胡萝卜热风干燥特性及其品质的研究

聂 波，张国治，王安建，李顺峰

（1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001；2.河南省农科院 农副产品加工研究所，河南 郑州 450002）

0 引言

胡萝卜是一种质脆味美、营养丰富的蔬菜，在世界各地广泛种植.胡萝卜不仅能够提供丰富的可转化为维生素A 的胡萝卜素，还具有增强免疫力、抗癌、防癌、抗衰老等功效[1].然而，胡萝卜类蔬菜含水量较高，非常容易因为微生物和酶的作用而发生腐烂变质.根据相关部门估算，果蔬在流通环节中腐损率高达20%～30%，每年要损失1 000多亿元[2].因此对胡萝卜进行适当的加工是十分必要的，其中干制是最常用的保存果蔬品质的方法之一.果蔬干燥之后，在较低的水分活度下，不仅微生物等难以快速繁殖，而且能够抑制酶的活性，同时较好地保持产品的品质，便于长期保存和运输.目前胡萝卜干燥主要有热风干燥、微波真空干燥、真空冷冻干燥等，其中热风干燥由于具有成本低、周期短、效率较高等优势，使用比较广泛[3-14].目前对胡萝卜热风干燥的研究主要集中在对热风温度、切片厚度、风速等干燥特性上[15-16]，而对干燥后胡萝卜色泽及胡萝卜素含量的变化鲜有报道.

因此，笔者首先对不同温度下胡萝卜的热风干燥特性进行研究，得到最佳干燥模型，然后对不同干燥条件下胡萝卜的色泽和胡萝卜素含量的变化进行研究，明确干燥条件对胡萝卜色泽和胡萝卜素含量的影响，以期为胡萝卜干燥提供理论依据和技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用胡萝卜购于蔬菜批发市场，测定胡萝卜平均含水率为86.7%.

1.2 试剂与仪器

试剂：氯仿、乙醇等，均为国产分析纯.

仪器：GZX-9240MBE 型电热鼓风干燥箱：上海博迅实业有限公司医疗设备厂；UV-1800 型紫外可见分光光度计：岛津（苏州）有限公司；H2050R型台式高速冷冻离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；color flex ez 45/0 型分光测色仪：山特电子（国际）有限公司；WT30002N 型电子天平：常州万泰天平仪器有限公司；TG328A(S)型分析天平：上海精密科学仪器有限公司；YG-350 型切丁机：兴化市宇工脱水机械有限公司.

1.3 试验方法

1.3.1 胡萝卜热风干燥特性研究

将胡萝卜切成5 mm 的小丁，准确称取200 g胡萝卜丁，均匀摊在网状托盘上，编号，分别在40 ℃、50 ℃、60 ℃的热风干燥箱（风速0.6 m/s）中进行热风干燥试验.每隔30 min 测定其质量，直至含水率到13%[17]以下，停止干燥，放入干燥箱中备用.

1.3.2 胡萝卜素含量测定

将不同干燥条件下得到的胡萝卜粉碎，按1∶10加入体积比为2∶1 的无水乙醇和氯仿提取液，充分混匀后提取30 min，10 000 r/m 离心10 min，沉淀后再提取2 次，合并上清液，并定容.分别测定波长440 nm 处的吸光度.以每克胡萝卜在440 nm处的吸光度值表示胡萝卜素含量(mg/g)，其中A 为吸光度值，V 为上清液总体积（mL），W 为胡萝卜的质量(g).

1.3.3 胡萝卜色泽测定

把干燥后的胡萝卜粉碎，新鲜胡萝卜磨碎，各取5 g，放在分光测色仪上，重复测量3 次，并取平均值.

1.4 干燥参数计算方法

干基含水率(Mt)计算公式：

其中:Wt是任意t 时刻物料干燥质量，g；G 为干物料的质量，g.

干燥速率（DR）计算公式：

其中：DR 是物料干燥速率，g·g-1·h-1；是ti时刻的物料干基含水率，%；是ti+1时刻的物料干基含水率，%；Δt 是ti+1和ti干燥时刻时间差，h.

水分比（MR）计算公式：

其中：M0是初始的物料干基含水率，%；Mt是任意干燥t 时刻的物料干基含水率，%；Me是干燥到平衡时的物料干基含水率，%.但是平衡时物料干基含水率Me远小于M0和Mt，因此计算公式(3)能够简化成式(4)[18].

1.5 数据处理和模型分析

用Excel 2013 作图，用Spss 19.0 进行数据处理.

2 结果与分析

2.1 温度对胡萝卜热风干燥特性的影响

由胡萝卜热风温度干燥曲线（图1）和干燥速率曲线（图2）可知，温度对胡萝卜干燥影响比较大，干燥温度越高，到达安全含水量的时间越短，反之则越长.在60 ℃，干燥到干基含水率5.1%需要3.5 h，而在40 ℃，则需要5 h，后者是前者的1.4 倍.在干燥起始阶段，热风干燥提供的热量主要提高胡萝卜温度，温度升高，干燥速率加快，达到同一干基含水率，高温比低温所需时间更短，之后高温和低温之间的差距越来越大.在干燥恒速阶段，胡萝卜内部的水分向外部迁移的速率和表层的水分扩散到周围的速率基本一样，因此加热主要是用于水分的蒸发.在干燥的降速阶段，胡萝卜内部的水分向外部迁移的速率没有表层的水分扩散到周围的速率快，因此干燥速率会降低，高温干燥下干基含水率下降缓慢，曲线变得平坦，而低温干燥条件下会出现延迟.

