陆学中LU Xue-zhong 刘亚男 - 张德榜 - 郭桂霞 - 李 衡 任广跃,3 -,3
(1. 郑州万谷机械有限公司,河南 郑州 450041;2. 河南科技大学 食品与生物工程学院,河南 洛阳 471023;3. 食品加工与安全国家实验教学示范中心,河南 洛阳 471023)
近年来,热风干燥广泛用于食品干燥[1],其技术研究正朝着短时、低耗、减排、优质的趋势发展。干燥物料营养物质的衰退程度取决于其脱水速度的快慢,即达到安全含水率[2]时所需要的时间。大量研究表明,热风干燥温度、物料切片厚度和热风风速对干燥速率有显著影响[3-5],而湿度对干燥影响的研究并不多见,有研究[6-8]表明,干燥速率随干燥介质湿度的降低而增大,干燥时间随相对湿度的降低而缩短。此外,控制物料的相对湿度(Relative Humidity,RH),能使物料升温速度加快,促进其内部水分子的迁移[9]。先对物料进行较高湿度的预处理,再降低干燥介质湿度,使物料中心到表面的温湿度梯度一致[10],能增大干燥速率,并减少物料表面结壳现象,从而缩短干燥时间[11-12]。
目前,相对湿度对怀山药干燥影响的研究尚属空白,本研究拟在较高相对湿度环境下,对怀山药进行高湿处理后,研究其相对湿度控制对热风干燥特性的影响,并优化热风干燥的工艺参数,为怀山药干制品的制备提供理论依据。
怀山药:初始湿基含水率73.56%,购于河南省洛阳市丹尼斯百货超市。
电子天平:JA-B/N 系列,上海佑科仪表有限公司;
电热鼓风干燥箱:101型,北京科伟永兴仪器有限公司;
热泵干燥机:GHRH-20型,广东省农业机械研究所干燥设备制造厂;
切片机:SHQ-1型,德州市天马粮油机械有限公司;
恒温恒湿箱:HSP-150B型,常州市万丰仪器制造有限公司。
1.3.1 热风干燥工艺要点 将洁净怀山药切成厚度均匀的片状平铺于干燥网上,放入已设定湿度的恒温恒湿箱中进行高湿处理,再进行热风干燥处理。干燥过程中,定时快速取出称重,记录试样随干燥时间质量的变化,直至干基含水率达到安全含水率0.12 g/g时,干燥结束;做3次重复试验,取平均值,换算成干基含水率。
1.3.2 怀山药片热风干燥特性影响的单因素试验
(1) 相对湿度:固定切片厚度4 mm,恒湿时间30 min,热风温度60 ℃,热风风速3.5 m/s,分别考察30%,40%,50%,60% RH对怀山药片干燥特性及复水特性的影响。
(2) 恒湿时间:固定切片厚度4 mm,相对温度50%,热风温度60 ℃,热风风速3.5 m/s,分别考察恒温恒湿时间0,30,60,90,120 min对怀山药片干燥特性及复水特性的影响。
(3) 热风温度:固定切片厚度4 mm,于50% RH处理30 min,热风风速3.5 m/s,分别考察热风温度40,50,60,70,80 ℃对怀山药片干燥特性及复水特性的影响。
(4) 切片厚度:固定热风温度60 ℃,于50% RH处理30 min,热风风速3.5 m/s,分别考察切片厚度2,3,4,5,6 mm 对怀山药片干燥特性及复水特性的影响。
(5) 热风风速:固定切片厚度4 mm,于50% RH处理30 min,热风温度60 ℃,分别考察热风风速1.5,2.0,2.5,3.0,3.5 m/s对怀山药片干燥特性及复水特性的影响。
1.3.3 指标测定
(1) 怀山药含水率的测定:按GB 5009.3—2010《食品中水分的测定》的减压干燥法执行。
(2) 干基含水率的测定:参照文献[13]。
(3) 怀山药干制品复水性能的测定:参照文献[14]。
(4) 干燥能耗:本研究的干燥能耗以每干燥一个单位质量水分的耗能计,分别按式(1)、(2)计算干燥过程的总脱水量和干燥能耗[15]。
(1)
式中:
m1——脱水质量,kg;
m——干品质量,kg;
C1——初始水分含量,%;
C2——最终水分含量,%。
(2)
式中:
N——干燥能耗,kJ/kg·H2O;
P——功率,kW;
t——时间,h;
m1——脱水质量,kg。
(5) 色差的测定:色差是根据均匀色空间理论用色差仪进行测定的[16],色差值表示被测样品色泽与标准样品色泽之间总色差的大小,值越小越好,每个试验样品选择不同角度测3次,取其平均值,按式(3)计算色差。
ΔE=[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2,
(3)
式中:
ΔE——色差值;
ΔL——偏向黑白值;
Δa——偏向红绿值;
Δb——偏向黄蓝值。
(8) 多糖的测定:采用水提醇沉法提取怀山药多糖,采用苯酚—硫酸比色法测定多糖含量[17]。
1.3.4 统计分析 采用Origin 8.5和DPS(ver.8.05)数据处理软件对试验数据进行处理和方差分析。
2.1.1 相对湿度对怀山药片热风干燥特性和复水特性的影响 由图1可知:相对湿度对减少热风干燥时间影响很大,30%~60% RH时,干燥时间明显低于直接热风干燥,可能是高湿作为一种热风干燥前的预处理方法,可加速物料内部水分子的迁移运动,使其中心和表面的温湿度趋于接近,然后降低介质湿度,使湿物料中心至表面的温湿度梯度一致,从而加速干燥,减少干燥时间,与Kaya等[18]的研究结论相符合。相对湿度为30%时,干燥时间较长为9 h,可能是在该试验条件下物料水分尚未分布均匀,导致干燥时间偏长,而60% RH与热风干燥箱内湿度差较大,使物料表面快速蒸发导致表面稍微结壳,阻碍水分迁移,但在40%~60% RH条件下处理、干燥4 h时,干基含水率基本接近0.12 g/g,即干燥时间总体差别不大。
