板栗微波真空干燥特性及干燥工艺研究

张 乐 赵守涣 王赵改 史冠莹 王晓敏 蒋鹏飞 杨 慧 王继红

(河南省农业科学院农副产品加工研究中心，河南 郑州 450008)

板栗(Castaneamollissimablume)也称为栗子、中国板栗，属壳斗科栗属坚果类植物。鲜板栗在贮藏、运输过程中易发生发芽、霉烂等现象，不宜久藏[1-2]。板栗深加工过程中，多需进行脱水处理。板栗属于热敏性物料，干燥脱水处理对其感官及营养品质有较大影响[3]。

干制是重要的食品加工方法，也是一种延长果蔬保存期的有效方法，可以使果蔬重量减轻、体积缩小、便于运输，不需添加防腐剂、食用方便且易于长期保藏[4]。目前果蔬脱水干制方法主要有热风干燥[7]、微波干燥[8]、热泵干燥[9]和真空冷冻干燥[10]等。热风干燥作为传统的干制方法，由于干燥时间长、处理强度大，导致干制品易出现褐变、特征风味明显降低等品质劣变问题[11]。微波真空干燥是近年来发展迅速的低热干燥方法，是在真空条件下利用微波能进行物料干燥加工的高新联合干燥技术，具有干燥效率高、温度低、容易控制及环保等特点，尤其是对于用传统干燥工艺难以实现的物料，能很好地保留物料原有的色香味及热敏性和生物活性成分，克服热风干燥的缺点，产品品质比热风干燥明显提高[12]，且与冷冻干燥接近，最有可能在食品干燥中部分代替冷冻干燥，且能大幅度降低生产成本[13]。

目前国内外已开展了对苹果[14]、草莓[15]、葡萄[16]、猕猴桃[17]、杏鲍菇[18]、胡萝卜[19]、大蒜[20]、银耳[21]等果蔬的微波真空干燥研究。曹小红[22]研究了板栗微波干燥的特性及其干后品质的变化，周洁等[23]对板栗微波干燥工艺进行研究，但由于干燥时温度高严重影响了产品质量。关于微波真空干燥技术在板栗上的应用研究未见报道。由于热敏性物料干燥中物理、化学及感官品质变化与其传热传质过程密切相关，而不同物料干燥过程中的传热传质特性并不相同，干燥工艺参数对不同物料品质的影响规律也不相同。本研究采用微波真空干燥技术对板栗片进行干燥，探究微波功率、真空度对板栗片干燥特性的影响，确定最佳的干燥参数，为板栗深加工产业的发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

板栗：大板红，河北美客多食品有限公司；

柠檬酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；

谷胱甘肽：分析纯，上海博尚生物技术有限公司；

L-半胱氨酸：分析纯，北京奥博星生物技术有限责任公司。

1.1.2 主要仪器设备

去壳机：JG01型，新沂市精工机械设备厂；

电子天平：YP20002型，上海越平科学仪器有限公司；

微波真空干燥设备：KL-2D-6KW型，广州市凯棱工业用微波设备有限公司；

色差仪：Color Quest XE型，美国HunterLab公司。

1.2 方法

1.2.1 干燥工艺 挑选无虫眼、无霉烂的板栗，采用脱壳机去壳去红衣；将板栗仁切成5 mm左右的板栗片，称取一定质量板栗片按照料液比1∶3 (g/mL)加入护色液(0.8%柠檬酸+0.04%L-半胱氨酸+0.05%谷胱甘混合液)进行护色处理(50 min)，护色后吸干表面水分，将500 g 板栗片单层均匀平铺于微波真空干燥箱的物料盘内，在不同真空度及微波功率条件下进行干燥，每隔2 min测定样品质量变化。

1.2.2 单因素试验设计

(1) 微波功率：固定板栗切片厚度5 mm、装载量500 g，真空度-60 kPa，选取微波功率2，3，4，5 kW进行试验。通过测定干燥水分比、干燥速率的变化探索微波功率对板栗干燥特性的影响。

(2) 真空度：固定板栗切片厚度5 mm、装载量500 g，微波功率3 kW，选取真空度-20，-40，-60，-80 kPa进行试验。通过测定干燥水分比、干燥速率的变化探索真空度对板栗干燥特性的影响。

1.2.3 响应曲面试验设计 选择微波功率、真空压力、干燥时间为自变量，采用Design-Export.8.05b软件依据Box-Behnken中心组合试验的设计原理，以水分含量(Y1)和白度值(Y2)为响应值进行三因素三水平响应面试验，建立最佳干燥参数的数学模型。

