干燥温度及氧气含量对胡萝卜气调干燥特性的影响

种翠娟，刘云宏，朱文学，罗 磊

（河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023）

干燥温度及氧气含量对胡萝卜气调干燥特性的影响

种翠娟，刘云宏*，朱文学，罗 磊

（河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023）

为探讨干燥温度及氧气含量对胡萝卜气调干燥特性的影响，进行氮气气调热风干燥实验研究。结果表明：提高干燥温度可显著缩短干燥时间；当氧气含量由20.9%降至5%，对流传质系数维持不变，而对流传热系数约增大0.5%；胡萝卜素含量随着氧气含量及干燥温度的下降而升高，氧气含量低至5%可有效减缓干燥过程中胡萝卜素的氧化降解；在40～60 ℃区间，5%及10%氧气含量条件下的总色差（ΔE）值要明显低于15%及20.9%氧气含量条件下的ΔE值，表明低氧气调热风干燥可有效保护产品色泽。因此，采用气调干燥技术有利于获得高品质的胡萝卜干燥产品。

气调干燥；胡萝卜；干燥特性

热风干燥是果蔬干燥加工最常用的方法之一，具有操作简单、设备成本低等优点[1]。但热风干燥容易导致产品有效成分损失及色泽褐变，而干燥介质中的氧气是导致产品品质下降的主要因素之一[2]。以胡萝卜热风干燥为例，在干燥过程中，胡萝卜素极易发生氧化降解[3-4]。采用惰性气体代替部分空气以降低干燥介质中氧气含量，理论上可减弱甚至抑制氧气参与的氧化反应及酶促褐变等化学过程，从而有效保护产品质量。因此，气调干燥技术应运而生。

O’Neill等[2]利用氮气或二氧化碳代替常规空气进行气调干燥，结果表明气调干燥可在一定程度上减少干燥时间，并能有效抑制色泽褐变。Hawlader等[5-6]采用惰气代替部分空气的研究表明气调干燥可有效保护胡萝卜素、VC等有效成分，同时可提高有效水分扩散系数。Doungpon等[7]对几种经验模型的拟合精度进行比较，构建了气调干燥谷物的动力学数学模型。国内也有一些农产品的气调干燥研究[8-10]，主要集中在福建农林大学。相关研究认为，通过降低干燥介质的氧气含量，可显著提高产品的干燥品质。

目前已有关于胡萝卜气调干燥的研究报道，Ramesh等[11]以经过漂烫及未漂烫的胡萝卜为原料，对氮气干燥和常规热风干燥进行了比较。结果表明采用惰气作为干燥介质可有效提高胡萝卜中胡萝卜素及VC含量，同时在一定程度上提高干燥速率。国内的林启训等[12]以氮气、二氧化碳和空气为干燥介质，进行了胡萝卜干燥研究，结果表明降低干燥室内气体的氧气含量，可维持较佳的糖酸比及显著提高VC保存率。朱志伟等[13]利用热风干燥装置和气调干燥装置分别进行萝卜丝的热风干燥和气调干燥实验，并建立了VC保存率的数学模型。

但目前关于不同氧气含量对胡萝卜干燥特性的深入研究分析报道较少，有关气调干燥参数对产品胡萝卜素及色泽影响规律的探讨也较少。本研究拟利用自行研制的气调-热泵干燥装置，以胡萝卜为研究对象，通过充入氮气来调节干燥介质中氧气含量，进行气调热泵干燥研究。探讨干燥温度及氧气含量对干燥特性的影响，分析干燥参数对产品品质主要指标如胡萝卜素含量及色泽的影响，以验证气调干燥提高胡萝卜干燥速率及产品品质的可行性，为揭示不同氧气含量环 境下胡萝卜气调热泵干燥机理提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜胡萝卜：购买于河南省洛阳市丹尼斯超市。样品干基含水率采用105 ℃烘箱法测量，新鲜胡萝卜含水率平均值为8.46 g/g（干基）。

甲醇（色谱纯）、乙酸乙酯（色谱纯） 美国Fisher公司；胡萝卜素标准品 美国Sigma公司；纯水。

1.2 仪器与设备

MP4000B型电子秤（精度0.01 g） 上海第二天平厂；202型恒温干燥箱 北京永光明医疗仪器厂；HP1100型高效液相色谱仪 美国Agilent公司；C18色谱柱 美国Deerfield公司；Datacolor100型色差仪 美国Datacolor公司。

