红心火龙果热风干燥动力学模型及品质变化

楚文靖，盛丹梅，张 楠，于 艳，张 峰，叶双双

（黄山学院生命与环境科学学院，安徽 黄山 245041）

火龙果（Hylocereus undatus）又名红龙果、青龙果、仙蜜果、玉龙果、情人果等，为仙人掌科三角柱属植物的果实[1]。栽培品种主要有红皮白肉、红皮红肉、黄皮白肉3 种[2]，其中红肉火龙果比白肉火龙果含有更丰富的甜菜红素和酚类物质，具有更高的抗氧化活性[3-4]。火龙果是一种风味独特、多汁、营养丰富的热带、亚热带水果，富含低聚糖、膳食纤维、多种维生素和矿物质，具有降血脂、养颜、减肥和抗衰老等功效[1,5-6]。

新鲜火龙果较不耐贮藏，将其进行深加工有利于贮藏。火龙果的加工产品主要有火龙果汁、火龙果酱、火龙果酒、火龙果醋及火龙果中活性成分提取物等[7]。关于火龙果干制的报道相对较少，陈晓旭等[8]研究了不同联合干燥方式对火龙果粉品质的影响，发现中短波红外联合变温压差膨化干燥制得的火龙果粗粉和超微粉品质较优。盘喻颜等[9]研究了不同微波间歇条件对火龙果片干燥特性的影响，发现火龙果片微波间歇干燥动力学符合Page模型。热风干燥是最常见、最常用的食品干燥方法之一。然而，目前鲜见关于火龙果热风干燥特性及品质变化的相关报道。

本实验探究干燥温度和切片厚度对红心火龙果热风干燥特性的影响，并对干燥过程进行模型拟合，对比分析不同温度和切片厚度干燥产品的品质特性，以期为火龙果热风干燥参数的优化及实际干燥工艺设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

红心火龙果 安徽省黄山市屯溪区大润发超市。

甲醇、乙醇、Folin-Ciocalteu试剂、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）、2,2’-联氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐（2,2’-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)diammonium salt，ABTS）、磷酸盐缓冲液 国药集团化学试剂有限公司；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

PGFB-6型电热恒温鼓风干燥箱 吴江品格烘箱电炉制造有限公司；UV1700PC型紫外-可见分光光度计上海奥析科学仪器有限公司；TGL20MW型离心机湖南赫西仪器装备有限公司；SB-4200D型超声波清洗机宁波新芝生物科技股份有限公司；CR-400型手持色差仪日本柯尼卡美能达公司。

1.3 方法

1.3.1 火龙果的干燥

取新鲜火龙果原料，清洗、去皮，切片厚度分别为6、8、10、12 mm，取大小均匀的火龙果切片用于实验。将火龙果片按不同厚度取相同片数称质量，然后分散于不锈钢烘盘上；分别在干燥温度为50、60、70、80 ℃的电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥，每隔1 h取样测定样品质量。

1.3.2 干燥特性指标的测定

干燥过程中干基水分含量的测定参考GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》中直接干燥法进行，计算如式（1）所示。

式中：Ct为t时刻样品的干基水分含量/（g/g）；mt为t时刻样品的质量/g；m为样品干燥后的质量/g。

水分比（moisture ratio，MR）按式（2）[10]计算。

式中：Ct为t时刻样品的干基水分含量/（g/g）；C0为初始时刻样品的干基水分含量/（g/g）；Ce为干燥平衡时样品的干基水分含量/（g/g）。

干燥速率按式（3）[11]计算。

式中：DR为干燥速率/（g/（g·h））；C1和C2分别为干燥到t1和t2时刻红心火龙果片的干基水分含量/（g/g）。

1.3.3 有效水分扩散系数的计算

有效水分扩散系数（Deff）[12]可以通过测定物料的干燥曲线，结合Fick方程和Arrhenius方程进行计算，在理想状态下Fick方程经简化后如式（4）所示，为线性方程；通过ln MR对时间t作图，拟合直线方程，得到斜率k0，用式（5）计算Deff。

