紅心火龍果熱風干燥動力學模型及品質變化

楚文靖，盛丹梅，張 楠，于 艷，張 峰，葉雙雙

（黃山學院生命與環境科學學院，安徽 黃山 245041）

火龍果（Hylocereus undatus）又名紅龍果、青龍果、仙蜜果、玉龍果、情人果等，為仙人掌科三角柱屬植物的果實[1]。栽培品種主要有紅皮白肉、紅皮紅肉、黃皮白肉3 種[2]，其中紅肉火龍果比白肉火龍果含有更豐富的甜菜紅素和酚類物質，具有更高的抗氧化活性[3-4]。火龍果是一種風味獨特、多汁、營養豐富的熱帶、亞熱帶水果，富含低聚糖、膳食纖維、多種維生素和礦物質，具有降血脂、養顏、減肥和抗衰老等功效[1,5-6]。

新鮮火龍果較不耐貯藏，將其進行深加工有利于貯藏。火龍果的加工產品主要有火龍果汁、火龍果醬、火龍果酒、火龍果醋及火龍果中活性成分提取物等[7]。關于火龍果干制的報道相對較少，陳曉旭等[8]研究了不同聯合干燥方式對火龍果粉品質的影響，發現中短波紅外聯合變溫壓差膨化干燥制得的火龍果粗粉和超微粉品質較優。盤喻顏等[9]研究了不同微波間歇條件對火龍果片干燥特性的影響，發現火龍果片微波間歇干燥動力學符合Page模型。熱風干燥是最常見、最常用的食品干燥方法之一。然而，目前鮮見關于火龍果熱風干燥特性及品質變化的相關報道。

本實驗探究干燥溫度和切片厚度對紅心火龍果熱風干燥特性的影響，并對干燥過程進行模型擬合，對比分析不同溫度和切片厚度干燥產品的品質特性，以期為火龍果熱風干燥參數的優化及實際干燥工藝設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅心火龍果 安徽省黃山市屯溪區大潤發超市。

甲醇、乙醇、Folin-Ciocalteu試劑、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、2,2’-聯氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽（2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)diammonium salt，ABTS）、磷酸鹽緩沖液 國藥集團化學試劑有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

PGFB-6型電熱恒溫鼓風干燥箱 吳江品格烘箱電爐制造有限公司；UV1700PC型紫外-可見分光光度計上海奧析科學儀器有限公司；TGL20MW型離心機湖南赫西儀器裝備有限公司；SB-4200D型超聲波清洗機寧波新芝生物科技股份有限公司；CR-400型手持色差儀日本柯尼卡美能達公司。

1.3 方法

1.3.1 火龍果的干燥

取新鮮火龍果原料，清洗、去皮，切片厚度分別為6、8、10、12 mm，取大小均勻的火龍果切片用于實驗。將火龍果片按不同厚度取相同片數稱質量，然后分散于不銹鋼烘盤上；分別在干燥溫度為50、60、70、80 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中進行干燥，每隔1 h取樣測定樣品質量。

1.3.2 干燥特性指標的測定

干燥過程中干基水分含量的測定參考GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》中直接干燥法進行，計算如式（1）所示。

式中：Ct為t時刻樣品的干基水分含量/（g/g）；mt為t時刻樣品的質量/g；m為樣品干燥后的質量/g。

水分比（moisture ratio，MR）按式（2）[10]計算。

式中：Ct為t時刻樣品的干基水分含量/（g/g）；C0為初始時刻樣品的干基水分含量/（g/g）；Ce為干燥平衡時樣品的干基水分含量/（g/g）。

干燥速率按式（3）[11]計算。

式中：DR為干燥速率/（g/（g·h））；C1和C2分別為干燥到t1和t2時刻紅心火龍果片的干基水分含量/（g/g）。

1.3.3 有效水分擴散系數的計算

有效水分擴散系數（Deff）[12]可以通過測定物料的干燥曲線，結合Fick方程和Arrhenius方程進行計算，在理想狀態下Fick方程經簡化后如式（4）所示，為線性方程；通過ln MR對時間t作圖，擬合直線方程，得到斜率k0，用式（5）計算Deff。

