預處理方式及干燥溫度對養心菜熱風干燥特性與品質的影響

孫慶運，張宗超，賈振超，韓夢龍，趙 峰

（山東省農業機械科學研究院，山東濟南 250100）

養心菜，學名景天三七（Sedum aizoonL.）為景天科紅景天屬多年生草本植物，種植區域主要分布在我國東北、華北、華東等地區[1]。養心菜營養價值豐富，莖葉中含有豐富的鐵、鈣等礦物質，以及果糖、蛋白質、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，具有很高的藥用價值[2?4]。同時由于其營養豐富，也可作為飼草代替部分飼料，在畜牧養殖方面也具有廣闊的應用前景[5]。

目前養心菜的應用包括鮮食和制粉，其中以干燥后制粉為主，制得的粉體用于生產藥品以及活性成分提取。干燥生產是制粉過程中的重要環節，但養心菜的研究主要集中在藥用價值和活性成分的提取[6?8]，干燥加工方面相關研究較為薄弱。根據實地調研發現，目前養心菜干燥生產加工中多以熱風為熱源，采用烘箱、烘房的形式，其熱效率相對較高，但由于養心菜含水率較高，莖葉干燥特性差異大，從而存在干燥時間長、效率低、干燥不均勻等問題，制約了養心菜干燥生產。物理預處理方式包括壓榨、壓扁、切段等，通過預處理后可有效降低物料含水率，提高干燥效率，在加工副產物、牧草等物料干燥過程中得到了廣泛應用[9?10]。苜蓿自然干燥研究結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]。因此研究預處理方式對養心菜熱風干燥特性和品質的影響非常重要。

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

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

養心菜 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，帶回實驗室置于冷藏箱內保存；考馬斯亮藍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 均為國產分析純或化學純。

101-3BS電熱鼓風干燥箱 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 上海嘉定糧油儀器有限公司；DK-S24 水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司；T6 新世紀紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；TGL-16M臺式高速冷凍離心機 上海圣科儀器設備有限公司等。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同處理方式對養心菜干燥特性的影響

1.2.1.1 不同預處理方式對養心菜干燥特性的影響根據文獻分析[14]，預處理方式選擇切段、壓扁、壓扁+切段處理，以未處理養心菜為對照組，研究熱風溫度80℃下不同預處理方式對養心菜干燥特性的影響。每組試驗物料取20 g，置于錫紙盒中，每30 min測量一次物料質量變化，直到質量變化小于0.01 g，試驗設置2 次重復。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，有少量汁液產生。

1.2.1.2 不同熱風溫度對養心菜干燥特性的影響根據預試驗和文獻分析研究[14]，熱風溫度60℃以下，干燥時間過長，而熱風溫度90 ℃以及更高的溫度，物料質量開始變差。從而熱風溫度選擇60、70、80 ℃三個水平，研究不同熱風溫度下切段、壓扁+切段預處理對養心菜干燥特性的影響，每組試驗物料取20 g，置于錫紙盒中，試驗設置2 次重復，每30 min測量一次物料質量變化，直到質量變化小于0.01 g。

1.2.1.3 不同預處理方式對養心菜莖葉干燥特性的影響 養心菜莖、葉的生物結構差異較大，其內部含水率以及水分的遷移都會有較大的差異，對養心菜的干燥均勻性產生影響，會造成莖或葉的過度干燥。首先將養心菜的莖和葉進行分離，分別對莖、葉進行切段、壓扁+切段預處理，研究熱風溫度80 ℃下莖、葉在切段、壓扁+切段預處理下的干燥特性。每組試驗物料取20 g，置于錫紙盒中，試驗設置2 次重復，每30 min測量一次物料質量變化，直到質量變化小于0.01 g。

1.2.2 干燥模型的擬合 Weibull模型為經典的干燥模型，對大多數物料的干燥過程有較好的擬合度。Weibull模型的參數表達式如下[15]：

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

尺度參數 α與干燥過程總時間T的比值設為RA，用于表示前期與后期干燥速率差異的大小。其表達式為：

式中，Xi—測定值；Xpi—擬合值；Xmi—測定的平均值；n—數據個數。

模型擬合度的好壞采用決定系數R2、均方根誤差RMSE、殘差平方和SSE進行確定，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 不同處理方式對養心菜品質的影響

1.2.3.1 不同處理方式對養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行粉碎，可溶性蛋白含量的測定方法采用考馬斯亮藍G-250 比色法，每個物料測定三次，取平均值，并作顯著性分析。研究熱風溫度80 ℃下不同預處理方法(壓扁、切段、壓扁+切段)，以及壓扁+切段處理下不同熱風溫度（60、70、80 ℃）對養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 不同處理方式對養心菜VC含量的影響將不同處理方式下干燥后的物料進行粉碎處理，養心菜VC含量的測定方法參照國標2，6二氯靛酚滴定法[16]。每個物料測定三次，取平均值，并作顯著性分析。研究熱風溫度80 ℃下不同預處理方法(壓扁、切段、壓扁+切段)，以及壓扁+切段處理下不同熱風溫度（60、70、80 ℃）對養心菜VC含量的變化，并結合相關的研究對成分變化進行討論。

1.2.4 測定指標

1.2.4.1 初始含水率 初始測定方法參照國標GB 5009.3-2016[17]，新鮮養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算公式為：

Mt—t時刻的干基含水率，g/g；mt—t時刻養心菜的質量，g；md—養心菜干物質的質量，g。

1.2.4.3 水分比MR由于養心菜的平衡含水率遠小于Mt和M0，水分比的計算公式可以簡化為[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)）計算公式為[19]：

