檸檬片真空遠(yuǎn)紅外干燥特性及對品質(zhì)的影響

杜騰飛，趙麗娟，王丹丹，李建國

(天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

檸檬是世界上最有藥用價值的水果之一，富含維生素 C、檸檬酸等有效成分，具有抗菌消炎、延緩衰老、抑制色素沉積、抵抗壞血病等作用[1-5]．新鮮檸檬常溫下保質(zhì)期 30d，切片干制后保存期可延長至300d．目前，國內(nèi)市場檸檬片干制品多采用真空冷凍干燥與熱風(fēng)干燥兩種方式生產(chǎn)，其產(chǎn)品的色澤、維生素 C的含量對價格影響較大[6-8]．常婷婷等[8]通過對檸檬片進(jìn)行大量的熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)，得到最佳干燥條件：干燥溫度 70～90℃，片厚 3～5mm，風(fēng)速 0.4～0.6m/s．黃艷斌等[9-10]經(jīng)對熱風(fēng)干燥檸檬片的干燥特性進(jìn)行研究，得到能良好描述其干燥過程的數(shù)學(xué)模型式，以指導(dǎo)生產(chǎn)．謝振文等[6]對檸檬片真空冷凍干燥生產(chǎn)工藝進(jìn)行了研究，得到凍干處理加工的最佳工藝：片厚 4mm，預(yù)凍溫度低于-40℃，凍結(jié)時間 8h，升華干燥擱板溫度 40℃，冷阱溫度-50℃，干燥時間9h．范蘭娣[11]發(fā)現(xiàn)經(jīng)真空冷凍干燥后的檸檬片，其形態(tài)、香氣保持良好，2min即能在常溫水中完全復(fù)水，與鮮檸檬片泡水飲品味道基本無異．高煒等[12]用色度分析儀分析了冷凍干燥、熱風(fēng)干燥、紅外干燥、真空干燥方式得到的檸檬片干制品的色澤并進(jìn)行了比較，認(rèn)為真空干燥是干制檸檬片的最佳方式；王海鷗等[13]研究了真空凍結(jié)冷凍干燥、傳統(tǒng)冷凍干燥、熱風(fēng)干燥3種方式下干燥的檸檬片干制品色澤、維生素C保留率，并進(jìn)行了對比，得到真空凍結(jié)冷凍干燥干制檸檬片最佳方法．上述研究只對最終干制品的色澤進(jìn)行了測定，并沒有測定整個干燥過程中檸檬片的色澤變化．真空冷凍干燥技術(shù)生產(chǎn)的檸檬片干制品雖質(zhì)量優(yōu)異，但存在設(shè)備成本和能耗較高、干燥時間長、產(chǎn)量低等缺點(diǎn)．

真空遠(yuǎn)紅外干燥采用遠(yuǎn)紅外輻射對物料供熱，物料放置在真空環(huán)境下進(jìn)行干燥．具有傳熱傳質(zhì)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、無污染、易控制等優(yōu)點(diǎn)[14-16]．劉云宏等[17-18]研究了金銀花、地黃等中藥材的真空遠(yuǎn)紅外干燥動力學(xué)模型，但沒有研究干燥參數(shù)對干制品品質(zhì)的影響．張秦權(quán)等[19]設(shè)計了工業(yè)遠(yuǎn)紅外聯(lián)合低溫真空干燥設(shè)備用來干燥果蔬，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，縮短了干燥時間，并顯著降低操作能耗．

本研究采用真空遠(yuǎn)紅外干燥箱對具有熱敏及氧敏性的檸檬片進(jìn)行干燥，在研究干燥特性的同時，利用高清相機(jī)拍攝干燥過程中檸檬片的圖像，運(yùn)用數(shù)字圖像處理方法中常用的 RGB(紅、綠、藍(lán))模型分離并測定出干制品紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三個顏色通道的大小，R、G、B 強(qiáng)度值越大，干制品色澤與新鮮產(chǎn)品越接近．研究干燥過程中檸檬片的 RGB強(qiáng)度變化及不同干燥工藝對檸檬片成品質(zhì)量的影響，對工業(yè)生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用意義．

