香蔥葉片微波- 熱風(fēng)聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化及干燥動(dòng)力學(xué)研究

肖亞冬，吳海虹，田 震，李大婧，方 華，王義祥，劉春泉，馮 蕾

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014；2.江蘇翠源食品股份有限公司，江蘇 東臺(tái) 224231）

香蔥是蔥屬（Allium） 百合科（Liliaceae） 蔥族（Allieae） 鱗莖植物[1]，富含維A、維C、胡蘿卜素和礦物質(zhì)和揮發(fā)性丙硫醚等芳香物質(zhì)。我國(guó)作為蔥屬類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品種植大國(guó)，在出口貿(mào)易中占有極大的市場(chǎng)份額，出口的蔥屬類(lèi)產(chǎn)品主要包括保鮮制品和脫水制品兩大類(lèi)[2]。其中，脫水香蔥所占比例較大，作為方便面等食品調(diào)味包和即食湯等湯料中必不可少的成分，脫水香蔥具有食用方便、風(fēng)味濃郁的特點(diǎn)，深受歐美、日本等國(guó)消費(fèi)者歡迎[3]。目前，工業(yè)生產(chǎn)中主要采用熱風(fēng)干燥和真空冷凍干燥對(duì)香蔥進(jìn)行脫水，然而這2 種干燥方式均存在一些不足。熱風(fēng)干燥的干燥效率低且干燥產(chǎn)品品質(zhì)差，冷凍干燥雖能在最大限度上保留香蔥的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[4]，但能耗高、設(shè)備昂貴、推廣難度大。因此，研究新型的干燥方法對(duì)于生產(chǎn)高質(zhì)量的香蔥干制品至關(guān)重要。

聯(lián)合干燥技術(shù)是指將2 種或2 種以上干燥技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的一種干燥技術(shù)[5]。近年來(lái)，由于聯(lián)合干燥能夠提高干燥效率、降低干燥能耗且顯著改善干制品品質(zhì)受到國(guó)內(nèi)外研究者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[6]。其中，微波干燥具有干燥速度快、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)[7]，通過(guò)與不同干燥技術(shù)聯(lián)合使用，能夠充分發(fā)揮微波干燥速率快、產(chǎn)品質(zhì)量高的優(yōu)勢(shì)，有效解決微波干燥中存在的電磁場(chǎng)分布不均導(dǎo)致的物料干燥不均勻問(wèn)題。陳健凱等人[8]對(duì)杏鮑菇采用微波- 熱風(fēng)聯(lián)合干燥，研究發(fā)現(xiàn)與單獨(dú)的熱風(fēng)干燥和微波干燥進(jìn)行比較，微波- 熱風(fēng)聯(lián)合干燥產(chǎn)品品質(zhì)最好。王順民等人[9]研究熱風(fēng)干燥與微波干燥及其聯(lián)合干燥對(duì)菠菜復(fù)水性、維C 保留率的影響，結(jié)果表明，聯(lián)合干燥比熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間縮短了近50%，維C保留率提高了約40%。綜上所述，微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥不僅能夠提高干燥效率，而且可較好地保持產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

因此，擬采用先微波后熱風(fēng)的聯(lián)合干燥方式對(duì)香蔥葉片進(jìn)行干燥，首先考查微波功率、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率及熱風(fēng)溫度對(duì)香蔥葉干燥速率、復(fù)水比、色澤及營(yíng)養(yǎng)成分含量的影響，通過(guò)響應(yīng)曲面分析法對(duì)聯(lián)合干燥的工藝進(jìn)行優(yōu)化得到最佳干燥工藝；進(jìn)一步地，開(kāi)展香蔥葉片微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥不同階段的干燥動(dòng)力學(xué)研究，建立適合不同階段的干燥動(dòng)力學(xué)模型，為實(shí)際生產(chǎn)中香蔥葉片干燥提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香蔥（Allium ascalonicum），購(gòu)自江蘇南京孝陵衛(wèi)市場(chǎng)。

