**变温干燥对新疆无花果营养成分、抗氧化能力及风味（挥发性与非挥发性化合物）的影响：基于褐变度和能耗优化的两阶段工艺研究**

《Food Chemistry: X》：Effects of variable-temperature drying on nutritional components, antioxidant capacity, and flavor (volatile and non-volatile compounds) of Xinjiang figs

　　

摘要：无花果（*Ficus carica* L.）因其丰富的多酚、黄酮类化合物和膳食纤维等生物活性成分，在全球范围内备受推崇，具有显著的抗氧化、抗炎和健康促进功能。然而，无花果因含水率高、果皮薄、表皮保护组织发育不全而极易腐烂，冷链贮藏仅能维持7–10天，这一瓶颈严重制约了无花果产业的发展，超过90%的无花果以干制品形式流通。目前，工业生产中广泛采用恒温干燥（constant-temperature drying, CTD）制备无花果干，但完整无花果致密的果皮和天然蜡质层对水分扩散构成显著阻力，导致干燥周期延长，且持续高温易引发表面硬化（case-hardening），阻碍内部水分迁移，增加能耗，同时加剧酶促与非酶促褐变及热敏性营养物质的降解。相比之下，变温干燥（variable-temperature drying, VTD）作为一种动态温度调控技术，允许研究人员根据物料的水分迁移行为和品质演变特征进行阶段性温度调整。已有研究证实，VTD在保持红枣、山药和巴顿山核桃等水果的色泽、质构、复水性及风味方面优于CTD。然而，阶段性温度调控对无花果中营养成分相关化合物、抗氧化能力、可溶性糖、有机酸、游离氨基酸及挥发性风味谱图的综合演变的影响尚缺乏系统表征，特别是关于温度转换前后组成变化与最终挥发性风味谱图之间的统计学关联信息十分有限。因此，本研究旨在：（1）以褐变度（browning degree）和单位能耗（specific energy consumption, SEC）为工艺层面响应指标，优化两阶段VTD的初始温度、终止温度和装载密度（loading capacity）；（2）比较优化VTD与60 °C CTD条件下无花果的物理性质、营养物质保留率、抗氧化能力以及挥发性和非挥发性风味谱图；（3）探索不同干燥阶段非挥发性前体物与挥发性化合物之间的统计学关联。本研究的创新之处在于对新疆无花果在两阶段VTD过程中进行了阶段分辨和多维度的表征，而非对特定化学反应途径的直接验证。

**新疆无花果变温干燥工艺优化及品质特征的多维度研究**

**一、研究背景与科学问题**

无花果（*Ficus carica* L.）是全球范围内备受推崇的水果，因其富含多酚（polyphenols）、黄酮类化合物（flavonoids）和膳食纤维（dietary fiber）等生物活性成分，具有显著的抗氧化、抗炎和促进健康的功能。在中国，无花果栽培区域涵盖山东、新疆和江苏等地，其中新疆喀什凭借优越的光热资源和地理条件，已成为无花果的主产区。然而，无花果含水率高（鲜果湿基含水率约80%）、果皮薄、表皮保护组织发育不全，使其在冷链贮藏条件下仅能维持7–10天便发生品质劣变。贮藏性和运输距离的严重制约导致超过90%的无花果以干制品形式进入市场流通。

目前，工业生产中广泛采用恒温干燥（constant-temperature drying, CTD）制备无花果干。然而，完整无花果致密的果皮和天然蜡质层对水分扩散构成显著阻力，干燥周期长，内部水分难以有效排出。虽然切分预处理可增大蒸发面积，但持续高温易诱发"表面硬化"（case-hardening）现象——即表面快速脱水形成阻隔层，妨碍内部水分迁移，不仅增加能耗，还加剧酶促和非酶促褐变以及热敏性营养物质的降解。变温干燥（variable-temperature drying, VTD）作为一种动态温度调控技术，允许根据物料的水分迁移行为和品质演变特征进行阶段性温度调整。现有研究表明，VTD在保持红枣、山药和巴顿山核桃等物料的色泽、质构、复水性和风味方面优于CTD，但这些研究主要集中于干燥动力学、色泽、质构、能耗或部分挥发性化合物，关于阶段性温度调控对无花果中营养成分相关化合物、抗氧化能力、可溶性糖、有机酸、游离氨基酸及挥发性风味谱图的综合演变影响尚缺乏系统表征，尤其是温度转换前后组成变化与最终挥发性谱图之间的统计学关联信息十分有限。

针对上述空白，本研究设定了三个核心目标：（1）以褐变度（browning degree）和单位能耗（specific energy consumption, SEC）为工艺响应指标，优化两阶段VTD的初始温度、终止温度和装载密度（loading capacity）；（2）系统比较优化VTD与60 °C CTD条件下无花果的物理性质、营养物质保留率、抗氧化能力以及挥发性和非挥发性风味谱图；（3）探索不同干燥阶段非挥发性前体物与挥发性化合物之间的统计学关联。

