真空干燥在山核桃采后處理的初步應用

汪卿卿，徐一凡，何志平*，吳峰華，何浙華，余琳

1. 浙江農林大學食品與健康學院（杭州 311300）；2. 杭州千島湖瑤記實業有限公司（淳安 311700）

山核桃（Caryacathayensis）是我國的特有的堅果之一，截至2018年，全國山核桃種植面積約9.33萬 hm2，產量3.15萬 t左右。山核桃仁含有豐富的不飽和脂肪酸（45.81%）[1]，蛋白質和多酚等營養物質，具有較高的營養價值和經濟價值[2]。山核桃加工產品主要有光籽、手剝山核桃和山核桃仁。近幾年，由于消費者食用習慣的改變，光籽山核桃的市場日益萎縮，手剝山核桃和山核桃仁產品份額不斷上升。但后兩者產品沒有完整木質殼的物理保護，導致油脂氧化速度加快，使得貨架期問題成為眾多山核桃企業關注的產業共性問題。由于油脂氧化是不可逆的，降低原料的氧化水平是延長山核桃產品貨架期的有效手段之一。

影響山核桃原料品質的影響因素很多，如采收時間[3]、收獲方式、干燥前的貯藏時間、干燥方式[4]、干燥原料的含水量[5]等，其中干燥是山核桃最主要的采后處理步驟。山核桃企業采用的干燥方式主要是自然晾曬和熱風干燥。由于自然晾曬極易受到天氣影響，品質很不穩定。而熱風干燥則由于山核桃原料具有堅硬的木質殼，存在很大的傳熱和傳質阻力，干燥時間往往需要40 h以上，因而容易導致山核桃不飽和脂肪酸在干燥過程中氧化，山核桃原料品質下降。因而應用新的干燥工藝來提高山核桃原料品質成為山核桃產業當務之急。

真空干燥是實現熱敏性物料高品質干燥的常見方式，在金橘[6]、馬基莓[7]、油菜籽[8]，黃秋葵[9]等產品干制過程中已有應用。通過分析山核桃真空干燥的干燥過程，檢測真空干燥山核桃在加速貯藏期間品質變化來評估真空干燥在山核桃采后處理上的可行性，從而為真空干燥在山核桃產業上的應用提供技術依據和參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

山核桃（采自杭州市臨安區島石鎮；收獲當天去除蒲殼和空子，清洗后運至實驗室過夜晾干）。

十一烷酸標準品（上海安普實驗科技股份有限公司）；福林酚試劑（生工生物工程上海股份有限公司）；DPPH（美國SIGMA Aldrich公司）。

1.2 儀器與設備

DZF-6094A真空干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；QP-2010 GC/MS氣相色譜-質譜聯用儀（日本島津公司）；智能恒溫恒濕培養箱HWS-250（寧波賽福實驗儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 山核桃初始含水量測定

初始含水量測定采用AOAC Official Method 925.40，試驗樣品的初始含水量為36.86%（干基）。

1.3.2 45 ℃真空干燥試驗

選取大小均勻的新鮮山核桃（平均內徑17.88 mm），放入真空干燥箱進行連續真空干燥（干燥溫度45 ℃，真空度0.08 MPa），每隔2 h取出快速稱重（稱重時間小于0.5 min），稱重完畢放回烘箱繼續干燥，14 h后結束干燥。

1.3.3 干基含水率和水分比的計算

1.3.3.1 干基含水率

烘干過程干基含水率Xt的計算方法見式（1）。

式中：Xt為干燥至t時刻的干基含水率，g水/g干料；Wt為試樣干燥至t時刻的質量，g；Wb為試樣的干物質含量（依據1.3.1的初始含水率計算）。

1.3.3.2 水分比

水分比（MR）用于表示一定干燥條件下，t時刻樣品的水分與初始樣品水分的比值，可用于反映物料干燥速率的快慢，計算方法見式（2）。

式中：Xt為干燥至t時刻的干基含水率，g水/g干料；X0為初始水分，g水/g干料；Xe為平衡水分，g水/g干料。

1.3.4 山核桃加速氧化貯藏試驗

將裝有山核桃干燥樣品的尼龍網兜放在35 ℃培養箱中進行貯藏，在4，8和12周時分別取樣，樣品在-80 ℃貯藏等待分析。Q10模型是常見的預測貯藏期間食品品質的變化的模型，如式（3）所示。Q10取3.4[1]，正常貯藏溫度取15 ℃，則山核桃加速貯藏4，8和12周接近于15 ℃貯藏1年（323 d），2年（647 d）和3年（971 d）。