無(wú)水乙醇（分析純），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供；蒜氨酸標(biāo)準(zhǔn)品（色譜純），上海源葉生物科技有限公司提供；甲醇（色譜純），德國(guó)默克集團(tuán)提供。

DHG-9073BS-Ⅲ型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司產(chǎn)品；WRD09S-01 型微波設(shè)備，南京三樂(lè)微波技術(shù)發(fā)展有限公司產(chǎn)品；UV-6300 型紫外分光光度計(jì)，上海美譜達(dá)儀器有限公司產(chǎn)品；H2050R 型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)，長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司產(chǎn)品；HPLC1200 型高效液相色譜儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司產(chǎn)品；CM-700d1型全自動(dòng)色差計(jì)，日本柯尼卡美能達(dá)公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 原料處理

選取新鮮、大小均勻、無(wú)病蟲(chóng)害的香蔥，將其清洗后切分成葉片和葉柄2 個(gè)部分，取其中葉片部分置于4 ℃冰箱中備用。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

分別對(duì)微波功率1 000~3 000 W、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率30%~70%和熱風(fēng)溫度45~85 ℃進(jìn)行單因素試驗(yàn)，測(cè)定香蔥葉片干燥速率、復(fù)水比、ΔE 值、硫代亞磺酸酯和蒜氨酸保留率等指標(biāo)，具體設(shè)計(jì)如下：

（1） 微波功率1 000，2 000，3 000 W。

（2） 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率30%，40%，50%，60%，70%。

（3） 熱風(fēng)溫度45，55，65，75，85 ℃。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)定干燥速率、復(fù)水比、ΔE 值、葉綠素保留率及蒜氨酸保留率等指標(biāo)，以各指標(biāo)最優(yōu)值為參照值進(jìn)行歸一化，賦予其不同的權(quán)重系數(shù)得到綜合評(píng)分[10]，以綜合評(píng)分作為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。權(quán)重系數(shù)：干燥速率0.2，復(fù)水比0.4，ΔE 值-0.2，葉綠素保留率0.3，蒜氨酸保留率0.3。

Box-behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 Box-behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平設(shè)計(jì)

1.2.4 干燥數(shù)學(xué)模型

應(yīng)用于干燥曲線(xiàn)的薄層干燥數(shù)學(xué)模型見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)用于干燥曲線(xiàn)的薄層干燥數(shù)學(xué)模型

1.2.5 含水率的測(cè)定

新鮮香蔥初始含水率的測(cè)定參考GB 5009.3—2016《食品中水的測(cè)定方法》。干燥過(guò)程中香蔥葉片干基含水率的計(jì)算公式如下：

式中：Xt——干燥過(guò)程中t 時(shí)刻香蔥葉片的干基含水率，%；

mt——干燥過(guò)程中t 時(shí)刻香蔥葉的質(zhì)量，g；

md——香蔥葉片干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.2.6 干燥速率的計(jì)算

香蔥葉片的干燥速率采用總平均速率表示，為整個(gè)干燥過(guò)程初始至干燥結(jié)束時(shí)葉片干基含水率之差與整個(gè)干燥過(guò)程所需要的時(shí)間之比[11]，公式如下：

式中：DR——平均干燥速率，g(H2O)/（g絕干物料·min）；

Xt——干燥結(jié)束時(shí)葉片干基含水率，%；

X0——干燥初始葉片干基含水率，%；

t——干燥所需時(shí)間，min。

1.2.7 復(fù)水比的測(cè)定

稱(chēng)取香蔥葉片干樣2 g 放入200 mL 去離子水中，在20 ℃下每隔30 min 取出，將其表面水分用濾紙擦干并稱(chēng)重，至其質(zhì)量基本不變?yōu)橹埂?fù)水比用下列公式進(jìn)行計(jì)算[12]：

