白竣文,彭澤康,吳學(xué)岑,田瀟瑜

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013)

銀杏是現(xiàn)存裸子植物中最古老的孑遺植物,被稱為活化石。銀杏原產(chǎn)于中國,其種植面積約占全球銀杏樹種植面積的90%[1]。銀杏的種仁部分稱為白果。在一些東方國家,例如中國,日本和韓國等,白果被認(rèn)為是美味食物和滋補(bǔ)藥材,除了含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物元素外,還富含黃酮類、銀杏酸、銀杏內(nèi)酯等功能性營養(yǎng)因子[2]。在中國,白果通常在9月下旬至10月收獲,是一種典型的季節(jié)性堅(jiān)果。

白果雖然被硬殼包裹,但由于含水量相對(duì)較高,因此不能長期保存。干燥是延長白果貨架期的最常用方法之一[3]。白果傳統(tǒng)的干燥方法是自然晾曬法和熱風(fēng)干燥法。這兩種方法操作雖然相對(duì)簡單、花費(fèi)較低,但其干燥時(shí)間較長,并且色澤、營養(yǎng)等品質(zhì)劣變嚴(yán)重。中短波紅外干燥技術(shù)是一種新型高效的干燥方法,具有加熱穿透能力強(qiáng)、升溫速度快,能量能夠穿透物料直接與水分耦合,對(duì)物料加熱厚度深等優(yōu)勢(shì)[4]。中短波紅外干燥方法,已經(jīng)應(yīng)用于蘋果片[5]、獼猴桃[6]、柑橘皮[7]、香菇[8]等果蔬的干燥加工中,取得了良好的進(jìn)展。為此,本文將中短波紅外干燥技術(shù)應(yīng)用于白果干燥過程中,以期能夠縮短干燥時(shí)間、提高干燥品質(zhì)。

干燥是一種復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程,并引起一系列的物理和化學(xué)變化[9]。白果色澤和營養(yǎng)品質(zhì)參數(shù)在干燥過程中會(huì)發(fā)生明顯變化,并與干燥參數(shù)息息相關(guān)。本文通過試驗(yàn)研究白果在不同溫度下的中短波紅外干燥動(dòng)力學(xué)和色澤變化動(dòng)力學(xué),利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立色澤預(yù)測(cè)模型,探究白果的復(fù)水率、總黃酮含量、抗氧化性以及微觀結(jié)構(gòu)等相關(guān)品質(zhì)參數(shù),為白果的中短波紅外干燥色澤預(yù)測(cè)和品質(zhì)變化提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白果品種大佛指 自江蘇泰興當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場(chǎng),白果初始濕基含水率為54.12%±0.78%,試驗(yàn)前將其置于(4±1) ℃的冰箱中保存;無水乙醇、NaNO2、Al(NO3)3、NaOH 分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH) 純度≥99%,Sigma公司;蘆丁 純度≥98%,合肥博美生物科技有限責(zé)任公司。

STC型中短波紅外干燥箱 泰州圣泰科紅外科技有限公司;ME2002E型電子天平 梅特勒-托利多有限公司;752型紫外-可見分光光度計(jì) 上海菁華科技儀器有限公司;CR10型色差計(jì) 柯尼卡美能達(dá)有限公司;Quanta 250掃描電子顯微鏡 美國FEI公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 干燥方法 從冰箱中取出樣品,置于室溫(約25 ℃)。在實(shí)驗(yàn)前,去掉其硬殼及紅膜。樣品在干燥室的不銹鋼絲網(wǎng)上單層鋪展,重量約為250.00 g。經(jīng)過前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,干燥參數(shù)為:紅外輻射功率為1.2 kW,輻射距離為100 mm,風(fēng)速約為8.0 m/s,干燥溫度分別為60、70、80和90 ℃。在干燥過程中,每隔30 min用電子天平記錄重量。當(dāng)樣品的含水量達(dá)到0.15 kg/kg(干基)時(shí),停止干燥。

1.2.2 干燥動(dòng)力學(xué)曲線 在干燥過程中白果中水含量用水分比(MR,moisture ratio)來表示,物料中任意時(shí)間t水分比由公式(1)表示[10]:

式(1)

其中:Mo,Me和Mt分別表示白果初始、平衡時(shí)和任意干燥t時(shí)刻的干基含水率,g/g。由于白果的平衡含水率Me遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于Mo和Mt,所以公式(1)可簡化為公式(2)[11]:

