不同干燥方式对新鲜花生营养成分、理化特性及能耗的影响

朱凯阳，任广跃,2*，段续,2，李琳琳，仇彩霞

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)

花生是我国重要的经济作物、食用作物和油料作物，是人们饮食生活中植物油脂和蛋白质的重要来源[1]。然而花生的收获季节多在夏季高温多雨时，采摘后新鲜的花生含水量高，不易贮存，若不进行干燥处理，花生容易再次生芽或者发霉腐败[2]。目前我国花生干燥多以田间自然晾晒为主，该法干燥效率低、劳动强度大，且对天气的依赖程度大。我国每年因发生霉变而失去食用价值和商品价值的花生损失达全国花生总产量的10%～20%[3]。

针对新鲜花生来说，目前主要的干燥方法有自然晾晒、热风干燥(hot-air drying, HD)、热泵干燥和微波干燥(microwave drying, MD)，由于接触方式、热量来源和干燥环境等条件不同，因此干燥特性也不同。渠琛玲等[4]对花生进行常温通风干燥，结果表明常温通风干燥在阴雨天气下也能有效降低湿花生水分，同时保证了花生的质量；宋晓峰等[5]采用自然晾晒的方式对选取的6个花生品种进行干燥处理，结果表明在晾晒过程中，不同品种花生壳、籽仁干燥速度不同；籽仁干燥速度最快的品种含水量降低至安全含水量比最慢的快2 d。杨潇[6]使用新鲜花生为试验材料，进行热风干燥工艺研究，得到热风干燥最优组合参数；林子木等[7]研究热风干燥时不同干燥温度以及干燥风速对花生的影响，结果表明干燥温度、风速越高，花生干燥速率越快，且用时越短；干燥温度对花生干燥的影响大于干燥风速的影响。王安建等[8]研究了在恒定风速、不同干燥温度下热泵干燥对花生干燥特性的影响，研究发现花生热泵干燥前期，干燥速率较大，随着干基含水率的降低，花生干燥进入降速阶段,整个干燥过程无明显的恒速干燥阶段。卢映洁[9]采用热泵干燥对带壳鲜花生的水分变化和品质变化进行研究，发现在热泵干燥过程中，花生水分变化更为缓慢，对花生微观结构的破坏更小。陈霖[10]采用自制控温微波干燥设备系统，研究常规微波干燥和控温微波干燥条件下花生品质的区别，结果表明，控温微波干燥在功率1.2 W/g、温度45～50 ℃时能够最大地保证花生干燥后的品质。尽管上述的干燥方式已经能够对花生进行较好的干燥，但为获得更好的干燥效果，联合干燥方式已成为当前研究的一大热点。目前，国内外对花生干燥的研究主要集中于单一干燥方式，而在联合干燥方面的研究较为缺乏，已应用于花生联合干燥的方式有红外-喷动联合干燥[11]、热风-热泵联合干燥[9]和微波-热风联合干燥[12]，微波冷冻联合干燥在花生干燥中尚未见报道。

微波冷冻干燥(microwave vacuum freeze drying, MFD)作为获得高质量干燥产品的潜在方法，在果蔬干燥领域有着较广泛的应用[13]。本试验以微波冷冻联合干燥为主要方式对新鲜花生进行干燥，系统研究热风干燥、微波干燥以及微波冷冻干燥3种干燥方式对花生营养成分的影响，同时测定在3种干燥方式下的能耗，以期获得一种最优的干燥方式，使新鲜花生可以在干燥处理后保留更多的营养成分。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用原料为新鲜花生，品种为海花1号，购于中国花生主产地河南正阳县。试验开始前，挑选大小均匀、颗粒饱满的花生，清除泥沙后，放置于网筛中沥水30 min，恢复至初始含水率，用自封袋封装并放置于4 ℃冰箱中保存备用。HCl、甲醇钠、NaCl、H2SO4、石油醚等试剂为分析纯，国药集团。

1.2 主要仪器与设备

采用实验室自制的微波冷冻干燥机(图1)，设备功率为1 kW，在矩形谐振腔中设置独立的聚丙烯干燥腔，有效避免真空条件下的电晕放电。101型电热鼓风干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；K1100型全自动凯氏定氮仪，山东海能科学仪器有限公司；SOX500型脂肪测定仪，山东海能科学仪器有限公司；L-8800氨基酸分析仪，日本日立公司；6890BN气相色谱仪，美国安捷伦公司。

