不同干燥方式联合熟化处理对板栗粉品质特性及微观结构的影响

薛艾莲，夏晓霞，寇福兵，冉 欢，雷小娟，赵吉春,2，曾凯芳,2，明 建,2,*

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.西南大学食品贮藏与物流研究中心，重庆 400715）

板栗为壳斗科（Fagaceae）栗属（Castanea）植物，原产于中国，具有3 000多年的种植历史，是我国重要的食用坚果和经济作物资源[1]。板栗口感鲜美，风味独特，其脂肪和蛋白质含量较低，淀粉含量约为70%，富含维生素、膳食纤维及矿物质元素（钾、磷和镁），素有“木本粮食”“铁杆庄稼”之美誉[2]。但新鲜板栗水分含量较高、新陈代谢旺盛，且被致密内皮和外壳紧密包裹，在贮藏和运输过程中易出现发芽、霉烂等现象，不宜久藏，因此需对新鲜板栗进行适度加工处理以保持其较好的品质特性[3]。干燥后制粉是一种常见的食品加工处理方式，将板栗干燥处理得到干制板栗片后再粉碎成粉末不仅能延长板栗的贮藏期，还可以作为原料生产速溶即食板栗粉或作为辅料添加到各种食品中，拓宽了板栗在食品行业中的应用范围[4-5]。

研究表明，影响板栗粉品质特性和微观结构的主要加工工序可能是熟化和干燥处理。目前常见的板栗熟化处理方式有沸水蒸煮、高压蒸制、烤制和微波等。研究表明，熟化板栗粉的吸水能力显著高于未熟化产物[6]。Gonçalves等[7]研究发现，与烘烤熟化相比，蒸煮熟化处理的板栗粉中脂肪、没食子酸和鞣花酸含量均较高。常见的用于干燥板栗的方式有自然风干[8]、热风干燥（hot air drying，HAD）[9]、真空冷冻干燥（vacuum freeze drying，VFD）[10]、微波干燥[11]和微波真空干燥[12]等。其中，HAD操作简单、成本低，但干燥时间长，对物料中的营养成分破坏较严重；VFD虽能较完整地保留营养物质，产品色泽更佳，但也存在工业成本高等问题；气体射流冲击干燥（air-impingement jet drying，AJID）、真空射频干燥（radio frequency-vacuum drying，RFVD）等是近年来出现的新型干燥技术。研究表明，AJID的传热系数比HAD高，因此脱水速率更快，且产品具有更高的多酚含量[13]。真空射频技术是将射频能量直接作用于物料内部来进行快速加热，与HAD相比，其加热均匀性更好且具有显著的杀虫灭菌效果，已应用于猕猴桃的干燥处理[14]。不同干燥方式对果蔬粉品质产生不同影响。

目前，气体射流冲击技术已被应用于板栗干燥过程，但关于RFVD板栗的研究较为少见，此外，关于系统比较不同干燥方式联合熟化处理对板栗粉品质特性及微观结构影响的研究也鲜见报道。因此，本实验对新鲜板栗及经熟化处理的板栗分别采用热风、真空冷冻、真空射频和气体射流冲击4种干燥方式加工制备板栗粉，分析熟化处理及干燥方式对板栗粉品质特性及微观组织结构的影响，以期为板栗粉制备提供更多理论参考，为拓宽板栗应用范围、提升板栗加工利用效益提供新思路。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜板栗由广州粒上皇食品有限公司提供，运回实验室后于温度（4f1）℃、相对湿度（85f5）%的冷库中贮藏备用。挑选无霉变、无虫蛀的完整板栗用于干燥实验。

没食子酸、福林-酚等试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱 上海齐欣科学仪器有限公司；SCIENTZ-20F冷冻干燥机、XHF-DY高速分散器 宁波新芝生物科技股份有限公司；GJS-3-27-JY射频真空干燥系统 河北华氏纪元高频设备有限公司；AJID机由长江师范学院食品工艺实验室制作；多功能粉碎机 永康市兆申电器有限公司；RE-52AA旋转蒸发器上海亚荣生化仪器厂；TGL-18MS高速冷冻离心机 上海卢湘仪离心机仪器有限公司；Mastersizer 3000激光粒度仪英国马尔文帕纳科公司；Spectrum100傅里叶变换红外光谱仪、DSC25差示扫描量热仪 美国珀金埃尔默股份有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

