基于热风干燥温度的苦瓜片干燥动力学及其品质探究
时间：2023-02-18 11:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
谷俊华，肖付才
（许昌职业技术学院 园林与食品工程学院，河南 许昌 461200）
苦瓜（Momordica charantia L.）系葫芦科植物，别名凉瓜、锦荔枝、癞葡萄等，葫芦科苦瓜属一年生蔓生草本植物［1］.我国各地均有栽培，以南方省份居多［2］.苦瓜富含维生素（VC）、胡萝卜素等营养成分以及钙、磷、铁、钾、镁、铜、锌、硒等人体必需的矿物元素，其中，VC的含量居瓜类蔬菜之首，食用价值极高［3］.同时，苦瓜还具有较高的医疗保健价值，其性味苦、寒，有利尿、明目清心等功效［4］.近年来的大量研究表明，苦瓜中的多种活性成分具有降血糖［5］、抗肿瘤［6］、抗病毒［7］、增强免疫力［8］、提高机体应激能力［9］等医用价值.
苦瓜因其生产季节性较强、不易常温储藏等特性，长久以来仅限于鲜食.大量学者借助于各种干燥技术，对其进行了加工贮藏研究.主要干燥技术包括热风干燥、微波干燥、热泵干燥、真空微波干燥、冷冻干燥、远红外干燥、喷雾干燥等［10］.学者们对比了不同干燥方式对苦瓜营养成分和品质特性的影响程度.研究结果表明，热风干燥方式下，苦瓜中营养成分、抗氧化活性以及降糖成分的损失最小［11－13］.王华红等对恒温干燥以及变温干燥两种热风干燥方式进行了比较研究，结果表明，热风温度和风速对苦瓜干燥影响较大［14］.为了提高蔬菜和水果的干制品质，满足工业化生产的需要，我们须建立热风干燥传热传质模型，这一点尤为重要.孟岳成等［15］进行了熟化红薯热风干燥特性及其数学模型的研究，李兴东等［16］进行了花椒热风干燥特性及其数学模型的研究，沈琪等［17］进行了双孢菇废弃物菇柄热风干燥特性及其动力学模型的研究.截至目前，对苦瓜热风干燥数学模型的研究鲜有报道，在现有文献资料中难以查到.本文拟对苦瓜热风干燥特性进行研究，探讨干燥温度对苦瓜片热风干燥速率、叶绿素含量、VC含量、皂苷含量和多酚含量的影响；
同时，以近现代干燥速率数学模型为基础，对得到的实验数据进行拟合，建立符合苦瓜热风干燥特性描述的动力模型体系，以期为苦瓜干制品的工业化生产提供理论依据.
1.1 材料
苦瓜，购买于许昌市魏都区蔬菜市场.
1.2 试验方法
1.2.1 苦瓜干制品的制备
挑选无损苦瓜，切片并清洗，设置温度为40℃、50℃、60℃、70℃、80℃，对苦瓜切片进行干燥，待切片达到恒重，得到苦瓜干制品.
1.2.2 干基含水率和含水率比的测定
苦瓜初始质量为60 g，在特定干燥温度下，每隔一个小时测定一下苦瓜片的质量，直至恒重.分别用公式（1）（2）计算干基含水率和含水率比［18］：
式中，Xi为干基含水率（g/g），mi为物料 ti时刻对应的质量（g），mg为绝干时物料的质量（g）.
式中，MR为水分比，Me为试样平衡含水率，me为试样平衡质量 （g），M0为试样初始含水率，m0为试样初始质量（g），M为干燥中某个时刻的含水率，m为试样在干燥中某个时刻的质量（g），md为干物质质量.
1.2.3 成分含量的测定
叶绿素的含量采用分光光度法测定［19］［20］，维生素 C 含量测定采用 2，6－二氯靛酚法［21］（P156－157），皂苷含量测定利用香草醛－高氯酸法［13］［22］，多酚含量测定采用 Folin－Ciocalteu 试剂法［23］［24］.
1.2.4 数学模型的建立
试验原料为苦瓜片，干燥种类属于薄层干燥.薄层干燥模型较多，本实验选取薄层干燥模型中5个常用的模型.对非线性表达的模型公式进行线性化处理，得到线性方程（见表1）.运用Excel软件对实验数据进行模型拟合［25－27］.
表1 薄层干燥常见数学模型Table 1 The common mathematical models of thin layer drying
2.1 不同干燥温度对苦瓜干基含水率的影响
图1显示了不同干燥温度对苦瓜干基含水率的影响.由图1可知，干燥温度对苦瓜干基含水率有着显著的影响，干基含水率随着温度的变化而产生显著变化.温度升高，干基含水率下降，干燥所需时间缩短.温度为40℃—70℃时，温度越高，干燥所需时间就越短，干燥速率就越大.温度为70℃—80℃时，随着温度的升高，干燥速率变化不明显，干燥所需时间越来越接近，其原因可能为苦瓜表面因温差太大而产生硬化现象，这样一来，温度就不再是影响干燥速率的重要因素.