式中：Mr——復(fù)水后香蔥葉片的質(zhì)量，g；

Md——香蔥葉片干燥產(chǎn)品的質(zhì)量，g。

1.2.8 色澤的測(cè)定

采用色差計(jì)測(cè)定干燥前后香蔥葉片的色澤。其中，L 為亮度值。L 值越大代表亮度越大。a 值代表紅綠，a 值為正值時(shí)表示樣品偏紅，a 值為負(fù)值時(shí)代表樣品偏綠。b 值代表黃藍(lán)，b 值為正值時(shí)表示樣品偏黃，b 值為負(fù)值時(shí)表示樣品偏藍(lán)[13]。

1.2.9 葉綠素保留率的測(cè)定

采用分光光度計(jì)法測(cè)定葉綠素的含量，并以干基表示[14]。取新鮮香蔥葉片0.2 g，干制品粉末0.1 g，放入研缽中。加入少量石英砂和碳酸鈣及體積分?jǐn)?shù)95%乙醇溶液3 mL 研成勻漿，再加體積分?jǐn)?shù)95%乙醇溶液10 mL，轉(zhuǎn)移至試管中避光提取4 h 后采用抽濾裝置進(jìn)行抽濾，將濾液置于25 mL 具塞試管中，用體積分?jǐn)?shù)95%乙醇溶液定容，搖勻。以體積分?jǐn)?shù)95%乙醇溶液為空白，于波長(zhǎng)665 nm 和649 nm 處測(cè)定吸光度。計(jì)算公式如下：

式中：D665——葉綠素在665 nm 下的吸光度；

D649——葉綠素在649 nm 下的吸光度；

Cr——葉綠素總質(zhì)量濃度，mg/L。

1.2.10 蒜氨酸保留率的測(cè)定

香蔥葉片中蒜氨酸含量的測(cè)定參考夏陳等人[15]和Iberl B 等人[16]的方法并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，色譜條件：Eclipse XDB-C18柱（250 mm×4.6 mm，5.0 μm）；DAD 檢測(cè)器，檢測(cè)波長(zhǎng)214 nm；柱溫30 ℃；流動(dòng)相為甲醇（A） 和水（B），其中甲醇為95%，等梯度洗脫0~10 min；流速為0.8 mL/min。

1.2.11 水分比的計(jì)算

水分比（MR） 計(jì)算公式[17]如下：

式中：MR——水分比；

Wt——t 時(shí)刻葉片干基含水率，%；

W0——葉片初始干基含水率，%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)均平行重復(fù)3 次，采用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、顯著性分析和方差分析，顯著性水平p<0.05。結(jié)果以平均值（means） ±標(biāo)準(zhǔn)差（SD） 表示。利用Origin 2019 軟件進(jìn)行繪圖，并用Design Expert 8.0.6 軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對(duì)香蔥葉干燥特性及品質(zhì)的影響

2.1.1 微波功率對(duì)香蔥葉片干燥特性及品質(zhì)的影響

微波功率對(duì)香蔥葉片干燥特性和品質(zhì)的影響見(jiàn)圖1。

圖1 微波功率對(duì)香蔥葉片干燥特性和品質(zhì)的影響

由圖1（a） 可知，微波功率對(duì)葉片干燥速率有顯著影響（p<0.05），干燥速率隨微波功率增大顯著增大。依據(jù)微波干燥原理[7]，微波功率越大，葉片中水分子吸收能量越多，其在單位時(shí)間內(nèi)改變方向的次數(shù)越多，葉片干燥速率越快。由圖1（b） 可知，微波功率為1 000 W 和2 000 W 時(shí)葉片干制品復(fù)水比和ΔE 值顯著大于3 000 W。原因可能是微波功率較高時(shí)葉片脫水迅速，皺縮情況較嚴(yán)重導(dǎo)致微波功率越高葉片復(fù)水性越差[18]。由圖1（c） 可知，微波功率為2 000 W 和3 000W 時(shí)葉片中葉綠素和蒜氨酸保留率顯著大于1 000 W 時(shí)的保留率，可能是由于微波功率小，干燥時(shí)間長(zhǎng)，葉綠素和蒜氨酸損失較大[19]。因此，確定微波功率1 000，2 000，3 000 W為優(yōu)化試驗(yàn)的水平。