从干燥速率曲线（图2）看出，60 ℃的干燥速率开始大于50 ℃的干燥速率，但是后来又小于40 ℃的干燥速率，这是因为温度越高，干燥时间越短，高温干燥中的恒速过程变成了降速过程，此时低温的干燥速率一直上升到恒速干燥过程，所以在一段时间后低温干燥的速率高于高温的干燥速率.

图1 不同温度的胡萝卜干燥曲线Fig.1 Drying curve of carrot under different drying temperature

2.2 试验模型

2.2.1 模型的选择

根据文献[19-25]，用以下3 种数学模型对胡萝卜热风干燥进行拟合.

(1)指数模型

式中：k 为模型参数，t 为时间.

(2)单项扩散模型

式中：A 为模型参数.

(3)Page 模型

式中：n 为模型参数.

首先，对以上3 种常用的干燥模型进行线性化处理，指数模型可看作Page 模型或者单项扩散模型特殊的形式，因此仅讨论Page 模型和单扩散模型.

对式(6)、(7)进行线性化处理后分别为：

将试验数据代入式（8）、（9），并作图得-lnMR-t 曲线（图3）和ln(-lnMR)-lnt 曲线（图4）.由图3 和图4 可知，Page 模型具有较好的线性关系，因此更适用于拟合胡萝卜热风干燥过程.

图3 不同干燥温度的-lnMR-t 曲线Fig.3 The-lnMR-t curve under different hot-air temperature

图4 不同干燥温度的ln(-lnMR)-lnt 曲线Fig.4 The ln(-lnMR)-lnt curve under different hotair temperature

2.2.2 模型的建立

通过对图4 数据进行线性拟合可知，不同温度下Page 模型决定系数均在0.98 以上，说明拟合度较好（表1）.

由表1 可以看出，在不同温度下，干燥常数k和n 的值也不相同.所以，干燥常数k 和n 是关于温度T 的函数，用一元二次式拟合方程中干燥常数，那么k 和n 可以用式(10)和(11)表示：

表1 线性回归方程及参数Table 1 The fitting equation and parameters

式中：T 为温度（℃）；a、b、c、d、e、f 为特定的模型系数.

用Spss 19.0 对方程（10）和（11）中的干燥参数k 与n 进行回归，得到公式（12）和（13）：

所以胡萝卜热风干燥回归方程为：

2.2.3 干燥模型的验证

为了检测拟合模型的准确度，选取试验中1组数据进行检验.试验条件为热风干燥温度为40 ℃，理论值和试验值的比较结果见图5.从图5可以看出，胡萝卜热风干燥曲线和Page 模型曲线基本吻合，二者数值平均相对误差为6.06%，所以Page 模型比较适合描述胡萝卜热风干燥过程.

图5 试验值和理论值比较Fig.5 Comparison of experimentally determined and predicted values

2.3 不同干燥温度对胡萝卜色泽的影响（表2）

胡萝卜色度测定结果见表2.其中，L* 值表示产品的白度，值越大，表示产品越白.a* 值表示产品的红绿度，值越大，产品颜色越红，越接近胡萝卜原来的颜色，对于胡萝卜的意义最大.b* 值表示产品的黄度，值越大，产品颜色越黄.由表2 可以看出，干燥温度越低，产品越接近胡萝卜原始的颜色，温度越高，产品和胡萝卜原始的颜色相差就越大，胡萝卜越发白，产品越黄，褐变程度越高.在热风干燥的过程中，因为存在氧气和水分，比较容易产生褐变.再结合胡萝卜不同温度的干燥曲线（图1），40 ℃干燥比50 ℃多1 h，60 ℃比50 ℃少0.5 h，干燥时间过长，接触氧气太久，胡萝卜色泽就会变差，因此50 ℃干燥的产品在红色方面更加接近新鲜胡萝卜.

表2 胡萝卜色度测定结果Table 2 The result of the color test of carrot

2.4 不同干燥温度对胡萝卜中胡萝卜素的影响

不同温度下的胡萝卜素含量见表3.由表3 可知，热风干燥温度越高，胡萝卜素含量越低，高温会破坏胡萝卜素.氧是影响胡萝卜素含量的重要因素，但是热风干燥中胡萝卜素损失的途径以及机制目前还不确定[26].

表3 不同温度下胡萝卜素含量Table 3 The content of carotene under different temperature

3 结论

温度对胡萝卜热风干燥影响比较大，干燥温度越高，达到安全含水率的时间就越短，效率越高.胡萝卜热风干燥特性符合Page 方程，模型经过验证，二者数值平均相对误差为6.06%，能够较好地描述胡萝卜热风干燥过程.

干燥温度越高，胡萝卜素损失越严重，褐变程度越大.此外，干燥时间过长也会破坏胡萝卜色泽.和40 ℃干燥的产品相比，50 ℃干燥需要的时间较短，产品在颜色方面差异不显著，色泽接近新鲜胡萝卜.与60 ℃干燥的产品相比，50 ℃干燥的产品褐变程度低，胡萝卜素含量较高.因此，胡萝卜热风干燥的最佳温度以50 ℃为宜.

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