馬鈴薯非油炸擠出方便面熱風(fēng)干燥特性及動(dòng)力學(xué)研究

張 鑫，任元元?，孟資寬，鄒 育，周澤林，張星燦，王擁軍

（四川省食品發(fā)酵研究工業(yè)設(shè)計(jì)院，四川 成都 611130）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L）目前是僅次于小麥、水稻、玉米、大豆的世界第五大主要糧食作物。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2018年播種面積達(dá)4 785.07千公頃，馬鈴薯產(chǎn)量達(dá)到1 798.37萬(wàn)噸位居世界第一，約占世界馬鈴薯總產(chǎn)量的 1/4。2015年國(guó)家農(nóng)業(yè)部提出了“馬鈴薯主食化”發(fā)展戰(zhàn)略，并隨后發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出要對(duì)馬鈴薯進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，中國(guó)的馬鈴薯產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展階段。馬鈴薯非油炸擠出方便面作為馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，在此背景下成為了當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-3]。目前，對(duì)于馬鈴薯方便面的研究主要集中在原料配比，品質(zhì)改良等方面，而干燥作為其加工工藝中的最后一道工序，研究還較少。干燥是面條生產(chǎn)的重要工藝之一，也是控制生產(chǎn)成本的主要工藝單元[4]。熱風(fēng)干燥技術(shù)由于具有易操作、成本低、適合大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)我國(guó)國(guó)情，因此應(yīng)用最為廣泛。研究表明，不同原料的產(chǎn)品其熱風(fēng)干燥特性不盡相同[5-9]。為了解馬鈴薯非油炸擠出方便面的熱風(fēng)干燥特性，本課題探究了不同干燥溫度對(duì)馬鈴薯非油炸擠出方便面熱風(fēng)干燥的影響，并計(jì)算得出不同直徑方便面的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff和擴(kuò)散活化能Ea，選擇適合干燥的動(dòng)力學(xué)模型，以期為進(jìn)一步優(yōu)化馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥過(guò)程中的工藝參數(shù)及干燥設(shè)備選型提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯全粉：甘肅華農(nóng)食品有限公司；高筋小麥粉：河北金沙河面粉有限公司；食用鹽：四川樂(lè)山聯(lián)豐鹽化有限責(zé)任公司；小麥蛋白：江蘇豐園生物科技有限公司；β-環(huán)狀糊精：江蘇宿遷東裕達(dá)商貿(mào)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

非油炸擠出方便面生產(chǎn)線：盛昌達(dá)機(jī)械有限公司；DHG-9030電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海博訊實(shí)業(yè)有限公司；ZHM-400真空和面機(jī)：濰坊格瑞食品機(jī)械制造有限公司；ME-104E電子天平：梅特勒-托利多有限公司。

1.3 方法

1.3.1 馬鈴薯方便面制作工藝

參考楊建[1]等的方法，略有改動(dòng)。小麥粉與馬鈴薯全粉以6∶4的比例倒入真空和面機(jī)混合，攪拌均勻后，進(jìn)行二次擠壓熟化成型（一次擠壓溫度100 ℃；二次擠壓成型溫度60 ℃，其中二次擠出模板分別選用方便面生產(chǎn)中普遍采用的0.7、1、1.2 mm孔徑），再經(jīng)過(guò)切分、蒸煮糊化、干燥包裝等工序，工藝流程圖如圖1所示。

1.3.2 馬鈴薯方便面的干燥

取大小均勻的方便面（初始水份約為37%），在干燥溫度 40、50、60、70 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥，每隔30 min取樣測(cè)定樣品質(zhì)量，直到方便面水分含量小于14%，按GB 17400—2015（食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 方便面）執(zhí)行。

1.3.3 干燥特性指標(biāo)的測(cè)定

方便面干基水分含量的測(cè)定參考 GB 5009.3—2016[10]，計(jì)算如式（1）所示。

式中：Ct為 t時(shí)刻樣品的干基水分含量/(g/g)；mt為t時(shí)刻樣品的質(zhì)量/g；m為樣品干燥后的質(zhì)量/g。

水分比（MR）表示干燥條件下，t時(shí)刻樣品的干基水分含量與初始樣品干基水分含量的比值，用來(lái)反映物料干燥速率的快慢，按式（2）計(jì)算[6]：

