超声和烫漂预处理对红薯叶热风干燥的影响

张迎敏 任广跃，2 屈展平 靳力为 段 续，2 张乐道，2

(1.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471000；2.粮食储藏安全河南省协同创新中心，河南 郑州 450001)

红薯叶为红薯藤蔓叶子，一年可多次收获，产量与红薯块茎相似。红薯叶富含大量营养和功能成分，如蛋白质、膳食纤维、多酚类、黄酮类及矿物质等，可作为优质蔬菜资源食用[1-2]。现有的红薯叶产品包括红薯叶保健茶[3]、红薯叶益生菌健康饮品[4]、红薯叶发酵饮料[5]、红薯叶山楂玫瑰保健清酒[6]及红薯叶戚风蛋糕[7]等。由于储存和运输条件有限，上述产品的加工容易造成原料损失和营养物质的恶化[8]。同时红薯叶利用率较低，大部分都被遗弃在农田，造成严重的环境污染和资源浪费[9]。红薯叶如若干燥或研磨成粉末不仅可以减少储存和运输的消损，还可更易添加到主食、休闲食品、饮料及干制辅料等食品中，以弥补食品中营养素的不足，提高红薯叶的加工利用率。

热风干燥是一种操作简单、生产成本低的干燥技术，是目前果蔬干制品中运用最普遍且经济性较高的加工形式，干燥速率高、所用时间短，但对品质有不利影响[10]。干燥前的预处理对改善物料色泽、减少营养成分流失、缩短干燥时间等有着积极影响[11]。司金金等[12]研究得到红薯叶的最佳烫漂处理条件为90 ℃、50 s。马瑞等[13]发现，随着漂烫温度升高，预处理时间变短，黄花菜干制品中抗坏血酸、叶绿素含量提高，褐变度及5-羟甲基糠醛含量降低，产品色泽较好。

超声作为一种现代化食品加工技术，能够较好地保持食品组分的色、香、味及营养物质含量，改变物料组织结构，提高生产效率，减少能源消耗和污染[14-15]。为了提高干燥效率，热风干燥通常在较高温度下进行，增加了干燥过程中的能耗，同时高温不利于食品中热敏性成分和某些活性成分的保存。将超声用于热风干燥可降低热风干燥温度，减少耗能，提高热风干燥效率[16]。

试验拟研究超声辅助超声时间、超声温度、超声功率和烫漂时间、烫漂液ZnAc2与EDTA-2Na质量比、烫漂温度对红薯叶热风干燥过程中干基含水率、色泽、叶绿素含量和复水性的影响，以期为红薯叶精深加工和高价值利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

红薯叶：台湾红薯叶，陆马绿色蔬菜农产品基地；

乙醇、乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)：分析纯，天津市德恩化学试剂有限公司；

乙酸锌(ZnAc2)：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；

石英砂：分析纯，天津石英钟厂霸州市化工分厂；

碳酸钙粉：分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

1.1.2 仪器与设备

电子分析天平：JA2003-N型，上海佑科仪器仪表有限公司；

电热鼓风干燥箱：101型，北京市永光明医疗器械厂；

电热恒温水浴：HH-S4型，北京科伟永兴仪器有限公司；

紫外—可见分光光度计：UV-2600型，上海龙尼柯仪器有限公司；

色差仪：D-110型，美国爱色丽公司；

台式电镜：TM3030型，日本电子株式会社；

数控超声波清洗器：KQ-500DE型，昆山市超声仪器有限公司；

冰箱：BC型，青岛海尔股份有限公司。

1.2 方法

1.2.1 红薯叶烫漂预处理工艺

挑选→清洗→沥干→烫漂→冷却、沥水→干燥

(1)烫漂时间：固定烫漂温度90 ℃、ZnAc2与EDTA-2Na质量比1∶1，烫漂时间分别为30，60，90，120，150 s，探究烫漂时间对红薯叶色泽、叶绿素和复水性的影响。

