)及冷凍干燥(-60 ℃,20～40 Pa,24 h)對可可豆莢進行干燥,其中采用冷凍干燥得到的多酚含量最高,是新鮮樣品中多酚含量的5.86倍。這可能是由于植物材料經過預冷凍之后水形成冰晶體,而冰晶體會破壞植物細胞結構,同時在干燥過程中水分升華導致干燥材料中形成蜂窩網絡狀結構,冷凍干燥的高提取率可能與細胞結構的破壞及多孔網絡結構有利于溶劑的溶入及細胞組分的溶出[29]有關。

1.2.2 干燥方法對植物產品多糖的影響 多糖是一種廣泛存在于植物中的碳水化合物,研究表明多糖具有獨特的活性,例如抗炎、抗凝血、抗病毒、抗癌及抗氧化等作用[30-33]。多糖的表面形態和結構受到不同干燥、提取、純化及制備方法的影響[34-36]。

L Kong等[37]分析了真空干燥法(72 h)及真空冷凍干燥法(-60 ℃,24 h)對白芍多糖理化特性的影響,真空冷凍干燥得到的多糖具有空隙大小均一的網狀松散結構,在溶解后能與水很好的結合,而真空干燥得到的多糖具有絮狀纖維的緊密結構,其溶解度小于真空冷凍干燥得到的多糖。

吳振等[38]研究了熱風干燥(50 ℃,16 h)、冷凍干燥(-50 ℃,72 h)及真空干燥(50 ℃,6×104Pa,12 h)三種干燥方式對銀耳多糖理化特性和抗氧化活性的影響,結果表明由于高溫條件下多糖分子易發生交聯和聚集,因此通過熱風干燥得到的銀耳多糖相對分子質量最大,而冷凍干燥得到的多糖相對分子質量最小,這可能是由于凍干過程中隨著溫度的升高,細胞中部分酶被激活,促進了大分子糖類物質的代謝,多糖發生降解[39],降解之后的低分子質量多糖能顯現出較強的抗氧化作用,其抗氧化活性也是最強。L Ma等[40]在對不同干燥對枸杞的研究中發現類似結果,采用冷凍干燥(-50 ℃)得到的多糖產量最高,抗氧化活性最強,均優于熱風干燥(50 ℃)和真空干燥(50 ℃)。

結果表明,采用真空冷凍干燥對植物產品進行處理得到的多糖含量高,且是具有網絡松散結構的低分子質量多糖,其溶解度高,抗氧化活性強;而高溫條件下處理植物產品,多糖分子易發生聚集,導致得到的多糖分子質量大,抗氧化性低。

1.2.3 干燥方法對植物產品揮發油及揮發性組分的影響 植物揮發油又稱精油、香精油、芳香油,是從植物的花、莖、葉、皮、根、果實中提取出的一類植物次生代謝產物,分子量比較小可隨水蒸氣蒸餾,具有一定芳香氣味且能在常溫下揮發[41]。植物精油具有多種生物活性,例如抗菌、抗氧化、殺蟲等,在食品、香料及制藥等行業具有廣泛的應用[42]。

Rahimmalek等[43]采用陰干(25 ℃,3 d)、微波(300 W,0.25 min)、曬干(30～40 ℃,13 h)、50 ℃烘干(20 h)、70 ℃烘干(15 h)及冷凍干燥(-15 ℃,6 h)對百里香葉進行處理,結果表明不同干燥方式對百里香葉揮發油含量影響顯著。經過干燥之后,揮發油含量的升高或者降低主要取決于干燥溫度及干燥時間。冷凍干燥溫度低且時間短,因此得到的揮發油含量最高為1.7%,而陰干時間長,百里香葉長時間暴露在空氣中,導致揮發油含量下降為0.91%。