新鲜板栗清洗干净、去壳去衣后切成5 mm左右的薄片，置于质量分数0.1%抗坏血酸溶液中浸泡护色30 min，清水漂洗后不经熟化直接进行干燥处理以制备板栗生粉；新鲜板栗清洗干净，置于沸水中煮制15 min，去壳去衣后切成5 mm左右的薄片，清水漂洗后进行干燥处理以制备板栗熟粉。

1.3.2 干燥处理

分别采用HAD、VFD、RFVD和AJID对未做处理和经熟化处理的板栗薄片进行干燥。4种干燥方式的条件设置如下：1）HAD：将板栗薄片置于不锈钢盘中，于60 ℃电热恒温鼓风干燥箱中恒温干燥至水分含量为10%；2）VFD：将板栗薄片置于不锈钢盘中，于－40 ℃预冷冻24 h，置于冷阱温度为－40 ℃、真空度为50 Pa条件下干燥36 h，之后进行升温，升温程序为－40 ℃（3 h）、－30 ℃（2 h）、－20 ℃（2 h）、－10 ℃（6 h）、0 ℃（5 h）、10 ℃（6 h）、20 ℃（5 h）、30 ℃（7 h）；3）RFVD：将板栗薄片均匀放置在3 个带孔聚丙烯容器内，堆叠放置在一起；使用3 kW、27.12 MHz RFVD系统进行板栗的干燥实验，设置物料温度为60 ℃，极板间距为110.0 mm、真空罐内压力为0.02 MPa、电场强度为3.84h104V/m；4）AJID：将板栗薄片均匀地单层平铺于射流干燥室的不锈钢网盒内进行干燥，切片厚度为5 mm，设置AJID温度为60 ℃，风速为8 m/s。

当物料的水分质量分数降至10%时即干燥结束，每次取等量板栗片置于多功能粉碎机中粉碎，过100 目筛后分别得到板栗生粉和熟粉，密封置于干燥器中保存。

1.3.3 主要成分测定

水分质量分数根据GB 5009.3ü2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》[15]中的直接干燥法进行测定；还原糖含量根据GB 5009.7ü2016《食品安全国家标准 食品中还原糖的测定》[16]中的直接滴定法进行测定；淀粉含量根据GB 5009.9ü2016《食品安全国家标准 食品中淀粉的测定》[17]中的酸水解法进行测定；脂肪含量根据GB 5009.6ü2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》[18]中的索氏抽提法进行测定。以上每组样品的各项成分指标均重复测定3 次取平均值。

1.3.4 多酚含量测定

游离酚和结合酚提取参考Okarter[19]和Adom[20]等的方法，根据实验室条件稍作修改，多酚含量测定采用福林-酚法[21]。取200 μL多酚提取液，加800 μL蒸馏水，再加200 μL福林-酚试剂，混匀，静置6 min，再加2 mL 7% Na2CO3和1.6 mL蒸馏水，避光放置90 min，采用酶标仪于760 nm波长处测定吸光度。以没食子酸为标准品绘制标准曲线，得回归方程：y＝0.002 3x＋0.062 2（R2＝0.999 5），多酚含量以每克干样品中所含没食子酸质量表示，单位为mg/g。

1.3.5 堆积密度测定

堆积密度的测定参照刘岩龙等[22]的方法并稍作修改，称取2 g板栗粉置于10 mL量筒中，振实至量筒内的物料体积不再变化，记录物料体积，每个样品重复测定3 次取平均值，堆积密度采用式（1）计算。

式中：m为干粉质量/g；V为物料体积/mL。

1.3.6 持水性和持油性测定

持水性、持油性的测定参照吴兴雨等[23]的方法，分别称取约0.5 g样品置于100 mL离心管中，加入20 mL蒸馏水，玻璃棒搅拌均匀，在6 000 r/min条件下离心15 min，去除上清液后将离心管倒置2 min，称量离心管与沉淀的总质量；每个样品重复测定3 次取平均值，持水性采用式（2）计算。持油性的测定方法同持水性，将蒸馏水替换为油即可。

