切片厚度和熱風溫度對沙果切片干制特性、物化性質及抗氧化成分的影響

姜寧寧，馬繼洋，張 健，張愛軍，沈兆花，劉 軍，張 洋，杜國軍，王存堂,*

（1.齊齊哈爾大學食品與生物工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.甘肅祁連葡萄酒業有限責任公司，甘肅張掖 734304）

沙果（MulusasiaticaNakai）屬薔薇科，仁果亞科，蘋果屬植物，又名花紅果、文林果、林擒、萘子等[1]。沙果栽培歷史悠久，在我國西北、華北、東北以及長江以南各省均有種植[2]。沙果富含豐富的維生素、礦物質、有機酸等，其抗氧化因子較其他水果更為突出，含有多種酚類及黃酮類化合物[3]。新鮮的沙果果實硬度較高，具有強烈的酸味和澀味，因此不太適合鮮食，且零售價格較低，但卻是加工果醬、果汁、果干等產品的良好原料。

熱風干制技術是果蔬脫水加工中應用最廣泛的技術之一，因為它可以通過降低水分活度、抑制微生物生長和防止某些生化反應來延長干燥產品的保質期[4]。此外，熱風干燥脫水技術的設備成本不高，溫度可穩定控制，產品質量也較為統一[4]。通常，干制果蔬產品被認為營養價值低于其相應的新鮮果蔬，這主要是由于干燥過程中熱敏性維生素物質等活性成分的降解和損失[5]。Mrad 等[6]報道，熱風干燥后梨片的抗壞血酸和總酚含量較低。Korus[7]發現，不同干燥處理羽衣甘藍葉片中抗壞血酸和總酚的含量均低于新鮮樣品。因此，為了縮短干制時間，提高產品質量，減少能源消耗，盡可能保持產品的營養成分，可將果蔬物料切片后再脫水干制處理[8]。

此外，果蔬干燥脫水過程中水分蒸發速度的快慢直接影響產品的質量，如色澤、硬度以及復水性能等[9]。因此，研究果蔬干燥脫水過程中物料水分的變化過程是必要的，許多研究者采用數學模型來研究果蔬干燥過程中水分的變化規律，將其為實際脫水生產提供更多的數據支持。目前，已有學者對菠蘿切片[10]、蘋果切片[11]、梨切片[12]、香蕉切片[13]、百合切片[14]、黑棗切片[15]、山楂切片[16]等果蔬物料切片進行熱風干燥特性和動力學模型研究，而關于沙果切片熱風干制特性的研究鮮見報道。因此，本研究主要分析熱風干燥溫度和切片厚度對沙果切片的干燥特性的影響，計算不同干燥條件（切片厚度和熱風溫度）對沙果在干燥過程中的有效擴散系數和活化能，分析干燥后產品的色澤、硬度、復水性能以及抗氧化成分的變化，為沙果干制品的制備提供必要的數據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

沙果 采自黑龍江省齊齊哈爾市長豐農場。選擇顏色一致、大小均勻、無病蟲害、無機械損傷的沙果作為原料；福林酚、沒食子酸、蘆丁 上海源葉生物科技有限公司；氫氧化鈉、碳酸鈉、亞硝酸鈉、三氯化鋁 AR 純，天津市津東天正精細化學試劑廠；2,6-二氯酚靛酚酸鈉、三氯乙酸 天津市凱通化學試劑有限公司；抗壞血酸 分析純，上海麥克林生物科技股份有限公司。

DHG-9053A 電熱恒溫鼓風干燥箱 上海晶弘實驗設備有限公司；TDZ5-WS 離心機、ATY124 電子天平（精度0.001 g）、SB-1100 水浴鍋、N-1100 旋轉蒸發儀 上海愛朗儀器有限公司；CR-10 Plus 色度計 柯尼卡美能達光學有限公司；UV-5100 紫外分光光度計 上海元析儀器有限公司；GY-3 型硬度計 精度0.1 kg/cm2，量程1～24 kg/cm2，浙江托普儀器有限公司；CR-10 Plus 色度計 上?？履峥滥苓_光學有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 沙果切片干制 沙果經清洗瀝干，并手動去核，然后利用水果切片機切成3 和5 mm 的切片。沙果切片干制實驗采用電熱恒溫鼓風干燥箱。干燥溫度分別在60、70、80 和90 ℃下進行。干燥室內的恒定風速為1.0 m/s。在進行干燥實驗開始前2 h 將電熱恒溫鼓風干燥箱調到設定溫度[6]。

