真空干燥不同预处理对红甜菜零食干燥动力学、生物活性及理化特性的影响

《Food Science & Nutrition》：Effects of Different Pretreatments With Vacuum Drying on Drying Kinetics, Bioactive Properties and Physicochemical Characterization of Red Beetroot Snacks

　　

由于现代饮食模式和日益增长的健康问题，从蔬菜来源开发营养更健康的零食的创新方法变得越来越重要。本研究旨在评估不同预处理（冷冻[FP]、红外[IP]、微波[MWP]和超声[USP]）对红甜菜零食真空干燥动力学、生物活性及理化特性的影响。微波预处理（MWP）将干燥时间显著缩短至290分钟。Sigmoid和Cubic方程是最佳描述的干燥模型。在MWP中，最高有效水分扩散系数（D_eff）为2.52×10^-8 m²/s。超声预处理（USP）提供了最高的甜菜碱含量（8503.22 mg/kg），而冷冻预处理（FP）则最低（3162.43 mg/kg）。鉴定出甜菜苷、异甜菜苷和甜菜黄素I作为甜菜碱化合物。MWP具有最高的总酚含量（6402.93 mg/kg），而最高的抗氧化活性（59.38%）在无预处理（NP）中发现。两种预处理后的干燥红甜菜质地更软。除NP和FP外，所有样品均呈现多孔结构。FP影响了样品的的热行为和官能团。结果表明，用于真空干燥的USP和MWP提供了更好的质量和理化特性。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
红甜菜（*Beta vulgaris* L.）富含甜菜碱、多酚、类黄酮、皂苷和类胡萝卜素等生物活性化合物，具有抗氧化、抗炎、降压、降脂、抗糖尿病、抗癌和抗病毒等多种生理益处。然而，新鲜甜菜因高水分含量、酶活性和微生物负荷而极易腐烂，货架期有限。干燥是一种有效的保藏技术，可降低水分含量、延长货架期、减少体积和重量，并改善储存和运输稳定性。但传统干燥过程可能导致热敏性生物活性化合物（如甜菜碱）的显著损失。因此，在加工过程中维持这些化合物的稳定性是关键挑战。真空干燥（VD）因低氧环境和相对较低的处理温度而受到关注，可更好地保留营养和结构特性，但其较长的干燥时间仍是局限。为克服此局限，研究人员在干燥前应用了微波、超声、红外和冷冻等预处理技术，以增强传质并改善产品质量。然而，关于不同预处理与真空干燥结合对甜菜零食干燥动力学及多结构质量属性的综合评价仍有限，尤其缺乏整合干燥行为、生物活性化合物保留、颜色、微观结构、复水、质地、热性质和官能团分析的研究。因此，本研究旨在评估不同预处理（微波、超声、红外和冷冻）与真空干燥结合对红甜菜零食干燥动力学和质量特性的影响，并对干燥样品的微观结构、质地、热性质和官能团进行全面表征。论文发表在《Food Science》。

**主要技术方法**
- 样本来源：新鲜红甜菜购自土耳其奥斯曼尼耶省卡迪尔利区，切片厚度3 mm，初始水分含量92.64%。
- 预处理方法：无预处理（NP）为对照；冷冻预处理（FP）在-18℃冷冻至少24小时；红外预处理（IP）在50℃、400 W下处理30分钟；微波预处理（MWP）在120 W下处理20分钟；超声预处理（USP）在360 W、40 kHz下处理10分钟（水介质）。
- 干燥工艺：真空干燥（50℃，绝对压力0.05 MPa），每30分钟记录数据，至样品质量恒定。
- 干燥动力学模型拟合：采用11种薄层干燥模型（如Sigmoid、Cubic、Page、Approximation of diffusion等），通过OriginPro 2019软件拟合，以决定系数（R2）、卡方（χ2）和均方根误差（RMSE）选择最佳模型。
- 有效水分扩散系数（D_eff）：基于Fick第二定律计算。
- 生物活性分析：甜菜碱含量通过分光光度法（480 nm和538 nm）测定，主要甜菜碱化合物（甜菜苷、异甜菜苷、甜菜黄素I）通过高效液相色谱（HPLC）鉴定；总酚含量（TPC）采用Folin-Ciocalteu法；抗氧化活性（AA）采用DPPH法。
- 理化分析：颜色（L*、a*、b*、ΔE、C*、h°）使用色差计；褐变指数（BI）在420 nm处测定；复水比（RR）在25℃水中浸泡60分钟间隔称重；水分活度（a_w）使用水分活度仪；质地（硬度）通过质构分析仪（TPA）测定；微观结构通过扫描电子显微镜（SEM）观察；官能团通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析；热行为通过差示扫描量热法（DSC）测定。

