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茎瘤芥的气体射流冲击干燥动力学及多酚降解动力学特征

2021-03-31李文峰张向阳林兰婷陈小平张雪梅郑俏然高晓旭

食品科学 2021年5期
关键词:橙皮热风射流

李文峰,张向阳,王 翠,林兰婷,陈小平,屈 阳,张雪梅,林 瑶,谭 飔,郑俏然,高晓旭

(长江师范学院现代农业与生物工程学院,重庆 408000)

茎瘤芥属于十字花科蔬菜,其叶片和膨大茎中含有大量能清除自由基和抑制肿瘤细胞增殖的多酚类化合物[1]。茎瘤芥的膨大茎是制作世界三大酱腌菜之一——涪陵榨菜的重要原材料[1]。脱水作为榨菜加工过程的重要工艺步骤,在很大程度上决定了产品品质[2]。传统榨菜加工通常采用自然风干,这需要长达25 d才能将茎瘤芥水分质量分数降低至85%[3]。虽然现在的榨菜工业化生产采用盐渗透技术将茎瘤芥脱水时间压缩至20 d,但盐脱水会降低榨菜品质,其产生的废盐水也会引起环境问题[2]。寻找一种可替代盐脱水的新技术是目前榨菜加工技术需要解决的重要问题之一。此外,进一步丰富榨菜产品的种类也是榨菜产业亟待解决的问题。充分脱水不仅可以有效延长货架期,还非常有利于贮藏和运输,也能赋予新风味和口感,是生产榨菜新产品的潜在途径。

气体射流冲击干燥是将具有一定温度和较高风速的气体直接冲击在待干燥物料表面,从而快速干燥物料的一种干燥新技术[4]。由于气体射流冲击干燥的传热系数比热风干燥高出几个数量级,使得气体射流冲击干燥的脱水速率比热风干燥高出26 倍[5]。此外,气体射流冲击干燥的洋葱和猕猴桃也具有更高的多酚含量和抗氧化活性,且其产品色泽更接近于真空冷冻干燥产品[5-6]。即便如此,气体射流冲击干燥仍然会导致紫薯总酚含量降低47%~64%,1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl,DPPH)自由基清除活性下降30%~50%[7]。气体射流冲击干燥是否能高效干燥茎瘤芥,此过程中茎瘤芥多酚和抗氧化活性等品质变化问题亟待进一步研究。

本研究首先对比茎瘤芥气体射流冲击干燥和热风干燥效率的差异,随后探究茎瘤芥气体射流冲击干燥特性并构建了干燥模型,最后揭示气体射流冲击干燥过程中茎瘤芥多酚的降解动力学特性,为榨菜脱水技术的革新提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

茎瘤芥的膨大茎(以下简称茎瘤芥)购买于重庆市马鞍菜市场,实验前茎瘤芥保存于4 ℃。通过105 ℃烘箱法测得茎瘤芥鲜样的水分质量分数为(95.02±0.10)%。

没食子酸、芦丁、对香豆酸、阿魏酸、芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、水杨酸、枸橘苷、橙皮素(标准品)上海源叶生物科技有限公司;福林-酚试剂、VC、2,2’-联氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(2,2’-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt,ABTS)、2,4,6-三吡啶基三嗪(2,4,6-tris(2-pyridyl)-striazine,TPTZ)北京索莱宝科技有限公司;甲醇、甲酸(色谱纯)上海Adamas试剂有限公司;其余试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

气体射流冲击干燥机依据先前的研究设计[5],由长江师范学院食品工艺实验室制作;101A-1型数显电热恒温鼓风干燥箱上海浦东荣丰科学仪器有限公司;FSH2A分散均质机 常州迅生仪器有限公司;超高效液相色谱-三重四极杆串联质谱(ultra-high performance liquid chromatography-triple quadrupole tandem mass spectrometry,UHPLC-QqQ-MS/MS)仪 安捷伦科技(中国)有限公司;TDL-80-2B台式离心机上海安亭科学仪器厂;PT-3502C酶标仪北京普天新桥技术有限公司。

1.3 方法

1.3.1 热风干燥

热风干燥机温度设定为60 ℃,并预热30 min。取250 g新鲜茎瘤芥的膨大茎部分,用小刀去掉木质化程度较高的老皮后,切成横截面为0.5 cm×0.5 cm×5 cm的长条。将茎瘤芥条平铺在恒温鼓风干燥箱的不锈钢网架上进行干燥。每30 min测定一次质量,直至连续两次质量差小于0.05 g即视为恒质量。

