不同濕度環(huán)境下的胡蘿卜微波干燥過程研究

周洪梅， 李臻峰， 李 靜， 李麗麗， 徐晚秀

（江南大學(xué) 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122）

胡蘿卜含有豐富的營養(yǎng)成分，深受消費(fèi)者的喜愛[1-3]。我國是胡蘿卜生產(chǎn)大國[4]，其保存方法受到廣泛研究，而干燥加工出來的產(chǎn)品能夠抑制微生物的生產(chǎn)繁殖和酶的活性，延長貯藏期、且易于運(yùn)輸，因此干燥成為國內(nèi)外研究較多的食品儲藏加工方法之一[5]。微波干燥具有干燥時(shí)間短、熱效率高[6-7]、清潔生產(chǎn)且兼有殺菌作用等特點(diǎn)，在食品與農(nóng)產(chǎn)品加工行業(yè)得到廣泛運(yùn)用[8-9]。

濕度是物料微波干燥過程中的重要參數(shù)，通過監(jiān)測干燥過程中環(huán)境濕度的變化，可以指導(dǎo)調(diào)整物料干燥工藝參數(shù)，從而獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品[10]。大量研究表明物料溫度、功率密度及物料厚度對微波干燥過程有顯著影響，而環(huán)境濕度變化對微波干燥過程的研究則相對較少[11-13]。Pu等[14]研究了不同的排濕風(fēng)速對微波干燥過程中濕度的影響，發(fā)現(xiàn)排濕風(fēng)速的改變會造成環(huán)境濕度的變化，從而對干燥速率和干后品質(zhì)造成顯著影響，干燥過程中濕度較大則干后品質(zhì)較優(yōu)；王慶惠等[15]通過熱風(fēng)干燥方式干燥圣女果，采用分段式變溫變濕策略，在干燥前期降低濕度，發(fā)現(xiàn)能有效地保留圣女果的營養(yǎng)成分及色澤；Zlatanovic I等[16]在蘋果塊干燥過程中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境濕度越低則干燥時(shí)間越短；巨浩羽等[17]也得出了相同的結(jié)論；Dai等在研究基于溫濕度控制的杏子干燥動力學(xué)中發(fā)現(xiàn)，前期保持干燥介質(zhì)的高濕狀態(tài)，后期連續(xù)排濕干燥，可比連續(xù)排濕干燥縮短18.75%的干燥時(shí)間[18]。

目前，關(guān)于微波干燥過程中濕度的研究較少，作者以胡蘿卜為實(shí)驗(yàn)材料，將其放入密閉的物料罐內(nèi)，向物料罐中通入不同濕度水平、不同時(shí)間的濕空氣。與不加濕條件下作對比，研究在加濕條件下物料環(huán)境濕度、干燥速率及干后品質(zhì)的變化，確定較優(yōu)的微波干燥條件，為微波干燥過程中濕度的研究與控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

胡蘿卜：市售；HH1數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州智博瑞儀器制造有限公司產(chǎn)品；3NH NR110電腦色差儀：深圳市三恩時(shí)科技有限公司產(chǎn)品；UV-1800島津紫外可見分光光度計(jì)：日本島津制作所產(chǎn)品；高效液相色譜儀Agilent 1100：美國安捷倫科技有限公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

研究設(shè)計(jì)了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分：加濕控制單元，微波干燥單元[14]，濕度檢測單元及電腦控制單元[14]。

圖1 微波干燥及加濕系統(tǒng)Fig.1 Microwave drying and humidification system

加濕控制單元包括空氣壓縮機(jī)8、氣體流量控制器9、緩沖罐10、二位三通閥11、水蒸氣發(fā)生器12。從空氣壓縮機(jī)里出來的空氣為除濕后的干空氣，干空氣經(jīng)過氣體流量控制器及緩沖罐，到達(dá)二位三通閥，當(dāng)系統(tǒng)需要加濕時(shí)，閥的下路接通，干空氣流經(jīng)水蒸氣發(fā)生器，該發(fā)生器可以控制水蒸氣的發(fā)生量，從而產(chǎn)生不同相對濕度的濕空氣，濕空氣進(jìn)入物料罐內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)不需要加濕時(shí)，閥的上路接通，干空氣直接進(jìn)入物料罐內(nèi)。