式中：Deff為有效水分擴散系數/（m2/s）；L為火龍果切片厚度的一半/m；t為干燥時間/s。

1.3.4 活化能的計算

物料Deff和干燥溫度的關系可以用Arrhenius方程（式（6））[13]表示。

式中：D0為物料中的擴散常數/（m2/s）；Ea為物料的干燥活化能/（kJ/mol）；R為氣體摩爾常數（8.314 472 J/（mol·K））；T為物料的干燥溫度/℃。

對公式（6）兩邊取自然對數得式（7），由式（7）可知ln Deff與1/（T＋273.15）呈線性關系，經擬合直線方程可得斜率－Ea/R，從而計算。

1.3.5 干燥模型

建立干燥模型對研究干燥變化規律、預測干燥工藝參數有重要作用。目前，用來描述食品干燥過程的模型一般有3 種[15]，即指數模型（Lewis模型）、單項擴散模型（Henderson模型）和Page模型。根據文獻[16-18]，蔬菜、水果干燥適用Page模型（式（8））。

式中：t為干燥時間/h；k、n為待定系數。

為便于分析，將Page模型取對數得到線性模型，如式（9）所示。

分別作不同火龍果片厚度、干燥溫度下的（－ln MR）-t關系曲線和（ln（－ln MR））-ln t關系曲線，得到斜率n和截距ln k。

1.3.6 色澤測定

用CR-400型手持色差儀測定干燥后紅心火龍果的色澤，其中CIELAB為色澤空間，記錄L*、a*、b*值。L*值代表亮度從黑（L*＝0）到白（L*＝100）；a*值代表紅綠度從綠（－）到紅（＋）；b*值代表黃藍度從藍（－）到黃（＋）。

1.3.7 總酚含量的測定

總酚含量采用Folin-Ciocalteu法[19]測定。準確稱取1.00 g紅心火龍果粉，加入25 mL體積分數80%乙醇溶液，室溫下超聲提取20 min，離心，取上清液400 μL，依次加入10 mL蒸餾水、1 mL 1 mol/L Folin-Ciocalteu試劑、2 mL質量分數20%碳酸鈉溶液，定容到25 mL，混勻。避光反應1 h，在760 nm波長處測定吸光度。利用沒食子酸作標準曲線，結果表示為每克樣品中沒食子酸的質量。

1.3.8 抗氧化活性測定

按照1.3.7節方法獲得火龍果粉提取液，DPPH自由基和ABTS陽離子自由基清除能力采用比色法[20-21]測定。

1.4 數據統計與分析

數據采用平均值±標準差表示。用SPSS 21軟件進行數據統計分析和方差分析，用Origin 8.5軟件進行圖形的繪制和模型擬合。

2 結果與分析

2.1 火龍果片熱風干燥特性

2.1.1 切片厚度對火龍果片干燥特性的影響

圖1為70 ℃下不同厚度紅心火龍果片的熱風干燥曲線和干燥速率曲線，其余溫度下的干燥曲線和干燥速率曲線趨勢與70 ℃相似。由圖1A可知，隨著干燥的進行，干基水分含量逐漸減小；隨著火龍果片厚度的減小，干燥時間縮短。6 mm厚的火龍果片70 ℃下熱風干燥僅需6 h。

圖1 不同厚度火龍果片干燥曲線（A）及干燥速率曲線（B）Fig. 1 Drying curves (A) and drying rate curves (B) of pitaya slices of different thicknesses

由圖1B可知，干燥的初期干燥速率最快，出現峰值。隨后，干燥速率隨干基水分含量的減小而緩慢減小，出現長時間的降速干燥階段，這與蓮子[22]、杏鮑菇[23]和竹筍[24]等熱風干燥的結果類似。干燥初期，火龍果表面水分快速向周圍空氣蒸發，干燥速率增加。當表面水分減少到一定程度后，物料內部的水分擴散成為影響干燥的主要因素。火龍果片厚度越小，內部水分遷移到表面的距離就越短，干燥速率越快。對于一定體積的物料來說，厚度越小，與干燥空氣接觸的相對表面積越大，干燥越迅速[24]。

