黃秋葵熱風干燥工藝研究

朱 杰 黃阿根 楊振泉 朱映華 甘 甜 吳 冰 陳學好

(揚州大學食品科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

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黃秋葵熱風干燥工藝研究

朱 杰 黃阿根 楊振泉 朱映華 甘 甜 吳 冰 陳學好

(揚州大學食品科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

為解決黃秋葵規模化種植后的深加工需要，采用GZ-1型熱風對流干燥試驗裝置對黃秋葵干制工藝進行研究，并從能量消耗計算公式出發提出了比能量消耗因子，作為能耗的評價因素。試驗測定了熱風溫度、風速、鋪放層數對干燥速率的影響，以干燥速率、能耗、色澤指標、多酚含量的變化等參數為評價指標，得出了較優的熱風干燥條件為：溫度80 ℃，雙層鋪放，前期采用風速1.2 m/s，濕基含水量小于53%后降速到0.8 m/s。該條件下得到的產品色澤指標好，總黃酮、多酚等有效成分損失少，能量利用率高。

黃秋葵；熱風干燥；品質指標

黃秋葵(Hibiscusesculentus. L.)，一年生草本植物，別名秋葵、羊角豆、補腎草，為錦葵科(Malvaceae)秋葵屬(Abelmoschus)[1]，是一種適應于熱帶、亞熱帶型的綠色植物。目前，普遍種植于非洲、中北美、亞洲等地區。中國大陸引入較晚，近幾年來才將黃秋葵經臺灣、日本等地作為栽培品種引進。黃秋葵含有豐富的營養，其可食部分嫩果含有豐富的胡蘿卜素、維生素A、E、C、B1、B2，還含有微量元素K、Ca、P、Mg等[2]。此外，嫩果中特有的黏性物質可增強機體抵抗力，助消化促排泄、保護肝臟、增強性功能；同時黃秋葵低糖、低脂可作減肥食品使用，其黏液還可作為脂肪替代物[3-5]。

國外黃秋葵種植歷史長，其研究開發應用較為深入，已由鮮食轉向到更廣闊的應用，如黃秋葵天然乳化劑、絮凝劑、緩釋劑等已應用到食品、醫藥、環保、化妝品等行業[6-7]。而黃秋葵成熟期短、易纖維化，這些應用及生長特點使得黃秋葵干制技術具有重要的實用價值。

熱風干燥是傳統的農副產品工業化干制方法，而黃秋葵由于水分含量多(含水率在90%左右)，果膠含量較多較難脫水，其干制工藝有其特殊性，工藝條件對品質影響更為苛刻。目前，對于黃秋葵熱風干燥的研究[8-11]主要集中于時間、溫度對干燥速率的影響。本研究充分考慮風速、堆放層數等因素對黃秋葵干制效果的影響，并引入相對能耗作為評判標準，更具有實際意義，通過黃秋葵干燥動力學研究、品質分析及能耗因素的對比，進行綜合分析比較，得出較為科學的干燥工藝參數，旨在為黃秋葵及其他農產品干燥研究提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃秋葵：速凍冷藏原料，江蘇揚中廣源食品科技集團公司；選擇嫩莢完整及良好的黃秋葵，自然解凍，去除表面水分，5 mm均勻切段，迅速進行試驗。

標準樣品蘆丁：純度≥99%，上海藍季生物有限公司；

沒食子酸丙酯：AR級，美國Sigma公司。

1.2 主要儀器與設備

數字風速表：DEY-Ⅳ型，中國長春儀器四廠；

干燥實驗裝置：GZ-1型，華南工學院化工機械廠；

真空干燥箱：ZKD-4025型，上海智城分析儀器制造有限公司；

紫外分光光度計：754型，上海菁華科技有限公司；

搖擺式中藥粉碎機：DFY-400D400 g型，溫嶺市林大機械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 黃秋葵干基含水量X與濕基含水量w的測定 干燥稱重法。稱取一定量原料重量為Gg，于105 ℃條件下烘至恒重后測得絕干物料重為Gcg，則干基含水量X和濕基含水量w可通過式(1)、(2)計算[12]254：

(1)

(2)

式中：

X——濕物料干基含水量，kg/kg；

G——濕物料質量，g；

Gc——絕干物料質量，g；

w——濕基含水量，%；

1.3.2 黃秋葵黃酮含量測定 采用NaNO2-Al(NO3)3-NaOH體系絡合化學吸光法[13]。

1.3.3 黃秋葵多酚含量測定 采用酒石酸亞鐵比色法[14]。

1.3.4 黃秋葵干燥樣品色澤指標 黃秋葵干燥切片在香氣、味道上無明顯差異，其主要差異就是顏色，色澤主要從黃秋葵外表皮色澤和切口端面的顏色進行評價。而切口端面色澤干燥條件不同時，色澤變化更明顯，故設計切口端面占色澤權重為70%，外表皮占色澤指標權重30%，不同分值評價標準見表1。該評價表采用10分制評分法，分別對黃秋葵干燥樣品進行評分，兩組平行，結果取平均值。