濕度檢測單元包括濕度計(jì)4、熱電偶5、保溫罐3、熱風(fēng)槍1。因物料罐內(nèi)濕度不能在微波爐內(nèi)測得，所以將其通入保溫罐內(nèi)層用濕度計(jì)測得，測得的濕度數(shù)據(jù)同時(shí)傳入電腦，熱電偶檢測內(nèi)層實(shí)時(shí)溫度并傳入電腦，利用反饋調(diào)節(jié)控制熱風(fēng)溫度，使保溫罐內(nèi)層的溫度與物料罐內(nèi)的溫度保持一致。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)時(shí)物料溫度設(shè)置為70℃，物料罐內(nèi)通過的空氣流量設(shè)置為3 L/min，此條件下干燥時(shí)間較短且干后品質(zhì)較為理想[19]。加濕濕度分為30%、50%、70%、90%4個(gè)水平，加濕時(shí)間分為0.5、1.0、1.5 h 3個(gè)水平，實(shí)驗(yàn)組0H0為不加濕對照組。當(dāng)物料干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.11 g/g（相當(dāng)于濕基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤10%）時(shí)停止干燥。具體方案見表1，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

表1 加濕實(shí)驗(yàn)方案Table1 Humidification test plan

1.4 指標(biāo)測定方法

1.4.1 干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)及干燥速率測定 采用國標(biāo)（GB 5009.3-2010）中的常壓干燥法[20]測得胡蘿卜的初始干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.76 g/g，干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)按式（1）計(jì)算：

式中：Mt為物料干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/g；Wt為干燥任意時(shí)刻的總質(zhì)量，g；G為干物質(zhì)質(zhì)量，g。

干燥速率（drying rate，DR）按式（2）計(jì)算：

式中：DR 為物料的干燥速率，g·g-1·min-1；Mt2、Mt1分別為t2、t1物料時(shí)刻的干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)，g/g。

1.4.2 復(fù)水比測定 將干燥后的物料稱重后放入80℃恒溫水浴鍋復(fù)水40 min，取出后用濾紙吸干表面水分，測得物料復(fù)水后的質(zhì)量[21]。復(fù)水比按式（3）計(jì)算：

式中：Rf為物料復(fù)水比；mt為物料復(fù)水后質(zhì)量，g；md為物料干燥后質(zhì)量，g。

1.4.3 色差值的測定 用色差計(jì)測新鮮和干燥后的胡蘿卜[22]，每個(gè)樣品重復(fù)6次取平均值。L*、a*、b*分別代表明度、紅綠度、黃藍(lán)度，ΔL、Δa、Δb表示干燥前后L*、a*、b*之差，干燥前后的色差值為：

1.4.4 VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定 采用紫外分光光度法測定胡蘿卜中的VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)。稱取樣品10 g于研缽中，加入少量質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鹽酸，迅速研磨后轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鹽酸溶液定容，用5000 r/min的離心機(jī)離心10 min，得到胡蘿卜的VC提取液。吸取上清液10 mL于50 mL容量瓶中，加入0.3 mL硫酸銅溶液并用蒸餾水定容后，于70℃水浴鍋中加熱16 min，取出冷卻至室溫，以試劑空白為參照，在230 nm處測定吸光度。對比VC溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線[23]，得出胡蘿卜中VC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4.5 β-胡蘿卜素測定 采用國標(biāo)GB/T 5009.83-2003中的高效液相色譜法[24]測定物料中β-胡蘿卜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 物料罐內(nèi)濕度的變化規(guī)律