1.3.2 气体射流冲击干燥

气体射流冲击干燥温度分别为40、50、60 ℃,风速固定为8 m/s,预热30 min后开始干燥实验。将250 g新鲜茎瘤芥去皮后切成横截面为0.5 cm×0.5 cm×5 cm的长条。随后,茎瘤芥条被平铺于气体射流冲击干燥机干燥室的不锈钢网盒内以避免被高速气流吹走。通过在不同时间点测量样品质量的方法探究水分含量的变化[5]。0~0.5 h内每5 min测定一次质量,0.5~1 h每10 min测定一次质量,1~2 h每20 min测定一次质量,随后每30 min测定一次质量,直至连续两次质量差小于0.05 g即为恒质量。完成上述实验后,重新取样,依据干燥曲线的起点、终点、拐点及其前后两个时间点进行取样,以研究干燥动力学,取干燥终点的样品分析茎瘤芥干燥过程中多酚含量和抗氧化活性。

1.3.3 总酚含量的测定

取1.5 g样品与15 mL 80%(体积分数,后同)乙醇溶液在10 000 r/min下匀浆1 min。随后使用漩涡搅拌器充分混合5 min。该匀浆于3 000 r/min下离心5 min,取上清液用于总酚、总黄酮、抗氧化活性和多酚单体含量测定。

取25 μL样品或25 μL不同质量浓度的没食子酸标准品与25 μL体积分数80%乙醇溶液混合于96 孔板,每个样品重复3 次。加入10 μL福林-酚试剂充分混合后避光静置6 min。随后加入100 μL 7 g/100 mL Na2CO3溶液和80 μL去离子水混合均匀后,避光静置90 min,于760 nm波长处测定吸光度。样品总酚含量依据没食子酸标准曲线计算,以每克干质量样品中含有的没食子酸质量表示,单位为mg/g。

1.3.4 多酚单体含量测定

依据本课题组前期组学分析结果[1],利用UHPLCQqQ-MS/MS定量测定茎瘤芥主要含有的对香豆酸、阿魏酸、芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、水杨酸、枸橘苷和橙皮素多酚单体含量。采用ZORBAX eclipse plus C18柱(0.21 cm×10 cm,1.8 μm)进行色谱分离,柱温为30 ℃。流动相为0.1%甲酸-水溶液(A)和0.1%甲酸-甲醇溶液(B),其梯度洗脱程序如下:0~10 min,95%~10% A;10~11 min,10% A;11~12 min,10%~95% A;12~15 min,95% A。流动相流速为0.2 mL/min,进样量为5 μL。质谱信号采集条件与本课题组先前的报道[8]保持一致,电离喷雾离子源为负离子模式,干燥氮气流速与温度分别为10 L/min和350 ℃,数据采集模式为多反应监测(multiple reaction monitoring,MRM)。

1.3.5 抗氧化活性的测定

1.3.5.1 DPPH自由基清除能力的测定

取100 μL多酚提取液或VC溶液于96 孔板,随后加入100 μL 0.5 mmol/L的DPPH溶液,混合均匀后避光静置30 min。在517 nm波长处测定吸光度。DPPH自由基清除能力以VC标准曲线(y=192.96x-1.933 4,R2=0.975 6)计算,以样品干基具有的V C 清除能力当量表示,单位为μg/g。

1.3.5.2 ABTS阳离子自由基清除能力的测定

将7 mmol/L ABTS-乙醇溶液与2.45 mmol/L过硫酸钾水溶液等体积混合后在室温下避光静置过夜得到ABTS阳离子自由基储备液。利用无水乙醇将ABTS阳离子自由基储备液稀释至734 nm波长处吸光度为0.70±0.02。取10 μL样品或VC溶液与340 μL ABTS阳离子自由基溶液混合均匀,随后在734 nm波长处测定吸光度。ABTS阳离子自由基清除能力以VC标准曲线(y=0.719e5.2787x,R2=0.983 1)计算,以样品干基具有的V C 清除能力当量表示,单位为μg/g。

