热风分段干燥技术对花生荚果干燥特性、微观结构、水分迁移、营养品质及风味品质影响的比较研究

《Food Chemistry: X》：Comparison of different hot air segmented drying techniques for peanut pods: changes in drying characteristics, microstructure, moisture migration, nutritional quality and flavor quality

　　

中文翻译： 比较不同热风分段干燥技术对花生荚果的影响：干燥特性、微观结构、水分迁移、营养品质及风味品质的变化 热风分段干燥（HASD）具有独特的干燥机制转换点，可提高后期干燥速率，在花生加工中优于热风干燥和自然干燥。HASD表现出良好的品质性能：热风-红外分段干燥（HAD-IRD）提供最佳的营养品质，被选为高品质花生荚果干燥的最优方法，而热风-射频分段干燥（HAD-RFD）加速了内外水分的迁移，却导致结构损伤和异味产生。该技术在花生加工中展现出良好的应用前景。 作为典型的果皮-籽仁双层农产品，花生荚果具有致密的外壳，构成传热传质的显著屏障，其干燥特性与单粒谷物作物存在很大差异。新鲜收获的花生荚果含水量约为45%，因呼吸作用旺盛而易发热、霉变及黄曲霉毒素污染。在全球范围内，因干燥不及时导致的花生荚果产量损失每年约占花生荚果总产量的10%，经济损失超过100亿美元。干燥可促进及时降湿，抑制微生物生长，延长贮藏期。此外，干燥是后续加工和运输的前提条件。干燥在花生产业中通过减少霉菌污染和采后损失发挥着关键作用，对保障粮食安全、奠定花生产业链稳定可持续发展基础具有重要意义。 目前，花生荚果最常见的干燥方法是自然干燥（ND）和热风干燥（HAD）。此外，已开发并应用了多种干燥技术，包括热泵干燥（HPD）、红外干燥（IRD）、射频干燥（RFD）和微波干燥（MWD）。自然干燥受气象条件限制，干燥时间长、劳动强度大、效率低。热风干燥设备配置简单、操作方便，但干燥过程中物料内部水分迁移方向与热传递方向相反，导致干燥效率低和营养成分损失。热泵干燥温和可控，可防止热敏材料的高温损伤，但设备复杂且初始投资大。红外干燥传热效率高、升温快、能耗低，但干燥物料的外观和品质一般。射频干燥穿透力强、加热高效均匀，能保持营养价值和外观，但可能产生边缘效应，导致焦化和不良风味。微波干燥效率高、营养保留能力强，但易形成内外温度梯度，导致表面过热甚至开裂。总之，单一分段干燥技术无法平衡干燥效率、品质和成本。目前花生干燥研究主要集中在各种组合干燥技术，如射频-真空组合干燥、热风-微波组合干燥和热风-射频组合干燥。针对花生荚果分段干燥的系统研究仍有限。对农产品分段干燥技术的研究表明，热风-红外分段干燥促进了花生荚果内结合水和弱结合水的转化，同时去除自由水，缩短了干燥时间。射频-热风分段干燥可缩短枸杞干燥时间，同时更有效地保留总糖、总酚含量、黄酮含量和维生素C等营养成分。热泵-红外分段干燥减少了花生荚果总氨基酸和必需氨基酸的损失，同时保持了其优良的内部微观结构。微波-热风分段干燥增强了紫甘蓝的花青素含量和抗氧化能力，将其复水率提高至87.59%。热风-射频分段干燥增强了芒果中可溶性糖、维生素C和色泽的保留，获得与真空干燥相当的品质，同时显著降低成本。热风-真空分段干燥保留了磷虾的磷脂和虾青素含量，同时有效抑制虾青素异构化和不饱和脂肪酸氧化。尽管有这些发现，但很少有研究系统比较多种基于热风的花生荚果分段干燥方法。考虑到花生荚果的物理特性、干燥性能、营养保护和工业适用性，研究人员选择HPD、IRD和RFD与HAD结合。由于微波干燥和真空干燥在花生加工中的操作稳定性和生产成本方面的局限性，其他干燥技术如微波干燥和真空干燥被排除在外。 本研究旨在探讨HASD对花生荚果的优缺点。为此，研究了经不同干燥处理（包括ND、HAD、HAD-HPD、HAD-IRD和HAD-RFD）的花生荚果的干燥特性、微观结构、水分迁移、营养品质和风味特征。采用综合评分方法评估不同干燥技术，以确定花生荚果最优的HASD。与以往主要单独分析各品质指标的研究不同，综合评分方法通过主成分分析（PCA）将多个品质参数整合到统一评价体系中，实现对不同干燥处理的直观整体比较，从而凸显了本工作的创新性。本研究为花生荚果干燥的工业应用提供了新的见解。

