易 婕，劉云宏,2,*，李海登，司尚斐，周弦龍，檀茜茜，馬麗婷

紫薯（Ipomoea batatas）屬旋花科一年生草本植物[1]，富含維生素、多糖、酚類和黃酮類物質(zhì)等多種營養(yǎng)成分，具有抗氧化、清除自由基、預(yù)防癌變等良好的營養(yǎng)保健功能[2-3]。新鮮紫薯由于含水量高，水分活度較大，在貯藏時(shí)很容易發(fā)生腐敗變質(zhì)及營養(yǎng)成分流失。因此，紫薯采后需要及時(shí)干燥脫水，而采用合適的干燥方式對于延長紫薯貯藏期、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

常規(guī)的紫薯干燥方式為熱風(fēng)干燥，但該方法具有干燥時(shí)間長、產(chǎn)品品質(zhì)低等缺點(diǎn)[4]。熱泵干燥是另一種常用干燥方法，具有操作方便、高效節(jié)能、環(huán)境友好等特點(diǎn)[5]，但該技術(shù)的應(yīng)用受到設(shè)備成本、溫度控制等諸多限制[6]。此外，上述干燥方式均為表面加熱，不利于紫薯這種組織結(jié)構(gòu)致密、干燥阻力較大物料的干燥加工。為了提高紫薯傳統(tǒng)干燥方法的干燥速率，可以采用輔助措施來改善干燥過程的質(zhì)熱傳遞，進(jìn)而縮短干燥時(shí)間及提高產(chǎn)品品質(zhì)。

遠(yuǎn)紅外輻射干燥具有傳熱均勻、干燥時(shí)間短、產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，近年來成為果蔬干燥研究的熱點(diǎn)。當(dāng)采用遠(yuǎn)紅外輻射干燥物料時(shí)，紅外輻射線到達(dá)物料表面，會穿透進(jìn)入物料1～3 mm[9]，輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，物料受熱使內(nèi)部溫度提高，加快內(nèi)部水分蒸發(fā)與擴(kuò)散，達(dá)到縮短干燥時(shí)間的目的。Leonard等[10]將遠(yuǎn)紅外輻射運(yùn)用于低壓過熱蒸汽干燥和真空干燥中，結(jié)果顯示遠(yuǎn)紅外輻射有利于增加物料的孔隙度及促使水分快速蒸發(fā)，從而提高干燥速率。Nathakaranakule等[11]關(guān)于龍眼的干燥研究表明，由于遠(yuǎn)紅外輻射能量可直接被物料吸收而無需加熱空氣，遠(yuǎn)紅外輻射加熱可有效降低干燥能耗。An Kejing等[12]研究了不同干燥方式對生姜抗氧化性能的影響，得到遠(yuǎn)紅外輻射可有助于總酚及總黃酮類物質(zhì)保存的結(jié)論。Seung等[13]也認(rèn)為遠(yuǎn)紅外輻射有利于提高果蔬的酚類物質(zhì)含量及抗氧化活性。紫薯結(jié)構(gòu)致密，且含有大量的糖類及淀粉等物質(zhì)，導(dǎo)致其內(nèi)部水分?jǐn)U散較難，若將遠(yuǎn)紅外輻射加熱應(yīng)用于紫薯的干燥加工，理論上可利用紅外輻射的穿透性、加熱均勻、熱效率高的特點(diǎn)來加快紫薯干燥速率，進(jìn)而提高紫薯干燥產(chǎn)品品質(zhì)，但目前鮮見關(guān)于紫薯遠(yuǎn)紅外輻射干燥特性及其品質(zhì)特性的研究報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)將遠(yuǎn)紅外輻射應(yīng)用于紫薯的熱風(fēng)干燥，研究不同輻射溫度與輻射距離條件下紫薯片的干燥特性及有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff），并探討遠(yuǎn)紅外輻射加熱對紫薯干燥產(chǎn)品營養(yǎng)成分的影響，以期為遠(yuǎn)紅外輻射干燥技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用、提升紫薯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實(shí)驗(yàn)所用新鮮紫薯購于洛陽丹尼斯超市，大小、成熟度基本一致，購買后放于冰箱中于2～4 ℃溫度下冷藏待用。

沒食子酸（純度≥95%）、單寧酸（純度≥95%）、Folin-Ciocalteu試劑 上海源葉生物科技有限公司；2,4-二硝基苯肼、硫脲、鹽酸、硫酸、葡萄糖、3,5-二硝基水楊酸、結(jié)晶苯酚、亞硫酸鈉、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、亞硝酸鈉、氯化鋁、碳酸鈉等均為分析純試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

