不同干燥方式下紫薯全粉的物性品質及花青素含量

樊小靜，任廣躍,2*，段續,2，曹偉偉，李琳琳，余祖艷

1(河南科技大學 食品與生物工程學院，河南 洛陽，471000)2(糧食儲藏安全河南省協同創新中心，河南 鄭州，450000)

紫甘薯又稱苕薯，是旋花科植物，其薯肉呈紫色或深紫色，內含豐富的營養物質(花色苷、膳食纖維、微量元素、蛋白質)，具有抗腫瘤、自由基的清除、高血壓的預防、機體免疫力的增強等作用[1]。新鮮紫薯不易保藏，易氧化發霉[2]。因此，采用合適的干燥方式對紫薯進行脫水處理，粉碎后制備的紫薯全粉[3]，其營養豐富且易于保藏，可用作面包[4]、面條[5]、飲料[6]、果凍和微膠囊[7]等制品的原輔料，應用廣泛。

果蔬通常采用熱風干燥、熱泵干燥、微波干燥以及真空冷凍干燥等方式進行干燥，而熱風干燥最為常見，其操作簡單、所需能耗小、生產成本低[8]。孫悅等[9]將超聲技術應用于熱風干燥紫薯片過程中，可以有效提高紫薯的干燥速率以及干燥品質，有利于紫薯總酚和總黃酮成分的保持。熱泵干燥[10]也是較為常用的一種干燥方法，其干燥品質優于熱風干燥。秦波[11]研究對比出太陽能輔助熱泵干燥技術所得的紫薯干燥品質、能耗、色澤以及微觀結構等方面較優。真空冷凍干燥是一種低溫脫水干燥技術，HARGUINDEGUY等[12]研究了真空冷凍干燥對茄子營養物質的影響，發現真空冷凍干燥能較好地保存茄子的營養特性。微波輔助真空冷凍干燥作為一種新型干燥方式，它以微波輻射為熱源，先將物料預冷，之后干燥，物料加熱均勻，所得產品品質較好，相對于冷凍干燥具有能耗小、成本低、干燥時間短及干燥效率高的優勢。賀健等[13]采用微波輔助真空冷凍干燥技術處理新鮮酸菜，確定了最佳干燥工藝條件。已有研究表明，紫薯花色苷種類受熱風干燥、滾筒干燥以及真空冷凍干燥3種干燥方式影響較小，但其含量有所減少[14]。研究不同干燥方法對紫薯全粉的影響，對高品質紫薯全粉的高效制備具有重要意義。目前關于紫薯的研究主要集中在花青素[15]的分析、提取、純化和結構鑒定方面，而干燥方式對紫薯顆粒細胞的損傷及全粉品質的研究較少，利用微波輔助真空冷凍干燥技術制備紫薯全粉的相關研究更是鮮有報道。

本文采用微波輔助真空冷凍干燥制備紫薯全粉，同時對比分析紫薯全粉在熱風干燥、熱泵干燥、真空冷凍干燥以及微波輔助真空冷凍干燥4種不同干燥方式所得紫薯全粉的干燥特性、理化特性和花青素含量，以期為高效制備紫薯全粉及其他農產品干燥領域的應用提供新型的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

新鮮紫薯購于洛陽正大優鮮，大小均勻、色澤一致、無損壞。干燥前紫薯初始含水量為(68.64±0.19)%，4種干燥方式制得的紫薯全粉水分均控制在6%以下。

檸檬酸、95%乙醇，天津市德恩化學試劑有限公司；NaCl、抗壞血酸，江蘇強盛功能化學股份有限公司；鹽酸，洛陽昊華化學試劑有限公司；KI，西隴科學股份有限公司；碘，天津市科密歐化學試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設備