然后，將不同厚度沙果切片（200±1.00 g）鋪在鐵絲網上，確保每片都是單層，不重疊，置于已經恒定溫度的熱風干燥箱內，每隔10 min 測量，記錄一次質量變化。當連續3 次測定后樣品的質量不變時，認定干燥結束。

1.2.2 水分比率和干制速率計算 水分比（moisture ratio，MR）代表樣品的絕對含水率。沙果切片在不同干燥條件下的MR 用以下公式（1）計算[6]：

其中，M 和M0分別是產品在任何干燥時間和初始時間的干基水分含量；Me 是平衡水分含量。與M 或M0相比，Me的值相對較小，可以忽略不計。因此，這些方程可以簡化為MR=M/M0。

沙果的干燥速率（drying rate，DR）按公式（2）計算[6]：

其中，Mt和Mt+dt分別是沙果切片在時間t 的干基水分含量（g water/g dry matter）和時間t+dt 的含水量；t 是時間（min）；dt 是時間差（min）。

1.2.3 最優模型選擇 為了選擇一個合適的數學模型來描述沙果片的干燥過程，本研究采用理論模型-擴散模型的5 個經典薄層干燥模型方程來表示沙果片的干燥曲線，如表1 所示。

表1 沙果切片薄層干制數學模型Table 1 Thin-layer drying models used for mathematical of drying of Mulusasiatica Nakai slices

本研究采用Origin Pro8.5 數理統計軟件對線性和非線性回歸方程進行分析，得出各種統計參數，如決定系數（R2）和卡方（χ2）。最好的描述物料薄層干制模型的統計分析參數是R2最大，并且χ2最小[6]。

1.2.4 有效擴散系數的計算 干燥食品在降速干燥階段的干燥特性一般由Fick 擴散方程公式（3）計算。在1975 年，Crank 用方程公式（4）表示[17]：

其中，Deff是有效水分擴散系數，m2/s；L0表示沙果切片的一半厚度；n 是一個正整數。

對于干燥時間較長的干燥過程，公式（4）可以直接簡化為公式（5）[14]：

將計算得出的MR 值，以干燥時間t 為橫坐標，ln（MR）為縱坐標系，組成直線方程公式（6）。

上述直線方程的斜率如公式（7）。

1.2.5 活化能的計算 用Arrhenius 方程表示水的擴散系數和溫度的關系。該方程如公式（8）所示[14]：

其中，D0代表阿倫紐斯方程中的實驗因子（m2/s）；Ea 代表活化能（kJ/mol）；R 是氣體常數8.314 J/（mol·K）；T 代表絕對溫度（K）。

活化能計算是將Deff的自然對數與干制絕對溫度的倒數做一條直線，計算此直線的斜率，然后就可得到活化能，計算公式如公式（9）、公式（10）[14]：

1.2.6 色澤測定 干制后的切片色澤由色度計測定。利用亮度（L*）、紅色（a*）和黃色（b*）對沙果干片的顏色進行表征[18]。色澤測量數據以3 片果片樣品測量值的均值表示。

1.2.7 硬度測定 采用水果硬度計測定。探頭使干制沙果切片破碎的力被記錄，單位（N）。此值越大，說明沙果切片硬度越大，脆性越差[18]。

1.2.8 復水率測定 取5.0 g 沙果切片干樣于100 mL三角瓶中，加入100 mL 蒸餾水，浸泡30 min，取出瀝干水分后稱重[19]。

1.2.9 抗氧化成分含量測定 抗壞血酸含量的測定采用2,6-二氯苯酚-滴定法測定，含量分析樣品的提取按Wang 等[18]所述制備，結果以mg/100 g DW 表示。以沒食子酸為標準，采用Folin-Ciocalteu 法測定總酚含量，按Wang 等[18]所述制備用于總酚含量分析的樣品萃取并測定。結果表示以沒食子酸當量（Gallic acid equivalent，GAE）毫克每克干重（mg GAE/g DW）表示。

