热风干燥(Hot Air Drying, HAD)与真空冷冻干燥(Vacuum Freeze-Drying, VFD)对毛竹(Phyllostachys edulis)笋粉特性及品质影响的前期研究

《JOURNAL OF FOOD PROCESSING AND PRESERVATION》：A Preliminary Study on the Impact of Hot Air and Freeze-Drying on the Properties and Quality of Phyllostachys edulis Bamboo Shoot Powder

　　

摘要：竹笋系具营养价值的特色可食用竹类产品，然其高水分含量致易腐败、难贮存，干燥制粉是延长保质期及拓展应用场景之有效途径。本研究系统比较了热风干燥(HAD)与真空冷冻干燥(VFD)对毛竹(Phyllostachys edulis)笋粉理化性质、热解(Pyrolysis)特性、营养成分及抗营养特性的影响，重点关注粉末流动性(Flowability)、热稳定性(Thermal Stability)、营养素保留率及抗营养因子(Anti-nutritional Factor)含量。结果表明：HAD笋粉流动性与分散性显著优于VFD笋粉，其松散堆积密度(Aerated Bulk Density, 0.57 ± 0.02 g/cm3)及振实堆积密度(Packed Bulk Density, 0.84 ± 0.01 g/cm3)均更高(p < 0.05)；HAD笋粉苹果酸(Malic Acid)含量较低(3580.83 ± 97.09 ng/mg, p < 0.05)，但总游离单宁(Total Free Tannins)含量(7.4857 ng/100 mg)显著高于VFD笋粉(2.6717 ng/100 mg, p < 0.05)。笋粉主要热解阶段位于120℃–630℃，最大失重速率温区为200℃–380℃；结合热稳定性分析，挥发性成分于110℃以上开始逸出，故基于本研究热稳定性分析结果，理论上建议干燥最高温度低于110℃以防热降解及营养损失。此外，HAD笋粉粗蛋白含量(28.43 ± 0.81 g/100 g)及总必需氨基酸(Total Essential Amino Acid)含量(66.88 ± 0.38 mg/g)均高于VFD笋粉(分别为25.27 ± 0.40 g/100 g及62.56 ± 1.46 mg/g, p < 0.05)。本研究为基于有限独立实验批次的前期探索性调查，因属试点性质且生物重复有限，发现应视为提示性而非确定性结论；本研究未做推断性统计分析，仅作描述性比较。重要的是，上述发现可为优化竹笋干燥制粉工艺提供理论参考，以有效提升竹笋产品品质与商品价值，促进笋加工产业可持续发展并为生产者及消费者带来经济效益。

论文解读：

《Journal of Food Processing and Preservation》刊登的此篇前期研究论文，针对毛竹(Phyllostachys edulis)笋粉在加工过程中因高含水量极易腐败、传统鲜食货架期短的问题，指出当前关于不同干燥方式对竹笋粉理化特性(Physicochemical Properties)、工艺功能性(Techno-functional Properties)特别是粉末流动性(Flowability)、热解(Pyrolysis)特征及其与工业化加工适用性关联的系统研究尚属空白。已有果蔬粉研究表明热风干燥(Hot Air Drying, HAD)成本低但可能影响品质，真空冷冻干燥(Vacuum Freeze-Drying, VFD)能较好保持原料固有品质但能耗高，而针对毛竹笋粉二者在物性、营养及抗营养因子方面的系统对比评价仍有待填补。因此研究人员以毛竹春笋与冬笋混合可食部位为原材料，对比HAD与VFD两种干燥方式制备的笋粉在物理特性、热解特征、色泽、风味相关化学成分、基本营养成分、氨基酸组成及游离单宁(Free Tannins)方面的差异，探讨适宜工业化应用及高品质产品开发的理论依据，并基于热重(Thermogravimetric, TG/DTG)分析给出干燥温控建议。