1.2.4 指标测定方法

(1) 水分测定：采用直接干燥法[24]。

(2) 色泽测定：利用色彩色差计进行测定，以仪器白板色泽为标准，根据CIELAB表色系统测量板栗片的明度指数L*(0～100)，L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色，明度指数(L*)间接反映色泽好坏。此次试验选取L值来表示干燥后板栗的褐变程度，色泽(L*)值越大，表示产品颜色越好[25]。

1.2.5 干燥参数的计算方法

(1) 干基含水率：按式(1)计算。

(1)

式中：

Mt——干基含水率，g/g；

mt——t时刻对应的物料质量，g；

mg——绝干时物料质量，g。

(2) 干燥速率：按式(2)计算。

(2)

式中：

DR——干基速率，g/min；

△m——相邻 2 次测量的失水质量，g；

△t——相邻 2 次测量的时间间隔，min。

(3) 水分比：按式(3)计算。

(3)

式中：

MR——水分比；

Mt——干燥至t时刻的干基含水率，g/g；

M0——初始干基含水率，g/g；

Me——干燥至平衡时的干基含水率，g/g。

由于平衡干基含水率Me远小于M0和Mt，式(3)可简化为式(4)。

(4)

1.3 数据处理与分析

采用SPSS软件进行数据统计分析，采用Origin 8.0软件进行绘图，通过Design-Expert.8.05b软件进行响应曲面模型建立及方差分析。

2 结果与分析

2.1 微波功率对板栗片干燥特性的影响

在真空度为-60 kPa下，微波功率对板栗微波真空干燥过程的水分比、干燥速率的影响结果见图1。微波真空干燥功率分别为2，3，4，5 kW时，板栗的干燥时间分别为26，18，14，12 min，即功率越大，干燥时间越短，干燥速率越快。水分比随着干燥时间的延长而逐渐下降。干燥速率均呈现为开始的短暂升速，中间恒速和随后的降速阶段，基本符合传统的干燥速率变化规律。微波能使板栗内部水分子高速震动，瞬间产生摩擦热，板栗片表面和内部同时升温，干燥层首先在物料内层形成，然后由里层向外扩展，由于外部温度低，产生内外温度梯度，推动水分向外表迁移。但由于板栗片中的水分从升温到转化为水蒸气排出需要一个过程，干燥速率不是很大。在干燥中期，由于微波加热完全用于水分的汽化，干燥速率比较平稳，这时板栗片表面水分散失速率等于内部水分向外迁移速率，故在一段时间内降水速率保持不变。到干燥后期，随着物料含水量的减少，物料所吸收的微波能随之减少，使传质推动力下降，干燥速率开始逐渐下降[26-28]。

图1 微波功率对板栗干燥特性的影响

2.2 真空度对板栗片干燥特性的影响

在微波功率为2 kW下，真空度对板栗微波真空干燥过程的干基含水率、水分比、干燥速率的影响结果见图2。真空度分别为-20，-40，-60，-80 kPa时，板栗片的干燥时间分别为38，36，26，22 min。可见真空度对干燥速率有显著影响，随着真空度的加大，干燥时间缩短。这是因为物料干燥需使物料达到水沸点的温度并具有水分蒸发所需的潜热，真空度增大，水的沸点降低，水分蒸发速率加快，但是压力下降，水分蒸发潜热增大，同时过大的真空度会导致静电的释放。真空度较低时，水的沸点较高，物料局部升温较大，致使物料烧焦，阻碍了水分的扩散路径[29-30]。干基含水率和水分比都随着干燥时间的延长而逐渐下降。由干燥速率曲线可知，干燥过程主要为加速和降速阶段，恒速阶段持续时间较短。由图1、2 可知，微波功率和真空度对干燥时间均有显著影响。

图2 真空度对板栗干燥特性的影响

2.3 响应面试验结果分析

2.3.1 回归方程的建立及分析 根据单因素试验结果，以干燥时间、功率、真空度为自变量，试验因素水平和编码见表1，以水分含量(Y1)和白度值(Y2)为响应值，响应曲面试验设计及结果见表2。

采用Design-Expert.8.05b软件对试验结果进行分析，得到响应值水分含量(Y1)和白度值(Y2)与时间、真空度、功率3个因素的数学回归模型：

Y1=2.54-1.74A+1.54B-4.02C+0.33AB+1.95AC-1.57BC+1.22A2-0.028B2+3.55C2，

(5)

