蘋果片紅外熱風聯(lián)合干燥特性研究

穆金屏,周家春,蔣麗華,邱勇雋,趙黎明

(華東理工大學發(fā)酵工業(yè)分離提取技術(shù)研發(fā)中心，生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室,上海 200237)

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蘋果片紅外熱風聯(lián)合干燥特性研究

穆金屏,周家春*,蔣麗華,邱勇雋,趙黎明*

(華東理工大學發(fā)酵工業(yè)分離提取技術(shù)研發(fā)中心，生物反應(yīng)器工程國家重點實驗室,上海 200237)

以蘋果為原料,研究不同紅外輻射距離和熱風溫度下蘋果片的干燥特性,并對蘋果脆片的干燥時間、色澤、硬度、脆度和復水性進行分析。結(jié)果表明,在蘋果片紅外-熱風聯(lián)合干燥過程中,熱風溫度對干燥時間和脆片品質(zhì)影響顯著;干燥過程為降速干燥,水分有效擴散系數(shù)范圍在2.92×10-8～8.85×10-8m2/s內(nèi),且隨熱風溫度升高而增大;蘋果片干燥活化能為75.67 kJ/mol。蘋果片在紅外輻射距離50 mm,輻射功率1500 W,熱風溫度80℃,風速0.8 m/s的條件下,干燥時間僅162 min,并具有良好的色澤(L*值75.01,a*值8.92、b*值32.97)和質(zhì)構(gòu)(硬度1063.66 g,脆度0.531 s)。先紅外后熱風的聯(lián)合干燥方式能有效抑制酶活和提高干燥速率,以及改善產(chǎn)品品質(zhì)。

蘋果片,紅外-熱風聯(lián)合干燥,干燥特性,品質(zhì)

中國是世界上最大的蘋果生產(chǎn)國,2014年產(chǎn)量達3800萬t,約占世界總產(chǎn)量的55.6%[1]。但是目前我國蘋果產(chǎn)業(yè)仍以鮮銷為主,加工產(chǎn)品主要為蘋果汁,產(chǎn)品單一。蘋果脆片是一種高營養(yǎng)、高纖維、低熱量的休閑食品,深受消費者喜愛。提高蘋果脆片產(chǎn)品質(zhì)量有助于提高我國蘋果產(chǎn)業(yè)的國際市場競爭力[2],而優(yōu)化工藝和節(jié)能生產(chǎn)裝備是改善產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。

國內(nèi)外關(guān)于蘋果干燥的方法主要有微波干燥[3]、真空冷凍干燥[4]、變溫壓差膨化干燥[5]及熱風干燥[6]等。微波干燥由于干燥溫度較高,易發(fā)生局部過熱,出現(xiàn)焦化和表面硬化等,影響產(chǎn)品品質(zhì)。真空冷凍干燥制品的感官質(zhì)量和營養(yǎng)品質(zhì)高,但是干燥時間長、加工成本高。變溫壓差膨化干燥設(shè)備相對簡單,操作便捷,產(chǎn)品成本較低,但產(chǎn)品品質(zhì)不夠穩(wěn)定。熱風干燥方式成本低、操作簡單,被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)蘋果脆片,但是熱風干燥過程中蘋果的多酚氧化酶(PPO)與氧氣接觸迅速發(fā)生酶促褐變,加劇干制品色澤變化,降低了其感官品質(zhì)和營養(yǎng)價值。

紅外干燥具有干燥時間短、能量利用率高、產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)點[7],越來越受到研究者的重視。據(jù)報道,紅外-熱風聯(lián)合干燥綜合了紅外和熱風干燥的優(yōu)點,干燥速率和干制品品質(zhì)比熱風干燥有很大提高,謝小雷[8]等人研究了熱風干燥和中紅外-熱風組合干燥對牛肉的影響,結(jié)果表明聯(lián)合干燥的干燥時間、能耗相比熱風分別降低了60%、78%,牛肉干的感官品質(zhì)顯著提高。Hebbar[9]等人對馬鈴薯采用紅外-熱風聯(lián)合干燥,研究結(jié)果表明,相比熱風干燥,聯(lián)合干燥所需的時間縮短了48%,能耗降低63%。目前關(guān)于蘋果脆片的紅外-熱風聯(lián)合干燥工藝尚無報道。本文以蘋果為原料,探討了紅外輻射干燥的滅酶效果,然后聯(lián)合熱風干燥蘋果片,研究了蘋果片紅外-熱風聯(lián)合干燥特性,并分析了不同干燥條件下得到的干燥蘋果片的色澤、質(zhì)構(gòu)和復水性,優(yōu)化了紅外-熱風聯(lián)合干燥工藝條件,以期為蘋果脆片工業(yè)化生產(chǎn)提供基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

