强制气流太阳能干燥与沼气辅助混合太阳能干燥对脱水安第斯浆果整体品质的影响

《Foods》：Effect of Forced-Air Solar Drying and Biogas-Assisted Hybrid Solar Drying on the Overall Quality of Dehydrated Andean Berries

　　

本研究评估了强制气流太阳能干燥（forced-air solar drying, DCFA）与沼气辅助混合太阳能干燥（biogas-assisted hybrid solar drying, DCFA-BG）对脱水安第斯浆果整体品质的影响。研究人员分析了蓝莓（Vaccinium corymbosum）和灯笼果（Physalis peruviana）在采用DCFA和DCFA-BG两种系统脱水前后的变化。测定了理化性质、仪器色泽、质地、复水指数、总酚含量（total phenolic content, TPC）、总黄酮含量（total flavonoid content, TFC）以及抗氧化能力（antioxidant capacity）。干燥处理显著降低了两种果实的水分含量（moisture content）和水活度（water activity, aw）。在蓝莓中，DCFA-BG实现了最低的水分含量（22.00%）和水活度（0.65），而灯笼果在两种系统下最终水分含量相近，但在DCFA-BG处理下水活度更低（0.64）。干燥后总可溶性固形物（total soluble solids, TSS）和可滴定酸度（titratable acidity）增加，表明溶质发生了浓缩。灯笼果的颜色变化更为显著，而蓝莓的色度变化相对适中。蓝莓在干燥后果实硬度增加，而灯笼果则表现出依赖于处理的质地响应。蓝莓显示出更好的生物活性物质保留能力，干燥后抗氧化能力增强，而灯笼果的总酚、总黄酮含量及抗氧化能力均大幅下降。总体而言，沼气辅助混合太阳能干燥有效降低了水分含量和水活度，但其对产品品质的影响取决于果实基质。这些发现支持其作为高安第斯农村农工业环境中易腐水果加工的可持续替代方案的潜在应用价值。

一、研究背景与研究目的

浆果类水果因其富含酚类、黄酮类、花青素、维生素和矿物质等生物活性化合物而被高度评价，这些成分赋予了它们抗氧化能力和潜在的健康促进作用。其中，蓝莓（Vaccinium corymbosum）以其高含量的花青素和酚类物质著称，而灯笼果（Physalis peruviana）则因富含维生素C、类胡萝卜素和黄酮类化合物而备受重视。然而，这类水果含水量极高（如蓝莓含水量接近86%），导致其在储存和商业化过程中极易腐烂变质，造成严重的采后损失。脱水技术是延长此类高易腐水果货架期的有效手段，通过降低水分含量来抑制微生物生长和不良生化反应。然而，脱水产品的最终品质严重依赖于所采用的干燥方法、温度、气流和时间等因素。虽然太阳能干燥是一种可持续的替代方案，尤其适用于太阳辐射充足的农村地区，但它受限于太阳辐射波动、环境温度和湿度变化等自然条件。为解决这一问题，沼气辅助混合太阳能干燥系统应运而生，它利用沼气作为辅助热源，旨在维持更稳定的热力条件。尽管已有研究评估了不同干燥方法对水果脱水的影响，但关于强制气流太阳能干燥与沼气辅助混合太阳能干燥在安第斯浆果上的比较研究十分有限。因此，本研究旨在评估这两种干燥系统对脱水蓝莓和灯笼果整体品质的影响，为选择既能有效降低水分又能最大限度保持理化、生物活性和质地特性的干燥技术提供科学依据。

二、关键技术方法概述

研究人员在秘鲁亚马孙大区的查查波亚斯市开展实验，使用了两个结构相似的太阳能干燥系统：强制气流太阳能干燥器（DCFA）和沼气辅助强制气流混合太阳能干燥器（DCFA-BG）。两个系统均由平板太阳能集热器、脱水室和内部托盘组成。DCFA系统依靠光伏驱动的轴向排风扇实现强制空气循环；DCFA-BG系统则在DCFA基础上增加了沼气燃烧作为辅助热源。实验采用完全随机设计，包含2个水果种类（蓝莓和灯笼果）和3个处理条件（新鲜未脱水果实FSD、DCFA干燥、DCFA-BG干燥）。研究人员对每种处理进行了三次重复的理化性质、生物活性物质、质地和复水性分析。

三、研究结果

3.1 干燥过程中的热力条件

DCFA系统完全依赖太阳能，而DCFA-BG系统由于沼气的辅助供热，尤其是在太阳辐射不足的时段，能够维持更稳定的热力状态。这种差异被用于解释后续各项品质指标的变化。