式中：m1为干粉样品质量/g；m2为离心管和干粉样品总质量/g；m3为离心去水/油后离心管和样品总质量/g。

1.3.7 色泽测定

采用CM-5型色差仪分别测定板栗生粉和熟粉的L*、a*、b*值，ΔE代表被测粉体的色泽（L*、a*、b*）与标准白板的色差。每个样品重复测定3 次取平均值，采用式（3）计算ΔE。

式中：L0、a0、b0分别代表标准白板的亮度、红绿度、黄蓝度；L*、a*、b*分别代表被测样品的亮度、红绿度、黄蓝度。

1.3.8 粒径及离散度测定

采用Mastersizer 3000型激光粒度仪测定板栗粉的粒径D10（10%的粉体可以通过的粒径）、D50（50%的粉体可以通过的粒径）、D90（90%的粉体可以通过的粒径）和比表面积，并通过计算粒径分布的离散度来评价板栗粉粒径的大小，每个样品重复测定3 次取平均值。

1.3.9 傅里叶变换红外光谱测定

取少量待测板栗粉样品置于Spectrum100傅里叶变换红外光谱仪的样品台上，在扫描波数为4 000～400 cm－1、光谱分辨率为0.01 cm－1的条件下进行扫描。

1.3.10 X射线衍射测定

将板栗粉样品在室温下平衡24 h后，进行X射线衍射分析。特征射线为Cu靶，管压为40 kV，电流40 mA。测试范围为10°～80°，步长为0.02°，扫描速率为2（°）/min。

1.3.11 热力学特性测定

采用差示扫描量热仪（differential scanning calorimeter，DSC）测定板栗粉的热性质。精确称取3 mg的板栗粉样品置于DSC专用铝盒中，加入6 μL纯水使样品质量不超过10 mg，用压片器压片密封，以空铝盒作为参比。测试程序：扫描温度以10 ℃/min从30 ℃加热至150 ℃，氮气流速为50 mL/min。

1.3.12 微观结构观察

采用SEM对板栗粉样品进行表观形貌观察，取少量板栗粉样品均匀平铺于贴有双面胶的扫描电子显微镜专用铝载物台上，吹去多余样品并进行喷金处理，置于扫描电子显微镜下观察板栗生粉和熟粉5 000 倍的微观结构，拍照保存。

1.4 数据处理与分析

应用Origin 9.5软件绘制图表，SPSS 18.0软件进行单因素ANOVA显著性差异分析，P＜0.05表示差异显著。所有实验均重复3 次，统计结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式对板栗粉主要成分的影响

水分含量作为判定干粉贮藏品质的一项重要指标，含量越高表明干粉易结块且易发生霉变[24]。由表1可知，不同干燥方式制备板栗粉的水分含量存在一定的差异，VFD制备的板栗生粉水分质量分数为（3.01f0.09）%，显著低于其他3种干燥方式（P＜0.05）。经熟化处理后，VFD制备的板栗熟粉的水分质量分数最低，为（4.29f0.03）%，可能是受熟化过程中水蒸气的影响，使得水分质量分数较生粉略有变化[25]。上述结果表明VFD处理的板栗粉水分含量最低，因此有利于干粉贮藏。由表1可知，不同干燥方式处理板栗生粉中还原糖含量差异显著（P＜0.05），而板栗熟粉间的含量无显著差异。VFD制备板栗粉的淀粉含量均较高，表明低温和真空条件使淀粉得到较好的保留，这与Zhang Le等[10]的研究结果一致。HAD和VFD制备的板栗熟粉淀粉含量较生粉有所降低，这可能与熟化过程中淀粉的降解有关[26]。由表1可知，不同干燥方式制备板栗粉的脂肪含量差异达到显著水平，其中VFD制备的板栗生、熟粉脂肪含量均最低。

表1 不同干燥方式制备的板栗粉主要成分Table 1 Major components of chestnut powder prepared by different drying methods