式(2)

干燥速率(DR,drying rate,g/(g·h))的計(jì)算采用如下公式[12]:

式(3)

其中:Mt1和Mt2分別表示干燥過程中時(shí)間為t1和t2時(shí)白果的干基含水率,g/g。

1.2.3 色澤動(dòng)力學(xué)曲線 采用CIELAB表色系統(tǒng)表示白果表面的色度L*(明亮度),a*(綠紅值)和b*(藍(lán)黃值),并利用總色差值ΔE評(píng)價(jià)處理組與原料之間的差異[13]。在干燥過程中,通過定時(shí)取樣方式采集白果的色澤參數(shù),所有測(cè)試重復(fù)3次,取平均值。

ΔE=[(ΔL*)2+(Δa2)2+(Δb*)2]1/2

式(4)

1.2.4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立 采用MATLAB(版本9.0,R2016a)中NEWFF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對(duì)色澤數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。試驗(yàn)建立多層向前型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,由輸入層、隱藏層和輸出層3部分組成,其中輸入層為干燥溫度和干燥時(shí)間,輸出層為白果的色澤參數(shù)(L*,a*,b*和ΔE)。經(jīng)過多次嘗試優(yōu)化,隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)為5時(shí)有最優(yōu)的訓(xùn)練效果。根據(jù)文獻(xiàn)[10],選取tansig為輸入層與隱藏層之間的傳遞函數(shù),purelin為隱藏層與輸出層之間的傳遞函數(shù),采用Levenberg-Marquardt算法作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)。

采集白果在不同干燥溫度和干燥時(shí)間下的色澤參數(shù)(L*,a*,b*和ΔE),將其隨機(jī)分為訓(xùn)練組(70%)、驗(yàn)證組(15%)和測(cè)試組(15%)。由于輸入數(shù)據(jù)的量綱和范圍差異,在進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合之前,要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,使其在[-1,1]范圍內(nèi)。采用決定系數(shù)R2和均方根誤差 RMSE 作為擬合評(píng)價(jià)指標(biāo)[10],R2越大、RMSE值越小,則擬合越好。

式(5)

式(6)

式中,Cexp,i為干燥試驗(yàn)實(shí)測(cè)的第i個(gè)色澤參數(shù);Cpre,i為利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)的第i個(gè)色澤參數(shù);N為試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

1.2.5 復(fù)水比 將稱好的一定質(zhì)量的樣品放入60 ℃恒溫蒸餾水中,120 min后,取出用吸水紙拭干表面水分,稱取復(fù)水后的質(zhì)量,復(fù)水比(RR,rehydration ratio)計(jì)算公式為:

式(7)

其中:RR為復(fù)水比,g/g;m2為復(fù)水后質(zhì)量,g;m1為復(fù)水前質(zhì)量,g。

1.2.6 總黃酮含量測(cè)定 根據(jù)文獻(xiàn)[14]中測(cè)定方法并做一定修改,測(cè)定白果中總黃酮含量。具體方法為:白果干燥樣品打粉過60目篩,得到白果粉末。稱取2.0 g白果粉末,加入30 mL配制好的70%乙醇,30 ℃下超聲提取40 min,每隔5 min震蕩搖勻換位置。超聲完成后將用5000 r/min離心機(jī)離心30 min,取上清液即為總黃酮提取液。吸取10 mL總黃酮提取液于容量瓶中,繼續(xù)加入1.0 mL濃度為5% NaNO2溶液,振蕩搖勻靜置;6 min后加入1.0 mL濃度為10% Al(NO3)3溶液,振蕩搖勻靜置;6 min后加入10.0 mL濃度為4% NaOH溶液,最后用70%乙醇定容至刻度線并搖勻。靜置15 min后用紫外可見分光光度計(jì)在波長為510 nm下測(cè)其吸光度,記錄吸光度值A(chǔ)。通過蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.0817x-0.0010(R2=0.9991),計(jì)算得到白果中總黃酮含量。

1.2.7 抗氧化活性測(cè)定 白果抗氧化活性,采用1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)清除率表示,測(cè)定方法依據(jù)文獻(xiàn)[15]所述。白果抗氧化活性測(cè)定前處理方法,同1.2.6中白果總黃酮提取液方法。以Trolox溶液為標(biāo)準(zhǔn)溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,結(jié)果以μmol Trolox/100 g表示。