3.2 pH值、可滴定酸度和总可溶性固形物

两种干燥系统均改变了果实的化学特性，但变化幅度取决于水果种类和干燥系统。蓝莓在DCFA处理后pH值从3.50降至3.00，而DCFA-BG处理后升至3.70。灯笼果在DCFA处理后pH值不变（3.88），但在DCFA-BG处理后升至4.15。两种果实的可滴定酸度在干燥后均显著增加，这主要归因于水分去除导致的有机酸浓缩。总可溶性固形物（TSS）在干燥后也大幅上升，反映了糖类和有机酸的浓缩效应。

3.3 水分含量和水活度

两种干燥系统均显著降低了果实的水分含量和水活度（a_w）。对于蓝莓，DCFA-BG系统展现出更强的脱水效率，将水分含量降至22.00%，水活度降至0.65，均低于DCFA处理组（36.74%和0.73）。对于灯笼果，两种系统达到了相近的最终水分含量（约25%），但DCFA-BG处理获得了更低的水活度（0.64）。结果表明，DCFA-BG系统在提高产品稳定性方面具有优势，特别是对于蓝莓。

3.4 颜色

干燥处理改变了两种果实的仪器色泽参数。蓝莓的亮度（L）在DCFA处理后略有下降，但在DCFA-BG处理后与新鲜样品相似。红绿坐标（a）增加，黄蓝坐标（b）由负变正，表明蓝色特征减弱并向暖色调转变。灯笼果的颜色变化更为剧烈，亮度（L）和黄蓝坐标（b*）大幅下降，表明果实明显变暗并失去了其特征性的亮黄色。总色差（ΔE）计算显示，灯笼果的色差值远高于蓝莓，证实其对干燥引起的颜色变化更为敏感。

3.5 质地剖面和复水指数

干燥后，两种果实的硬度均增加。蓝莓的硬度从新鲜时的2.89 N增至DCFA处理后的10.14 N和DCFA-BG处理后的10.89 N，两种系统效果相似。灯笼果的硬度在DCFA处理后达到9.02 N，而在DCFA-BG处理后仅为6.89 N，表明后者产生的产品结构较不坚硬。复水指数方面，蓝莓在DCFA处理后更高（2.17），而灯笼果在DCFA-BG处理后略高（2.13），表明复水能力依赖于果实基质和干燥条件造成的组织损伤程度。

3.6 生物活性特性和抗氧化能力

两种果实在干燥后对生物活性物质的保留表现出截然不同的趋势。蓝莓的总酚含量（TPC）从新鲜时的152.00 mg GAE/g降至DCFA处理后的142.00 mg GAE/g和DCFA-BG处理后的128.20 mg GAE/g。总黄酮含量（TFC）在各处理间无显著差异。值得注意的是，蓝莓的抗氧化能力（DPPH法）在干燥后反而增加，从39.18 μmol TE/g升至DCFA处理的66.00 μmol TE/g和DCFA-BG处理的63.13 μmol TE/g，这可能与抗氧化化合物的浓缩效应和提取率改善有关。与之相反，灯笼果的TPC、TFC和抗氧化能力在干燥后均大幅下降，表明其生物活性基质对热处理极为敏感。例如，其抗氧化能力从94.05 μmol TE/g骤降至DCFA处理的2.93 μmol TE/g和DCFA-BG处理的8.26 μmol TE/g。

四、讨论与结论

本研究表明，强制气流太阳能干燥和沼气辅助混合太阳能干燥均能有效降低安第斯浆果的水分含量和水活度，从而提升产品稳定性。DCFA-BG系统在降低水活度方面表现最佳，尤其在蓝莓中取得了最低的最终水分含量和水活度值。脱水过程导致了可滴定酸度、总可溶性固形物和硬度的增加，但也引起了明显的颜色变化，灯笼果对此尤为敏感。在生物活性方面，蓝莓展现出较好的功能性稳定性，保持了黄酮含量并提升了抗氧化能力；而灯笼果则表现出高度的热敏感性，其酚类、黄酮类和抗氧化能力均遭受严重损失。沼气辅助混合太阳能干燥作为一种可持续的加工技术，在提升脱水安第斯浆果稳定性方面具有潜力，但其应用需根据具体的水果基质进行优化，以平衡水分降低、色泽保存、生物活性物质保留和质地特性之间的关系。该研究为根据果实特性优化太阳能干燥系统提供了科学证据，并为在高安第斯农村地区推广基于可再生能源的可持续采后加工技术奠定了基础。