桑葚热风-微波联合干燥动力学模型建立及风味分析

郭朔,李玥,隋茜茜,刘素稳 *,常学东

(1.河北科技师范学院 食品科技学院,河北 秦皇岛 066004;2.河北省天然产物活性成分与功能重点实验室,河北 秦皇岛 066004)

摘 要为获得较好的桑葚干制方法,该研究采用热风、自然、冷冻、热风-微波联合干燥技术对桑葚进行处理,分析桑葚的干燥特性,建立其干燥过程的数学模型,并对其进行微观结构、感官和有机风味物质差异分析。结果表明:桑葚在热风-微波联合干燥过程中存在恒速、加速和减速3 个阶段。微波功率对干燥速率和特性的影响最大。桑葚热风-微波联合干燥特性的系统动力学模型是单项扩散模型。冷冻干燥和热风-微波联合干燥处理的桑葚保持了原有结构,微观结构特性优于热风干燥和自然干燥。采用气相离子迁移谱分析风味发现,热风干燥所得桑葚的风味物质缺失严重,自然干燥桑葚的乙酸含量较高,热风-微波联合干燥和冷冻干燥的桑葚与新鲜桑葚更接近,但热风-微波联合干燥会使桑葚中的糠醛的浓度升高。综上,与热风和自然干燥方式相比,热风-微波联合干燥在感官和风味上有较好的优势,是一种优良的桑葚干燥方法。

关键词 桑葚;热风-微波联合干燥;动力学模型;风味分析;气相离子迁移谱

桑葚(Fructus Mori)又名桑葚子、桑实、乌椹等,含有丰富的营养素,具有延缓衰老、美容养颜的功效[1]。但桑葚的果肉易腐败变质、货架期短,给桑葚的储存和运输带来不利影响。干燥能够延长果品的保质期,目前国内外桑葚干的生产主要采用自然晒干和热风干燥,虽操作简单、成本低廉,但干燥速率较低,干燥过程难以控制,对果品的品质影响较大。冷冻干燥、微波干燥等技术在桑葚干制中取得较好的效果[2]。 冷冻干燥处理的果干营养成分保留率较高、成品复水性好,但对干燥设备的要求较高、能耗较高、干燥速度较慢[3]

微波干燥处理是近年来应用于果蔬干燥的新型技术之一,微波干燥的果蔬干品质接近冷冻干燥,具有干燥速率快、体积变化小、营养损失少等特点[4]。但微波干燥难以保证干燥的均匀性,因此常与其他干燥技术联合使用。目前国内外已有关于热风-微波干燥食品的研究[5-6]。如采用热风-微波干燥鲐鱼肉,得到了产品感官和风味品质、硬度、弹性和咀嚼度均较好的鲐鱼干产品[7]。采用微波-热风联合干燥方法对绞股蓝进行干燥处理并建立了该方法的干燥动力学模型,相比传统干燥方式,热风-微波联合干燥方法的干燥时间、传质速率、能量和质量损耗等方面均较佳,表明热风-微波联合干燥技术有较大的应用潜力[8]

为直观反映果蔬干燥的过程,常使用数学模型进行描述,国内外已有多种数学模型应用于果蔬干燥[9-10]。不同物料的干燥特性有差异,数学模型也不同。目前微波干燥数学模型在桑葚脆果中的适用性缺乏系统的研究。因此,本试验采用3 种常用的干燥数学模型:指数模型、单项扩散模型和Page 方程模型,拟合桑葚热风-微波联合干燥动力学曲线,并建立相应的动力学模型,为控制及预测桑葚干燥过程提供理论依据。通过比较自然、热风、冷冻、热风-微波联合干燥等干燥方法对桑葚感官、风味的影响,筛选合适的干燥方法,为提高桑葚脆果的质量提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜桑葚:河北省秦皇岛市昌黎县农业果园;草酸:天津市佳兴化工玻璃仪器工贸有限公司;无水乙醇:天津市大茂化学试剂厂;无水碳酸钠:天津市科密欧化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

AL104 型精密分析天平:深圳市凯铭杰仪器设备有限公司;DHG-9245A 电热鼓风干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司;M1-L201B 微波炉:广东美的电器制造有限公司;YP601N 电子天平:上海精密科学仪器有限公司;S-570 扫描电子显微镜:株式会社日立制作所;FDU-1200 冷冻干燥机:东京理化器械株式会社;FlavourSpec 风味分析仪:山东海能科学仪器有限公司;SD-900 离子溅射镀膜仪:博远微朗(北京)技术发展有限公司。

