預(yù)處理方式及干燥溫度對養(yǎng)心菜熱風(fēng)干燥特性與品質(zhì)的影響

孫慶運(yùn)，張宗超，賈振超，韓夢龍，趙 峰

（山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250100）

養(yǎng)心菜，學(xué)名景天三七（Sedum aizoonL.）為景天科紅景天屬多年生草本植物，種植區(qū)域主要分布在我國東北、華北、華東等地區(qū)[1]。養(yǎng)心菜營養(yǎng)價(jià)值豐富，莖葉中含有豐富的鐵、鈣等礦物質(zhì)，以及果糖、蛋白質(zhì)、維生素C、齊墩果酸等活性成分，可用于治療高血壓、心臟病，以及降血糖、降血脂等，具有很高的藥用價(jià)值[2?4]。同時(shí)由于其營養(yǎng)豐富，也可作為飼草代替部分飼料，在畜牧養(yǎng)殖方面也具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

目前養(yǎng)心菜的應(yīng)用包括鮮食和制粉，其中以干燥后制粉為主，制得的粉體用于生產(chǎn)藥品以及活性成分提取。干燥生產(chǎn)是制粉過程中的重要環(huán)節(jié)，但養(yǎng)心菜的研究主要集中在藥用價(jià)值和活性成分的提取[6?8]，干燥加工方面相關(guān)研究較為薄弱。根據(jù)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前養(yǎng)心菜干燥生產(chǎn)加工中多以熱風(fēng)為熱源，采用烘箱、烘房的形式，其熱效率相對較高，但由于養(yǎng)心菜含水率較高，莖葉干燥特性差異大，從而存在干燥時(shí)間長、效率低、干燥不均勻等問題，制約了養(yǎng)心菜干燥生產(chǎn)。物理預(yù)處理方式包括壓榨、壓扁、切段等，通過預(yù)處理后可有效降低物料含水率，提高干燥效率，在加工副產(chǎn)物、牧草等物料干燥過程中得到了廣泛應(yīng)用[9?10]。苜蓿自然干燥研究結(jié)果表明壓扁處理可以提高苜蓿莖葉干燥的均勻性，提高莖稈干燥的速率[11]；苜蓿熱風(fēng)干燥中，壓扁切段處理后莖葉的干燥速度較為接近[12]。在燕麥+箭笞的干草調(diào)制過程中，壓扁處理會明顯提高干燥過程中的干燥速率[13]。因此研究預(yù)處理方式對養(yǎng)心菜熱風(fēng)干燥特性和品質(zhì)的影響非常重要。

為提高養(yǎng)心菜的干燥效率和降低干燥成本，解決實(shí)際生產(chǎn)過程中的問題。本研究以預(yù)處理方式、熱風(fēng)溫度為試驗(yàn)因素，分析各試驗(yàn)因素對養(yǎng)心菜全株、莖、葉干燥特性和品質(zhì)的影響，以干燥時(shí)間、干燥速率以及可溶性蛋白含量、VC含量為指標(biāo)，確定最佳的干燥工藝過程，為養(yǎng)心菜實(shí)際干燥生產(chǎn)過程提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

養(yǎng)心菜 取自山東省東平縣，自田間收割后將根部去除，用密封袋包裝，帶回實(shí)驗(yàn)室置于冷藏箱內(nèi)保存；考馬斯亮藍(lán)G-250 試劑 南京建成生物工程研究所有限公司；維生素C（VC）含量試劑盒 南京建成生物工程研究所有限公司；其他試劑 均為國產(chǎn)分析純或化學(xué)純。

101-3BS電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海力辰邦西儀器科技有限公司；YP20002B電子天平 上海力辰邦西儀器科技有限公司；JFSD-100-Ⅱ粉碎機(jī) 上海嘉定糧油儀器有限公司；DK-S24 水浴鍋 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；T6 新世紀(jì)紫外分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；TGL-16M臺式高速冷凍離心機(jī) 上海圣科儀器設(shè)備有限公司等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同處理方式對養(yǎng)心菜干燥特性的影響