GHRH-20型熱風(fēng)干燥機(jī)由廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研發(fā)。在其中加裝一套遠(yuǎn)紅外輻射加熱系統(tǒng)，即得本研究所用的遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備。采用的陶瓷遠(yuǎn)紅外輻射加熱板（20 cm×20 cm）的主要輻射波長范圍為5～15 μm，輻射率為0.90，最大輻射功率為1 000 W，最高許用溫度為999 ℃。輻射板通過緊固螺釘與伸縮架下表面相連，其位置可通過伸縮架進(jìn)行調(diào)節(jié)，選用Pt100溫度傳感器固定于遠(yuǎn)紅外輻射板表面，遠(yuǎn)紅外輻射板溫度可通過溫度傳感器連接的溫控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。物料支架和物料盤位于輻射板下方，不同的輻射距離可以通過調(diào)節(jié)伸縮架來改變遠(yuǎn)紅外輻射板的位置獲得，利用K型熱電偶檢測干燥過程中的物料溫度。

切片機(jī) 德州天馬糧油機(jī)械有限公司；Scout SE型電子天平 奧豪斯儀器有限公司；101-3ES型熱風(fēng)干燥機(jī)北京永光明醫(yī)療儀器廠；SB-120DT型超聲波清洗機(jī)寧波新芝生物科技股份有限公司；T6新世紀(jì)型紫外-可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠；TG16-WS臺式高速離心機(jī) 湘儀離心機(jī)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 新鮮紫薯干基含水率的測定

將紫薯洗凈，去皮，用切片機(jī)切成厚度為4 mm的圓形薄片，稱質(zhì)量，得到紫薯的初始質(zhì)量，放入105 ℃的烘箱內(nèi)干燥24 h，取出，再次稱質(zhì)量，得到絕干物質(zhì)的質(zhì)量md，進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)。

樣品干基含水率（M）的計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：m為物料質(zhì)量/kg；md為絕干物質(zhì)質(zhì)量/kg。

經(jīng)計(jì)算可知，紫薯的初始干基含水率為（196±15）%。

1.3.2 樣品干燥含水率的測定

干燥前，先設(shè)定好紅外輻射干燥設(shè)備的輻射距離與輻射板溫度。將紫薯洗凈，去皮，用切片機(jī)切成直徑為40 mm、厚度為4 mm的圓形薄片，每組實(shí)驗(yàn)取27 片，對應(yīng)物料總質(zhì)量約為50 g。將切好的紫薯片放入沸水鍋中蒸2 min進(jìn)行鈍酶殺青處理，然后迅速取出并用吸水紙吸干表面水分，平鋪在物料盤上稱質(zhì)量，再放入遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備中遠(yuǎn)紅外輻射板下方的物料支架上，關(guān)閉箱門后開始干燥。干燥過程中，每隔30 min取出物料稱質(zhì)量一次，然后立即放回，繼續(xù)干燥，直至連續(xù)兩次稱質(zhì)量變化率小于1%時(shí)干燥結(jié)束[14]，最終干燥產(chǎn)品對應(yīng)的干基含水率約為10%。本研究中，分別設(shè)定紅外輻射板溫度為200、240、280 ℃，輻射距離為6、10、14 cm，探討輻射溫度與輻射距離對紫薯干燥特性與營養(yǎng)成分的影響。為更好地探討遠(yuǎn)紅外輻射對紫薯干燥特性及品質(zhì)指標(biāo)的影響，本研究不再改變熱風(fēng)溫度、風(fēng)速、物料量等其他干燥參數(shù)，將熱風(fēng)溫度和風(fēng)速固定為40 ℃和3 m/s。每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3 次。

1.3.3 干燥特性的測定

1.3.3.1 干燥速率

干燥速率采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：DR為干燥速率/（%/min）；Dt1、Dt2分別為t1、t2時(shí)刻的干基含水率/%。

1.3.3.2 水分比

物料水分比（moisture ratio，MR）的計(jì)算如式（3）所示。

式中：Mt為物料在t時(shí)刻的干基含水率/%；M0為物料的初始干基含水率/%；Me為物料的平衡干基含水率/%。

1.3.3.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

由于紫薯厚度遠(yuǎn)小于其直徑，其濕分?jǐn)U散特性可視為一維擴(kuò)散[14]。根據(jù)Fick擴(kuò)散定律可計(jì)算干燥過程中物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)[15]，計(jì)算公式如式（4）。

式中：t為干燥時(shí)間/s；Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)/（m2/s）；L為物料厚度/m。

將式（4）簡化并將對數(shù)性線化，可得式（5）。

由式（5）可知：-ln MR與t呈線性關(guān)系，其斜率K如式（6）計(jì)算。

根據(jù)式（6）可計(jì)算有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff。

1.3.4 紫薯品質(zhì)指標(biāo)測定

1.3.4.1 總酚含量測定

總酚的提取與檢測采用Folin-Ciocaileu法[16]。取5～6 片干燥后的紫薯，用研缽磨碎，稱取1 g樣品，用體積分?jǐn)?shù)為60%的甲醇溶液定容，超聲處理20 min，抽濾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后定容至15 mL。取1 mL溶液于離心管中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，離心20 min，取1 mL上清液加入試管中，再加入1 mL Folin-Ciocaileu試劑，5 min后加10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的Na2CO3溶液，定容至15 mL，充分混合后放在避光處反應(yīng)2 h，使用紫外-可見分光光度計(jì)在710 nm波長處測定吸光度?？偡雍恳愿晌镔|(zhì)質(zhì)量樣品的沒食子酸為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)計(jì)，單位為mg/100 g。