1.2 方法

1.2.1 热风-微波联合干燥动力学特性

1.2.1.1 桑葚热风干燥温度选择

选择新鲜、无腐烂的桑葚清洗干净,将新鲜桑葚平铺于物料盘中,分别在30、40、50、60、70 ℃下热风干燥。测定含水率达5% 时所需时间及桑葚外观、气味变化。

1.2.1.2 桑葚脆果微波干燥特性测定

挑选新鲜、无腐烂且大小均一的桑葚(直径6~12 mm),称取100 g 的桑葚均匀平铺于物料盘中,放入60 ℃电热鼓风干燥箱中,热风干燥后的桑葚根据不同水分含量(20%~60%)放入微波设备中,微波功率控制为160、320、480、640、800 W。每隔60 s 称质量,并测其水分含量,当水分含量达到7%~8%时停止干燥[11],试验设计见表1。

表1 试验设计
Table 1 Design of experiment

试验号1234567891 0直径/mm 12 12 12 12 12 681 0 11 12 13 14 15水分含量/%30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 20 30 40 50 60 12 14 12 12 12 12 12微波功率/W 160 320 480 640 800 480 480 480 480 480 480 480 480 480 480

1.2.1.3 湿基含水率测定

湿基含水率计算公式如下。

式中:Wtt 时刻桑葚的湿基含水率,%;Mtt 时刻桑葚的质量,g;Md 为桑葚的干质量,g;t 为测试时间,min。

1.2.1.4 干基含水率的测定

干基含水率计算公式如下。

式中:X 为干基含水率,% ;Mtt 时刻桑葚的质量,g;Md 为桑葚的干质量,g;t 为测试时间,min。

1.2.1.5 干燥速率测定

干燥速率计算公式如下。

式中:R 为干燥速率,%/s;M0 为桑葚初始水分含量,%;Mtt 时刻桑葚干基水分含量,%;Dt 为前后两次称量间隔的时间,s;t 为测试时间,min。

1.2.1.6 水分比测定

水分比计算公式如下。

式中:MR 为水分比,%;Mtt 时刻桑葚干基水分含量,%;Mo 为桑葚初始干基水分含量,%;Me 为平衡干基水分含量,%。

1.2.2 数学模型建立

常用描述果蔬干燥的数学模型有指数模型、单项扩散模型、Page 方程模型[12],三者表示如下。

对公式(5)~公式(7)等式两边分别取对数,从而得到线性关系式如下。

式中:MR 为水分比,%;t 为干燥时间,s;K 为干燥速度常数;A 为待定速度系数;N 为幂指数。

分别绘制不同微波功率、桑葚直径、桑葚初始含水率下的ln MR-t 曲线图和ln[-ln (MR)]-lnt 曲线图。

1.2.3 4 种干燥方式制备桑葚脆果

热风-微波联合干燥:参考王姝玚[13]的方法略作改动,将新鲜桑葚进行热风-微波联合干燥,干燥条件如下:将100 g 新鲜桑葚置于60 ℃电热鼓风干燥箱中干燥,水分含量达到30% 至微波中干燥,微波功率480 W,至水分含量为5%停止。

热风干燥:将100 g 新鲜桑葚置于60 ℃电热鼓风干燥箱中干燥,至水分含量为5%停止。

自然干燥:将100 g 新鲜桑葚在室温(25±1) ℃中自然晾干,至水分含量为5%停止。

冷冻干燥:将100 g 新鲜桑葚在-40 ℃冷冻干燥机中干燥,真空度为150 000~300 000 Pa,至水分含量为5%停止。

1.2.4 桑葚脆果微观结构观察

将干制后的桑葚脆果取样,将样品放入镀膜机内,用离子溅射镀膜仪对桑葚粉末喷金固定,采用扫描电子显微镜观察,放大500 倍观察干制后桑葚脆果微观结构。

1.2.5 桑葚脆果感官分析

参考GB 16325—2005《干果食品卫生标准》制定感官评分标准,具体见表2。

表2 感官评价标准
Table 2 Sensory evaluation criteria

项目色泽气味组织状态质地评分标准自然果色、呈现暗紫色颜色略黑、轻微碳化颜色呈现黑褐色、失去桑葚本色无异味 有桑葚特有的香气具有桑葚特有气味但稍有异味失去桑葚特有气味果型完整、外观饱满、大小均匀果形略有缺损、大小不均果粒缺损严重口感酥脆、软硬适中硬度较大或绵软果粒坚硬、质地不均评分14~20 8~<14 0~<8 14~20 8~<14 0~<8 20~30 10~<20 0~<10 20~30 10~<20 0~<10

1.2.6 风味物质分析

采用气相色谱离子迁移谱联用(gas chromatography-ion mobility spectrometry,GC-IMS)风味分析仪,称取2.5 g 鲜桑葚和0.5 g 桑葚干,研磨,置于20 mL 顶空瓶中,于60 ℃的设备温度下,孵育15 min 后进样100 μL。分析时间30 min,色谱柱为FS-SE-54-CB-1(柱长30 cm,内径0.25 mm,膜厚0.25 μm),柱温80 ℃,载气为N2