(2)ZnAc2与EDTA-2Na质量比：最佳烫漂时间，烫漂温度90 ℃，ZnAc2与EDTA-2Na质量比分别为1∶1，1∶2，1∶3，2∶1，3∶1(护色剂总量3 g/kg水)，探究ZnAc2与EDTA-2Na质量比对红薯叶色泽、叶绿素和复水性的影响。

(3)烫漂温度：最佳ZnAc2与EDTA-2Na质量比和烫漂时间下，烫漂温度分别为80，85，90，95，100 ℃，探究烫漂温度对红薯叶色泽、叶绿素和复水性的影响。

1.2.2 红薯叶超声预处理工艺

挑选→清洗→沥干→超声→冷却、沥水→干燥

(1)超声时间：超声温度60 ℃、超声功率200 W，超声时间分别为5，10，15，20，25，30 min，探究超声时间对红薯叶色泽、叶绿素和复水性的影响。

(2)超声功率：超声温度60 ℃、最佳超声时间，超声功率分别为200，250，300，350，400 W，探究超声功率对红薯叶色泽、叶绿素和复水性的影响。

(3)超声温度：最佳超声时间和超声功率下，超声温度分别为40，50，60，70，80 ℃，探究超声温度对红薯叶色泽、叶绿素和复水性的影响。

1.2.3 色泽的测定 参照文献[18]的方法,分别按式(1)和(2)计算色度变化值和饱和度。

(1)

(2)

式中：

L——明暗指数；

a——红绿值；

b——黄蓝值；

ΔE——色差值；

C——色调饱和度；

L0、a0、b0、C0——新鲜红薯叶色度值，L0=48.81，a0=-6.00，b0=17.69，C0=18.91。

1.2.4 叶绿素含量的测定 根据文献[17]修改如下：准确称取0.20 g干制红薯叶，向研钵中加入95%乙醇溶液3 mL和少许石英砂、碳酸钙粉(用于中和酸性，防止叶绿素酯酶分解叶绿素)并研磨成匀浆，再加入95%乙醇溶液2 mL继续研磨至组织细腻变白，滤纸过滤至25 mL容量瓶，用滴管吸取95%乙醇溶液将钵体洗净，清洗过滤至容量瓶中，并用95%乙醇溶液沿滤纸周围洗脱色素至滤纸及组织残渣全部变白，用95%乙醇溶液定容至25 mL，于645，663 nm处测定溶液吸光值，按式(3)和(4)计算叶绿素含量。

N=20.21×A645+8.02×A663，

(3)

(4)

式中：

A663——663 nm下红薯叶提取液吸光度；

A645——645 nm下红薯叶提取液吸光度；

N——25 mL溶液中叶绿素浓度，mg/L；

D——叶绿素含量，mg/g；

V——提取液体积，mL；

m——红薯叶质量，g。

1.2.5 复水率的测定 取干燥后的红薯叶，加入300 mL清水，室温下浸泡2 h，滤纸沥干表面水分，称重，每个样品重复3次，按式(5)计算复水率[18]。

(5)

式中：

R——干燥红薯叶复水率，%；

m1——红薯叶样品质量，g；

m2——样品复水后的沥干质量，g。

1.2.6 干基含水率测定 按GB/T 5009.2—2016执行，以干基湿含量表示含水率[19]，并按式(6)进行计算。

(6)

式中：

Md——干基含水率，g/g；

mw——物料中水分含量，g；

md——物料中干物质质量，g。

1.2.7 微观结构测定 红薯叶经热风干燥后，取约0.2 cm 大小正方形干制品进行微观结构测定[20]。

1.2.8 能耗测定 分为干燥前预处理和干燥过程能耗两部分，只考虑机器自身的实际输出功率能耗，忽略预处理过程和干燥系统中其他设备以及物料自身的热损失，按式(7)计算系统能耗[20]。

(7)

式中：

t1——预处理所需时间，s；

t2——干燥所需时间，s；

P1——预处理输入功率，W；

P2——热风干燥箱输入功率，W；

E——总能耗，J。

1.2.9 数据处理 采用Origin 8.5软件进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 烫漂工艺对红薯叶热风干燥的影响