KD0248型果蔬切片器，廣東膳道廚具有限責任公司；BCD-565 WT/B型電冰箱，北京海信電器有限公司；101型電熱鼓風干燥箱，北京市永光明醫療器械廠；GHRH-20型熱泵干燥機，廣東省農業機械研究所干燥設備制造廠；微波輔助真空冷凍干燥由河南科技大學干燥實驗室[16]設計；LGJ-10D真空冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；TG16-WS型高速離心機、JA2003 N型電子分析天平，上海佑科儀器儀表有限公司；HH-S4型電熱恒溫水浴，北京科偉永興儀器有限公司；XT-I5 D-110型色差儀，美國愛色麗公司；UV-2600型紫外可見分光光度計，上海尤尼柯儀器有限公司；TM3030型臺式電鏡，日本電子株式會社；QE-200型高速萬能粉碎機，浙江屹立工貿有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 紫薯全粉制備

挑選→清洗→切片→護色預處理→瀝干→干燥→粉碎

(1)切片：將新鮮紫薯用清水清洗表面，用濾紙將表面水分吸干，再用果蔬切片器切成4 mm厚的紫薯片。

(2)護色處理：將切好的紫薯片在復合護色劑(檸檬酸、抗壞血酸、NaCl的質量分數均為0.6%)里浸泡10 min[17]，防止氧化，瀝干后備用。

(3)干燥方法：對上述經護色處理瀝干后的紫薯樣品，分別采用熱風干燥、熱泵干燥、真空冷凍干燥以及微波輔助真空冷凍干燥進行干制加工。操作如下：

①熱風干燥：紫薯樣品均勻鋪散在物料盤中，將其放入熱風干燥箱內，50 ℃干燥至水分含量6%以下。

②熱泵干燥：將盛有紫薯樣品的物料盤放入熱泵干燥箱內，50 ℃干燥至水分含量6%以下。

③真空冷凍干燥：將護色處理過的紫薯片放入自封袋于-25 ℃冰箱冷凍室預凍8 h備用，將預凍好的紫薯片置于真空冷凍干燥設備中，冷阱溫度-50 ℃，干燥室壓力20 Pa，干燥24 h，取出。

④微波輔助真空冷凍干燥：將護色處理過的紫薯片放入自封袋于-25 ℃冰箱冷凍室預凍8 h備用，試驗前，先將微波輔助真空冷凍干燥設備的冷阱溫度降至-30 ℃以下，將預凍好的紫薯片放入干燥腔內，打開真空泵，待真空度降至100 Pa，打開微波[微波功率設置為40 W(0.4 W/g)]，每30 min取出稱質量，直至紫薯片水分含量降至6%以下，結束干燥。

用高速萬能粉碎機粉碎，過80目篩網即為紫薯全粉樣品。

1.2.2 堆積密度的測定

將紫薯全粉裝于10 mL量筒內，填充至10 mL刻度處，振實。稱量紫薯全粉的質量[18]，按照公式(1)計算紫薯全粉的堆積密度：

(1)

式中：ρb,堆積密度；m1,紫薯全粉和量筒的總質量，g；m2,量筒質量，g。

1.2.3 持水性和凍融析水力的測定

參照錢麗等[14]的方法并加以改動。稱取0.2 g紫薯全粉m0(g)，加入蒸餾水V1(mL)配制質量分數2%的溶液，100 ℃恒溫水浴20 min，冷卻至室溫后， 3 000 r/min離心25 min，稱取上清液m1(g)。所得沉淀物-18 ℃冷凍24 h，解凍至室溫，再于3 000 r/min離心25 min，稱取上清液m2(g)。按公式(2)與公式(3)分別計算樣品的持水性與凍融析水力。

(2)

(3)

1.2.4 干燥能耗測定

根據WANG等[19]的方法計算不同干燥方法脫去紫薯中1 kg水所需的能耗。干燥過程中能耗計算如公式(4)所示：

(4)

式中：N,干燥能耗；P,功率，kW；m0,紫薯的初始質量，kg；m1,紫薯的最終質量，kg；t,干燥時間，h。

1.2.5 色澤的測定

利用色差儀進行測定[20]，以儀器白板為標準，每組分別隨機測定3次，測量紫薯全粉的L*、a*、b*，結果取平均值。其中，L*為明暗指數；a*為紅綠值；b*為黃藍值。