表1 色澤指標評價表

1.3.5 干燥速率計算 干燥速率U為單位時間內單位絕干物料蒸發的水量，試驗中通過測定汽化一定質量水所需要的時間，通過式(3)來計算U[12]267。

(3)

式中：

U——干燥速率，g/(g·s)；

Gc——絕干物料重, g；

1.3.6 比能耗因子分析 干燥過程熱量消耗主要是指空氣加熱消耗的熱量Q，通過式(4)來分析：

Q=WHCpH(t-t0)(τ-τ0)，

(4)

式中：

WH——單位絕干物料所需的空氣流量，kg/h；

CPH——濕空氣比熱，kJ/(kg·℃)；

t——循環加熱空氣進口溫度，℃；

t0——環境溫度(試驗時室溫20 ℃)，℃；

τ——干燥時間，s；

τ0——干燥至初始含水量所需時間，s。

為了直觀反映不同條件下熱量的變化，特別引入比能耗因子的概念，比能耗因子為不同條件與能量消耗的相對比值，從而有：

①熱量Q與溫度t正比與(t-t0)(τ-τ0)，定義(t-t0)(τ-τ0)為溫度比能耗因子Et；繪制Et與X關系曲線；

②熱量Q與風速u正比與u(τ-τ0)，定義u(τ-τ0)為風速比能耗因子Eu；繪制Eu與X關系曲線；

③熱量Q與層數n正比與(τ-τ0)/n，定義(τ-τ0)/n為層數比能耗因子En；繪制En與X關系曲線。

1.3.7 干燥試驗設計

(1) 熱風溫度對干燥速率及品質的影響：在風速1.2 m/s，雙層鋪放條件下，測定60，70，80，90 ℃的熱風溫度下感官、理化指標，繪制干燥曲線及干燥速率曲線等。

(2) 風速對干燥速率及品質的影響：選擇熱風溫度為80 ℃，雙層鋪放條件下，在0.8，1.0，1.2，1.3 m/s風速下，比較感官、理化指標、干燥曲線及干燥速率曲線等規律。

(3) 鋪放層數對干燥速率及品質的影響：在熱風溫度為80 ℃，風速1.2 m/s下，比較不同鋪放層數制品的感官、理化指標及干燥曲線及干燥速率曲線等規律。

2 結果與分析

2.1 熱風溫度對干燥速率及品質的影響

一般蔬菜含水量w15%以后就易于保存[15]，轉換為干基含水率即為X<0.176 5 kg/kg。由圖1可知，干燥溫度60，70，80，90 ℃下達到保存要求各自需要的時間分別為230，173，138，127 min。圖2顯示溫度較低時，隨溫度升高，干燥速率加快，達到相同的含水率時間越短，進入降速期后，溫度影響顯著性減小。當溫度升至80 ℃后速度差別不太大。而從表2可以看出，溫度對黃酮含量影響不大，多酚含量在90 ℃時有下降趨勢；且溫度升高，色澤指標呈下降趨勢。從能耗圖3可以看出，90 ℃能耗最高，而60 ℃下干燥達到同樣水分，需要的時間長，能耗也增加，超過70 ℃和80 ℃的能耗。從品質指標和能耗兩方面看，70 ℃和80 ℃均較優，且差別不大，結合干燥速率看，80 ℃干燥時間更短，綜合上述分析干燥溫度取80 ℃最優。

表2 不同溫度下理化和色澤指標對比

圖1 不同溫度下干燥曲線

圖2 不同溫度下干燥速率曲線

圖3 不同溫度下比能耗因子對比關系

Figure 3 Contrast relationship of specific energy consump-tion factor at different temperatures

2.2 風速對干燥速率及品質的影響

由圖4可知，當物料干燥至含水量X=0.176 5 kg/kg時，在0.8，1.0，1.2，1.3 m/s風速下所需時間分別為210，185，142，129 min。從干燥速率曲線可以看出風速越大干燥速率越快，達到相同含水量所需時間越短。但當風速增至1.2 m/s后，干燥速率增加趨緩，而從表3看出風速大于1.2 m/s后色澤變差，而從活性成分測定數據看在試驗范圍內差別不大。結合比能耗因子(圖5)可以看出，當含水量較高時(X>2 kg/kg)，由于風速大，脫水速度快，干燥時間短，消耗熱量差別不大。當X<2 kg/kg時風速降低，能耗降低(見圖5局部放大圖)，脫水速率受內擴散控制，強化外擴散的風速影響減弱，當含水量在X<1 kg/kg時(w<50%)，風速對干燥降速影響不大(見圖6)。此時采用低速0.8 m/s更節約熱量。

