基于响应面法优化韭葱泡沫垫干燥工艺及其理化与抗氧化特性研究

《Scientific Reports》：Optimization and physicochemical & antioxidant properties of leek (Allium porrum L.) dried by foam-mat drying

为解决韭葱(Allium porrum L.)传统干燥方法易导致营养损失、风味劣变及干燥效率低的问题，研究人员开展了泡沫垫干燥(Foam-mat Drying)技术研究。通过响应面法(RSM)优化了发泡剂与稳定剂配比，确定了最佳配方为1.50%羧甲基纤维素(CMC)、14.37%麦芽糊精和8.93%蛋清。研究结果表明，该工艺能有效保留韭葱中的总酚(TPC)和总黄酮(TFC)含量，并显著提升其抗氧化活性(ABTS, DPPH, FRAP)。50°C热风干燥样品在挥发性成分和粉末品质方面表现最佳，为韭葱高值化加工提供了新策略。

　　

韭葱(Allium porrum L.)，作为葱属家族的重要成员，不仅是一种广受欢迎的蔬菜，更因其富含有机酸、酚类化合物、碳水化合物、氨基酸以及有机硫化合物(OSB)等生物活性物质，而被视为一种具有药用价值的植物。然而，新鲜韭葱水分含量高，采后极易腐烂变质，给贮藏和运输带来了巨大挑战。因此，干燥成为延长韭葱货架期、实现其高值化利用的关键技术。

传统的热风干燥虽然成本较低，但往往伴随着长时间的高温处理，容易导致韭葱中的热敏性成分（如酚类、黄酮类化合物）大量损失，同时还会引发非酶褐变反应，影响产品的色泽和风味。而冷冻干燥虽然能较好地保留营养成分，但其高昂的设备投资和运行成本限制了其在工业生产中的大规模应用。因此，开发一种既能高效干燥、又能最大限度保留韭葱营养与风味的创新干燥技术，成为食品工业亟待解决的问题。

泡沫垫干燥(Foam-mat Drying)技术作为一种新兴的干燥方法，为解决这一难题提供了新思路。该技术通过将液态或半液态物料与发泡剂和稳定剂混合，形成稳定的泡沫结构，从而极大地增加了物料的表面积，显著缩短了干燥时间，并有助于保护热敏性成分。目前，该技术已成功应用于香蕉、木瓜、番石榴、苹果汁等多种果蔬产品的干燥，但在韭葱加工领域的研究尚属空白。

为了填补这一研究空白，Yasemin Yikilkan、Hojjat Pashazadeh、Sarhan Mohammed和Ilkay Koca等研究人员在《Scientific Reports》上发表了一项题为“Optimization and physicochemical& antioxidant properties of leek(Allium porrum L.) dried by foam-mat drying”的研究。该研究旨在开发一种适用于韭葱的泡沫垫干燥工艺，并系统评估不同干燥条件对韭葱粉末理化性质、抗氧化活性及挥发性成分的影响，为韭葱的深加工和功能性食品开发提供理论依据和技术支持。

关键技术方法

本研究采用响应面法(RSM)和中心复合设计(CCD)模型，以蛋清、麦芽糊精和羧甲基纤维素(CMC)为变量，优化了韭葱浆的发泡配方，旨在获得高泡沫稳定性、高膨胀率和低密度的泡沫。优化后的泡沫分别在50°C和70°C下进行热风干燥，并与冷冻干燥样品进行对比。研究团队对新鲜韭葱浆及三种干燥粉末进行了全面的分析，包括干燥动力学模型拟合、颜色参数(L, a, b*)、干物质含量、pH值、堆积密度与振实密度、溶解度、总酚含量(TPC)、总黄酮含量(TFC)、抗氧化活性(ABTS, DPPH, FRAP法)、挥发性成分(GC-MS分析)以及微观结构(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征。

研究结果

1. 泡沫配方优化与干燥动力学

研究首先通过响应面法对发泡剂和稳定剂的配比进行了优化。结果表明，蛋清、麦芽糊精和CMC的添加量对泡沫的密度、膨胀率和稳定性均有显著影响。最终确定的最佳配方为：蛋清8.93%、麦芽糊精14.37%、CMC 1.50%。在此条件下，预测的泡沫密度为0.41 g/cm³，膨胀率为81.51%，稳定性为100%。验证实验结果显示，实际泡沫密度为0.41±0.03 g/cm³，膨胀率为145.95±11.09%，稳定性为95.32±0.95%，与模型预测值高度吻合，证明了响应面法在优化泡沫垫干燥工艺中的有效性。

在干燥动力学研究中，研究人员比较了13种不同的干燥模型。结果显示，Midilli模型对50°C和70°C热风干燥过程的拟合度最高，其决定系数(R²)分别达到了0.998793和0.999493，表明该模型能够准确描述韭葱泡沫垫的干燥过程。