GHRH-20型气调-热泵干燥装置如图1所示，由广东省业机械研究所与河南科技大学联合研制，主体由热泵系统及热风循环系统组成。热泵系统包括压缩机、蒸发器、内部冷凝器、外部冷凝器及膨胀阀等，循环介质为R22制冷剂。热风循环系统包括干燥仓、主风机、辅助风机、除湿风机、辅助加热器、氮气储罐及物料推车等。干燥过程中温度和湿度的调节通过热泵除湿加热系统完成，利用氧气传感器检测干燥室内氧气含量，通过调节N2进气量有效控制干燥室内氧气含量，完成不同氧气水平干燥。此外，电气控制系统根据干燥加工工艺要求可编辑干燥曲线，自动完成全过程干燥、升温、降温、排湿等操作，并自动记录干燥温度、湿度等参数。

图1 气调热风干燥装置Fig.1 Modified atmosphere dryer

1.3 方法

用切片机将胡萝卜切成厚5 mm的薄片，再用直径为30 mm的模具得到直径30 mm、厚度5 mm的试样，每次实验取样500 g。采用氮气充入干燥箱调节氧气含量。开启气调干燥装置，通过控制面板设定所需温度及氧气含量等参数。待干燥系统达到设定参数并稳定后，将胡萝卜片平铺于物料盘后立即放入干燥箱内进行干燥实验。每隔30 min将物料迅速取出称质量，直至连续两次称质量读数不变时，干燥结束。

干燥过程中胡萝卜含水率（M）利用公式（1）进行计算。

式中：m为物料质量/g；md为物料中的干物料质量/g；M为物料含水率/（g/g干基）。

1.4 混合气体物性参数计算方法

根据混合气体物性参数的计算公式[14]，如式（2）～（5）所示，可得不同含量混合气体的物性参数值，气体在不同温度下的物性参数值如表1所示。

式中：ρ为气体密度/（kg/m3）；λ为气体热导率/（W/（m·℃））；μ为气体黏度/（Pa·s）；yi为气体体积分数/%；M为气体相对分子质量。

表1 气体物性参数Table1 Physical parameters of gases

1.5 胡萝卜素含量的测定

干燥产品中胡萝卜素的提取与检测采用文献[15]中的高效液相色谱（high performance liquid chromatography，HPLC）法。HPLC检测的有关参数为：C18色谱柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱温25 ℃，流动相为甲醇-乙酸乙酯（85∶15，V/V），流速1 mL/min，检测波长450 nm。所有检测均重复3 次，可得新鲜胡萝卜中胡萝卜素含量为46.2 mg/100 g干基。

1.6 色差值的测定

干燥产品的色度值利用色差仪检测。对每个待测样品，选取表面5 个不同点进行检测，求平均值可得亮度（L*）值、红绿值（a*）值及黄蓝（b*）值。色泽变化采用公式（6）计算。

式中：下标0表示新鲜胡萝卜的读数。

总色差ΔE的计算见公式（7）。

1.7 数据处理与分析

数据处理与分析采用Origin 8.0软件。

2 结果与分析

2.1 干燥参数对干燥特性的影响

图2 不同干燥温度对胡萝卜气调干燥曲线的影响Fig.2 Modified atmosphere drying curves of carrot slices at different drying temperatures

在氧气含量5%及风速1 m/s的条件下，调节干燥介质温度40、50 ℃及60 ℃，研究干燥介质温度对胡萝卜气调干燥特性的影响，干燥曲线如图2所示。当干燥温度为40、50 ℃及60 ℃时，所需干燥时间分别为600、390 min及340 min。低氧干燥介质的温度升高，可增大干燥介质与物料之间的温度梯度，从而促进水分的扩散及蒸发，缩短干燥时间。另外，干燥温度升高会降低干燥介质的相对湿度，从而增加介质与物料之间的蒸汽压差，同样有利于提高质量传递速率。比较低氧气调干燥和常规热风干燥，可知两种干燥环境下干燥温度对干燥速率具有相同的影响趋势[16-18]。

固定干燥温度60 ℃及风速1 m/s，调节干燥介质中氧气含量为5%、10%、15%及20.9%（表示采用常规空气干燥），研究氧气含量对干燥特性的影响，结果如图3所示。干燥时间随着氧气含量的降低而减少，但变化不明显。当氧气含量由20.9%降至5%时，干燥时间约缩短6%。