1.3.4.2 總黃酮含量測定

總黃酮物質(zhì)的提取與檢測采用NaNO2-AlCl3法[17]。取5～6 片干燥后的紫薯，用研缽磨碎，稱取1 g樣品，用體積分?jǐn)?shù)為60%的甲醇溶液定容，超聲處理20 min，抽濾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后定容至15 mL。取1 mL溶液于離心管中，設(shè)置轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，離心20 min，取1 mL上清液加入試管中，加入0.3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% NaNO2溶液，反應(yīng)5 min，再加入0.3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% AlCl3溶液，繼續(xù)反應(yīng)5 min后，加入2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)7% NaOH溶液，迅速定容至10 mL，充分混勻后在510 nm波長處測定吸光度?？傸S酮含量以干物質(zhì)質(zhì)量樣品的單寧酸為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)計(jì)，單位為mg/100 g。

1.3.4.3 VC含量測定

VC的提取與檢測方法采用2,4-二硝基苯肼比色法[18]。稱取3 g干燥后的紫薯，用研缽磨碎，再加入10 g/L的草酸溶液磨成勻漿，將勻漿移入100 mL容量瓶，用提取液定容，搖勻，過濾。取25 mL濾液，加入2 g活性炭，振搖1 min，過濾，棄去最初10 mL濾液，取10 mL提取液，加入10 mL 20 g/L硫脲溶液，混勻。于3 支試管中各加入4 mL稀釋液，一個(gè)試管作為空白，在其余試管中加入1.0 mL 20 g/L 2,4-二硝基苯肼溶液，將所有試管放入（37.0±0.5）℃水浴鍋中，保溫3 h。取出后，除空白管外，將所有試管放入冰水中?？瞻坠苋〕龊罄渲潦覝兀缓笤偌尤?.0 mL 20 g/L 2,4-二硝基苯肼溶液，在室溫下放置10 min后放入冰水內(nèi)。向每支試管加入5 mL體積分?jǐn)?shù)為90%的硫酸溶液，滴加時(shí)間為1 min，邊加邊搖動試管。將試管從冰水中取出，在室溫下放置30 min，于500 nm波長處測定吸光度。VC含量以干物質(zhì)質(zhì)量樣品的抗壞血酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)計(jì)，單位為mg/100 g。

1.3.4.4 總糖含量測定

總糖的提取與檢測方法采用3,5-二硝基水楊酸比色法[19]。取5～6 片干燥后的紫薯，用研缽磨碎，稱取1 g樣品于錐形瓶中，加50 mL水，超聲處理20 min，再于沸水中浸泡20 min，冷卻后過濾，加入10 mL 6 mol/L鹽酸溶液，沸水浴30 min，冷卻后加入一滴酚酞指示劑，用6 mol/L的NaOH溶液中和至微紅色，定容至100 mL。取樣品液1.0 mL，加入1.5 mL 3,5-二硝基水楊酸顯色液，補(bǔ)水至3.5 mL，搖勻，再沸水浴5 min，取出后立即冷卻至室溫，定容至25 mL，在530 nm波長處測定吸光度?？偺呛恳愿少|(zhì)量樣品的葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)計(jì)，單位為g/100 g。

1.3.5 加權(quán)綜合評分法

在兩因素三水平的9 組試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，綜合考慮干燥時(shí)間、總酚、總黃酮、VC及總糖含量5 個(gè)指標(biāo)，采用加權(quán)綜合評分法對遠(yuǎn)紅外輻射干燥紫薯的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于各指標(biāo)量綱不同，可先變換成無量綱參數(shù)，再計(jì)算加權(quán)綜合評分值?？闪罡稍飼r(shí)間、總酚、總黃酮、VC、總糖分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5，分配5 個(gè)指標(biāo)相等的加權(quán)系數(shù)λ＝0.2，計(jì)算公式如式（7）、（8）所示。

式中：Ci、Cmax和Cmin分別為實(shí)際指標(biāo)值、最大指標(biāo)值和最小指標(biāo)值。

通過上面公式對各指標(biāo)進(jìn)行綜合評分。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與分析采用Origin 8.5統(tǒng)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻射溫度對干燥特性的影響

圖1 不同輻射溫度下遠(yuǎn)紅外輻射干燥紫薯的干燥曲線及干燥速率曲線Fig. 1 Drying curves and drying rate curves of sweet purple potato during far-infrared radiation drying at different radiation temperatures