2.1.1 烫漂时间 由图1可知，干基含水率随干燥时间的增长逐渐减小，在相同干燥时间内，随烫漂时间的增长，干基含水率先减小后增大再减小，前期烫漂时间增长有利于红薯叶内部组织结构变得疏松稚嫩，结合水相对减少，因此所需干燥时间变短[21]，烫漂时间过长会破坏细胞孔隙，不利于水分散失，造成干燥速率减小。叶绿素含量随烫漂时间的增长先增大后减小，当烫漂时间为60 s时，叶绿素含量最高(6.96 mg/g)；当烫漂时间为150 s时，叶绿素含量最低(5.04 mg/g)，烫漂时间太长一部分叶绿素溶于预处理液中，另一部分叶绿素结构被破坏，因此红薯叶叶绿素含量开始下降。复水率随烫漂时间的增长先减小后增大，当烫漂时间为30，120 s时，复水率最高，为184%，当烫漂时间为90 s时，复水率最低，为164%。

由表1可知，L值随烫漂预处理时间的增长先增大后减小，当烫漂时间为60 s时，达到最大值，此时，C值较大(所有产品中颜色最亮的)，ΔE最小(与新鲜红薯叶相比色差值最小)，说明适当的预处理可有效减少干燥过程中褐变的发生。烫漂时间为60 s时，干燥后红薯叶的叶绿素含量最高，叶子表面褐变率最低，颜色最鲜亮，复水比和干燥速率都相对较高，因此选择60 s为最佳烫漂时间。

2.1.2 ZnAc2与EDTA-2Na质量比 由图2可知，在同一干燥时间下，干基含水率随ZnAc2与EDTA-2Na质量比的增加先减小后增大，当ZnAc2与EDTA-2Na质量比为2∶1时，干基含水率最小，干燥速率最快；烫漂液中添加ZnAc2有利于红薯叶表面水分迁移，但添加量过高会锁住水分，阻碍水分移动，使得干燥过程中水分不易蒸发，因此，ZnAc2与EDTA-2Na质量比不易过高，否则不利于红薯叶的干燥历程[22-23]。复水率随ZnAc2与EDTA-2Na质量比的增加先增大后减小，当ZnAc2与EDTA-2Na质量比为1∶2时，复水率达到最大值(176%)。叶绿素含量随ZnAc2与EDTA-2Na质量比的增加而增大，当ZnAc2与EDTA-2Na质量比为2∶1时，叶绿素含量增加开始变得缓慢，可能是烫漂液中的ZnAc2更有利于维护叶绿素结构，能较好地保留红薯叶中的叶绿素。

图1 烫漂时间对红薯叶干基含水率、复水率和叶绿素含量的影响

表1 烫漂时间对红薯叶色泽的影响†

† 字母不同表示差异显著(P<0.05)。

图2 ZnAc2与EDTA-2Na质量比对红薯叶干基含水率、复水率和叶绿素含量的影响

由表2可知，L值随ZnAc2与EDTA-2Na质量比的增加先减小后增大，当ZnAc2与EDTA-2Na质量比为1∶1时，L值最低，为31.06，此时红薯叶氧化最严重，颜色最黯淡；当适当地增加ZnAc2与EDTA-2Na质量比时，红薯叶表面鲜亮度开始升高，可能是热烫过程中，ZnAc2在红薯叶表面形成一层保护膜，可防止干燥过程中氧气进入红薯叶中，减小氧化程度[17]。当ZnAc2与EDTA-2Na质量比为2∶1时，C值相对较大，ΔE相对较小，结合干燥后红薯叶的干燥速率、复水率、叶绿素含量以及L值可知，ZnAc2与EDTA-2Na质量比2∶1为最佳的烫漂液比例，此时干燥效果最佳。