论文解读文章

一、研究背景与意义

花生荚果作为典型的果皮-籽仁双层农产品，其致密外壳构成传热传质的显著屏障，导致其干燥特性与单粒谷物作物存在显著差异。新鲜收获的花生荚果含水量约为45%，因呼吸作用旺盛易发热、霉变及黄曲霉毒素污染。全球范围内，因干燥不及时造成的花生荚果产量损失每年约占总产量的10%，经济损失超过100亿美元。干燥可促进及时降湿、抑制微生物生长、延长贮藏期，是后续加工和运输的前提条件，在保障粮食安全和花生产业链可持续发展中发挥关键作用。

目前花生荚果的常见干燥方法包括自然干燥（ND）和热风干燥（HAD），此外还有热泵干燥（HPD）、红外干燥（IRD）、射频干燥（RFD）和微波干燥（MWD）等。然而，自然干燥受气象条件限制，干燥时间长、劳动强度大、效率低；热风干燥存在水分迁移方向与热传递方向相反的问题，导致干燥效率低和营养成分损失；热泵干燥设备复杂且初始投资大；红外干燥干燥物料的外观和品质一般；射频干燥可能产生边缘效应导致焦化和不良风味；微波干燥易形成内外温度梯度，导致表面过热甚至开裂。单一分段干燥技术无法平衡干燥效率、品质和成本。尽管已有多种组合干燥技术的研究，但针对花生荚果分段干燥的系统研究仍有限。考虑到花生荚果的物理特性、干燥性能、营养保护和工业适用性，本研究选择HPD、IRD和RFD与HAD结合，系统比较多种基于热风的花生荚果分段干燥方法。

二、研究内容与结论

本研究旨在探讨热风分段干燥（HASD）对花生荚果的优缺点，研究了经ND、HAD、HAD-HPD、HAD-IRD和HAD-RFD五种干燥处理的花生荚果的干燥特性、微观结构、水分迁移、营养品质和风味特征，并采用综合评分方法评估不同干燥技术以确定最优方案。

三、主要技术方法

研究人员采用薄层干燥法进行干燥实验，花生荚果单层放置于网盘上无重叠干燥。实验材料为2024年10月购自中国河南省商丘市当地农户的新鲜花生荚果（品种“花育25”），初始干基含水量为0.9428 g/g。通过单因素试验和响应面法（RSM）预实验确定最优干燥参数。干燥特性通过干基含水量和干燥速率计算评估；微观结构采用扫描电子显微镜（SEM）观察；水分迁移采用低场核磁共振（LF-NMR）成像系统获取T?反演谱和核磁共振成像图；营养品质测定参照中国国家标准（GB 5009系列）测定粗脂肪、脂肪酸组成、酸价、过氧化值、粗蛋白和氨基酸组成；风味特征采用顶空-气相色谱-离子迁移谱（HS-GC-IMS）检测挥发性有机化合物（VOCs），并计算相对气味活度值（ROAV）。统计分析采用Origin 9.0和SPSS 21.0，单因素方差分析结合Duncan多重比较检验，主成分分析（PCA）用于综合评价。

四、研究结果

干燥特性：HAD过程中，初始水分损失主要来自花生壳和花生仁表层，后期水分来源转向花生仁，水分分布方向与热传递方向相反，干燥速率快速下降。HASD在转换点改变干燥方法，干燥速率在该点增加，标志着干燥机制的转换点。IRD中电磁波频率可能与花生荚果分子频率共振产生热量；RFD中高频电磁场诱导水分子快速振动通过介电加热直接加热花生荚果内部；HPD采用对流换热可加速干燥速率。HASD显著提高了干燥速率。

