红枣微波-热风联合干燥工艺优化

刘小丹，徐怀德,*，孙田奎，张淑娟，黄小奇

(1.西北农林科技大学食品科学与工程学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西省红枣工程技术中心，陕西 清涧 718300；3.清涧县宏祥有限责任公司，陕西 清涧 718300)

红枣是鼠李科枣属植物枣树的成熟果实，含有丰富的糖、酸、维生素等营养物质，尤以VC含量最高，此外还含有较多的黄酮类物质、环磷酸腺苷等，是人们喜爱的营养果品。《神农本草经》将红枣和人参并列为诸药之首，《本草纲目》也记载了“红枣气味甘、平、无毒”，有“润心肺、止咳、补五脏、治虚损、除肠胃癖气呼光粉烧治疳痢”的作用，红枣具有较高营养价值和药用价值[1-4]。红枣原产于黄河沿岸晋、冀、鲁、豫、陕等省，近年来新疆、甘肃、宁夏等省也有大量栽植，栽培面积已达150多万公顷，年产鲜枣约350多万t，我国是商品枣的生产和出口贸易大国，栽培面积和产量均居世界首位。

红枣含水量很高，收获期短，每年红枣成熟后期的多雨天气使大量果实出现裂果现象，收获后由于不能及时干燥而使霉变腐烂加剧，给红枣产业造成了极大的经济损失，是限制红枣产业发展的瓶颈之一。我国95%以上的红枣被制成干枣，使其适宜储藏和后续加工、消费。红枣干制多采用热风干燥[5]，干燥时间长，VC等营养物质损失严重。近年来，许多新的干燥技术已经应用到红枣干燥中[6]，其中微波干燥干燥速度快，干净卫生，受到了广泛关注[7]。但是单独微波干燥红枣，红枣温度升高快，容易褐变[8]。为改善单一干燥方式的缺点，目前国内外许多学者研究复合干燥技术，石启龙等[9]研究了雪莲果热风-微波联合干燥的最适工艺参数；Gowen等[10]利用微波辅助热风干燥法能有效地缩短澳洲坚果的干燥时间，提高澳洲坚果的品质；张国琛等[11]曾利用微波真空＋热风＋微波真空的组合干燥方式对扇贝柱进行干燥，干燥时间比单纯热风干燥缩短50%以上，收缩率和复水率比单纯微波真空干燥均有不同程度的改善，抗破碎能力明显优于热风干燥。Fang Shuzheng等[12]采用先热风后微波的两段式干燥方法干燥红枣，结果表明联合干燥的红枣品质优于热风干燥产品。但是采用先微波后高温热风再低温热风的3段式干燥还未见报道。本研究采用Box-Behnken试验设计分析法优化红枣微波-热风联合干燥工艺条件，分析联合干燥对产品品质的影响，以期对实际生产提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与设备

材料：木枣采自陕西省清涧县双庙河乡鲍家山村(湿基含水率59%)，果实充分成熟，运回实验室后选择成熟度相对均匀的果实于(0±1)℃、相对湿度85%～90%冷库中贮藏。

芦丁(纯度≥95%) 国药集团化学试剂有限公司；抗坏血酸(纯度≥99.7%) 天津博迪化工股份有限公司；其他试剂均为分析纯。

DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司；PJ21C-B1型微波炉 广东美的微波炉制造有限公司；JYL-A020型九阳料理机 九阳股份有限公司；ALC-210.3型电子分析天平 赛多利斯艾科勒公司；HH-S6双列六孔型电热水浴锅 北京科伟有限公司；KDC-40型低速离心机 科大创新股份有限公司中佳分公司；KQ-600DB型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司；UV-mini1240紫外-可见分光光度计 日本岛津公司。

1.2 方法

1.2.1 红枣的3种干燥方式

分段热风干燥：第一阶段取红枣置于温度为55℃的烘箱内干燥，干燥至红枣的湿基含水率不高于50%为止；第二阶段将温度升至60℃，干燥至红枣的湿基含水率不高于40%为止；第三阶段将温度降至50℃，干燥至红枣的湿基含水率不高于28%为止。

微波间歇干燥：将红枣均匀平铺成一层在微波炉的转盘上，在微波功率119W条件下干燥，干燥12min，间歇4min，重复此过程，至红枣的湿基含水率不高于28%为止。

微波-热风联合干燥：第一阶段采用微波间歇干燥，在微波功率为119W条件下，干燥12min，间歇4min，间歇次数为7次；第二阶段将红枣转入烘箱，在55℃条件下干燥9h；第三阶段将烘箱温度降至50℃，干燥至红枣的湿基含水率不高于28%为止。