式中，Mt1—t1 時刻干基含水率，g/g；Mt2—t2 時刻干基含水率，g/g。

1.3 數據處理

試驗數據由EXCEL、Origin9.1、SPSS17 等軟件進行處理，對數據進行計算、擬合以及圖表的繪制。結果中數據以平均值±標準差（SD）的形式進行表示，并對品質指標數據進行顯著性分析，以不同字母a,b,c,d,e,f表示差異顯著（P<0.05）。

2 結果與討論

2.1 養心菜熱風干燥特性

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

圖1 不同處理方式下養心菜干燥特性曲線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+切段預處理后養心菜干燥速率明顯提高，這是由于壓扁處理使養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。該研究結果與苜蓿的干燥特性相似，莖稈壓扁處理會顯著降低內部水分遷移的阻力[14,21]。壓扁+切段與壓扁預處理之間干燥時間和干燥速率變化較小。切段處理后養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；但葉片和莖稈的結構沒有被破壞，隨著干燥的進行，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，增加了整個過程的時間。因此，對養心菜進行壓扁和壓扁+切段處理有利于水分的快速脫除，提高養心菜干燥的效率。

由于壓扁和壓扁+切段對干燥時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，在生產中也有利于增加與熱空氣的接觸面積，因此后續研究中僅選擇壓扁+切段預處理與切段預處理進行對比分析。

2.1.2 熱風溫度對養心菜干燥特性的影響 圖2 為不同熱風溫度下養心菜的干燥特性曲線，分別進行了切段和壓扁+切段處理下各熱風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，干燥時間顯著下降，熱風溫度60 ℃下干燥時間顯著延長（P<0.05)。這主要是由于在較高的熱風溫度下，物料內部水分子的能量高，提高了內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+切段處理干燥時間較切段處理均顯著降低；熱風溫度60、70、80 ℃下干燥時間分別降低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 不同熱風溫度下養心菜干燥特性曲線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間，因此采取預處理和提高干燥后期熱風溫度有利于提高后期的干燥效率，這與大多數物料的干燥特性相同[24?25]。

2.1.3 養心菜莖葉熱風干燥特性 熱風溫度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間僅為莖干燥時間的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象；而壓扁+切段處理方式下莖的干燥時間較葉低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間變化較小，這與苜蓿莖葉干燥時間的研究結果相似[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，從而莖的干燥時間顯著延長（P<0.05）；經過壓扁+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現莖葉均勻干燥。

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

2.2 干燥模型的擬合結果

不同熱風溫度和預處理方式下養心菜熱風干燥數據與Weibull模型的擬合結果，如表1 所示。從表中可以看出，Weibull模型擬合系數R2值均大于0.99，表明干燥過程數據與Weibull模型的擬合度非常高，可以用該模型預測養心菜的熱風干燥過程。

表1 Weibull模型擬合結果Table 1 Fitting results of Weibull model

從α值可以看出，在整個干燥過程中物料前期水分脫除所用的時間較短，而干燥后期因為干燥速率較低，從而整個干燥過程的時間顯著延長。各溫度下，經預處理后前期的干燥時間降低，所占整個干燥過程的比重增加，如RA所示，表明了預處理提高了后期的干燥速率。這是因為前期物料內部的自由水含量高，水分子的遷移和脫除所受的阻力較小，蒸發所需要的能量較少，后期以半結合水和結合水為主，水分子與物料的結合力加強，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]；而經過壓扁、切段處理后物料一部分水分遷移到表面，物料結構被破壞，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 養心菜品質變化

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生了顯著的影響（P<0.05）。與未處理組相比，預處理組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間（P<0.05），可溶性蛋白濃度略高其他兩組，這與預處理后苜蓿營養成分含量的變化結果相似[28]。80 ℃未處理組物料的干燥時間最長，生化與生理反應的時間過長使物料的營養物質消耗和損失加大，從而可溶性蛋白濃度值最低[29]。

不同熱風溫度下，壓扁+切段預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），表明熱風溫度60 ℃組的干燥時間較長，細胞呼吸以及酶的作用時間長，對可溶性蛋白的消耗大，使生理和生化反應對可溶性蛋白濃度的影響高于熱風溫度的影響，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溫度和干燥時間的共同影響，熱風溫度較高、干燥時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]；切段處理對結構的破壞較小，且降低了干燥時間，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，這與秋葵等物料的研究結果一致[32?33]，因此干燥工藝的選擇需要在品質變化和干燥效率之間平衡。

表2 不同預處理方式下養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 結論

上述研究表明提高熱風溫度，以及進行壓扁+切段、壓扁預處理有利于提高干燥速率，顯著降低干燥時間，而切段預處理對養心菜干燥時間的影響較小。另外壓扁+切段預處理有利于提高養心菜莖、葉的干燥速率，提高養心菜莖葉干燥的均勻性。在品質方面，提高熱風溫度，以及進行預處理有利于減少養心菜可溶性蛋白的損失；相同處理條件下，莖、葉干燥后的可溶性蛋白含量高于整株。而壓扁、壓扁+切段預處理以及提高熱風溫度會使VC含量降低。根據研究結果綜合分析，養心菜干燥工藝確定為熱風溫度80 ℃和壓扁+切段預處理。該研究優化了養心菜干燥生產工藝，有利于提高養心菜干燥生產的效益。

為了進一步提高養心菜干燥的效率以及改善其品質，需要結合其他干燥方式，進行養心菜聯合干燥、連續干燥工藝研究和設備設計。