**二、关键技术方法概述**

研究人员以新疆喀什产"早黄"无花果为试验材料，选取色泽、大小和形态均匀且无损伤、无腐烂的果实。通过五组独立的单因素实验分别评估预干燥温度（45–65 °C）、水分转换点（40%–80%湿基）、后干燥温度（70–90 °C）、风速（6–10 m/s）和装载量（0.50–3.50 g/dm²）对干燥性能的影响。随后采用三因素三水平Box–Behnken响应面设计，以预干燥温度（50、55、60 °C）、后干燥温度（75、80、85 °C）和装载量（2.00、2.75、3.50 g/dm²）为自变量，褐变度和SEC为响应变量，优化VTD工艺参数。样品先在预干燥温度下干燥至湿基含水率降至60%转换点，随后切换至后干燥温度直至含水率达到17%（湿基，符合GH/T 1364–2021国家标准）。以60 °C CTD为对照。分析手段包括色差仪测定表面色泽、质构仪测定质构特性、扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构、福林-酚法测定总酚含量、NaNO₂-AlCl₃法测定总黄酮含量、高效液相色谱（HPLC）测定抗坏血酸、DPPH/ABTS/FRAP三种方法评价抗氧化能力、离子色谱测定可溶性糖、超高效液相色谱-高分辨质谱（UPLC-HRMS）测定有机酸、氨基酸自动分析仪测定游离氨基酸、顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC-MS）结合电子鼻（E-nose）和电子舌（E-tongue）进行风味分析。所有实验均设三次生物学重复。

**三、主要研究结果**

**（一）干燥工艺优化与干燥特性**

经响应面优化，确定VTD最优参数为预干燥温度55 °C、后干燥温度80 °C、装载量2.73 g/dm²。验证实验显示，优化条件下的褐变度为0.44，SEC为4.17 kWh/kg（相当于每千克去除水分的能耗6.62 kWh/kg），模型预测相对误差均低于1%，表明参数组合可行且准确。与传统60 °C CTD相比，优化VTD工艺使褐变度降低22.8%、SEC降低20.4%。干燥特性分析表明，VTD较CTD缩短干燥时间44.8%，其原因可能是阶段性温度调控改变了干燥过程中的水分去除条件：VTD初期低温阶段使物料表面不易结壳，自由水持续蒸发；后期高温阶段提供更高的外部热通量，加速内部水分扩散，从而提高干燥速率。

**（二）物理性质与微观结构的影响**

表面色泽分析显示，CTD和VTD均显著影响无花果色泽参数。与CTD相比，VTD展现出更优的色泽保持能力，L^*和b^*值降幅分别减少6.76%和7.56%，总色差ΔE降低20.61%，这与VTD较短的干燥时间减少了累积氧化和色素降解有关。质构分析表明，VTD显著降低了无花果干的硬度（28.4%）、黏附性（67.5%）、胶黏性（11.5%）和咀嚼性（10.4%），而弹性和内聚性在两种干燥方式间无显著差异，表明VTD的动态温度调控优化了传热传质速率，有效缩短了热暴露时间，减轻了高温氧化和过度脱水导致的组织硬化。SEM观察显示，CTD终点样品呈现高度扁平化形态，组织结构致密且严重收缩；而VTD终点样品结构较为疏松光滑，细胞变形较少，细胞间隙保存较好，此结果与色泽和质构分析相互印证。

**（三）营养成分保留与抗氧化能力**

干燥过程中无花果的抗氧化物质含量和抗氧化能力均显著下降，整体抗氧化能力呈现FS > VTD > CTD的顺序。VTD处理无花果的总酚、总黄酮和抗坏血酸保留率分别较CTD高17.59%、27.78%和43.29%。总酚和总黄酮的含量下降与有氧和热条件下酚类化合物的降解氧化有关，而VTD较高的干燥效率缩短了与氧气的接触时间，减少了氧化降解。抗坏血酸在干燥过程中易被氧化为脱氢抗坏血酸，随后发生脱羧和环化反应而不可逆降解，VTD因其较短的干燥时间和较低的热积累量有效保留了抗坏血酸。DPPH、ABTS和FRAP三种抗氧化能力指标在干燥后均下降，但VTD对抗氧化活性的保持优于CTD。