2.1.2 水分轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)香蔥葉片干燥特性及品質(zhì)的影響

轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)香蔥葉片干燥特性和品質(zhì)的影響見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)香蔥葉片干燥特性和品質(zhì)的影響

由圖2（a） 和（b） 知，隨轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率增大，葉片干燥速率顯著降低（p<0.05）。復(fù)水比在轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率為40%時(shí)最低，其他轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率葉片復(fù)水比間無(wú)顯著差異（p>0.05）；轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)葉片ΔE值無(wú)顯著影響（p>0.05）。由圖2（c） 可知，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)葉片葉綠素保留率無(wú)顯著影響（p>0.05）。蒜氨酸保留率在轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率40%~70%時(shí)無(wú)顯著差異，30%時(shí)顯著降低，可能是因?yàn)樵谒趾?0%時(shí)微波干燥時(shí)間長(zhǎng)且微波干燥溫度較高導(dǎo)致葉片中蒜氨酸保留率顯著降低。因此，確定轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率40%，50%，60%為優(yōu)化試驗(yàn)的水平。

2.1.3 熱風(fēng)溫度對(duì)香蔥葉片干燥特性及品質(zhì)的影響

熱風(fēng)溫度對(duì)香蔥葉片香蔥葉片干燥特性和品質(zhì)的影響見(jiàn)圖3。

圖3 熱風(fēng)溫度對(duì)香蔥葉片干燥特性和品質(zhì)的影響

由圖3（a） 和（b） 可知，葉片干燥速率隨熱風(fēng)溫度升高顯著增大，但熱風(fēng)溫度對(duì)葉片復(fù)水比無(wú)顯著影響（p>0.05）；熱風(fēng)溫度對(duì)香蔥葉片ΔE 值無(wú)顯著影響（p>0.05）。由圖3（c） 可知，熱風(fēng)溫度為55~85 ℃時(shí)葉片中葉綠素保留率無(wú)顯著差異（p>0.05），45 ℃時(shí)保留率顯著降低，因?yàn)?5 ℃時(shí)葉片干燥速率較低，干燥時(shí)間長(zhǎng)，葉綠素?fù)p失顯著[20]。熱風(fēng)溫度對(duì)葉片蒜氨酸保留率具有顯著影響（p<0.05），隨著溫度的升高蒜氨酸保留率顯著降低，原因是蒜氨酸對(duì)熱比較敏感，熱風(fēng)溫度升高時(shí)導(dǎo)致其降解加快，故其保留率會(huì)降低[21]。因此，確定熱風(fēng)溫度55，65，75 ℃為優(yōu)化試驗(yàn)的水平。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

響應(yīng)面方案及結(jié)果見(jiàn)表3，回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 響應(yīng)面方案及結(jié)果

表4 回歸方程系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

使用Design Expert 8.0.6 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到回歸方程如下：

Y=0.32+0.15A-0.057B+0.043C+0.13AB+0.16AC-0.099BC+0.18A2+0.16B2-0.013C2.

對(duì)二次回歸方程進(jìn)行方差分析，由表4 可知，p值為0.012 5<0.05 表明該回歸方程模型顯著。R2=88.87%，表示因變量與綜合得分之間具有顯著的線(xiàn)性關(guān)系。方程失擬項(xiàng)為0.060 5>0.05，不顯著，說(shuō)明試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c真實(shí)值之間擬合程度良好，因此該研究中優(yōu)化試驗(yàn)所得的二次回歸方程能夠很好地對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

微波功率和轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)香蔥葉綜合評(píng)分的影響見(jiàn)圖4。