图3 不同氧气含量对胡萝卜气调干燥曲线的影响Fig.3 Modified atmosphere drying curves of carrot slices with different oxygen contents

氧气含量不同会导致干燥介质的物性参数变化，物性参数决定了干燥过程中对流传热系数（hT）及对流传质系数（hM）的大小，而对流传热传质系数的大小又影响干燥的质热传递过程。目前关于传热传质系数[19]的定量计算及分析常采用公式（8）和（9），通过公式计算的传热传质系数理论值与实验值具有较好的吻合性，本研究也利用此式计算气调干燥过程中的对流传热传质系数。

图4 氧气含量及干燥温度对对流传热系数的影响Fig.4 Effects of oxygen content and drying temperature on heat transfer coefficient

图5 氧气含量及干燥温度对对流传质系数的影响Fig.5 Effects of oxygen content and drying temperature on mass transfer coefficient

不同氧气含量及干燥温度的对流传热系数及传质系数值如图4、5所示，随着温度的升高，对流传热系数和对流传质系数均有所增大，这有利于气调干燥中质热传递过程的进行，也与前述温度升高有利于缩短干燥时间的结果吻合。随着氧气含量的降低，对流传质系数基本保持不变，而对流传热系数增加0.5%，说明在气调干燥过程中充入氮气降低氧气含量，改变了干燥介质的物性参数，但物性参数的变化对传热过程有一定积极作用，而对传质过程影响较小。在相同温度下，和常规空气相比，5%氧气含量的干燥介质的密度约下降2%，热导率维持不变，比热约提高1.8%，黏度约降低2.5%。虽然密度下降不利于传热过程，但比热的提高及黏度的下降则有利于提高干燥介质的传热能力及降低介质与物料间的传热边界层，从而有利于传热过程。以上物性变化对传热过程的耦合影响，导致降低氧气含量可一定程度地提高传热速率，最终缩短干燥时间。Ramesh等[11]结合干燥曲线及传热传质方程，同样得出降低氧气含量可提高干燥的传热系数及传质系数的结论。Doungporn等[7]也认为降低氧气含量对提高苹果、胡萝卜等高湿度物料的干燥速率有正面作用。

2.2 干燥参数对胡萝卜素含量的影响

图6 氧气含量及干燥温度对胡萝卜素含量的影响Fig.6 Effects of oxygen content and drying temperature on carotenoid content

胡萝卜素是决定胡萝卜干燥产品品质的重要指标，在干燥过程中应尽可能地提高胡萝卜素保持率。不同干燥温度及氧气含量下胡萝卜干燥产品中胡萝卜素含量如图6所示。随着干燥温度及氧气含量的降低，胡萝卜素含量明显提高。在新鲜胡萝卜中，胡萝卜素比较稳定地存在于细胞组织中。然而，热风干燥过程中，由于胡萝卜素的氧化反应及其分子中共轭双键的破坏，胡萝卜素变得不稳定，造成其大量损失[20-21]。当氧气含量分别为20.9%、15%、10%和5%时，干燥温度从40 ℃升至60 ℃，产品中胡萝卜素含量分别降低了33%、27%、24%及20%，说明无论是在常规热风干燥还是在低氧热风干燥中，提高干燥温度均导致胡萝卜素的氧化与降解，从而明显降低胡萝卜素含量。Malchev等[22]也报道胡萝卜素保持率随着干燥温度的升高而降低。当干燥温度为40、50 ℃及60 ℃时，在5%氧气含量条件下干燥的胡萝卜素含量分别比在20.9%氧气含量下胡萝卜素含量提高54%、80%及72%，说明降低氧气含量可有效减缓干燥过程中胡萝卜素的氧化降解，从而显著提高胡萝卜素的保持率。经计算，常压下1 m3的常规空气中含有约5.64×1024个氧分子，而充入氮气后，体积1 m3、氧气含量5%的干燥介质中含有约1.35×1024个氧分子。在同样的干燥条件下，低氧干燥环境中明显减少的氧分子数量降低了氧分子与物料中胡萝卜素的接触几率，减缓胡萝卜素的氧化反应进程，最终实现保护胡萝卜中有效成分的目的。Ramesh等[11]通过比较胡萝卜和红辣椒的惰气干燥及热风干燥，同样得出降低干燥介质中氧气含量可有效阻止胡萝卜素氧化、提高胡萝卜素保持率的结论。