由圖1可知，在所有干燥條件下，紫薯遠(yuǎn)紅外輻射干燥過程只呈現(xiàn)降速階段，而不存在明顯的恒速干燥階段，說明其干燥過程主要受內(nèi)部擴(kuò)散控制，即紫薯內(nèi)部的質(zhì)熱傳遞阻力要遠(yuǎn)大于表面質(zhì)熱傳遞阻力。在干燥初期，物料的水分含量較高，對應(yīng)的干燥速率也高于含水率較低時(shí)的干燥速率，且輻射溫度越高對應(yīng)的干燥速率越大。由于遠(yuǎn)紅外線可穿透物料進(jìn)入內(nèi)部，會使紫薯中的水分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，從而加劇水分子運(yùn)動[20]，增強(qiáng)分子間振動摩擦并導(dǎo)致電子能級躍遷[21]，致使物料內(nèi)部溫度升高及溫度梯度增大，進(jìn)而促進(jìn)水分?jǐn)U散[22]。隨著干燥的進(jìn)行，物料含水率降低，物料內(nèi)部水分減少，水分遷移變得困難，同時(shí)所吸收的紅外輻射能量減少，因此干燥速率隨之減小。由斯特藩-玻爾茲曼定律可知，一個(gè)輻射體在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總能量與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比[6]，因此提高輻射板溫度會顯著增加輻射能量，傳遞到物料的能量也越多[23]，有利于提高物料的能量吸收量及物料溫度，進(jìn)而有利于促進(jìn)干燥的進(jìn)行。以輻射距離為10 cm為例，輻射板溫度為200、240、280 ℃時(shí)，紫薯的平均表面溫度分別為（46.1±0.8）、（52.5±0.9）、（55.2±1.2）℃，干燥至終點(diǎn)所需時(shí)間分別為300、240、210 min。可見輻射溫度升高，物料表面溫度也隨之升高，這種現(xiàn)象有利于加劇紫薯內(nèi)部水分子運(yùn)動及加快水分?jǐn)U散，還會增大物料內(nèi)部的溫度梯度并提高傳熱速率，進(jìn)而提高干燥速率及縮短干燥時(shí)間。Nimmol等[8]的研究結(jié)果也表明提高紅外輻射溫度會顯著提高香蕉片的溫度并縮短干燥時(shí)間，與本研究結(jié)果一致。

2.2 輻射距離對干燥特性的影響

圖1也表明了輻射距離對紫薯干燥過程的影響。以輻射溫度為240 ℃為例，輻射距離為6、10、14 cm時(shí)的干燥時(shí)間分別為210、240、270 min，平均干燥速率分別為0.92、0.77、0.65 %/min。可知在輻射板溫度相同的情況下，隨著輻射距離的縮短，干燥時(shí)間縮短且干燥速率加快。根據(jù)照度定律，物料所獲得的輻射能量與輻射距離的二次方成反比[9]。輻射距離縮短，輻射板發(fā)射至物料及物料吸收的紅外線能量均顯著增加，增強(qiáng)了水分子的各種運(yùn)動幅度，物料內(nèi)部能量增大[23]，從而有利于水分的流動與擴(kuò)散。在輻射溫度為240 ℃時(shí)，輻射距離為6、10、14 cm時(shí)物料平均表面溫度分別為（59.4±1.5）、（52.5±0.9）、（48.7±1.1）℃，可見，縮短輻射距離會顯著提高物料溫度，這會導(dǎo)致更高的溫度梯度及蒸汽分壓梯度，進(jìn)而促進(jìn)物料內(nèi)部水分遷移并擴(kuò)張物料內(nèi)部微細(xì)孔道[10]，有利于加快物料表面的水分蒸發(fā)速度及內(nèi)部水分?jǐn)U散速度，從而提高干燥速率及縮短干燥時(shí)間。輻射距離縮短還能提高輻射干燥的角系數(shù)[9]，進(jìn)而提高物料接收紅外輻射的能量利用率，也有利于提高干燥速率。但Doymaz等[22]指出紅外輻射距離過近會導(dǎo)致物料局部過熱而發(fā)生褐變現(xiàn)象；Leonard等[10]也認(rèn)為8～20 cm的輻射距離最有利于發(fā)揮紅外輻射的優(yōu)勢，輻射距離過近則不利于干燥操作及產(chǎn)品品質(zhì)保護(hù)。本研究中也發(fā)現(xiàn)在輻射距離小于6 cm的條件下，若紅外輻射溫度過高，紫薯表面會發(fā)生局部變黑。因此，不能單純地為提高干燥速率而提高輻射溫度及縮短輻射距離，而應(yīng)結(jié)合紫薯干燥產(chǎn)品的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮。

