徐昊，張喜康，頡向紅，孔維洲，馬浩然，劉敦華

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川，750021)

枸杞(Lyciumchinensemiller)是一種茄科落葉小灌木的成熟果實(shí)[1]，色澤鮮艷，果肉多汁，味酸甜。其含有豐富的功能活性物質(zhì)，有較高的營(yíng)養(yǎng)和藥用價(jià)值，其中包括枸杞多糖、黃酮、類胡蘿卜素和甜菜堿等，具有較好的抗氧化和免疫活性，因此枸杞也是一種“藥食同源”的功能保健性食品[2]。但枸杞鮮果不耐儲(chǔ)藏，室溫下易腐爛變質(zhì)，且存在產(chǎn)量高，成熟集中等特點(diǎn)，這導(dǎo)致枸杞鮮果在銷售過(guò)程中，必須低溫儲(chǔ)藏，使得產(chǎn)品成本升高。為降低生產(chǎn)成本，大多枸杞以自然曬干的方式被制成干果保存并進(jìn)一步加工，而加工成枸杞粉后，可以用作輔料添加到面包、糕點(diǎn)等食品中，提高食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和附加值，并大大拓寬了枸杞的利用范圍[3]。因此，枸杞制干后進(jìn)一步加工成果干或者果粉成為其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一條重要途徑。

近年來(lái)，隨著枸杞市場(chǎng)的需求增大，新的制干方式被運(yùn)用到枸杞加工中，包括太陽(yáng)能干燥裝置，微波干燥等，其中熱風(fēng)烘干和真空冷凍干燥[4]被廣泛運(yùn)用。由于各種干燥方式的原理及條件不同，最終所制得的枸杞粉性質(zhì)也有所不同。TELIS等研究番茄脫水后發(fā)現(xiàn)，在干燥過(guò)程中，由于脫水速率太快，物質(zhì)的結(jié)晶時(shí)間不夠，會(huì)嚴(yán)重影響其干燥后的貯藏性[5]。更多研究也開(kāi)始對(duì)粉體吸濕性質(zhì)進(jìn)行探索，劉華等對(duì)凍干后圣女果粉的水分吸附性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，凍干圣女果粉在25 ℃下的吸附等溫線屬于Ⅲ型等溫線，并利用GAB模型來(lái)描述圣女果粉的吸附特性[6]。VIGANO等研究了菠蘿粉在水分吸附過(guò)程中不同階段熵/焓變所起的作用[7]。因此果蔬粉在吸濕過(guò)程中的水分變化研究對(duì)于其貯藏特性尤為重要，不同干制方式所獲得的枸杞粉體在吸濕過(guò)程中的水分遷移變化及其吸濕特性還鮮有人研究。

因此本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定吸濕速率、吸濕增重及吸附等溫曲線探討枸杞粉的吸濕規(guī)律，利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)分析了不同干制方式下枸杞粉吸濕過(guò)程中的水分遷移特性，為更好地研究和改善枸杞粉體的貯藏及加工方法提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

枸杞鮮果，采于寧夏軍馬場(chǎng)枸杞園；食用堿面，南京甘汁園糖業(yè)有限公司；NaCl，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

智能水分活度儀(冠亞GYW-1)，深圳市冠亞水分儀科技有限公司；分析天平(AL204)，梅特勒-托利多儀器有限公司；康衛(wèi)皿，北京廣大恒益有限公司；真空冷凍干燥機(jī)(Free Zone 1.2 L)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9070A)，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；高速萬(wàn)能粉碎機(jī)(YB-700A)，浙江永康市速鋒工貿(mào)有限公司；核磁共振成像分析儀(NMR20)，上海紐邁電子科技有限公司；生化恒溫培養(yǎng)箱(LRH)，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；干燥器(Φ 250 mm)，蜀牛玻璃儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

自然日曬：所采鮮果浸入50 g/L除蠟劑(NaCO3)后迅速撈出脫蠟，瀝干，均勻攤開(kāi)放在果棧上，并置于室內(nèi)通風(fēng)處(室溫20～25 ℃)。待果實(shí)部分失水，便將其逐步轉(zhuǎn)移至室外高溫?zé)o遮處曝曬(室外溫度30～33 ℃)。當(dāng)枸杞中含水量低于8%時(shí)，得到干果樣品，打粉后過(guò)80目篩備用。