2.1.3 烫漂温度 由图3可知，烫漂温度对干基含水率影响不显著(P>0.05)，可能是高温使红薯叶结构变得更通透，细胞完全张开，水分更易蒸发，因此干燥过程中干燥速率较高。叶绿素含量随烫漂温度升高而减小；当烫漂温度为80 ℃时，叶绿素含量最高，为8.92 mg/g；当烫漂温度为100 ℃时，叶绿素含量最低；烫漂温度越高，热敏性营养物质越易溶于水中或水溶性营养分子被蒸发至空气中，烫漂温度过高甚至会破坏细胞结构，导致营养物质含量降低。复水率随烫漂液温度的升高先减小后增大，当烫漂温度为90 ℃时达到最小值(171%)；烫漂温度越高，细胞损坏越大，干燥后产品复水率越小，细胞孔隙也就越大，部分细胞的孔隙可能受损，但开口吸水作用大于细胞受损吸水能力，因此吸水能力越强；继续升高烫漂温度，自由水越容易丢失，干燥速率相对较快，细胞孔隙处于开放状态，因此，当烫漂温度为100 ℃时，复水率最高。

表2 ZnAc2与EDTA-2Na质量比对红薯叶色泽的影响†

† 字母不同表示差异显著(P<0.05)。

图3 烫漂温度对红薯叶干基含水率、复水率和叶绿素含量的影响

由表3可知，L值随烫漂温度的升高逐渐减小，ΔE随烫漂温度的升高逐渐增大，红薯叶表面变得暗淡，当烫漂温度为80 ℃时，L值最高，为38.86，ΔE最低为13.07，C值相对较大。烫漂温度越高，烫漂过程中红薯叶褐变程度越大，叶子表面色素积沉，故干燥后的红薯叶表面颜色稍暗，色泽越差，另一方面可能是红薯叶在高温烫漂后进行冷却沥水过程中与空气接触，温差过大，加快褐变反应导致叶子表面色素沉积。因此选择最佳烫漂温度80 ℃。

表3 烫漂温度对红薯叶色泽的影响†

† 字母不同表示差异显著(P<0.05)。

由单因素试验可得，最佳烫漂工艺为烫漂时间60 s、烫漂液ZnAc2与EDTA-2Na质量比2∶1、烫漂温度80 ℃，对此工艺条件进行验证实验(n=3)，结果表明，烫漂预处理后红薯叶干基含水率曲线与前期测得的重合，复水率为189%，叶绿素含量为8.92 mg/g，L值为38.86。

2.2 超声预处理对红薯叶热风干燥的影响

2.2.1 超声时间 由图4可知，干基含水率随超声时间的增长先减小后增大。当超声时间为15 min时，干基含水率最小，干燥速率最快；当超声时间>15 min时，干基含水率突增；当超声时间为30 min时，干基含水率最大，所需干燥时间最长。复水率与叶绿素含量随超声时间的增长先增大后减小，当超声时间为10 min时均达最大值(叶绿素含量为7.42 mg/g，复水率为168%)。超声适当时间可以疏化红薯叶的结构组织，加快干燥过程中结合水分的散发[24]；超声波可穿透红薯叶表面，有助于细胞孔隙的开放，超声时间过长会破坏叶子本身的组织结构及含有的营养物质分子，复水性变差，叶绿素含量也急剧下降。

由表4可知，L值随超声时间的增长逐渐下降，红薯叶表面变得灰暗，从而影响色泽的感官评价[25]。超声时间越长，与水接触时间越长，叶子表面氧化程度越高，就会失去红薯原有的色度。当超声时间为5 min时，L值最大，与超声10 min的仅相差1.47，ΔE最小，与超声10 min 的仅相差1.24；当超声10 min时，色泽饱和度C值最高，再结合叶绿素含量和复水率，选择10 min为最佳超声时间。

2.2.2 超声功率 由图5可知，同一干燥时间下，超声功率越大，干基含水率越大；当超声功率为200 W时，干基含水率最小、干燥速率最快。叶绿素含量与复水率均随超声功率的升高先增大后减小，当超声功率为300 W时达到峰值，干燥效果最优。在一定范围内，超声功率越高，干燥速率越慢，影响后期红薯叶的干燥历程；超声功率越大，穿透力越强，对红薯叶开孔作用越大；红薯叶具有一定的恢复能力，当大于恢复能力时，红薯叶无法平衡超声波的穿透作用，自身结构被破坏，复水性变差。

