刺梨果渣的干燥模型建立及品质分析

彭邦远，张 瑜，张洪礼，丁筑红*

（贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室，贵州省药食同源植物资源研究开发中心，贵州 贵阳 550025）

刺梨果渣的干燥模型建立及品质分析

彭邦远，张 瑜，张洪礼，丁筑红*

（贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室，贵州省药食同源植物资源研究开发中心，贵州 贵阳 550025）

为科学合理地选择刺梨果渣干燥保藏实用技术，以减少果渣原料品质变化和营养损失。以刺梨果渣为原料，采用热风干燥、远红外干燥和真空干燥方式，构建果渣干燥模型，确定最佳干燥技术。结果表明：Midilli和Kucuk数学干燥模型具有较高的决定系数R2，较低的χ2、误差平方和及均方根误差，对3 种干燥方式的拟合度最高，可以用来描述和预测刺梨果渣的干燥进程；远红外50 ℃干燥为果渣最优干燥方式，此条件下刺梨果渣品质指标最优，L*值为44.12，ΔE为6.87，果渣复水性为7.53，VC损失率为20.54%，黄酮含量为1.97 mg/g。

刺梨果渣；热风干燥；远红外干燥；真空干燥；品质

刺梨（Rosa roxburghii Tratt.）为蔷薇科植物，是一种具有亟待开发价值的营养水果，富含超氧化物歧化酶和VC、刺梨黄酮、多糖等物质[1]。其加工产品多以榨汁后果汁为原料，刺梨经榨汁后残留50%左右刺梨果渣，富含大量的糖类、氨基酸、黄酮、VC等营养物质[2]，尤其含有丰富的膳食纤维，可以作为优质膳食纤维的良好来源，是一种很好的再利用原料且具有良好的开发利用价值。果渣原料干燥保存是刺梨鲜果渣常规的保藏处理方法，主要以自然干燥为主，自然干燥过程虽然简单，但干燥周期长、易造成果渣干品质不佳，影响后续的高值化利用及产品开发；热风干燥操作简便、成本廉价，对设备、环境及操作技术要求不高[3]，但干燥中温度波动较大，易造成物料氧化及热损伤，导致物料营养损失、品质下降；远红外干燥是一种穿透力很强的辐射干燥，能被高分子和水等物质吸收，引起分子共振而达到快速干燥的目的，远红外干燥加热温度稳定且物料受热均匀，对含水量高的食品及果蔬等农副产品的干燥尤为适宜[4]；真空干燥的干燥室内气体分子数少，密度低，具有低压除湿的优点，其干燥产品复水性较好[5]。金昌福[6]研究了不同烘干方法对香菇干燥品质的影响，结果表明远红外50 ℃处理香菇的干燥品质优于热风干燥。目前，对刺梨果渣干制的研究鲜少有详细的报道，而对不同干燥温度条件下刺梨果渣的干燥特性，干燥前后的色值、功能成分等品质指标也鲜见综合详细的报道。本研究通过分析热风干燥、远红外干燥和真空干燥在刺梨果渣的干燥过程中含水量变化及干燥速率的变化规律，探讨不同干燥技术对刺梨果渣干燥特性的影响，建立刺梨果渣适合的干燥模型及筛选最佳干燥技术条件，以期为生产企业进行刺梨果渣原料干燥加工提供科学实用的技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

刺梨：贵州省龙里县，贵农5号品种，新鲜无霉烂变质，清洗、滤干、榨汁后取果渣（出汁率50%）。

硼酸、草酸、无水乙醇、抗坏血酸、苯酚、浓硫酸、盐酸、氢氧化钠、葡萄糖均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

101-3A电热鼓风干燥箱、DZ-BCII电热真空干燥箱、GX-45B远红外干燥箱、FW100高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；TG328A分析天平 上海分析天平厂；HH-S数显六孔水浴锅 上海欣茂仪器有限公司；T6新世纪紫外-可见光分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；WSC-S测色色差仪 上海精密科学仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 刺梨果渣干燥处理

分别取1 000 g新鲜刺梨果渣平铺于托盘，采用不同干燥方式于相应干燥箱内干燥，热风干燥、远红外干燥分别设定40、50、60、70 ℃不同温度梯度，真空干燥，真空度为0.07 MPa，设定温度为55、60、65、70、75 ℃。每0.5 h测一次水分，直至水分趋于稳定。根据水分比变化建立干燥模型，以色差值变化进行品质分析。