图1 微波冷冻干燥机设备简图Fig.1 Microwave freeze dryer equipment

1.3 干燥方法

花生经过不同干燥方法干燥至最终含水率为10%(干基)。干花生用粉碎机粉碎成粉，过40目筛。

1.3.1 热风干燥

采用热风干燥机对样品(500 g)进行干燥，设备功率为1.2 kW。将预处理过的样品均匀地铺在盘式干燥器的床上。热气流以1.0 m/s的速度和20%的相对湿度垂直穿过床。热空气的温度控制在60 ℃。

1.3.2 微波干燥

将预处理过的样品均匀地铺在盘式干燥器上，放入关闭制冷和真空只保留微波加热的微波冷冻干燥机中，设置微波功率200 W，采用间歇干燥法，微波每次加热10 s，间隔1 min，直至安全贮藏水分为10%以下，停止干燥。

1.3.3 微波冷冻干燥

对样本进行预处理，使样本在-20 ℃冷冻8 h，设置微波冷冻干燥机参数：真空度120 Pa；冷阱温度-40 ℃；微波功率200 W。

1.4 营养成分测定

1.4.1 粗脂肪

参照GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定 索氏抽提法》，准确称取充分混匀后的试样2～5 g(精度至0.001 g)，全部移入滤纸筒内。将滤纸筒放入索氏抽提器的抽提筒内，连接已干燥至恒重的接收瓶，由抽提器冷凝管上端加入石油醚，于水浴上加热，使无水乙醚或石油醚不断回流抽提，一般抽提6～10 h。提取结束时,用磨砂玻璃棒接取1滴提取液，磨砂玻璃棒上无油斑表明提取完毕。取下接收瓶,回收无水乙醚或石油醚，待接收瓶内溶剂剩余1～2 mL时在水浴上蒸干，再于(100±5)℃干燥1 h，放干燥器内冷却0.5 h后称量。重复以上操作直至2次称量的差不超过2 mg。

1.4.2 粗蛋白

（2）经济高速发展的同时，同步提升人民道德素质。伴随着我国经济高速发展，国民素质提升与之不匹配、不同步，在某些群体中甚至严重不匹配的问题已经成为人们的共识。西藏地区人们整体文化水平相对落后，但是网络化进程丝毫不落后与全国平均水平。2017年，西藏互联网用户总数甚至高出全国平均水平[8]。当互联网经济为藏区人民带来巨大实惠的时候，遵守法律法规的约束感、遵守经济秩序的道德感同金钱利益之间的矛盾冲突产生，网络版权保护问题凸显。对假冒、以次充好和恶意篡改等侵权行为在法律制裁、加强监管的同时，应该从根本上提升民众道德素质。

参照GB 5009.5—2016《食品中蛋白质的测定 凯氏定氮法》，称取充分混匀的固体试样0.2～2 g，精确至0.001 g，至消化管中，再加入0.4 g CuSO4、6 g K2SO4及20 mL H2SO4于消化炉进行消化。当消化炉温度达到420 ℃之后，继续消化1 h，此时消化管中的液体呈绿色透明状，取出冷却后加入50 mL水，于自动凯氏定氮仪上实现自动加液、蒸馏、滴定和记录滴定数据的过程。

1.4.3 脂肪酸

参照GB 5009.168—2016《食品中脂肪酸的测定 气相色谱法》，采用酸水解法对称取的样品进行水解，水解后的试样加入10 mL 95%乙醇，混匀。将烧瓶中的水解液转移到分液漏斗中，用50 mL乙醚石油醚混合液冲洗烧瓶和塞子，冲洗液并入分液漏斗中，加盖，振摇5 min，静置10 min，将醚层提取液收集到250 mL烧瓶中。按照以上步骤重复提取水解液3次，最后用乙醚石油醚混合液冲洗分液漏斗，并收集到250 mL烧瓶中。旋转蒸发仪浓缩至干，残留物为脂肪提取物。然后进行脂肪的皂化和脂肪酸的甲酯化，待所有准备工作完成后，上机测定。