1.3 数据处理

试验重复3 次,取平均值,采用SPSS 25 软件对试验数据进行拟合计算,拟合出桑葚干燥动力学模型,并对结果进行统计和模型检验。

2 结果与分析

2.1 桑葚热风-微波联合干燥特性

2.1.1 热风干燥温度的选择

试验结果表明,随着热风干燥温度的升高,桑葚干至水分含量为5% 的时间逐渐缩短,当干燥温度大于60 ℃时桑葚出现了焦糊现象,最终选择60 ℃为最适干燥温度,此温度下桑葚干燥时间短,且外形良好,无焦糊味。

2.1.2 微波功率对桑葚热风-微波联合干燥特性的影响

不同微波功率的干燥特性曲线及干燥速率曲线见图1。

图1 不同微波功率的干燥特性曲线及干燥速率曲线
Fig.1 Drying characteristic curve and rate curve at different microwave powers

由图1 可知,微波功率由160 W 增大到800 W,桑葚干燥至目标含水率的时间分别为19、17、13、12、11 min。微波功率越大,干燥速率越快,干燥所需时间越短。果蔬在进行微波处理过程中干燥速率会呈现先加速然后保持恒速最后减速的3 个阶段[14-15]。本试验中微波功率对桑葚的干燥速率曲线也基本存在这3 个阶段。初始阶段桑葚中水分含量高,原因可能是其介电常数和损耗因子较高[16]。虽然微波功率大能明显提高桑葚脆果的速率,但当微波功率达到800 W 时,由于失水过快,内部水分来不及迁移至表面,桑葚脆果会出现焦化现象,因此桑葚干燥微波功率不宜过高[17]

2.1.3 桑葚直径对热风-微波联合干燥特性的影响

不同桑葚直径的干燥特性曲线及干燥速率曲线见图2。

图2 不同桑葚直径的干燥特性曲线及干燥速率曲线
Fig.2 Drying characteristic curve and rate curve of mulberries with different diameters

由图2 可知,当桑葚直径从6 mm 增至14 mm 时,干燥时间从12 min 延长至13 min。当桑葚直径为6 mm 时,干燥时间最短。原因是随着直径的增加,桑葚中的水分也在增加,单位时间内每个水分子吸收的微波能量会减小,所以干燥时间会随之延长。当桑葚直径为10 mm 时干燥时间最长,然后随桑葚直径进一步增大,桑葚直径对干燥的速率影响强度不明显。根据棱角效应,微波在非圆形物体分布不均匀,因而桑葚直径越长微波能获得越多,水分在桑葚内部传递的阻力也越小,蒸发速率就越快[18],所以桑葚直径为12 mm和14 mm 时干燥速率高于桑葚直径10 mm 的桑葚。桑葚干燥时间不仅要从桑葚直径本身考虑还要考虑不同直径桑葚内部水分传递的阻力和动力。在初始阶段,不同直径的桑葚干燥曲线差别不显著。

2.1.4 桑葚初始含水率对热风-微波联合干燥特性的影响

不同桑葚初始含水率的干燥特性曲线及干燥速率曲线见图3。

图3 不同桑葚初始含水率的干燥特性曲线及干燥速率曲线
Fig.3 Drying characteristic curve and rate curve of mulberries with different initial moisture contents

由图3 可知,随着桑葚初始含水率由20%增加到60%,干燥至终点的时间也从6 min 延长到22 min,这是由于随着含水率的增加,单位时间内需要蒸发同样质量的水分所需要的微波能量越多,所以干燥的时间会越长。在微波干燥香蕉片中发现,香蕉片含水率越高吸收微波能多,水分蒸发多,维持恒速干燥时间长,从而延长了整个干燥时间[19],与本研究结果一致。桑葚的干燥速率呈先增后减趋势,是因为初始含水率增加,桑葚内部有足够的水分来产生动力,所以干燥效果好[20]。但是水分含量过高,桑葚中大量的水分和空气迅速迁移至桑葚表面,快速蒸发,不能形成足够的动力,影响干燥效果,降低了产品品质。

2.2 数学模型

不同微波功率、桑葚直径、桑葚初始含水率下的ln MR -t 曲线见图4,ln(-ln MR)-lnt 曲线见图5。

图4 桑葚热风-微波干燥的ln MR-t 关系曲线
Fig.4 ln MR -t curve of mulberries under hot air-microwave puffing drying

图5 桑葚热风-微波联合干燥的ln(-ln MR)-lnt 关系曲线
Fig.5 ln(-ln M
R)-lnt curve of mulberries under hot airmicrowave puffing drying

由图4、图5 可知,桑葚干燥模型符合单项扩散模型,同时,在不同的干燥条件下,lnMRt 呈现的线性关系不一样,即KA 会随着微波功率W、桑葚直径L、桑葚初始含水率R 的变化而变化,所以引入系数abcdefgh,则KA,与WLR 的函数关系可以表示如下。

