热泵和热风干燥对龙眼干营养品质和褐变反应的影响

温靖 徐玉娟 肖更生 吴继军 安可婧 林羡 张岩

摘 要 以龙眼果实（储粮）为研究对象，研究热泵和热风干燥对水分含量、5-羟甲基糠醛（5-HMF）、褐变度、维生素C、总多酚、糖组分、游离氨基酸和总氨基酸含量等与非酶褐变有关的基础物质和褐变度的变化情况。结果表明：在干燥过程中，蔗糖、维生素C、总多酚、游离氨基酸和总氨基酸含量显著降低；果糖及葡萄糖含量有少量增加；5-HMF及褐变度逐渐增加。表明了龙眼干制过程提供了龙眼果肉中发生非酶褐变反应的条件，并初步判断龙眼果肉中发生了美拉德反应，其中美拉德反应为龙眼干制过程中主要的非酶褐变反应。

关键词 龙眼；热泵干燥；热风干燥；品质；褐变反应

中图分类号 S667.2 文献标识码 A

龙眼俗称“桂圆”，是中国南亚热带名贵特产，历史上有南方“桂圆”北方“人参”之称。龙眼果实营养丰富，并且富含多糖、多酚、类黄酮等天然生物活性物质，自古受人们喜爱，被视为珍贵补品。由于龙眼盛产于高温季节，成熟期集中、季节性强、水分含量高且营养极其丰富，导致果实极易腐烂变质。目前龙眼的保鲜技术尚不够成熟，许多低温贮藏技术由于费用投入较大，难以将其商品化[1]，各种原因导致高产季节大量新鲜龙眼滞销、变質腐烂。而干制加工作为替代方法则非常适用于季节性较强的龙眼加工，能降低自身酶活性、提高其贮藏能力、延长销售时间，因此，开发具有高附加值的新型龙眼干制产品，有利于促进龙眼产业的健康发展，提高龙眼的经济利用价值。

目前，传统日晒和烘焙干制两种方法仍是龙眼干制加工的主要方法，其他干燥方法如冷冻干燥、热风干燥、微波干燥、喷雾干燥、真空干燥及联合辅助干燥方法等现阶段国内外研究比较多，尽管这些新型干燥方法以及联合辅助干燥方法干制龙眼已经被研究证明，并且具有缩短干燥时间、提高干制品的品质和降低生产所需能耗等优点，但由于这些技术投入成本高，设备研究不够深入，到目前为止还没有将其产业化，因此寻求适宜的低成本、低能耗、缩短干燥时间，最大程度保留营养品质的干制方法和技术，仍是现阶段龙眼干制研究的难题和重点。

热风干燥对设备投资要求较低，适应各种物料的干燥，但其干燥产品质量低且生产能耗大；而热泵干燥作为一种新型节能环保的干燥技术，能耗低、能源利用率高、并且最大程度的保持干制品的品质，完全可以弥补热风干燥的不足。目前，仅有一种热风干燥或者热泵干燥方式用于龙眼干加工工艺优化的报道，未有两种干燥方式相比较对龙眼干品质及褐变度影响的相关研究报道[2]。因此，本研究以初期实验室对热泵、热风干燥龙眼干的最佳工艺研究为背景，选用60 ℃热泵、热风干燥参数，对比研究两种干燥方法加工半干型龙眼干中营养组分与5-HMF及褐变度的规律，进一步分析干制过程中发生的非酶褐变反应，以其为龙眼干的制作提供一种高效的节能干燥技术，并为将来龙眼热泵-热风联合干燥研究提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试植物材料 鲜龙眼（“储良”品种，购于广州市天平架农贸市场，剪枝清理后，选取新鲜、完整无损伤、无褐变的龙眼备用）。