1.3.5.3 铁离子还原能力的测定

将2.5 mL 10 mmol/L TPTZ、2.5 mL 20 mmol/L FeCl3和25 mL 0.3 mol/L醋酸盐缓冲液(pH 3.6)充分混合制得铁离子还原能力(ferric ion reducing antioxidant power,FRAP)测定液。取15 μL多酚提取液或VC溶液与35 μL体积分数80%乙醇溶液充分混合。随后加入100 μL FRAP测定液和200 μL蒸馏水,混匀后于37 ℃水浴10 min,在593 nm波长处测定吸光度,FRAP以VC标准曲线(y=57.541x3-76.965x2+69.943x-8.550 4,R2=0.998 5)计算,以样品干基具有的VC还原能力当量表示,单位为μg/g。

1.4 数据统计与分析

利用GraphPad Prism 6统计软件执行基于Tukey算法的多重比较分析(P<0.05表示差异显著)。单体多酚含量和抗氧化活性之间的相关性分析采用Corrplot分析包在64位R软件(https://www.r-project.org)上分析。水分比和干燥速率分别依据公式(1)、(2)计算[9-10]。

式中:ω0、ωt、ωe和ωt-dt分别表示初始、t时刻、平衡和任一时间点紧邻的后一时间点的湿基水分质量分数/%;dt表示时间差/min。

采用决定系数R2(公式(3))、卡方值χ2(公式(4))和均方根误差(root mean square error,RMSE)(公式(5))评估薄层干燥动力学模型拟合效果[11]。

式中:N和n分别表示观测值和公式常数的数量;分别表示实验的、预测的以及平均的水分比。

采用零级(公式(6))、半级(公式(7))、一级(公式(8))和二级(公式(9))反应动力学模型拟合气体射流冲击干燥过程中变化的茎瘤芥多酚含量[12]。

式中:C0和Ct分别表示鲜样茎瘤芥和干燥至t时刻的茎瘤芥中某一多酚单体的干基含量/(μg/g);k为反应速率常数/min-1;t为干燥时间/min。

二级反应动力学的半衰期(t1/2/min)依据公式(10)进行计算[12]。

多酚降解反应活化能Ea/(k J/m o l)、焓变ΔH/(kJ/mol)、吉布斯自由能变化ΔG/(kJ/mol)和熵变ΔS/(kJ/(mol·K))分别依据公式(11)~(14)进行计算[12]。

式中:A为指数前常数/min-1;R为理想气体常数(8.314×10-3kJ/(mol·K));T为干燥温度/K;kB为玻尔兹曼常数(1.381×10-23J/K);h为普朗克常数(6.626×10-34J/(mol·K))。

2 结果与分析

2.1 不同干燥方式对茎瘤芥干燥特性的影响

图 1 不同干燥方式对茎瘤芥外观(A)、干燥曲线(B)和干燥速率曲线(C)的影响Fig. 1 Effects of different drying methods on appearance (A), drying curve (B) and drying rate curve (C) of tumorous stem mustard

如图1A所示,气体射流冲击干燥茎瘤芥比热风干燥茎瘤芥具有更浅的褐色,说明气体射流干燥引起的褐变弱于热风干燥。本课题组在紫薯和洋葱的气体射流冲击干燥和热风干燥研究中也发现了类似现象[5,7]。此外,热风干燥比气体射流冲击干燥引起了更明显的茎瘤芥收缩和卷曲,表明热风干燥导致了更严重的组织内部结构变化。由茎瘤芥的干燥曲线可知,气体射流冲击干燥茎瘤芥至恒质量需要150 min,比热风干燥节约了420 min(图1B)。这是因为气体射流冲击干燥茎瘤芥的最高水分散失速率接近是热风干燥的4 倍(图1C)。对紫薯和洋葱的干燥研究结果也表明,气体射流冲击干燥速率远高于热风干燥[5,7]。这是因为气体射流冲击干燥的传热效率是热风干燥的5 倍,从而加速了水分散失并节约了干燥时间[13]。因此,与热风干燥相比,气体射流冲击干燥茎瘤芥具有更高的干燥品质和速率,是潜在的茎瘤芥快速脱水新技术。在后续研究中,主要探讨了气体射流冲击干燥对茎瘤芥干燥的影响。

2.2 气体射流冲击干燥动力学及数学模型

图 2 不同温度气体射流冲击干燥条件下茎瘤芥的干燥特征及其数学模型Fig. 2 Drying characteristics and mathematical models of tumorous stem mustard during air-impingement jet drying at different temperatures