式中:W 为微波功率,W;L 为桑葚直径,mm;R 为桑葚初始含水率,%。

利用SPSS 25 软件对数据进行拟合,得到各待定系数结果如表3 所示。

表3 桑葚热风-微波联合模拟拟合
Table 3 Hot air-microwave puffing fitting of mulberries

各项系数近似95%的置信区间a b c d e f g h估计值0.000 751 0 0.000 000 5 0.000 012 3 0.001 466 7-0.974 0.002 0.024 0.034标准差0.000 469 5 0.000 000 5 0.000 032 8 0.000 656 2 0.405 0.000 0.028 0.566 0.001 784 0 0.000 000 0 0.000 060 0 0.002 911 0-1.865 0.001-0.039-1.212 0.000 282 0 0.000 002 0 0.000 084 0 0.000 022 0-0.082 0.002 0.086 1.280

将结果代入公式(6),即可得到桑葚微波干燥动力学模型如下。

式中:MR 为水分比,%;W 为微波功率,W;L 为桑葚直径,mm;R 为桑葚初始含水率,%;t 为时间,min。

2.2.1 模拟方程的统计检验及模型验证

桑葚热风-微波联合干燥拟合方程的统计检验结果见表4。

表4 桑葚热风-微波联合干燥拟合方程的统计检验结果
Table 4 Statistical test results of hot air-microwave drying fitting equation of mulberries

方差来源回归残差总误差自由度6 86 99平方和14.909 8 0.123 5 7.124平方和均值2.213 4 0.000 42 F 值1 326.98 P 值<0.002

由表4 可知,方差分析F 检验值为1 326.98,P<0.002;模型拟合优度R2=0.945,拟合程度高。因此,所得模型能够准确预测桑葚在热风-微波联合干燥条件下的含水率和干燥速率。

2.2.2 模型验证

选取微波功率为480 W,桑葚直径为11 mm,桑葚含水率为50% 进行试验,用该试验的真实观测数据与模型计算出来的数据进行对比,结果见图6。

图6 相同条件下的预测值与实际值的比较
Fig.6 Comparison of predicted values and measured values at the same conditions

由图6 可知,模型拟合的实际曲线,与真实曲线基本一致,这表明模型以较为准确地反映桑葚的热风-微波联合干燥特性,并能够进行很好的预测。

2.3 桑葚脆果干燥特性和风味分析

2.3.1 不同干燥方式对桑葚微观结构和外观的影响

不同干燥方式下桑葚脆果结构微观扫描电子显微镜和外观见图7。

图7 不同干燥方式下桑葚脆果结构微观扫描电镜和外观图
Fig.7 Scanning electron micrograph and appearance of mulberry crisp fruit structure by different drying methods

A.冷冻干燥;B.热风干燥;C.热风-微波联合干燥;D.自然干燥。1 为微观结构放大500 倍;2 为外观。

由图7 可知,在扫描电子显微镜下观察到热风-微波联合干燥和冷冻干燥得到的桑葚脆果比其他干燥方法孔隙小,并且出现“骨架结构”,这是由于微波干燥过程不会造成萎缩塌陷现象[21]。冷冻干燥空隙孔较多、小而紧凑,结构较为紧密[22]。热风干燥和自然干燥的桑葚脆果颗粒与颗粒之间的空隙较大、结构松散,原因可能是不同温度和湿度梯度变化造成较大的表面张力,导致皱缩、结块等现象[23]。从外观上观察,冷冻干燥和热风-微波联合干燥的桑葚外形完整、较为饱满,其原因可能是干燥过程中水分直接升华或快速蒸发,形成疏松多孔的结构[24]。而热风干燥和自然干燥可以看到明显的皱缩现象。因此,4 种干燥方法中,冷冻干燥和热风-微波联合干燥使桑葚保持了原有结构,微观结构特性优于其他干燥方式。

2.3.2 不同干燥方式对桑葚感官评分的影响不同干燥方式的感官评分结果见图8。

图8 不同干燥方式对感官评分的影响
Fig.8 Effect of different drying methods on sensory scores

桑葚在不同干燥方式下外观和感官发生了不同程度的变化。冷冻干燥和热风-微波联合干燥使桑葚脆果外形保持完整、大小接近鲜果。自然干燥和热风干燥由于干燥时间长,使脆果出现了明显的干缩现象。由图8 可知,整体感官评分依次为冷冻干燥>热风-微波联合干燥>热风干燥>自然干燥。冷冻干燥和热风-微波联合干燥的桑葚干外形完整,较为饱满,冷冻干燥的桑葚干硬度最小,入口酥脆,同时冷冻干燥对桑葚的活性成分保留率较高使得桑葚颜色美观。热风干燥虽保留了活性物质但硬度较大,影响口感。自然干燥桑葚干表面皱缩,硬度大故而感官评分较低。因此,冷冻干燥和热风-微波联合干燥所得桑葚干燥效果较好。

2.3.3 不同干燥方式桑葚的风味物质差异

不同干燥方式桑葚挥发性有机物的气相离子迁移谱见图9。

图9 不同干燥方式桑葚挥发性有机物的气相离子迁移谱图
Fig.9 Gas-phase ion mobility spectra of volatile organic compound of mulberries dried by different methods