1.1.2 仪器设备及试剂 主要仪器：GHRH-20型热泵干燥机（广东省农业机械研究所）、DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验有限公司）、SB-5200DT 超声波清洗机（宁波新芝生物科技有限公司）、UV-2450分光光度计（SHIMADZU CORPORATION）、ALC-210.4分析天平（赛多利斯科学仪器有限公司）、榨汁搅拌机（广东美的精品电器制造有限公司）、L-8900型全自动氨基酸分析仪（HITACHI/日本）、Agilent-1200高效液相色谱（美国安捷伦公司）。

主要试剂：DPPH（购自Sigma 公司）；福林酚、碳酸钠、丙酮、H202、水杨酸、FeS04等（均为分析纯）；蔗糖、葡萄糖、果糖品（购自Sigma 公司）。

1.2 方法

1.2.1 试验方法 选取新鲜成熟度、大小一致的龙眼，分别60 ℃热泵、热风干燥至水分含量为35%左右得到高水分龙眼干，干燥前机器预热30 min达到稳定温度后，称取（10±0.2）kg鲜龙眼，按0.5 kg/m2装载量放入果实。干燥过程中，每干燥12 h停止加热让果品回软3 h，然后重复加热与回软直至含水量达到要求，回软时间不计入整体干燥时间内。每隔3 h取样，样品经液氮处理后置于-80 ℃，待用。

1.2.2 指标测定及分析 （1）水分含量：参照国标GB5009.3-2010（食品中水分的测定方法）。

（2）5-HMF含量测定[3]。样品处理：取10 g样品，加入40 mL 50%的甲醇，超声波功率300 W、室温条件下提取1 h后抽滤，收集滤液在35 ℃水浴中旋转蒸发后用50%甲醇定容至25 mL，0.45 μm滤膜过滤后进样。色谱分析条件：色谱柱Agilent Zorbax Eclipse XDB-C18（4.6×250 mm，5 μm），柱温30 ℃；紫外检测，波长为280 nm；用10%甲醇和90%水（含1%乙酸）混合液作流动相，流速0.6 mL/min；进样量10 μL。

（3）褐变度测定[4]：取2 g样品，加入5 mL 95%乙醇，组织匀浆3 min，静置提取1 h，4 000 r/min 离心20 min，取上清液测定420 nm处吸光值。

（4）维生素C含量测定[5]：采用邻苯二胺衍生法，使用荧光光度计测定相对荧光强度。精密称取1.5 g左右的龙眼果肉，共3份，加入10 mL的1%草酸，充分研磨后过滤，取样品滤液5ml加入0.4 g活性炭，充分振荡后静置10 min，再 45 000 r/min离心。分别吸取已上清液1 mL于A管（样品管）与B管（样品空白管）。在A管中加入250 g/L的乙酸钠溶液1 mL，在B管中1 mL的加入30 g/L硼酸-250 g/L乙酸钠溶液，于旋涡混合器上充分混匀，在暗处放置20 min后迅速在暗室或避光条件下，准确迅速地向各试管加入1 mL 0.2 g/L邻苯二胺溶液，于旋涡混合器上充分混匀，在暗室中避光反应40 min。激光波长355 nm，发射波长425 nm，两端狭缝均为5 nm测定各管的荧光强度和空白荧光强度，样品荧光强度减去样品空白荧光强度，取得相对的荧光强度，代入标准曲线方程为y=2.11x+1.164 4（R2=0.999 2），结果表示为mg抗坏血酸当量（GAE）/100 g干重。

（5）总酚含量的测定：参照Sun等[6]的方法加以改进，得到具体操作步骤为称取15 g的龙眼果肉样品，加液氮研磨之后加入100 mL體积分数为80%的丙酮（预冷）震荡提取1.5 h，之后真空抽滤收集滤液，滤渣再次加入100 mL 80%丙酮重复上述步骤提取1次。合并两次抽滤得到的滤液，45 ℃条件下旋转蒸发完全，残余物用蒸馏水定容至100 mL。分装后冻存于-80体冰箱备用。每个样品重复3次提取作为平行。参照Singleton等[7]的福林酚法测定总酚含量，标准曲线方程为y = 0.008 6x - 0.001 2（R2=0.999 1），结果表示为mg没食子酸当量（GAE）/100 g干重。