2.2 不同干燥方式对板栗粉多酚含量的影响

研究表明酚类物质在植物中主要以游离态和结合态两种形式存在[27]。如表2所示，VFD制备的板栗生粉的结合酚含量显著高于其他3种干燥方式样品（P＜0.05），表明低温和真空条件能有效抑制多酚氧化酶活性，减少多酚物质的转化，降低对多酚物质的破坏程度，这与符群等[28]的研究结果一致。对板栗进行熟化处理后，VFD制备的板栗熟粉的游离酚含量最高，且其含量较生粉有所增加，推测可能与酚类物质和淀粉等营养成分间的相互作用有关；其他3种干燥方式制备板栗熟粉中的游离酚含量较生粉均降低，这可能是由于多酚类物质的热稳定性较差，在蒸煮过程中易发生降解从而使多酚提取量降低；熟粉中结合酚含量增加，这可能是因为熟化过程破坏了细胞结构使得结合酚释放量增加[29]。

表2 不同干燥方式制备的板栗粉多酚含量Table 2 Polyphenol contents of chestnut powder prepared by different drying methods

2.3 不同干燥方式对板栗粉堆积密度的影响

堆积密度是评价粉体加工特性的一项重要指标，能够反映物料的多孔性结构[30]。由图1A可知，AJID处理的板栗生粉的堆积密度显著高于其他3种干燥方式（P＜0.05），推测可能是具有较高风速的气体冲击在物料表面，使得物料部分塌陷，体积收缩，因此其堆积密度较高；VFD制备的生、熟粉堆积密度均最小，在VFD过程中，干燥温度较低，脱水效果较好，使得粉体表面呈现疏松多孔结构，堆积时产生一定空隙，所以堆积密度最低。如图1B所示，经熟化处理后，板栗熟粉的堆积密度较生粉略有升高；其中RFVD处理的板栗熟粉的堆积密度最高，推测可能是当射频能量穿透进入物料时，使物料温度快速升高，引起部分板栗发生碳化，从而使堆积密度变高。堆积密度越高，粉体的包装和运输成本越低，综上，熟化处理可提高粉体的堆积密度，使得产品的包装和运输成本较低，因此具有较高的经济价值。

图1 不同干燥方式对板栗粉堆积密度的影响Fig. 1 Effects of different drying methods on bulk density of chestnut powder

2.4 不同干燥方式对板栗粉持水性、持油性的影响

持水性反映了粉体对水分的束缚能力。由图2A可知，VFD制备的板栗生粉持水性显著低于其他3种干燥方式（P＜0.05），可能是由于VFD生粉的粉体粒径小，因此对水分的束缚能力较弱。经熟化处理后，不同干燥方式制备的板栗熟粉的持水性均增加（图2B），这与Sanchiz等[31]研究结果一致。持油性反映了粉体与游离油脂结合的能力。由图3A可知，AJID制备的板栗生粉的持油性显著高于其他3种干燥方式（P＜0.05），表明AJID生粉对油脂的吸收和保留能力更强；经熟化处理后，VFD、RFVD和AJID制备的熟粉的持油性较生粉均降低，这可能是由于热处理后粉体颗粒体积增大，表面急剧收缩使得空隙通路受阻，且热处理在一定程度上破坏了蛋白质结构，因此不利于粉体对油脂的吸附[32]。

图2 不同干燥方式对板栗粉持水性的影响Fig. 2 Effects of different drying methods on water-holding capacity of chestnut powder

图3 不同干燥方式对板栗粉持油性的影响Fig. 3 Effects of different drying methods on oil-holding capacity of chestnut powder