直接热风干燥的复水性最差,其次是30% RH,复水比在40%~60% RH时随相对湿度的增加而降低,可能与干燥时间相关,干燥的时间越长,复水性就越差[13],但总体差异不大。
综上:相对湿度宜控制在40%。
2.1.2 恒湿时间对怀山药片热风干燥特性和复水特性的影响 由图2可知:恒湿时间对怀山药片热风干燥有很大的影响,直接热风干燥,怀山药片达到安全含水率的时间约为12 h。但也不是恒湿时间越长越好,50% RH保持30 min 和60 min时,干燥时间均为5 h,可能是恒湿30 min时,物料已充分预热,内部水分梯度和温度梯度相一致,当降湿后干燥速率增加,当50% RH保持90 min和120 min后降湿,干燥速率也很大,但保持时间越长,总干燥时间越长。因此在干燥前期,物料被预热到湿球温度且稳定后,降低干燥介质的相对湿度有利于缩短干燥时间,提高干燥效率[19]。
恒湿时间在30~120 min时,复水性随时间的增加而降低,直接热风干燥的复水性最差,可能也与干燥时间相关,直接热风干燥的干燥时间最长,复水性最差,而恒湿时间控制30 min的干燥时间最短,复水性最好,恒湿时间60~120 min的复水性较为接近。
综上:恒湿处理时间宜控制在30 min。
2.1.3 热风温度对怀山药片热风干燥特性和复水特性的影响 由图3可知:热风60 ℃时,干燥时间最短为5 h,可能是厚度一致,温度越高,物料水分蒸发速度越快,表面易硬化,从而阻碍水分的散发,而温度太低,水分蒸发速度减慢,干燥时间长。
总体上,复水性随热风温度的升高而降低,可能是随热风温度升高,淀粉类物料在较高温度下发生变化,而使亲水性下降[12],而热风温度40 ℃时,物料干燥时间较长,复水性下降[20-21]。
综上:选取的热风温度范围为50~70 ℃。
2.1.4 切片厚度对怀山药片热风干燥特性和复水特性的影响 由图4可知:2 mm厚度的干燥时间最短为5 h,是因为物料切片较薄,水分蒸发快,但皱缩比较厉害;物料厚度在3~6 mm时,干燥时间分别为 7,6,8,8 h,可能是物料由较高湿度环境换入低湿环境,物料内部的水分蒸发速度加快,干燥速率也快,而较薄的物料易表面硬化,降低水分蒸发速度,因此,物料厚度4 mm较为理想。
复水性与物料细胞及结构的破坏程度有关[22]。2 mm厚度的怀山药片复水性最好,且在30 min时复水就基本完全,这主要是因为2 mm怀山药片厚度很薄,能很快吸水复原,而5,6 mm厚度怀山药片的复水性优于3,4 mm的。这是因为物料稍薄,在干燥过程中形成硬壳,致使结构紧密,复水性下降。
综上:选择怀山药的切片厚度为3~5 mm。
2.1.5 热风风速对怀山药片热风干燥特性和复水特性的影响 由图5可知:在热风风速1.5~3.5 m/s时,干燥时间随风速的增大而减小,这是因为空气流速的加快降低了怀山药片表面的水蒸气分压,从而加快表面水分传递的速度[23],减少干燥时间。
复水比随热风干燥速度的增大呈现先增大后减小的趋势,可能是在一定的速度范围内,温度一定,速度越小,致使水分的迁移速度变缓,进而降低表面水分,而干燥速度继续增大,水分蒸发强度增大,导致复水性下降[24]。
综上:选择的热风干燥风速为2.5~3.5 m/s。
根据单因素试验结果,选取相对温度为40%,恒温恒湿处理时间为30 min,以怀山药片干燥能耗为试验指标,选取热风温度、切片厚度和热风风速为影响因素,采用L9(34)正交试验方法进行工艺优化,具体试验因素与水平见表1,试验结果与极差分析见表2,方差分析见表3。
由表2、3可知:各因素对指标影响主次为热风温度>热风风速>切片厚度,各因素对干燥能耗具有一定显著性,其中:热风温度在α=0.05水平下显著,切片厚度和热风风速在α=0.1水平下显著;最佳工艺参数为A2B1C3,即切片厚度为3 mm的物料在恒湿(相对湿度40%)条件下处理30 min 后,进行热风干燥(热风温度60 ℃、切片厚度为3 mm、热风风速3.5 m/s),此条件下干燥能耗最小(19 056 kJ/kg·H2O),得到的怀山药片的ΔE值和多糖含量分别为8.17、5.14%,均优于直接热风干燥的(ΔE值和多糖含量分别为12.35、4.96%)。
†F0.01(2,2)=99.01,F0.05(2,2)=19,F0.1 (2,2)=9。
通过相对湿度对怀山药干燥影响的研究,在恒湿条件(相对湿度40%)下,获取了最佳的干燥参数:热风温度60 ℃、切片厚度3 mm、热风风速3.5 m/s,该条件下干燥能耗最小且得到的怀山药片的ΔE值和多糖含量均优于直接热风干燥的。
相对湿度控制对减少怀山药热风干燥时间,提高热风干燥品质有很大的影响,它能使物料快速预热,降低湿度后,加快水分蒸发,从而加快干燥速率,干燥时间比直接热风干燥缩短了将近1/2,且比热风干燥品质有所提高,符合现在干燥的发展方向,可为怀山药热风有效干燥提供新的思路。
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