A.挥发性有机物Gallery Plot 图,其中0~22 为未鉴定出的成分;B.不同干燥方式桑葚的气相离子迁移谱图;C.新鲜桑葚的挥发性有机物定性;D.不同干燥方式桑葚的主成分分析图。LD 为冷冻干燥桑葚;RF 为热风干燥桑葚;ZR 为自然干燥桑葚;RW 为热风-微波联合干燥桑葚;XX为新鲜桑葚。

由图9 可知,新鲜桑葚中含有己醛、1-丁醇、E-2-戊醛、庚醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃、3-甲基丁醇、乙酸己酯、3-甲基乙酸丁酯、乙酸乙酯、己酸甲酯、丁酸甲酯、2-庚酮和己酸乙酯等风味物质,经过不同的干燥处理后桑椹干的风味物质的种类和浓度产生明显差异,其中b 区域物质(E-2-己醛、丙酮、2-戊酮和2-庚酮等)、c 区域物质(3-甲基丁醛、2-甲基丙醛、糠醛、2-乙酰基呋喃和2-甲基丁醛等)和d 区域物质(戊醛、乙酸、2,3-丁二酮等)分别为经冷冻干燥、热风微波和自然干燥桑葚的特征风味物质。其中热风干燥的桑葚的风味物质缺失严重,自然干燥桑葚的乙酸含量较高,热风微波干燥过程中由于桑葚中的糖类发生热水解而使其糠醛浓度较高,其与氨基酸等氨基化合物反应呈褐色使桑葚干颜色加深[25],同时使桑葚干出现杏仁味、皂化味[26]。为了更加明显比较不同样品间的差异,采用差异对比模式,选取所有峰进行指纹图谱对比(图9B 和图9C),结果显示,不同干燥方式桑葚干的风味物质种类和浓度差异明显。

挥发性有机物定性分析见表5。

表5 气相离子迁移谱图定性结果
Table 5 Qualitative results of gas-phase ion mobility spectra

序号备注1234567891 0单体二聚体11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43化合物乙酸乙酯乙酰丙酮糠醛己醛己醛2-甲基丙醛2-甲基丁醛2-甲基丁醛3-甲基丁醛3-甲基丁醛正戊醛正戊醛乙醇丙酮乙酸2,3-丁二酮3-甲基丁醇3-甲基丁醇E-2-戊醛E-2-戊醛庚醛庚醛己酸甲酯己酸甲酯2-戊基呋喃E-2-戊醛E-2-戊醛2-丁酮1-丁醇2-戊酮丁酸甲酯丁酸甲酯3-甲基乙酸丁酯3-甲基乙酸丁酯E-2-己醛E-2-己醛2-庚酮己酸乙酯己酸乙酯乙酸己酯1-辛烯-3-醇1-辛烯-3-醇壬醛CAS 号C141786 C513860 C98011 C66251 C66251 C78842 C96173 C96173 C590863 C590863 C110623 C110623 C64175 C67641 C64197 C431038 C123513 C123513 C6728263 C6728263 C111717 C111717 C106707 C106707 C3777693 C1576870 C1576870 C78933 C71363 C107879 C623427 C623427 C123922 C123922 C1192627 C1192627 C110430 C123660 C123660 C142927 C4312996 C4312996 C124196分子式C4H8O2 C4H8O2 C5H4O2 C6H12O C6H12O C4H8O C5H10O C5H10O C5H10O C5H10O C5H10O C5H10O C2H6O C3H6O C2H4O2 C4H6O2 C5H12O C5H12O C6H10O C6H10O C7H14O C7H14O C7H14O2 C7H14O2 C9H14O C5H8O C5H8O C4H8O C4H10O C5H10O C5H10O2 C5H10O2 C7H14O2 C7H14O2 C6H6O2 C6H6O2 C7H14O C8H16O2 C8H16O2 C8H16O2 C8H14O C8H14O C9H18O分子质量/(g/mol)88.1 88.1 96.1 100.2 100.2 72.1 86.1 86.1 86.1 86.1 86.1 86.1 46.1 58.1 60.1 86.1 88.1 88.1 98.1 98.1 114.2 114.2 130.2 130.2 138.2 84.1 84.1 72.1 74.1 86.1 102.1 102.1 130.2 130.2 110.1 110.1 114.2 144.2 144.2 144.2 126.2 126.2 142.2相对保留指数612.6 710.2 819.0 786.8 786.5 564.3 664.8 661.2 645.3 646.3 693.5 693.4 513.4 528.8 576.3 581.2 728.4 726.3 839.2 838.5 893.1 893.7 917.2 915.7 988.8 743.2 742.8 589.5 646.5 686.2 713.6 712.8 865.4 865.0 905.1 904.1 882.6 1 003.4 1 002.1 1 003.2 1 029.2 1 029.0 1 099.0保留时间/s 154.227 206.550 312.498 273.936 273.546 132.931 177.324 175.744 168.709 169.140 192.113 191.969 110.448 117.239 138.218 140.401 222.392 220.571 336.780 335.976 402.020 403.085 446.405 443.564 578.233 235.188 234.840 144.060 169.229 186.781 209.540 208.788 368.156 367.773 424.105 422.189 388.847 605.453 603.046 605.052 654.525 654.177 787.282相对迁移时间/s 1.340 12 1.328 64 1.330 72 1.257 04 1.564 20 1.279 87 1.158 47 1.401 04 1.172 94 1.409 31 1.181 21 1.421 71 1.136 84 1.117 26 1.152 97 1.168 53 1.242 19 1.492 70 1.180 83 1.517 10 1.343 79 1.696 70 1.285 49 1.685 68 1.255 84 1.107 12 1.361 02 1.244 94 1.376 82 1.367 12 1.148 74 1.432 21 1.306 54 1.750 73 1.114 07 1.439 80 1.262 77 1.340 93 1.810 81 1.415 88 1.267 25 1.687 12 1.479 83单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体单体二聚体