Y2=66.57-0.96A+3.78B-3.59C+1.45AB+0.32AC+0.57BC-3.91A2-3.22B2-1.75C2。

(6)

由表3可知，模型的F=14.24，P=0.001，说明该模型有意义；失拟项不显著。决定系数R2= 0.948 2，表明该模型的拟合性较好，可以用来对微波真空干燥板栗片水分含量进行分析和预测。此模型的信噪比为13.639可以在生产当中应用(信噪比>4 即可认为该模型可用)。由表3还可以看出，影响水分含量的显著性项分别为A、B、C、AC、C2，由F检验得到3个因素对水分含量方差影响大小顺序为功率>时间>压力。

表1 试验因素水平及编码表

表2 Box-Benhnken中心组合设计的试验结果

Table 2 Experimental results of Box-Benhnken central composite design of conditions

序号ABCY1/%Y21-10-116.4364.4520-1-16.0660.8931104.3861.284-1013.5759.0250112.9163.4660004.1368.7870002.1565.168-1-103.7560.5091-101.5255.411001-113.1771.88110001.6063.94121012.0858.0113-1105.2960.57140-112.1050.171510-17.1562.16160002.3369.55170002.4865.41

由方差分析结果可知，模型中AB、BC无明显交互作用，AC交互作用显著，即干燥时间和功率之间的交互作用对板栗片水分含量有显著影响，其交互作用响应曲面和等高线见图4。由图4可知，一定的功率下，随着干燥时间的延长，水分含量降低，在12 min达到最小值后又升高；等高线呈椭圆形明显，说明二者的交互作用显著。

对白度值回归模型进行方差分析，结果见表4。

由表4可知，该模型的F=3.690，P=0.049 6，表明该模型有意义；失拟项不显著。决定系数R2为0.826，说明该模型的拟合性较好。信噪比为5.931，说明该模型可以在生产当中应用。由表4还可以看出，影响白度值的显著性项分别为B、C、A2，由F检验得到3个因素对白度值方差影响大小顺序为压力>功率>时间。由方差分析结果可知，模型中AB，AC，BC均无明显的交互作用。

2.3.2 回归模型验证 由Design-Expert.8.05b 软件对试验模型进行典型性分析以水分含量低，白度值高为最佳，得到板栗片微波真空干燥的最佳参数为时间12.22 min，压力-56.16 kPa，功率3.16 kW，该条件下栗片的水分含量为2.35%，白度值为66.875。考虑到实际操作，将干燥条件修正为时间12 min，压力-56 kPa，功率3 kW，进行验证实验，3次平行实验得到板栗片水分含量2.36%，白度值67.34，相对偏差分别为0.42%和0.69%，证实了该模型的可靠性。

表3 水分含量回归模型的方差分析†

图3 时间和功率交互影响水分含量的曲面图及等高线图

方差来源平方和自由度均方F值P值显著性模型368.181940.9093.6900.049 6∗A7.35817.3580.6640.442 1B114.2511114.25110.3060.014 9∗C103.0691103.0699.2970.018 6∗AB8.41718.4170.7590.412 4AC0.41010.4100.0370.853 0BC1.31711.3170.1190.740 5A264.357164.3575.8050.046 8∗B243.645143.6453.9370.087 6C212.861112.8611.1600.317 2残差77.600711.086失拟53.592317.8642.9760.159 7纯误差24.00846.0023.690总和445.78116

3 结论

板栗片在微波真空干燥过程中，微波功率和真空度均对干燥特性有显著影响，功率越大，真空度越高，干燥速率越快，干燥过程主要分为加速和降速阶段，恒速阶段持续时间较短。通过对板栗微波真空干燥进行参数优化，得最佳工艺参数为时间12 min，压力-56 kPa，功率3 kW，可确保板栗片干燥后的品质，而且干燥效率高、能耗低。

本研究填补了微波真空干燥技术在板栗上应用的空白，板栗微波真空干燥过程与其他一般物料如荔枝果肉[31]、双孢菇片[32]等的干燥具有相同的特点。另外，微波真空干燥的干燥效果与物料本身的大小、厚度、含水率等因素也有关系，所以干燥时应控制板栗片的大小、厚度、水分含量等尽可能一致。本研究对板栗干燥工艺的应用还处于小试阶段，有待进行大规模生产。

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