（6）糖分的测定。样品处理：综合参考Korbel[8]及胡志群[9]的方法，准确称取龙眼果肉 2 g 加入30 mL超纯水，震荡提取2 h后5 000 r/min离心，取其中上清液1 mL 过 0.45 μm 滤膜后待测。

色谱分析条件：色谱柱Agilent Zorbax Carbohydrate（4.6×150 mm，5 μm），柱温30 ℃；示差检测器进行检测，RID光学元件温度35 ℃；流动相：70%乙睛水溶液；流速：1 mL/min；进样量：10 μL。

（7）氨基酸含量的测定[10]，氨基酸含量使用氨基酸自动分析仪测定。具体为：①准确称取2 g液氮粉碎的龙眼果肉，加入4 mL 10 g/100 mL的5-磺基水杨酸，振荡混匀，4 ℃静置30 min；②用高速离心机在12 000 r/min，4 ℃下离心15 min，上清液经0.22 μm的水溶性滤膜过滤后上机测试。根据氨基酸标准物质的质量浓度与峰面积的关系，外标法定量样品中的氨基酸组分，单位以mg/100 g干重表示。

测试条件：855-350型色谱柱（4.6 mm×60 mm）；柱温134 ℃；双通道紫外检测波长440 nm和570 nm；进样量20 μL；保留时间148 min。

2 结果与分析

2.1 干制过程中龙眼水分含量的变化

通过恒重法测定不同干燥时间点龙眼果肉中的水分含量的实验结果如图1所示，在龙眼干燥至30%～35%含量时，60 ℃热泵干燥需要30～33 h，而60 ℃热风干燥却需要45 h左右，在获得半干型龙眼干的本次干制方式中热泵干燥速度要远高于热风干燥，热泵干燥在前期干燥速度较快，而热风干燥则在后期速度较快。

2.2 干制对龙眼果肉5-HMF含量和褐变度的影响

5-HMF（5-羟甲基糠醛）是葡萄糖和果糖等单糖化合物在高温和酸性条件下，催化脱水产生的醛类化合物，其作为美拉德反应及抗坏血酸氧化分解反应的中期产物，与褐变速度有密切关系[11]。因此我们可以测定5-HMF的积累情况预测非酶褐变的速度，结果如图2所示，无论是热泵还是热风干燥，在其干燥初期5-HMF的积累量都较低，但从15 h开始其呈直线上升趋势，增长速度加快，且干燥过程中热泵干燥的5-HMF的积累量要略高于热风干燥，这一点也与干制过程中水分含量的变化类似，从侧面反映了热泵干燥速度要快于热风干燥。

从图3中可以看出， 龙眼果肉的A420值与干制时间的延长呈正相关，随着时间的延长褐变度逐渐上升，热泵、热风干燥中分别从最初干燥时间的0.003，到第3 h的0.013、0.011上升到干燥末期的0.137、0.163。在干燥前期褐变度的增长比较缓慢，这与之前5-HMF在前期的积累较少出现的情况一致，而在干燥后期，热泵干燥从18 h、热风干燥从24 h开始褐变度的上升量增大，5-HMF的累积速度，这些现象进一步说明干燥前期褐变反应比较缓慢，通过这些可以初步的得出龙眼干制过程中的非酶褐变反应主要集中在干燥中期和后期。