總黃酮含量采用比色法測定，用于含量分析的樣品提取方法如Wang 等[18]所述制備用于總黃酮含量分析的樣品萃取并測定。結果以蘆丁當量（Rutin equivalent，RE）毫克每克干重表示（mg RE/g DW）。

1.3 數據處理

所有實驗重復三次，應用SPSS 11.5 軟件對所有數據進行方差分析，并進行Duncans’差異顯著性分析，P＜0.05 表示差異顯著，P＜0.01 表示差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 干燥特性

圖1 顯示了沙果切片在不同厚度和溫度下的MR 和干燥時間之間的關系。隨著干燥時間的延長，MR 持續下降。在60、70、80 和90 ℃溫度下，切片厚度為3 mm 的沙果切片的干基含水率不再發生變化時，所需的時間分別為180、140、110 和100 min。此外，5 mm 厚度的沙果切片消耗的干燥時間更長，對應溫度分別為280、200、150 和140min。在干燥溫度相同時，隨著沙果切片厚度的增加，干燥時間延長。這是因為切片厚度增大，水分蒸發時由內到外的距離增大，并且在相同載荷時的樣品表面積減少，導致干制時間延長[20]。Antonio 等[21]發現，蘋果切片在熱風40 ℃時干燥時間最長，在80 ℃時耗時最短。

圖1 熱風干制條件下不同厚度沙果切片的薄層干制曲線Fig.1 Thin layer drying curves of Mulusasiatica Nakai slices with different thicknesses under hot air drying conditions

2.2 干燥速率曲線

圖2 顯示了不同干燥溫度（60、70、80 和90 ℃）下3 mm（圖2a）和5 mm（圖2b）的沙果片的干燥速率曲線。沙果切片初始干基含水率為4.5 kg water/（kg DW）。在干燥初期，沙果切片經歷了短暫的干制速率上升期就迅速轉入下降期，沒有出現恒速干燥過程。隨著熱風干燥溫度增加，干燥時間也明顯縮短。這是由于在較高的溫度下，水果片和周圍環境之間的蒸汽壓力有顯著差異[18]，水分從樣品內部向外部遷移的速度逐漸下降[22]。在熱風干燥杏片時，干制溫度升高可加速杏片中水分轉移速率，從而縮短干燥時間[23]。在干燥過程的后期，在相同的切片厚度下，切片內的含水量越低，干燥速率越小，排除切片中的水分更加困難。

圖2 熱風干制條件下不同厚度沙果切片的干制速率曲線Fig.2 Drying rate curves of Mulusasiatica Nakai slices with different thicknesses under hot air drying conditions

2.3 干燥模型

沙果切片不同的薄層干燥模型的統計結果（R2和χ2）見表2。從表2 可以看出，所有干燥模型 的R2和χ2值分別在0.9703～0.9988、0.00012～0.00335 之間。從Page 方程中得到的R2值高于其他模型的值。所有模型的R2值都大于0.96，這表明擬合效果很好。從表2 來看，Page 方程模型中的R2和χ2值分別為最大值和最小值。因此，可以認為Page 模型可以很好地擬合沙果切片的薄層干燥過程。干燥溫度為90 ℃，切片厚度為3 mm 熱風干燥Page 模型的具體參數如下：k=0.0059，n=1.4613，R2=0.9984。圖3 對比了沙果切片厚度3 和5 mm，干制溫度為60，70，80，90 ℃時，由Page 方程預測和實驗數據的MR，可以看出預測的MR 曲線和實驗的MR 之間是非常吻合的。

圖3 沙果切片干制時的實際水分比與Page 模型擬合的水分比變化Fig.3 Moisture ratio changes of actual and predicted by Page model during the drying of Mulusasiatica Nakai slices

表2 不同薄層干制模型所模擬的統計結果Table 2 Statistical results obtained from various thin layer drying models