2.1.1 恒定加濕濕度、不同通入時(shí)間下罐內(nèi)濕度的變化規(guī)律 向物料罐內(nèi)分別通入0.5、1.0、1.5 h恒定濕度水平（30%、50%、70%、90%）的濕空氣，得到如圖2所示的罐內(nèi)濕度變化曲線。濕度變化曲線采用干基含水率作為橫坐標(biāo)，解決了由于干燥時(shí)間不同引起的濕度變化過程難比較的問題。由圖2可知，物料罐內(nèi)的濕度由通入的濕空氣的濕度及物料內(nèi)部出來的水蒸氣的濕度共同決定。不加濕時(shí)濕度峰值達(dá)到65%，而通入濕空氣濕度分別為30%、50%、70%、90%時(shí)峰值分別為 65%、75%、85%、90%。除了加濕30%的情況下沒有增加濕度峰值，其他加濕條件下都能夠增加罐內(nèi)濕度峰值。

罐內(nèi)的濕度變化主要分為3個(gè)階段，快速上升階段、高濕維持階段、快速下降階段。不加濕情況下，高濕維持區(qū)間很短，在水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7～9 g/g這段區(qū)間；而加濕30%的情況下，加濕0.5 h的維持區(qū)間為 6.5～10.0 g/g，加濕 1 h的維持區(qū)間為 4～10 g/g，加濕1.5 h的維持區(qū)間則為2～10 g/g，可以看到維持區(qū)間隨著加濕時(shí)間的增加而增加；加濕50%、70%、90%的情況與之類似。

在停止加濕的轉(zhuǎn)換點(diǎn)之后罐內(nèi)濕度依然可以維持在峰值附近，不會立刻下降。這是因?yàn)榧訚襁^程抑制了水分從胡蘿卜里出來的速率，當(dāng)停止加濕后，胡蘿卜表面與干燥介質(zhì)間的水蒸氣壓力差加大，干燥速率迅速上升，使得罐內(nèi)濕度依然維持在峰值附近，只有當(dāng)胡蘿卜內(nèi)部的水分大量溢出后，干燥速率下降，罐內(nèi)濕度才會出現(xiàn)下降。

2.1.2 恒定通入相同、不同加濕濕度下罐內(nèi)濕度的變化規(guī)律 圖3為不同加濕時(shí)間分類得到的罐內(nèi)濕度對比圖。可以發(fā)現(xiàn)，加濕0.5 h條件下的濕度曲線和不加濕條件下的相比幾乎沒有區(qū)別，除了上升階段濕度相對較高。這是因?yàn)榧訚?.5 h對于整個(gè)干燥過程來說時(shí)間太短，所以不論通入的濕空氣濕度多少，后期罐內(nèi)濕度區(qū)別不大，而前期的區(qū)別主要是由通入的濕空氣濕度決定。

加濕時(shí)間相同的條件下，通入的濕空氣濕度越高，其轉(zhuǎn)換點(diǎn)的干基含水率越高，即高濕維持區(qū)間越短。以加濕1.5 h的圖為例，加濕30%的條件下，高濕維持區(qū)間為2～10 g/g，而加濕90%的條件下，高濕維持區(qū)間為7～10 g/g。雖然加濕的時(shí)間相同，但因?yàn)橥ㄈ氲臐窨諝鉂穸仍礁撸锪系母稍锼俾示驮降停滢D(zhuǎn)換點(diǎn)的干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。因此較低的加濕濕度有利于高濕區(qū)間的維持。

圖3 恒定通入時(shí)間、不同加濕濕度下罐內(nèi)濕度隨含水率變化曲線Fig.3 Curves of humidity with moisture ratio in the tank under different humidity of moisture at the same time