圖4 微波功率和轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)香蔥葉綜合評(píng)分的影響

由表3 可知，微波功率和轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率是香蔥葉干燥產(chǎn)品品質(zhì)綜合評(píng)分的主要影響因素。由圖4（a） 可知，當(dāng)微波功率不變時(shí)，綜合評(píng)分隨轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率增大而減小；當(dāng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率不變時(shí)，綜合評(píng)分隨微波功率增大而增大。由圖4（b） 可知，微波功率與轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的二維等高線(xiàn)圖大致呈橢圓形，交互作用顯著[22]。

微波功率和熱風(fēng)溫度對(duì)香蔥葉綜合評(píng)分的影響見(jiàn)圖5。

圖5 微波功率和熱風(fēng)溫度對(duì)香蔥葉綜合評(píng)分的影響

由圖5（a） 可知，當(dāng)熱風(fēng)溫度不變時(shí)，葉片干制品品質(zhì)綜合評(píng)分隨微波功率的增大先減小后增大。當(dāng)微波功率不變時(shí)，綜合評(píng)分隨熱風(fēng)溫度增大而減小。由圖5（b） 可知，等高線(xiàn)圖大致為馬鞍形，說(shuō)明微波功率和熱風(fēng)溫度交互作用顯著。

2.3 驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果

由優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果知，葉片微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥最優(yōu)工藝為微波功率2 986.86 W，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率42%，熱風(fēng)溫度74.96 ℃。在此條件下，葉片干燥速率、復(fù)水比、a 值、葉綠素保留率和蒜氨酸保留率分別為37.00 g/g·min-1，4.35，-8.53，79.37%和76.88%，各指標(biāo)綜合評(píng)分為0.95。考慮到實(shí)際生產(chǎn)工藝，采用微波功率3 000 W、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率40%，熱風(fēng)溫度75 ℃作為最終工藝參數(shù)并進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證回歸模型數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 驗(yàn)證回歸模型數(shù)據(jù)

驗(yàn)證性試驗(yàn)值與理論值相對(duì)誤差較小，說(shuō)明回歸模型能夠預(yù)測(cè)和分析香蔥葉片綜合評(píng)分與試驗(yàn)因素之間的關(guān)系。

2.4 香蔥葉片微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)研究

香蔥葉微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型擬合時(shí)，選取8 種干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)葉微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥水分比曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，得到各個(gè)干燥模型的R2、χ2和方程參數(shù)。

香蔥葉微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥條件下干燥動(dòng)力學(xué)模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)值見(jiàn)表6。

由表6 可知，香蔥葉微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥前期微波干燥Page 模型的R2更接近1，χ2更小，所以香蔥葉前期微波干燥模型為Page 模型，公式為MR=exp（-0.031 26t1.79815）。后期熱風(fēng)干燥Midilli 模型的R2更接近1，χ2更小，所以香蔥葉后期熱風(fēng)干燥模型為Midilli 模型，公式為MR=0.304 27exp(-0.138 91t)-0.000 175 419t。

香蔥葉微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥水分比的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較見(jiàn)圖6。

圖6 香蔥葉微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥水分比的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較

3 結(jié)論

（1） 研究了微波功率、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率和熱風(fēng)溫度對(duì)香蔥葉片干燥品質(zhì)的影響并利用響應(yīng)面法優(yōu)化得到了微波- 熱風(fēng)聯(lián)合干燥的最佳工藝條件為微波功率3 000 W，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率42%，熱風(fēng)溫度75 ℃。在此條件下，綜合評(píng)分為0.95 分，該值與理論值的相對(duì)誤差小于4%，表明該優(yōu)化試驗(yàn)的結(jié)果可靠。

（2） 香蔥葉片微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥前期微波干燥動(dòng)力學(xué)可用Page 模型描述，后期熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)可用Midilli 模型來(lái)描述，基于此研究得到香蔥葉片微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥模型為：

MR=exp(-0.031 26t1.79815) 0

MR=0.304 27exp(-0.138 91t)-0.000 175 419t t>10 min.