熱風(fēng)干燥：脫蠟同上，瀝干，均勻攤放在自制網(wǎng)眼硬紙板上于45 ℃烘箱內(nèi)烘干，當(dāng)枸杞中含水量達(dá)8%時(shí)，得到干果樣品，打粉后過(guò)80目篩備用。

真空冷凍升華干燥：脫蠟同上，瀝干，于-80℃的超低溫冰箱預(yù)凍24 h，均勻平鋪托盤上，冷肼溫度為-35～-40 ℃，真空度為0～10 Pa，加熱板溫度為10～40 ℃(加熱板溫度初始值為10 ℃，每隔 1 h升溫10 ℃直至40 ℃)，當(dāng)枸杞中含水量8%時(shí)，得到凍干果樣品，打粉后過(guò)80目篩備用[8]。

1.3.2 樣品吸潮條件

設(shè)置環(huán)境溫度為30 ℃(恒溫培養(yǎng)箱)，環(huán)境濕度為75%(NaCl飽和鹽溶液)，吸濕30 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.3 水分活度的測(cè)定

在室溫18～25 ℃，室內(nèi)濕度50%～80%的條件下，用飽和氯化鈉鹽溶液校正水分活度儀。取樣量為樣品皿體積的2/3，將樣品皿放入后封閉測(cè)量倉(cāng)，進(jìn)行測(cè)定，每間隔10 min記錄水分活度儀的響應(yīng)值，當(dāng)相鄰2次響應(yīng)值之間誤差小于0.005 Aw時(shí)為測(cè)定值。儀器平衡后，重復(fù)3次試驗(yàn)[9]。

1.3.4 含水率的測(cè)定

樣品前處理：不同干燥方式所獲得3種樣品制粉后過(guò)40目篩網(wǎng)，放入干燥器中進(jìn)行24 h平衡。

起始水分含量測(cè)定：參考GB 5009.3—2016，采用烘箱干燥法進(jìn)行測(cè)定。

1.3.5 枸杞粉吸濕率的測(cè)定

稱量干燥至恒重的稱量瓶，記為m0。將樣品粉末以5～9 mm厚鋪展開(kāi)并稱重，記為m1。將上述稱量瓶放置于25 ℃，75%相對(duì)濕度條件干燥器內(nèi)，間隔一定時(shí)長(zhǎng)稱重，記錄吸濕后質(zhì)量m2′,m3′,…,mn′，以空稱量瓶作為空白(吸濕前質(zhì)量為m0″，吸濕后質(zhì)量為m2″，m3″，…,mn″)，計(jì)算枸杞粉吸濕質(zhì)量m2，m3，…,mn。其中，mn=mn′-(mn″-m0″)。

(1)

式中：A，一定溫度、濕度下的吸濕率，%。

1.3.6 吸附等溫線的測(cè)定

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]修改條件為：精確稱取干燥至衡重的枸杞粉2 g，間隔24 h測(cè)定含水率和水分活度。

1.3.7 吸濕速率的測(cè)定

干燥稱量瓶至恒重，記為M0，平鋪2～3 g枸杞粉后稱重，記為M1，將上述稱量瓶至于恒溫恒濕環(huán)境中平衡，每隔t(2 h)時(shí)間后稱重，記錄吸濕后質(zhì)量為M2，M3直至平衡，平衡時(shí)質(zhì)量為Mn，以空白稱量瓶作為空白(吸濕前質(zhì)量為Ma，吸濕后質(zhì)量為M1，M2，M3，…,Mn)，計(jì)算枸杞粉吸濕增重W2，W3,…,Wn。其中Wn=Mn-M0-(Mn-Ma)。一定溫度、濕度下的吸濕速率Vn見(jiàn)公式(2)：

(2)

1.3.8 低場(chǎng)核磁共振橫向弛豫時(shí)間測(cè)定

利用核磁共振分析儀對(duì)粉體橫向弛豫時(shí)間進(jìn)行測(cè)定[10]。

測(cè)試條件：使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CP-MG)脈沖序列測(cè)定橫向弛豫時(shí)間T2，溫度為30 ℃，主頻SF=18 MHz，采樣點(diǎn)TD=8192，90°脈沖時(shí)間P90=17 μs，180°脈沖時(shí)間P180=33 μs，重復(fù)掃描次數(shù)NS=16，采樣間隔時(shí)間TW=1 500 ms，回波個(gè)數(shù)Echo Count=1 000，采樣頻率SW=200.00 kHz，弛豫衰減時(shí)間D0=1 000 ms。利用T2Fit軟件進(jìn)行反演擬合。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