由表5 可知,挥发性有机物定性分析发现新鲜桑葚的独特风味物质主要有己醛、1-丁醇、E-2-戊醛、庚醛、1-辛烯-3-醇、2-戊基呋喃、3-甲基丁醇、乙酸己酯、3-甲基乙酸丁酯、乙酸乙酯、己酸甲酯、丁酸甲酯、2-庚酮和己酸乙酯等。冷冻干燥桑葚的独特风味物质主要有E-2-己醛、丙酮、2-戊酮和2-庚酮等,使桑椹干呈现独特花果香气[27]。热风微波桑葚的独特风味物质主要有3-甲基丁醛、2-甲基丙醛、糠醛、2-乙酰基呋喃和2-甲基丁醛等,呈烘烤坚果香味[28]。自然干燥桑葚的独特风味物质主要有戊醛、乙酸、2,3-丁二酮等,赋予桑椹干独特的焦香味[29]。通过图9 和表5 进行对比分析,发现主成分分析图(图9D)与Gallery Plot 图(图9A)结论相同。样品相近则代表差异小,相隔远则代表组分差异明显。桑葚干制后与新鲜距离较远,说明经干燥后桑葚大部分的风味物质浓度会降低。

3 结论

桑葚在热风-微波联合干燥过程中存在加速、恒速和减速3 个阶段。微波功率、桑葚直径和初始含水率对干燥过程有不同的影响,其中微波功率对干燥过程的影响最显著。桑葚热风微波干燥特性符合单项扩散模型,经过验证后,该数学模型可以较为准确地模拟桑葚的热风-微波联合干燥过程。

通过不同干燥方式制得桑葚脆果,4 种干燥方式中,冷冻干燥和热风-微波联合干燥能够保持良好的桑葚物理和感官特性。但冷冻干燥耗时长、费用高,热风-微波联合干燥的桑葚脆果与冷冻干燥相接近,优于热风干燥和自然干燥。对于桑葚热风-微波干燥的研究仍需对其进行工艺优化调整,对质构、理化特性和营养损失等的影响需进一步研究。

参考文献:

[1]刘晴晴, 李勇, 张明霞, 等.紫色桑葚和白色桑葚总酚含量、抗氧化能力及代谢指纹图谱差异分析[J].江苏农业学报, 2022, 38(3): 813-820.LIU Qingqing, LI Yong, ZHANG Mingxia, et al.Differences in total phenol content, antioxidant activity and metabolic fin-gerprint between purple mulberry and white mulberry[J].Jiangsu Agricultural Journal, 2022, 38(3): 813-820.

[2]CHEN Q Q, LI Z L, BI J F, et al.Effect of hybrid drying methods on physicochemical, nutritional and antioxidant properties of dried black mulberry[J].LWT- Food Science and Technology, 2017, 80:178-184.

[3]张群.果蔬微波冷冻干燥关键技术研究[J].食品与生物技术学报, 2022, 41(4): 112.ZHANG Qun.Study on key technologies of microwave freeze-drying of fruits and vegetables[J].Journal of Food Science and Biotechnology, 2022, 41(4): 112.

[4]REN X, LI L L, CHEN J L, et al.Drying characteristics and quality of Chinese yam by multiphase microwave drying based on fractal theory[J].Drying Technology, 2022, 40(15): 3310-3323.

[5]刘艳红, 范美迪, 孙瑞雪, 等.不同干燥方式对香菜品质及自由基清除能力的影响[J].中国调味品, 2022, 47(12): 61-65, 72.LIU Yanhong, FAN Meidi, SUN Ruixue, et al.Effects of different drying methods on quality and free radical scavenging ability of coriander[J].China Condiment, 2022, 47(12): 61-65, 72.