1.2.2 投料量和微波间歇次数单因素试验

分别以投料量100、200、300、400g在119W条件下微波间歇干燥，干燥12min，间歇4min，重复此过程，直到红枣的湿基含水率不高于28%为止。

第一阶段采用微波间歇干燥，微波功率为119W，间歇次数分别为6、7、8、9，其他操作同1.2.1节中微波-热风联合干燥。

1.2.3 响应面的试验设计

依据Box-Behnken试验设计原理，以投料量、微波间歇次数、55℃热风干燥时间3个因素为自变量，分析它们对产品总VC含量、总黄酮含量、A420的影响规律。

1.3 指标测定

1.3.1 总VC含量

总VC含量(湿基计)按照GB/T 5009.86—2003《蔬菜、水果及其制品中总抗坏血酸的测定》中2,4-二硝基苯肼比色法进行测定。

1.3.2 总黄酮含量

黄酮含量(湿基计)的测定采用NaNO2-Al(NO3)3比色法[13-14]。

标准曲线的绘制：准确称取干燥、质量恒定的芦丁标准品0.1g，用60%的乙醇溶解并定容至100mL，摇匀得1mg/mL标准溶液。分别取上述芦丁标准溶液0、0.15、0.3、0.45、0.6、0.75mL于25mL的试管中，准确加入5%亚硝酸钠溶液1mL，摇匀，放置6min，加2.5%硝酸铝溶液4mL，摇匀，放置6min，加1mol/L氢氧化钠溶液5mL，摇匀，放置15min，在510nm波长处测吸光度。

样品中总黄酮含量的测定：精确称取2g样品于具塞三角瓶中，加入60%乙醇溶液50mL，放入超声波仪中超声提取40min，功率为420W，在4℃的环境下静置4h，在2583×g条件下离心10min后过滤，精确吸取过滤液2mL，分置于25mL的试管中，按绘制标准曲线的方法显色，以蒸馏水为空白对照，在510nm波长处测吸光度。

1.3.3 褐变系数A420

将样品充分研细，称取5g，用水定容至50mL，静置2h，后用离心机在2583×g条件下离心10min，取测定样5mL，再加入95%的乙醇5mL，用离心机在3800r/min条件下离心10min，在420nm 处测定吸光度(A420)，用吸光度的大小直接表示褐变度[15]。

2 结果与分析

2.1 3种干燥方式对红枣品质特性的影响

对分段热风干燥、微波间歇干燥、微波-热风联合干燥产品的总VC含量、总黄酮含量、A420进行分析。据图1可知，总VC含量由低到高依次是分段热风干燥、微波间歇干燥、微波-热风联合干燥产品，三者之间差异显著。其中分段热风干燥属于长时间干燥，总VC含量最低；微波间歇干燥过程中，极性分子间剧烈碰撞和摩擦会产生大量的热量，物料中心部位热量积累很多，导致物料内部温度很高，虽然干燥时间短，但VC极易受热破坏，VC的含量相对分段热风干燥产品较低[16]；而微波-热风联合干燥能较好地保存VC，同时，第一阶段的微波间歇干燥最大程度上将物料内部的水分向外层转移，提高了第二阶段高温热风干燥的效率，缩短了干燥时间，抑制了产品的褐变，微波-热风联合干燥红枣的褐变系数A420最小，与另两种干燥方式差异显著。3种不同方式干燥产品总黄酮的含量没有显著性的变化。因此微波-热风联合干燥法在提高产品品质方面具有优势。

图 1 3种干燥方式对总VC、总黄酮含量和A420的影响Fig.1 Vitamin C, fl avonoid content and A420 of jujube products treated by three drying techniques

2.2 单因素试验结果分析

2.2.1 投料量对微波干燥产品品质的影响

分析不同投料量对红枣总VC含量、总黄酮含量、A420的影响。结果如图2所示，不同投料量的总VC含量之间有显著性差异。投料量为300g时，总VC含量、总黄酮含量最高，A420最低。当投料量增大到400g时，单位质量物料受到的微波强度减小，干燥时间延长，VC、黄酮成分氧化分解，含量降低，褐变加剧。当投料量减小到100～200g时，单位质量物料受到的微波辐射强度增大，干燥过程中物料的温度上升幅度增大，红枣内部温度达到80～90℃，酶促褐变受到抑制，但是加剧了非酶褐变，VC、黄酮受热氧化，产品褐变加深[17-18]。

图 2 投料量对总VC、总黄酮含量和A420的影响Fig.2 Effect of material loading on vitamin C, fl avonoid content and A420

2.2.2 间歇次数对微波-热风联合干燥产品品质的影响

图 3 微波间歇次数对总VC、总黄酮含量、A420的影响Fig.3 Effect of intermittent number during microwave treatment on vitamin C, fl avonoid content and A420

由图3可知，微波间歇次数为7次时，总VC含量和总黄酮含量都最高，A420较低。微波间歇次数为6次时，第一阶段转换点干基含水率较高，导致热风干燥时间延长，而高温和氧化的作用会使VC、黄酮类物质氧化，故含量相对较低，酶褐变加剧，A420增大。当微波间歇次数增加到8～9次时，微波干燥时间延长，且微波干燥阶段，物料的温度较高，会引起VC、黄酮类物质的氧化分解；并且会使果肉褐变加剧。

2.3 微波-热风联合干燥中心组合试验结果分析

以投料量、微波间歇次数、55℃热风干燥时间为自变量，分别以总VC含量、总黄酮含量、A420为响应值，采用Design Expert 8.0.5软件进行响应面分析方案设计，试验设计和结果见表1。

