滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃的貯藏特性

曲文娟 凡 威 馬海樂(lè) 師俊玲 蔣群輝 潘忠禮

(1.江蘇大學(xué)食品物理加工研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，陜西 西安 710072；4.鎮(zhèn)江美博紅外科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；5.美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)工程系，美國(guó) 加州 95616)

核桃果仁含有豐富的蛋白質(zhì)和亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸，而且富含多種人體必需的氨基酸和礦物質(zhì)元素，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高[1]。但采摘后的新鮮核桃若不及時(shí)處理常常會(huì)導(dǎo)致腐爛發(fā)霉，影響食用品質(zhì)，而干燥脫水是延長(zhǎng)貨架期最常見(jiàn)的加工方式之一[2]。

核桃仁含油率較高，其中不飽和脂肪酸占比達(dá)95%以上，n6∶n3脂肪酸比例高達(dá)5以上，且必需脂肪酸含量占75%以上[3]。富含油脂的產(chǎn)品在加工和貯藏過(guò)程中極易發(fā)生水解和氧化酸敗，不僅出現(xiàn)異味，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)，從而降低產(chǎn)品的感官品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和貨架期[4-5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從干燥工藝[6]、包裝[7-8]、貯藏因素[9]等方面對(duì)核桃的品質(zhì)變化進(jìn)行分析，但這些研究多集中于對(duì)核桃油脂氧化酸敗指標(biāo)的靜態(tài)分析，而有關(guān)核桃在貯存過(guò)程中油脂氧化酸敗變化的動(dòng)力學(xué)特性及貨架期預(yù)測(cè)研究較少，同時(shí)對(duì)于新型干燥方式——滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃的貯藏特性未見(jiàn)報(bào)道。

研究擬以酸價(jià)和過(guò)氧化值為指標(biāo)，將恒溫和變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥的核桃進(jìn)行加速貯藏試驗(yàn)用以評(píng)估其在不同貯藏時(shí)間下的油脂品質(zhì)變化規(guī)律，并與單一熱風(fēng)干燥進(jìn)行比較。此外，在不同貯藏溫度條件下進(jìn)行變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃的貯藏試驗(yàn)，應(yīng)用氧化酸敗反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立核桃貨架期預(yù)測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品在貯存過(guò)程中氧化酸敗狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為預(yù)測(cè)核桃品質(zhì)狀況的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料與試劑

新鮮帶青皮核桃：清香，于9月份成熟時(shí)采摘于陜西，-20 ℃貯藏備用；

無(wú)水硫酸鈉、酚酞、異丙醇、無(wú)水乙醇、正己烷、三氯甲烷、冰乙酸、無(wú)水乙醚、碘化鉀、硫代硫酸鈉、重鉻酸鉀、氫氧化鉀、可溶性淀粉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

滾筒催化紅外干燥設(shè)備(圖1)：江蘇大學(xué)食品學(xué)院聯(lián)合鎮(zhèn)江美博紅外科技有限公司研制；

熱風(fēng)干燥設(shè)備：江蘇大學(xué)食品學(xué)院聯(lián)合泰州圣泰科紅外科技有限公司研制；

天平：BAS2202S型，德國(guó)Sartorius公司；

循環(huán)水式多用真空泵：SHZ-D(Ⅲ)型，上海秋佐科學(xué)儀器有限公司；

旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：RE-2000B型，上海亞榮生化儀器廠；

恒溫恒濕培養(yǎng)箱：HWS-P250C型，合肥華德利科學(xué)器材有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 核桃干燥處理 將鮮核桃從冷藏室取出，室溫(25 ℃)解凍，除去外層青皮及表面雜質(zhì)，清洗后于通風(fēng)處瀝干表面水分，分別經(jīng)恒溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合、變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合和單一熱風(fēng)干燥至干基含水率8%以下，具體干燥條件詳見(jiàn)表1。收集3種干燥方式處理后的核桃作為后續(xù)貯藏試驗(yàn)原料。

表1 不同干燥處理方法的條件

1.3.2 加速貯藏試驗(yàn) 將3種干燥方式處理后的核桃于35 ℃、相對(duì)濕度75%的培養(yǎng)箱中進(jìn)行加速貯藏，每隔15 d取樣提取油脂，分別測(cè)定酸價(jià)和過(guò)氧化值。

