山藥催化式紅外干燥特性及色澤評價

白竣文,肖 瑞,董 晨,魏靖雯,馬海樂,吳本剛

(江蘇大學 食品與生物工程學院,江蘇鎮江 212013)

山藥催化式紅外干燥特性及色澤評價

白竣文,肖 瑞,董 晨,魏靖雯,馬海樂,吳本剛*

(江蘇大學 食品與生物工程學院,江蘇鎮江 212013)

為了縮短山藥干燥時間、減少色澤劣變,本文研究了山藥在催化式紅外干燥中不同燙漂前處理時間(0.5、1.0、2.0、3.0 min)、切片厚度(0.5、0.8、1.0、1.5 cm)和紅外輻射距離(30、36、42、48 cm)條件下干燥曲線和產品色澤。研究表明:切片厚度和輻射距離對干燥時間有顯著影響(p>0.05),切片厚度0.5 cm下干燥時間比切片厚度1.5 cm縮短約47.73%,輻射距離30 cm下干燥時間比輻射距離48 cm縮短約46.67%,減少切片厚度、縮短輻射距離能夠有效提高干燥效率;燙漂時間(1.0、2.0、3.0 min)對山藥干燥時間沒有顯著影響(p>0.05);山藥整個干燥過程屬于降速干燥,根據菲克第二定律,山藥干燥水分有效擴散系數在1.4770×10-9～5.5043×10-9m2/s。不同條件下山藥干燥后白度值(Whiteness index,WI)為56.19～78.78。通過對山藥干燥時間和色澤的綜合分析,優化的燙漂和干燥工藝為:熱水燙漂1～2 min,切片厚度1.0 cm,輻射距離30 cm,干燥時間約160 min,WI值約為77.36。本研究為山藥催化式紅外干燥加工提供理論依據和技術支持。

山藥,催化式紅外干燥,干燥特性,色澤

山藥為薯蕷科多年生纏繞草質藤本植物[1],根莖是其食用部位,是我國著名的藥食同源植物。山藥富含淀粉、蛋白質、黏液多糖、皂苷、膽堿、多酚氧化酶和礦物質等多種營養成分[2],具有良好的食用品質和保健效果。山藥水分含量較高,在貯藏過程中容易受到微生物的侵染而發生腐敗變質。干燥是保障山藥品質和延長貨架期的重要方式。

熱風干燥是山藥傳統的干燥方法,但普遍存在干燥時間長、效率低、產品品質保存率低等問題。近年來,國內外學者針對山藥的干燥方式,開展了諸如遠紅外聯合冷凍干燥[3],對流干燥[4],微波真空[5],熱泵[6],冷凍干燥[7]以及真空干燥[8]等技術的研究,取得了良好的效果。

山藥在干燥之前,一般進行切片處理,屬于典型的薄片狀物料。針對薄片狀物料(厚度為2～15 mm)干燥,中短波紅外干燥技術具有較大的優勢。首先,中短波紅外釋放的電磁波可以穿透物料表層達到一定的深度,從內部加熱物料[9],具有加熱速度快,穿透能力強的特點[10]。再者,紅外輻射的強度與物料到紅外發射源的距離的平方成反比,平整的薄片狀物料能夠有效避免局部受熱不均導致品質劇烈下降[8]。催化式紅外是一種先進的紅外發生裝置,紅外輻射能量是由天然氣或液化氣在催化劑的作用下與氧氣發生的氧化反應產生,與其他紅外發生技術相比,具有能量利用率高、熱通量高等優勢[11]。催化式紅外在胡蘿卜殺青[11]、脫水蔬菜滅菌[12]等領域有應用,但未發現催化式紅外干燥山藥的相關報道。

本文將催化式紅外干燥技術應用于山藥干燥,研究不同燙漂前處理時間、輻射距離以及切片厚度對山藥干燥動力學和水分有效擴散系數的影響,并利用色差儀對山藥進行色澤評價,為山藥催化式紅外干燥加工技術提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

淮山藥 本地農貿市場,山藥橫截面直徑為(2.3±0.2) cm,初始含水率為87.27%±0.7%(采用GB/T 5009.3-2010中直接干燥法測定[13])。實驗前將山藥置于(4±1) ℃的冰箱中保存。

圖1 催化式紅外干燥設備結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of catalytic infrared drying equipment for impingement注:1.干燥室；2.催化式紅外發生器；3.氣體釋放開關； 4.液化氣管路；5.干燥料盤；6. 壓力表； 7.距離調整螺釘；8.液化氣開關；9.液化氣。