1.2.8 微觀結(jié)構(gòu)分析 將干燥后的樣品切成面積約3 mm×3 mm片的薄片,然后用雙面膠帶將樣品固定在樣品臺(tái)上,在20.00 kV加速電壓下,對(duì)樣品表面微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察。

1.3 數(shù)據(jù)處理

白果干燥及各品質(zhì)指標(biāo)均做3次重復(fù),運(yùn)用SPSS 18.0 軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05為顯著水平)用鄧肯式多重比較方法完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對(duì)白果中短波紅外干燥的影響

白果中短波紅外干燥水分比和干燥速率曲線由圖1所示。由圖1a可知,隨著干燥溫度從60 ℃升高到80 ℃,物料干燥所需要的時(shí)間逐漸減少,溫度對(duì)干燥時(shí)間有顯著的影響(P<0.05)。從圖1a還可以看到,干燥溫度80和90 ℃條件下,白果干燥時(shí)間均約為480 min。不同干燥溫度下白果的干燥速率曲線由圖1b所示。由圖1b中可以看出,白果整個(gè)干燥過程只有一個(gè)降速干燥階段,沒有發(fā)現(xiàn)升速段和恒速段。

圖1 不同干燥溫度下白果干燥曲線Fig.1 Drying curves of GB seedsunder different drying temperatures注:a表示水分比隨干燥時(shí)間的變化,b表示干燥速率隨含水率的變化。

一般而言,提高干燥溫度能夠提高空氣與物料之間的熱量傳遞,溫度越高,干燥時(shí)間越短,干燥效率越高。然而,白果作為一種高淀粉類物料,其淀粉糊化溫度約為72 ℃[16]。當(dāng)物料溫度高于淀粉糊化溫度時(shí),白果中淀粉在高水分條件下會(huì)發(fā)生糊化現(xiàn)象,其糊化形成的凝膠會(huì)阻礙水分的遷移和擴(kuò)散。Demirel等[17]在研究溫度對(duì)香蕉片干燥影響時(shí)發(fā)現(xiàn),由于香蕉中淀粉糊化的原因,干燥溫度70 ℃下的水分?jǐn)U散系數(shù)小于60 ℃下的水分?jǐn)U散系數(shù)。因此,白果較適宜的干燥溫度應(yīng)該控制在80 ℃以下。

2.2 干燥溫度對(duì)白果色澤的影響

白果在干燥過程中的色澤(L*,a*,b*和ΔE)變化曲線和等高線由圖2所示。從圖2中可以看出,L*值隨著干燥時(shí)間的增加逐漸降低,溫度越高L*值降低的越快,干燥結(jié)束時(shí),L*值越小。這說明白果在干燥過程中逐漸變暗,采用較低干燥溫度能夠有效提高白果的明亮度。白果a*值和b*值隨干燥時(shí)間均呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì),表明白果的色澤先快速變紅、變黃,然后隨著干燥時(shí)間的增加,白果偏黃和偏紅的程度逐漸降低。這可能是由于在干燥過程中白果中糖類成分和蛋白質(zhì)發(fā)生了美拉德反應(yīng),使白果發(fā)生了褐變。色澤是一個(gè)綜合性的物理參數(shù),不僅受到物料中呈色物質(zhì)的影響,也與水分含量、孔隙等因素密切相關(guān)[18-19]。因此,當(dāng)物料在干燥過程中水分逐漸減少,并且微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變之后,其色澤參數(shù)也會(huì)相應(yīng)的改變。

總色差值ΔE是綜合評(píng)價(jià)物料經(jīng)干燥后與新鮮狀態(tài)下的色澤差異的指標(biāo),ΔE值越大表示色澤差異越大。由圖2g可知,ΔE值隨著干燥的進(jìn)行呈現(xiàn)兩段式的增加趨勢(shì),即在干燥前期快速增加,在中后期相對(duì)緩慢增加。隨著干燥溫度從60 ℃增加到90 ℃,ΔE值增加的速率逐漸變大,并且干燥溫度越高,干燥結(jié)束時(shí),ΔE值越大。這表明采用較低干燥溫度能夠減少白果減緩白果色澤的變化,并減少白果的總色差值。綜上所述,干燥溫度和干燥時(shí)間均對(duì)白果色澤有顯著影響,采用較低的干燥溫度(60和70 ℃)有利于減少色澤劣變。