1.3.3 核桃油脂提取 參照孟阿會(huì)[10]16的方法并略有修改。取核桃仁粉碎處理后，與正己烷按m核桃粉∶V正己烷為1∶5(g/mL)混合后置于具塞錐形瓶中，暗處提取12 h，真空抽濾，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)處理除去提取劑，得到核桃油樣。

1.3.4 核桃油理化指標(biāo)測(cè)定

(1)酸價(jià)(AV)：按GB 5009.229—2016執(zhí)行。

(2)過(guò)氧化值(POV)：按GB 5009.227—2016執(zhí)行。

1.3.5 貨架期預(yù)測(cè)試驗(yàn) 將變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥的核桃分別于5，15，25，35 ℃、相對(duì)濕度75%條件下進(jìn)行貯藏，每隔15 d取樣提取油脂，分別測(cè)定酸價(jià)和過(guò)氧化值。

(1)氧化酸敗反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程：根據(jù)楊虎清等[11]的方法，選擇一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，其反應(yīng)方程為：

(1)

式中：

At——貯藏t時(shí)間后某理化指標(biāo)含量；

A0——某理化指標(biāo)的初始含量；

t——貯藏時(shí)間，d；

k——氧化酸敗反應(yīng)速率常數(shù)，d-1。

(2)氧化酸敗反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系：根據(jù)式(1)計(jì)算不同貯藏溫度下的氧化酸敗反應(yīng)速率常數(shù)kT，按照Arrhenius方程[12-13]計(jì)算kT與T的關(guān)系式為：

(2)

式中：

kT——溫度T下的氧化酸敗反應(yīng)速率常數(shù)，d-1；

k0——指數(shù)前因子，d-1；

EA——活化能，J/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 4 J/(mol·K)；

T——熱力學(xué)溫度，K。

對(duì)式(2)取自然對(duì)數(shù)得：

(3)

式中：

kT1、kT2——對(duì)應(yīng)于溫度T1、T2下的氧化酸敗反應(yīng)速率常數(shù)，d-1。

試驗(yàn)中，通過(guò)不同溫度T條件下的kT值可計(jì)算獲得不同溫度段278～288，288～298，298～308 K下氧化酸敗反應(yīng)的活化能EA1、EA2和EA3。

(3)貨架期預(yù)測(cè)模型：通常用Q10表示油脂氧化酸敗速率對(duì)溫度的敏感性[11-13]，其計(jì)算公式為：

(4)

式中：

Q10——溫差為10 ℃某理化指標(biāo)降低速率比或食品品質(zhì)保持的時(shí)間比原來(lái)延長(zhǎng)的倍數(shù)；

θT——溫度為T時(shí)的貯藏時(shí)間，d；

θT+10——溫度為T+10 ℃時(shí)的貯藏時(shí)間，d。

將式(2)代入式(4)得：

(5)

θT=θT0×Q10(T0-T)/10(T≥T0)。

(6)

1.3.6 貨架期預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 將變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥的核桃分別于18，28 ℃、相對(duì)濕度75%條件下進(jìn)行貯藏，每隔15 d取樣提取油脂，分別測(cè)定酸價(jià)和過(guò)氧化值，用以驗(yàn)證貨架期預(yù)測(cè)模型。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)均平行3次，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，采用OriginPro 9.1軟件制圖。利用IBM SPSS Statistics 25軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，采取Duncan檢驗(yàn)，當(dāng)P<0.05時(shí)，代表數(shù)據(jù)之間存在顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 3種干燥方式核桃酸價(jià)和過(guò)氧化值變化與貯藏時(shí)間的關(guān)系