2.5 不同干燥方式对板栗粉色泽的影响

利用色差仪可以更加准确且客观地判定粉体的色泽[33]。由表3可知，不同干燥方式处理对板栗粉色泽的影响具有显著差异（P＜0.05）。其中VFD处理的板栗粉亮度L*值最高，分别为94.76f0.24和87.24f0.04。不同干燥方式处理的板栗粉a*、b*值均存在显著差异。ΔE代表粉体的色泽变化，RFVD处理的板栗熟粉ΔE显著高于其他3种干燥方式（P＜0.05），在射频干燥过程中由于内部加热易形成一些局部热点，可能导致物料局部烧焦，因此粉体色泽变化较大[34]。经熟化处理后，板栗粉L*值均减小，b*值均增大，可能是在热加工过程中板栗薄片发生美拉德反应生成黑蛋白素或引起了酚类物质的自动氧化，导致粉体色泽较差且颜色偏黄[7]。上述结果表明，VFD处理的板栗粉其亮度最大且色泽较白，VFD能够更好地保持产品原有的色泽。

表3 不同干燥方式对板栗粉色泽的影响Table 3 Color parameters of chestnut powder prepared by different drying methods

2.6 不同干燥方式对板栗粉粒径特性的影响

粒径大小（D10、D50、D90）、离散度和比表面积是反映粉体粒径特性的直接指标。由表4可知，VFD处理的板栗粉的D90最小且均小于100 μm，表明VFD制备的板栗粉达到了超微粉级别[35]。离散度用于表征粉体粒度的分布均匀程度，其数值越小表明粉体分布越均匀[36]。不同干燥方式处理板栗粉的离散度具有显著差异，其中RFVD处理的板栗生粉的离散度最小，表明射频干燥处理后物料中水分分布相对均匀，因此粉体分布较均匀。比表面积用于表征粉体的粒径大小，其数值越大表明粉体颗粒越小[33]。VFD处理板栗粉的比表面积均显著高于其他3种干燥方式（P＜0.05）。此外，由于HAD和RFVD时间较长，引起部分物料表面皱缩硬化，因此粉体粒径相对较大。板栗粉经熟化处理后的离散度和比表面积均降低。上述结果表明，VFD处理的板栗生、熟粉的颗粒最小且分布较均匀，熟化处理会降低粉体的分布均匀程度。

表4 不同干燥方式对板栗粉粒径和比表面积的影响Table 4 Effects of different drying methods on particle size and specific surface area of chestnut powder

2.7 不同干燥方式制备的板栗粉的傅里叶变换红外光谱

特征吸收峰波数在800 cm－1以下为葡萄糖吡喃环的骨架振动；波数在1 146 cm－1附近所产生的吸收峰为醇羟基中的CüO、CüC伸缩振动；在1 637 cm－1附近存在一个较强的吸收峰，与淀粉无定型区的醛基C＝O伸缩振动有关；在2 924 cm－1附近存在一个中等强度的吸收峰，代表葡萄糖结构中CH2发生伸缩振动；在3 600～3 000 cm－1范围内观察到一个宽而强的吸收峰，即3 282 cm－1附近的吸收峰，主要是由于板栗淀粉分子内部或分子间发生OüH结构的不对称伸缩振动而产生[8,37]。综合图4和上述结果分析，不同干燥方式处理的板栗粉在4 000～400 cm－1范围内具有相同的FTIR吸收峰，且没有发生某个峰消失或出现新的吸收峰，表明熟化处理对板栗粉中的官能团无影响。

图4 不同干燥方式制备的板栗粉的傅里叶红外变换光谱Fig. 4 Fourier transform infrared spectra of chestnut powder prepared by different drying methods

2.8 不同干燥方式制备的板栗粉的X射线衍射图谱

大多数研究表明，根据X射线衍射图谱可以将淀粉晶型分为A、B、C 3种不同类型的结晶结构，典型A型结晶结构在2θ为15°、17°和23°处有特征衍射峰，B型结晶结构在2θ为15°、17°、20°处有特征衍射峰，而C型结晶结构综合了A型和B型晶体的部分特征[2,38]。由图5可知，衍射角2θ为15°、17°、19°和23°处均存在特征衍射峰，表明板栗淀粉呈现典型的C型结晶结构，且不同干燥方式处理的板栗生、熟粉在衍射角附近均具有相同的特征衍射峰；此外，板栗淀粉经熟化处理后仍保持了C型结晶结构，但由于部分糊化破坏了晶体区域，导致其特征衍射峰的强度有所减弱[25]。

图5 不同干燥方式制备的板栗粉的X射线衍射图谱Fig. 5 X-ray diffraction patterns of chestnut powder prepared by different drying methods