式中：T1為正常貯藏溫度，℃；T2為加速貯藏溫度，℃；θT1為正常貯藏時間，d；θT2為加速貯藏時間，d。

1.3.5 山核桃油品質提取與檢測

1.3.5.1 山核桃油的制備

將山核桃敲碎，移入棕色廣口瓶中，加入石油醚（料液比1∶3 g/mL）混勻浸泡過夜，過濾，石油醚在50 ℃的水浴鍋中水浴揮干，得到山核桃油，儲存于4 ℃待測。

1.3.5.2 油脂分析

酸價（AV）測定，參考GB 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》；過氧化值（POV）測定，參考GB 5009.227—2016；碘價測定，參考GB/T 5532—2008。

1.3.6 山核桃抗氧化成分及活性的測定

將山核桃提油所得濾渣取樣2.00 g，置于50 mL離心管中，加入30 mL 80%乙醇溶液，混勻，超聲輔助提取（功率100 W，溫度20 ℃，時間30 min），按3 600 r/min離心10 min，取上清液于50 mL比色管中，用80%乙醇溶液定容至50 mL，將提取液轉移至離心管-4 ℃密封保存，作為總酚和DPPH自由基清除率的待測液備用。總酚含量和DPPH自由基清除率的測定方法參照Ozer[10]的方法稍作修改。

1.3.7 山核桃脂肪酸組成的測定

1.3.7.1 甲酯化

參照文獻[11]方法。取0.05 g油樣，加2 mL正己烷溶解，并加入20 μL的1 mg/mL十一烷酸甲醇標品。加入2 mL 0.5 mol/L KOH-CH3OH溶液，漩渦振蕩2 min，在70 ℃水浴20 min。加入4 mL 0.5 mol/L H2SO4-CH3OH溶液，漩渦振蕩2 min，在70 ℃水浴10 min。加入0.2 g NaCl促進分層，加入2 mL蒸餾水和2 mL正己烷，漩渦振蕩2 min進行萃取，靜置分層，取上清液。

1.3.7.2 色譜條件

色譜柱Rxi-5 ms（30.0 m×0.25 mm，0.25 μm）；進樣量1 μL；進樣口溫度250 ℃。升溫程序：柱溫100 ℃，以10 ℃/min升到170 ℃，保持1 min后，以3 ℃/min升到230 ℃，保持12 min。載氣，采用高純氦氣（99.999%）；恒流流速1 mL/min；分流比60∶1。

1.3.7.3 質譜條件

電子轟擊離子源（EI），離子源溫度200 ℃，接口溫度250 ℃，電離電壓70 eV，掃描離子范圍為45～ 500。

1.3.8 數據處理

測定結果以平均值±標準差（mean±SD）表示。采用Excel軟件進行數據處理和統計分析。數據結果以圖表形式呈現。

2 結果與分析

2.1 山核桃真空干燥操作的干燥曲線

真空干燥（45 ℃）過程中山核桃含水量和水分比變化如圖1所示。依據GB/T 24307—2009《山核桃產品質量等級》，山核桃原料含水量小于等于6%。從圖1可以發現真空干燥只需要5 h即可完成。與45 ℃熱風干燥達到6%時所需得60 h相比[12]，干燥時間顯著縮短。由于山核桃中含有大量不飽和脂肪酸，受熱容易氧化，因而加熱時間的縮短將有利于降低山核桃原料的氧化水平。