图1 不同干燥温度对苦瓜干基含水率的影响Figure 1 The effects of different drying temperatures on moisture content of M.charantia.
2.2 不同干燥温度对苦瓜叶绿素含量的影响
不同干燥温度下，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素的含量综合变化如图2所示.由图2可知，叶绿素a的含量在50℃时与在其他温度时相比，差异显著，最高含量为0.295 mg/g；
总叶绿素含量在50℃时，最高为0.455 mg/g；
叶绿素b的含量在60℃时与在其他温度时相比，差异显著，其最高含量为0.188 mg/g；
在70℃时，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均为最低.较高温度下，叶绿素显现出较强的不稳定性.温度为70℃时，叶绿素遭受严重破坏，叶绿素随水分流失，含量减少；
在50℃以下时，由于干燥时间较长，相应的，叶绿素流失时间也较长，所以含量减少得较为缓慢；
在温度为80℃时，因干燥耗时较短，叶绿素未来得及流失，故含量较高.
图2 不同干燥温度对叶绿素含量的影响Figure 2 The effects of different drying tempreture on the chlorophyll content
2.3 不同干燥温度对苦瓜维生素C含量的影响
图3显示出不同干燥温度对苦瓜维生素C含量的影响.由图3可知，维生素C含量在60℃时与在其他温度时相比，差异显著，保存率最高为52.4 mg/100g.在40℃—60℃时，由于温度较低，所以干燥耗时较长，这时氧化酶活性最强，氧化充分，使得维生素C损耗严重，含量大大降低.由于维生素C在高温的状态下并不稳定，因此，当温度为60℃—80℃时，维生素C含量减少；
同时，因干燥耗时较短，故差异逐渐减小.
图3 不同干燥温度对VC含量的影响Figure 3 The effects of different drying tempreture on the Vitamin C content
2.4 不同干燥温度对苦瓜皂苷含量的影响
图4显示出不同干燥温度对苦瓜皂苷含量的影响.由图4可知，皂苷含量随着温度的升高而逐渐降低.由于苦瓜皂苷在加热条件下会发生不同程度的降解反应，温度越高，降解反应越彻底，故皂苷的存留率较低.
图4 不同干燥温度对皂苷含量的影响Figure 4 The effect of different drying tempreture on the saponins content
2.5 不同干燥温度对苦瓜多酚含量的影响
图5显示出不同干燥温度对苦瓜多酚含量的影响.由图5可知，多酚含量在50℃时与在其他温度条件下相比，差异显著，最高为2.67 mg/g；
温度较低时，干燥时间较长，多酚会产生一定程度的氧化效应，因此含量相对较少；
当温度在60℃及以上时，由于稳定性变弱，多酚内部的化学键遭到破坏，使得多酚发生不同程度的化学物理变化，从而影响其含量，所以其含量显著降低.
图5 不同干燥温度对多酚含量的影响Figure 5 The effect of different drying tempreture on the polyphenols content
2.6 最佳数学模型的建立
采用表1所示5种常用干燥模型，对所得结果非线性表达的模型公式进行线性化处理，经数据拟合，得到 MR－t、ln［－ln（MR）］－lnt以及 ln（MR）－t三种线性拟合模型.如图 6 所示.
图6 不同热风干燥温度对苦瓜中多酚类物质含量影响的线性拟合Figure 6 Linear fitting of the effect of different hot－air drying temperature on the content of polyphenols in balsam pear
由图6可知，Henderson－Pabis模型和Page模型相对来说适合于描述苦瓜干燥特性.为了找出最适合的模型，我们对所得线性拟合进行比较（见表2）.
表2 两种干燥模型拟合方程及相关性检验Table 2 The fitting equation and the correlation test for two kinds of drying model
通过比较得知，Page模型是最适合于描述苦瓜干燥特性的.根据回归方程，在Excel软件中进行多项式的拟合，得到k值、n值，然后进行回归分析，得到相关数据（见表3），用于研究.以温度T为变量，得到回归方程分析结果如下：
表3 苦瓜热风干燥模型参数及检验统计量Table 3 The hot－air drying model parameters and test statistics of momordica charantia
苦瓜切片热风干燥方程：
MR＝exp［（1×10－6T4－0.0002T3＋0.0189T2－0.6939T＋9.4383）t（－6×10－6T4＋0.0014T3－0.1141T2＋4.1563T－54.565）］
式中，MR为水分比，T为热风干燥温度（℃），t为干燥时间（h）.
1）不同干燥温度对苦瓜成品品质的影响存在显著差异.温度越高，干燥速率越大，干燥时间越短.在50℃时，叶绿素a和总叶绿素的含量最高，分别为0.295 mg/g和0.455 mg/g；
而叶绿素b的最高含量在60℃时出现，为 0.188 mg/g.维生素C含量在 60℃时保存率最高，为 52.4 mg/100g.皂苷的含量随着温度的升高而降低.多酚在 50℃时含量最高，为 2.67 mg/g.
2）Page模型最符合描述苦瓜片热风干燥降水过程的要求.在生产和加工过程中，该模型可直接用于预测苦瓜片在不同干燥阶段的含水率.
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