1.2.6 花青素含量測定

實踐教學是引導學生從理論知識向工程實踐能力轉化的重要環節[5]，學生需要通過此環節驗證自身對理論知識的理解是否存在偏差，從實踐中找到問題，再對理論知識反芻，加深理解。另外，實踐環節旨在訓練學生的動手能力和解決工程問題的能力[6]。

參考韋璐等[21]的方法。稱取1 g紫薯全粉，加入20 mL提取劑[V(95%乙醇)∶V(1 mol/L鹽酸)=85∶15]，60 ℃恒溫水浴浸提1 h，取出后，以5 000 r/min離心10 min，收集上清液。取0.5 mL上清液稀釋20倍，測定535 nm處的吸光度，花青素含量計算如公式(5)所示：

(5)

式中：98.2為花青素的克分子消光系數。

1.2.7 游離淀粉碘藍值的測定

參考鄧資靖等[22]的方法。稱取0.5 g紫薯全粉，加入100 mL蒸餾水，65 ℃恒溫振蕩水浴5 min，靜置1 min，過濾。吸取濾液5 mL于25 mL顯色管中，加入1 mL 0.02 mol/L的碘標準溶液，定容。測定660 nm處吸光度，紫薯全粉游離淀粉碘藍值計算如公式(6)所示：

(6)

式中：m,稱取的樣品質量，g；dm,樣品中干物質含量，%。

將紫薯全粉粘到樣品臺的導電膠上，裝入掃描電子顯微鏡觀察室，抽真空，觀測微觀結構，選取不同放大倍數(800倍、1 200倍、2 000倍)的掃描電鏡圖進行分析[23]。

1.3 數據處理

運用Origin 8.5軟件進行繪圖，采用SPSS 20.0對數據進行顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方式對紫薯全粉物理特性及干燥能耗的影響

對不同干燥方式所得紫薯全粉物理特性及干燥能耗進行測定并比較，其結果如表1和圖1所示。由表1可知，4種干燥方式制備紫薯全粉的堆積密度由大到小依次為：熱泵干燥>微波輔助真空冷凍干燥>熱風干燥=真空冷凍干燥。堆積密度影響著紫薯全粉工藝生產的運輸與包裝成本，堆積密度越大，其運輸與包裝成本越低[24]。熱泵干燥制得的紫薯全粉堆積密度最大，可能使得其包裝運輸成本最低，其次是微波輔助真空冷凍干燥。

真空冷凍干燥持水性最高，為9.45 g/g，其次是微波輔助真空冷凍干燥，持水性為9.00 g/g。持水性的大小與紫薯全粉淀粉顆粒內部結構狀態有關，可能是真空冷凍干燥下紫薯片內部水分直接升華，使得紫薯全粉形成多孔結構，遇水時其內部羥基與水分子結合緊密，能更好地固定水分子，使其持水性好。而熱風干燥后的紫薯全粉表面不光滑，裂痕較多，幾乎沒有孔洞，其內部羥基與淀粉分子結合緊密，不利于內部水分的散發，更不利于吸水，使得其持水性低。

微波輔助真空冷凍干燥與其他干燥方式下制得紫薯全粉的凍融析水力存在差異(P<0.05)，可能由于紫薯先進行冷凍后進行微波輔助真空干燥，在干燥前物料受環境溫度影響，水分由固態液化，紫薯受到水分狀態影響，其內部結構有所變化，凍融析水力偏大。但4種干燥方式下制得的紫薯全粉凍融析水力均較低，說明制得的紫薯全粉在低溫下仍能保持較好的穩定性。

表1 不同干燥方式對紫薯全粉物理特性的影響Table 1 Effect of drying methods on the physical properties of purple potato powder