2.1.2 干燥溫度對火龍果片干燥特性的影響

圖2 不同干燥溫度火龍果片干燥曲線（A）和干燥速率曲線（B）Fig. 2 Drying curves (A) and drying rate curves (B) of pitaya slices at different temperatures

圖2 為8 mm的紅心火龍果片在不同溫度下的熱風干燥曲線和干燥速率曲線，其余厚度下的干燥曲線和干燥速率曲線趨勢與8 mm火龍果片相似。由圖2A可知，隨著干燥的進行，干基水分含量逐漸減小。在50～80 ℃干燥時，隨著干燥溫度的升高，干基水分含量下降速率加快，降低到同一水平時所需的時間明顯縮短。

由圖2B可知，干燥初始階段，干燥速率迅速達到最大，然后逐漸下降。除去起始階段，整個過程可看成降速干燥，且溫度越高，降速階段越明顯。干燥過程中，火龍果表面水分含量減少，內部傳質和傳熱阻力不斷增加，水分從表面蒸發到空氣的速率和從內部遷移到表面的速率也隨之降低，故干燥速率也降低。80 ℃的干燥速率高于其他干燥溫度，可能的原因是在50～80 ℃干燥時，溫度越高，火龍果表面水分蒸發量越多，表面含水量越低，內部與表層之間形成了水分梯度，更有利于內部水分向表層的遷移。

2.2 火龍果片的熱風干燥動力學模型

為了建立火龍果片的最佳熱風干燥模型，分別作不同火龍果片厚度和干燥溫度下的（－ln MR）-t關系曲線和（ln（－ln MR））-lnt關系曲線（圖3、4）。

圖3 不同厚度火龍果片（－ln MR）-t關系曲線（A）及（ln（－ln MR））-ln t關系曲線（B）Fig. 3 Relationship between ?ln MR and t (A) and relationship between ln (?ln MR) and ln t (B) at different slice thicknesses

圖4 不同干燥溫度下（－ln MR）-t關系曲線（A）及（ln（－ln MR））-ln t關系曲線（B）Fig. 4 Relationship between ?ln MR and t (A) and relationship between ln (?ln MR) and ln t (B) at different hot air temperatures

由圖3A、4A可知，－ln MR與t呈現非線性關系；由圖3B、4B可知，（ln（－ln MR））與lnt呈線性關系，故可以選擇Page模型作為火龍果片熱風干燥動力學模型。lnk和n分別按式（10）、（11）計算。

式中：H為火龍果片厚度/mm；T為干燥溫度/℃；a、b、c、d、e、f、g、h、i、j為待定系數。將式（10）、（11）代入式（9）得到式（12）。

將熱風干燥過程中不同時間下的水分比代入Page模型得到不同厚度和干燥溫度下的Page模型系數（表1）。

表1 不同厚度和干燥溫度下火龍果片的Page模型系數Table 1 Page equation coefficients at different slice thickness and drying temperatures

將表1中各項系數代入式（10）、（11）計算得到系數如下：a＝－0.925、b＝0.032、c＝－5.699×10－5、d＝－0.464、e＝0.021、f＝－1.714、g＝0.103、h＝0、i＝－0.057、j＝0.003。將各項系數代入式（12）得到紅心火龍果片熱風干燥模型的回歸方程（式（13））。

經檢驗，該模型R2＝0.919、F＝470.216、P＜0.001，能夠較好地描述不同切片厚度、不同干燥溫度下火龍果片的熱風干燥過程。

2.3 火龍果片熱風干燥動力學模型的驗證

由圖5可以看出，實驗值與模型預測值的擬合度較高，Pearson相關系數為0.998，二者顯著相關（P＜0.05），說明Page模型能夠較好地反映紅心火龍果片熱風干燥中水分比的變化規律，適合描述實驗條件下火龍果片熱風干燥過程。

圖5 相同干燥條件下火龍果片MR的實驗值與預測值Fig. 5 Experimental values versus predicted values of moisture ratio under the same drying conditions

2.4 干燥過程中火龍果片的Deff和Ea

表2 干燥過程中火龍果片的Deff和EaTable 2 Moisture effective diffusion coefficients and activation energy during drying of pitaya slices