1 材料與方法

1.1 物料與試劑

表皮光滑、大小均勻的新鮮檸檬，購于天津市某超市．

維生素 C標(biāo)準(zhǔn)品，中國醫(yī)藥上海化學(xué)試劑公司．草酸，分析純，天津市化學(xué)試劑一廠．

1.2 設(shè)備與儀器

天津摩納科技有限公司生產(chǎn)的 MNZF-100型真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥箱，額定功率 4kW，溫度范圍50～200℃，溫度波動度±1℃，真空度范圍 1～100kPa(可調(diào))，壓力恢復(fù)速度≤10kPa/min(可調(diào))，輻射距離范圍50～250mm(可調(diào))．干燥箱結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥箱Fig. 1 Vacuum far-infrared dryer

CJS-0.5型真空冷凍干燥機(jī)，上海浦東冷凍干燥設(shè)備有限公司；SY-5型果蔬實(shí)驗(yàn)烤箱，額定功率3kW，干燥裝置的溫濕度參數(shù)采用自動控制，溫度范圍為常溫至 200℃，控制精度為±1℃，北京華珍烘烤系統(tǒng)設(shè)備工程有限公司；RP10002k型電子天平，量程(120±0.01)g，常州銳品精密儀器有限公司；Agilent-1200高效液相色譜儀，安捷倫科技(中國)有限公司；EOS 5D相機(jī)，日本佳能株式會社；自制暗箱；可調(diào)節(jié)點(diǎn)光源．

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

預(yù)處理：選取新鮮檸檬的中間部分，均勻切片并去籽，切片厚度為4mm，每個檸檬切5或6片，需16片備用．將檸檬片分成兩組，第一組檸檬片 4片，用于測定物料濕含量(濕基含水率)；另一組包含檸檬片12片，用于后續(xù)測定干燥特性．

將預(yù)處理后的檸檬片單層均勻地平鋪在兩層塑料紗布制成的托網(wǎng)中，在真空遠(yuǎn)紅外干燥箱內(nèi)進(jìn)行不同溫度、壓力下的干燥實(shí)驗(yàn)，干燥箱輸出功率為2 kW，輻射距離為 140 mm．為了模擬連續(xù)生產(chǎn)中物料濕含量和色澤變化情況，同一溫度和壓力下多次實(shí)驗(yàn)(溫度分別為 50、55、60℃，壓力分別為 2、4、6 kPa)．為減少實(shí)驗(yàn)誤差，應(yīng)使真空箱內(nèi)的壓力在物料稱重后盡快恢復(fù)(實(shí)驗(yàn)中每次恢復(fù)時間為 30s)；若壓力恢復(fù)過慢，真空箱內(nèi)達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求壓力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)就無指導(dǎo)意義．在絕對壓力較低時，干燥時間間隔為 1h；壓力較高時，干燥時間間隔為 0.5h[9,12]．每一干燥階段結(jié)束時快速測定物料的質(zhì)量，用相機(jī)在暗箱內(nèi)同一光源條件下拍攝物料圖像，直至檸檬片干燥至安全含水率(濕基含水率為10%)．同一工藝下重復(fù)3次，所測數(shù)據(jù)取平均值．

1.4 品質(zhì)測定

1.4.1 RGB強(qiáng)度

通過對檸檬片干燥過程中的圖像進(jìn)行 RGB分離，單獨(dú)測量每個顏色分量的強(qiáng)度變化．對圖像的RGB分離與強(qiáng)度計算采用國際通用的開源數(shù)字圖像處理開發(fā)庫(OpenCV)并結(jié)合NOKIA公司的Qt GUI設(shè)計平臺，設(shè)計了一套算法．實(shí)現(xiàn)了檸檬片的快速自適應(yīng)閾值定位，并進(jìn)行 RGB分離與 R、G、B三通道的平均強(qiáng)度計算．