研究人员采用如下主要关键技术方法开展研究：以2022年3月采自浙江省安吉县天荒坪镇阳家塘村竹林之毛竹(Phyllostachys edulis)春笋与冬笋混合可食部为样本，一半经105℃灭酶30 min后60℃热风循环干燥(HAD)至终水分6.0%±0.2%，另一半经–40℃预冻后梯度升温真空冷冻干燥(VFD)至水分5.5%±0.2%，干燥后统一过40目筛得笋粉。物性分析使用粉末综合特性分析仪测定安息角(Angle of Repose)、松散及振实堆积密度(Bulk Density)、压缩率(Compressibility)等，激光粒度仪测粒径分布；热解特征采用同步热分析仪TG/DTG于N₂氛围30℃–1000℃以10 K/min升温扫描；色差用WSC-S测L^*a^*b^*值；氨基酸组成经6 mol/L HCl水解后氨基酸分析仪分离检测；有机酸经甲醇/氯仿提取、3NPH衍生化后UPLC-MS检测；基本营养成分按国标法测水分、粗蛋白(Crude Protein, GB5009.5)、粗脂肪(Crude Fat, GB5009.6)、膳食纤维等；游离单宁经70%甲醇超声提取后UPLC-MS单离子监测模式定量。实验设每处理一个独立批次(n=1)，各指标三次技术重复，结果以均值±标准差描述性呈现。

研究结果如下：

3.1. Effects of Two Drying Methods on the Physical Characteristics of Bamboo Shoot Powder（两种干燥方式对毛竹笋粉物理特性的影响）

研究人员通过粉末综合特性分析及激光粒度分析发现，HAD与VFD笋粉安息角无显著差异(p > 0.05)，但HAD笋粉松散堆积密度(0.57 ± 0.02 g/cm³)与振实堆积密度(0.84 ± 0.01 g/cm³)显著高于VFD笋粉(分别为0.16 ± 0.00 g/cm³、0.39 ± 0.01 g/cm³, p < 0.05)，压缩率更低，落角(Angle of Fall)更小，分散性(Dispersibility)更好，表明HAD笋粉流动性更优，利于工业连续化生产。VFD笋粉湿体积平均直径(51.00 nm)显著小于HAD笋粉(167.67 nm)，比表面积更大，呈疏松多孔结构。

3.2. Analysis of the Pyrolysis Characteristics of Bamboo Shoot Powder Obtained by the Two Drying Methods（两种干燥方式所得毛竹笋粉热解特性分析）

研究人员经TG/DTG曲线将笋粉热解划分为四阶段：室温–60℃水分脱除段、60℃–120℃过渡段(轻微失重约0.2%)、120℃–630℃热分解段(半纤维素Hemicellulose 290℃–330℃及纤维素Cellulose 340℃–380℃对应两DTG峰，总失重约70%)、630℃以上木质素(Lignin)主导碳化段。HAD与VFD笋粉DTG曲线完全重合，表明所用干燥条件未改变笋粉本征热解特性；结合分析发现挥发性组分于＞110℃开始析出，据此理论上建议笋粉加工及后续应用中干燥温度宜低于110℃以避免功能成分损失。

3.3. Effects of the Two Drying Methods on the Color of the Bamboo Shoot Powder（两种干燥方式对毛竹笋粉色泽的影响）

研究人员测定L^*a^*b^*值发现VFD笋粉亮度(L^*)更高，有效抑制酶促及非酶褐变；HAD笋粉因受热促进美拉德反应(Maillard Reaction)及多酚氧化，a^*(红/绿)与b^*(黄/蓝)值偏高。VFD适合对色泽要求严苛的高端粉体产品，HAD笋粉在后续贮运加工中色泽相对较稳定。

3.4. Comparison of Taste and Flavor（风味与口感成分比较）

研究人员经氨基酸分析检出17种氨基酸(色氨酸未检)，VFD笋粉鲜味氨基酸(Asp、Glu)含量显著更高(p < 0.05)，HAD笋粉甜味氨基酸偏高而部分苦味氨基酸偏低，整体滋味偏甜。有机酸分析显示主要有机酸为奎宁酸(Quinic Acid)、苹果酸(Malic Acid)、延胡索酸(Fumaric Acid)及草酸(Oxalic Acid)，总有机酸无显著差异(p > 0.05)，但HAD笋粉奎宁酸、苹果酸、异柠檬酸(DL-isocitrate)显著低于VFD笋粉(p < 0.05)，草酸占各自总酸比例分别为73.9%与80.8%。