式中：Deff为有效水分扩散系数/（m2/s）；L为火龙果切片厚度的一半/m；t为干燥时间/s。

1.3.4 活化能的计算

物料Deff和干燥温度的关系可以用Arrhenius方程（式（6））[13]表示。

式中：D0为物料中的扩散常数/（m2/s）；Ea为物料的干燥活化能/（kJ/mol）；R为气体摩尔常数（8.314 472 J/（mol·K））；T为物料的干燥温度/℃。

对公式（6）两边取自然对数得式（7），由式（7）可知ln Deff与1/（T＋273.15）呈线性关系，经拟合直线方程可得斜率－Ea/R，从而计算。

1.3.5 干燥模型

建立干燥模型对研究干燥变化规律、预测干燥工艺参数有重要作用。目前，用来描述食品干燥过程的模型一般有3 种[15]，即指数模型（Lewis模型）、单项扩散模型（Henderson模型）和Page模型。根据文献[16-18]，蔬菜、水果干燥适用Page模型（式（8））。

式中：t为干燥时间/h；k、n为待定系数。

为便于分析，将Page模型取对数得到线性模型，如式（9）所示。

分别作不同火龙果片厚度、干燥温度下的（－ln MR）-t关系曲线和（ln（－ln MR））-ln t关系曲线，得到斜率n和截距ln k。

1.3.6 色泽测定

用CR-400型手持色差仪测定干燥后红心火龙果的色泽，其中CIELAB为色泽空间，记录L*、a*、b*值。L*值代表亮度从黑（L*＝0）到白（L*＝100）；a*值代表红绿度从绿（－）到红（＋）；b*值代表黄蓝度从蓝（－）到黄（＋）。

1.3.7 总酚含量的测定

总酚含量采用Folin-Ciocalteu法[19]测定。准确称取1.00 g红心火龙果粉，加入25 mL体积分数80%乙醇溶液，室温下超声提取20 min，离心，取上清液400 μL，依次加入10 mL蒸馏水、1 mL 1 mol/L Folin-Ciocalteu试剂、2 mL质量分数20%碳酸钠溶液，定容到25 mL，混匀。避光反应1 h，在760 nm波长处测定吸光度。利用没食子酸作标准曲线，结果表示为每克样品中没食子酸的质量。

1.3.8 抗氧化活性测定

按照1.3.7节方法获得火龙果粉提取液，DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除能力采用比色法[20-21]测定。

1.4 数据统计与分析

数据采用平均值±标准差表示。用SPSS 21软件进行数据统计分析和方差分析，用Origin 8.5软件进行图形的绘制和模型拟合。

2 结果与分析

2.1 火龙果片热风干燥特性

2.1.1 切片厚度对火龙果片干燥特性的影响

图1为70 ℃下不同厚度红心火龙果片的热风干燥曲线和干燥速率曲线，其余温度下的干燥曲线和干燥速率曲线趋势与70 ℃相似。由图1A可知，随着干燥的进行，干基水分含量逐渐减小；随着火龙果片厚度的减小，干燥时间缩短。6 mm厚的火龙果片70 ℃下热风干燥仅需6 h。

图1 不同厚度火龙果片干燥曲线（A）及干燥速率曲线（B）Fig. 1 Drying curves (A) and drying rate curves (B) of pitaya slices of different thicknesses

由图1B可知，干燥的初期干燥速率最快，出现峰值。随后，干燥速率随干基水分含量的减小而缓慢减小，出现长时间的降速干燥阶段，这与莲子[22]、杏鲍菇[23]和竹笋[24]等热风干燥的结果类似。干燥初期，火龙果表面水分快速向周围空气蒸发，干燥速率增加。当表面水分减少到一定程度后，物料内部的水分扩散成为影响干燥的主要因素。火龙果片厚度越小，内部水分迁移到表面的距离就越短，干燥速率越快。对于一定体积的物料来说，厚度越小，与干燥空气接触的相对表面积越大，干燥越迅速[24]。