1.4.2 維生素C保留率

圖2 不同干燥溫度和壓力下的干燥曲線Fig. 2 Drying curves under different operating temperature and pressure

采用高效液相色譜法，按照 GB 5009.86—2016《食品中抗壞血酸的測定》方法測定新鮮檸檬片和不同干燥品中維生素 C的含量．維生素 C標(biāo)準(zhǔn)工作曲線為其中x為標(biāo)準(zhǔn)液質(zhì)量濃度，μg/mL；y為對應(yīng)的峰面積值．

由于新鮮檸檬原料和干燥樣品的濕基含水率存在差異，檸檬片干燥樣品的維生素 C保留率計算公式[13]為

式中：RC為干燥樣品的維生素 C保留率，%；v0為新鮮檸檬的維生素C含量，mg/g；vd為干燥樣品的維生素 C含量，mg/g；x0為新鮮檸檬濕含量，為 87.39%；xd為干制品濕含量，為10%．

1.4.3 復(fù)水比

將干燥后的檸檬片和對照組的檸檬片分別放入60℃的恒溫水浴鍋中復(fù)水，0～1h每 10min測量一次檸檬片質(zhì)量，1～2h每 30min測量一次，2h后每60min測一次；測量前應(yīng)用濾紙吸干表面水分．復(fù)水比=m2/m1[20-21]，其中 m1為復(fù)水前檸檬片質(zhì)量，g；m2為復(fù)水過程中檸檬片質(zhì)量，g．每組樣品重復(fù)3次，取其結(jié)果的平均值．

1.5 不同干燥方式的比較

檸檬片熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)條件：干燥溫度 60℃，箱內(nèi)濕度 40%，物料切片厚度 4mm，每次干燥新鮮檸檬片16片，所得干制品濕含量為9.75%．

檸檬片真空冷凍干燥實(shí)驗(yàn)條件：物料切片厚度4mm，每次干燥新鮮檸檬片16片；預(yù)凍階段，預(yù)凍溫度-35℃，預(yù)凍時間15h；升華階段，冷阱溫度-50℃，絕對壓力 0.4Pa，干燥時間 48h，所得干制品濕含量為10.11%．

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計分析軟件SPSS24.0對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Duncan’s法進(jìn)行多重比較，顯著性水平P＜0.05．圖中同一類指標(biāo)標(biāo)注不同字母表示有顯著性差異(P＜0.05)；表中含義相同．

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度和操作壓力對干燥特性的影響

圖 2為不同溫度和操作壓力條件下檸檬片的干燥曲線．

由圖2可知：檸檬片干燥時的失水速率受溫度的影響較大，溫度越高，干燥到安全含水率所需時間越短．這是由于干燥溫度越高，物料與外部環(huán)境之間以及物料內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)速率越大，表現(xiàn)為干燥速率越大，干燥時間越短[9]．溫度越低時，操作壓力對干燥過程的影響越大；溫度越高時，操作壓力對干燥過程的影響越小．溫度對干燥時間的縮短具有顯著性差異(P＜0.05)．如操作溫度為 50℃時，在 2、4、6kPa的操作壓力下，檸檬片干燥至安全含水率的時間分別為7.0、8.0、8.5h；操作溫度為55℃時，在相同操作壓力下，檸檬干燥至安全含水率的時間分別為6.7、7.6、8.0h；而在 60℃時，相應(yīng)的壓力下，干燥至安全含水率的時間分別為 6.0、6.1、6.2h，不同操作壓力下的干燥時間差越來越小，可見高溫操作時壓力對干燥過程的影響較小．

2.2 RGB強(qiáng)度分析

圖 3為在溫度為 60℃、壓力為 2kPa條件下干燥過程中檸檬片的RGB強(qiáng)度變化曲線，圖4為干燥過程中RGB強(qiáng)度與濕基含水率的關(guān)系．