圖2 不同干燥溫度和時(shí)間下白果色澤變化Fig.2 Color changes of GB seeds under different drying temperature and drying time注:序號(hào)a,c,e和g分別表示白果L*值,a*值,b*值和ΔE值的變化曲線;序號(hào)b,d,f和h分別表示白果L*值,a*值,b*值和ΔE值變化等高線。

2.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)白果色澤變化

白果色澤參數(shù)(L*,a*,b*和ΔE)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果由圖3所示。白果色澤參數(shù)L*,a*,b*和ΔE值的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的決定系數(shù)R2分別為0.9778、0.9689、0.8358和0.9251,均方根誤差RMSE分別為1.9139、0.4012、2.8948和3.0610。可見,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有較好的預(yù)測(cè)效果,能夠準(zhǔn)確的模擬白果在干燥過程中色澤變化。一般而言,物料在干燥過程中色澤變化通常采用0階和1階動(dòng)力學(xué)模型來擬合,例如:西洋參片熱風(fēng)干燥下色澤變化符合1階模型[19],胡蘿卜薄片的色澤變化動(dòng)力學(xué)符合0階模型[20],甜椒在對(duì)流干燥下色澤變化符合1階動(dòng)力學(xué)模型[21]。

圖3 白果色澤參數(shù)(L*,a*,b*和ΔE)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of predicted and experimental color parameters(L*,a*,b* and ΔE)by artificial neural network modelling

由于物料和干燥方法的差異,物料在干燥過程色澤變化也會(huì)呈現(xiàn)出二段式變化的特點(diǎn)。Moon等人在研究熱風(fēng)干燥條件下紅薯色澤變化時(shí)發(fā)現(xiàn),L*隨著干燥的進(jìn)行先減小而后增加,ΔE則是先增加而后減小[22]。因此,對(duì)于多段式色澤變化曲線,一般也需要采用多段式的擬合模型來獲得較好的預(yù)測(cè)效果。但采用多段式的擬合模型,客觀上增加了模型的復(fù)雜性,造成了實(shí)際利用的不便。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對(duì)物料色澤進(jìn)行擬合,其模型的復(fù)雜程度不會(huì)受到色澤變化趨勢(shì)的影響,因此相比傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型具有更高的利用價(jià)值。

2.4 白果復(fù)水比分析

不同干燥溫度下白果復(fù)水比數(shù)據(jù)見表1所示。白果在60 ℃溫度條件下經(jīng)120 min復(fù)水后,其復(fù)水比在1.444～1.580之間。隨干燥溫度從60 ℃升高到90 ℃,白果復(fù)水比呈現(xiàn)先升高而后下降的趨勢(shì)。一般而言,在較高的干燥溫度下,物料內(nèi)部會(huì)形成較大的水蒸氣壓力梯度,使物料形成多孔結(jié)構(gòu);另一方面,高溫也會(huì)導(dǎo)致物料孔隙結(jié)構(gòu)崩塌,從而影響水分重新吸收[23]。在試驗(yàn)范圍內(nèi),白果在70 ℃干燥溫度下可獲得最優(yōu)的復(fù)水性能。

表1 不同干燥溫度下白果的復(fù)水比、總黃酮和DPPH清除率Table 1 Rehydration ratio,total flavone content and DPPH radical inhibition activity of GB seeds at different drying temperatures

2.5 白果總黃酮含量分析

不同干燥溫度下白果中總黃酮含量由表1所示。隨著干燥溫度從60 ℃升高到80 ℃,白果中總黃酮含量逐漸升高,干燥溫度為90 ℃時(shí),其黃酮含量大幅度減少。有研究表明,縮短干燥時(shí)間有利于黃酮類化合物的保留[24],并且高溫會(huì)破壞組織中的水解酶、氧化酶等酶類物質(zhì),從而減少黃酮在酶作用下的氧化降解。同時(shí),黃酮類化合物具有熱不穩(wěn)定性,在高溫作用下會(huì)迅速大量降解。因此,白果在80 ℃條件下會(huì)保留最多的總黃酮,含量約為223.42 mg/100 g。

