微波功率密度对枸杞多糖干燥动力学的影响

微波功率密度对枸杞多糖干燥动力学的影响

宁夏枸杞是枸杞科的一种干燥水果，通常是一种中药。宁夏枸杞富含多糖成分,具有多种保健功效。目前枸杞产品主要有枸杞酒、枸杞袋泡茶、枸杞晶口服液及各种枸杞饮料等。随着人们生活水平的提高及生活节奏的加快,饮料消费量与日俱增,天然而方便饮用、既有营养又有药理作用的固体粉末保健饮料倍受消费者欢迎。因此开发枸杞固体饮料有着极大的潜力和广阔的前景。但在应用传统的干燥方法干燥枸杞固体饮料的主要成分-枸杞多糖提取物混料时还存在多糖保留率低、产品冲调性差、综合品质不高等问题。微波真空干燥是一种新型的干燥方式,结合了微波干燥的快速、整体加热以及真空干燥的低温、快速除湿等优点,目前在农产品、药品等热敏性物料的干燥上取得了广泛应用。但目前国内外在利用微波干燥法干燥固体粉末的研究上还仅限于农产品、奶品等,且报道较少。例如李远志等人利用微波真空干燥方法制得速溶香蕉粉,产品组织膨松,色泽明亮,能迅速溶于水且有香蕉清香。LiY等利用微波干燥法干燥大蒜粉末,得到最佳的干燥工艺为微波功率376.1W,干燥时间3分钟。而对果实多糖提取物的微波真空干燥技术,特别是枸杞多糖提取物微波真空干燥条件的报道还未见。因此,本实验采用微波真空干燥法研究了不同微波功率密度对枸杞混料干燥动力学的影响,以及对样品品质(冲调性、多糖保留率)的影响,并优化了干燥条件,以期为更好地应用微波真空干燥技术干燥枸杞多糖提取物提供实验依据。1材料和方法1.1仪器、试剂与仪器枸杞产于宁夏中宁,由宁夏百瑞源枸杞产业发展有限公司提供;麦芽糊精、蔗糖粉食品级;柠檬酸、抗坏血酸、浓硫酸、苯酚均为分析纯,购于上海伯奥生物科技有限公司。MZ2C型真空泵德国Vacuubrand公司;MB23型水分分析仪奥豪斯仪器(上海)有限公司;BS/BT型电子天平德国赛多利斯股份有限公司;MCR-3型微波化学反应器巩义市予华仪器有限责任公司;CENTER309型热电偶苏州特安斯电子有限公司。1.2实验方法1.2.1枸杞多糖提取物的制备称取5g枸杞子,干燥粉碎至20目,用微波提取法提取枸杞多糖得多糖提取液,多糖提取液澄清后在70℃真空环境下浓缩,制成枸杞清膏,再添加麦芽糊精、蔗糖粉,制得枸杞多糖提取物混料。1.2.2干燥过程动力学的测定将制得的枸杞多糖提取物混料放入微波炉中,在真空度0.075MPa的条件下,定时测量并记录在不同的微波功率密度(2、4、6、8、10W/g)下,样品在干燥过程中的重量及外观变化,绘制样品的干燥曲线及其失水速率曲线。根据干燥曲线和干燥速率曲线,分析样品干燥过程的动力学。在干燥前,测定样品的初始含水量X0,并记录实验过程中的温度变化。物料t时刻的含水量和干燥速率计算方法如下:式中,X0、Xt-样品初始含水量和t时刻含水量,%;G0、Gt-样品初始重量和t时刻的重量,g;ut-样品t时刻的干燥速率,g/100g·min;ΔWt-样品t时刻前后两次测定水分含量差,%;Δτt-样品t时刻前后两次时间差,min。1.2.3冲轴试验溶解时间的计算采取如下方法:取5g样品置于50mL的烧杯中,冲入20g约80℃的热水,记下溶解时间。1.2.4多糖含量及多糖保留率实验前先采用硫酸-苯酚法测定样品中初始多糖含量C0,再测量不同处理后的多糖含量Cx,多糖含量及多糖保留率的计算方法如下:式中:C0为样品初始多糖含量,Cx样品在各单因素实验过程中不同处理后的多糖含量。1.2.5次回归通用旋转组合设计根据单因素实验的结果,分别选取微波功率密度和真空度的取值范围为(2~6W/g)和(0.03~0.07MPa),进行二次回归通用旋转组合设计,得到因素水平编码表1。