2.4 有效擴散系數的計算

有效水分擴散系數（Deff）通常被看作是干燥流體動力傳質的一個指標。一般來說，食品的有效擴散系數為10-12～10-8[24]。沙果切片干燥時Deff受溫度和切片厚度的影響具體結果見表3。從表3 可知，水分有效擴散系數值隨著干燥溫度的升高而增加。此外，在恒定的干燥溫度下，Deff值隨切片厚度而減小。在60～90 ℃的干燥過程中，沙果的水分有效擴散系數為0.6142×10-9～19.867×10-9m2/s。Antonio等[21]的研究表明，干燥切片厚度為5 mm 的蘋果切片時有效擴散系數為15.30×10-9m2/s，與此值比較接近。Wang 等[18]對不同切片厚度的棗片的干燥動力學的研究也發現，在相同的干燥溫度條件下，切片厚度越小，水分有效擴散系數也越大。這是因為在切片厚度較小的樣品，水分擴散通道更短，水分更容易遷移，得到的Deff值更大[25]。

表3 沙果切片在不同干制溫度和切片厚度下的有效擴散系數Table 3 Values of effective diffusivity attained at various air temperatures on hot-air drying of Mulusasiatica Nakai slices with different thickness

2.5 活化能的計算

干燥活化能表示在干燥過程中，單位摩爾的水分從液態轉化為氣態所需的最小能量。當樣品的活化能越大，干燥的難度就越大[26]。所有樣品的活化能在10～110 kJ/mol 之間[27]。由圖4 可知，ln（Deff）是線性的，與絕對溫度倒數成正比關系，可根據公式10 可計算出沙果切片在厚度為3 mm 和5 mm 時的活化能分別為17.46 和23.82 kJ/mol。沙果切片熱風干制所需的活化能與嘎拉蘋果（19.20～27.10 kJ/mol）[28]接近，高于草莓切片（4.95 kJ/mol）[29]，而低于南瓜切片（78.90 kJ/mol）[19]。

圖4 有效擴散系數與干制溫度的Arrhenius-type 線性關系Fig.4 Arrhenius-type relationship between effective diffusivity and drying temperature

2.6 切片厚度和干制溫度對沙果切片色澤的影響

產品的色澤是影響產品感官品質的一個非常重要的因素，同時也極大地影響著消費者的購買欲望[30]。表4 顯示了沙果切片在不同干制溫度條件下的色澤參數L*、a*、b*。熱風干燥溫度和切片厚度對沙果切片的顏色變化有顯著影響（P＜0.05）。新鮮沙果切片L*值為58.78，熱風干燥的沙果切片L*值在40.02～50.73 之間，較新鮮樣品降低了5.09%～17.81%（P＜0.01）。新鮮沙果切片的初始a*值為2.46（淡黃色），干燥后切片a*值在3.02～13.16 之間變化。干燥溫度越低，切片厚度越大時，切片a*值越小，差異顯著（P＜0.01），但樣品仍然為黃色，沒有發生明顯的褐變。與80 ℃和90 ℃熱風條件下干燥相比，熱風干燥溫度分別為50 ℃和60 ℃時，沙果切片的a值較高。干制果蔬a*值的增加主要由兩個因素導致：葉綠素在高溫下的降解；酶促褐變或非酶褐變反應，產生褐色成分[31]。伴隨干制溫度升高，沙果切片的b也逐漸增大。高溫（90 ℃）干燥時，b*顯著高于低溫（60 ℃）（P＜0.01）。而在干燥溫度相同的情況下，切片厚度對干燥沙果切片的b*無顯著影響（P＞0.05）。

表4 干制溫度和切片厚度對沙果切片色澤的影響Table 4 Effects of drying temperature and slice thickness on the color of Mulusasiatica Nakai slices

2.7 切片厚度和干制溫度對沙果切片硬度的影響

無論是新鮮的沙果還是干制的沙果切片，硬度都是一個重要的理化參數，它是消費者適口性的一個重要指標。切片厚度和干制溫度對沙果切片硬度的影響如圖5。

圖5 切片厚度和干制溫度對沙果切片硬度的影響Fig.5 Effects of slice thickness and hot-air drying temperature on firmness of Mulusasiatica Nakai slice