2.6 白果抗氧化活性分析

白果干燥后的抗氧化活性采用DPPH自由基清除率表示,不同干燥溫度下白果DPPH自由基清除率見表1所示。由表1可得,隨著干燥溫度從60 ℃升高到90 ℃,白果的抗氧化活性先升高而后快速降低,干燥溫度70 ℃下的抗氧化活性最高。干燥溫度對(duì)白果的抗氧化性由兩方面的作用:高溫會(huì)顯著減少干燥時(shí)間,減少物料在高溫下的暴露時(shí)間;高溫也會(huì)導(dǎo)致物料中抗氧化成分的降解,從而降低整體的抗氧化活性。因此,在試驗(yàn)范圍內(nèi),白果在70 ℃干燥條件下會(huì)保持最高的抗氧化活性。

不同干燥溫度條件下,綜合白果的復(fù)水比、總黃酮含量和DPPH自由基清除率的分析,白果在干燥溫度70 ℃條件下會(huì)獲得較優(yōu)的總黃酮含量,最優(yōu)的復(fù)水比和抗氧化活性,為優(yōu)選的干燥溫度。

2.7 白果微觀結(jié)構(gòu)觀察

不同干燥溫度下白果的微觀結(jié)構(gòu)見圖4所示。在放大2000倍下能夠清晰觀察到白果內(nèi)部的淀粉顆粒。在較低干燥溫度下(60和70 ℃),淀粉顆粒的仍然保持完整的圓形或橢圓形結(jié)構(gòu),說明淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)保持完好。干燥溫度為80 ℃時(shí),白果中淀粉顆粒的邊緣變得不光滑,并發(fā)生了明顯的破碎,說明淀粉顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的破壞。干燥溫度為90 ℃時(shí),已經(jīng)無法看到淀粉顆粒,說明淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生了完全的破壞。有研究表明,白果淀粉的糊化溫度為72 ℃[16]。當(dāng)白果溫度高于淀粉糊化溫度時(shí),淀粉顆粒會(huì)吸收水分發(fā)生溶脹,而后在溫度的作用下發(fā)生糊化現(xiàn)象。淀粉是白果的營養(yǎng)成分之一,完整的淀粉結(jié)構(gòu)對(duì)白果后續(xù)加工有重要的作用。在白果干燥加工中,為了保護(hù)淀粉顆粒的結(jié)構(gòu),宜采用70 ℃以下的干燥溫度。

圖4 不同干燥溫度下白果微觀結(jié)構(gòu)(2000×)Fig.4 Microstructure images of GB seedsat different drying temperatures(2000×)注:字母a,b,c和d分別代表干燥溫度為60,70,80和90 ℃。

3 結(jié)論

在中短波紅外干燥下,白果整個(gè)干燥過程只有一個(gè)降速干燥階段,沒有發(fā)現(xiàn)升速段和恒速段。干燥溫度80和90 ℃條件下,白果干燥時(shí)間最短均約為480 min,沒有顯著性差異(P<0.05)。白果L*值隨著干燥時(shí)間的增加逐漸降低,a*值、b*和總色差值ΔE值隨干燥時(shí)間均呈現(xiàn)兩段式的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)建立的多層向前型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,能夠很好的預(yù)測(cè)色澤參數(shù)在干燥過程中的變化。

綜合白果的復(fù)水比、總黃酮含量和DPPH自由基清除率等品質(zhì)參數(shù)的分析,白果在干燥溫度70 ℃條件下會(huì)獲得最優(yōu)的復(fù)水比1.580,抗氧化活性175.70 μmoltrolox/100 g和較優(yōu)的總黃酮含量198.40 mg/100 g,為優(yōu)選的干燥溫度。通過對(duì)白果微觀結(jié)構(gòu)分析,當(dāng)干燥溫度高于80 ℃時(shí),白果淀粉顆粒結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的破壞。為了保護(hù)淀粉顆粒結(jié)構(gòu),宜采用70 ℃以下的干燥溫度。本文為中短波紅外干燥的白果色澤預(yù)測(cè)和品質(zhì)變化提供了一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持,但在保證白果品質(zhì)的前提下其干燥時(shí)間仍然較長(10 h),效率偏低,采用合適的前處理方法或采用聯(lián)合干燥工藝,可能是進(jìn)一步提高干燥效率的研究方向。