2.3 干燥参数对产品色差的影响

胡萝卜气调干燥中，干燥温度和氧气含量对产品色差ΔE的影响如图7所示。色泽是表征干燥产品质量的重要指标之一，而干燥过程中色泽的变化通常是包括氧化反应、酶促褐变或美拉德反应等化学反应的结果[23]。由图7可知，干燥温度与氧气含量的降低，均使产品具有更低的ΔE值，说明在低温、低氧环境下干燥有利于保护产品色泽。在5%氧气含量条件下，ΔE值的大小为1.61～3.62之间，和新鲜胡萝卜的差别很小，且在5%及10%氧气含量下的ΔE值要明显低于15%及20.9%氧气含量下的ΔE值，表明低氧气调干燥可有效防止产品色泽劣变，这与相关文献中惰气干燥可抑制产品褐变、保护产品色泽的结论相同[2,5]。

图7 氧气含量及干燥温度对色差△E的影响Fig.7 Effects of oxygen content and drying temperature on color difference

在气调干燥制品中，胡萝卜素含量和色差值具有相反的变化规律，即随着干燥温度及氧气含量的降低，胡萝卜素含量升高，色差ΔE值降低，胡萝卜素含量和ΔE值的相关系数为－0.825 3，两者具有较强的相关性。在本实验研究范围内（氧气含量5%～20.9%，温度40～60 ℃），通过二元二次多项式拟合，可得由干燥温度T及氧气含量φ表示的胡萝卜素含量C及色差ΔE值的数学模型如下：

3 结 论

通过自制的气调-热泵干燥装置，进行了胡萝卜气调干燥实验研究。干燥温度由40 ℃升至60 ℃，干燥时间约缩短40%；氧气含量由20.9%降至5%，干燥介质传热系数约提高0.5%，传质系数保持不变，干燥时间约缩短6%。

无论是在常规热风干燥还是在低氧热风干燥中，降低干燥温度均可提高胡萝卜素含量。干燥温度由40 ℃升至60 ℃，胡萝卜素含量约降低20%；氧气含量由20.9%降至5%，胡萝卜素含量约升高70%。低氧气调干燥可有效减缓干燥过程中胡萝卜素的氧化降解。

降低干燥温度及氧气含量可减小产品色差值。干燥温度由40 ℃升至60 ℃，ΔE约增大45%；氧气含量由20.9%降至5%，ΔE约减小85%。低温低氧气调干燥的产品色差值要明显低于常规热风干燥产品色差值，降低干燥温度及干燥介质中的氧气含量可有效保护产品色泽。

[1] MASKAN M. Drying, shrinkage and rehydration characteristics of kiwifruits during hot air and microwave drying[J]. Journal of Food Engineering, 2001, 48(2): 177-182.

[2] O’NEILL M B, RAHMAN M S, PERERA C O, et al. Colour and density of apple cubes dried in air and modified atmosphere[J]. International Journal of Food Property, 1998, 1(3): 197-205.

[3] DOYMAZ I. Convective air drying characteristics of thin layer carrots[J]. Journal of Food Engineering, 2004, 61(3): 359-364.

[4] KUMAR N, SARKAR B C, SHAR H K. Mathematical modeling of thin layer hot air drying of carrot pomace[J]. Journal of Food Science and Technology, 2012, 49(1): 33-41.

[5] HAWLADER M N A, PERERA C O, TIAN M. Properties of modified atmosphere heat pump dried foods[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 74(3): 387-402.

[6] HAWLADER M N A, PERERA C O, TIAN M. Comparison of the retention of 6-gingerol in drying of ginger under modified atmosphere heat pump drying and other drying methods[J]. Drying Technology, 2006, 24(1): 51-56.

[7] DOUNGPORN S, POOMSA-AD N, WISET L. Drying equations of thai hom mali paddy by using hot air, carbon dioxide and nitrogen gases as drying media[J]. Food and Bioproducts Processing, 2012, 90(2): 187-198.

[8] 刘斌, 陆蒸, 林启训. 金针菇充N2降O2干燥优化实验[J]. 福建农林大学学报: 自然科学版, 2004, 33(1): 113-116.

[9] 林启训, 陈晓, 林志贵, 等. 气调干制对龙眼肉干燥速度及干制品品质的影响[J]. 热带作物学报, 2004, 25(1): 20-23.