隨著干制溫度升高，沙果切片硬度逐漸減小。切片厚度為3 mm 時，90 ℃干制的沙果切片的硬度值僅為6.23 N，與60 ℃干制樣品相比，下降58.79%（P＜0.05）。沙果切片組織硬度的下降可能是因為在高溫干制時，水分蒸發速度較快，組織內部形成較為疏松的多孔結構[32]。在干制溫度相同時，切片厚度越小，干制后切片的硬度越小。在干制后，切片厚度為3 mm 樣品的切片硬度約為5 mm 樣品硬度的50%（P＜0.05）。

2.8 切片厚度和干制溫度對沙果切片復水性能的影響

干制品的復水性能在一定程度上反映干制品復水后恢復到新鮮狀態的程度，是衡量干制品品質的重要指標，一般常用干制品吸水增重的程度來衡量[33]。干制品復水性部分受原料加工處理的影響，部分則因干燥方法而有所不同。此外，復水比可衡量果蔬干片內部的疏松程度，進而影響干片的質地，復水比的數值小，表明干片的疏松程度低，結構緊實[32]。切片厚度和干制溫度對沙果復水性能的影響如圖6。切片厚度對干制后沙果切片復水性能的影響具有顯著性差異。在相同的干制溫度時，與切片厚度為5 mm 的樣品相比，3 mm 的沙果切片干制后復水比增加了約2 倍（P＜0.05），復水性能達到了170%。當沙果切片厚度一定時，隨著干制溫度升高，干制后沙果切片的復水性能有所升高。與60 ℃干制的樣品相比，90 ℃干制后的樣品復水性能增加了約50%，差異顯著（P＜0.05）。這也說明干制溫度越高，切片厚度越小。

圖6 切片厚度和干制溫度對沙果切片復水性能的影響Fig.6 Effects of hot-air temperature and slice thickness on rehydration ratio of Mulusasiatica Nakai slice

2.9 抗氧化成分

干燥溫度和切片厚度對沙果切片中抗壞血酸含量的影響見表5。新鮮沙果的初始抗壞血酸含量為7.32 mg AA/100 g DW。熱風干燥后，沙果切片中抗壞血酸含量降低，在2.08～3.38 mg AA/g DW 范圍內，損失約50%以上，這主要是由于在高溫高氧環境下，抗壞血酸被氧化[18]。當切片厚度相同時，干燥溫度越低，抗壞血酸損失越多，90℃干制后，沙果切片中抗壞血酸含量最高。而干燥溫度相同時，不同沙果切片厚度得到的樣品之間，抗壞血酸的含量差異不顯著（P＞0.05）。

表5 不同切片厚度和干制溫度對沙果切片抗壞血酸、總酚、總黃酮含量的影響Table 5 Effects of hot-air temperature and slice thickness on ascorbic acid,total phenolics and total flavonids of Mulusasiatica Nakai slices

新鮮沙果中總酚和總黃酮含量分別為26.12 和42.36 mg RE/g DW。熱風干燥過程中，沙果切片中總酚含量和總黃酮含量減少約35%，差異顯著（P＜0.05）。在切片厚度相同時，熱風溫度越高，干燥的沙果切片中總酚含量和總黃酮含量越高，這說明在高溫短時加熱條件下，抗氧化成分損失較小，陳佳妮等[22]在研究杏切片時也發現，高溫短時條件下可保留更多的抗氧化成分。

3 結論

沙果屬于高產水果，但是由于其口感較為酸澀，更適于加工后作為休閑零食。本研究表明，將沙果切片后進行熱風干制，可選擇較高的溫度（90 ℃）進行干制，切片厚度為3 mm 的干燥工藝，干燥時間為90 min，且干燥后的產品色澤為淡黃色，復水性能達到了170%，硬度較小。從抗氧化成分的保留情況來看，加熱損失了約50%的抗壞血酸，同時酚類物質也下降了約35%。建議在今后的研究中，采用其他脫水方式進行干制處理，如聯合干燥方式等，闡述干燥過程中水分蒸發的機制，還要考慮干燥對沙果片營養成分、活性成分、風味成分以及沙果片品質的影響，為消費者健康提供更多有益的可選擇的果蔬產品。

? The Author(s) 2024.This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).