富士蘋果產(chǎn)于山東煙臺,大小均勻、無蟲害、無機械損傷,果實平均直徑為8 cm,質(zhì)量為(220±15) g,果肉濕基含水率為85.5%±0.5%。

磷酸二氫鈉,磷酸氫二鈉,聚乙烯吡咯烷酮,EDTA,鄰苯二酚,石英砂。

TA.XT Plus物性分析儀英國Stable Micro Systems公司;NR110型色差儀深圳市三恩馳科技有限公司;UV-2000型紫外可見分光光度計尤尼柯儀器有限公司;Z8852熱電偶溫度計衡欣科技股份有限公司;DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱上海齊欣科學儀器有限公司;真空包裝機杭州永創(chuàng)機械有限公司。改進型紅外干燥箱江蘇吳江品格烘箱電爐制造有限公司,根據(jù)實驗需要改裝,見圖1所示。

圖1　改進型紅外干燥箱Fig.1　The improved infrared radiation drying oven注:1.紅外加熱管控制開關(guān)；2.電源及溫度控制箱；3.熱電偶；4.風機；5.出風口；6.紅外加熱管 ；7.物料；8.物料托盤；9.升降臺；10.升降臺旋鈕；11.紅外干燥箱。

1.2實驗方法

1.2.1干燥方法紅外干燥功率恒定為1500 W,熱風溫度分別取70、75、80、85℃,將紅外干燥箱和電熱恒溫鼓風干燥箱升溫到設(shè)定溫度并恒定后開始實驗。

新鮮蘋果洗凈,去皮、去核,切成5 mm厚度的蘋果片并將其四等分。紅外-熱風聯(lián)合干燥:將切好的蘋果片立即平鋪在紅外干燥的物料盤上,在1500 W紅外功率下,經(jīng)預實驗確定先在紅外輻射距離30、50、70 mm下分別干燥3.5、5.5、6.5 min,測定PPO活性和含水率,繼續(xù)在不同溫度(70、75、80、85℃)下進行熱風干燥,恒定風速0.8 m/s,直至含水量降至5.0%左右;轉(zhuǎn)換點依據(jù)是經(jīng)紅外輻射處理后PPO活性低于20%。單一熱風干燥:將切好的蘋果片立即平鋪于熱風干燥箱的物料盤上,采用不同的熱風溫度(70、75、80、85℃)進行干燥實驗,風速恒為0.8 m/s。

1.2.2干燥特性指標

1.2.2.1表面溫度T型熱電偶探頭安裝在蘋果片表層下,不可暴露于空氣中,熱電偶與自動讀數(shù)器相連,每隔30 s記錄一次溫度值。

1.2.2.2初始含水率蘋果的初始含水率的測定按照Hashem[10]的方法進行,將蘋果片放在105℃的電熱恒溫干燥箱中干燥12 h至恒重。新鮮蘋果片的平均初始含水率約為85.5% w.b.(wet basis)。

1.2.2.3水分比不同干燥時間蘋果片的水分比(Moisture Ratio,MR)按式(1)計算[11]

式(1)

式中,M0、Me、Mt分別為蘋果片初始干基含水率、干燥平衡時干基含水率和t時刻干基含水率g/g。

1.2.2.4干燥速率干燥速率(Drying Rate,DR)用公式(2)來計算[11],

式(2)

式中Mt1和Mt2為干燥過程中t1和t2時蘋果片的干基含水率。

干基含水率的計算方法如(3)式,

式(3)

其中,G為干物質(zhì)質(zhì)量,g。

1.2.3蘋果片品質(zhì)指標

1.2.3.1多酚氧化酶活力粗酶液提取:參照Li[12]的方法,精確稱取2.00 g蘋果片,加入10mL50 mol/LpH7.8的磷酸鈉緩沖液(含1.33 mmol/L EDTA和1%聚乙烯吡咯烷酮)及少量石英砂,冰浴研磨制漿,在4℃、12000×g條件下離心15 min,取上清液冷藏待用。