由圖1可知，4種干燥方法的能耗存在顯著性差異(P<0.05)。真空冷凍干燥所需能耗最高，其次是微波輔助真空冷凍干燥，而熱泵干燥和熱風干燥所需能耗最低，主要是熱風干燥時間短、設備簡單能耗低。而熱泵干燥所需干燥時間較短，且設備所放物料多效率高，使其單位能耗較低；真空冷凍干燥的干燥時間長使得其能耗高；微波輔助真空冷凍干燥作為一種聯合干燥方式，其真空系統和制冷系統所需能耗大，但其干燥品質較優于其他干燥方式下的產品，對于生產高品質物料具有一定的優勢。

圖1 不同干燥方式的干燥能耗圖Fig.1 Drying energy consumption of different drying methods

2.2 不同干燥方式對紫薯全粉色澤的影響

不同干燥方式所得紫薯全粉色澤結果如表2所示。微波輔助真空冷凍干燥和真空冷凍干燥處理下的紫薯全粉的L*和a*沒有顯著性差異(P>0.05)，而熱風干燥、熱泵干燥和微波輔助真空冷凍干燥下的紫薯全粉L*、a*和b*存在顯著性差異(P<0.05)。L*值大小依次為：熱風干燥>熱泵干燥>微波輔助真空冷凍干燥>真空冷凍干燥。熱風干燥所得紫薯全粉最為明亮，L*值最大，為67.46，真空冷凍干燥紫薯全粉L*值最低，為59.00。a*大小依次為：微波輔助真空冷凍干燥=真空冷凍干燥>熱泵干燥>熱風干燥。b*大小依次為：熱風干燥>熱泵干燥>微波輔助真空冷凍干燥>真空冷凍干燥?？梢悦黠@看出微波輔助真空冷凍干燥與真空冷凍干燥a*(紅綠值)與b*(黃藍值)數值接近。紫薯全粉的色澤主要與花色苷含量和內部酶活性有關。熱風干燥溫度在50 ℃，在此溫度下，部分酶存活，隨著干燥時間的延長，花青素降解速度加快。而微波輔助真空冷凍干燥的溫度低，且時間短，花色苷含量相對較多，?；潭雀撸瑢е伦鲜砩珴奢^深。

表2 不同干燥方式對紫薯全粉色澤的影響Table 2 Effect of drying methods on the chroma of purple potato powder

2.3 不同干燥方式對紫薯全粉花青素含量和細胞破損的影響

由圖2可知，真空冷凍干燥能夠最大程度地保留紫薯全粉花青素，其次是微波輔助真空冷凍干燥，而熱風干燥所制得的紫薯全粉花青素損失最為嚴重，這是由于預凍過程中極大保留了紫薯原有的形態和風味，較好地維持了紫薯的營養、顏色等，所得紫薯全粉花青素損失較小。而微波輔助真空冷凍干燥過程中以微波為熱源，造成部分花青素氧化[25]，使得紫薯花青素含量僅次于真空冷凍干燥。但熱風干燥時間較長，紫薯花青素易氧化降解，使得紫薯全粉花青素含量最少。因此，微波輔助真空冷凍干燥和真空干燥可以最大限度地保留紫薯全粉花青素[26]。

圖2 不同干燥方式對紫薯全粉花青素含量的影響Fig.2 Effect of different drying methods on anthocyanin content in purple potato powder

分析圖3可知，微波輔助真空冷凍干燥紫薯全粉的碘藍值最低，為2.74，熱泵干燥和真空冷凍干燥次之，熱風干燥紫薯全粉碘藍值最高。這是由于熱風干燥在干燥過程中造成大量的紫薯全粉細胞破損致使其游離淀粉含量增加，碘藍值增大；而微波輔助真空冷凍干燥的干燥時間短，干燥速率高，干燥過程中對紫薯全粉細胞破壞較小，能較好保留細胞結構，維持細胞形態，其碘藍值最小。因此，與其余3種干燥方式相比，微波輔助真空冷凍干燥是一種更為有效的保持紫薯細胞完整性的干燥方式。