[6]TALENS C, RIOS Y, ALVAREZ-SABATEL S, et al.Designing nutritious and sustainable biscuits using upcycled fibre-rich ingredients obtained by hot air - microwave drying of orange by-products[J].Plant Foods for Human Nutrition, 2022, 77(2): 271-278.

[7]徐永霞, 孟德飞, 赵洪雷, 等.即食鲐鱼肉干的调味配方及微波-热风干燥工艺优化[J].食品工业科技, 2021, 42(16): 171-176.XU Yongxia, MENG Defei, ZHAO Honglei, et al.Optimization of seasoning formula and microwave-hot air drying technology for ready-to-eat dried mackerel[J].Science and Technology of Food Industry, 2021, 42(16): 171-176.

[8]KARIMI S, LAYEGHINIA N, ABBASI H.Microwave pretreatment followed by associated microwave-hot air drying of Gundelia tournefortii L.: Drying kinetics, energy consumption and quality characteristics[J].Heat and Mass Transfer, 2021, 57(1): 133-146.

[9]LE LOEUFF J, BOY V, MORANÇAIS P, et al.Mathematical modeling of air impingement drying of the brown algae Sargassum muti-cum (fucales)[J].Chemical Engineering & Technology, 2021, 44(11): 2073-2081.

[10]ZHANG W P, YANG X H, MUJUMDAR A S, et al.The influence mechanism and control strategy of relative humidity on hot air drying of fruits and vegetables: A review[J].Drying Technology, 2022,40(11): 2217-2234.

[11]陆燕, 曾霞, 郑克铭, 等.不同品种桑葚果的风味成分分析[J].现代食品科技, 2020, 36(2): 232-240.LU Yan, ZENG Xia, ZHENG Keming, et al.Analysis of flavor components of different mulberry cultivars[J].Modern Food Science and Technology, 2020, 36(2): 232-240.

[12]CLARY C D, MEJIA-MEZA E, WANG S, et al.Improving grape quality using microwave vacuum drying associated with temperature control[J].Journal of Food Science, 2007, 72(1): E023-E028.

[13]王姝玚.不同干燥方式对树莓品质的影响[D].沈阳: 沈阳农业大学, 2018: 14.WANG Shuyang.Effects of different drying methods on raspberry quality[D].Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2018: 14.

[14]李湘利, 刘静, 肖鲜.热风与微波及其联合干燥对香椿芽品质的影响[J].食品科学, 2015, 36(18): 64-68.LI Xiangli, LIU Jing, XIAO Xian.Separate and joint effects of hot air drying and microwave drying on the quality of leaves of Toona sinensis[J].Food Science, 2015, 36(18): 64-68.

[15]李静.基于多参数控制的果蔬微波干燥多目标优化及机理研究[D].无锡: 江南大学, 2021.LI Jing.Multi-objective optimization and mechanism research of microwave drying of fruits and vegetables based on multi-parameter control[D].Wuxi: Jiangnan University, 2021.

[16]吕为乔, 宿佃斌, 王天行, 等.胡萝卜片微波-热风滚动床干燥物料特性研究[J].农业机械学报, 2019, 50(6): 352-358.LÜ Weiqiao, SU Dianbin, WANG Tianxing, et al.Drying characteristics of carrot slices during microwave-hot-airflow rolling drying[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2019, 50(6): 352-358.

[17]AN N N, LI D, WANG L J, et al.Factors affecting energy efficiency of microwave drying of foods: An updated understanding[J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 2024, 64(9): 2618-2633.

[18]苏晓琳.树莓脆片微波膨化机理与工艺研究[D].哈尔滨: 东北农业大学, 2019.SU Xiaolin.Study on microwave puffing mechanism and technology of raspberry chips[D].Harbin: Northeast Agricultural University,2019.

[19]陈燕珠.香蕉片微波真空干燥水分特性的研究[J].闽西职业技术学院学报, 2010, 12(3): 107-111.CHEN Yanzhu.Research on moisture content properties of banana slice under microwave vacuum drying condition[J].Journal of Minxi Vocational and Technical College, 2010, 12(3): 107-111.

[20]KUSHWAH A, KUMAR A, GAUR M K.Optimization of drying parameters for hybrid indirect solar dryer for banana slices using response surface methodology[J].Process Safety and Environmental Protection, 2023, 170: 176-187.

[21]罗鸣, 张桂容, 罗钰婕, 等.不同干燥方式对青梅品质的影响[J].食品与发酵工业, 2018, 44(10): 152-159.LUO Ming, ZHANG Guirong, LUO Yujie, et al.Effects of different drying methods on the quality of plum[J].Food and Fermentation Industries, 2018, 44(10): 152-159.

[22]LIU J, ZHAO Y, SHI Q L, et al.Water distribution, physicochemical and microstructural properties of scallop adductors as affected by different drying methods[J].Journal of Food Composition and Analysis, 2023, 115: 104966.