干燥設備 本實驗采用的催化式紅外干燥設備主要由催化式紅外發生器2(尺寸30.0 cm×60.0 cm,釋放紅外波長約3～5 μm)、干燥室1和液化氣9等部分構成。催化式紅外發生器先通過電源器進行預熱約15 min,然后開啟氣液化氣開關9和氣體釋放開光3,通入液化氣,待催化式紅外發生器2穩定后,將物料放于其正下方,物料與紅外發生器之間的距離可根據距離調整螺釘8進行調節。

ME2002E型電子天平,測量精度±0.01 g 美國梅特勒-托利多有限公司生產;SS-250食品切片機 廣州天地人機械有限公司生產;色差儀,Color Quest XE型 美國Hunter Lab公司。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 干燥實驗 從冰箱取出新鮮山藥,待溫度恢復至室溫,去皮,沿橫截面將其切至不同厚度。將切好的山藥片立即置于95 ℃熱水中進行燙漂預處理。燙漂完成以后,瀝干物料表面水分,并置于風扇下,使其快速冷卻至室溫。將處理完成的山藥置于紅外干燥設備中進行干燥實驗,每隔20 min稱量物料的重量,山藥終了含水率控制在濕基含水率13%。具體實驗安排如表1所示,每組實驗重復3次。

表1 實驗設計和實驗參數Table 1 Design for experiments with run conditions included

1.2.2 干燥曲線計算方法 在干燥過程中山藥中水含量用水分比(MR,moisture ratio)來表示,物料中不同時間t水分比由式(1)表示[14-15],

式(1)

其中:Mo,Me和Mt分別表示山藥初始、平衡時和任意干燥t時刻的干基含水率,g/g。由于山藥的平衡含水率Me遠遠的小于Mo和Mt,所以式(1)可簡化為式(2)[16-17]:

式(2)

干燥速率(DR,drying rate)的計算采用如下式[18]:

式(3)

其中:Mt1和Mt2分別表示干燥過程中時間為t1和t2時山藥的干基含水率,g/g。

1.2.3 色澤測定 新鮮和干燥后的山藥色澤利用色差儀來進行定量測定。色差的測量利用國際照明協會(CIE)的色澤空間坐標:L*(亮度,0～100表示從黑色到白色),a*(黃/綠,-60～60表示從純綠色到純紅色),b*(黃/藍,-60～60表示從純藍色到純黃色)。其中物料的L*,a*,b*值重復測量6次,取平均值。

干燥后的山藥產品,顏色越白,色澤越好,經濟價值越高。因此,在評價山藥色澤上,除了采用基本的L*,a*,b*值來表示外,還經常采用白度值(WI,Whiteness index)作為重要的評價山藥色澤的參數,其值約大,表明山藥色澤越白,品質越好。白度值WI具體計算公式[19-20]如下:

(4)

1.2.4 數據處理方法 干燥時間和色澤每組進行3次平行實驗,數據采用SPSS 20.0軟件進行統計分析,差異顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 山藥催化式紅外干燥特性研究

2.1.1 燙漂時間對山藥干燥的影響 山藥切片厚度1.0 cm,紅外輻射距離36 cm條件下,經不同熱水燙漂處理時間,其干燥時間和干燥速率曲線如圖2所示。由圖2a可知,山藥分別經過0.5、1.0、2.0、3.0 min熱水燙漂處理后,經紅外干燥達到目標含水率所需要的時間分別約為200、190、190、190 min。經統計分析可知,燙漂時間為0.5 min下所需干燥時間最長,而燙漂時間為1.0、2.0、3.0 min所需干燥時間沒有顯著性差異(p>0.05)。研究表明,燙漂處理能增加細胞膜的通透性,有利于水分的遷移和擴散,可以加快物料干燥速率[21]。然而,山藥是一種淀粉含量很高的物料,其淀粉糊化程度會隨著燙漂時間的增加而逐漸增高[19]。淀粉糊化后在物料表面會形成結殼現象,阻礙了水分的遷移,抵消了燙漂促進水分遷移的有益效果。不同燙漂時間下山藥干燥速率曲線見圖2b所示,由圖中可以看出隨著干燥的進行山藥干燥速率逐漸降低,沒有出現升速段和恒速段,整個干燥過程屬于降速干燥。大多數的農產物料的干燥都屬于降速干燥,這可能是由于物料在干燥過程中無法持續的提供恒定充足的水分以供蒸發有關[22]。