式中：Ct為 t時(shí)刻樣品的干基水分含量；C0為初始時(shí)刻樣品的干基水分含量；Ce為干燥平衡時(shí)刻樣品的干基水分含量；Ce為干燥平衡時(shí)間的干基水分含量。

方便面干燥速率按式（3）計(jì)算[6]：

式中：DR為干燥速率；C1和C2分別為干燥到t1和t2時(shí)刻的干基水分含量。

1.3.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算

通過(guò)測(cè)定物料的干燥曲線，結(jié)合Fick方程和Arrhenius方程進(jìn)行計(jì)算有效水分?jǐn)U散系數(shù)（Deff）[8]，在理想狀態(tài)下Fick方程經(jīng)簡(jiǎn)化后如式（4）所示，為線性方程；以lnMR縱坐標(biāo)，時(shí)間t為橫坐標(biāo)作圖，擬合直線方程，得到斜率 K0，用式（5）計(jì)算Deff。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)；L為方便面厚度的一半；t為干燥時(shí)間。

1.3.5 活化能的計(jì)算

物料Deff和干燥溫度的關(guān)系可以用Arrhenius方程表示：

式中，Ea是干燥活化能；D0是擴(kuò)散常數(shù)（m2/s）；R是氣體狀態(tài)常數(shù)，值為8.314 J/(mol·k)；T是熱風(fēng)干燥溫度（℃）。

將式（6）線性轉(zhuǎn)化如下：

將 lnDeff與 1/(T+273)進(jìn)行作圖后線性擬合，根據(jù)得到的擬合方程的斜率為Ea/R，計(jì)算干燥活化能Ea[11]。

1.3.6 方便面干燥動(dòng)力學(xué)模型的選擇

食品干燥是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，為確定方便面干燥動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律，本研究選用5種常見(jiàn)的經(jīng)典干燥模型方程分別描述方便面的干燥曲線[11-15]，所選干燥模型如表1所示。

表1 5種經(jīng)典薄層干燥數(shù)學(xué)模型Table 1 Five thin layer drying classical mathematical models

用決定系數(shù)R2，均方根誤差RMSE 2個(gè)參數(shù)對(duì)方便面干燥的5種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，R2越大，RMSE越小，說(shuō)明模型擬合效果越好，其計(jì)算公式分別為：

式中，MRexp,i為任意時(shí)刻試驗(yàn)值；MRpre,j為任意時(shí)刻預(yù)測(cè)值；n為觀測(cè)值的個(gè)數(shù)；Z為模型待定系數(shù)的個(gè)數(shù)。

1.3.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用origin 2018c和spss軟件進(jìn)行作圖和干燥動(dòng)力學(xué)模型擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯非油炸擠出方便面熱風(fēng)干燥特性

2.1.1 干燥溫度對(duì)馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥曲線的影響

圖 2（a）（b）為直徑 0.7 mm方便面干燥曲線圖，干燥曲線常用于描述物料的含水率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。由圖2可知，不同溫度下馬鈴薯非油炸擠出方便面的干基含水量均隨干燥時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸下降；馬鈴薯非油炸擠出方便面熱風(fēng)溫度越高，干基含水量降低越快。隨著干燥溫度的提高，馬鈴薯非油炸擠出方便面表面的水分蒸發(fā)速度也在上升，干燥環(huán)境中的相對(duì)濕度降低，加大了干燥介質(zhì)與馬鈴薯非油炸擠出方便面的濕度差，導(dǎo)致馬鈴薯非油炸擠出方便面表面水分向干燥介質(zhì)的擴(kuò)散動(dòng)力增加，縮短干燥時(shí)間。但是由圖2（a）可見(jiàn)，60 ℃和70 ℃的干燥曲線基本趨于一致，其原因可能是因?yàn)楫?dāng)溫度超過(guò)60 ℃后，馬鈴薯非油炸擠出方便面外部水分蒸發(fā)速度較快，而內(nèi)部水分遷移速度較慢，減緩了干燥速度，同時(shí)出現(xiàn)方便面表面干燥過(guò)度，面條上有細(xì)小裂紋的現(xiàn)象。因此在一定范圍內(nèi)增加干燥溫度可以有效提高熱風(fēng)干燥效率，縮短干燥時(shí)間。