酶活測定:取2.8mL0.05 mol/L鄰苯二酚溶液(用50 mmol/L、pH6.4的磷酸鈉緩沖液配制),在30℃下恒溫5 min,迅速加入200μL粗酶液,振蕩搖勻,在398 nm下測量吸光值,每30 s記錄一次,共3 min。每分鐘吸光值增加0.01所需的酶量為一個活力單位。

1.2.3.2色澤蘋果片表面顏色采用色差計進行測定,以L*、a*、b*值表示,其中L*表示亮度值,L*值越大說明顏色越亮,a*表示紅綠值,a*越大說明顏色越紅,反之越綠;b*表示黃藍值,b*值越大說明顏色越黃,反之越藍。色澤總差ΔE值越大,表示干燥后蘋果片顏色相比新鮮蘋果片顏色變化越大。每個樣品重復測定5次,取平均值。

表1　不同紅外輻射距離下蘋果片干燥狀態(tài)

1.2.3.3復水性精確稱取1.00 g干燥后的蘋果片,放入裝有50 mL去離子水的100 mL燒杯中,于30℃恒溫水浴鍋中靜置保溫3 h,取出蘋果片用吸水紙除去表面水分,稱重[8]。干制品復水比的計算公式如下:

式(4)

式中Rr為復水比,Mr和Md分別表示干制品復水后和復水前的重量(g)。

1.2.3.4硬度和脆度用TA.XT Plus物性分析儀測定,參數(shù)設(shè)定參考黃略略[13]的方法,用TA/0.25 S 球形探頭,測試速度2 mm/s,壓縮比70%。每組樣品測定8次,取平均值。

1.3數(shù)據(jù)處理與分析

采用SigmaPlot12.5軟件進行數(shù)據(jù)分析及圖的繪制。每組實驗重復3次。

2　結(jié)果與分析

2.1紅外干燥輻射距離對蘋果片感官品質(zhì)的影響

聯(lián)合紅外干燥的主要目的,是在短時間內(nèi)抑制多酚氧化酶的活性,達到控制酶促褐變的效果,但同時需要保持蘋果片的品質(zhì)。前期實驗顯示,在經(jīng)紅外輻射后蘋果片多酚氧化酶的活性可降低到原活力的20%以下時,褐變的發(fā)生可得到有效控制,此時的水分含量依舊在70%以上,需要進一步熱風干燥。馬海樂[14]等人對馬鈴薯紅外干燥滅酶的研究中也得出類似結(jié)果。紅外輻射抑制酶活及對蘋果片感官品質(zhì)的影響如表1所示。

由表1可看出,紅外干燥階段輻射距離對蘋果片的感官影響很大,輻射距離較小時,短時間即可使蘋果內(nèi)多酚氧化酶活性降低到近17%,但表面溫度過高,表面極易發(fā)生焦化;輻射距離遠時,干燥時間較長,多酚氧化酶活性較高,后續(xù)熱風干燥時酶促褐變嚴重。圖2展示了紅外輻射距離與蘋果片表面溫度的關(guān)系。輻射距離為50 mm能兼顧多酚氧化酶活性的抑制和蘋果片感官品質(zhì),后續(xù)實驗都采用50 mm輻射5.5 min后繼續(xù)進行熱風干燥的工藝。

圖2　不同輻射距離下蘋果片表面溫度變化Fig.2　Variation of surface temperature under different infrared radiation distance

2.2紅外-熱風聯(lián)合干燥方式對蘋果片干燥特性的影響

蘋果片在紅外干燥箱中輻射后,續(xù)用熱風聯(lián)合干燥的曲線如圖3所示(熱風干燥前蘋果片的濕基含水量為79.08%)。熱風溫度分別為70、75、80、85℃時,蘋果片濕基含水量達到5%所需的時間分別是465、225、162、135 min。蘋果片在85℃條件下所需的干燥時間比在70℃條件下縮短了71.0%,證明干燥速率隨熱風溫度的升高而明顯增大。在不同時間段物料的干燥速率隨水分含量的降低而減小(圖3b),與Lewicki、Sacilik[15-16]等人的研究結(jié)論一致。

圖3　不同熱風干燥溫度下蘋果片的紅外-熱風聯(lián)合干燥曲線(a)和干燥速率曲線(b)Fig.3　Drying curves(a)and drying rate curves(b)under different hot air temperature of apple slices drying