**研究结果**
**3.1 干燥**
微波预处理（MWP）显著缩短干燥时间至290分钟，总处理时间（预处理+干燥）为310分钟，相比无预处理（NP）的900分钟，干燥时间减少67.78%。红外预处理（IP）、冷冻预处理（FP）和超声预处理（USP）分别减少53.33%、43.33%和16.67%。干燥曲线显示水分比（MR）下降顺序为：MWP > IP > FP > USP > NP。最佳拟合模型：NP为Sigmoid（R2=0.9949），FP为Cubic（R2=0.9997），IP为Approximation of diffusion（R2=0.9903），MWP为Sigmoid（R2=0.9878），USP为Cubic（R2=0.9992）。有效水分扩散系数（D_eff）范围：NP最低（8.82×10^-9 m2/s），MWP最高（2.52×10^-8 m2/s），且所有预处理均高于NP，表明预处理提高了水分扩散率。

**3.2 生物活性化合物与抗氧化活性**
分光光度法测定：甜菜黄素含量1955.87–3517.12 mg/kg，甜菜红素1206.56–4986.09 mg/kg，总甜菜碱3162.43–8503.22 mg/kg。USP获得最高总甜菜碱（8503.22 mg/kg），其次为MWP（8356.77 mg/kg）；FP最低（3162.43 mg/kg）。HPLC鉴定出三种主要甜菜碱化合物：甜菜黄素I（2539.89–3678.18 mg/kg）、甜菜苷（308.27–4048.94 mg/kg）和异甜菜苷（194.22–1115.95 mg/kg）。USP在甜菜黄素I和甜菜苷含量上最高。总酚含量（TPC）范围4967.38–6402.93 mg/kg，MWP最高（6402.93 mg/kg），FP最低（4967.38 mg/kg）。抗氧化活性（DPPH）范围36.82%–59.38%，NP最高（59.38%），FP最低（36.82%）。NP的高抗氧化活性可能与中间氧化状态的多酚及美拉德反应产物有关，与其较高的褐变指数一致。

**3.3 颜色、复水比与水分活度**
颜色参数：L*值21.66–31.16，FP最高（31.16）；a*值6.37–41.18，USP最高（41.18），与高甜菜碱含量一致；b*值9.15–26.39，FP最高（26.39），显示黄色调。总色差（ΔE）13.41–26.52，MWP最低（13.41），FP最高（26.52）。色度C*值25.81–43.61，USP最高（43.61），饱和度最高。色调角h°17.74°–76.40°，FP最高（76.40°），颜色偏黄；其余样品在17.74°–26.61°之间，呈红色。褐变指数（BI）0.23–0.55，USP最低（0.23），NP最高（0.43）。复水比（RR）4.09–6.18 g/g，USP最高（6.18），NP最低（4.09），所有预处理均提高RR。水分活度（a_w）0.308–0.338，均低于0.4，USP最低（0.308）。

**3.4 硬度**
硬度值3.96–38.06 N，NP最高（38.06 N），IP最低（3.96 N）。所有预处理均降低硬度，与SEM显示的孔结构相关。

**3.5 微观结构（SEM）**
NP呈结构塌陷、薄孔结构、细胞边界不可见。IP和MWP因红外和微波快速加热产生大孔，细胞壁扩大。USP形成开放多孔结构，孔壁排列整齐。FP导致组织收缩和塌陷，细胞结构严重破坏，细胞间隙扩大。

**3.6 ATR-FTIR**
所有样品显示相似官能团，峰强度差异源于预处理和干燥引起的水分损失。峰位：3274–3321 cm?1（O-H伸缩），2933–2988 cm?1（C-H伸缩，FP峰强度最高），1590–1614 cm?1（酰胺I带，N-H弯曲和C=O伸缩，证实甜菜碱存在），1399–1412 cm?1（芳香C-C伸缩），1344–1346 cm?1（O-H和C-H），1107–1236 cm?1（C-O伸缩），1039–1045 cm?1（碳水化合物醚键），987–990 cm?1（C=C伸缩），864–925 cm?1（C-OH伸缩，FP在864 cm?1峰消失）。

**3.7 差示扫描量热法（DSC）**
除FP外，所有样品显示两个吸热峰。第一峰（Tp1）75.35–98.99℃，对应自由水分释放和化合物分解；第二峰（Tp2）170.38–182.50℃，对应化合物熔点和结合水去除。FP仅出现一个宽峰（111.92℃），表明其结构变化和超分子结构形成。焓变（ΔH）受预处理影响，IP降低ΔH，FP增加ΔH。

**结论讨论**
研究表明，预处理显著影响真空干燥红甜菜片的干燥动力学、理化特性和质量属性。MWP通过加速水分去除和缩短干燥时间提供了最高干燥效率；USP在保留甜菜碱和酚类化合物方面更有效。预处理还改善了颜色特性、复水比，降低了水分活度和硬度，促进了多孔微观结构的形成，且未显著改变样品官能团。甜菜碱化合物成功鉴定和定量，证实了预处理辅助真空干燥用于生产高质量甜菜产品的潜力。总体而言，微波和超声预处理在制备高质量甜菜零食方面表现最佳。然而，本研究的未评估感官属性和消费者接受度，未来研究应包含全面的感官和消费者接受度评估，并采用先进色谱技术进一步阐明干燥过程中发生的成分变化。