圖2 不同干燥溫度下馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥曲線（a）和干燥曲線（b）Fig.2 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato non-fried extruded instant noodles at different temperature

2.1.2 干燥溫度對(duì)馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥速率的影響

熱風(fēng)干燥的溫度對(duì)干燥速率和馬鈴薯非油炸擠出方便面的品質(zhì)有重要的影響，不同干燥溫度下馬鈴薯非油炸擠出方便面的干燥速率曲線如圖3所示。從圖 3可知，熱風(fēng)溫度越高，馬鈴薯非油炸擠出方便面的干燥速率越大，干基含水量下降的也越快；隨著熱風(fēng)干燥進(jìn)行，馬鈴薯非油炸擠出方便面干基含水量逐漸減低，干燥速率也隨之下降。在干燥的初始階段，干燥速率處于最大值，然后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，因此整個(gè)干燥過(guò)程可以看成是降速干燥。干燥溫度越高，降速階段越明顯。經(jīng)過(guò)蒸煮糊化工藝后的方便面含有較多的自由水，在干燥開(kāi)始時(shí)，其表面自由水迅速蒸發(fā)，因此干燥速率在開(kāi)始時(shí)最高。隨著干燥過(guò)程的進(jìn)行，馬鈴薯非油炸擠出方便面內(nèi)部水分?jǐn)U散代替表層水分蒸發(fā)，成為影響干燥速率的主要因素；由于馬鈴薯非油炸擠出方便面是經(jīng)二次螺旋擠壓成型，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較緊密，內(nèi)部水分?jǐn)U散速度遠(yuǎn)低于表層水分的擴(kuò)散速度，因此造成干燥速率不斷降低。在一定范圍內(nèi)干燥溫度越高，馬鈴薯非油炸擠出方便面表層水分蒸發(fā)速度越快，馬鈴薯非油炸擠出方便面外部與內(nèi)部的水分梯度越大，方便面水分向外部空間擴(kuò)散的速度越快。當(dāng)干燥溫度超過(guò) 60 ℃后，干燥速率增長(zhǎng)放緩甚至下降，其原因可能是當(dāng)干燥溫度過(guò)高，馬鈴薯非油炸擠出方便面外部水分干燥過(guò)快造成面餅收縮過(guò)度，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密從而不利于內(nèi)部水分向外擴(kuò)散，面餅切分后存在外部干燥過(guò)度，而內(nèi)部水分含量還較高的現(xiàn)象，減緩了干燥速率。

圖3 干燥溫度對(duì)馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥速率的影響Fig.3 Effect of drying temperature on drying rate of potato non fried extruded instant noodles

2.2 馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥模型的擬合與建立

不同直徑、不同干燥溫度下馬鈴薯非油炸擠出方便面的熱風(fēng)干燥曲線與表1中的5個(gè)經(jīng)典干燥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行非線性擬合，篩選出最適干燥模型，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，五種模型的R2平均值依次為 Page＞Midilli＞Pabis＞Parabolic＞Newton，RMSE為 Page＜Midilli＜Pabis＜Parabolic＜Newton，其中Page、Midilli兩個(gè)模型的R2平均值均大于0.995，RMSE平均值均小于0.25*10-2，說(shuō)明這兩個(gè)模型擬合程度較好。由于Page模型的R2最大，RMSE最小，擬合程度最高，同時(shí)參數(shù)少，有利于后期模型參數(shù)的求解[5]，因此確定選擇Page模型為馬鈴薯非油炸擠出方便面的熱風(fēng)干燥模型。

表2 不同干燥溫度下5種干燥模型非線性回歸擬合結(jié)果Table 2 Nonlinear regression fitting results of five drying models under different drying temperatures