微观结构：新鲜花生仁的多孔网络结构饱满规则，孔径大。干燥后花生仁微观结构保留程度排序为：ND > HAD-HPD > HAD > HAD-IRD > HAD-RFD。HAD-HPD后期热泵干燥温和稳定，表面水分蒸发速率与内部水分迁移速率接近，有效减少细胞壁损伤。HAD-IRD和HAD-RFD后期依赖电磁波产热，加速花生仁孔隙收缩和细胞壁塑性变形，其中射频波穿透力更强，导致显著孔隙卷曲和致密化，破坏毛细管结构。

水分迁移：新鲜花生仁含水量高且分布均匀。HAD过程中对流换热优先去除表面水分蒸发，内部水分迁移滞后，形成外干内湿的梯度水分分布。HAD-IRD和HAD-RFD依赖辐射传热，花生仁内外层水分同步减少，干燥终点时仁中心含水量低于HAD-HPD。与新鲜花生仁相比，干燥后花生仁弛豫峰左移，表明自由水含量减少。HAD-RFD后期高强度射频波严重破坏花生仁微观结构，削弱结合水与大分子间的结合力，使水分更易流失，自由水比例最低。

营养品质：与HAD相比，HASD提高了干燥花生仁粗脂肪含量的保留。HAD花生仁粗脂肪含量最低，因长时间高温增强脂肪氧化酶活性加速脂肪氧化分解。HAD-RFD后期射频阶段易导致花生仁局部过热加速脂肪氧化，粗脂肪含量仅略高于HAD。IRD通过快速加热灭活多酚氧化酶和脂肪氧化酶，有效抑制酶催化氧化反应，HAD-IRD粗脂肪含量显著高于HAD。HAD-IRD的不饱和脂肪酸相对比例较高，IRD有效保留了花生荚果内抗氧化活性成分，减轻碳-碳双键的氧化损伤。HASD显著降低了花生油的酸价和过氧化值，尤其HAD-IRD增强了油脂氧化稳定性。粗蛋白含量方面，与ND相比，HAD和HAD-RFD组分别增加1.03%和1.45%，HAD-HPD和HAD-IRD组无显著差异。与ND相比，HAD和HASD花生仁氨基酸含量均降低，HAD-IRD有效缩短干燥时间，同时增强干燥均匀性，防止局部过热引起的过度美拉德反应，氨基酸含量最高。

风味品质：不同干燥方法花生仁的VOCs种类相似，但相对含量差异显著。HASD花生仁的信号峰强度显著高于ND和HAD，HAD-RFD差异最明显。VOC总峰高排序为：HAD-RFD > HAD-HPD > HAD > ND > HAD-IRD。醇类含量最高约占34%，醛类约24%，酮类21%。共检测到57种VOCs，其中48种被鉴定，包括17种醛类、13种醇类、8种酮类、5种酯类、4种杂环化合物和1种酸。醛类是花生仁中最丰富的VOCs。ND特征VOCs种类最多共16种以醛类为主，HAD-RFD有14种，HAD-HPD有11种主要为醇类，HAD和HAD-IRD各检出2种。HASD导致醛类含量显著降低，醛类主要转化为酮类，HAD-HPD和HAD-IRD中部分醛类转化为醇类。HAD-RFD干燥条件最剧烈，醛类转化程度最高。HASD显著降低(E)-2-丁烯醛含量，减少率分别为75%（HAD-HPD）、63%（HAD-IRD）和88%（HAD-RFD）。(E)-2-丁烯醛氧化形成丙酮、乙酸、1-丙醇、乙酸甲酯、1-羟基-2-丙酮和丙醛等小分子VOCs。丙酮是干燥花生仁中最丰富的VOC，HAD-RFD中较ND增加78%。射频波波长更长穿透更深，使反应更彻底，且RFD易导致花生仁边缘焦化。

五、讨论与结论

HASD通过分段干燥技术结合不同干燥方法的优势，在转换点改变干燥机制，显著提高后期干燥速率。HAD-HPD温和稳定，较好保留微观结构和营养成分；HAD-IRD通过红外快速加热灭活氧化酶类，保留抗氧化活性成分，获得最佳营养品质，包括最高粗脂肪含量、最低酸价和过氧化值、最高氨基酸含量；HAD-RFD加速内外水分迁移，缩短干燥时间，但射频波对微观结构造成严重损伤，导致自由水比例最低、脂肪氧化加速和异味产生。综合评分结果表明，HAD-IRD是高品质花生荚果干燥的最优方法。该研究为花生荚果干燥的工业应用提供了新的见解，HASD技术在花生加工中展现出良好的应用前景。