2.2 恒定加濕濕度、不同通入時(shí)間下胡蘿卜微波干燥特性的變化

圖 4 中 （a）、（b）、（c）、（d） 分別為通入 30%、50%、70%、90%的濕空氣時(shí)，胡蘿卜的干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間及干燥速率隨干基水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線。由水質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線可知，通入30%的濕空氣可以降低干燥時(shí)間，而通入50%、70%、90%的濕空氣則會增加干燥時(shí)間。通入30%的濕空氣，0.5 h的干燥時(shí)間最短，為130 min，比不加濕條件下的干燥時(shí)間快30 min，1.0 h和1.5 h的則只快了10 min；通入50%的濕空氣，0.5 h的與不加濕的干燥時(shí)間差不多，而1.5 h的則慢了30 min；通入70%的濕空氣則都比不加濕時(shí)慢，加濕1.5 h的要比不加濕條件下的慢了將近50 min；通入90%的濕空氣其整體干燥時(shí)間是最慢的，加濕1.5 h的比不加濕時(shí)慢了60 min。可見，通入的濕空氣濕度越高，通入時(shí)間越久，干燥時(shí)間就越長。

圖4 恒定加濕濕度、不同通入時(shí)間下水質(zhì)量分?jǐn)?shù)及干燥速率變化曲線Fig.4 Curves of moisture ratio and drying rate under different time of constant humidity of moisture

觀察干燥速率曲線，可以發(fā)現(xiàn)不加濕情況下，干燥速率分為3個(gè)階段，快速上升階段、緩慢下降階段、快速下降階段；加濕后分為緩慢上升階段、雙峰階段、快速下降階段。加濕后，干燥速率上升區(qū)間變短，且上升較慢，然后干燥過程進(jìn)入低速維持區(qū)，這樣能夠在干燥前期減少對物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，避免出現(xiàn)鼓泡、破裂等現(xiàn)象。另外，加濕有助于延長低速維持區(qū)間。停止加濕后，干燥速率出現(xiàn)峰值。

顯而易見，隨著加濕時(shí)間增加，停止加濕后出現(xiàn)的干燥速率峰值呈下降趨勢，峰值出現(xiàn)的位置向含水率減小的方向偏移。這是因?yàn)橄嗤訚駶穸认拢訚駮r(shí)間越長，干燥過程進(jìn)行的越久，胡蘿卜內(nèi)所含的水分就越少，胡蘿卜的干燥速率受此影響，峰值呈遞減趨勢且向水質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小的方向偏移。

2.3 加濕對胡蘿卜干制品品質(zhì)的影響

干后胡蘿卜的外觀是對品質(zhì)最直接的體現(xiàn)，圖5為各條件下得到的干后胡蘿卜的外觀圖。加濕時(shí)間為0.5 h的情況下，胡蘿卜會出現(xiàn)不同程度的焦糊，且內(nèi)部有鼓泡現(xiàn)象，鼓泡是由于內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)破裂造成的；隨著加濕時(shí)間增加，焦糊現(xiàn)象減弱至消失，加濕時(shí)間為1.5 h的情況下得到的干后物料基本無焦糊；3H1.5、5H1.5及7H1.5條件下的干后胡蘿卜顏色較為鮮亮，無焦糊和鼓泡，外觀品質(zhì)較好；9H1.0、9H1.5條件下的干后胡蘿卜表面略微泛白，這可能是由于通入濕空氣濕度過高、干燥時(shí)間過久造成的。

圖5 干后胡蘿卜的外觀圖Fig.5 Appearance of dried carrot

從表2可以看出，加濕能夠提高胡蘿卜的復(fù)水率且降低胡蘿卜的色差。實(shí)驗(yàn)組 3H1.5、9H1.5、7H1.5及5H1.5干后復(fù)水率較高，都達(dá)到了3.86以上，比不加濕情況下提高了16.6%；實(shí)驗(yàn)組3H0.5、7H0.5及5H0.5干后復(fù)水率較低，雖然比不加濕情況下有所改善，但效果不明顯。對比這些實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)條件發(fā)現(xiàn)，加濕時(shí)間越長其復(fù)水率越高，色差較小；加濕時(shí)間較短，復(fù)水率和色差的改善效果不明顯，說明延長加濕時(shí)間可以改善干后胡蘿卜的復(fù)水率及色差。

