间歇式红外辅助热泵干燥对龙眼品质及挥发性成分的影响

朱经楠，彭 健，谢子权，余元善，唐道邦，辜青青，徐玉娟*

（1 江西农业大学农学院 南昌330045 2 广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所 农业农村部功能食品重点实验室广东省农产品加工重点实验室 广州 510610）

龙眼（Dimocarpus longan Lour.）俗称桂圆，是无患子科龙眼属常绿果树，盛产于我国广东、福建、广西、海南等热带亚热带地区。龙眼果实营养丰富，且富含多糖、多酚、类黄酮等天然生物活性物质，自古受人们喜爱，被视为珍贵补品[1]。现代医学证实龙眼具有抗衰老和增强免疫力等功效，是益气补血的佳品[2-3]。然而，龙眼成熟于高温、高湿的季节，采后鲜果呼吸代谢旺盛，易腐烂变质。干制加工作为龙眼加工最主要的方式，在降低其水分含量，延长货架期的同时，亦能改变龙眼的外观品质、化学组成和挥发性香气成分，从而影响整体产品品质[4]。

目前，龙眼的干燥方式多种多样，不同干燥方式干燥过程的能耗、效率各有优劣，对产品品质的影响各异。热泵干燥为一种从低温热源吸收热量，并将所吸收的热量在较高温度下作为有效热能加以利用的干燥方式，有节能环保、安全稳定的优点。而热泵干燥与热风干燥类似，均以热风作为导热介质，对物料进行由表及里的干燥，干燥过程存在耗时较长且部分物料干燥不均匀的问题[5-6]。红外辐射可以缩短干燥时间，保持产品内温度均匀，提高能源效率，杀灭微生物，抑制酶促反应，从而提高产品品质[7-8]。前期研究表明，红外辅助热泵干燥是一种能有效缩短果蔬物料干燥时间且改善产品品质的有效方法。Aktas 等[9]比较单一热泵和红外辅助热泵干燥对胡萝卜干燥时间的影响，发现在45 ℃和55 ℃两个干燥温度下，红外辅助热泵干燥比单一热泵干燥时间减少49%以上。Song 等[10]对山药片的研究表明，红外辅助热泵干燥比单一热泵干燥耗时短，色泽优。在龙眼干燥方面，Nathakaranakule 等[11]采用不同远红外功率（250，350，450 W）辅助热泵（55 ℃）干燥龙眼，发现其干燥速率、色泽、感官品质均优于单一热泵干燥，且在远红外辅助作用下，龙眼果肉更易形成多孔结构，孔隙率随远红外功率的增大而增加。相关研究多为红外热泵分段干燥或红外全程辅助热泵干燥对龙眼理化品质的影响，对红外间歇式辅助热泵干燥龙眼品质及香气影响的研究报道较少。本文以新鲜龙眼为研究对象，以单一热泵干燥为对照，采用自行改造的红外辅助热泵干燥设备，研究不同干燥温度下，间歇红外辅助干燥对龙眼的干燥特性、色泽、复水性、抗氧化活性以及挥发性成分的影响，以期为龙眼的高品质干制加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

“储良”龙眼购于广州市水果市场，剪枝、除杂后清洗，去壳、去核后备用，果肉初始水分含量（81.1±13）%。

Trolox 试剂，福晨（天津）化学试剂有限公司；FRAP 法总抗氧化能力测定（T-AOC）检测试盒，南京建成生物工程研究所；环己酮（色谱纯），天津市大茂化学试剂厂。其它试剂均为国产色谱纯或分析纯级。

1.2 仪器与设备

101-2A 数显电热鼓风干燥箱，上海沪南科学仪器厂；CR22GⅢ高速冷冻离心机，日本日立公司；Infinite M200PRO 酶标仪，瑞士TECAN 公司；Ultra Scan VIS 型全自动色差仪，美国Hunter Lab公司；UV1800 型紫外可见分光光度计，日本岛津公司；热泵干燥机，广东威尔信实业有限公司；GC-MS 7980A 气相色谱-质谱联用仪，美国Agilent 公司；Tc-08 热电偶数据记录仪、SMPW-T-M T 型热电偶，美国Omega-Engineering 公司。

1.3 方法

1.3.1 龙眼干燥工艺 采用自行改造的热泵干燥机（图1）进行干燥。该设备在干燥室顶部加装了2根红外灯管，总功率2 kW，可通过操作界面控制红外灯管开关，所产生的红外线可使物料快速升温，推动内部水分向外扩散，加速干燥过程。干燥过程设定热泵干燥的参数：温度60 ℃或70 ℃，湿度20%，风速1.8 m/s；红外灯管的开启设置为每5 min 开1 min 或2 min，记为IR1/5、IR2/5。以单一热泵干燥（HP）作为对比，则按不同红外辅助时间可将各处理组分为6 组：HP60 ℃，HP60 ℃+IR1/5，HP60 ℃+IR2/5，HP70 ℃，HP70 ℃+IR1/5，HP70 ℃+IR2/5。样品干至水分含量低于20%后停止干燥。