圖3 不同干燥方式對紫薯全粉碘藍值的影響Fig.3 Effect of different drying methods on the iodine blue value of purple potato powder

2.4 不同干燥方式對紫薯全粉顆粒結構的影響

不同干燥方式下的紫薯全粉樣品微觀結構如圖4所示。熱風干燥(圖4-a)紫薯全粉顆粒表面不平整，放大2 000倍可以明顯看出紫薯顆粒表面有嚴重裂痕，甚至有很多已經裂開的破損小顆粒，這主要由于熱風干燥的干燥時間長，干燥過程中溫度和濕度變化梯度形成較大的表面張力，水分由內部不斷向外遷移，造成紫薯全粉顆粒表面溫度高，先達到干燥終點，開始皺縮凹陷，并伴隨結塊，導致紫薯全粉表面破損不光滑。熱風干燥紫薯全粉顆粒表面結構緊密，不利于內部水分的散發，也不利于吸水，這與持水性結果一致。熱泵干燥(圖4-b)紫薯全粉表面也不光滑，但優于熱風干燥。放大1 200倍可以看到紫薯顆粒有裂痕但接近完整，放大2 000倍可以明顯看出紫薯顆粒有破損。這是因為熱泵干燥中后期干燥速率慢，細胞結構破壞力小，能夠較為完整地保留細胞結構。真空冷凍干燥(圖4-c)放大2 000倍時可以明顯看出顆粒表面光滑完整，大多呈現圓球狀，真空冷凍干燥將紫薯細胞中冰晶直接進行升華，并未對紫薯造成破壞，能最大限度地保留完整的細胞結構。微波輔助真空冷凍干燥(圖4-d)放大2 000倍時可以明顯看出紫薯全粉顆粒表面較為光滑，淀粉顆粒間孔隙較大，這是由于微波輔助真空冷凍干燥干燥速率快、干燥時間短，紫薯中冰晶升華，留下多孔結構，有利于吸水，導致其持水性較好。其次微波輔助真空冷凍干燥過程中水分的擴散導致微孔道擴充，孔隙率變大，紫薯淀粉顆粒較為疏松。微波輔助真空冷凍干燥能較好保留物料細胞結構，對物料損害小。

a-熱風干燥；b-熱泵干燥；c-真空冷凍干燥；d-微波輔助真空冷凍干燥圖4 不同干燥方式所得紫薯全粉的掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscopy pictures of the powder purple potato prepared by different drying methods注：由左至右分別為放大800、1 200、2 000倍

3 結論

研究表明，不同干燥方式對紫薯全粉的物理特性、細胞破損程度及花青素含量的影響有較大區別。對比目前國內外研究單一干燥或者聯合干燥方式制備紫薯粉后發現，微波輔助真空冷凍干燥可以最大程度保留紫薯的色澤和營養物質，生產出高品質紫薯全粉，但其能耗較高，目前不適合大規模生產應用。隨著人們對健康飲食的追求，微波輔助真空冷凍干燥技術的應用會越來越廣泛。本研究中4種干燥方式對紫薯全粉持水性、色澤、碘藍值以及花青素含量存在顯著性影響(P<0.05)。熱風干燥所得紫薯全粉色澤明亮，其花青素損失嚴重，碘藍值最高，細胞破損最為嚴重；熱泵干燥所得紫薯全粉堆積密度最大，穩定性好；真空冷凍干燥時間最長，能夠最大程度地保留紫薯全粉的花青素，所得紫薯全粉花青素含量最高，紫薯全粉顆粒完整光滑，有較好的物理特性，品質好；微波輔助真空冷凍干燥的干燥時間最短，所得紫薯全粉碘藍值最小，細胞破壞小，花青素含量較高，紫薯全粉顆粒表面較為光滑，結構較為完整，品質較好，在實際中將獲得有效應用價值。