2.3 遠(yuǎn)紅外輻射對有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響

有效水分?jǐn)U散系數(shù)是描述水分?jǐn)U散特性的參數(shù)，表征干燥過程中物料內(nèi)部的蒸汽擴(kuò)散、液體擴(kuò)散和水力流動等[24]。不同輻射溫度及輻射距離下，遠(yuǎn)紅外輻射干燥紫薯片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)如圖2所示，其值介于2.42×10-10～4.64×10-10m2/s之間。紫薯的有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨著輻射溫度的增大而增大，隨著輻射距離的增大而減小，這與Nathakaranakule[11]和馬海樂[25]等的研究結(jié)果一致。輻射溫度越高或者輻射距離越小，其熱效應(yīng)和穿透效應(yīng)就越顯著，會導(dǎo)致物料吸收的能量增多及物料溫度升高，有利于加快物料內(nèi)部水分?jǐn)U散及表面水分蒸發(fā)速率，從而提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)。有效水分?jǐn)U散系數(shù)的方差分析結(jié)果如表1所示，可見輻射溫度與輻射距離對有效水分?jǐn)U散系數(shù)均呈極顯著影響。

圖2 紫薯遠(yuǎn)紅外輻射干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)Fig. 2 Effective moisture diffusivity of sweet purple potato during far-infrared radiation drying

表1 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的方差分析Table 1 Analysis of variance of effective moisture diffusivity

2.4 遠(yuǎn)紅外輻射干燥對紫薯品質(zhì)的影響

2.4.1 總酚含量

圖3 不同輻射溫度及輻射距離下的總酚含量Fig. 3 Contents of total phenols in sweet purple potato dried by far-infrared radiation drying at different radiation temperatures and distances

不同輻射溫度及輻射距離下遠(yuǎn)紅外輻射干燥后的紫薯總酚含量如圖3所示，當(dāng)輻射距離較大時(shí)（14 cm），總酚含量隨著輻射溫度的升高而增大，說明輻射距離較遠(yuǎn)時(shí)提高輻射溫度有利于提高總酚含量，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)輻射溫度的效應(yīng)大于輻射距離，當(dāng)輻射溫度增加，干燥時(shí)間縮短，可有效防止酚類物質(zhì)的氧化；但當(dāng)輻射距離較短時(shí)（6 cm和10 cm），總酚含量隨著輻射溫度的升高呈先增大后減小的趨勢，這可能是由于輻射距離近，若輻射溫度過高，由于遠(yuǎn)紅外輻射的熱效應(yīng)，物料在短時(shí)間內(nèi)吸收大量的輻射能，使得物料溫度過高，反而會導(dǎo)致酚類物質(zhì)的受熱降解速率加快。當(dāng)輻射溫度較低時(shí)（200 ℃和240 ℃），總酚含量隨著輻射距離的增大呈先增加后減小的趨勢；但當(dāng)輻射溫度較高時(shí)（280 ℃），總酚含量則隨輻射距離的增大而升高，上述現(xiàn)象進(jìn)一步說明輻射溫度過高和輻射距離過近均不利于保護(hù)紫薯中的總酚物質(zhì)。Senevirathne等[26]研究了遠(yuǎn)紅外輻射干燥對柑橘餅中總酚含量的影響，發(fā)現(xiàn)溫度的升高會使總酚含量先升高后降低，與本研究得出的結(jié)論相似。由圖3可知，在輻射溫度為240 ℃及輻射距離為10 cm的條件下，遠(yuǎn)紅外輻射干燥紫薯總酚含量最高。

2.4.2 總黃酮含量

圖4 不同輻射溫度及輻射距離下的總黃酮含量Fig. 4 Contents of total flavonoids in sweet purple potato dried by far-infrared radiation drying at different radiation temperatures and distances

不同輻射溫度及輻射距離下的總黃酮含量如圖4所示，干燥后的紫薯其總黃酮含量在117.73～276.90 mg/100 g之間。當(dāng)輻射距離為6 cm和10 cm時(shí)，總黃酮含量在輻射溫度為200 ℃時(shí)分別為146.61 mg/100 g和255.89 mg/100 g，干燥時(shí)間分別為240 min和300 min；當(dāng)輻射溫度升至240 ℃時(shí)，總黃酮含量分別提高了51.7%和8.2%，干燥時(shí)間分別縮短了12.5%和20%，說明雖然降低輻射距離會使總黃酮降解速率加快，但通過進(jìn)一步升高輻射溫度來縮短干燥時(shí)間，仍可以較好地保存總黃酮含量。但當(dāng)輻射溫度升至280 ℃后，輻射距離為6 cm和10 cm時(shí)對應(yīng)的總黃酮含量均明顯下降，此時(shí)對應(yīng)的物料平均溫度分別為（67.1±0.3）℃和（55.2±1.2）℃，說明過高的輻射溫度會導(dǎo)致過高的物料溫度，進(jìn)而促進(jìn)總黃酮物料的受熱降解，不利于總黃酮物質(zhì)的保護(hù)。Ning Xiaofeng等[27]在關(guān)于遠(yuǎn)紅外輻射干燥對蹄葉橐吾中黃酮類物質(zhì)的影響研究中，認(rèn)為黃酮類物質(zhì)在干燥過程中容易氧化并遭到熱破壞，從而導(dǎo)致其含量下降。AN Kejing等[12]在關(guān)于不同干燥方式對生姜的抗氧化性能的影響的研究中，提到遠(yuǎn)紅外輻射加熱還可以影響部分共價(jià)鍵，進(jìn)而釋放物料內(nèi)部的部分黃酮類物質(zhì)，在某種程度上可提高干燥物料的總黃酮含量。