圖2 不同燙漂時間下山藥干燥曲線Fig.2 Drying curves of yam under different blanching time

2.1.2 切片厚度對山藥干燥的影響 燙漂時間為2 min,紅外輻射距離為36 cm條件下,山藥不同切片厚度下干燥時間和干燥速率曲線見圖3所示。由圖3a可知,切片厚度分別為0.5、0.8、1.0、1.5 cm條件下,山藥經紅外干燥達到終了含水率所需要時間分別約為115、130、190、220 min。切片厚度為0.5 cm下山藥干燥時間比切片厚度為1.5 cm時間縮短約47.73%。經統計分析可知,不同切片厚度下山藥干燥時間有顯著性差異(p<0.05)。由圖3b可知,不同切片厚度下山藥干燥速率隨干燥的進行逐漸降低,屬于典型的降速干燥。山藥從新鮮到干基含水率約0.5 g/g,切片厚度越薄,干燥速率越大;當山藥干基含水率在0.5 g/g以下,各切片厚度下山藥干燥速率十分緩慢,并趨于一致。綜上所述,在實驗范圍內,減少切片厚度能夠有效的提高干燥效率、縮短干燥時間。

圖3 不同切片厚度下山藥干燥曲線Fig.3 Drying curves of yam under different slice thickness

2.1.3 輻射距離對山藥干燥的影響 山藥切片厚度1.0 cm,燙漂時間為2 min,不同紅外輻射距離下山藥干燥時間和干燥速率曲線見圖4。由圖4a可知,紅外輻射距離分別為30、36、42、48 cm條件下,山藥干燥達到終了含水率的時間分別約為160、190、260、300 min。紅外輻射距離為30 cm條件下山藥干燥時間比輻射距離為48 cm下縮短約46.67%。經統計分析可知,不同輻射距離下山藥干燥時間有顯著性差異(p<0.05)。由圖4b可知,山藥干燥速率隨干燥的進行逐漸降低,并且輻射距離越短,干燥速率越大。因此,在實驗范圍內,減少輻射距離能夠有效提高山藥干燥效率,縮短干燥時間。

圖4 不同輻射距離下山藥干燥曲線Fig.4 Drying curves of yam under different infrared radiation distance

2.2 山藥干燥過程中水分有效擴散系數的計算

由圖2b、圖3b和圖4b可知,所有干燥條件下山藥干燥速率隨著干基含水率的減少而逐漸降低,沒有出現升速段和恒速段,整個干燥過程屬于降速階段,表明內部水分擴散控制整個干燥過程。因此,可利用菲克第二定律來描述山藥的水分擴散規律,公式可簡化為[23]:

表2 山藥干燥水分有效擴散系數Table 2 Moisture effective diffusion coefficients of yam slices under different drying conditions

式(4)

其中,Deff表示水分有效擴散系數,m2/s;l表示山藥片厚度,m2;t表示干燥時間,s。

山藥在干燥過程中水分比的自然對數與干燥時間t呈線性關系,其一次回歸方程表達式以及由其求出的水分有效擴散系數見表2。由表2可知,切片厚度1.0 cm,紅外輻射距離36 cm條件下,燙漂時間0.5 min條件下水分有效擴散系數最低,而燙漂時間為1、2、3 min(實驗號2，3，4)下水分有效擴散系數沒有顯著差異(p<0.05)。山藥干燥水分有效擴散系數隨燙漂時間的增加,呈現先增加而后趨于一致的趨勢。山藥經過適當的燙漂處理,能夠增加細胞膜的通透性,有利于水分的遷移和擴散,但隨著燙漂時間的增加,其淀粉糊化程度也會逐漸增高,反而會抑制水分遷移[19]。燙漂時間為2 min,紅外輻射距離為36 cm條件下,山藥切片厚度從0.5 cm增加到1.5 cm,山藥水分有效擴散系數從1.4770×10-9m2/s增加到5.5043×10-9m2/s,表明增加切片厚度能夠提高山藥的水分有效擴散系數。山藥切片厚度1.0 cm,燙漂時間為2 min條件下,輻射距離從30 cm增加到48 cm,其水分有效擴散系數從3.7426×10-9m2/s逐漸減少到2.0792×10-9m2/s,表明縮短輻射距離能夠提高水分有效擴散系數。綜上所述,就山藥干燥過程中水分有效擴散系數而言,適當增加燙漂處理時間、增加切片厚度、縮短輻射距離,能夠有效促進山藥在干燥過程中水分遷移。