[10] 陆烝. 干燥过程气体成分对蔬菜干制品质的影响[J]. 农业工程学报, 2004, 20(4): 188-192.

[11] RAMESH M N, WOLF W, TEVINI D, et al. Studies on inert gas processing of vegetables[J]. Journal of Food Engineering, 1999, 40(3): 199-205.

[12] 林启训, 黄伟明, 柯福星, 等. 干制状态气体对胡萝卜干燥过程特性及制品品质的影响[J]. 食品与机械, 2002(3): 9-10.

[13] 朱志伟, 陆则坚, 陆蒸, 等. 气调与热风干燥对萝卜丝中维生素C质量分数的影响[J]. 福建农业大学学报, 2000, 29(4): 522-525.

[14] 童景山, 李敬. 流体热物理性质的计算[M]. 北京: 清华大学出版社, 1982: 186-286.

[15] MA Wenping, NI Zhijing, LI He, et al. Changes of the main carotenoid pigment contents during the drying processes of the different harvest stage fruits of Lycium barbarum L.[J]. Agricultural Sciences in China, 2008, 7(3): 363-369.

[16] DEV S R S, GEETHA P, ORSAT V, et al. Effects of microwaveassisted hot air drying and conventional hot air drying on the drying kinetics, color, rehydration, and volatiles of Moringa oleifera[J]. Drying Technology, 2011, 29(12): 1452-1458.

[17] PURKAYASTHA M D, NATH A, DEKA B C, et al. Thin layer drying of tomato slices[J]. Journal of Food Science and Technology, 2013, 50(4): 642-653.

[18] 徐建国, 李华栋, 徐刚, 等. 胡萝卜片热泵-热风联合干燥特征与模型化研究[J]. 食品工业科技, 2008, 29(11): 145-148.

[19] 杨彬彬. 多孔介质干燥分形孔道网络模拟及实验研究[D]. 北京: 中国农业大学, 2006.

[20] KLIEBER A, BAGNATO A. Colour stability of paprika and chilli powder[J]. Food Australia, 1999, 51(12): 592-596.

[21] 吴佳, 樊金玲, 朱文学, 等. 不同干燥方式对胡萝卜中β-胡萝卜素含量的影响[J]. 农产品加工: 学刊, 2013(5): 22-24.

[22] MALCHEV E, CHENOV N S, IONCHEVA N I, et al. Quantitative changes in carotenoids during the storage of dried red pepper powder[J]. Food/Nahrung, 1982, 26(5): 415-418.

[23] KROKIDA M K, TSAMI E, MAROULIS Z B. Kinetics on color changes during drying of some fruits and vegetables[J]. Drying Technology, 1998, 16(3): 667-685.

Effect of Drying Temperature and Oxygen Content on Modified Atmosphere Drying Characteristics of Carrots

CHONG Cui-juan, LIU Yun-hong*, ZHU Wen-xue, LUO Lei
(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

To investigate the effects of drying temperature and oxygen content on modified atmosphere-drying characteristics of carrots, a modified atmosphere dryer was used in this study, in which N2was used as a drying medium to replace partial air. The results showed that increasing drying temperature could shorten the drying time significantly. As the oxygen content decreased from 20.9% to 5%, the mass transfer coefficient remained the same, yet the heat transfer coefficient increased by about 0.5%; as drying temperature and oxygen content decreased, the carotenoid content increased, and the oxidative degradation of carotenoid could be restrained when the oxygen content of drying medium was as low as 5%. With the drying temperatures ranging from 40 to 60℃, the color difference values at 5% and 10% oxygen contents were obviously lower than that at 15% and 20.9% oxygen contents, which indicates that modified atmosphere drying at low oxygen content could preserve product color effectively. Therefore, the modified atmosphere drying of carrots is beneficial to obtain high quality of dried products.

modified atmosphere drying; carrot; drying characteristics

TQ28.673

A

1002-6630（2014）23-0020-05

10.7506/spkx1002-6630-201423004

2014-01-06

国家自然科学基金面上项目（31171723）；国家自然科学基金河南人才培养联合基金项目（U1404334）；河南省教育厅科技技术研究重点项目（12A210005；14B550005）

种翠娟（1986—），女，硕士研究生，研究方向为农产品加工。E-mail：905497479@qq.com

*通信作者：刘云宏（1975—），男，副教授，博士，研究方向为农产品干燥及贮藏。E-mail：beckybin@haust.edu.cn