2.4.3 VC含量

圖5 不同輻射溫度及輻射距離下的VC含量Fig. 5 VC contents in sweet purple potato dried by far-infrared radiation drying at different radiation temperatures and distances

不同輻射溫度及輻射距離下紫薯干燥產(chǎn)品中VC的含量如圖5所示。VC是一種極不穩(wěn)定的水溶性物質(zhì)，易受光照、溫度、pH值、氧氣及金屬離子等因素的影響，在干燥脫水過程中十分容易降解，有文獻(xiàn)報(bào)道熱風(fēng)干燥造成的VC損失率可高達(dá)85.25%[28]。本研究中，遠(yuǎn)紅外輻射干燥后紫薯片的VC含量在7.21～11.81 mg/100 g之間。VC的保留率與加熱溫度及加熱時(shí)間密切相關(guān)[24]。當(dāng)輻射距離為6 cm和10 cm時(shí)，VC的含量隨著輻射溫度的升高而降低，說明輻射溫度升高，遠(yuǎn)紅外輻射到物料的能量越多，使得VC降解速率加快。當(dāng)輻射距離為14 cm時(shí)，隨著輻射溫度的升高，VC的含量先升高后降低，這可能是輻射距離較長時(shí)，物料溫度較低及干燥時(shí)間較長所致，可通過升高輻射溫度來縮短干燥時(shí)間及減少VC的降解時(shí)間，但輻射溫度過高仍會導(dǎo)使物料溫度過高及VC損失速率加快。當(dāng)輻射溫度為200 ℃時(shí)，輻射距離越長，VC保存率越低，說明輻射時(shí)間越長，越不利于VC的保存；當(dāng)輻射溫度為240 ℃和280 ℃時(shí)，輻射距離增大，VC的含量先減少后增加，也說明輻射能量增加會使得VC氧化降解的速率加快，但輻射溫度較高時(shí)，物料中含水率迅速下降，使得干燥速率的大幅提高，可減少受熱及氧化時(shí)間，從而提高VC的保存率。Ernest等[28]在關(guān)于不同干燥方式對番茄品質(zhì)的影響的研究中，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外輻射干燥過程中的VC降解率范圍為8%～63%，并認(rèn)為合適的輻射加熱參數(shù)有利于保護(hù)VC。在本研究中，當(dāng)輻射溫度為240 ℃及輻射距離為14 cm時(shí)，所得紫薯干制品的VC含量最高。

2.4.4 總糖含量

如圖6所示，遠(yuǎn)紅外輻射干燥后紫薯的總糖含量在8.91～31.64 g/100 g之間。當(dāng)輻射距離不變時(shí)，總糖含量隨著輻射溫度的升高呈先升高后下降的趨勢，這可能是因?yàn)檩椛錅囟冗m當(dāng)升高可有效縮短干燥時(shí)間，進(jìn)而減少糖類物質(zhì)發(fā)生降解反應(yīng)的時(shí)間；但輻射溫度過高可能會導(dǎo)致糖類物質(zhì)發(fā)生美拉德及焦糖化反應(yīng)的速率加快，不利于總糖的保存，這與郭玲玲等[29]的研究結(jié)果一致。當(dāng)輻射溫度較低時(shí)（200 ℃），總糖含量隨著輻射距離的增大而升高，這可能是因?yàn)檩椛渚嚯x較遠(yuǎn)時(shí)，輻射能量較小及物料溫度較低，美拉德反應(yīng)不易進(jìn)行，有利于糖類物質(zhì)的保存；但當(dāng)輻射溫度較高時(shí)（280 ℃），總糖含量隨著輻射距離的增大而降低，這可能是因?yàn)楦稍飼r(shí)間延長會使糖類物質(zhì)有更多的時(shí)間進(jìn)行美拉德及焦糖化反應(yīng)，從而導(dǎo)致其含量減少，這與Lan Xiaohong等[30]的研究結(jié)果相似。

圖6 不同輻射溫度及輻射距離下的總糖含量Fig. 6 Total sugar contents in sweet purple potato dried by far-infrared radiation drying at different radiation temperatures and distances

2.5 加權(quán)綜合評分法結(jié)果分析

表2 不同輻射溫度及輻射距離下的綜合評分結(jié)果Table 2 Comprehensive scores of sweet purple potato dried far-infrared radiation drying at different radiation temperatures and distances

