2023-09-14
 
深度解析应用于太阳能干燥的可食用生物基涂层,与其光、热性能的研究·下
2023年09月14日   阅读量:2093

深度解析应用于太阳能干燥的可食用生物基涂层,与其光、热性能的研究·下 涂料在线,coatingol.com

「摘要」

利用太阳能进行食物干燥脱水是一个可持续的过程,在这个过程中可能会影响脱水后食品的质量。这是因为食物中含有的色素对阳光敏感,如果食物暴露在紫外光辐射下就会对这些色素产生影响。


我们将生物基聚合物的涂层应用在草莓切片的太阳能干燥中,以此评估它们作为紫外线过滤器在太阳光干燥食品中的潜在用途,这些涂层来自仙人掌胶、葫芦巴、黄原胶、阿拉伯胶和瓜尔胶的水状胶体溶液涂料在线coatingol.com


作者:A. López‑Ortiz1, I. Y. Pacheco Pineda, L. L. Méndez‑Lagunas, A. Balbuena Ortega,Laura Guerrero Martínez, J. P. Pérez‑Orozco, J. A. del Río1 & P. K. Nair


相关工作  PART 1


草莓是营养素、矿物质、维生素和生物活性化合物的重要来源,其营养成分包括:蛋白质0.67%、脂质0.30%、碳水化合物7.68%、纤维2.0%、糖4.89%、钙0.16%、镁0.13%、磷0.24%、钾1.53%、维生素C 0.058%、叶酸0.024%、胆碱5.7%、维生素A 0.001%、叶黄素+玉米黄质0.026%、维生素K、叶醌0.02%等64。由于含有多种生物活性化合物,包括花青素和多酚,它们的食用促进了人体健康,产生多种有益效果。


据报道,摄入花青素有助于降低血压、提高视力、减少癌细胞增殖、抑制肿瘤形成、预防糖尿病、降低CVD风险、调节认知和运动功能以及促进抗炎和抗菌活性65,但是在加工和储存期间的低稳定性使得它们在太阳光脱水期间需要特别注意66。


同样,许多报道假设和评估了多酚在急性和慢性疾病中的保护作用,包括肥胖症、神经退行性疾病、II型糖尿病和心血管疾病,并需要在农产品加工过程中确保这些营养素的稳定性67。


在本研究中,我们发现用于储存和随后食用的草莓切片的脱水过程确实涉及生物化合物含量的变化,我们将继续深入研究本工作中确定的最佳涂层的性能。


结论  PART 2


我们研究了由水状胶体溶液制备的可食用涂层的光学性质之间的差异,并将其应用于分别由太阳光脱水和烘箱脱水的草莓切片上。含有葫芦巴溶液的涂层(F)显示出高的紫外线吸收率和几乎为零的透射率。这些特性使其具有优异的功能性,可以用作具有太阳光过滤器性能的涂层。光学性能还受涂层厚度的影响。


总的来说,由于太阳光过滤器的作用,太阳光脱水实验样品的花青素含量和总酚类化合物含量比在烘箱中脱水样品更高。紫外光的部分透射能够使得总花青素(TA)和总酚类化合物(TPC)含量的增加。


在含有TA和TPC的样品的脱水过程中不能将紫外光完全过滤,这是因为F涂层的营养物质或抗氧化剂含量会有所降低。涂覆有M涂层的样品在最佳条件下,切片在120分钟脱水后,TA和TPC残留含量较高。F和M涂层都有可能具有传统医学中已知的抗血糖活性,但这还需要进一步研究和评估。


方法 PART 3


样品制备


我们购买商业草莓(Fragraria vesca)、仙人掌(在墨西哥被称为nopal,在本报告中被称为cladodes of Opuntia)和葫芦巴种子(Trigonella foenum-graecum)。本研究是根据相关的机构、国家以及国际指南和法律进行的。根据NMX-FF-068-1988的标准,选择仙人掌的尺寸(D类13.0–16.9 cm)、颜色(无棕色种类)、无缺陷(力学、生理、毒性野生生物)。选用无变色、无异物的葫芦巴。在从分支上去除刺后,将其在水中清洗以去除杂质。此外,我们还清洗和漂洗了葫芦巴。用1%的次氯酸钠溶液清洗并消毒草莓。用不锈钢切片机将这些切片切成切片,厚度为2mm。通过在生物基聚合物的水胶体中浸渍3秒来涂覆切片。我们测试了五种生物聚合物:诺帕胶、黄原胶、阿拉伯胶、瓜尔胶和胡芦巴胶。我们保留了一组未经处理的草莓对照样品,以供比较。每种情况下均有三组样品进行实验。