图1 改造的热泵干燥机示意图Fig.1 Schematic plot of the renovated heat pump dryer

1.3.2 龙眼水分含量的测定 参考《食品水分的测定》（GB 5009.3-2016）[12]，采用直接干燥法测定。

1.3.3 干燥环境与龙眼内部温度的测定 温度的测定参考本课题组前期方法[13]，略作修改，龙眼干燥过程温度变化采用T 型热电偶和热电偶数据记录仪测定。具体操作方法：干燥前，将热电偶丝的测量端插入龙眼的中心，用于测量龙眼温度；同时将另一热电偶丝的测量端放置在干燥箱内，用于测量干燥箱内环境温度，连接端连接热电偶数据记录仪，每隔1 min 采集一次数据并记录，直至干燥结束。

1.3.4 色泽的测定 色泽采用自动色差计测定，结果以L 值、a 值、b 值、ΔE 值表示。L 值越大，颜色越亮；a 值越大，颜色越红；b 值越大，颜色越黄；ΔE 值越小，表明干燥样品色泽越接近鲜样。每组样品平行测定5 次。总色差用ΔE 表示，ΔE 按下式计算：

式中，L、a 和b——样品干燥后的色泽值；L0、a0和b0——鲜样的色泽；ΔE——干燥样品与鲜样之间的色泽差异。

1.3.5 复水率的测定 随机取各组样品中5 颗龙眼干（m1）置于40 ℃的蒸馏水中充分吸水，每隔5 min 取出，用滤纸反复吸附龙眼表面水分，然后准确称量（m2），待前、后2 次数据相差不大后结束。复水率＝m2/m1，每组试验重复3 次。

1.3.6 抗氧化活性的测定 将干燥龙眼用液氮冷冻后打粉，准确称取5 g 粉末置于25 mL 离心管中，加入10 mL 80%甲醇溶液，用超声波提取30 min（25 ℃）后离心（8 000 r/min，10 min），取上清液，再重复上述操作1 次，合并上清液，最后用80%甲醇溶液定容至25 mL。此溶液为龙眼多酚提取液，随后采用DPPH 法和FRAP 法测定[14-15]其抗氧化活性。各组平行测定3 次，样品结果以Trolox当量表示（μmol/g 干基）。

1.3.7 风味物质的测定 风味物质的测定参考Yi等[16]的方法，采用GC-MS 法测定。手动进样法：取2 g 剪碎的龙眼干样品于15 mL 顶空瓶中，再加入5 μL 0.2 mg/mL 的环己酮（内标物），在温度为40℃的集热式恒温加热磁力搅拌器中水浴20 min，然后将老化后的萃取针插入萃取30 min，随后取出萃取针并插入GC-MS 进样器中解吸5 min，测定不同干燥条件下龙眼干挥发性物质含量。

GC-MS 条件：色谱柱：DB-5MS 色谱柱（30 m× 0.25 mm，0.25 μm）；载气：He，流速1.0 mL/min，不分流进样，进样口温度250 ℃。升温程序：起始温度为40 ℃，保持2 min，以4 ℃/min 升温到160℃，保持0 min，再以50 ℃/min 的速度升温到280℃，最后保持2 min；电子电离源：离子源温度230℃；电子能量70 eV；溶剂延迟3 min；质量扫描范围30～550 u。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 处理，用Origin 2017 软件绘制图形，用SPSS 19.0 软件统计分析显著水平（P＜0.05）。用Adobe Photoshop（21.0.1 版）进行图片标准化处理。

2 结果与分析

2.1 不同干燥条件对龙眼温度及干燥特性的影响

不同处理条件下，龙眼的温度变化与干燥特性如图2 所示。由龙眼干燥过程温度变化曲线表明，红外间歇辅助干燥的龙眼升温速度明显快于单一热泵干燥的样品，达到设定温度的时间显著减少；在间歇式红外作用下，龙眼本身的温度与环境温度均存在波动性，且红外辅助时间越长波动越明显；在干燥后期由于红外辐射的作用环境温度略高于设定值，这在很大程度上加快了龙眼的干燥速率（图2a 和2b）。红外间歇辅助干燥时间的长短对龙眼干燥速率影响显著，红外间歇辅助时间越长，水分扩散速度越快，干燥时间越短，70℃单一热泵干燥龙眼耗时3 h，当赋予IR1/5 和IR2/5 时，相应的干燥时间分别缩短至2.5 h 和2.25 h（图2d），这是因为红外辐射能够穿透物料表层，且能量直接与物料内部的水分耦合，形成物料内、外湿度差，进而加快水分向外扩散迁移[17-18]。