按照两因素回归通用旋转组合设计确定的实验方案,在固定物料厚度为1cm的条件下,进行枸杞混合物料的微波真空干燥实验,干燥终点为水分含量2%,分别测定干燥时间、多糖保留率和溶解时间,具体实验方案及实验结果见表2。1.2.6数据处理方法2结果与讨论2.1微波功率密度对干燥速率的影响微波真空干燥中物料温度的高低对干燥产品的品质有重要影响,一般在温度60℃以上时,食品中的胡萝卜素、维生素等一些生物活性物质会发生显著破坏。由图1可知,本实验中,物料温度随着微波功率密度的增加而显著上升。在干燥初期,即3min内,物料中的水分大量吸收微波能转化为热能,使得物料温度不断升高,并且微波功率密度越高,升温越迅速。但由于功率密度2~4W/g时提供的能量过低,使得物料温度上升较慢,在实验时间内温度一直低于60℃。在功率密度大于6W/g后,当物料温度达到实验真空条件(0.075MPa)下的水分蒸发温度(约为65℃)时,物料中的水分开始汽化,此时微波能转化的热能除使物料升温外还供给水分的汽化潜热,因此温度上升幅度变小。但是功率密度为10W/g时,物料吸收的微波能量远远大于蒸发水分所消耗的热量,因此物料温度仍迅速升高。在不同的微波功率密度下,样品的干燥曲线和干燥速率曲线如图2和图3所示。如图2和图3所示,随着微波功率密度的增大,物料中水分含量不断减小,干燥速率增大。由图2可知,在其他条件相同,微波功率密度分别为2、4、6、8和10W/g的条件下,样品干燥至所需水分含量2%左右所需的时间分别约为40、30、24、20、8min,即随着微波功率的增大,干燥所需时间越短。这是由于在高功率密度下,物料快速吸收大量的微波能,导致水分快速蒸发。这与McMin等人对其他物料微波真空干燥的观察结果一致。由图3可知,在低功率密度下(2W/g),干燥速率曲线很低且平稳,对比图1可看出这是由于物料温度过低,水分蒸发进行很慢造成的;当功率密度增大(4~8W/g)时,物料的干燥速率不断增大。在10W/g的功率密度下,干燥速率可达到8g/100g·min,随后随着水分的减少而逐渐下降。这与刘娟等人微波真空干燥鲜地黄片的观察结果一致。通过干燥时间回归模型方差分析知,微波功率密度对干燥时间的线性效应极显著(p<0.01)。2.2微波功率密度图4为微波功率密度对干燥产品冲调性和多糖保留率的影响图。由图4A可知,随着微波功率密度的增加,干燥产品的冲调性变差,表现为溶解时间增加。功率密度在2~6W/g之间时冲调性变化不大,而功率密度在6~10W/g之间时冲调性显著变差,溶解时间由2.6min增加到4.6min。微波功率密度对干燥产品冲调性的线性效应极显著(p<0.01)。由图4B可知,枸杞多糖保留率随着微波功率密度的增大先增加后减小。这与田玉庭等对龙眼肉微波真空干燥观察到的结果相似。在微波功率密度为4W/g时,枸杞多糖保留率最大,为92.7%。2W/g的微波功率密度下多糖保留率低于4W/g的功率密度下的多糖保留率,主要是因为2W/g的干燥时间过长,容易导致多糖分解。而高功率密度下多糖保留率低是因为干燥温度高,导致多糖破坏或分解。微波功率密度对多糖保留率的线性效应极显著(p<0.01)。2.3溶解时间的确定图5为真空度对干燥产品冲调性和多糖保留率的影响。由图5A可知,产品溶解时间随着真空度增大先减小后增大,在真空度为0.07MPa时,溶解时间达到最小值,为2.5min,此时的冲调性最好。0.1MPa时的溶解时间反而比0.07MPa时的溶解时间长,可能是因为此时物料内部传质阻力非常小,水分蒸发快,物料温度升高也快,造成局部焦化。真空度对干燥产品冲调性的线性效应极显著(p<0.01)。