2. 干燥粉末的理化性质

不同干燥方法对韭葱粉末的理化性质产生了显著影响。在颜色方面，冷冻干燥样品保持了最高的亮度(L值为89.64)，而热风干燥样品的红度(a值)和黄度(b*值)均显著增加，且随着干燥温度的升高而加剧，这主要归因于高温下美拉德反应和焦糖化反应的加剧。在干物质含量方面，冷冻干燥样品最高(94.46%)，而50°C和70°C热风干燥样品分别为91.96%和92.48%。在粉末的物理特性方面，冷冻干燥粉末具有最低的堆积密度和振实密度，而70°C热风干燥粉末的密度最高。在溶解度方面，冷冻干燥粉末的溶解度最高(90.36%)，而50°C热风干燥粉末的溶解度最低(78.65%)。

3. 生物活性成分与抗氧化活性

生物活性成分的分析结果显示，不同干燥方法对韭葱粉末的总酚含量(TPC)和总黄酮含量(TFC)影响不大，各样品间无显著差异。然而，抗氧化活性却表现出明显的差异。在ABTS自由基清除能力方面，70°C热风干燥样品表现出最高的活性(16.18 mmol/g)，显著高于冷冻干燥样品(13.83 mmol/g)和50°C热风干燥样品(8.58 mmol/g)。在DPPH自由基清除能力方面，也呈现出类似的趋势，70°C热风干燥样品活性最高(4.56 mmol/g)，其次是50°C热风干燥样品(3.43 mmol/g)，冷冻干燥样品最低(1.91 mmol/g)。在FRAP法测定中，70°C热风干燥样品同样表现出最高的铁离子还原能力(1.32 mmol/g)，而50°C热风干燥样品最低(1.04 mmol/g)。这些结果表明，虽然高温干燥可能导致部分热敏性成分的损失，但同时也可能促进了美拉德反应产物的生成，这些产物本身也具有一定的抗氧化活性，从而在一定程度上补偿了热敏性成分的损失。

4. 挥发性成分分析

气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析揭示了不同干燥方法对韭葱粉末挥发性成分的显著影响。在50°C、70°C热风干燥和冷冻干燥样品中，分别鉴定出55、50和70种挥发性化合物。研究发现，随着干燥温度的升高，样品中醛类化合物的种类和含量发生变化，并检测到2,4-二甲基呋喃、2-糠醛等由美拉德反应和焦糖化反应生成的化合物。此外，韭葱中特征性的含硫化合物，如二丙基三硫化物和二丙基二硫化物，在冷冻干燥样品中得到了较好的保留，而在热风干燥样品中，其含量随温度升高而降低，同时反式-丙烯基丙基二硫化物的含量增加。这表明高温干燥不仅会损失部分挥发性风味物质，还会导致风味成分的转化，从而改变产品的风味特征。

5. 粉末的表征

扫描电子显微镜(SEM)观察显示，70°C热风干燥的粉末具有更均匀的形态结构，且随着温度的升高，粉末的孔隙率降低。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明，所有样品在3600-3000 cm^-1处均出现了一个宽峰，这归因于水分子、酚类化合物、碳水化合物和有机酸中羟基(-OH)的伸缩振动，同时也表明了未结合氨基酸中N-H的伸缩振动。在1300-1700 cm^-1范围内的几个峰与蛋白质的存在相关，证实了作为发泡剂的蛋清蛋白在粉末中的存在。

结论与讨论

本研究成功开发了一种适用于韭葱的泡沫垫干燥工艺，并通过响应面法优化了发泡剂和稳定剂的配比。研究结果表明，泡沫垫干燥技术能够有效应用于韭葱的干燥加工，且干燥温度对最终产品的品质具有决定性影响。

在干燥动力学方面，Midilli模型被确定为描述韭葱泡沫垫干燥过程的最佳模型，这为未来该工艺的放大和工业化应用提供了重要的数学依据。

在品质评价方面，研究揭示了干燥温度与产品品质之间的复杂关系。虽然冷冻干燥在保留产品色泽和部分挥发性风味物质方面具有优势，但70°C热风干燥却意外地赋予了产品更高的抗氧化活性。这提示我们，在选择干燥工艺时，需要根据产品的最终用途（如作为营养补充剂还是风味增强剂）进行权衡。对于追求高抗氧化活性的功能性食品配料，70°C热风干燥可能是一个更具成本效益的选择；而对于追求天然风味和色泽的食品应用，50°C热风干燥或冷冻干燥则更为合适。

综上所述，本研究不仅为韭葱的深加工提供了一种高效、可行的新方法，还深入揭示了不同干燥条件对产品品质的影响机制，为食品工业开发高品质韭葱粉末产品提供了重要的理论指导和技术支持。