由表2可知，當(dāng)輻射溫度為240 ℃、輻射距離為14 cm時(shí)，得到的綜合評分值最高，此條件下對應(yīng)的干燥時(shí)間、總酚含量、總黃酮含量、VC含量及總糖含量分別為270 min、359.62、223.13、11.81 mg/100 g及30.71 g/100 g，從而在實(shí)現(xiàn)較短干燥時(shí)間的同時(shí)得到較高的營養(yǎng)成分含量。

3 結(jié) 論

本研究以紫薯為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行遠(yuǎn)紅外輻射干燥的實(shí)驗(yàn)研究。輻射溫度及輻射距離對紫薯干燥速率和干燥時(shí)間有極顯著影響，提高輻射溫度及縮短輻射距離有利于提高干燥速率。紫薯干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)在2.42×10-10～4.64×10-10m2/s之間，且隨著輻射溫度的升高而增大，隨著輻射距離的增大而減小，說明增加輻射溫度或減小輻射距離均有利于加快物料內(nèi)部水分?jǐn)U散及表面水分的蒸發(fā)，進(jìn)而提高干燥速率，縮短干燥時(shí)間。

輻射溫度及輻射距離對總酚、總黃酮、總糖含量及VC的保存率均有顯著影響。在輻射距離為6 cm和10 cm時(shí)，隨著輻射板溫度的升高，總酚、總黃酮和總糖的含量呈先上升后下降的趨勢，VC含量則呈下降趨勢；在輻射距離為14 cm時(shí)，VC和總糖含量隨輻射溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，總酚和總黃酮含量則隨輻射溫度的升高而增加。

經(jīng)加權(quán)綜合評分法優(yōu)化，確定遠(yuǎn)紅外輻射干燥紫薯的最佳工藝參數(shù)為：輻射溫度240 ℃及輻射距離14 cm，對應(yīng)的干燥時(shí)間、總酚含量、總黃酮含量、VC含量及總糖含量分別為270 min、359.62、223.13、11.81 mg/100 g及30.71 g/100 g。

參考文獻(xiàn)：

[1] 史光輝, 胡志和, 馬科銘, 等. 紫薯花青素提取條件優(yōu)化及淀粉等產(chǎn)物的制備[J]. 食品科學(xué), 2014, 35(22): 39-45. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201422008.

[2] 吳昊. 紫甘薯色素的亞臨界水萃取及其性質(zhì)研究[D]. 哈爾濱: 東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013: 1-4.

[3] WANG S M, YU D J, KYUNG B S. Quality characteristics of purple sweet potato (Ipomoea batatas) slices dehydrated by the addition of maltodextrin[J]. Horticulture, Environment, and Biotechnology, 2011,52(4): 435-441. DOI:10.1007/s13580-011-0015-x.

[4] MASKAN M. Drying, shrinkage and rehydration characteristics of kiwifruits during hot air and microwave drying[J]. Journal of Food Engineering, 2001, 48(2): 177-182. DOI:10.1016/S0260-8774(00)00155-2.

[5] CO?KUN S, DOYMAZ I, TUN?KAL C, et al. Investigation of drying kinetics of tomato slices dried by using a closed loop heat pump dryer[J]. Heat and Mass Transfer, 2016, 53(6): 1863-1871.DOI:10.1007/s00231-016-1946-7.

[6] AKTAS M, SEVIK S, AKTEKELI B. Development of heat pump and infrared-convective dryer and performance analysis for stale bread drying[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 113: 82-94.DOI:10.1016/j.enconman.2016.01.028.

[7] SAENGRAYAP R, TANSAKUL A, MITTAL G S. Effect of farinfrared radiation assisted microwave-vacuum drying on drying characteristics and quality of red chilli[J]. Journal of Food Science &Technology, 2015, 52(5): 2610-2621. DOI:10.1007/s13197-014-1352-4.

[8] NIMMOL C, DEVAHASTIN S, SWASDISEVI T, et al. Drying and heat transfer behavior of banana undergoing combined low-pressure superheated steam and far-infrared radiation drying[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(14): 2483-2494. DOI:10.1016/j.applthermaleng.2007.02.003.

[9] 潘永康, 王喜忠, 劉相東. 現(xiàn)代干燥技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2007: 549-582.

[10] LEONARD A, BLACHER S, NIMMOL C, et al. Effect of farinfrared radiation assisted drying on microstructure of banana slices:an illustrative use of X-ray microtomography in microstructural evaluation of a food product[J]. Journal of Food Engineering, 2008,85(1): 154-162. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2007.07.017.

[11] NATHAKARANAKULE A, JAIBOON P, SOPONRONNARIT S. Far-infrared radiation assisted drying of longan fruit[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 100(4): 662-668. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2010.05.016.