1.3.2 干燥数学模型拟合

选择7 种常用的薄层干燥数学模型[7-12]对刺梨果渣热风干燥、远红外干燥及真空干燥的实验数据进行模拟，如表1所示。

表1 几种常见的干燥数学模型Table 1 Several common drying models

干燥数学模型中MR计算公式[13]为：

式中：Mt表示t时刻的含水率/%；Me表示平衡含水率/%；M0表示初始含水率/%。

以不同干燥方式干燥刺梨果渣得到的数据为实测值样本，使用SPSS 20.0软件非线性回归对7 种干燥模型进行模型拟合。选择最佳干燥模型对干燥曲线进行预测和描述[14]。

式中：MRpre,i表示预测水分比；MRexp,i表示实测水分比；N表示实验次数；n表示参数个数；SSE为误差平方和（sum of the squared errors）；RMSE为均方根误差（root mean square error）。

1.3.3 刺梨果渣品质分析

根据热风、远红外、真空干制模型以及干制前后果渣色泽变化选择最佳干燥条件，在最佳干制条件下得到刺梨果渣成品进行理化指标和营养指标测定，采用逼近理想解排序（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）综合评定法确定刺梨果渣最佳干燥条件。

水分含量测定：参考GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》[15]；还原糖含量测定：采用3,5-二硝基水杨酸法[16]；可溶性糖含量测定：采用蒽酮试剂法[16]；VC含量测定：采用2,6-二氯酚靛酚滴定法[17]；黄酮含量测定：采用分光光度计法[18]；色泽测定[19-20]：采用全自动色差计测定刺梨果渣干制品的L*、a*、b*值，计算色差值ΔE和饱和度C；褐变度测定[21]：取刺梨果渣10 g，加入490 mL蒸馏水，搅拌均匀后放置24 h后3 500 r/min离心5 min，取上清液以蒸馏水做空白样，在420 nm波长处比色，以吸光度表示刺梨果渣褐变度。

TOPSIS综合评价法[22-25]计算公式如下：

式中：Rij为加权的规范化矩阵；X+为指标的理想解；X－为指标的负理想解；Di+为该方法与理想解的距离；Di－为该方法与负理想解的距离；Ci为该方法对理想解的相对接近度。采用TOPSIS法对多因素指标进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 不同干燥工艺刺梨果渣干燥特性

2.1.1 热风干燥对刺梨果渣含水量的影响

图1 热风干燥条件下刺梨果渣水分比变化Fig. 1 Changes of moisture ratio during hot air drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

表2 热风干燥条件下刺梨果渣色泽变化Table 2 Changes of color parameters during hot air drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

由图1、表2可知，在不同的干燥温度条件下，刺梨果渣热风干燥过程中水分含量随时间的延长，呈现“S”型曲线变化。40、50、60、70 ℃干燥条件下，刺梨果渣干燥时间分别为11.5、7.0、5.5、4.0 h，各组间的亮度L*、黄蓝值b*、色度C和色调H0与干燥前之间呈显著性差异（P＜0.05），其中L*值与b*值呈现正相关关系。干燥前b*值为26.42，干燥后果渣中b*值均降低，即黄色向蓝色转变，导致果渣亮度L*降低，由于果渣中酚类物质、VC与氧气接触发生褐变等导致果渣褐变加重。50 ℃干燥时Δ E是7.05，褐变度最轻。表中处理组的H0、C与干燥前差异显著（P＜0.05），50 ℃和60 ℃干燥差异不显著。温度越高对果渣内部组织结构、营养成分的影响越大[26]，故刺梨果渣色泽稳定最佳的热风干燥温度为50 ℃。

2.1.2 远红外干燥对刺梨果渣干燥速率的影响

图2 远红外干燥条件下刺梨果渣水分比变化Fig. 2 Change of moisture ratio during far-infrared drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

表3 远红外干燥条件下刺梨果渣色泽变化Table 3 Changes of color parameters during far-infrared drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