1.2.1.1 不同預(yù)處理方式對養(yǎng)心菜干燥特性的影響根據(jù)文獻(xiàn)分析[14]，預(yù)處理方式選擇切段、壓扁、壓扁+切段處理，以未處理養(yǎng)心菜為對照組，研究熱風(fēng)溫度80℃下不同預(yù)處理方式對養(yǎng)心菜干燥特性的影響。每組試驗(yàn)物料取20 g，置于錫紙盒中，每30 min測量一次物料質(zhì)量變化，直到質(zhì)量變化小于0.01 g，試驗(yàn)設(shè)置2 次重復(fù)。物料切段的長度為30 mm，壓扁采用鋼尺擠壓，將莖稈和葉片一次壓裂、壓扁，有少量汁液產(chǎn)生。

1.2.1.2 不同熱風(fēng)溫度對養(yǎng)心菜干燥特性的影響根據(jù)預(yù)試驗(yàn)和文獻(xiàn)分析研究[14]，熱風(fēng)溫度60℃以下，干燥時(shí)間過長，而熱風(fēng)溫度90 ℃以及更高的溫度，物料質(zhì)量開始變差。從而熱風(fēng)溫度選擇60、70、80 ℃三個(gè)水平，研究不同熱風(fēng)溫度下切段、壓扁+切段預(yù)處理對養(yǎng)心菜干燥特性的影響，每組試驗(yàn)物料取20 g，置于錫紙盒中，試驗(yàn)設(shè)置2 次重復(fù)，每30 min測量一次物料質(zhì)量變化，直到質(zhì)量變化小于0.01 g。

1.2.1.3 不同預(yù)處理方式對養(yǎng)心菜莖葉干燥特性的影響 養(yǎng)心菜莖、葉的生物結(jié)構(gòu)差異較大，其內(nèi)部含水率以及水分的遷移都會有較大的差異，對養(yǎng)心菜的干燥均勻性產(chǎn)生影響，會造成莖或葉的過度干燥。首先將養(yǎng)心菜的莖和葉進(jìn)行分離，分別對莖、葉進(jìn)行切段、壓扁+切段預(yù)處理，研究熱風(fēng)溫度80 ℃下莖、葉在切段、壓扁+切段預(yù)處理下的干燥特性。每組試驗(yàn)物料取20 g，置于錫紙盒中，試驗(yàn)設(shè)置2 次重復(fù)，每30 min測量一次物料質(zhì)量變化，直到質(zhì)量變化小于0.01 g。

1.2.2 干燥模型的擬合 Weibull模型為經(jīng)典的干燥模型，對大多數(shù)物料的干燥過程有較好的擬合度。Weibull模型的參數(shù)表達(dá)式如下[15]：

式中，α —尺度參數(shù)，min，與物料干燥過程有關(guān)的常數(shù)，約等于物料中水分去除63%所需要的時(shí)間；β—形狀參數(shù)。

尺度參數(shù) α與干燥過程總時(shí)間T的比值設(shè)為RA，用于表示前期與后期干燥速率差異的大小。其表達(dá)式為：

式中，Xi—測定值；Xpi—擬合值；Xmi—測定的平均值；n—數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

模型擬合度的好壞采用決定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、殘差平方和SSE進(jìn)行確定，R2值越接近1 代表模型擬合程度越好，均方根誤差和殘差平方和值越小說明擬合程度越好。