涂层溶液的制备


过去关于可食用涂层的研究报告了每种组分的用量,通常以摩尔比68,或体积比(%v/v)68,69,或重量比(%w/v)68–73表示。基于这些工作,我们根据v/v和w/v制备了本论文中的可食用涂层溶液。


如López-Ortiz74所述,通过在80℃下浸泡,获得了Opuntia和 fenugreek比例为1:1的粘液。使用分析天平(Scout Pro,Ohaus,108USA)制备黄原胶、阿拉伯胶和瓜尔胶的0.001g/ml水溶液。将黄原胶和阿拉伯胶在80℃下缓慢加入蒸馏水中,瓜尔胶在90℃下加入蒸馏水中。在旋涡式搅拌机中充分混合这些溶液20分钟。


可食用涂层的制备最常用的方法是:浸涂69、73和用丝状鬃毛刷涂72。在本研究中,我们使用浸涂的方法。了解厚度变化对可食用涂层的光学和热性能的影响及其对总的花青素和总酚类化合物的影响将有助于优化涂层的性能。然而,这意味着每种涂层材料需要有更多的样品,因此有多个样品组。在本研究中,我们希望获得涂层在光学和热性能方面的行为趋势。对于每种类型的水胶体涂层,都会有一个最佳厚度,以确保在食品保质期内不会损坏脱水食品的营养价值。因此,我们希望未来的工作将针对每种涂层得出明确的结果——厚度与食品保质期和颜色、总花青素、总酚类化合物等的性能之间的关系。


光学特性


我们使用分光光度计(UV-3600C,Shimadzu,Japan)测定康宁显微镜载玻片(25×76×1mm)上涂覆并脱水的可食用涂层的光学性质。这使得薄膜具有更光滑的表面,从而在紫外-可见光-红外光谱区域中测量的光学反射率更加可靠。我们评估了用4µL和8µL的涂层溶液在水平放置的载玻片上滴涂的两种不同厚度的涂层。首先,将4µL涂层放入实验室烘箱中,设定温度为60℃,8µL涂层样品的制备过程是在干燥的4µL涂层上滴涂上另一层,并重复干燥。我们测量了所有4µL和8µL样品的光学透射率、吸光度和反射率(图S4)。


在过去的报告中,涂层厚度通常是通过游标卡尺或数字千分尺70、75来测量的。在本研究中,我们使用Ambios XP 200厚度仪,测量了载玻片上所有可食用涂层的厚度。测试条件是施加5mg的力,以0.02mm/s的扫描速率扫描2mm长度的样品。


热学行为


为了进行热成像实验,我们将草莓切片与涂层放置在厚度为125 µm的显微镜载玻片上。图11显示了实验设置的示意图。用于实验的热成像相机FLIR × 6540sc空间分辨率为640×512像素,使用锑化铟(InSb)探测器。我们把它放在离样品42厘米的地方。相机检测范围为1.5-5.5µm中波红外波段,因此可以检测20 mK的温差。对于这些实验,我们在相机中使用了同一个镜头MWIR 50mm 1:2.0 USL。为了照亮样品,我们使用了一个200W(Newport Hg-Xe)的白炽灯,照向样品的正面,从而产生热辐射。照明光源的辐射范围为紫外辐射到近红外辐射,仅用灯照射样品还不足以加热样品,或者需要更长的曝光时间。因此,我们发现有必要使用焦距为f = 20cm的透镜将灯发出的光聚焦到样品上。通过检测样品在70秒期间的温度升高趋势,在30 Hz下记录热成像图像。我们在不使用真空系统的环境条件下进行测量,但需要将样品放置在热隔离室中,以避免气流的影响。热隔离室避免了外部辐射,避免撞击热成像相机,并扭曲记录的图案。通过避免气流,它还能在测量过程中将整个系统保持在恒定温度。