2.3不同干燥條件下蘋果片水分有效擴散系數(shù)

水分有效擴散系數(shù)(Deff)表示干燥過程中物料脫水能力。蘋果片的干燥過程呈現(xiàn)出明顯的降速干燥,Barati[17]等人提出農(nóng)作物的降速干燥過程可用菲克第二定律來描述,用公式(5)來表示:

式(5)

假設(shè)物料的水分遷移僅由內(nèi)部水分擴散控制,忽略體積收縮,則物料水分有效擴散系數(shù)滿足方程[18](6):

式(6)

對于長時間的干燥過程,公式(6)可簡化為如下公式[15]:

式(7)

取對數(shù)得

式(8)

式(9)

通過直線方程的斜率K可求得水分有效擴散系數(shù)Deff。

蘋果片紅外-熱風聯(lián)合干燥的線性回歸方程和水分有效擴散系數(shù)如表2所示。

表2　紅外-熱風聯(lián)合干燥下蘋果片的ln MR線性回歸擬合公式和水分有效擴散系數(shù)

由表2可知,當熱風溫度由70℃升高到85℃,蘋果片的水分有效擴散系數(shù)由2.92×10-8m2/s提高至8.85×10-8m2/s,比值達到3,說明升溫可顯著提高蘋果片的水分有效擴散系數(shù)。

2.4不同熱風溫度下蘋果片紅外-熱風聯(lián)合干燥的干燥活化能

干燥活化能表示物料干燥過程中除去單位摩爾水分所需能量,活化能值越大說明物料越難干燥。物料的水分有效擴散系數(shù)與干燥溫度之間的關(guān)系可以用阿倫尼烏斯公式(10)來表示[19],

式(10)

兩邊同時取對數(shù)得:

式(11)

其中,Deff為水分有效擴散系數(shù),m2/s;L為蘋果片厚度,m;t為干燥時間,s;Ea為干燥活化能,kJ/mol;R為氣體摩爾常數(shù),8.314 J/(mol.K);T為干燥溫度,℃。

蘋果片紅外-熱風聯(lián)合干燥過程中,輻射距離為50 mm,熱風溫度為70、75、80、85℃條件下,以1/(T+273.15)為橫坐標,以lnDeff為縱坐標作圖,如圖4所示,由直線斜率-Ea/R即可求得干燥活化能Ea。通過圖4中線性回歸方程和阿倫尼烏斯公式(11)可以求出蘋果的干燥活化能為75.67 kJ/mol。

圖4　紅外-熱風聯(lián)合干燥熱風溫度與水分有效擴散系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4　Ralation curves of hot air temperatures and moisture effective diffusivity coefficients

2.5紅外-熱風聯(lián)合干燥對蘋果片品質(zhì)的影響

2.5.1紅外-熱風聯(lián)合干燥熱風溫度對蘋果脆片色澤的影響圖5表示紅外-熱風聯(lián)合干燥方式熱風溫度對蘋果片色澤的影響。從圖5可以看出,隨熱風溫度的升高,L*值逐漸變大,a*、b*值減小,在80℃時L*達到最大值75.01,a*、b*分別為8.92、32.97。85℃時L*值反而下降,這可能是因為在高溫下蘋果中的還原糖與游離氨基酸發(fā)生了美拉德反應(yīng)。巨浩羽[20]等人對蘋果片干燥的研究也報道了相似的結(jié)果。因此,在設(shè)定的熱風溫度范圍內(nèi),80℃條件下的蘋果脆片顏色最佳。

圖5　不同熱風溫度下紅外-熱風聯(lián)合干燥后蘋果片色澤的變化Fig.5　Variation of apple slice’s color under different drying conditions

2.5.2紅外-熱風聯(lián)合干燥熱風溫度對蘋果脆片質(zhì)構(gòu)與復水性的影響以蘋果片穿刺時的斷裂時間表示脆度,斷裂時間越短說明干燥蘋果片脆度越大。硬度、脆度和復水性的大小體現(xiàn)出然在咀嚼食品時的難易程度,硬度越小,脆度和復水性越大,說明食品在食用過程中咀嚼越省力[21]。由表3可知,紅外-熱風聯(lián)合干燥的蘋果片,隨熱風溫度的升高,干燥蘋果片硬度逐漸降低,脆度變大(斷裂時間變小)。在80℃下干燥得到的蘋果脆度最大,酥脆性最好,同時具有適中的硬度值(1063.66 g)。