1.2.3 不同處理方式對養(yǎng)心菜品質(zhì)的影響

1.2.3.1 不同處理方式對養(yǎng)心菜可溶性蛋白含量的影響 將不同處理方式下干燥后的物料進(jìn)行粉碎，可溶性蛋白含量的測定方法采用考馬斯亮藍(lán)G-250 比色法，每個(gè)物料測定三次，取平均值，并作顯著性分析。研究熱風(fēng)溫度80 ℃下不同預(yù)處理方法(壓扁、切段、壓扁+切段)，以及壓扁+切段處理下不同熱風(fēng)溫度（60、70、80 ℃）對養(yǎng)心菜可溶性蛋白含量的影響，以及莖、葉中可溶性蛋白含量的差異。

1.2.3.2 不同處理方式對養(yǎng)心菜VC含量的影響將不同處理方式下干燥后的物料進(jìn)行粉碎處理，養(yǎng)心菜VC含量的測定方法參照國標(biāo)2，6二氯靛酚滴定法[16]。每個(gè)物料測定三次，取平均值，并作顯著性分析。研究熱風(fēng)溫度80 ℃下不同預(yù)處理方法(壓扁、切段、壓扁+切段)，以及壓扁+切段處理下不同熱風(fēng)溫度（60、70、80 ℃）對養(yǎng)心菜VC含量的變化，并結(jié)合相關(guān)的研究對成分變化進(jìn)行討論。

1.2.4 測定指標(biāo)

1.2.4.1 初始含水率 初始測定方法參照國標(biāo)GB 5009.3-2016[17]，新鮮養(yǎng)心菜的初始含水率為90.13%±0.80%。

1.2.4.2 干基含水率 干燥過程中干基含水率的計(jì)算公式為：

Mt—t時(shí)刻的干基含水率，g/g；mt—t時(shí)刻養(yǎng)心菜的質(zhì)量，g；md—養(yǎng)心菜干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.2.4.3 水分比MR由于養(yǎng)心菜的平衡含水率遠(yuǎn)小于Mt和M0，水分比的計(jì)算公式可以簡化為[18]：

式中，M0—初始干基含水率，g/g。

1.2.4.4 干燥速率DR干燥速率（drying rate,D R,g/(g·min)）計(jì)算公式為[19]：

式中，Mt1—t1 時(shí)刻干基含水率，g/g；Mt2—t2 時(shí)刻干基含水率，g/g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)由EXCEL、Origin9.1、SPSS17 等軟件進(jìn)行處理，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、擬合以及圖表的繪制。結(jié)果中數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SD）的形式進(jìn)行表示，并對品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，以不同字母a,b,c,d,e,f表示差異顯著（P<0.05）。

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)心菜熱風(fēng)干燥特性

2.1.1 預(yù)處理方式對養(yǎng)心菜干燥特性的影響 為了提高養(yǎng)心菜的干燥速率和降低干燥時(shí)間，研究切段、壓扁以及壓扁+切段等預(yù)處理方式對養(yǎng)心菜干燥特性的影響，養(yǎng)心菜不同預(yù)處理方式的熱風(fēng)干燥特性曲線如圖1 所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，各種預(yù)處理方式均對養(yǎng)心菜干燥特性有影響。從圖1a中可以看出，與未處理組相比，壓扁、壓扁+切段處理使干燥時(shí)間顯著下降（P<0.05)，僅為未處理組干燥時(shí)間的40%、35%。這主要是由于壓扁對莖稈的表皮以及維管束、角質(zhì)層等組織產(chǎn)生了破壞，電鏡觀察研究表明[20]，壓扁莖稈可以將木質(zhì)化和非木質(zhì)化細(xì)胞分開，減弱水分的保持能力，另外壓扁使內(nèi)部組織增大了與熱空氣的接觸面積，內(nèi)部水分遷移的阻力降低。而切段處理對干燥時(shí)間的影響較小，其干燥時(shí)間僅較未處理組降低了90 min。

圖1 不同處理方式下養(yǎng)心菜干燥特性曲線Fig.1 The drying characteristics curve of Yangxincai at different pretreatment methods

