红外联合热泵干燥技术生产水果营养零食：干燥动力学及酚类物质体外生物可及性与抗氧化活性研究

本刊推荐：本研究创新性地采用红外辅助热泵干燥（IR-HPD）技术开发无添加糖盐的水果基营养零食，证实该技术可显著缩短干燥时间（最高减少136分钟）并降低能耗（达42.91%），同时有效提升酚类物质（TPC）和抗氧化能力（TAC）的体外生物可及性，为功能性食品开发提供了节能增效的新型干燥解决方案。

　　

1. 引言

高度加工的零食通常含有大量糖、盐和脂肪，营养价值较低。本研究旨在开发以椰枣为主料，辅以香蕉、杏泥、花生和果胶的水果基营养零食，采用红外辅助热泵干燥（IR-HPD）技术替代传统干燥方法。椰枣富含膳食纤维（5%-10%）和植物化学物质（类胡萝卜素、多酚、单宁等），香蕉提供多种维生素和矿物质，杏泥富含维生素A、C、E和酚类物质，花生含有白藜芦醇、酚酸、黄酮类等功能成分。IR-HPD系统结合了热泵干燥（HPD）的节能优势和红外（IR）干燥的均匀加热特性，既能降低能量消耗，又能避免产品焦化，为热敏性营养成分的保留提供了创新解决方案。

2. 材料与方法

2.1. 材料与配方

零食配方包含椰枣（35%）、香蕉（25%）、杏泥（25%）、去皮花生（14.5%）和苹果果胶（0.5%）。椰枣经热水浸泡去皮去核后，与其余成分均质混合，经95°C加热处理10分钟。

2.2. 干燥方法

2.2.1. IR-HPD干燥过程

采用闭式循环干燥系统，设置两种温度（35°C和45°C）和两种IR功率（75W和150W），以1m/s风速进行干燥。对照组为相同温度下无IR辅助的HPD干燥。初始水分含量60.54%的浆料被成型为20×15×0.15cm的薄层，干燥至最终水分含量7.93%。

2.2.2. 薄层干燥建模

采用10种常用薄层干燥模型对干燥动力学进行拟合，以决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）和卡方（χ²）值为评价指标。水分比（MR）计算公式为MR = (M_t - M_e)/(M_i - M_e)，干燥速率（DR）通过水分含量对时间曲线的导数求得。

2.2.3. 有效水分扩散系数（D_eff）

基于Fick第二定律计算D_eff，假设水分转移仅通过扩散进行且产品无收缩。对于无限平板材料，简化公式为MR = (8/π²)exp(-π²D_efft/4L²)，通过lnMR与干燥时间的关系曲线求得D_eff。

2.3. 分析方法

2.3.1. 提取物制备

采用75%甲醇水溶液（含0.1%甲酸）对未消化（Ud）样品进行超声辅助提取，离心收集上清液，-20°C保存待测。

2.3.2. TPC和TAC测定

TPC采用Folin-Ciocalteu法测定，结果以mg没食子酸当量（GAE）/100g干重（dw）表示。TAC采用DPPH和FRAP法测定，结果以μmol Trolox当量（TE）/g dw表示。

2.3.3. 体外胃肠道消化

参照Minekus等方法模拟胃消化（Igd）和肠消化（Isid）过程。胃消化阶段使用模拟胃液和猪胃蛋白酶（25,000U/mL），肠消化阶段使用模拟肠液、胰蛋白酶（800U/mL）和胆汁溶液（160mM），分别于37°C振荡水浴中反应2小时。

2.3.4. 感官分析

由7名受过培训的评审员对产品的颜色、咀嚼性、粘着性、硬度、气味、味道和总体可接受性进行5点制评分。

2.3.5. 统计分析

采用IBM SPSS Statistics 23进行方差分析和Duncan多重比较检验，显著性水平设为5%。

3. 结果与讨论

3.1. 干燥动力学

IR-HPD显著缩短干燥时间，45°C/150W条件下相比35°C无IR对照组节省136分钟。IR应用使35°C下的干燥速率提高22.05%-42.64%，45°C下提高11.30%-22.60%。能量消耗最高降低42.91%（45°C/150W对35°C无IR）。干燥速率曲线显示无恒速期，符合薄层材料特性。

3.2. 干燥模型拟合

在10种模型中，Page模型和Wang & Singh模型拟合度最佳，R²值范围0.9321-0.9996，RMSE值0.005563-0.07882，χ²值0.000040-0.449812。

3.3. 有效水分扩散系数

D_eff值范围1.88×10^?10至3.38×10^?10 m²s^?1，处于生物材料典型范围（10^?12-10^?8 m²s^?1）内。IR应用使35°C下的D_eff提高41.49%，45°C下提高7.99%。温度从35°C升至45°C使无IR样品的D_eff增加66.49%。

3.4. 酚类物质含量与生物可及性

未消化（Ud）样品TPC值范围162.88-207.75 mg GAE/100g dw。无IR条件下，温度升高增加TPC值；但IR-HPD样品中，温度升高对TPC产生负面影响。体外消化显著提升TPC值，肠消化后（Isid）样品TPC达682.98-721.45 mg GAE/100g dw，最高增幅75.86%（样品3）。表明消化过程释放了结合态酚类物质。

3.5. 抗氧化能力与生物可及性

Ud样品DPPH值11.29-17.09 μmol TE/g dw，FRAP值8.67-9.92 μmol TE/g dw。无IR样品中，温度升高使DPPH值增加42.65%；IR-HPD样品中，IR功率增加导致DPPH值降低23.71%。体外肠消化后DPPH和FRAP值显著提升，最高增幅452%（样品1），表明肠道环境促进了抗氧化物质的释放和转化。

3.6. 感官分析

高温高IR功率样品呈现深棕色，颜色评分较低。质地参数（咀嚼性、粘着性、硬度）无显著差异。35°C干燥样品在口味和总体可接受性方面更受青睐，其中样品1（35°C无IR）和样品2（35°C/75W IR-HPD）评分最高。

4. 结论

IR-HPD技术特别是45°C/150W条件显著优化干燥效率，降低能耗，同时保持产品的营养品质。Page和Wang & Singh模型能准确描述干燥动力学。干燥条件对酚类物质和抗氧化能力的影响呈现复杂性：无IR时升温增加TPC，IR-HPD时升温反而降低TPC。体外消化显著提升酚类物质和抗氧化能力的生物可及性，表明该零食在消化道中能有效释放生物活性成分。感官特性显示35°C干燥产品更易被接受。该研究为开发节能型功能性食品加工技术提供了重要依据，创新的水果基零食配方兼具营养价值和感官吸引力，适合各年龄层消费者。