2.9 不同干燥方式对板栗粉热特性的影响

DSC可以获得样品在加热糊化过程中的温度参数。由图6可知，经熟化处理后能够检测到糊化峰，且峰值糊化温度较生粉均有所升高。VFD处理的板栗粉的峰值温度均最低，可能是由于真空冷冻过程中物料内部的水分由冰直接升华为水蒸气留下孔隙，使得淀粉颗粒结合较松散，因此淀粉易发生糊化。HAD和AJID处理通过热力由外向内传输，并在温度梯度推动下使水分逐渐向物料表面迁移，RFVD处理利用射频能量在物料内部产生热量向外传输，使水分逐渐向外迁移，在干燥过程中淀粉分子间结合更紧密，因此糊化需要较高的温度[39]。

图6 不同干燥方式制备的板栗粉的热力学曲线Fig. 6 Thermal parameters of chestnut powder prepared by different drying methods

2.10 不同干燥方式对板栗粉微观结构的影响

如图7所示，不同干燥方式对板栗粉的微观结构有很大影响，HAD和RFVD处理的板栗生粉颗粒大多呈不规则圆球形结构，且颗粒的形状大小不一，周围还附着有较小的片状物，HAD处理的板栗生粉颗粒同样分布不均[33]。VFD处理的板栗生粉呈不规则大片层状结构，颗粒大小分布较均匀，可能是由于物料在低温状态下彼此密切接触形成冰晶，分子间的静电、疏水相互作用甚至共价键增强从而导致物料聚集[40]。此外，VFD处理的板栗生粉表面较光滑且有较小的颗粒附着。AJID处理的板栗生粉颗粒部分呈不规则大块状结构，另有部分为片层状和形状大小不一的圆球形结构。经熟化处理后制备的板栗熟粉颗粒形状呈不规则圆球形，粉体颗粒更膨胀，这可能是热处理后的淀粉颗粒在无定形区吸水，使得淀粉颗粒体积增大；同时板栗熟粉颗粒表面折叠起皱、变得粗糙，其中RFVD处理的板栗熟粉颗粒表面褶皱数量增加，且有较小的片状物附着[25]。

图7 不同干燥方式制备的板栗粉的SEM图（×5 000）Fig. 7 Scanning electron micrographs of chestnut powder by different drying methods (× 5 000)

3 结 论

利用熟化处理联合不同干燥方式制备板栗生、熟粉，比较粉体理化品质、功能特性和结构表征的差异，结果表明，VFD制备的板栗生、熟粉的水分质量分数最低；AJID制备的板栗生粉的还原糖含量最高；VFD制备的板栗生粉的淀粉含量最高；对板栗进行熟化处理后，不同干燥方式制备的板栗熟粉的还原糖含量均明显降低；不同干燥方式制备的熟粉的堆积密度明显高于生粉，表明熟粉用于包装运输的成本更低。VFD处理的板栗粉亮度最大，色泽较白，颗粒最小且呈大片层状结构均匀分布；熟化处理降低了粉体的分布均匀程度，且不同干燥方式制备的熟粉颗粒形状均呈不规则圆球形，体积发生膨胀，表面出现折叠或起皱。通过傅里叶变换红外光谱图和X射线衍射图谱分析可知，经熟化处理和不同干燥方式制备的板栗粉主要特征性吸收峰无显著差异，C型晶体结构也不会发生改变。

综上所述，熟化处理联合不同干燥方式对板栗粉的品质特性和微观结构均有一定影响，VFD处理可以较好地保持粉体原有的色泽，对营养物质的破坏较小，但在实际工业生产中，VFD耗时长且成本较高，不适合大批量生产板栗粉；而AJID和RFVD制备的板栗粉虽色泽不佳，但还原糖含量较高，其中，RFVD板栗生粉的持水性较好且粉体分布较均匀。经熟化处理后，不同干燥方式制备的熟粉营养成分存在一定程度的破坏，但持水性显著升高且包装运输成本更低，因此，具体的工业生产应用仍需结合生产成本和不同的生产需求综合考虑。