圖3 真空遠(yuǎn)紅外干燥過程中RGB強(qiáng)度變化Fig. 3 Changes of RGB intensity during vacuum farinfrared drying process

圖4 真空遠(yuǎn)紅外干燥過程中 RGB強(qiáng)度與濕基含水率的關(guān)系Fig. 4 Relationship between RGB intensity and moisture content during vacuum far-infrared drying process

由圖3和圖4可知：在干燥過程中，RGB強(qiáng)度保持G值＞R值＞B值，RGB強(qiáng)度發(fā)生明顯改變是在6h左右，即檸檬片達(dá)到濕含量為 10%左右的要求之前．在干燥前中期，R值在干燥過程沒有明顯變化，G值與B值逐漸下降．在此干燥過程中，檸檬片的顏色逐漸稍有加深，但變化不大，未出現(xiàn)明顯的褐變現(xiàn)象，因此在干燥過程中 G值與 B值是影響色澤變化的關(guān)鍵因子．在干燥終末點(diǎn)左右，R值、G值、B值均大幅下降，檸檬片的顏色迅速加深，出現(xiàn)了不同程度的褐變現(xiàn)象，但在感官上本干燥產(chǎn)品的色澤仍優(yōu)于市售檸檬片色澤．由此可知，檸檬片發(fā)生褐變的臨界含水率為 10%左右，RGB強(qiáng)度越大，檸檬片產(chǎn)品成色越好，與新鮮檸檬片色澤差距越小．

2.3 不同工藝參數(shù)條件下的RGB強(qiáng)度

表 1為不同操作條件下得到的檸檬片干制品的RGB強(qiáng)度比較．

表1 不同工藝參數(shù)條件下真空遠(yuǎn)紅外干燥檸檬片的RGB強(qiáng)度數(shù)據(jù)表Tab. 1 RGB intensity of lemon slices dried with vacuum infrared drying technology under different process parameters

從表 1中可以看出：同一干燥溫度下，操作壓力越低，G值和 B值越大，產(chǎn)品色澤越好；說明檸檬片干燥過程中氧氣對產(chǎn)品變色有一定影響，而溫度對產(chǎn)品色澤的影響不大(P＞0.05)．與其他條件相比，溫度為 60℃、壓力為 2kP時所得干制品的 G值(94.73)最大，且 B值(46.41)僅比溫度為 50℃、壓力為 2kPa時產(chǎn)品的 B 值(48.29)小 1.88；但 60℃、2kPa條件下的最終干燥時間(6h)比 50℃、2kPa條件下的最終干燥時間(7h)縮短了1h．

2.4 不同干燥方式的比較

2.4.1 干燥時長對比

表 2為熱風(fēng)干燥、真空遠(yuǎn)紅外干燥、真空冷凍干燥最終干燥時間的對比．真空遠(yuǎn)紅外干燥方式的干燥時間(6h)較熱風(fēng)干燥的干燥時間(7h)有微弱優(yōu)勢，比真空冷凍干燥的干燥時間(48h)有明顯優(yōu)勢(P＜0.05)．

表2 不同干燥方式干燥時間的對比Tab. 2 Comparison of drying time of different drying technologies

2.4.2 檸檬片RGB強(qiáng)度對比

熱風(fēng)干燥、真空遠(yuǎn)紅外干燥、真空冷凍干燥所得終產(chǎn)品的RGB強(qiáng)度如圖5所示．比較影響檸檬片色澤變化的關(guān)鍵因子，真空冷凍干燥產(chǎn)品 G值＞真空遠(yuǎn)紅外干燥產(chǎn)品G值＞熱風(fēng)干燥產(chǎn)品 G值；真空冷凍干燥產(chǎn)品B值＞真空遠(yuǎn)紅外干燥產(chǎn)品B值＞熱風(fēng)干燥產(chǎn)品B值．不同干燥方式的RGB強(qiáng)度差異明顯(P＜0.05)．由于G值、B值越大，干燥產(chǎn)品的色澤與新鮮檸檬越接近，故真空冷凍干燥產(chǎn)品的色澤最佳，其次為真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥，熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的色澤最差．