1.4.4 氨基酸

参照GB 5009.124—2016《食品中氨基酸的测定氨基酸分析仪法》，制备样品，称取一定量的样品进行水解，根据试样的蛋白质含量，在水解管内加10～15 mL 6 mol/L HCl溶液后继续向水解管内加入苯酚3～4滴。将水解管放入冷冻剂中，冷冻3～5 min，接到真空泵上抽真空，氮吹然后将已封口的水解管放入干燥箱中水解22 h取出，冷却至室温打开水解管，将水解液过滤至50 mL容量瓶内，用少量水多次冲洗水解管,水洗液移入同一50 mL容量瓶内，最后用水定容至刻度，振荡混匀。准确吸取1.0 mL 滤液移入到15或25 mL试管内，用试管浓缩仪或平行蒸发仪在40～50 ℃加热环境下减压干燥，干燥后残留物用1～2 mL水溶解，再减压干燥，最后蒸干。用1～2 mL pH 2.2柠檬酸钠缓冲溶液加入到干燥后试管内溶解振荡混匀后，吸取溶液通过0.22 μm滤膜，转移至仪器进样瓶即为样品测定液，供仪器测定用。

1.4.5 酸价

参照GB 5009.229—2016《食品中酸价的测定 冷溶剂自动电位滴定法》，称取一定处理后的样品，加入适量的石油醚，并用磁力搅拌器充分搅拌30～60 min，使样品充分分散于石油醚中，然后在常温下静置浸提12 h以上。再用滤纸过滤，收集并合并滤液于烧瓶内，置于水浴温度不高于45 ℃的旋转蒸发仪内，将其中的石油醚彻底旋转蒸干，取残留的液体油脂作为试样进行酸价测定。

1.4.6 过氧化值(peroxide value，POV)

1.5 能耗测定

根据的WANG等[14]的方法测量干燥过程中的总能耗，计算除去花生中1 kg水所需的能耗。干燥过程中的干燥能耗计算如公式(1)所示：

(1)

式中：Q，干燥能耗，kJ/kg；P，干燥机功率，kW；t，干燥时间，h；m，样品初始质量，kg；m0，试样最终质量，kg。

1.6 数据处理

采用Excel软件对数据进行处理，Origin 8.5绘制图表，每组试验进行3次，取平均值作为最终结果。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式对花生粗蛋白和粗脂肪含量的影响

蛋白和脂肪是花生仁的主要营养成分，干燥后蛋白质占花生质量的25%～37%，脂肪占比43%～52%[15]。3种干燥方式对花生仁中粗蛋白和粗脂肪的影响如图2所示。与新鲜花生相比，干燥后花生仁的粗脂肪含量显著变化(P<0.05)，这是由于花生刚收获后的新鲜果仁含水率为55%左右，远高于干燥后果仁(含水量约为10%)，干燥去除了花生中的一部分水，使得蛋白和脂肪含量升高。由图2-a可知，3种干燥方式下花生仁粗蛋白含量差异不显著(P>0.05)，表明干燥方式对花生仁粗蛋白含量无明显影响，但有可能对蛋白的结构和蛋白的分解造成影响。有研究表明微波的非热效应可能会改变蛋白质的构象，降低生化反应的活化能，提高反应速率；还可能诱导细胞基因突变，阻断细胞正常繁殖等[16-17]，但由于食品是一个复杂的有机体，微波对生物细胞产生的一系列非热效应及相关机理还有待进一步的研究。由图2-b可知，MFD花生仁粗脂肪含量最高达45.82%，其次是HD花生粗脂肪含量为42.63%，MD花生脂肪含量最低。研究表明热风、微波都有加速脂肪的氧化和分解的作用，随着干燥时间的延长，脂肪因氧化水解造成的损失逐渐增多。其中微波干燥对脂肪的破坏更严重，可能是微波干燥存在加热不均匀，局部过热等原因，而局部的高温更加速了对花生脂肪的破坏，而热风干燥中热风具有一定的流动性，使得其干燥温度相对均匀，对脂肪的影响也相对较小。微波冷冻干燥相比于热风干燥和微波干燥，兼具干燥时间短、干燥期间物料温度低且均匀的优点，对粗脂肪影响较小，故其脂肪保留率也最高。

a-粗蛋白；b-粗脂肪图2 不同干燥方式对花生粗蛋白及粗脂肪干基含量的影响Fig.2 Effects of different drying methods on the dry basis content of protein and fat of peanuts注：不同小写字母表示不同处理组间差异显著(P<0.05)(下同)