SPSS 19.0、Excel 2003對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用Duncan程序進(jìn)行顯著性分析，P<0.05為差異顯著，P<0.01為極顯著，其中**表示差異極顯著，*表示差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 枸杞粉吸濕規(guī)律分析

2.1.1 經(jīng)不同干燥方式所獲枸杞粉體的吸濕速率曲線

吸濕速率曲線是指樣品回潮率隨時(shí)間變化快慢的情況，如圖1為3種不同干制方式下枸杞粉樣品在環(huán)境溫度為30 ℃，濕度為75%條件下的吸濕速率曲線。3種枸杞粉吸濕速率曲線趨勢(shì)相近，可將其分為3個(gè)部分，為0～5 d，5～30 d和30～35 d，分別對(duì)應(yīng)了樣品吸濕的3個(gè)階段，在第一階段，吸濕速率較高，且隨時(shí)間急速下降，在第二階段，吸濕速率略低，且變化趨勢(shì)較為緩和，在第三階段，由于粉體內(nèi)外蒸汽壓趨向平衡[11]，水分吸收趨于飽和，吸濕速率降低，逐漸趨于穩(wěn)定，內(nèi)外水分達(dá)到平衡。而第三階段之后，粉體出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，逐漸結(jié)塊[12]，霉變，對(duì)粉體品質(zhì)影響較大，這可能是由于水分增加，激活部分氧化酶解反應(yīng)，多糖有所消耗[13]，分解出部分易溶于水的單糖[14]，顆粒之間易黏連，也易滋生微生物[15]。由此可說(shuō)明枸杞粉吸濕主要發(fā)生在第一階段，部分發(fā)生在第二階段。且還可以看出，3種方式所制的枸杞粉吸濕速率大小為曬干>烘干>凍干，相對(duì)來(lái)說(shuō)凍干方式下的粉體吸濕性較差，反之則更利于儲(chǔ)存。

圖1 經(jīng)不同干燥方式所獲枸杞粉體的吸濕速率曲線Fig.1 Moisture absorption curve of Chinese wolfberry powder under different drying methods

2.1.2 不同干制方式下枸杞粉的吸附等溫曲線

不同干制方式所獲得的枸杞粉在30 ℃條件下的吸附等溫線如圖2所示。3種等溫線中平衡含水率都隨著水分活度的增加逐漸增大，在低于水分活度為0.5的區(qū)間，平衡含水率增加緩慢，而在高于0.5的區(qū)間，其上升幅度顯著增大，同時(shí)真空冷凍干燥所獲枸杞粉的平衡含水率變化與另外2種枸杞粉變化趨勢(shì)存在差異，并且在同一水分活度下其水分含量更低。而不同干制方式下枸杞粉的吸濕等溫線形狀大致相同，據(jù)國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)的分類，枸杞粉的吸附等溫線形狀為J型，屬于Ⅲ型等溫線[16]。這與ZHAO等對(duì)芒果吸附等溫線的特性研究一致[17]，分析其原因可能是由于不同干制方式下所獲得的枸杞粉顆粒中存在大量微孔，水分穿過(guò)空隙被機(jī)械吸附于其上，因此其水分吸附能力主要受到微孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[18]。經(jīng)凍干后的枸杞打粉后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，形成了更加穩(wěn)定的微孔結(jié)構(gòu)，使其吸濕性減弱[19]。另外出現(xiàn)J型水分吸附等溫線可能是由于枸杞粉本屬于富糖類產(chǎn)品，而多糖類物質(zhì)在水中又具有較高的溶解性所導(dǎo)致的結(jié)果[20]。

圖2 經(jīng)不同干燥方式所獲枸杞粉體的吸附等溫曲線Fig.2 Adsorption isotherm curve of Chinese wolfberry powder under different drying methods

2.2 枸杞粉吸濕過(guò)程中水分的核磁共振測(cè)定

枸杞粉中水分的存在形式可分為3種，即結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水，3種水分的含量和存在狀態(tài)會(huì)影響枸杞粉的品質(zhì)和貯藏性[21]。通過(guò)核磁共振技術(shù)原理可知，其主要以氫質(zhì)子為研究對(duì)象，氫質(zhì)子所處的化學(xué)環(huán)境不同，T2弛豫時(shí)間的長(zhǎng)短也不相同，而其化學(xué)環(huán)境又與氫質(zhì)子所受的束縛力及其自由度有關(guān)[22]。在枸杞粉吸濕過(guò)程中，氫質(zhì)子主要存在于不同形式的水中，因此可利用反演譜T2橫向弛豫時(shí)間與橫向弛豫總積分面積的關(guān)系曲線來(lái)間接反映水分的自由度，含量以及遷移行為，從而表征出粉體在吸濕過(guò)程中的水分變化特征[23]。