2.1.1 酸價(jià) 酸價(jià)(AV)是用以表征油脂氧化酸敗水解程度的指標(biāo)，可以用來(lái)反映油脂水解的程度。當(dāng)AV升高時(shí)，油脂內(nèi)游離脂肪酸占比上升[11]。由圖2可知，3種干燥方式處理的核桃在貯藏期間AV均隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而上升，是由脂肪水解酶不斷水解油脂產(chǎn)生越來(lái)越多的游離脂肪酸造成的[14]，與楊虎清等[11]的結(jié)論一致。此外，單一熱風(fēng)干燥處理的核桃AV升高最為顯著，35 ℃貯藏90 d后，AV達(dá)到1.71 mg/g；恒溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥的升高幅度次之，90 d后為1.39 mg/g；而變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥的增幅最小，90 d后AV僅為1.27 mg/g。3種干燥方式處理的核桃在35 ℃下貯藏90 d后的AV值(1.27～1.71 mg/g)接近山核桃[11]的。貯藏90 d后，變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥處理的核桃AV最低，其次是恒溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃，單一熱風(fēng)干燥的最高，這是由于3種干燥方式的干燥時(shí)間不同引起的核桃油初始品質(zhì)不同。在達(dá)到相同干燥效果(干基含水率8%)下，變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥、恒溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥、單一熱風(fēng)干燥所需時(shí)間分別為14.38，16.16，20.00 h。變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥時(shí)間最短，故油脂初始品質(zhì)最好，隨著貯藏時(shí)間的增加，AV增幅最小。3種干燥方式處理的核桃貯藏90 d后的AV值均未超過(guò)GB 19300—2014《堅(jiān)果與籽類食品》的要求，表明核桃AV指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

圖2 3種干燥方式核桃酸價(jià)隨貯藏時(shí)間的變化

2.1.2 過(guò)氧化值 過(guò)氧化值(POV)是用以衡量脂肪一級(jí)氧化產(chǎn)物的指標(biāo)，表明物料內(nèi)脂肪氧化的初級(jí)程度，因而可以通過(guò)測(cè)定POV的高低來(lái)評(píng)判脂肪氧化的程度[11]。由圖3可知，3種干燥方式處理的核桃在貯藏期間POV的變化趨勢(shì)一致，均隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)不斷升高，是因?yàn)殡S著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，油脂氧化反應(yīng)速度不斷增加，與楊虎清等[11]的結(jié)果一致。POV升高最顯著的為單一熱風(fēng)干燥處理的核桃，貯藏90 d后，POV由最初的0.002 5 g/100 g 上升至0.022 4 g/100 g，增加了7.96倍；其次是恒溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥處理的核桃，POV由0.002 4 g/100 g上升至0.021 1 g/100 g，增加了7.79倍；POV增幅最小的為變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥處理的核桃，POV上升至0.019 9 g/100 g，增加了7.29倍。3種干燥方式處理的核桃在35 ℃下貯藏90 d后的POV值(0.019 9～0.022 4 g/100 g)低于山核桃[11]的。此外，貯藏90 d后，變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥處理的核桃油POV最低，其次是恒溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥，單一熱風(fēng)干燥核桃的POV最高。3種干燥方式處理的核桃POV隨貯藏時(shí)間的變化趨勢(shì)與AV的相似，均是由3種干燥方式處理下核桃油初始品質(zhì)不同引起的。3種干燥方式處理的核桃貯藏90 d后的POV值均未超過(guò)GB 19300—2014《堅(jiān)果與籽類食品》的要求，表明核桃POV指標(biāo)達(dá)標(biāo)。