**（四）非挥发性风味谱图的演变**

可溶性糖分析表明，鲜果总可溶性糖含量为782.17 g/kg DW（以干重计），葡萄糖和果糖为主要成分，分别占53.1%和45.2%。VTD中葡萄糖在后期显著下降，而果糖保持相对稳定，这一模式与葡萄糖可能参与美拉德型反应和糖降解反应有关，但还原糖动力学和途径特异性产物未被测定，因此不能得出葡萄糖通过特定风味形成途径优先消耗的结论。游离氨基酸方面，鲜果中共检出25种游离氨基酸，总量为21,801.51 μg/g DW，天冬酰胺、谷氨酰胺和脯氨酸含量最高。随着水分减少，总游离氨基酸含量逐渐降低，CTD终点样品的总游离氨基酸含量（16,286.56 μg/g DW）高于VTD终点样品（14,152.22 μg/g DW），这可能是因为VTD后期较高温度下游离氨基酸作为美拉德反应前体物被消耗。有机酸分析显示，鲜果中以柠檬酸（4835.52 μg/g DW）含量最高，其次是苹果酸（4778.60 μg/g DW）和奎尼酸（2439.25 μg/g DW）。随着水分散失，总有机酸含量逐步下降，VTD终点样品有机酸含量（6668.40 μg/g DW）高于CTD终点样品（6374.52 μg/g DW），这既与VTD较短的高温暴露时间减少了有机酸的累积热降解有关，也可能因为后期高温破坏了细胞区室化结构，释放了部分结合态有机酸。

**（五）挥发性风味谱图的演变**

HS-SPME-GC-MS分析共初步鉴定出32种化合物，包括10种醛类、4种酸类、6种醇类、8种酯类、3种萜类和1种其他化合物。所有化合物的半定量丰度之和在FS、VT-V、VT-E和CT-E中分别为6.08、8.31、39.78和7.01 μg/g DW（以4-甲基-2-戊醇当量计）。VT-E样品中挥发性化合物的总半定量丰度显著高于其他样品，主要由苯甲醛驱动（约占VT-E总丰度的68%），此外还检测到2-苯乙醛和糠醛，这两种物质在FS和CT-E中均未检出。VT-E中苯甲醛、2-苯乙醛和糠醛的出现与最终80 °C阶段可能发生的美拉德型反应、Strecker相关反应和糖降解反应所伴随的组成变化一致，但这些途径仍属推断性质，需要途径特异性中间体和反应标记物的实验验证。CT-E样品的总体信号强度相对较弱，缺乏明显的化合物聚集区，表明恒温干燥条件下挥发性物质的生成有限。电子鼻PCA分析显示，前两个主成分累计贡献率达96.1%，VTD样品与CTD样品在x轴上下两侧明显分离，表明两者香气组成存在显著差异。电子舌PCA分析显示，PC1和PC2累计贡献率为98.4%，VT-E和CT-E样品点相对接近，甜味对VT-E的识别贡献更大，而酸味对CT-E的识别贡献更大。

**（六）挥发性与非挥发性物质的关联分析**

Sankey图展示了非挥发性前体物、不同干燥阶段与挥发性化合物之间的统计学关联，反映的是基于含量变化或相关分析建立的潜在联系，而非直接化学转化路径。VT-E阶段呈现最多的关联节点，连接非挥发性成分与16种初步鉴定的挥发性化合物，其中氨基酸和可溶性糖与芳香醛类和呋喃类化合物的关联，与最终80 °C阶段可能涉及的氨基酸相关热反应和碳水化合物降解一致。CT-E阶段的关联网络主要连接(E)-2-己烯醛、(E)-2-十三烯醛、苯甲醛等化合物，但较低的挥发性物质总丰度表明关联数量的多寡并不等同于挥发性物质生成量的大小。

**四、讨论与结论**

本研究以褐变度和单位能耗为工艺层面响应指标，优化了新疆无花果的两阶段VTD工艺，最优条件为预干燥温度55 °C、后干燥温度80 °C、装载量2.73 g/dm²。与60 °C CTD相比，VTD使干燥时间缩短44.8%，单位能耗降低20.4%，褐变度降低22.8%，并更好地保持了无花果干的多孔微观结构。VTD还使总酚、总黄酮和抗坏血酸的保留率分别较CTD提高17.59%、27.78%和43.29%，并伴随更高的抗氧化能力，但热诱导形成的还原性化合物对抗氧化能力的可能贡献无法排除。经校正的GC-MS结果显示，VT-E与CT-E中挥发性化合物的总半定量丰度分别为39.78和7.01 μg/g DW，该差异主要由苯甲醛驱动，而非所有挥发性化合物的均匀增加。苯甲醛、2-苯乙醛、糠醛、苯甲醇、糖类和游离氨基酸的变化与VTD最终阶段可能发生的美拉德型反应、Strecker相关反应和糖降解反应一致，但由于未测定途径特异性中间体和反应标记物，这些途径仍属推断性质。电子鼻和电子舌结果进一步揭示了不同处理间仪器感知的气味和滋味模式差异，但不应被解读为感官偏好的直接证据。

综上，两阶段VTD在提高干燥效率和营养物质保留率方面表现优异，并在受试条件下产生了与60 °C CTD明显不同的挥发性风味谱图。然而，需要指出的是，本研究的工艺优化仅以褐变度和能耗为依据，且试验在实验室规模下使用单一无花果品种进行，未设置额外的恒温对照，也未开展人体感官评价。因此，在实现工业化应用之前，仍需开展跨品种验证、感官评定、额外温度对照、中试规模试验和技术经济分析等研究工作。