2.2 不同干燥方式对花生脂肪酸含量的影响

花生中饱和脂肪酸(saturated fatty acid，SFA)及不饱和脂肪酸(unsaturated fatty acid，UFA)占总脂肪酸的百分含量如图3所示。

a-饱和脂肪酸；b-不饱和脂肪酸图3 不同干燥方式对花生饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸含量的影响Fig.3 Effects of different drying methods on the contents of saturated fatty acid and unsaturated fatty acid in peanuts

干燥后花生的饱和脂肪酸含量无显著变化，不饱和脂肪酸含量显著低于新鲜花生，经热风、微波、微波冷冻干燥处理后，不饱和脂肪酸含量分别降低了9.02%、10.28%、6.03%。干燥过程中的温度、氧气、含水量、微波等条件变化都会引起花生仁中脂肪酸发生不同程度的化学反应，特别是单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acid，MUFA)和多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，PUFA)，因含有碳碳双键，其稳定性要远远低于饱和脂肪酸，极易发生氧化反应而损失[18]。

3种不同干燥方式处理后得到的花生仁中8种主要脂肪酸的相对含量由高到低分别是油酸、亚油酸、棕榈酸、硬脂酸、二十二烷酸、花生酸、二十四烷酸、花生烯酸。从不饱和脂肪酸的质量分数来看，与新鲜花生仁相比，经过干燥处理后的花生仁MUFA和PUFA都显著降低(P<0.05)，其中PUFA含量的降低更为显著，这可能是因为相对于MUFA，PUFA含有更多的碳碳双键，因此更容易发生氧化损伤。对比3种不同干燥方式干燥的花生，MFD花生的不饱和脂肪酸含量相对较高，MD花生不饱和脂肪酸含量最低。热风和微波的作用都会加速不饱和脂肪酸的氧化分解，微波从花生内部加热，在干燥前期使物料快速升温预热而节约干燥时间，但是单纯的微波干燥还存在加热不均匀导致局部过热和排湿较慢等问题，高温高湿环境使得不饱和脂肪酸更容易被氧化，故MD花生不饱和脂肪酸损失最多；而微波冷冻干燥综合了微波快速升温和冷冻保持较低的温度优势，缩短物料干燥时间，减少干燥过程中对脂肪酸的破坏，故干燥时间最短的MFD花生不饱和脂肪酸含量保存最多。

2.3 不同干燥方式对花生氨基酸含量的影响

花生仁中氨基酸的测定结果见图4。花生样品中共检测到16种氨基酸，花生中含量较多的氨基酸主要是谷氨酸、精氨酸、天门冬氨酸、亮氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸，与此前LATIF等[19]的研究结果一致。由图4可知，经干燥后花生的氨基酸总含量显著降低(P<0.05)，相比于新鲜花生，经热风、微波、微波冷冻干燥处理后，花生的氨基酸总含量分别降低了8.91%、8.61%、5.19%。干燥后花生的赖氨酸、组氨酸、谷氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、赖氨酸含量显著低于新鲜花生(P<0.05)。从必需氨基酸总量来看，干燥后花生仁的必需氨基酸含量也显著下降(P<0.05)。这有可能是由于这些氨基酸在干燥过程中发生了氧化反应或者与还原糖发生了美拉德反应而造成一定的损失[20]。3种不同方式干燥的花生仁的氨基酸总量和必需氨基酸含量都存在显著差异(P<0.05)，其中MFD花生氨基酸总量和必需氨基酸含量最高，HD花生和MD花生较低，且其差异不显著。热风和微波可能会引起花生蛋白构象的改变、受热变性以及氨基酸发生一系列的化学反应。微波对物料的作用除了升高温度造成的热效应以外，还存在着对生物细胞的非热效应，具体的作用机制还有待进一步的研究[21]。微波冷冻干燥的干燥时间最短，且干燥温度较为均匀，避免了局部过热的情况，故其蛋白和氨基酸受干燥条件的影响较小，氨基酸组成和含量更接近新鲜花生。

a-必需氨基酸；b-非必需氨基酸图4 不同干燥方式对花生必需氨基酸和非必需氨基酸含量的影响Fig.4 Effects of different drying methods on the contents of essential amino acid and non-essential amino acid in peanuts