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图11  热成像实验的示意图


干燥实验


如图12所示,我们使用柜式直接太阳能干燥器系统76进行所有实验。当地时间10:30至下午4:30期间,干燥器内的平均空气温度为50℃(图S5),干燥器内部记录的最高温度为60.1℃。用温度计(37950,Cole Parmer,USA)测量干燥室内的温度。我们在实验中使用了被动模式,即没有强制对流。气象站(ESOLMET、IER-UNAM、Temixco)通过数据采集系统(CR1000,Campbell Scientific,USA)记录了我们现场的太阳辐照能量、相对湿度和环境温度。我们将涂层切片放置在塑料网(27.2 ´ 34.4 cm)上,并将其放入干燥器(图12)。每隔一段时间对带有切片的塑料网进行称重,以研究脱水动力学。脱水实验的对照实验是在60℃的托盘式烘箱(DKN402C,日本大和)中进行的。为了避免天气变化造成的差异,所有样品的太阳光脱水实验同时进行。


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图12  用于涂覆和未涂覆草莓片实验的柜式干燥器系统

干燥动力学

通过972(AOAC,2012)方法,使用精度为0.01mg的分析天平(Scout Pro,Ohaus,USA),在干燥失重经过一段时间(t)后测定产品的水分含量。最终记录的重量为平衡含水量(Xe)。我们计算标准化含水量(MR)公式如下:

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其中X是任一干燥时间样品的含水量,X0是初始含水量。


化学性质


在本节中,我们描述了用于提取有机化合物、测定花青素和酚类化合物的方法。


有机提取物。我们使用甲醇-水(比例为8:2)溶液提取总花青素(TA),并使用酸化的甲醇-水溶液(比例为0.1%)提取总酚类化合物(TPC)。超声浴30分钟辅助提取过程。总有机提取物( TOE;图S6c)使用棉包巴斯德移液器回收。在进行TPC和TA分析之前,将其转移并储存在4℃的琥珀色瓶中(图S6 )。


总花青素(TA)的测定。矢车菊素-3-葡萄糖苷、天竺葵素- 3 -葡萄糖苷和天竺葵素- 3 -芸香糖苷是草莓中发现的主要花青素77。用Lee等人78描述的方法测量材料中的TA含量。本研究中使用的氰基3-O-葡萄糖苷(C21H21O11+)的分子量为449.2g/mol。因此,我们使用改进的pH差法测定单体花青素的总含量78。使用氯化钾(0.025M,pH 1.0)和乙酸钠(0.04M,pH 4.5)溶液作为缓冲体系。分别在波长为510 nm (可见光最大光强- vismax)和700 nm的光辐射下,对样品在两种pH值(1和4 . 5)下进行吸光度测量。花青素的吸光度差异(A)由公式(2)得出:

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公式(3)给出了花青素浓度(CTA)的计算方法(mg/L):

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其中,MW是花青素的分子量为449.2 g/mol;e是其摩尔消光系数(26900 L/mol·cm);DF是稀释因子(在本研究中为1)。通过公式(4)能使用每克干物质中矢车菊素- 3 -葡萄糖苷当量表示TA的浓度(mgC3G/gdm):

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其中Vs是有机提取物的最终体积(ml),m是干物质表示的质量(g)。


总酚类化合物(TPC)的测定


采用Méndez - Lagunas53改良的Folin -Ciocalteu比色法测定TPC,以没食子酸当量(0-36 mgGAE/100 mL)为标准品。用分光光度计(Genesys 10s Uv-vis , Thermo Scientific ,中国)在750 nm波长处测定吸光度,得到CTPC(mgGAE/100 ml);并通过公式5将其转化为体积的等价单位:

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其中TPC是总酚化合物浓度(mgGAE\/gdm)。


统计分析


考虑到处理(F , M , A , G , X ,Ref)对产品性质(光学特性、厚度、干燥动力学)的影响,我们进行了方差分析(ANOVA)79。此外,我们考虑了处理和干燥时间对TA和TPC的影响。我们测试了实验间观察到差异的概率。当计算的概率小于选定的显著性水平时,我们能识别出不同处理样品之间的变异。当计算出的概率大于所选的显著性水平时,则认为不存在变异,因此我们可以假设不同处理间不存在显著差异或处理效应是静态等价的。所有数据分析均取α = 0.05。NCSS 2020软件Version 20.0.3是用于比较方差的工具。


来源:PCI可名

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