研究表明,气体射流冲击干燥温度对果蔬干燥效率与品质的影响显著大于风速和喷嘴高度等条件,是决定气体射流冲击干燥效率与品质的关键因素[5-7,13]。因此,本研究主要探讨了气体射流冲击干燥温度对茎瘤芥干燥动力学的影响。由图2A可知,在40、50 ℃和60 ℃下,茎瘤芥气体射流冲击干燥至恒质量分别需要300、240 min和150 min。据此,从40 ℃提升10 ℃比从50 ℃提升10 ℃更有助于提高干燥速率和缩短干燥时间,说明干燥温度以类指数形式影响茎瘤芥的气体射流冲击干燥速率。更高的干燥温度造成了更高的温度梯度,从而促进了热量的快速传递,继而强化了物料内部的水分迁移和表面水分蒸发[14]。在茎瘤芥气体射流冲击干燥开始的30 min内,水分散失速率逐渐增加;当茎瘤芥水分比到达0.6左右时,干燥速率达到了最大值,随后干燥速率逐渐降低直至干燥终点(图2B)。因此,茎瘤芥的气体射流冲击干燥速率曲线具有典型的升率阶段,这与无籽葡萄、紫薯、洋葱和猕猴桃的气体射流冲击干燥曲线仅表现为降率干燥截然不同[4-7,13-14]。推测可能是因为茎瘤芥含有的大量可溶性膳食纤维通过氢键相互作用抑制了干燥前期水分的快速蒸发;亦或是在干燥前期,茎瘤芥表面有充足的自由水以供汽化,使水分散失速率由表面扩散控制。随着干燥的进行,茎瘤芥温度升高使得大量水分吸热汽化,从而加速了水分散失。在干燥后期,茎瘤芥内部水分含量下降,水分散失速率由内部扩散控制。此外,茎瘤芥的多羟基基质在干燥后期因脱水而浓缩,从而增强了亲水相互作用,致使水分扩散速率降低。

在榨菜加工过程中,茎瘤芥的水分质量分数仅需降低至80%~85%[2-3],准确预测气体射流冲击干燥过程的水分散失规律是榨菜加工品质控制的关键因素之一。当前,薄层干燥模型已被广泛用于描述和预测果蔬的干燥动力学行为[15]。本研究选择了5 个典型的半理论模型和3 个经验模型用于拟合茎瘤芥的气体射流冲击干燥动力学曲线(表1)[16]。虽然在很多案例中,常数更多的薄层干燥模型具有更好的拟合效果,但最适干燥模型的筛选通常依据多个统计指标而不是公式常数数量[15]。本研究选择常用的3 个统计指标R2、χ2和RMSE来判断干燥数学模型对实验数据的拟合情况[17]。通常,当一个模型拟合干燥曲线的χ2和RMSE越接近于0,R2越接近于1,就说明该模型越适宜描述该干燥行为[18]。从图2C~E可知,半理论的Page和Modified Page模型以及经验的Weibull模型比其余模型的χ2和RMSE更接近于0,且R2更接近1,说明Page、Modified Page和Weibull模型可以很好地拟合茎瘤芥的气体射流冲击干燥模型。通过进一步的预测模型构建与验证发现,Page和Weibull模型的预测值与实验值具有较大差异,而Modified Page模型(公式(15))的水分比预测值与实验值较为一致(图2F)。这证明Modified Page模型是描述和预测气体射流冲击干燥过程中茎瘤芥水分散失行为的最佳模型。Modified Page模型也是描述和预测洋葱与猕猴桃气体射流冲击干燥动力学的最适模型[5,13,19]。

式中:T表示干燥温度/℃;t表示干燥时间/min。模型名称 模型公式 类型

表 1 应用于拟合茎瘤芥气体射流冲击干燥曲线的数学模型Table 1 Mathematical models for fitting air-impingement jet drying curves of tumorous stem mustard

2.3 气体射流冲击干燥对茎瘤芥多酚含量的影响

本课题组前期研究表明,气体射流冲击干燥会导致洋葱、紫薯、猕猴桃、山楂等果蔬中多酚类化合物降解,从而降低其抗氧化活性[5-7,20]。与此类似,本研究也发现40、50 ℃和60 ℃的气体射流冲击干燥将茎瘤芥的总酚含量降低了84%~85%,而不同温度之间差异不显著(图3A)。这可能是因为在较低的干燥温度下茎瘤芥长时间暴露于空气中,从而导致多酚被大量氧化降解[21]。虽然高温会促进多酚热裂解,但高温不仅会导致结合多酚的解偶联,也有助于抑制多酚氧化酶活性,这有利于多酚保存[21]。尽管不同干燥温度对茎瘤芥总酚含量的影响不显著,但60 ℃干燥温度导致更低的抗氧化活性(图3B)。