圖6 干后胡蘿卜的VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)及β-胡蘿卜素保留率圖Fig.6 VC content and beta carotene retention ratio of dried carrot

從圖6來看，加濕能夠顯著提高干后胡蘿卜的VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)及β-胡蘿卜素保留率。實(shí)驗(yàn)組5H1.5、3H1.5、7H1.5及5H1.0這4組干后胡蘿卜的VC含量較高，對應(yīng)圖3及圖4可以看出，這4種條件下的高濕維持區(qū)間較長。實(shí)驗(yàn)組3H0.5、3H1.0、5H0.5及9H1.5這4組干后胡蘿卜的VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。實(shí)驗(yàn)組3H1.5、5H1.5、5H1.0及7H1.0這4組干后胡蘿卜的β-胡蘿卜素保留率較高，達(dá)到50%左右，高于不加濕條件下的43.21%。

對比實(shí)驗(yàn)組實(shí)驗(yàn)條件發(fā)現(xiàn)，維持較長的高濕區(qū)間可以改善干后胡蘿卜的品質(zhì)，例如3H1.5、5H1.5、7H1.5條件下的干后物料，其外觀得到較大改善，營養(yǎng)物質(zhì)的保留率明顯提高。高濕區(qū)間下胡蘿卜的前期干燥速率較低，有效地保護(hù)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，高濕區(qū)間較長時(shí)，停止加濕后物料的干燥速率峰值較小且峰值出現(xiàn)在水質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的位置，胡蘿卜內(nèi)部的大量自由水、半結(jié)合水在較長時(shí)間內(nèi)已經(jīng)排出，胡蘿卜的內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)已成型，后期的干燥速率峰值不會對其結(jié)構(gòu)造成太大的破壞，所以其綜合品質(zhì)相對較好。加濕0.5 h條件下的干后胡蘿卜品質(zhì)幾乎沒有得到改善，結(jié)合圖3、圖4發(fā)現(xiàn)其加濕時(shí)間太短，高濕維持區(qū)間太短，停止加濕后出現(xiàn)較高的干燥速率峰值，且峰值出現(xiàn)在水質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的位置，大量水分快速排出，導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)大量流失。但干燥時(shí)間過長也會造成營養(yǎng)物質(zhì)的流失，例如9H1.5條件下，由于其干燥時(shí)間過長，VC和β-胡蘿卜素長時(shí)間隨著蒸發(fā)的水分流至物料表面，造成氧化分解。

因此，通入適宜濕度的濕空氣、增加加濕時(shí)間從而增加高濕維持區(qū)間、不過長的干燥時(shí)間是獲得較好品質(zhì)的干后胡蘿卜的三要素。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加濕30%-1.5 h、50%-1.5 h及70%-1.5 h條件下的胡蘿卜干后品質(zhì)較好。

3 結(jié)語

微波干燥過程中濕度環(huán)境的不同會導(dǎo)致胡蘿卜干后品質(zhì)的不同，保持較長的高濕維持區(qū)間可改善干后胡蘿卜的品質(zhì)。加濕能夠增加高濕維持區(qū)間；加濕濕度相同時(shí)，高濕維持區(qū)間隨著加濕時(shí)間的增加而增加；加濕時(shí)間相同時(shí)，通入的濕空氣濕度越低，高濕維持區(qū)間越長。另外，加濕濕度越高、加濕時(shí)間越長，干燥時(shí)間就越長，而干燥時(shí)間過長容易造成VC及β-胡蘿卜素的流失，因此需選擇合適的加濕濕度及較長的加濕時(shí)間。實(shí)驗(yàn)證明，加濕30%-1.5 h、50%-1.5 h及 70%-1.5 h的條件下，高濕維持區(qū)間較長且干燥時(shí)間適宜，胡蘿卜的干后品質(zhì)較好。該研究為微波干燥過程中濕度的研究與控制提供了理論依據(jù)，同時(shí)該工藝條件下得到的胡蘿卜干制品具有更佳的品質(zhì)。