[23] ZHANG R C, LONG J B.Study on drying uniformity of static smallsized drying box for fruits and vegetables[J].Procedia Engineering,2017, 205: 2615-2622.

[24]ZHENG Q R, GAO P P, LIU T T, et al.Effects of drying methods on colour, amino acids, phenolic profile, microstructure and volatile aroma components of Boletus aereus slices[J].International Journal of Food Science & Technology, 2022, 57(8): 5164-5174.

[25]YANG S Q, ZHANG Z F, LI J Y, et al.Inhibition mechanism of L-cysteine on Maillard reaction by trapping 5-hydroxymethylfurfural[J].Foods, 2021, 10(6): 1391.

[26]杨帆, 徐莹, 代晹鑫, 等.基于Mono Trap-GC-O-MS 的西瓜汁热处理前后气味化合物分析[J].食品科学技术学报, 2023, 41(1):143-153.YANG Fan, XU Ying, DAI Yixin, et al.Odor compounds analysis of fresh and heated watermelon juice based on Mono Trap-GC-OMS[J].Journal of Food Science and Technology, 2023, 41(1): 143-153.

[27]INSAUSTI K, MURILLO-ARBIZU M T, URRUTIA O, et al.Volatile compounds, odour and flavour attributes of lamb meat from the Navarra breed as affected by ageing[J].Foods, 2021, 10(3): 493.

[28]郑翠银, 龚丽婷, 黄志清, 等.甜型红曲黄酒中关键挥发性香气成分分析[J].中国食品学报, 2014, 14(5): 209-217.ZHENG Cuiyin, GONG Liting, HUANG Zhiqing, et al.Analysis of the key volatile aroma compounds in sweet Hongqu glutious rice wine[J].Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2014, 14(5): 209-217.

[29]蒋孝峰, 谢辉, 陆兔林, 等.基于Heracles Neo 超快速气相电子鼻技术的麦芽炒制过程气味变化物质基础研究[J].中草药,2022, 53(1): 41-50.JIANG Xiaofeng, XIE Hui, LU Tulin, et al.Study on the material basis of odor changes in stir-frying process of hordei fructus germinates based on Heracles Neo ultra-fast gas phase electronic nose[J].Chinese herbal medicine, 2022, 53(1): 41-50.

Establishment of Kinetic Mathematical Model and Flavor Analysis of Mulberry by Hot Air-Microwave Puffing Drying

GUO Shuo,LI Yue,SUI Qianqian,LIU Suwen *,CHANG Xuedong
(1.College of Food Science and Technology,Hebei Normal University of Science and Technology,Qinhuangdao 066004,Hebei,China;2.Hebei Key Laboratory of Active Components and Functions in Natural Products,Qinhuangdao 066004,Hebei,China)

Abstract To obtain a better method for drying mulberries,this study employed hot air drying,natural drying,freeze drying,and combined hot air-microwave puffing drying techniques.The drying characteristics of mulberries were analyzed,a mathematical model of their drying process was established,and differences in microstructure,sensory qualities,and organic flavor substances were examined.The results showed that during the combined hot air-microwave drying process,there were three stages of constant rate,acceleration,and deceleration.Microwave power had the greatest effect on the drying rate and characteristics.The system dynamics model for the microwave vacuum drying characteristics of mulberries was a single diffusion model.Mulberries treated with freeze drying and combined hot air-microwave drying retained their original structure,with microstructural properties superior to those dried by hot air and natural drying.A flavor comparison using gas-phase ion mobility spectrometry revealed that mulberries dried by hot air had significant flavor substance loss,naturally dried mulberries had higher acetic acid content,and mulberries dried by combined hot air-microwave puffing and freeze drying were closer to fresh mulberries.However,combined hot air-microwave puffing drying led to increased furfural concentrations in the mulberries.In conclusion,compared with hot air and natural drying methods,combined hot air-microwave puffing drying offered better advantages in terms of sensory qualities and flavor,making it an excellent method for drying mulberries.

Key words mulberry;hot air-microwave puffing drying;dynamics model;flavor analysis;gas-phase ion mobility spectrometry

DOI10.12161/j.issn.1005-6521.2025.06.006

基金项目:河北省产业创新创业团队项目(215A7103D);河北省农业科技园区(基地)建设专项(20537101D)

作者简介:郭朔(1983—),女(汉),硕士,研究方向:果蔬加工。

*通信作者:刘素稳(1981—),女,教授,博士,研究方向:功能食品及资源开发。

引文格式:

郭朔,李玥,隋茜茜,等.桑葚热风-微波联合干燥动力学模型建立及风味分析[J].食品研究与开发,2025,46(6):38-48.

GUO Shuo,LI Yue,SUI Qianqian,et al.Establishment of Kinetic Mathematical Model and Flavor Analysis of Mulberry by Hot Air-Microwave Puffing Drying[J].Food Research and Development,2025,46(6):38-48.

责任编辑:张璐

收稿日期:2023-03-14