图 3 不同温度的气体射流冲击干燥对茎瘤芥总酚含量(A)和抗氧化活性(B)的影响Fig. 3 Effect of air-impingement jet drying at different temperatures on total phenolic content (A) and antioxidant activity (B) of tumorous stem mustard

为了进一步揭示茎瘤芥多酚单体在气体射流冲击干燥过程的降解规律,本研究采用UHPLC-QqQ-MS/MS分析了茎瘤芥的8 种主要多酚[1]。如图4所示,柚皮苷呈现出最明显的色谱峰,而其他多酚峰则隐没在背景里。但不同结构多酚的质谱峰强度并不绝对表示其含量。因此,进一步利用标准曲线对茎瘤芥多酚进行了定量分析。

图 4 多反应监测模式下多酚标准品(A)及茎瘤芥多酚提取物(B)的UHPLC-QqQ-MS/MS色谱图Fig. 4 MRM chromatograms of polyphenol standards (A) and polyphenol extract from tumorous stem mustard (B) analyzed by UHPLC-QqQ-MS/MS

图 5 茎瘤芥中多酚单体含量(A)及其与抗氧化活性的关系(B)Fig. 5 Contents of monomeric polyphenols in tumorous stem mustard (A)and their correlation with antioxidant activity (B)

从图5A可知,阿魏酸是茎瘤芥中最主要的多酚类化合物,其次是橙皮苷、柚皮苷和枸橘苷。虽然水杨酸在茎瘤芥鲜样中的含量最低,但它的含量因气体射流冲击干燥温度的升高而增加。这可能是因为其他分子质量较大的多酚降解产生了水杨酸,也可能是气体射流冲击干燥诱导了水杨酸-多糖/水杨酸-蛋白等复合物的降解,从而释放出了水杨酸[8]。类似的大分子多酚降解产生小分子酚酸的现象也在枇杷的真空干燥[8]以及花色苷的热加工过程中发现[22]。此外,本研究也发现气体射流冲击干燥对茎瘤芥中对香豆酸、芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、枸橘苷和橙皮素的影响较大,而对阿魏酸的影响较小。这种差异化的降解应该与不同多酚分子的稳定性差异有关[23]。通过相关性矩阵揭示茎瘤芥多酚单体降解与其抗氧化活性变化的关系,结果表明,除阿魏酸和水杨酸外,其余多酚含量均与抗氧化活性显著相关(图5B)。因此,在后续的多酚降解规律研究中,主要探讨了茎瘤芥对香豆酸、芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、枸橘苷和橙皮素在气体射流冲击干燥过程的降解动力学和热力学特性。

2.4 茎瘤芥多酚的降解动力学结果

表 2 茎瘤芥气体射流冲击干燥过程中多酚降解模型的拟合结果Table 2 Model fitting for polyphenol degradation in tumorous stem mustard during air-impingement jet drying

膳食多酚具有热敏感、氧分压敏感和pH值敏感等特性,易在高温和高氧分压环境中发生降解[23]。虽然很多研究都只选择一级动力学公式拟合多酚的降解曲线[12,24],但多酚的降解动力学公式与干燥动力学公式类似,都有多种模型[25]。为此,本研究选择了常用的零级、半级、一级和二级公式来拟合茎瘤芥多酚在气体射流冲击干燥过程中的降解规律。由表2可知,二级动力学模型拟合多酚降解曲线时比零级(0.485 9~0.803 2)、半级(0.560 0~0.868 5)和一级(0.632 8~0.923 7)动力学模型具有更高的R2,其R2为0.847 9~0.989 1,说明二级动力学模型是拟合茎瘤芥多酚在气体射流冲击过程中降解的最适动力学模型。类似地,二级降解动力学模型也可以被用于拟合热风干燥和真空干燥诱导的桑葚矢车菊-3-O-葡萄糖苷和矢车菊-3-O-鼠李糖苷降解[25]。然而,气体射流冲击干燥诱导的紫色马铃薯总花青素降解也可以被一级降解动力学模型所拟合[12]。需要注意的是,该研究仅利用了一级动力学模型拟合花色苷的降解规律[12],并未揭示清除二级动力学模式是否具有更好的拟合效果。当然,因为超过83%的决定系数R2大于0.8,所以一级动力学公式也能较好拟合气体射流冲击干燥诱导的茎瘤芥多酚降解规律。总地来说,应基于二级动力学模型进一步推断茎瘤芥气体射流冲击干燥过程中多酚的降解动力学和热力学参数。