Deff和Ea是衡量干燥過程物料脫水能力的重要指標。Deff越高，其脫水能力越強，水分擴散所需要的Ea越低[25]。由表2可知，不同厚度、不同溫度對應的Deff不同，其值在3.537 4×10－10～19.942 6×10－10m2/s之間。厚度固定時，紅心火龍果片Deff隨著干燥溫度的提高而增大。8 mm厚火龍果片在80 ℃干燥時的Deff約是50 ℃干燥時Deff的3 倍。干燥溫度固定時，Deff隨著切片厚度的增加而增大。70 ℃干燥時，12 mm厚火龍果片的Deff約是6 mm厚火龍果片Deff的2 倍。厚度為6、8、10、12 mm的火龍果片熱風干燥對應的Ea分別為32.985 7、27.086 1、26.889 4、17.792 9 kJ/mol。不同厚度的火龍果片Ea不同，這與南瓜紅外干燥的研究結果[26]一致。

2.5 熱風干燥溫度對火龍果片總酚含量、抗氧化能力和色澤的影響

由表3可知，切片厚度恒定（8 mm），干燥溫度對火龍果片的總酚含量和抗氧化活性有顯著影響（P＜0.05）。隨著干燥溫度的增加，總酚含量有增加的趨勢，70 ℃和80 ℃條件下火龍果片的總酚含量明顯高于50 ℃。這可能是因為低溫（50 ℃）干燥時多酚氧化酶未完全失活[27]，導致酚類物質分解較多。較低溫度（50 ℃或60 ℃）干燥火龍果片的抗氧化活性比較高溫度（70 ℃或80 ℃）干燥得到的火龍果片低，可能和產品的總酚含量有關。由表3還可得出，干燥溫度對火龍果片色澤（L*、a*、b*值）的影響不顯著，不同溫度下的干燥產品色澤無顯著差異。

表3 干燥溫度對火龍果片總酚含量、抗氧化能力和色澤的影響Table 3 Effects of different drying temperatures on total phenol content, antioxidant activity and color of dried pitaya slices

2.6 切片厚度對火龍果片總酚含量、抗氧化活性和色澤的影響

表4 切片厚度對火龍果片總酚含量、抗氧化活性和色澤的影響Table 4 Effects of different thicknesses on total phenol content,antioxidant activity and color of dried pitaya slices

由表4可知，干燥溫度恒定（70 ℃），切片厚度對火龍果片的總酚含量和抗氧化活性有顯著影響（P＜0.05）。切片厚度為6 mm與8 mm的火龍果片總酚含量和抗氧化活性無顯著差異，但優于切片厚度為10 mm和12 mm的樣品。這可能是因為較厚的火龍果片需要的干燥時間長，在高溫下長時間干燥過程中，酚類物質發生分解、聚合等反應。由表4還可得出，紅心火龍果片70 ℃熱風干燥時，切片厚度對其制品色澤（L*、a*、b*值）影響不顯著，不同切片厚度的干燥產品色澤無顯著差異。

3 結 論

不同厚度、不同干燥溫度下，紅心火龍果片的熱風干燥曲線呈現基本相同的變化趨勢，干燥初始階段有明顯的升速過程，除去起始階段，整個過程可看成降速干燥過程。Page模型能較好地表達和預測紅心火龍果片干燥任意時刻（t）水分比（MR）隨厚度（H）和干燥溫度（T）的變化情況，擬合方程為ln（－ln MR）＝－0.925＋0.032 T－5.699×10－5T2－0.464H＋0.021H2＋（－1.714＋0.103T－0.057H＋0.003H2）ln t。紅心火龍果片的Deff在3.537 4×10－10～19.942 6×10－10m2/s之間；厚度為6、8、10、12 mm時，對應的Ea分別為32.985 7、27.086 1、26.889 4、17.792 9 kJ/mol。在干燥溫度70 ℃、切片厚度6 mm、干燥時間6 h下，紅心火龍果片的總酚含量和抗氧化能力較高。干燥溫度和切片厚度對紅心火龍果片的色澤影響不顯著。