由图2、表3可知，刺梨果渣干燥过程中水分比随时间变化呈“S”曲线变化。刺梨果渣干燥过程中，其内温变化有升温、恒温和再升温3 个阶段，初始升温阶段时由于果渣含水量高，吸收的远红外用于提高果渣内温度，水分损失较慢，当吸收的远红外用于水分蒸发时，干燥进入恒温阶段，此阶段水分干燥速率加快，当水分蒸发速率降低时，果渣内温度再一次升高，当果渣内温度与箱体温度相同时，升温现象不再明显，在此阶段自由水越来越少，干燥速率越来越慢直至稳定。温度与干燥速率之间呈正相关联系，40 ℃时干燥需8 h，比相同条件下热风干燥缩短3.5 h；70 ℃干燥需3.5 h，较热风干燥减少0.5 h。70 ℃干燥果渣褐变严重，50 ℃和60 ℃的果渣色泽相近。各组间的L*、b*、C、H0与干燥前之间呈显著性差异（P＜0.05），其中不同温度条件下得到的L*、b*、ΔE、C之间均呈显著性差异（P＜0.05），说明远红外干燥对刺梨果渣色泽影响较大。其中当干燥温度为50 ℃时，L*为44.12，ΔE最小，说明在50 ℃干燥条件下果渣色泽最佳。在相同温度条件下，远红外干燥方法与热风干燥相比，所需时间短、L*值最高、ΔE最小，远红外干燥是一种辐射产热干燥，能穿透到果渣内部，是物料内部发生激烈摩擦产生热而达到干燥的目的，并且易被果渣内部高分子、水等物质吸收，从而使物料干燥更快、所需时间更短[27]，效果优于热风干制。

2.1.3 真空干燥工艺对刺梨果渣干燥速率的影响

图3 真空干燥条件下刺梨果渣水分比变化Fig. 3 Changes of moisture ratio during vacuum drying of Rosa roxburghii Tratt. pomace

表4 真空干燥条件下刺梨果渣色泽变化Table 4 Changes of color parameters during vacuum drying ofRosa roxburghii Tratt. pomace

由图3、表4可知，在真空干燥下刺梨果渣水分比与时间之间呈“S”型曲线变化，与热风、远红外干燥规律相似。当温度为55、60、65、70、75 ℃时，干燥时间分别为17、13、11、9、8 h，最高温度和最低温度干制时间相差9 h，这是因为真空干燥受压力和温度的共同作用提高干燥速率，在相同压力下温度越高，果渣干燥速率越快，但由于干燥环境封闭的，提高干燥效率的能力是有限的。温度为60 ℃和65 ℃时，L*、ΔE、C和H0之间数值相差不大。55 ℃色泽品质较高温干燥褐变严重，可能温度较低时干燥时间过长，对果渣内部组织结构、色泽造成一定的损失[28]。结合干燥温度与干燥时间及色泽变化，为保证果渣品质，故真空干燥温度不宜超过70 ℃。真空干燥与热风、远红外干燥相比，在同一温度条件下，所需时间长，果渣亮度值低，干燥效果差，可能是因为热风干燥和远红外干燥的鼓风加热循环使果渣表面的气化速率大于真空干燥的恒温密封加热，从而导致真空干燥时间变长，影响果渣色泽及品质。

2.2 干燥模型的建立

2.2.1 不同干燥方式数学模型拟合结果分析

取实验值对表1中7 种干燥模型进行拟合，通过Excel软件对实验数据进行绘图，分析软件SPSS 20.0进行非线性回归拟合，其中相关系数R2越大，χ2、SSE和RMSE越小，模型拟合程度越高。拟合结果见表5～7。

弹性固定是符合固定部位生理功能的一种固定方式，指在满足固定强度的情况下，保留固定部位一定的活动度，避免长期刚性固定导致的相关并发症(关节僵硬、骨性融合、内固定材料断裂等)。应选择有足够强度的内固定材料来维持固定部位的稳定性，便于早期活动，同时需符合自身微动特征。目前骨科应用(脊柱、肩锁关节、下胫腓联合等)广泛。下胫腓联合是复杂的微动弹性关节，微动连接可随踝关节相应运动。下胫腓联合韧带复合体的功能是加强踝关节的稳定性，维持关节在轴向、旋转及前后方向的应力平衡[8-10]。故实现下胫腓联合的弹性固定至关重要，目前弹性固定种类繁多，各有优劣。

表5 刺梨果渣热风干燥数学模型及其拟合结果Table 5 Hot air drying models and their fitting parameters ofRosa roxburghii Tratt. pomace

通过对表5中7 种模型R2值对比可知，Page模型和Midilli和Kucuk模型的决定系数R2均在可接受数值的范围内，即R2＞0.98，其中Midilli和Kucuk模型对实验数据拟合后R2为0.997，拟合程度最高，χ2为0.000 51，SSE为0.006 75，RMSE为0.052 86，均高于Page模型。故Midilli和Kucuk模型为预测刺梨果渣热风干燥特性最适合的数学模型。

表6 刺梨果渣远红外干燥数学模型及其拟合结果Table 6 Far-infrared drying models and their fitting parameters of Rosa roxburghii Tratt. pomace