圖3 3種干燥方式核桃過(guò)氧化值隨貯藏時(shí)間的變化

2.2 變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃貯藏期油脂變化和貨架期模型構(gòu)建

2.2.1 核桃酸價(jià)和過(guò)氧化值的變化與貯藏時(shí)間的關(guān)系

由圖4可知，不同貯藏溫度下核桃AV和POV均呈相似的變化趨勢(shì)，隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸升高，且增長(zhǎng)速率與貯藏溫度關(guān)系密切[15]，貯藏溫度越高，AV和POV增加的速率越大，與楊虎清等[11]的結(jié)論一致。以貯藏90 d為例，不同貯藏溫度下AV和POV均出現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)；35 ℃下的核桃AV值從0.37 mg/g上升至1.27 mg/g，升高了2.43倍；25 ℃下的AV值從0.37 mg/g上升至1.00 mg/g，升高了1.70倍；其次是15 ℃的，AV值增加了0.97倍；而5 ℃的AV值僅增加了0.59倍。不同貯藏溫度下POV值變化趨勢(shì)與AV值的相似，35 ℃時(shí)的POV值升高幅度最大，由0.002 g/100 g升高至0.020 g/100 g，升高了8.97倍；其次是25 ℃的，POV值由0.002 g/100 g升高至0.013 g/100 g，升高了5.50倍；15 ℃下的POV值由0.002 g升高至0.008 g，提升了3倍；而5 ℃下的POV值升高幅度最小，僅增加了2.01倍。說(shuō)明低溫貯藏處理可以有效抑制脂肪酶的活性，降低脂肪氧化酸敗程度[11,16]。而較高的貯藏溫度對(duì)于脂肪氧化酸敗的影響主要有兩方面：① 加速脂肪內(nèi)部碳鏈的受熱斷裂；② 加速脂肪酶、過(guò)氧化物酶以及脂氧合酶等酶類對(duì)脂肪的水解和氧化，產(chǎn)生了更多的游離脂肪酸和過(guò)氧化氫，從而提高了酸價(jià)和過(guò)氧化值[17-18]。5 ℃下貯藏的核桃的AV和POV值呈緩慢上升趨勢(shì)，表明核桃內(nèi)部氫過(guò)氧化物處于緩慢累積階段，油脂氧化程度較慢，品質(zhì)依舊保持良好，與王玉良[19]15-17的結(jié)論一致，說(shuō)明低溫貯藏有利于降低氧化反應(yīng)程度。

圖4 不同貯藏溫度下核桃酸價(jià)和過(guò)氧化值隨貯藏時(shí)間的變化

2.2.2 油脂氧化酸敗反應(yīng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果 Labuza等[20]指出大多數(shù)食品的品質(zhì)變化可以用定量的質(zhì)量指標(biāo)A(營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、特殊風(fēng)味等)的損失或不良質(zhì)量指標(biāo)B(有害物質(zhì)、異味等)的生成來(lái)評(píng)價(jià)。運(yùn)用式(1)分別建立不同貯藏溫度下的貯藏時(shí)間t與AV和POV值的回歸方程，求出反應(yīng)速率常數(shù)k和回歸系數(shù)R2，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，以AV和POV為指標(biāo)的核桃氧化酸敗反應(yīng)符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，與楊虎清等[11]和任斯忱等[21]的結(jié)論一致。其R2均>0.99，表明各回歸方程均具有較高的擬合精度，建立的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型可以很好地預(yù)測(cè)不同貯藏時(shí)間下油脂氧化酸敗反應(yīng)的進(jìn)展情況。所有貯藏溫度下，k均為正值，表明AV和POV值均與貯藏時(shí)間呈正相關(guān)，隨著貯藏時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，POV和AV不斷增加，且兩者增加的快慢受溫度影響顯著，k值均隨貯藏溫度的升高而升高，也進(jìn)一步證明了貯藏溫度的升高可以加快脂質(zhì)氧化酸敗反應(yīng)速度[17-18]。這可能是由于高溫狀態(tài)下，脂肪氧化生成氫過(guò)氧化物反應(yīng)速率加快，同時(shí)促進(jìn)了氫過(guò)氧化物向低級(jí)產(chǎn)物(醛、酮等)的轉(zhuǎn)化進(jìn)程，與Mexis等[22]的結(jié)論一致。最長(zhǎng)貯藏時(shí)間隨貯藏溫度的增加而縮短，以AV為指標(biāo)，最長(zhǎng)貯藏時(shí)間從5 ℃的373 d縮短至35 ℃的165 d；以POV為指標(biāo)，最長(zhǎng)貯藏時(shí)間從5 ℃的326 d縮短至35 ℃的150 d。這是因?yàn)橘A藏溫度升高加速了氧化酸敗反應(yīng)，使貯藏時(shí)間變短，與楊虎清等[11]的變化趨勢(shì)一致。