圖1b為干燥速率隨干基含水率的變化曲線，從圖中可以看出，壓扁和壓扁+切段預(yù)處理后養(yǎng)心菜干燥速率明顯提高，這是由于壓扁處理使養(yǎng)心菜植株中的部分水分遷移到了表面，使其快速脫除，提高了前期的干燥速率，而且減弱了水分的保持能力，使水分更容易脫除。該研究結(jié)果與苜蓿的干燥特性相似，莖稈壓扁處理會顯著降低內(nèi)部水分遷移的阻力[14,21]。壓扁+切段與壓扁預(yù)處理之間干燥時(shí)間和干燥速率變化較小。切段處理后養(yǎng)心菜的干燥速率變化較小，干燥前期干燥速率有所增加，這表明僅切段處理使物料鋪放更加均勻，物料與熱風(fēng)的接觸面積有所增大，斷面處的水分更容易散失，增加了前期的干燥速率；但葉片和莖稈的結(jié)構(gòu)沒有被破壞，隨著干燥的進(jìn)行，水分的遷移阻力加大，干燥速率快速下降，低含水率階段干燥速率相對較低，增加了整個(gè)過程的時(shí)間。因此，對養(yǎng)心菜進(jìn)行壓扁和壓扁+切段處理有利于水分的快速脫除，提高養(yǎng)心菜干燥的效率。

由于壓扁和壓扁+切段對干燥時(shí)間和干燥速率的影響變化較小，增加切段處理可以使干燥時(shí)間減少30 min，而壓扁+切段處理干燥速率相對更高；切段處理可以增加薄層物料鋪放的均勻性，在生產(chǎn)中也有利于增加與熱空氣的接觸面積，因此后續(xù)研究中僅選擇壓扁+切段預(yù)處理與切段預(yù)處理進(jìn)行對比分析。

2.1.2 熱風(fēng)溫度對養(yǎng)心菜干燥特性的影響 圖2 為不同熱風(fēng)溫度下養(yǎng)心菜的干燥特性曲線，分別進(jìn)行了切段和壓扁+切段處理下各熱風(fēng)溫度干燥特性的對比分析。從水分比曲線可以看出，相同處理方式下隨著溫度的上升，干燥時(shí)間顯著下降，熱風(fēng)溫度60 ℃下干燥時(shí)間顯著延長（P<0.05)。這主要是由于在較高的熱風(fēng)溫度下，物料內(nèi)部水分子的能量高，提高了內(nèi)部水分子往物料表面遷移的速率，物料表面的水蒸氣分壓與空氣中的水蒸氣分壓的壓差增大，從而提高了其干燥速率，這與苜蓿、雜交狼尾草等物料的干燥特性相同[22?23]。相同溫度下，壓扁+切段處理干燥時(shí)間較切段處理均顯著降低；熱風(fēng)溫度60、70、80 ℃下干燥時(shí)間分別降低34%、42%、59%，表明了各溫度下壓扁處理有利于提高干燥速率。

圖2 不同熱風(fēng)溫度下養(yǎng)心菜干燥特性曲線Fig.2 The drying characteristics curve of Yangxincai at different hot air temperature

從干燥速率曲線可以看出，各干燥溫度下干燥速率均先上升后快速下降，熱風(fēng)溫度80 ℃下干燥速率顯著高于其他溫度（P<0.05）；干燥前期自由水含量高，不同溫度下干燥速率相差較大，而干燥后期由于水分遷移阻力較大，干燥速率降低，從而不同溫度下干燥速率相差較小。熱風(fēng)溫度70 ℃下，切段處理物料的干燥速率先上升后恒速再降速，且干燥前期干燥速率低于60 ℃組，這可能是由于物料初始含水率的差異，以及物料干燥過程中擺放不均勻造成的。干燥后期70 ℃和60 ℃組的干燥速率較低，這也是干燥時(shí)間顯著延長的主要原因，提高干燥后期的干燥速率可以降低總的干燥時(shí)間，因此采取預(yù)處理和提高干燥后期熱風(fēng)溫度有利于提高后期的干燥效率，這與大多數(shù)物料的干燥特性相同[24?25]。