由表6可知，Page模型和Midilli和Kucuk模型的R2＞0.98，其中Midilli和Kucuk模型平均相关系数R2为0.997，χ2为0.000 51，SSE为0.004 30，RMSE为0.017 01，拟合程度最高，故Midilli和Kucuk模型为预测刺梨果渣远红外干燥特性最适合的数学模型。

从表7可知，Page模型和Midilli和Kucuk模型的R2均在0.990以上，其中Midilli和Kucuk模型平均相关系数R2为0.996，χ2为0.000 74，SSE为0.006 28，RMSE为0.021 98，拟合程度最高，故Midilli和Kucuk模型为预测刺梨果渣真空干燥特性时最适合的数学模型。

表7 刺梨果渣真空干燥数学模型及其拟合结果Table 7 Vacuum drying models and their fitting parameters ofRosa roxburghii Tratt. pomace

2.2.2 模型验证

为了对所选择的模型进一步验证，取建模以外的实验数据对该模型进行拟合分析。分别取1 000 g刺梨果渣进行热风、远红外和真空干燥，3 种干燥温度分别为50、50、65 ℃，得到的3 组实验数据作为实测值样本，分别验证Midilli和Kucuk干燥模型，结果见图4。

图4 热风干燥（A）、远红外干燥（B）和真空干燥（C）Midilli和Kucuk模型对实验点的拟合Fig. 4 Good agreement between Midilli-Kucuk model predictions and experimental values of hot air drying (A), far-infrared drying (B) and vacuum drying (C)

从图4可以推断，热风干燥、远红外干燥和真空干燥分别在50、50、65 ℃条件下所得的Midilli和Kucuk模型方程与实测值基本相符，热风干燥法相关系数R2=0.999，远红外干燥法相关系数R2=0.997，真空干燥法相关系数R2=0.990。说明Midilli和Kucuk模型可以用来描述和预测刺梨果渣热风、远红外和真空干燥过程中含水量变化。本实验中得到适合热风、远红外和真空干燥刺梨果渣的模型均为Midilli和Kucuk模型，说明干燥条件和干燥方式对物料影响很大，所对应的最佳干燥模型也不同，需要针对性选择。

2.3 不同干燥方式刺梨果渣品质综合评定

在以上实验中，以干燥时间和色泽变化为指标选择出热风、远红外和真空干燥最佳温度分别为热风干燥50 ℃、远红外50 ℃和真空65 ℃进行干燥，分别对3 种条件下得到的干制品进行成分分析，得到表8，并对得到的数据进行综合评价。

表8 不同干燥条件对刺梨果渣品质的影响Table 8 Influence of different drying conditions on Rosa roxburghii Tratt. pomance quality

不同干燥方式对刺梨果渣色泽、组织、营养等方面影响不同。由表8可知，远红外干燥得到的刺梨果渣色差值为6.8，与另外两组样品差异显著（P＜0.05）。不同干燥方式对复水性的影响差异显著（P＜0.05），热风干燥时果渣复水比为5.82，远红外干燥为7.53，远红外干燥果渣VC的损失率最少为20.54%，其次是真空干燥，热风干燥VC损失最大，为远红外干燥的1.17 倍。3 种干燥方式对刺梨果渣的可溶性糖含量差异不显著（P＞0.05），对还原性糖含量的差异显著（P＜0.05），由于在干燥的过程中果渣中部分还原糖参与美拉德反应[29]，发生褐变引起还原糖减少，远红外干燥对还原糖的影响介于热风干燥和真空干燥之间。刺梨黄酮是刺梨重要的功能组分，远红外干燥和真空干燥对总黄酮的差异不显著（P＞0.05），与热风干燥之间差异显著（P＜0.05），在热风干燥中，刺梨果渣中的黄酮在高温条件下会加速黄酮的分解，从而导致热风干燥刺梨果渣的黄酮损失严重[30]；相比而言，真空干燥中温度虽高，但在低压的环境，黄酮含量稳定，同时，真空干燥可以保持刺梨果渣的组织结构[31]。

按照TOPSIS法的基本原理，把不同干制条件下得到的成品各个指标都量化为可比较的规范化标准值，借助多目标决策问题的“理想解”和“负理想解”排序，比较不同干制条件下的差异，按照Ci大小排序。