由图5B可知,随着真空度的增大,多糖保留率的变化趋势是先增大后减小,在真空度为0.05MPa时,多糖保留率达到最高值91%。真空度对多糖保留率的线性效应显著(p<0.05)。2.4多糖保留率随厚度的变化图6为物料的厚度对干燥产品冲调性和多糖保留率的影响。由6A可知,物料厚度对产品冲调性影响不大,随着厚度的增加,溶解时间先增加后减小再增加,但没有显著差别(p>0.05)。图6B显示多糖保留率随着厚度变化呈现先缓慢上升然后缓慢下降的趋势。物料厚度对干燥效果的影响不显著,可能是因为微波真空的里外同时加热特性及膨化效应,使得物料的干燥能快速有效的完成。这与CuiZW等利用微波真空干燥蜂蜜时得出的在物料厚度小于8mm时在样品中可获得均一的温度梯度的结果相似。2.5二次通用旋转组合的设计优化实验2.5.1真空度对多糖活性的影响通过二次多项式逐步回归方法,分别得到微波干燥过程中干燥时间(Y1)、多糖保留率(Y2)、溶解时间(Y3)与功率密度(X1)、真空度(X2)之间的回归模型(其中功率密度和真空度对干燥时间和溶解时间都极显著p<0.01,微波功率密度对多糖保留率极显著p<0.01,真空度对多糖保留率显著p<0.05)。Y1=29.84-7.05X1-1.85X2-1.57X12Y3=2.30+0.14X1-0.062X2+0.13X12其中相关系数R2分别为0.9772、0.9522、0.9884,说明各个回归模型拟合情况均较好。2.5.2微波功率密度和真空度对干燥枸杞多糖保留率的影响在物料厚度为1cm的条件下,图7~图9分别为微波功率密度和真空度共同作用对枸杞物料的干燥时间、多糖保留率和溶解时间的响应曲面图。图7为微波功率密度和真空度对干燥时间的响应面曲线。由图7可知,微波功率密度和真空度对枸杞物料干燥时间均有影响,其中微波功率密度对干燥时间的影响比真空度的影响更为明显。图8为微波功率密度和真空度对多糖保留率的响应面曲线和等高线图。由图8知,微波功率密度和真空度对干燥后多糖保留率均有影响,其中微波功率密度对多糖保留率的影响比真空度的影响更为显著。图9为微波功率密度和真空度对干燥样品溶解时间的响应面曲线和等高线图。由图9可知,同一真空度水平下,当微波功率密度小于3W/g时,干燥样品溶解时间随微波功率密度的增大而减小,当微波功率密度大于3W/g时,干燥样品溶解时间随微波功率密度的增大而增加;在同一微波功率密度下,干燥样品溶解时间随着真空度的增大而减小。2.5.3微波真空法干燥枸杞多糖的正交试验通过以上拟合模拟的响应面和等高线图分析,综合考虑微波干燥速率、真空度分别对枸杞物料干燥时间、多糖保留率和溶解时间的影响,同时综合三个指标的回归模型通过Design-expert软件分析得出,微波真空法干燥枸杞多糖提取物的最佳工艺条件为微波功率密度1.86W/g、真空度0.078MPa。根据综合优化得到的参数条件,进行验证实验,结果取3次实验平均值。为方便操作,验证实验对数据进行了取整处理。当微波功率密度、真空度分别为2W/g、0.08MPa时,得到物料干燥时间、多糖保留率和溶解时间分别为34.56min、95.14%和2.28min,与综合优化得到的预测值35.07min、96.04%、2.21min较为接近,证明二次回归方程的可靠性与响应面分析法的有效性。3工艺因素对枸杞多糖冲调性的影响3.1随着微波功率密度的增大,物料中水分含量不断减小,干燥速率增大,干燥时间缩短。3.2随着微波功率密度的增加,枸杞多糖的冲调性变差,多糖保留率先增加后减少;随着真空度增大,枸杞多糖的冲调性先减少后增加,多糖保留率先增大后减小;而物料厚度对枸杞多糖的冲调性和多糖保留率无明显影响。3.3利用二