2.1.3 養(yǎng)心菜莖葉熱風(fēng)干燥特性 熱風(fēng)溫度80 ℃，莖葉不同處理方式下的干燥特性曲線如圖3 所示。從圖中可以看出，切段處理方式下葉片的干燥時(shí)間僅為莖干燥時(shí)間的60%，表明莖葉干燥特性差異較大，在干燥過程中存在莖葉干燥不均勻現(xiàn)象；而壓扁+切段處理方式下莖的干燥時(shí)間較葉低30 min，莖的干燥速率顯著上升（P<0.05），而葉片在不同處理方式下干燥時(shí)間變化較小，這與苜蓿莖葉干燥時(shí)間的研究結(jié)果相似[26]。從干燥速率曲線可以看出，莖的初始含水率低于葉片，但由于干燥速率較低，從而莖的干燥時(shí)間顯著延長（P<0.05）；經(jīng)過壓扁+切段處理后干燥速率顯著提高，與葉片干燥速率相近，因此壓扁處理有利于提高莖的干燥速率，以及在干燥過程中實(shí)現(xiàn)莖葉均勻干燥。

圖3 熱風(fēng)溫度80 ℃下養(yǎng)心菜莖葉熱風(fēng)干燥特性曲線Fig.3 The drying characteristics curve of the stem and leaf of Yangxincai at hot air temperature 80 ℃

2.2 干燥模型的擬合結(jié)果

不同熱風(fēng)溫度和預(yù)處理方式下養(yǎng)心菜熱風(fēng)干燥數(shù)據(jù)與Weibull模型的擬合結(jié)果，如表1 所示。從表中可以看出，Weibull模型擬合系數(shù)R2值均大于0.99，表明干燥過程數(shù)據(jù)與Weibull模型的擬合度非常高，可以用該模型預(yù)測養(yǎng)心菜的熱風(fēng)干燥過程。

表1 Weibull模型擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of Weibull model

從α值可以看出，在整個(gè)干燥過程中物料前期水分脫除所用的時(shí)間較短，而干燥后期因?yàn)楦稍锼俾瘦^低，從而整個(gè)干燥過程的時(shí)間顯著延長。各溫度下，經(jīng)預(yù)處理后前期的干燥時(shí)間降低，所占整個(gè)干燥過程的比重增加，如RA所示，表明了預(yù)處理提高了后期的干燥速率。這是因?yàn)榍捌谖锪蟽?nèi)部的自由水含量高，水分子的遷移和脫除所受的阻力較小，蒸發(fā)所需要的能量較少，后期以半結(jié)合水和結(jié)合水為主，水分子與物料的結(jié)合力加強(qiáng)，水分子脫除所需要的能量增加，因此相同溫度下后期干燥速率顯著下降[27]；而經(jīng)過壓扁、切段處理后物料一部分水分遷移到表面，物料結(jié)構(gòu)被破壞，接觸面積增加，降低了后期水分遷移的阻力，提高了后期干燥的速率。

2.3 養(yǎng)心菜品質(zhì)變化

2.3.1 可溶性蛋白含量 表2 為不同處理方式下物料的可溶性蛋白濃度值，從表中可以看出不同干燥工藝對物料可溶性蛋白濃度產(chǎn)生了顯著的影響（P<0.05）。與未處理組相比，預(yù)處理組80 ℃干燥后的蛋白濃度值均顯著提高（P<0.05），表明通過預(yù)處理提高了物料的干燥效率以及均勻性，有利于降低干燥過程中可溶性蛋白濃度的損失；其中壓扁+切段處理后的物料水分容易散失，且切段后物料的擺放均勻，從而顯著降低了干燥時(shí)間（P<0.05），可溶性蛋白濃度略高其他兩組，這與預(yù)處理后苜蓿營養(yǎng)成分含量的變化結(jié)果相似[28]。80 ℃未處理組物料的干燥時(shí)間最長，生化與生理反應(yīng)的時(shí)間過長使物料的營養(yǎng)物質(zhì)消耗和損失加大，從而可溶性蛋白濃度值最低[29]。