不同干燥方式所制得的枸杞粉吸濕過(guò)程中水分變化T2弛豫時(shí)間反演譜如圖3所示，橫坐標(biāo)代表橫向弛豫時(shí)間T2，值越小代表此種水分與非水組分結(jié)合力越大，值越大代表水分的流動(dòng)性越大，越容易排出[24-25]。從圖3可以看出，枸杞粉的反演圖譜在T21(0.01～1 ms)、T22(1～10 ms)和T23(10～1 000 ms)3個(gè)區(qū)間內(nèi)分別出現(xiàn)3個(gè)分界明顯的峰，可以反映粉體吸濕過(guò)程中水分的3種存在狀態(tài)。其中弛豫時(shí)間最短的T21被定義為結(jié)合水，這部分水與其他分子的極性基團(tuán)結(jié)合最緊密。弛豫時(shí)間為T22的定義為不易流動(dòng)水，其間接與大分子結(jié)合或直接與強(qiáng)結(jié)合水以氫鍵結(jié)合，緊密性僅次于結(jié)合水。弛豫時(shí)間最長(zhǎng)的T23被定義為自由水，這部分水主要為結(jié)構(gòu)水和體積水，具有水溶液中的水分子流動(dòng)性[26-27]。

隨著吸濕時(shí)間的延長(zhǎng)，3種不同干制方法下的枸杞粉弛豫面積均有所增加，其中，曬干與烘干方式下的枸杞粉反演譜圖趨勢(shì)變化相似，結(jié)合水與不易流動(dòng)水的相對(duì)含量在前5 d略有增加但變化不明顯，在5～30 d，結(jié)合水相對(duì)含量急劇增加，而不易流動(dòng)水均在15～30 d急劇增加；凍干方式下的枸杞粉結(jié)合水與不易流動(dòng)水的相對(duì)含量在前15 d略有增加但變化不明顯，15 d以后急劇增加。因此可能存在以下2種原因，一方面，粉體在吸潮過(guò)程中，其內(nèi)部極性基團(tuán)與外界水分子結(jié)合形成緊密的結(jié)合水，進(jìn)而在飽和后以氫鍵結(jié)合的方式與大分子物質(zhì)以及化合類結(jié)合水聯(lián)結(jié)，形成鄰近結(jié)合水或不易流動(dòng)水，使粉體呈結(jié)塊狀。另一方面，可能是由于在枸杞烘干或曬干過(guò)程中，由于氧氣和溫度等的原因促使大分子物質(zhì)，諸如多糖、蛋白質(zhì)等發(fā)生降解，暴露氨基，羥基等親水極性基團(tuán)[28]，使得環(huán)境水分子更易結(jié)合成結(jié)合水或不易流動(dòng)水，以及小部分結(jié)合水向不易流動(dòng)水發(fā)生了轉(zhuǎn)變，而與之相比，凍干方式由于操作時(shí)間短，其大分子幾乎不發(fā)生降解[29]，前期結(jié)合水和不易流動(dòng)水變化相對(duì)較小，而由于其多孔結(jié)構(gòu)，在后期與環(huán)境中水分子結(jié)合表面積增大，使得其結(jié)合及吸水能力增強(qiáng)。

A-凍干;B-烘干;C-曬干圖3 不同干燥方式下的枸杞粉T2弛豫時(shí)間反演譜Fig.3 The inversion diagram of transverse relaxation timeT2 of wolfberry powder obtained by three kinds of drying methods

橫向弛豫時(shí)間T2可以表達(dá)水分所處的物理狀態(tài)[30]。如表1、2和3所示，3種枸杞粉吸潮過(guò)程中不同狀態(tài)水的橫向弛豫時(shí)間變化。在吸濕0～15 d時(shí)3種枸杞粉T21值均有所下降，差異顯著(P<0.05)，在15～30 dT21值增大，差異顯著(P<0.05)，其中凍干方式所獲得的枸杞粉T21值均大于其他2種方式。凍干、烘干和曬干枸杞粉結(jié)合水在0～30 d，水分子的自由度先降低后升高。這說(shuō)明部分生物大分子可能發(fā)生了氧化酶解等反應(yīng)，致使部分鄰近結(jié)合水向化合類結(jié)合水轉(zhuǎn)移，結(jié)合程度增大，離非水組分較近，自由度降低，隨后又發(fā)生了反向轉(zhuǎn)移，結(jié)合度下降，自由度增大。