圖5 不同干燥方式下檸檬片的RGB強(qiáng)度對比Fig. 5 Comparison of RGB intensity of different drying technologies

2.4.3 檸檬片維生素C保留率和復(fù)水比對比

圖6為60℃、2kPa條件下的真空遠(yuǎn)紅外干燥產(chǎn)品、真空冷凍干燥產(chǎn)品、熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的維生素C保留率和復(fù)水比的比較．

圖6 不同干燥方式下的維生素C保留率和復(fù)水比Fig. 6 Vitamin C retention and rehydration ratio with different drying technologies

新鮮檸檬的維生素 C含量是 56.12mg/100g，真空遠(yuǎn)紅外干燥產(chǎn)品的維生素 C保留率為 49.92%，真空冷凍產(chǎn)品的維生素 C保留率為 65.14%，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的維生素 C保留率(14.33%)．這可能是因?yàn)闊犸L(fēng)干燥中的氧氣濃度較高導(dǎo)致了維生素C損失較大；真空遠(yuǎn)紅外干燥時氧氣濃度較低，故產(chǎn)品中維生素 C保留率較高；真空冷凍干燥時真空腔內(nèi)壓力只有 0.4Pa，接近于無氧環(huán)境，故維生素 C的保留率最高．

真空冷凍干燥產(chǎn)品的復(fù)水效果最好，其次為真空遠(yuǎn)紅外干燥產(chǎn)品，而熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的復(fù)水效果最差；對應(yīng)檸檬片的最終復(fù)水比分別為 3.56、3.15、2.12．這主要因?yàn)闊犸L(fēng)干燥是在高溫常壓下進(jìn)行，產(chǎn)品干縮變形嚴(yán)重，表面氧化形成致密保護(hù)層，阻礙水分進(jìn)出，影響復(fù)水性能[22]．真空冷凍干燥的物料內(nèi)水分去除以升華干燥為主，可以形成良好的多孔結(jié)構(gòu)，復(fù)水過程中與水的接觸面積大，復(fù)水程度比熱風(fēng)干燥制品要高得多[6]；真空遠(yuǎn)紅外干燥是在真空環(huán)境下采用熱輻射對物料加熱，也有利于物料內(nèi)部空隙的形成，故而其復(fù)水比也遠(yuǎn)高于熱風(fēng)干燥產(chǎn)品，但由于操作壓力還是要高于冷凍干燥，故而空隙的數(shù)量及大小要低于冷凍干燥產(chǎn)品，復(fù)水比也會相應(yīng)降低．

3 結(jié) 論

(1)檸檬片色澤發(fā)生迅速變化的臨界水分含量為10%．當(dāng)干燥過程中檸檬片水分含量低于 10%時，檸檬片迅速發(fā)生褐變，RGB強(qiáng)度迅速下降．

(2)綜合考慮，真空遠(yuǎn)紅外最佳的干燥工藝為操作溫度 60℃，操作壓力 2kPa，干燥時間 6h，輻射距離 140mm，檸檬片厚度 4mm，所得干制品的 RGB強(qiáng)度為R值93.00、G值94.73、B值46.41，維生素C保留率為49.92%，復(fù)水比為3.15．

(3)通過比較不同干燥方式得到的檸檬片干制品的干燥時間、RGB強(qiáng)度、復(fù)水比和維生素 C保留率可知，真空遠(yuǎn)紅外干燥產(chǎn)品品質(zhì)遠(yuǎn)高于熱風(fēng)干燥產(chǎn)品，稍遜于真空冷凍干燥產(chǎn)品．