图2 实时温度变化曲线与龙眼干燥曲线Fig.2 Real time temperature change curve and longan drying curve

2.2 不同红外辅助热泵干燥条件对龙眼色泽的影响

不同红外辅助热泵干燥条件下龙眼的亮度（L值）、红度（a 值）、黄度（b 值）和总色差（ΔE）如表1所示。从L 值和a 值来看，红外辅助与单一热泵干燥对龙眼亮度和红度值无显著性影响，然而从b值的角度看，红外辅助可以有效降低黄度值，使其更接近新鲜龙眼的颜色，红外辅助热泵干燥所得龙眼的ΔE 值均小于单一热泵干燥，表明红外辅助热泵干燥能有效地阻止龙眼色泽劣变，且随着干燥温度的升高，ΔE 值逐渐增大，这与林羡等[19]、Artnaseaw 等[20]的结果一致。这可能是由于高温促进了龙眼中过氧化物酶的酶促反应进程，导致褐变更加严重。图3 为不同处理所得样品实物图和经过Adobe Photoshop 标准化处理后的龙眼，由图3 可知，干燥龙眼与新鲜龙眼样品存在明显的视觉色彩差异，且随着干燥温度的升高，差异明显。经标准化处理后可直观观察样品色泽均匀程度变化（图3b），无论何种干燥温度，经间歇式红外辅助干燥后样品的褐变程度均明显降低，样品表面色泽更为均匀，进一步表明间歇式红外辅助干燥可以提高热泵干燥龙眼的均匀性。这可能是因为红外辅助热泵干燥的时间较短，而干燥时间长容易增加发生各类化学反应的几率，且加剧反应强度[21]，所以红外辅助干燥龙眼色泽均匀性更好，这与郭玲玲等[22]的结果类似。

表1 不同红外辅助热泵干燥条件下龙眼色泽Table 1 Color of longan pulp dried with different infrared radiation assisted heat pump drying

图3 不同红外辅助热泵干燥样品图Fig.3 Drying samples of different infrared assisted heat pumps

2.3 不同红外辅助热泵干燥条件对龙眼复水特性的影响

复水比是衡量果蔬干制品品质的重要指标，也可从侧面反映样品干燥过程中细胞结构损伤程度[23]。由图4 可知，经间歇式红外辅助干燥，样品的复水速率和平衡复水比均高于同一温度条件下单一热泵干燥的样品，干燥温度为60 ℃和70 ℃时，红外辅助干燥龙眼平衡复水比与单一热泵干燥相比分别提升了2.65%和8.21%。这可能是因为红外辐射热量能进入物料内部，内部水分快速扩散，随之形成更为疏松的多孔结构，孔隙率增大，有利于复水过程水分的传递，导致其复水速率和复水比相较单一热泵干燥有所提高[11]。随干燥温度的升高，样品的平衡复水比减小，这与杨韦杰等[24]的结果类似，这是因为高温对龙眼果肉组织结构破坏更加严重，不利于样品水分的保持。

图4 不同红外辅助热泵干燥条件下龙眼的复水特性Fig.4 Rehydration characteristics of longan under different infrared assisted heat pump drying conditions

2.4 不同红外辅助热泵干燥条件对龙眼抗氧化活性的影响

通过测定龙眼80%甲醇提取物的DPPH 自由基清除力和FRAP 铁离子还原力，对不同红外辅助热泵干燥条件下的龙眼抗氧化活性进行评价，结果如图5 所示。总体而言，随着干燥温度的升高，龙眼DPPH 自由基清除力和FRAP 铁离子还原力都呈一定程度的上升趋势，且经间歇式红外辅助干燥的龙眼FRAP 铁离子还原力较单一热泵干燥的样品均有所提高（4.42%～17.95%）。龙眼抗氧化活性与其含有的多酚类物质密切相关，在干燥过程中，干燥温度与时间均是影响多酚类物质的重要因素。HP70 ℃+IR2/5 处理组样品测定的DPPH 和FRAP 抗氧化活性最高，Trolox 当量分别为14.48 μmol/g（干基）和22.65 μmol/g（干基），这是因为一方面红外间歇辅助干燥的龙眼样品其干燥时间较单一热泵干燥显著减少，利于多酚物质的保留，另一方面，HP70 ℃+IR2/5 组干燥过程中快速的升温可导致龙眼多酚氧化酶活力下降，从而抑制酶促褐变反应。Edidiong 等[25]在红外干燥红心火龙果的研究中也获得了类似的结果。