图4 超声时间对红薯叶干基含水率、复水率和叶绿素含量的影响

表4 超声时间对红薯叶色泽的影响†

† 字母不同表示差异显著(P<0.05)。

由表5可知，L值、C值随超声功率的增大先增大后减小，当超声功率为350 W时取得最大值(L为37.87、C为14.79)；当超声功率>350 W时，L值和C值急剧下降。ΔE随超声功率的升高先减小后增大，当超声功率为300 W时，L(35.22)、C和ΔE值与最大值相差较小。在一定范围内，超声功率的增大可有效防止红薯叶在干燥过程中过度氧化，亮度减小。综合考虑，选取300 W为最佳超声功率。

2.2.3 超声温度 由图6可知，在一定范围内，干基含水率随超声温度的升高而减小，可能是超声温度影响了超声波在红薯叶中的穿透能力，导致水分不能较快散失，造成后期干燥速率较低；当超声温度为40 ℃时，干基含水率最高。复水率随超声温度的升高先降低后增加，当超声温度为60 ℃时取得最小值(175%)，与超声温度越高，细胞组织越疏松不符，可能是超声预处理影响了温度对干燥后红薯叶的复水性。叶绿素含量随超声温度的升高逐渐减小，温度越高，叶绿素越易溶于水中，甚至蒸发散失，当超声温度为40 ℃时取得最大值(8.89 mg/g)。

图5 超声功率对红薯叶干基含水率、复水率和叶绿素含量的影响

表5 超声功率对红薯叶色泽的影响†

† 字母不同表示差异显著(P<0.05)。

图6 超声温度对红薯叶干基含水率、复水率和叶绿素含量的影响

由表6可知，L值随超声温度的升高而降低，当超声温度为40 ℃时达最高(36.83)，C值相对较大，ΔE相对最小，表明超声温度对红薯叶干燥后的色泽影响较大，随超声温度的增大，叶子表面色泽越暗淡。综合考虑，选取40 ℃为最佳超声温度。

由单因素试验可知，最佳超声预处理工艺为超声时间10 min、超声功率300 W、超声温度40 ℃，对此工艺条件进行验证实验(n=3)，结果表明，超声预处理后红薯叶干基含水率与前期测得的重合度达99.9%，复水率为242%，绿素含量为8.88 mg/g，L值为36.83。

2.3 红薯叶微观结构分析

由图7可知，热烫干燥后红薯叶结构紧密，伸缩率高，细胞开孔率高，脆性较高，表面皱缩率更大，因经过热烫，红薯叶表面结构更柔软，干燥过程中遇到高温极易收缩，所以褶皱率更大。超声处理后红薯叶结构稍平坦均匀，组织整体结构较为疏松完整，并且细胞开孔稍大，复水率更高，因此组织面积孔隙率较低。

图7 干燥红薯叶电镜图

表6 超声温度对红薯叶色泽的影响†

† 字母不同表示差异显著(P<0.05)。

2.4 能耗计算

由表7可知，烫漂预处理工艺的前处理过程能耗高于超声预处理的，但干燥过程的能耗低，耗时少，总能耗比超声工艺的低35.71 kJ/g。

表7 烫漂与超声预处理下的能耗

3 结论

试验结果表明，红薯叶的最佳烫漂工艺为烫漂时间60 s、烫漂液ZnAc2与EDTA-2Na质量比2∶1、烫漂温度80 ℃，此时叶绿素含量为8.92 mg/g，复水率为189%，L值为38.86；红薯叶的最佳超声工艺为超声时间10 min、超声功率300 W、超声温度40 ℃，此时叶绿素含量为8.88 mg/g，复水率为242%，L值为36.83。经过护色液烫漂处理的红薯叶干燥后的叶绿素含量和L值较高，而经过超声处理的红薯叶干燥后复水率较高；经超声处理的红薯叶干燥速率高于护色液处理的红薯叶的，皱缩率低；经烫漂处理的红薯叶前处理能耗比超声前处理的高1.46 kJ/g，总能耗比超声预处理的低35.71 kJ/g。试验为红薯叶干燥预处理工艺提供了新思路，但仅涉及一种干燥方法，后期可对多种干燥方式进行探究以提高红薯叶的干燥效率。