圖1 山核桃真空干燥曲線

2.2 山核桃真空干燥有效水分擴散系數的計算

從圖1還可以發現，山核桃干燥速度一直處于下降階段，因而干燥阻力屬于內部控制過程，可以使用菲克第二定律描述水分擴散過程。考慮到山核桃接近球形，并且干燥過程幾乎不存在形狀變化，菲克第二定律可以簡化成式（4）進行計算[13]。其中的有效水分擴散系數（Deff）是描述難干食品物料干燥特性的重要參數。Deff可以通過（圖3）中得到的斜率計算（圖2）。

式中：MR為水分比；Deff為干燥過程中物料的水分擴散系數，m2/s；t為干燥時間，s；r為核桃物料的平均半徑，m。

將圖2中ln(MR)-t曲線進行線性回歸，回歸方程如表1所示。通過斜率法計算，山核桃真空干燥的Deff為1.1×10-9m2/s。該結果與Aghbashlo等[14]報道的食品物料干燥過程中測得的Deff范圍10-12～10-8m2/s十分接近，證明試驗結果可靠。山核桃真空干燥水分擴散系數比油菜籽（1.371×10-8m2/s）要小，這說明山核桃的干燥難度比油菜籽要大。山核桃真空干燥水分擴散系數的結果可以為山核桃真空干燥機械的開發及真空干燥工藝設計提供技術參數。

圖2 ln MR與干燥時間的關系圖

表1 真空干燥有效水分擴散系數

2.3 真空干燥山核桃貯藏期間油脂氧化水平的檢測

酸價、碘價、過氧化值是評價山核桃油脂品質的主要指標，真空干燥的山核桃在貯藏階段酸價、碘價、過氧化值的變化如表2所示。酸價是衡量山核桃油脂水解酸敗程度的指標，而山核桃油脂酸敗后，在色澤、滋味、氣味上都會發生一系列變化，嚴重時會產生酸敗味[15]。山核桃的初始酸價為（0.071± 0.012）mg/g，這比已有報道的山核桃酸價（1.37 mg/g）[2]要低，原因在于試驗的山核桃原料在采收以后立即進行干燥處理，避免堅果在高含水量期間貯藏所導致的油脂的快速劣變[16]。整個貯藏階段，山核桃酸價持續上升，這說明山核桃油脂水解產生的脂肪酸不斷增加。貯藏初期（0～4周），酸價變化不明顯，從0.071 mg/g增加到0.125 mg/g。后期，酸價變化加快，8周增加至0.333 mg/g，12周為1.051 mg/g。

表2 儲藏期間山核桃酸價、碘價、過氧化值含量的變化

過氧化值是判斷油脂初期氧化程度的指標，在一定范圍內隨油脂氧化而增大，過氧化值高意味著氧化程度大，品質不穩定[17]。與酸價原因類似，初始過氧化值為（0.007 3±0.001 0）g/100 g，也低于Ni等[18]對山核桃的檢測結果。整個貯藏階段，山核桃過氧化值一直上升，這說明山核桃油脂氧化加劇。貯藏后期，過氧化值增加的速度加快，12周后過氧化值達到（0.027 9±0.001 9）g/100 g。

碘價是鑒別油脂的一個重要指標，可以判斷所含脂肪酸的不飽和程度[19]。山核桃油脂初始碘價為（98.78±0.07）g/100 g，接近花生油（86～107 g/100 g），低于核桃油（140～152 g/100 g）。原因在于山核桃油中主要不飽和脂肪酸為單不飽和脂肪酸，而核桃油中主要不飽和脂肪酸為多不飽和脂肪酸。在貯藏過程中，碘價呈現下降趨勢，12周后達到（88.18± 0.78）g/100 g。

GB/T 24307—2009《山核桃產品質量等級》對山核桃原料的要求為：酸價≤4 mg/g，過氧化值≤0.08 g/100 g。試驗中，真空干燥的新鮮山核桃加速貯藏12周（相當于15 ℃貯藏3年）后，酸價和過氧化值依然在國家標準范圍以內。這說明真空干燥可以延長山核桃原料的保質期，使得原料處于較低的氧化水平，從而滿足山核桃仁生產企業對原料品質的需求。對于這些企業來說，可以統一采用真空干燥作為原料干燥的標準化工藝，并依據上述的研究結果制定相對更嚴格的原料品質要求。