2.3 干制对龙眼维生素C含量变化的影响

从图4中可以得知，鲜龙眼果肉的维生素C含量为147.45 mg/100 g DW，热泵干燥33 h后含量变为5.62 mg/100 g DW，热风干燥45 h后降到1.15 mg/100 g DW，由于热泵干燥33 h和热风干燥45 h后果肉含水量比较接近，可以认为在热泵、热风干制过程中龙眼果肉中的抗坏血酸损失量非常大，在达到含水量要求时维生素C几乎全部损失，且两种干燥方法都在干燥初期损失速率非常快，在18 h时已损失75%～85%。维生素C即抗坏血酸具有烯二醇类结构，在干制过程中严重损失是由于其是一种酸性显著且具有强还原性的化合物[12]，极易通过多种方式氧化降解，尤其在在高温有氧条件下极不稳定，发生自氧化反应成为α-双羰基化合物，之后进一步降解聚合形成有色物质[13]，另外氨基酸等含氮化合物能与氧化后的脱氢抗坏血酸发生美拉德反应引起褐变，以及脱氢抗坏血酸发生复杂的自身降解反应生成褐色物质[14]，但是从对5-HMF的积累量的变化规律来看龙眼干制的非酶褐变主要从干燥中期开始，而维生素C的损失主要集中在干燥前期，因此可以推测，抗坏血酸氧化反应不是龙眼干制过程中非酶促褐变反应的重要反应。

2.4 干制对龙眼总酚含量变化的影响

如图5所示，新鲜龙眼中总酚含量为446.08 mg GAE/100g DW，在热泵干燥至33 h时降至113.76 mg GAE/100 g DW， 热风干燥至45 h时降到102.54 mg GAE/100 g DW，尤以热泵干燥9～24 h、热风干燥21～27 h之间多酚的含量急剧下降，因此可以得知龙眼总酚含量在干燥后显著下降，由于多酚类化合物含有酚羟基而化学性质非常活泼，在高温高湿的干制过程中极易发生自氧化生成有色物质[15]，由于总酚含量的降低主要集中在干燥中期，结合对于5-HMF积累量的分析，因此在干制过程中，大部分龙眼多酚发生氧化反应引起非酶促褐变，是可能造成龙眼干具有独特色泽的原因之一。

2.5 干制对龙眼糖类含量变化的影响

由于果糖，葡萄糖，蔗糖等具有游离羰基的化合物与美拉德反应密切相關，因此其是本研究考察的一个重点，图6、图7和图8表示龙眼热泵和热风干燥过程中葡萄糖、果糖和蔗糖的变化趋势，从图中得出在干燥过程中蔗糖含量显著下降，干燥结束时热泵干燥中下降了219.36 mg/g DW，而热风干燥下降了234.17 mg/g DW，由于蔗糖属于非还原糖，并不直接参与以还原糖为基础的美拉德反应，但是蔗糖可以在高温环境中由转化酶水解产生果糖和葡萄糖，可以间接的参与美拉德反应[16]，由此可以推测龙眼在干燥蔗糖发生降解产生还原糖，使得蔗糖含量在干燥过程中一直呈下降趋势，因此出现了图中葡萄糖和果糖都大致呈上升的趋势，热泵干燥和热风干燥最终葡萄糖含量分别上升18.25和12.44 mg/g DW，而果糖则上升较大分别为88.84和75.78 mg/g DW；但在干制达到终点时，两种干燥方法蔗糖水解约转化为109～117mg/g DW左右的葡萄糖和果糖，远高于葡萄糖和果糖的增长量，而且根据果糖、葡萄糖的增加量和蔗糖的损失量也可以注意到葡萄糖的总损失量显著高于果糖的损失量，因此可以得知龙眼干制中与氨基酸发生非酶褐变反应的主要糖类为葡萄糖、其次是果糖，同样的，Korbel等[8]在研究芒果干燥温度和水分活度对酶促和非酶褐变影响的过程中发现在美拉德反应中葡萄糖比果糖更具反应活性。