2.1.2 干燥温度对火龙果片干燥特性的影响

图2 不同干燥温度火龙果片干燥曲线（A）和干燥速率曲线（B）Fig. 2 Drying curves (A) and drying rate curves (B) of pitaya slices at different temperatures

图2 为8 mm的红心火龙果片在不同温度下的热风干燥曲线和干燥速率曲线，其余厚度下的干燥曲线和干燥速率曲线趋势与8 mm火龙果片相似。由图2A可知，随着干燥的进行，干基水分含量逐渐减小。在50～80 ℃干燥时，随着干燥温度的升高，干基水分含量下降速率加快，降低到同一水平时所需的时间明显缩短。

由图2B可知，干燥初始阶段，干燥速率迅速达到最大，然后逐渐下降。除去起始阶段，整个过程可看成降速干燥，且温度越高，降速阶段越明显。干燥过程中，火龙果表面水分含量减少，内部传质和传热阻力不断增加，水分从表面蒸发到空气的速率和从内部迁移到表面的速率也随之降低，故干燥速率也降低。80 ℃的干燥速率高于其他干燥温度，可能的原因是在50～80 ℃干燥时，温度越高，火龙果表面水分蒸发量越多，表面含水量越低，内部与表层之间形成了水分梯度，更有利于内部水分向表层的迁移。

2.2 火龙果片的热风干燥动力学模型

为了建立火龙果片的最佳热风干燥模型，分别作不同火龙果片厚度和干燥温度下的（－ln MR）-t关系曲线和（ln（－ln MR））-lnt关系曲线（图3、4）。

图3 不同厚度火龙果片（－ln MR）-t关系曲线（A）及（ln（－ln MR））-ln t关系曲线（B）Fig. 3 Relationship between −ln MR and t (A) and relationship between ln (−ln MR) and ln t (B) at different slice thicknesses

图4 不同干燥温度下（－ln MR）-t关系曲线（A）及（ln（－ln MR））-ln t关系曲线（B）Fig. 4 Relationship between −ln MR and t (A) and relationship between ln (−ln MR) and ln t (B) at different hot air temperatures

由图3A、4A可知，－ln MR与t呈现非线性关系；由图3B、4B可知，（ln（－ln MR））与lnt呈线性关系，故可以选择Page模型作为火龙果片热风干燥动力学模型。lnk和n分别按式（10）、（11）计算。

式中：H为火龙果片厚度/mm；T为干燥温度/℃；a、b、c、d、e、f、g、h、i、j为待定系数。将式（10）、（11）代入式（9）得到式（12）。

将热风干燥过程中不同时间下的水分比代入Page模型得到不同厚度和干燥温度下的Page模型系数（表1）。

表1 不同厚度和干燥温度下火龙果片的Page模型系数Table 1 Page equation coefficients at different slice thickness and drying temperatures

将表1中各项系数代入式（10）、（11）计算得到系数如下：a＝－0.925、b＝0.032、c＝－5.699×10－5、d＝－0.464、e＝0.021、f＝－1.714、g＝0.103、h＝0、i＝－0.057、j＝0.003。将各项系数代入式（12）得到红心火龙果片热风干燥模型的回归方程（式（13））。

经检验，该模型R2＝0.919、F＝470.216、P＜0.001，能够较好地描述不同切片厚度、不同干燥温度下火龙果片的热风干燥过程。

2.3 火龙果片热风干燥动力学模型的验证

由图5可以看出，实验值与模型预测值的拟合度较高，Pearson相关系数为0.998，二者显著相关（P＜0.05），说明Page模型能够较好地反映红心火龙果片热风干燥中水分比的变化规律，适合描述实验条件下火龙果片热风干燥过程。

图5 相同干燥条件下火龙果片MR的实验值与预测值Fig. 5 Experimental values versus predicted values of moisture ratio under the same drying conditions

2.4 干燥过程中火龙果片的Deff和Ea

表2 干燥过程中火龙果片的Deff和EaTable 2 Moisture effective diffusion coefficients and activation energy during drying of pitaya slices