續(xù)表2

以溫度（T）和面條直徑（D）為變量，對(duì)各干燥條件下Page模型的參數(shù)k，n值進(jìn)行偏最小二乘法（PLS）回歸擬合分析，擬合方程：k=a1+b1T+c1D+d1TD+e1T2+f1D2；n=a2+b2T+c2D+d2TD+e2T2+f2D2。擬合結(jié)果如下：

k=0.018 75-3.77×10-4T+1.86×10-4D-8.68×10-4TD+5.58×10-41T2+6.98×10-4D2

n=0.038 75+0.078 44T-0.876 9D+5.312×10-4TD-6.708×10-4T2+3.231×10-4D2

將k，n分別帶入page模型中，得到馬鈴薯非油炸擠出方便面的模型為MR=EXP{(0.018 75-3.77×10-4T+1.86×10-4D-8.68×10-4TD+5.58×10-41T2+6.98×10-4D2)}t0.03875+0.07844T-0.8769D+5.312×10-4TD-6.708×10-4T2+3.231×10-4D2

2.3 Page干燥模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的擬合程度，分別選擇直徑0.7 mm、干燥溫度45 ℃，直徑1 mm、干燥溫度55 ℃，以及直徑1.2 mm、干燥溫度65 ℃的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量水分比MR值與模型的預(yù)測(cè)值MR進(jìn)行線性擬合，通過(guò)線性方程得到的決定系數(shù)來(lái)判斷預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之間的差異，結(jié)果見(jiàn)圖 4。由圖4可以看出，Page模型的預(yù)測(cè)值與不同條件下的實(shí)驗(yàn)值基本一致，擬合曲線決定系數(shù)R2均達(dá)到了0.992 1以上，RMSE均小于0.005，因此該模型擬合精度較高，可以用來(lái)作為馬鈴薯非油炸擠出方便面的干燥模型。

圖4 不同條件下page模型驗(yàn)證圖（a）、驗(yàn)證圖（b）和驗(yàn)證圖（c）Fig.4 Page model validation diagram (a)、(b) and (c) in different conditions

2.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff和干燥活化能Ea

Deff和 Ea是衡量干燥過(guò)程中物料脫水能力的重要指標(biāo)，越高的Deff代表物料的脫水能力越強(qiáng)，需要的水分?jǐn)U散活化能越低。根據(jù)公式（6）計(jì)算出不同條件下的方便面Deff，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，不同直徑、不同干燥溫度下的 Deff不同，其數(shù)值在 0.463×10-9～1.845×10-9m2/s之間，水分有效擴(kuò)散系數(shù) Deff隨著干燥溫度的升高而升高，隨著方便面直徑的增加而降低。干燥活化能Ea表示物料干燥過(guò)程中除去單位摩爾水分所需能量，主要由物料本身的結(jié)構(gòu)、形狀和大小等性質(zhì)決定，活化能越大，說(shuō)明物料越難干燥。根據(jù)公式（7），以lnDeff和1/(T+273)作為坐標(biāo)進(jìn)行作圖，根據(jù)斜率計(jì)算出方便面的干燥活化能 Ea分別為65.314、55.265和47.904 kJ/mol，說(shuō)明從方便面中去除1 mol水分所需的最低能量為 65.314 kJ、55.265 kJ和47.904 kJ，因此在不影響產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，適當(dāng)減小面條直徑能夠有效減少干燥過(guò)程中的能量損耗。

表3 方便面水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff和EaTable 3 Effective diffusion coefficient and Ea of instant noodle moisture

3 結(jié)論

馬鈴薯非油炸擠出方便面在不同干燥溫度下，熱風(fēng)干燥曲線呈現(xiàn)基本相同的變化趨勢(shì)，整個(gè)干燥過(guò)程可看成降速干燥過(guò)程。干燥速率隨著溫度的升高而增快，通過(guò)選擇5種常見(jiàn)的薄層干燥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示Page模型能較好地表達(dá)和預(yù)測(cè)方便面干燥的任意時(shí)刻（t）水分比（MR）隨干燥溫度（T）的變化情況，通過(guò)驗(yàn)證模型的有效性，其R2達(dá)到0.999。方便面的有效水分?jǐn)U散系數(shù) Deff在 0.463×10-9～1.945×10-9m2/s 之間；直徑為0.7、1、1.2 mm的方便面對(duì)應(yīng)的干燥活化能Ea分別是47.904、55.265和65.314 kJ/mol，因此在不影響產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，適當(dāng)?shù)臏p小面條直徑能夠有效減少干燥過(guò)程中的能量損失。