2.4 真空干燥山核桃貯藏期間總酚含量和抗氧化能力的檢測

現代研究表明核桃飲食能降血脂、預防心血管疾病和糖尿病，并降低癌癥的風險[20]。Domínguez-Avila等[21]進行的動物試驗表明與山核桃油脂相比，山核桃多酚是降低血脂的主要功效物質。真空干燥以后山核桃多酚含量為（38.94±0.90）mg/g，低于已有報道的（78.28±0.38）mg/g[22]，原因可能是試驗檢測樣品中含有山核桃木質殼，而原先報道中檢測的是山核桃仁脫脂粉，不包含木質殼。在貯藏過程中，多酚呈現下降趨勢，這與Bakkalbasi等[23]的研究結果一致。12周后，多酚含量下降到（23.92±1.19）mg/g，下降38.57%（見表3）。

表3 儲藏期間山核桃總酚含量和抗氧化能力的變化

抗氧化活性是食品中天然多酚的主要活性之一[24-25]。真空干燥的山核桃抗氧化活性為71.95 mg VC當量/g，多酚抗氧化活性是VC的1.84倍。隨著貯藏時間延長，山核桃抗氧化活性不斷下降，12周后降到（28.47±1.70）mg VC當量/g，下降60.43%。抗氧化能力下降幅度比多酚大，這說明單位質量山核桃多酚抗氧化活性下降，原因可能是抗氧化活性較強的山核桃多酚比例下降或者結構發生改變。

2.5 真空干燥山核桃貯藏期間脂肪酸成分及含量的檢測

堅果中一般含有豐富的不飽和脂肪酸，真空干燥山核桃的脂肪酸組成如表4所示。山核桃中油酸的含量最豐富（702.5±4.4 mg/g），其次是亞油酸（233.8±4.4 mg/g）、棕櫚酸（63.49±0.20 mg/g）、硬脂酸（27.83±0.86 mg/g），這與Atanosov等[26]的報道結果接近。真空干燥山核桃的不飽和脂肪酸比例達90.98%，與王芳[27]測得的結果一致。貯藏期間，脂肪酸含量均呈現下降趨勢，下降最快的是亞油酸（16.47%），其次是油酸（12.37%）。山核桃中總不飽和脂肪酸下降13.38%，而飽和脂肪酸只下降了2.42%，說明與飽和脂肪酸相比，山核桃不飽和脂肪酸在貯藏過程中由于易被氧化而損失更多，其在細胞內氧化的機理還有待下一步深入研究。

表4 貯藏期間山核桃脂肪酸含量變化 單位：mg/g

3 結論

山核桃原料采用真空干燥工藝進行干燥，干燥至含水量6%以下僅需5 h。而這與前期進行的核桃熱風干燥所需的60 h相比[28]，干燥時間大幅縮短，也使得山核桃中大量熱敏性的不飽和脂肪酸受熱的時間縮短，提高了原料品質。從山核桃真空干燥過程來看，干燥速度一直處于下降過程，因而可以推測山核桃真空干燥過程屬于內部控制干燥，可采用菲克第二定律描繪水分擴散過程，由此獲得的水分擴散系數為1.1× 10-9m2/s。但由于山核桃木質殼的存在，干燥過程中熱量傳遞和水分擴散相對比較復雜，如何通過優化干燥溫度、真空度等工藝參數來建立更加適合山核桃干燥的真空干燥工藝還需進一步研究。

加速貯藏試驗表明真空干燥的山核桃原料在貯藏12周（相當于15 ℃貯藏3年）后依然符合GB/T 24307—2009的要求，這說明真空干燥可以顯著提高山核桃原料的品質。我國山核桃原料采后處理技術依然比較落后，陰干現象普遍存在，山核桃原料的保質期往往還不到1年。同時，隨著手剝山核桃和山核桃仁產品市場份額不斷上升，對山核桃原料的品質要求越來越高。試驗結果說明真空干燥在山核桃采后處理上有巨大潛力。