圖4 不同風速下干燥曲線

圖5 不同風速下比能耗因子對比關系

Figure 5 Contrast relationship of specific energy consump-tion factor at different wind speeds

表3 不同風速下理化和色澤指標對比

圖6 不同風速下干燥速率曲線

結合干燥時間、品質指標和能耗等綜合因素考慮，干燥最佳風速選擇為：當濕基含水率w>50%時(X=1 kg/kg)，風速采用1.2 m/s；含水量w<50%時，風速降為0.8 m/s更節能。

2.3 鋪放層數對干燥速率及品質的影響

圖7、8反映了干燥溫度80 ℃、干燥風速1.2 m/s條件下黃秋葵的鋪放層數對干燥速率的影響。實測數據揭示，干燥至含水量X=0.176 5 kg/kg時，雙層和三層條件下時間分別比單層多21.36%和76.27%。由圖8可知，在很寬水分范圍內，三者脫水速率差別顯著，干燥速率單層>雙層>三層。由表4可知，層數越多色澤指標下降，多酚損失多。干燥層數增多，物料表面氣流速度下降明顯，湍流程度差，傳熱傳質下降，達到同樣含水量所需時間長，從試驗過程看，物料在含水量較高，長時間的情況下，酶活較為活躍，多酚損失多，色澤變差明顯，這在其他農產品加工中也較為常見[16]。

而從比能耗因子對比(圖9)可看出單層能耗最多，且差別較大，雙層和三層能耗差別不大。綜合干燥速率、理化指標、能耗等方面因素考慮，最佳物料干燥層為兩層。由于干燥后期物料被干燥收縮，可多床合并干燥，由圖9可知，當含水量X<1 kg/kg (w<50%)后，多層比能耗也低。合并成3層或更多，有利于節能。

圖7 不同層數下干燥曲線

圖8 不同層數下干燥速率曲線

表4 不同鋪放層數下理化和色澤指標對比

圖9 不同層數下比能耗因子對比關系

3 結論

(1) 本試驗測定了不同條件下干燥動力學曲線和理化色澤評價指標，提出了干燥比能耗因子的評價指標，使得能量消耗對比數據化，為干燥條件優化的選擇提供了客觀依據。

(2) 從干燥曲線、干燥速率曲線、理化、色澤指標、比能耗因子進行綜合考察得出熱風干燥黃秋葵的較優的工藝條件為：采用80 ℃、雙層物料，含水量較高時風速1.2 m/s，濕基含水率低于50%后降速為0.8 m/s，并可多床合并干燥，更為高效節能。

(3) 本試驗是在小試裝置上完成的，而干燥過程是一個復雜的傳質、傳熱同時進行的過程，空氣濕度、風速及溫度的均勻性等都會對干燥動力學規律及產品品質、能耗等產生影響，這些都是在工業化放大裝置開發中應該考慮的。

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Study on drying process by hot air for okra

ZHUJieHUANGA-genYANGZhen-quanZHUYing-huaGANTianWUBingCHENXue-hao

(CollegeofFoodScienceandTechnology,YangzhouUniversity,Yangzhou,Jiangsu225127,China)

In order to seek the further processing technology of Okra after large scale planting, the drying process was researched by using the GZ-1 hot air convection drying apparatus. The specific energy consumption factor was presented from the formula of energy consumption, as an evaluation factor of energy consumption. The effects of different drying air temperature, wind speed and the layer number of laying on drying rate were tested. The drying rate, energy consumption, color and the change of polyphenols content were taken as the evaluation indexes. The optimum hot air drying conditions were temperature 80 ℃, double layer laying, wind speed 1.2 m/s at first, then reducing wind speed to 0.8 m/s when the wet basis moisture content is less than 53%. Under these conditions, the better color index, higher flavonoids and polyphenols content and higher energy efficiency were obtained.

okra; hot air drying; quality index

江蘇省農業科技支撐資助項目(編號：NY2014006)；江蘇省大學生創新基金資助項目(編號：201511117095X)；揚州大學交叉學科建設項目(編號：jcxk2015-14)

朱杰，男，揚州大學在讀碩士研究生。

黃阿根(1963—)，男，揚州大學副教授，碩士。

E-mail：aghuang@yzu.edu.cn

2016—05—06

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.10.042