[12] AN Kejing, ZHAO Dandan, WANG Zhengfu, et al. Comparison of different drying methods on Chinese ginger (Zingiber officinale Roscoe): changes in volatiles, chemical profile, antioxidant properties,and microstructure[J]. Food Chemistry, 2016, 197: 1292-1300.DOI:10.1016/j.foodchem.2015.11.033.

[13] SEUNG H L, YOU J J. Effects of far infrared radiation drying on antioxidant and anticoagulant activities of Ecklonia cava extracts[J].Journal of the Korean Society for Applied Biological Chemistry, 2010,53(2): 175-183. DOI:10.3839/jksabc.2010.029.

[14] 劉云宏, 吳建業(yè), 劉建學(xué), 等. 超聲滲透脫水-熱風(fēng)干燥梨的研究[J].食品科學(xué), 2014, 35(3): 23-28. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201403005.

[15] CORREA J L G, BRAGE A M P, HOCHHEIM M, et al. The influence of ethanol on the convective drying of unripe, ripe, and overripe bananas[J]. Drying Technology, 2012, 30(8): 817-826. DOI:10.1080/0 7373937.2012.667469.

[16] KIM D O, JEONG S W, LEE C Y. Antioxidant capacity of phenolic phytochemicals from various cultivars of plums[J]. Food Chemistry,2003, 81(3): 321-326. DOI:10.1016/S0308-8146(02)00423-5.

[17] BOUAYED J, HOFFMANN L, BOHN T. Total phenolics, flavonoids,anthocyanins and antioxidant activity following simulated gastrointestinal digestion and dialysis of apple varieties: bioaccessibility and potential uptake[J]. Food Chemistry, 2011, 128(1): 14-21.DOI:10.1016/j.foodchem.2011.02.052.

[18] 孫鵬, 王寧, 孫先鋒. 兩種方法對蘋果中維生素C含量測定的比較[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 50(16): 3386-3388. DOI:10.3969/j.issn.0439-8114.2011.16.046.

[19] 王俊剛, 張樹珍, 楊本鵬, 等. 3,5-二硝基水楊酸(DNS)法測定甘蔗莖節(jié)總糖和還原糖含量[J]. 甘蔗糖業(yè), 2008(5): 45-49. DOI:10.3969/j.issn.1005-9695.2008.05.010.

[20] SONG X Y, CHENG L M. Study of iron yam-chip (Dioscorea opposita thunb. cv. tiegun) dehydration using far-infrared radiation assisted heat pump drying[J]. Journal of Food & Nutrition Research, 2015, 3(1): 20-25.

[21] 程曉燕, 劉建學(xué). 遠(yuǎn)紅外技術(shù)在食品工程中的應(yīng)用與進(jìn)展[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)學(xué)版), 2003, 23(3): 51-54.

[22] DOYMAZ I, KARASU S, BASLAR M. Effects of infrared heating on drying kinetics, antioxidant activity, phenolic content, and color of jujube fruit[J]. Journal of Food Measurement & Characterization,2016, 10(2): 283-291. DOI:10.1007/s11694-016-9305-4.

[23] 劉云宏, 李曉芳, 苗帥, 等. 南瓜片超聲-遠(yuǎn)紅外輻射干燥特性及微觀結(jié)構(gòu)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(10): 277-286. DOI:10.11975/j. issn.1002-6819. 2016.10.038.

[24] CHEN Q Q, BI J F, WU X Y, et al. Drying kinetics and quality attributes of jujube (Zizyphus jujuba Miller) slices dried by hot-air and short- and medium-wave infrared radiation[J]. Food Science and Technology, 2015, 64(2): 759-766. DOI:10.1016/j.lwt.2015.06.071.

[25] 馬海樂, 王娟, 劉斌, 等. 馬鈴薯片紅外加熱滅酶脫水試驗(yàn)及動力學(xué)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(7): 304-310. DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2015.07.043.

[26] SENEVIRATHNE M, KIM S, KIM Y, et al. Effect of far-infrared radiation drying of citrus press-cakes on free radical scavenging and antioxidant activities[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 97(2):168-176. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2009.10.006.

[27] NING Xiaofeng, HAN C S, CHO S C, et al. Far-infrared drying characteristics and quality assessment of Ligularia fischeri[J]. Food Science and Biotechnology, 2013, 22(1): 281-288. DOI:10.1007/s10068-013-0078-9.

[28] ERNEST E A. Influence of hot-air, microwave-vacuum, and farinfrared catalytic drying on drying kinetics and quality of tomato slices[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇大學(xué), 2013: 38-58.

[29] 郭玲玲, 周林燕, 畢金峰, 等. 香菇中短波紅外干燥工藝優(yōu)化[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(6): 44-51. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201606008.

[30] LAN Xiaohong, LIU Ping, XIA Shuqin, et al. Temperature effect on the non-volatile compounds of Maillard reaction products derived from xylose-soybean peptide system: further insights into thermal degradation and cross-linking[J]. Food Chemistry, 2010, 120(4):967-972. DOI:10.1016/j.foodchem.2009.11.033.