2.4 不同干燥方式对花生酸价的影响

油脂分子受酶、氧气或微生物等的影响会缓慢水解，释放出游离脂肪酸使得油脂的酸价升高。花生含油量高，其不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸含量比例高达4∶1，极易因高温、时间等发生油脂氧化和水解，导致品质劣变，减低其营养价值和食用品质[22-23]。由图5可知，经过3种不同干燥方式干燥的花生其酸价显著高于新鲜花生(P<0.05)，由上文结果可知，热风和微波的作用加速了花生中油脂的水解，随之引起花生中脂肪酸含量升高，故干燥后花生油的酸价显著升高(P<0.05)。3种不同干燥方式中，MD花生酸价最高，HD花生次之，MFD花生酸价最低。可能是微波辐照对花生油脂水解和氧化的影响更大，也可能是由于微波辐照不仅使得物料温度升高，提高花生内部脂肪酶的活性，而且可以破坏油脂分子的结构，一些易被氧化水解的基团暴露出来，使得油脂水解程度进一步加深。MFD花生受到微波作用时间最短，且干燥温度较为均匀，其油脂水解程度相对较小，故酸价升高最少。

图5 不同干燥方式对花生酸价的影响Fig.5 Effects of different drying methods on ADV of peanuts

2.5 不同干燥方式对花生POV的影响

过氧化值表示油脂受到氧化的初级程度，根据过氧化值的高低，可判定油脂氧化变质的程度，过氧化值越高，说明干燥过程中产生的过氧化物越多，油脂劣变程度越高[24-25]。由图6可知，经过3种不同干燥方式干燥的花生其过氧化值显著高于新鲜花生，因为热风和微波处理会加速花生中油脂的氧化分解，使得其过氧化值升高(P<0.05)。HD花生过氧化值最高，MD花生次之，而MFD花生过氧化值最低。这可能是因为实验中3种干燥方式的干燥温度相差较小，而热风干燥的干燥时间远高于其他2种干燥方式，花生较长时间处于高温和氧气充足的条件下，故其油脂氧化程度较高，生成的过氧化物较多。而MFD花生干燥时间最短，花生仁快速脱水，油脂氧化程度较小,故其过氧化值最低。

图6 不同干燥方式对花生过氧化值的影响Fig.6 Effects of different drying methods on POV of peanuts

2.6 不同干燥方法能耗对比

由图7可知，不同干燥方法的能量消耗具有显著差异。MFD具有最高的能耗，而MD的能耗最低，其较低的能量消耗归因于干燥时间的降低和微波辐射系统工作时间的减少。对于MFD来说，其能耗较高主要集中在制冷系统和真空系统消耗的能量，但作为一种联合干燥方式，MFD应用的最大价值不在于节约能耗，而是生产出新的或者是具有独特性质的产品，这些产品均不能被其他技术所重复，这便是MFD技术存在的最大意义。与HD和MD相比，MFD干燥速率快，干燥温度低，营养损失少，对物料具有很好的保护作用，可以给广大消费者提供高质量的产品。但面对能源的日益紧缺，能耗是一个不可逃避的问题，在日后的研究中，应将研究重点放在如何减少MFD的能源消耗，进而降低干燥成本。

图7 不同干燥方式下能量消耗Fig.7 Energy consumption under different drying methods

3 讨论与结论

研究表明，不同的干燥方式对新鲜花生营养成分的保留和理化性质的稳定有较大的区别。对比当下国内外学者采用单一干燥或者联合干燥对花生进行干燥处理后发现，微波冷冻联合干燥可以大幅度提高干燥后花生的品质，快速获得高质量的产品。但不可否认的是该技术能耗较其他联合干燥技术略高，这一点也是限制其大规模应用的原因。本研究中花生经3种不同干燥方式干燥后，其粗蛋白含量无显著差异(P>0.05)，脂肪含量显著降低(P<0.05)，氨基酸和脂肪酸含量显著下降(P<0.05)。其中MFD干燥时间最短，具有干燥温度低且均匀和干燥效率高的优点，其氨基酸及脂肪酸含量显著高于其他2种处理。在酸价和过氧化值的检测结果中可以看出，新鲜花生的酸价和过氧化值最低，微波冷冻干燥的花生由于其干燥条件对油脂影响较小，其酸价和过氧化值显著低于其他2种处理，微波干燥的花生酸价最高，热风干燥的花生过氧化值最高，说明微波和热风是通过不同的途径促进油脂的氧化和水解，具体的机理有待进一步的研究。

综上所述，微波冷冻干燥对新鲜花生的营养成分破坏最小，其蛋白质和脂肪的保留量最高，理化性质最稳定。通过对比3种干燥方式，确定微波冷冻干燥下新鲜花生干燥品质最佳。