2.6 干制对龙眼游离氨基酸和总氨基酸含量变化的影响

美拉德反应、维生素C的氧化褐变反应以及多酚类物质的缩合反应都需要游离氨基酸的参与，因此为了进一步了解龙眼干非酶褐变反应的影响因素，测定其干制过程中游离氨基酸总量和干燥开始和结束时龙眼果肉中的总氨基酸含量，结果如图9和表1中所示。图9中可以看出在干燥中期阶段游离氨基酸的总量有一定的波动变化，但总体呈下降趋势，热泵和热风干燥最后分别下降到0.361%和0.373%，并且通过上述对于糖类的测定分析，我们可推断在干制过程中，游离氨基酸大部分与还原糖发生了美拉德反应；且热泵干燥过程中游离氨基酸量下降速度要高于热风干燥；导致趋势波动的原因可能从干燥中期开始有大部分蛋白质发生了水解，从而导致氨基酸的含量变化发生不规律变化。在热泵和热风干燥结束时总氨基酸量从新鲜含量4 898.15 mg/100 g DW，分别降至570.02 mg/100 g DW和485.22 mg/100 g DW，变化率分别为88.36%和90.09%，由此可知在干燥过程中龙眼的总氨基酸量大量下降，且干制时间越长，其损失率更大，中后期5-HMF含量的大量累积，因此可以得出干燥过程中蛋白质发生了水解，生成游离氨基酸并参与到美拉德反应当中，且还原糖类与氨基酸发生的美拉德反应是龙眼干制过程中最主要的褐变反应。

3 讨论与结论

通过测定龙眼热泵、热风干燥过程中水分含量、果糖、葡萄糖、蔗糖、游离氨基酸和总氨基酸量、维生素C、总多酚、5-羟甲基糠醛（5-HMF）等与非酶褐变有关的基础物质及褐变中间产物含量和褐变度的变化情况，结果显示，随着干燥的进行，蔗糖、维生素C、总多酚、游离氨基酸、总氨基酸含量显著降低，尤其是维生素C、总多酚、游离氨基酸、总氨基酸的下降量巨大且主要在干燥中后期含量急剧下降；果糖及葡萄糖含量有少量的增加，说明蔗糖在干燥过程中大量转化成果糖和葡萄糖，且果糖和葡萄糖损失量较大；5-HMF及褐变度逐渐增加，且都在干燥中后期积累较快。这些现象均表明干制加工过程提供了龙眼果肉中发生非酶褐变反应的条件，可以初步判断龙眼果肉中含有的蛋白质、氨基酸的游离羰基和还原糖的游离醛基之间发生美拉德反应，维生素C和多酚类物质发生了自氧化反应，且主要集中在干燥中后期，其中美拉德反应为龙眼干制过程中主要的非酶褐变反应。

美拉德非酶褐变反应主要是体系中的游离羰基与游离氨基经环化、Amadori分子重排生成果糖基胺，在pH≤7的条件下经1，2-烯醇化反应后再脱水、脱氨，最后生成HMF等中级阶段产物，然后经过进一步缩合、聚合形成复杂的高分子色素[17]，试验中检测到葡萄糖的变化没有规律性，而果糖含量则有所增加，但是蔗糖含量却显著下降，这主要是由于蔗糖的水解反应造成的结果，蔗糖水解后的果糖、葡萄糖与游离氨基酸发生美拉德反应，同时也可以说明葡萄糖参与美拉德反应的活性要高于果糖。游离氨基酸以及总氨基酸在干制过程中也显著降低，这说明蛋白质在干制过程中发生了水解生成游离氨基酸，之后参与美拉德反应导致总氨基酸大幅度下降。综合前面的分析所述，氨基酸的含量、糖类含量、A420值和5-HMF的含量变化提供了美拉德反应发生的条件，得出龙眼在热泵、热风干制过程中中发生了美拉德反应。由于维生素C的化学结构与糖类相似， 也具有糖类的性质能够发生水解和脱羧等反应，在受热条件下，可发生脱水、 脱二氧化碳、 开环及闭环等一系列复杂降解反应，使其含量下降，因此在本次试验中也检测了总多酚以及维生素C含量的变化情况，发现两者的损失量也非常大，说明多酚以及维生素C在干制过程中也发生了氧化反应，生成中间产物参与美拉德反应进而影响龙眼干果肉的色泽。

非酶褐变反应是一个复杂的反应体系，通过对龙眼在热泵、热风干制过程中组分的变化来分析过程中的反应虽然可以得到一定的结论，但是仍存在着一定的局限性。因此，本试验为下一步研究龙眼干制的模拟实验，以及进一步深入探讨龙眼干制过程中的反应奠定了理论基础。

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