3種枸杞粉在吸濕過(guò)程中，T22值均先增大后減小，在吸濕0～5 d時(shí)，T22值顯著增大(P<0.05)；當(dāng)處于15～30 d，T22值顯著降低(P<0.05)。由此說(shuō)明，在吸潮前期，不易流動(dòng)水結(jié)合力越來(lái)越弱，吸潮后期，不易流動(dòng)水結(jié)合力增強(qiáng)。由表3看出，自由水在3種干燥方式所得枸杞粉中弛豫時(shí)間值在0～30 d都有所增加，凍干方式所獲得枸杞粉T23值在0～5 d顯著增加，5～30 d時(shí)幾乎不發(fā)生變化(P>0.05)，烘干枸杞粉T23值增加到15 d時(shí)就幾乎不發(fā)生變化，而曬干枸杞粉前15 d的T23值幾乎不發(fā)生變化，在30 d時(shí)顯著增加(P<0.05)。自由水的自由度增大可能是由于不易流動(dòng)水的轉(zhuǎn)變以及表面吸附水和孔隙水的增多，直至飽和，而凍干方式所獲樣品，由于孔隙較密，較易吸附空氣中水分，因此較早達(dá)到飽和[31]。

表1 枸杞粉吸潮過(guò)程中T21值變化Table 1 Change of T21 value in the course of moistureabsorption of Chinese wolfberry powder

注：表中同列不同小寫(xiě)字母表示差異性顯著(P<0.05)，表2、3同。

表2 枸杞粉吸潮過(guò)程中T22值變化Table 2 Change of T22 value in the course of moistureabsorption of Chinese wolfberry powder

表3 枸杞粉吸潮過(guò)程中T23值變化Table 3 Change of T23 value in the course of moistureabsorption of Chinese wolfberry powder

3 結(jié)論

通過(guò)3種不同干燥方式所獲枸杞粉的吸濕等溫線的類型均為J型，屬于Ⅲ型等溫線。當(dāng)其水分活度大于0.5時(shí)，在同一水分活度下，平衡含水率的大小為曬干>烘干>凍干，而在冰點(diǎn)溫度以上，水分活度低于0.5時(shí)，枸杞粉的吸濕穩(wěn)定性更好，較易儲(chǔ)存；同時(shí)，相較于其他2種干制方式，凍干方式所制得的粉體相對(duì)不易吸濕，更利于儲(chǔ)存。

通過(guò)利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)定橫向弛豫時(shí)間，根據(jù)T2弛豫反演譜的多組分特征和粉體內(nèi)部水分特性，將枸杞粉吸濕過(guò)程中的水分存在形式劃分為結(jié)合水、不易流動(dòng)水和自由水；其中結(jié)合水響應(yīng)值隨著吸潮的進(jìn)行，先下降后上升；不易流動(dòng)水響應(yīng)值先上升后下降，自由水響應(yīng)值呈上升。而結(jié)合水和不易流動(dòng)水的橫向弛豫峰面積增大，自由水峰面積幾乎不變，這說(shuō)明吸濕期間不易流動(dòng)水和結(jié)合水含量增加，自由水含量幾乎不變。其中不易流動(dòng)水所占比例最大，自由水含量最少。由此發(fā)現(xiàn)，枸杞粉在吸濕過(guò)程中，水分遷移主要發(fā)生在結(jié)合水和不易流動(dòng)水之間，同時(shí)結(jié)合水內(nèi)部也在鄰近水和化合水之間相互轉(zhuǎn)化，自由水未發(fā)生明顯變化，可能是因?yàn)殍坭椒畚鼭襁^(guò)程中由于大分子物質(zhì)，諸如多糖、蛋白質(zhì)等在氧氣、水分及溫度的作用下發(fā)生酶促降解，使得環(huán)境水分子及小部分結(jié)合水向鄰近結(jié)合水結(jié)合和轉(zhuǎn)變。也同時(shí)證明了在吸濕15 d前，凍干方式所獲得的枸杞粉吸濕性更穩(wěn)定。