Argyropoulos等[44]對比了不同干燥溫度(30、45、60、75、90 ℃)對木犀草中精油含量的影響,結果表明在所有的干燥溫度下木犀草精油含量均有所下降,且隨著干燥溫度的升高精油含量下降幅度越大,其中30、45、60、75 ℃條件下精油含量分別下降了16%、23%、65%及73%。通過掃描電子顯微鏡的觀察推測精油的損失可能與熱風干燥過程中植物材料角質層的收縮及細胞的損傷有關。有關精油含量與干燥溫度呈負相關也有類似報道,如羅勒[45]、百里香[46]等植物中。采用微波干燥得到的植物揮發油含量均比較低,如月桂樹葉[47]、紫色羅勒和綠色羅勒[48]等中。原因可能歸結于在微波干燥過程中植物材料組織結構及角質層會收縮,柵欄層的葉肉細胞和表皮細胞嚴重倒塌[49]。

植物材料中的揮發性組分是干燥過程中變化最為顯著的成分,其中,干燥參數(方法、溫度和時間)及植物材料的生物學特性是影響揮發性組分變化的重要因素[50]。不同干燥方式對植物揮發油含量的影響不一樣,這與干燥機理、揮發油的分泌組織及組分、植物生長環境有關,不同的植物材料應根據自身的特性選擇合適的干燥方式[43]。

2 聯合干燥方法對植物產品化學成分的影響

自然曬干及陰干操作簡單,節約成本,但干燥時間長且易受氣候的影響;真空冷凍干燥可最大限度的保持產品活性、風味及形狀等原有特性,但是需消耗大量的時間和能量,干燥成本高,且由于真空不利于揮發性化合物的形成[51];采用熱風干燥得到的產品不僅易皺縮及褐變,且營養成分損失嚴重;真空干燥對于在高溫或有氧氣的環境中易發生損壞或變化的植物材料而言是比較好的選擇,真空干燥不僅能夠除去植物材料中的水分還能防止其中的活性物質與氧氣接觸發生氧化,但是植物材料在真空干燥箱中易產生氣泡,導致干燥物料的不均勻[52];微波干燥技術干燥時間短、效率高,但是微波干燥單獨使用時,由于干燥材料的大小形狀不一,受熱不均勻而導致過熱和碳化,干燥材料水分含量較低時,微波轉化為熱量的程度降低,干燥樣品對微波穿透力產生限制,從而導致干燥材料結構的損壞程度增強[53]。聯合干燥技術是結合各種干燥方法的特點,進行分階段干燥的一種復合技術,實現單一干燥所不能達到的目的,具有最大程度保留物料原有的品質和色澤的優勢。聯合干燥能夠較好地控制整個干燥過程,提高干燥效率、節約能源成本、改善產品質量,尤其適用于植物產品中一些對熱敏感、易氧化的物料[54-55]。

2.1 聯合干燥方法對植物產品營養成分的影響

熱風-真空聯合干燥是根據植物產品在不同干燥階段含水量及組織結構等特性的不同而進行的干燥,聯合干燥能夠結合熱風和真空干燥的優點,既能平衡植物產品內部的水分,又能改善產品的色澤,且不影響產品的品質。陳君琛等[54]對即食杏鮑菇熱風-真空聯合干燥工藝進行了優化,確定的最佳工藝條件為:先熱風干燥(60 ℃,20 min,轉換點濕基含水率≤78%),后真空干燥(55 ℃,-900 MPa);聯合干燥即食杏鮑菇休閑產品的品質優于熱風干燥和真空干燥產品的品質,能耗比真空干燥減少57%。

2.2 聯合干燥方法對植物產品活性成分的影響

微波-熱風聯合干燥是最常見聯合干燥技術之一,在這種組合干燥技術中,熱空氣可以從樣品的表面除去自由狀態的水,微波可以從產品的內部除去水分[56]。這樣不僅可以提高干燥速率,還可保持干燥產品良好的質量特性[57]。E Horuz等[58]采用微波聯合烘干對酸櫻桃進行處理,研究表明聯合干燥處理時間短,得到的樣品中多酚含量高,抗氧化活性強。劉小丹[59]等采用微波+高溫熱風+低溫熱風組合方式對紅棗進行干燥,與熱風干燥相比,組合干燥速率高(組合方式干燥時間為22.4 h,熱風干燥時間為28 h),能耗低(組合方式能耗為26.32 g·(kW·h-1),熱風干燥能耗為30.8 g·(kW·h-1)),且抑制了干燥過程中酶促褐變并減緩了非酶褐變。