表 3 气体射流冲击干燥过程中茎瘤芥多酚降解的动力学与热力学参数Table 3 Kinetic and thermodynamic parameters for polyphenol degradation in tumorous stem mustard during air-impingement jet drying

速率常数表示某一温度下,多酚降解反应的快慢程度[25],而半衰期反映了某一温度下导致50%多酚降解所需要的时间[24]。如表3所示,随着气体射流冲击干燥温度的升高,茎瘤芥中对香豆酸、芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、枸橘苷和橙皮素的速率常数k增加,而它们的半衰期缩短。在这些多酚中,对香豆酸具有最长的半衰期(78.33~111.39 min),说明茎瘤芥中对香豆酸在气体射流冲击干燥过程中降解较慢。芸香柚皮苷、柚皮苷、枸橘苷和橙皮素的半衰期较短,都介于16~38 min。虽然多酚含量在一定程度上影响着多酚的降解速率常数和半衰期,但干燥温度才是影响干燥过程中多酚降解的关键因素[12]。反应热力学参数能更深层次地揭示多酚的降解动力学特征[12]。活化能Ea通常表示某一反应达到活化状态所需要的能量[12]。研究发现,橙皮苷具有最高降解活化能(47.76 kJ/mol),芸香柚皮苷次之(33.43 kJ/mol),对香豆酸最低(17.65 kJ/mol)。活化能越高意味着干燥诱导的多酚降解反应越难以发生,且温度越高越有利于该反应[25]。因此,气体射流冲击干燥过程中茎瘤芥多酚降解从难到易依次为橙皮苷>芸香柚皮苷>枸橘苷>柚皮苷>橙皮素>对香豆酸。

ΔH代表了反应物和反应活化复合物之间存在的能量差异,越低的ΔH意味着越低的能垒,也就越有助于复合物的形成[26]。表3所示的ΔH均为正值,说明气体射流冲击干燥诱导的茎瘤芥多酚降解是一个吸热反应。这与气体射流冲击干燥[12]、热风干燥[24]和真空干燥[25]导致的花色苷降解结果一致。此外,随着干燥温度的升高,茎瘤芥多酚在气体射流冲击干燥过程降解的ΔH降低(表3)。这是因为较高的温度提供了更多的多酚降解能量,从而促进了活化复合物的形成并缩短了越过能垒的时间[25]。此外,还可看出ΔH与活化能具有较强的正相关性,这与先前的报道结果[24-25]一致。

ΔG是判断一个反应自发性的基本标准[27]。此外,ΔG同样表明了反应物及其活化状态之间的能量差异[28]。通常,某一多酚降解的ΔG大于0时表明该降解为非自发反应[24-25],由表3可知,气体射流冲击干燥诱导的茎瘤芥多酚降解是一个非自发反应。与此类似,气体射流冲击干燥引起的紫土豆花色苷降解同样属于非自发反应[12]。

ΔS可以反映一个化学反应体系中分子的混乱程度[29]。此外,较高的活化熵也表明了该反应物远离其自身的热力学平衡[30]。本研究发现茎瘤芥气体射流冲击干燥过程中所有多酚的ΔS均为负值(表3),表明这些多酚的降解过渡状态具有比其本身更小的结构自由度。该结果与大多数果蔬干燥过程中多酚降解动力学研究结果[24-25]一致。这种熵值为负说明干燥诱导的多酚降解使其结构更加稳定。

3 结 论

本研究结果表明,气体射流冲击干燥比热风干燥具有更高的茎瘤芥干燥品质和效率。提升气体射流冲击干燥温度有利于加速茎瘤芥脱水速率,而Modified Page模型是描述和预测气体射流冲击干燥过程中茎瘤芥水分散失规律的最适模型。二级反应动力学模型可用于拟合气体射流冲击干燥过程中茎瘤芥多酚的降解。气体射流冲击干燥诱导的茎瘤芥橙皮苷、芸香柚皮苷、枸橘苷、柚皮苷、橙皮素和对香豆酸降解与抗氧化活性降低显著相关,且这些多酚的降解是非自发的吸热反应,其降解困难程度由高到底依序为橙皮苷>芸香柚皮苷>枸橘苷>柚皮苷>橙皮素>对香豆酸。这些发现为进一步精准调控茎瘤芥的干燥品质提供了理论参考,也有助于推动气体射流冲击干燥技术在榨菜加工中的应用。

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