图5 不同红外辅助热泵干燥条件下龙眼的抗氧化活性Fig.5 Antioxidant activity of longan under different infrared assisted heat pump drying conditions

2.5 不同红外辅助热泵干燥条件对龙眼挥发性成分的影响

由表2 可知，对龙眼鲜果及不同红外辅助热泵干燥龙眼干挥发性物质进行半定量分析，7 组不同样品中分离鉴定出挥发性物质44 种，其中龙眼鲜样及不同温度下红外辅助干燥的龙眼干挥发性物质种类存在显著差异。鲜样、HP60℃、HP60℃+IR1/5、HP60℃+IR2/5、HP70℃、HP70℃+IR1/5、HP70℃+IR2/5 等处理组中分别检测出27，35，36，36，30，35，35 种挥发性成分，共有成分16 种，其中含量较高的β-罗勒烯、别罗勒烯、反式-β-罗勒烯、对薄荷-1，3，8-三烯等，β-罗勒烯及其同分异构体被认为是新鲜龙眼和龙眼干中主要的香气成分[26]，不同样品中β-罗勒烯的含量为586.52～1 431.91 μg/kg（干基），表明干燥后龙眼典型特征香气仍占主导。

表2 不同红外辅助热泵干燥条件下龙眼挥发性成分Table 2 The volatile components of longan pulp dried with different infrared radiation assisted heat pump drying

将不同处理组所得挥发性物质按照化学结构分为6 类，分别为烯烃类14 种、醇类7 种、酯类7 种、醛类4 种、酮类2 种以及其它类10间种。烯烃类物质在各处理组中质量浓度占比最大，β-罗勒烯及其同分异构体占主要部分，就含量而言，单一热泵干燥比红外辅助干燥保留率高，这可能是因为红外干燥温度具有上下波动性，而β-罗勒烯等物质本身不稳定，使得其氧化分解更快。不同处理组共检测出7 种醇类化合物，其中HP70℃+IR1/5、HP70℃+IR2/5 均能检测出这7 种醇类化合物，且正辛醇仅在这两组中被检测出，其中2-甲基-1-丁醇、正己醇、庚醇是干燥之后特有的醇类物质且含量较高，醇类物质主要来源于脂肪氧化分解和羰基化合物还原[27]，而高温条件易促使部分醇类物质酯化[28]，后续关于醇类物质增多这一现象还需进一步探究。而干燥过程亦会发生美拉德和焦糖化等非酶促褐变反应，导致干燥之后龙眼干的醛酮类物质含量上升[29]，干燥后龙眼醛酮类比鲜样多4 种。龙眼中酯类物质主要为E-2-己酸甲酯、辛酸乙酯、反式-香叶酸甲酯，酯类物质大多具有甜香和花香味，干燥之后其含量和种类增多，可为龙眼呈现更丰富的香气特性。

就6 种不同干燥处理组龙眼而言，共检测出挥发性成分43 种，且随着干燥温度的升高，香气成分的种类与含量出现不同程度的减少，这可能是由于高温导致了部分香气成分可能发生了热降解、转化反应，从而造成其种类与含量减少，这与Wang 等[30]的研究结果类似。经间歇式红外辅助处理的龙眼干的挥发性成分种类多于单独热泵干燥处理，能产生单一热泵干燥所检测不到的成分，如正辛醇、癸酸乙酯、香叶基丙酮等，增加了干制龙眼挥发性成分组成，丰富了龙眼的香气。

3 结论

间歇式红外辅助热泵干燥能有效提升龙眼的干燥速率，减少干燥时间，与单一热泵干燥相比，间歇式红外辅助干燥龙眼具有更大的复水比、更小的总色差和更均匀的色泽分布，在功能特性方面其DPPH 自由基清除能力显著提升。GC-MS 分析不同干燥条件下龙眼挥发性物质显示，龙眼经干燥之后能产生多种鲜样中检测不到的挥发性成分，且随着温度的升高，龙眼中挥发性成分种类及含量会逐渐减少；经间歇式红外辅助热泵干燥能产生香叶基丙酮等特有挥发性物质，丰富龙眼的香气品质。综合品质及挥发性物质分析，热泵温度60 ℃条件下，每5 min 红外间歇辅助2 min 进行龙眼干燥，可获得理化品质佳、香气丰富的龙眼干制品。本研究为高品质龙眼干的制备及干燥装备设计提供了技术支撑和理论参考。