微波真空干燥(MWVD)是一種干燥溫度低、速率高且能獲得高質量產品的干燥方式,在微波真空干燥之前或之后使用冷凍干燥能較好降低能耗,提高產品品質[60]。Lue-lue Huang等[61]對比了冷凍(-40 ℃,100 Pa)、冷凍-微波真空聯合(先于-40 ℃,100 Pa下干燥,后于絕對壓力為5000 Pa,轉速為5 r/min下干燥)及微波真空-冷凍干燥(先于絕對壓力為5000 Pa,轉速為5 r/min下微波真空干燥20 min,后于-40 ℃,100 Pa下干燥)聯合三種方式對蘋果片的影響,其中冷凍-微波真空聯合干燥得到的產品中糖和總酚含量高,香味成分保留性好,且產品脆性好、色澤優。NingJiang等[62]以秋葵為原料,對比了熱風干燥(70 ℃,風速1.5 m/s)、冷凍干燥(-50 ℃,20 Pa,41 h)、微波真空干燥(7×104Pa,1536 W,微波脈沖比為1.5)、熱風-微波真空聯合干燥(先于70 ℃,風速1.5 m/s條件下處理2 h,后于7×104Pa,1536 W,微波脈沖比為1.5條件下處理)及冷凍-微波真空聯合干燥(先于-50 ℃,20 Pa條件下冷凍干燥至水分含量小于80 g/100 g,后于7×104Pa,1536 W,微波脈沖比為1.5條件下處理)對其主要活性成分及抗氧化性的影響,研究結果表明冷凍-微波真空聯合干燥產品的色值和品質較好,具有更高的抗氧化特性保持性,且干燥速率高,能耗低。

王迪等[63]采用遠紅外(70 ℃,10.2 h)、熱風(70 ℃,8.2 h)、真空冷凍(-45 ℃,400 Pa,41 h)、真空微波(微波間歇比為1.5,能量密度為8 W/g,0.25 h)、真空冷凍聯合真空微波(先-45 ℃,400 Pa干燥約10 h至平均含水量為80%,再于微波間歇比為1.5,能量密度為8 W/g下處理0.25 h)及熱風聯合真空微波(70 ℃下干燥2 h至含水量60%,再于微波間歇比為1.5,能量密度為8 W/g下處約理0.15 h)對黃秋葵進行處理,其中采用真空冷凍干燥得到的多糖含量最高,為69.28 mg/g d·w,真空微波干燥由于升溫快、干燥時間短,樣品中多糖的含量僅次于真空冷凍及真空冷凍聯合真空微波干燥,而熱風干燥及遠紅外干燥所需溫度高,干燥時間長,因此其含量最低。

3 結論與展望

本文著重分析了常見的干燥方式如熱風干燥、真空干燥、微波干燥、日曬、陰干、冷凍干燥及聯合干燥方法如微波-熱風、熱風-真空、冷凍-微波聯合干燥對植物產品營養成分及活性成分的影響,為植物材料干燥方法的選擇提供一定的理論基礎。干燥是植物產品加工過程中常見的工序,近年來關于不同干燥方式對植物產品物理特性及化學成分的影響研究越來越多,但是有關不同干燥方式對植物產品影響的機理研究尚未完善,很多理化特性變化的解釋僅為推測,大多數沒有相關理論的支持。另外,有關聯合干燥的研究仍處于工藝優化及橫向對比方面,缺乏相應的聯合干燥設備,只能停留在實驗室研究階段,無法實現工業化生產。因此,應著重加大干燥機理的研究,合理的解釋理化特性的改變,同時為聯合干燥機械設備的研制提供理論支持。