3.5. Comparison of the Nutritional Characteristics of the Bamboo Shoot Powder（毛竹笋粉营养成分比较）

研究人员按国标测定基本成分发现终水分均＜10%，HAD笋粉粗蛋白(28.43 ± 0.81 g/100 g)、碳水化合物(60.33 g/100 g)及能量(1323.33 kJ/100 g)显著高于VFD笋粉(p < 0.05)，归因于HAD脱水更彻底产生营养素浓缩效应；粗脂肪、可溶性及不可溶性膳食纤维(Dietary Fiber)、粗纤维(Crude Fiber)无显著差异(p > 0.05)。HAD笋粉总必需氨基酸(Essential Amino Acids, Thr、Val、Met、Ile、Leu、Phe、His、Lys合计66.88 ± 0.38 mg/g)亦显著高于VFD笋粉(62.56 ± 1.46 mg/g, p < 0.05)。

3.6. Comparison of Free Tannin Contents（游离单宁含量比较）

研究人员定量游离单宁发现HAD笋粉总游离单宁(7.4857 ng/100 mg)显著高于VFD笋粉(2.6717 ng/100 mg, p < 0.05)，HAD中以儿茶素(Catechin)为主(占总游离单宁75.69%)，VFD中以没食子酸儿茶素(Catechin Gallate)为主；其余单体无显著差异(p > 0.05)，推测适度HAD促使结合态单宁向游离态转化而未大量降解。

讨论与结论：

研究人员总结指出，HAD毛竹笋粉较VFD笋粉具更优流动性(Flowability)与分散性，更符合粉体原料工业生产要求；VFD可得粒径更小、结构更均匀且色泽更浅(L^*值更高)之笋粉。HAD笋粉总必需氨基酸及粗蛋白含量更高，苹果酸含量较低；VFD笋粉苹果酸、奎宁酸及鲜味氨基酸保留更佳。两种干燥方式均未改变笋粉热解特征，依热稳定性分析建议笋粉干燥温度上限为110℃。总体HAD在工业化生产成本、粉末流动性及部分营养指标上表现更具优势，可优先考虑用于规模化毛竹笋粉生产；未来可探索联合干燥(如太阳能-机械联合干燥)兼顾HAD低成本、好流动性与VFD保色保味优点。本研究为初步探索性工作(n=1独立批次)，结论具提示性，需扩大生物重复进一步验证。

结论翻译(Concluding Remarks)：毛竹笋粉经两种干燥方式处理之理化品质研究揭示，热风干燥(HAD)笋粉之流动性与分散性好于真空冷冻干燥(VFD)笋粉，其工艺功能性更符合Barakat等人报道之粉体原料工业生产要求。相较HAD，VFD可获得粒径更小、结构更均匀且褐变程度更低之笋粉，HAD笋粉b^*值较高。此外HAD笋粉总必需氨基酸含量更高，可更好满足人体营养摄入需求，其较高能量含量符合Islam等人报道之传统食用粉商品化需求。HAD笋粉苹果酸含量较低，VFD笋粉琥珀酸及乳酸含量较低。笋粉总游离单宁含量高且主要组分为儿茶素(Catechin)。毛竹笋粉具高能量、高碳水化合物及高粗蛋白含量。HAD与VFD笋粉间水分、热稳定性、膳食纤维、粗纤维或粗脂肪含量无显著差异。鉴于HAD整体表现在工业生产成本、粉末流动性及营养含量方面较VFD更具有利趋势，建议毛竹笋粉生产可优先考虑HAD，并在后续放大研究中探究水分含量、HAD时间及温度变化对粉体产品质量之影响；此外可进一步探索Miah等人提出之联合干燥技术以融合HAD(低成本、好流动性)与VFD(保色保味)优势，预期可进一步提升笋粉品质与商业价值，推动当地传统竹资源高值化深加工方向之笋产业可持续发展。本研究属有限独立批次之前期探索，发现提供竹笋粉加工之探索性技术支持而非统计确证结论，需增加生物重复及样本量之深入研究后方能得出确定推论。