表9 规范化决策矩阵Table 9 Standardized decision matrix

根据刺梨果渣不同干燥方法的各个指标计算和评判的规范化变化矩阵（表9），从而得到指标的理想解和负理想解即为最优值向量和最劣值向量。

最优值向量（指标的理想解）：X＋=（0.018 0，0.092 6，0.049 4，0.365 7，0.038 9，0.038 8，0.099 7）

最劣值向量（性状的负理想解）：X－=（0.016 5，0.071 6，0.023 8，0.168 9，0.030 5，0.030 7，0.095 6）

根据最优值向量和最劣值向量，计算各指标值与最优值和最劣值的距离及其与最优值的相对接近程度，并按Ci值大小进行排序，其中Ci值在0～1之间，该值越接近1表示评价对象越接近最优水平，即Ci值越大，干燥方法越优，否则反之。

表10TOPSIS计算结果Table 10 Results of calculation by TOPSIS

由于TOPSIS法是把每个数值都转化为可比较的规范化指标，且对每一指标都找出理想解和负理想解，因而能详细比较各性状指标的差异。从表10可以看出，远红外干燥方法Ci值最接近理想解，即远红外干燥方法最优。经色泽和营养等综合评价，远红外干燥法与热风、真空干燥法相比，能最大限度保存刺梨果渣中营养物质，对果渣结构破坏和色泽变化影响最小。

3 结 论

不同干燥方式及温度条件对刺梨果渣品质影响差异显著。热风干燥、远红外干燥在温度为50 ℃时对刺梨果渣干燥效果最好，真空干燥因为温度较低时干燥时间过长，对果渣内部组织结构、色泽造成一定的损失，结合干燥温度与干燥时间及色泽变化，尽量提高果渣品质，故温度不宜超过70 ℃。

通过对Nowton等7 种常见的薄层干燥模型进行非线性拟合，得到热风、远红外和真空干燥模拟效果较好的数学模型均为Midilli和Kucuk模型，是适合刺梨果渣干燥的数学模型。

对热风50 ℃、远红外50 ℃、真空65 ℃条件下的刺梨果渣干制品进行品质分析，并结合TOPSIS法进行综合评判，干燥方式接近理想解的顺序是远红外干燥＞真空干燥＞热风干燥，其中远红外50 ℃条件下干燥，刺梨果渣品质各指标最优，L*值44.12，ΔE 6.87，果渣复水性7.53，VC损失率20.54%、黄酮含量1.97 mg/g。

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Quality Analysis and Drying Modeling of Rosa roxburghii Tratt. Pomace

PENG Bangyuan, ZHANG Yu, ZHANG Hongli, DING Zhuhong*
(Research and Development Center of Medicinal and Edible Plant Resources of Guizhou Province, Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store and Processing of Guizhou Province, College of Wine and Food Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

This study aimed to choose a scientific and reasonable drying method to reduce the quality changes and nutritional losses in Rosa roxburghii Tratt. pomace during preservation. The material was dried by three different drying methods: hot air drying, far-infrared drying and vacuum drying, and the drying processes were investigated by mathematical modeling to select the optimal one. The results showed that the Midilli-Kucuk model presented a high correction coefficient (R2), and minimum χ2, SSE and RMSE values, and it could exactly describe and predict all the drying processes above with the highest degree of fitting. In summary, far-infrared drying at 50 ℃ was found to be the best among these drying methods, giving the best quality characteristics, namely, a brightness value L* of 44.12, and a color difference value of 6.87, a water reabsorbing capacity of 7.53, a VC loss rate of 20.54% and a flavone content of 1.97 mg/g.

Rosa roxburghii Tratt. pomace; hot air drying; far-infrared drying; vacuum drying; quality

10.7506/spkx1002-6630-201711026

TS255.36

A

1002-6630（2017）11-0161-07

彭邦远, 张瑜, 张洪礼, 等. 刺梨果渣的干燥模型建立及品质分析[J]. 食品科学, 2017, 38(11): 161-167. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201711026. http://www.spkx.net.cn

PENG Bangyuan, ZHANG Yu, ZHANG Hongli, et al. Quality analysis and drying modeling of Rosa roxburghii Tratt. pomace[J]. Food Science, 2017, 38(11): 161-167. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201711026. http://www.spkx.net.cn

2016-05-13

贵州省重大科技攻关项目（黔科合重大专项字[2013]6006）；贵州省药食同源植物资源研究开发中心项目（黔科合G字[2014]4003号）

彭邦远（1992—），女，硕士研究生，研究方向为食品科学。E-mail：450682911@qq.com

*通信作者：丁筑红（1966—），女，教授，本科，研究方向为农产品加工。E-mail：gzdxdzh@163.com