Deff和Ea是衡量干燥过程物料脱水能力的重要指标。Deff越高，其脱水能力越强，水分扩散所需要的Ea越低[25]。由表2可知，不同厚度、不同温度对应的Deff不同，其值在3.537 4×10－10～19.942 6×10－10m2/s之间。厚度固定时，红心火龙果片Deff随着干燥温度的提高而增大。8 mm厚火龙果片在80 ℃干燥时的Deff约是50 ℃干燥时Deff的3 倍。干燥温度固定时，Deff随着切片厚度的增加而增大。70 ℃干燥时，12 mm厚火龙果片的Deff约是6 mm厚火龙果片Deff的2 倍。厚度为6、8、10、12 mm的火龙果片热风干燥对应的Ea分别为32.985 7、27.086 1、26.889 4、17.792 9 kJ/mol。不同厚度的火龙果片Ea不同，这与南瓜红外干燥的研究结果[26]一致。

2.5 热风干燥温度对火龙果片总酚含量、抗氧化能力和色泽的影响

由表3可知，切片厚度恒定（8 mm），干燥温度对火龙果片的总酚含量和抗氧化活性有显著影响（P＜0.05）。随着干燥温度的增加，总酚含量有增加的趋势，70 ℃和80 ℃条件下火龙果片的总酚含量明显高于50 ℃。这可能是因为低温（50 ℃）干燥时多酚氧化酶未完全失活[27]，导致酚类物质分解较多。较低温度（50 ℃或60 ℃）干燥火龙果片的抗氧化活性比较高温度（70 ℃或80 ℃）干燥得到的火龙果片低，可能和产品的总酚含量有关。由表3还可得出，干燥温度对火龙果片色泽（L*、a*、b*值）的影响不显著，不同温度下的干燥产品色泽无显著差异。

表3 干燥温度对火龙果片总酚含量、抗氧化能力和色泽的影响Table 3 Effects of different drying temperatures on total phenol content, antioxidant activity and color of dried pitaya slices

2.6 切片厚度对火龙果片总酚含量、抗氧化活性和色泽的影响

表4 切片厚度对火龙果片总酚含量、抗氧化活性和色泽的影响Table 4 Effects of different thicknesses on total phenol content,antioxidant activity and color of dried pitaya slices

由表4可知，干燥温度恒定（70 ℃），切片厚度对火龙果片的总酚含量和抗氧化活性有显著影响（P＜0.05）。切片厚度为6 mm与8 mm的火龙果片总酚含量和抗氧化活性无显著差异，但优于切片厚度为10 mm和12 mm的样品。这可能是因为较厚的火龙果片需要的干燥时间长，在高温下长时间干燥过程中，酚类物质发生分解、聚合等反应。由表4还可得出，红心火龙果片70 ℃热风干燥时，切片厚度对其制品色泽（L*、a*、b*值）影响不显著，不同切片厚度的干燥产品色泽无显著差异。

3 结 论

不同厚度、不同干燥温度下，红心火龙果片的热风干燥曲线呈现基本相同的变化趋势，干燥初始阶段有明显的升速过程，除去起始阶段，整个过程可看成降速干燥过程。Page模型能较好地表达和预测红心火龙果片干燥任意时刻（t）水分比（MR）随厚度（H）和干燥温度（T）的变化情况，拟合方程为ln（－ln MR）＝－0.925＋0.032 T－5.699×10－5T2－0.464H＋0.021H2＋（－1.714＋0.103T－0.057H＋0.003H2）ln t。红心火龙果片的Deff在3.537 4×10－10～19.942 6×10－10m2/s之间；厚度为6、8、10、12 mm时，对应的Ea分别为32.985 7、27.086 1、26.889 4、17.792 9 kJ/mol。在干燥温度70 ℃、切片厚度6 mm、干燥时间6 h下，红心火龙果片的总酚含量和抗氧化能力较高。干燥温度和切片厚度对红心火龙果片的色泽影响不显著。