表3　熱風溫度對紅外-熱風聯(lián)合干燥蘋果脆片硬度、脆性及復水性的影響

表4　不同干燥方式對蘋果片色澤的影響

表5　不同干燥方式對蘋果片質(zhì)構(gòu)和復水率的影響

隨熱風溫度的升高干燥蘋果片復水性略有升高,在85℃時干燥蘋果片的復水性最大(5.235 g/g)。綜合考慮,熱風溫度為80℃時干燥蘋果片的感官品質(zhì)最佳。

2.6不同干燥方式蘋果脆片品質(zhì)對比

由表4的結(jié)果可以看出,紅外-熱風聯(lián)合干燥產(chǎn)品具有較高的L*值(75.01)和較小色差(16.33),干燥蘋果片色澤優(yōu)于單一熱風干燥產(chǎn)品;從表5可知,采用紅外-熱風聯(lián)合干燥方式所得干制品的硬度值(1063.66 g)、酥脆性(0.531 s)和復水性(4.395 g/g)都高于單一熱風干燥,而且此種干燥方式下蘋果片含水量(濕基)達到約5%所需的干燥時間比熱風干燥短48 min。因此,紅外-熱風聯(lián)合干燥工藝優(yōu)于普通的熱風干燥。

3　結(jié)論

紅外-熱風聯(lián)合干燥工藝能兼顧蘋果片的品質(zhì)和干燥速度,適當?shù)募t外輻射干燥處理能有效鈍化蘋果中多酚氧化酶,控制干燥過程的酶促褐變[22];適當?shù)奶岣邿犸L干燥溫度,可以提高蘋果片的干燥速率并保持良好品質(zhì)。

前期采用紅外輻射功率1500 W,輻射距離50 mm下干燥5.5 min后,在不同熱風溫度下繼續(xù)干燥。蘋果片的紅外-熱風聯(lián)合干燥過程為降速干燥,蘋果片的水分有效擴散系數(shù)隨熱風溫度升高而增大,其范圍是2.92×10-8～8.85×10-8m2/s。蘋果片的干燥活化能為75.67 kJ/mol。熱風溫度80℃條件下干燥后的蘋果片,其色澤(L*值75.01,a*值8.92、b*值32.97)和酥脆性(硬度1063.66 g,脆度0.531 s)最好,且與單一熱風干燥相比干燥時間短。

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Drying characteristics of infrared radiation combining hot air for apple slices

MU Jin-ping，ZHOU Jia-chun*,JIANG Li-hua,QIU Yong-jun,ZHAO Li-ming*

(State Key Laboratory of Bioreactor Engineering,R&D Center of Separation and Extration Technology in Fermentation Industry,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

Effect of infrared radition distance and hot air temperature on drying characteristics of apple slices were studied in this paper,and the drying time,color,hardness,crispness and redehydration ratio were analyzed.The results showed that hot air temperature had a significant influence on drying characteristics and drying products quality.The whole drying process present a falling rate period.The effective moisture diffusion coefficient of apple slices was range from 2.92×10-8to 8.85×10-8m2/s accroding to Fick’s Second Law,and it was increased with hot air temperature increasing.The activation energy was 75.67 kJ/mol accrodring to Arrenius equation.Drying time of apple slices was greatly shortened(162 min)with the best color(L*75.01,a*8.92,b*32.97)and texture(hardness 1063.66 g,crispness 0.531 s)when infrared radiation distence was 50 mm,infrared power was 1500 W,hot air temperature was 80℃ and air velocity was 0.8 m/s.Infrared radiation combined hot air drying can inhibit enzyme activition,increase drying rate effectively and improve product quality.

apple slice;infrared radiation;hot air drying;drying characteristics

2015-12-18

穆金屏(1990-)，女，碩士，研究方向：食品加工技術(shù)，E-mail:mujinping1990@sina.cn。

趙黎明(1977-)，男，博士，教授，研究方向:食品加工技術(shù)，E-mail:zhaoliming@ecust.edu.cn。

周家春(1960-)，男，碩士，教授，研究方向:食品加工技術(shù)，E-mail:jczhou@ecust.edu.cn。

TS255.1

A

1002-0306(2016)07-0092-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.010