不同熱風(fēng)溫度下，壓扁+切段預(yù)處理組物料干燥后可溶性蛋白濃度隨溫度的降低而下降，其中70 ℃和80 ℃組無顯著性差異（P>0.05），表明熱風(fēng)溫度60 ℃組的干燥時(shí)間較長，細(xì)胞呼吸以及酶的作用時(shí)間長，對可溶性蛋白的消耗大，使生理和生化反應(yīng)對可溶性蛋白濃度的影響高于熱風(fēng)溫度的影響，因此物料的可溶性蛋白濃度較低。而與60 ℃壓扁+切段組相比，80 ℃未處理組則是由于熱風(fēng)溫度和干燥時(shí)間的共同影響，熱風(fēng)溫度較高、干燥時(shí)間長造成蛋白含量的損失加大。

莖和葉兩組的可溶性蛋白濃度要高于其他組，莖中的可溶性蛋白濃度高于葉片中，這可能是由于莖葉單獨(dú)干燥，干燥均勻度提高，減少了莖葉干燥不均勻與過度干燥造成的蛋白 含量的損失。

2.3.2 VC含量 從表2 中的VC含量值可以看出，在80 ℃熱風(fēng)溫度下，未處理組與切段處理組的VC含量相對較高，且壓扁+切段處理后物料的VC含量最低。這主要由于VC對氧、光、溫度和水分非常敏感，壓扁會造成VC隨水分流失而損失，且增加了與環(huán)境的接觸面積，加速了VC的氧化，造成VC含量的損失加大[30]；切段處理對結(jié)構(gòu)的破壞較小，且降低了干燥時(shí)間，因而VC含量略有提高[31]。隨著溫度的降低VC含量值升高，這表明VC容易受到溫度的影響，溫度較高會使VC變質(zhì)，這與秋葵等物料的研究結(jié)果一致[32?33]，因此干燥工藝的選擇需要在品質(zhì)變化和干燥效率之間平衡。

表2 不同預(yù)處理方式下養(yǎng)心菜可溶性蛋白濃度和VC含量值Table 2 Protein concentration and VC concentration of Yangxincai under different pretreatment methods

3 結(jié)論

上述研究表明提高熱風(fēng)溫度，以及進(jìn)行壓扁+切段、壓扁預(yù)處理有利于提高干燥速率，顯著降低干燥時(shí)間，而切段預(yù)處理對養(yǎng)心菜干燥時(shí)間的影響較小。另外壓扁+切段預(yù)處理有利于提高養(yǎng)心菜莖、葉的干燥速率，提高養(yǎng)心菜莖葉干燥的均勻性。在品質(zhì)方面，提高熱風(fēng)溫度，以及進(jìn)行預(yù)處理有利于減少養(yǎng)心菜可溶性蛋白的損失；相同處理?xiàng)l件下，莖、葉干燥后的可溶性蛋白含量高于整株。而壓扁、壓扁+切段預(yù)處理以及提高熱風(fēng)溫度會使VC含量降低。根據(jù)研究結(jié)果綜合分析，養(yǎng)心菜干燥工藝確定為熱風(fēng)溫度80 ℃和壓扁+切段預(yù)處理。該研究優(yōu)化了養(yǎng)心菜干燥生產(chǎn)工藝，有利于提高養(yǎng)心菜干燥生產(chǎn)的效益。

為了進(jìn)一步提高養(yǎng)心菜干燥的效率以及改善其品質(zhì)，需要結(jié)合其他干燥方式，進(jìn)行養(yǎng)心菜聯(lián)合干燥、連續(xù)干燥工藝研究和設(shè)備設(shè)計(jì)。