表2 不同貯藏溫度下的回歸方程、回歸系數(shù)和最長(zhǎng)貯藏時(shí)間

2.2.3 貯藏貨架期預(yù)測(cè)模型建立 建立不同貯藏溫度T與AV和POV反應(yīng)速率常數(shù)kT的Arrhenius方程回歸曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知，AV和POV的lnkT值與1/T擬合方程的R2值均>0.95，說(shuō)明該方程具有較高的擬合精度，可以很好地預(yù)測(cè)不同貯藏溫度下油脂氧化酸敗反應(yīng)的進(jìn)展情況，與任斯忱等[21]的變化趨勢(shì)一致。

圖5 不同貯藏溫度下的Arrhenius方程回歸曲線

活化能EA是指品質(zhì)因子發(fā)生質(zhì)變所需要突破的能量壁壘，可以用來(lái)表示化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的難易程度，EA值越小，表明該反應(yīng)發(fā)生時(shí)所需克服的能壘越低，化學(xué)反應(yīng)越容易進(jìn)行。由表3可知，以AV為指標(biāo)時(shí)，5～15 ℃下的EA為2 2257.84 J/mol，25～35 ℃下為6 824.94 J/mol，降低了2.26倍；以POV為指標(biāo)時(shí)，5～15 ℃下的EA為15 720.53 J/mol，25～35 ℃下為13 107.57 J/mol，降低了0.20倍，說(shuō)明隨著貯藏溫度的升高核桃氧化酸敗反應(yīng)EA降低，反應(yīng)更容易進(jìn)行，從而導(dǎo)致貯藏時(shí)間Q10變短，與楊虎清等[11]的變化趨勢(shì)一致。根據(jù)表3的Q10和表2的θT0數(shù)據(jù)，通過(guò)式(6)建立以AV和POV為評(píng)價(jià)指標(biāo)的核桃貨架期預(yù)測(cè)模型，其數(shù)學(xué)方程見(jiàn)表4。

表3 不同貯藏溫度區(qū)間的EA和Q10?

表4 不同貯藏溫度下的貨架期預(yù)測(cè)模型

2.2.4 貯藏貨架期預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證 在不同貯藏溫度(18，28 ℃)下，用貨架期實(shí)測(cè)值驗(yàn)證貨架期預(yù)測(cè)模型，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，當(dāng)貯藏溫度分別為18，28 ℃時(shí)，核桃貨架期實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均<9%，具有較低的預(yù)測(cè)偏差，表明試驗(yàn)建立的貨架期模型能夠較好地對(duì)貯藏溫度為5～35 ℃下的核桃貨架期進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表5 核桃在8，28 ℃下的貨架期預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值?

3 結(jié)論

建立了變溫滾筒紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃的貯藏貨架期預(yù)測(cè)模型，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品貯藏過(guò)程中氧化酸敗狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，3種干燥方式處理后的核桃酸價(jià)和過(guò)氧化值均隨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷升高，貯藏溫度越高，酸價(jià)和過(guò)氧化值增加的速率越大，且符合一級(jí)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；其中變溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥處理的核桃酸價(jià)和過(guò)氧化值增幅最小，貯藏90 d后酸價(jià)為1.27 mg/g，過(guò)氧化值為0.019 9 g/100 g，其次是恒溫滾筒催化紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥的，單一熱風(fēng)干燥處理的核桃酸價(jià)和過(guò)氧化值增幅最大，但均未超過(guò)國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，品質(zhì)良好。建立了以酸價(jià)和過(guò)氧化值為評(píng)價(jià)指標(biāo)的變溫滾筒紅外—熱風(fēng)聯(lián)合干燥核桃的貯藏貨架期預(yù)測(cè)模型，其R2均>0.99，相對(duì)誤差<9%，具有較高的擬合精度，表明該模型可以較好地對(duì)貯藏溫度為5～35 ℃下的核桃貨架期進(jìn)行預(yù)測(cè)。但由于試驗(yàn)中因核桃品種、試驗(yàn)溫度、時(shí)間、濕度因素的有限性，以上由試驗(yàn)值推導(dǎo)的貨架壽命預(yù)測(cè)模型在適用性上仍存在局限性，如進(jìn)一步研究并控制這些影響因素，可進(jìn)一步完善以上模型，拓寬適用性。