表1 响应面试验设计与结果Table 1 Box-Behnken design matrix and response values of vitamin C, flavonoid content and A420

对表1中的试验数据进行分析，得到各个因素与产品总VC含量、总黄酮含量和A420指标之间的预测模型，并进行模型检验。

2.3.1 各因素对总VC含量的影响

各个因素与产品总VC含量之间的多元二次回归方程式如下：

模型P＝0.0002，表明模型方程极显著，不同处理间的差异极显著，具有统计学的意义；失拟项P＝0.3456，失拟不显著，说明模型拟合程度好，具有实际应用意义。模型的总决定系数R2＝0.9684，表明响应值总VC含量实际值与预测值之间具有良好的拟合度，校正决定系数R2Adj＝0.9279，说明92.79%的总VC含量变异可由此回归模型解释，模型可以用来估计总VC含量。影响总VC含量的主次顺序为投料量、55℃热风干燥时间、微波间歇次数，即投料量对总VC含量的影响最大，微波间歇次数对总VC含量的影响最小。模型中X1影响极显著，X3影响显著；交互项X1X3的影响是显著的；二次项对总VC含量的影响均是极显著的。

可用该方程对不同投料量、微波间歇次数、55℃热风干燥时间处理条件下红枣总VC含量进行预测。

2.3.2 各因素对总黄酮含量的影响

各个因素与产品总黄酮含量之间的多元二次回归方程式如下：

模型P＝0.0034，表明模型方程极显著，不同处理间的差异及显著，具有统计学的意义；失拟项P＝0.9224，失拟不显著，说明模型拟合程度好，具有实际应用意义。模型的总决定系数R2＝0.9254，表明响应值总黄酮含量实际值与预测值之间具有良好的拟合度，校正决定系数R2Adj＝0.8295，说明82.95%的总黄酮含量变异可由此回归模型解释，模型可以用来估计总黄酮含量。影响总黄酮含量的主次顺序为投料量、微波间歇次数、55℃热风干燥时间，即投料量对总黄酮含量的影响最大，55℃热风干燥时间对总黄酮含量的影响最小。模型中X1和X2影响极显著；交互项X1X2的影响是显著的；X1的二次项对总黄酮含量的影响均是极显著的，X2、X3的二次项对总黄酮含量的影响是显著的。

可用该方程对不同投料量、微波间歇次数、55℃热风干燥时间处理条件下红枣总黄酮含量进行预测。

2.3.3 各因素对A420的影响

各个因素与产品A420之间的多元二次回归方程式如下：

模型P＝0.00005，表明模型方程极显著，不同处理间的差异及显著，具有统计学的意义；失拟项P＝0.1301，失拟不显著，说明模型拟合程度好，具有实际应用意义。模型的总决定系数R2＝0.9091，表明响应值A420实际值与预测值之间具有良好的拟合度，校正决定系数R2Adj＝0.8383，说明83.83%的A420变异可由此回归模型解释，模型可以用来估计A420含量。影响A420的主次顺序为投料量、55℃热风干燥时间、微波间歇次数，即投料量对A420的影响最大，微波间歇次数对A420的影响最小。模型中X1影响极显著，X2和X3影响显著；交互项X1X3的影响显著。

可用该方程对不同投料量、微波间歇次数、55℃热风干燥时间处理条件下红枣A420进行预测。

2.3.4 联合干燥工艺参数的优化

经过软件的优化，总VC含量、总黄酮含量、A420的最佳试验参数为投料量305.28g、微波间歇次数7.09次、55℃热风干燥时间9.14h，但考虑到实际情况将最佳干燥条件修正为投料量305g、微波间歇次数7次(对应的红枣湿基含水率≤50%)、55℃热风干燥时间9h(对应的红枣湿基含水率≤40%)。在此条件下，所得红枣的总VC含量为36.22mg/100g，总黄酮含量为35.53mg/100g，A420为0.3079。回归模型预测总VC含量为38.24mg/100g、总黄酮含量为36.89mg/100g、A420为0.328。实际测定值比理论预测值接近。因此，采用RSM法优化得到的干燥条件参数准确可靠。

3 结 论

3种干燥方式中，微波-热风联合干燥产品总VC含量最高，与分段热风、微波间歇干燥产品相比，分别提高了99.53%、30.99%；褐变系数A420明显低于分段热风、微波间歇干燥产品，3种干燥方式的总黄酮含量接近。故微波-热风联合干燥法可明显提高红枣品质，具有推广应用的价值。

采用试验设计软件Design-Expert 8.0.5，通过Box-Behnken试验设计得到了联合干燥过程中投料量、微波间歇次数、55℃热风干燥时间与总VC含量、总黄酮含量、A420关系的回归模型，经验证该模型是合理可靠的，可用于生产预测。

红枣微波-热风联合干燥最佳工艺条件为投料量305g、119W微波干燥12min、间歇4min、微波间歇次数7次，然后55℃热风干燥时间9h、50℃热风干燥12h，红枣总VC含量达36.22mg/100g、总黄酮含量为35.53mg/100g、A420为0.3079。

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