2.3 山藥色澤評價

不同干燥條件下,山藥白度值WI見圖5所示。由圖5可知,實驗范圍內不同條件下山藥干燥后WI值在56.19到78.78之間。切片厚度1.0 cm,紅外輻射距離36 cm條件下,燙漂時間分別為0.5、1.0、2.0 min下山藥的WI值沒有顯著性差異,均高于燙漂時間為3.0 min下山藥的WI值。燙漂時間為2 min,紅外輻射距離為36 cm,山藥切片厚度從0.5 cm增加到1.5 cm,WI值呈現先增加而后降低的趨勢,切片厚度為1.5 cm下的WI值最低。在較薄的切片厚度下,物料在干燥后期容易出現輕微焦糊的現象,使山藥WI值降低;切片厚度較大會使干燥時間偏長,增加了物料與外界氧氣接觸的時間,加劇氧化褐變的發生,影響最終的色澤。山藥切片厚度1.0 cm,燙漂時間為2 min下,紅外輻射距離30、36 cm下的WI值沒有顯著性差異,均高于輻射距離為42、48 cm條件下的WI值,說明在一定范圍內縮短紅外輻射距離可以有效提高山藥的WI值。這可能是由于較近的紅外輻射距離可以有效縮短干燥時間,從而減少了物料暴露于空氣中的時間,以減少酶促褐變和其他氧化反應的發生。通過對干燥時間和色澤的分析,優化的燙漂和干燥工藝為:熱水燙漂1～2 min,切片厚度1.0 cm,輻射距離30 cm。

圖5 不同干燥條件下山藥色澤WI值Fig.5 The WI values of dried yam under different drying conditions

3 結論

在實驗范圍內,山藥切片厚度和輻射距離對干燥時間有顯著影響,減少切片厚度、縮短輻射距離能夠有效減少干燥時間,提高干燥效率。燙漂時間(1.0、2.0、3.0 min)對山藥干燥時間沒有顯著性影響。山藥干燥速率隨著干基含水率的減少而逐漸降低,沒有出現升速段和恒速段,整個干燥過程屬于降速階段。根據菲克第二定律,山藥紅外干燥水分有效擴散系數在1.4770×10-9～5.5043×10-9m2/s之間。

實驗范圍內,不同條件下山藥干燥后WI值在56.19到78.78之間。通過對山藥干燥時間和色澤的分析,優化的燙漂和干燥工藝為:熱水燙漂1～2 min,切片厚度1.0 cm,輻射距離30 cm,在該條件下，干燥時間約160 min,WI值約為77.36。

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Drying characteristic and product color evaluation of yam by catalytic infrared drying

BAI Jun-wen,XIAO Rui,DONG Chen,WEI Jing-Wen,MA Hai-le,WU Ben-gang*

(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The aim of this study was to shorten the drying time and reduce the color deterioration during drying process. The drying curves and product color were investigated under different hot water blanching pre-treatment time(0.5,1.0,2.0,3.0 min),slice thickness(0.5,0.8,1.0,1.5 mm)and infrared radiation distance(30,36,42,48 cm)by catalytic infrared drying. The results demonstrated that slice thickness and infrared radiation distance showed a significant impact on drying time(p<0.05),and the drying rate would be improved by reducing the slice thickness and shortening the radiation distance. The drying time under slice thickness of 0.5 cm was reduced by about 47.73% compared with the slice thickness of 1.5 cm,and drying time under radiation distance of 30 cm was reduced by about 46.67% compared with the radiation distance of 48 cm. Blanching pre-treatment time(1.0,2.0,3.0 min)had no significant effect on drying time(p>0.05). Yam slices samples showed only a falling rate period and the moisture effective diffusivity was between 1.4770×10-9m2/s and 5.5043×10-9m2/s by the Fick’s second law. The whiteness index(WI)value of dried yam products were between 56.19 and 78.78 under different pre-treatment and drying conditions. Through the analysis of drying time and products’ color,the optimum processing condition was blanching time for 1～2 min,slice thickness of 1.0 cm,infrared radiation distance of 30 cm,the drying time was about 160 min and WI value was about 77.36. The results will provide a theoretic reference and technical supports for am slices drying process.

yam;catalytic infrared drying;drying characteristic;color

2016-10-24

白竣文(1987-)，男，博士，助理研究員，研究方向：農產品(食品)干燥技術與裝備,E-mail:bjw@ujs.edu.cn。

*通訊作者:吳本剛(1986-)，男，博士，講師，研究方向：食品干燥技術，E-mail：Jimmy20081@163.com。

江蘇自然科學基金(BK20160504)；中國博士后科學基金(2016M591789)；江蘇省農產品物理加工重點實驗室開放基金(JAPP2014-4)；江蘇大學高級人才科研啟動基金(15JDG060)。

TS255.3

B

1002-0306(2017)07-0221-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.035