天麻蒸制后红外干燥特性及失水动力学研究

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(1.食品科学与工程学院,山东农业大学,山东泰安 271018;2.齐鲁工业大学(山东省科学院),山东省分析测试中心,山东省中药质量控制技术重点实验室,山东济南 250014)

天麻(GastrodiaelataBlume)为兰科天麻属多年生草本植物,其干燥块茎是我国贵重中药材,对于失眠、偏头痛、高血压、心脑血管疾病、糖尿病及神经病变等有较好的治疗效果,同时还可用于保健食品[1-3]。鲜天麻的含水量高达80%左右,因而其采后干燥是产地加工的必要环节。天麻传统干燥方法有晒干法[4]、热风干燥法[5]等,这些干燥法存在效率低、产品品质差、有效成分损失严重等缺点,而冷冻干燥法[6]、微波干燥法[7]等现代干燥方法存在设备复杂投资大、耗能大等问题。红外干燥作为一种现代干燥技术,干燥效率快、干燥产品外观品质好,且设备简单[8],已经在南瓜[9]、山药[10]、黄芩[11]等物料干燥过程中得到很好的应用,是一种较理想的干燥方式,而在天麻干燥尚未见报道。

目前对天麻的干燥研究主要集中在不同干燥方式比较、工艺优化等方面[4-7],对天麻干燥失水过程的基础理论研究相对较少,刘泊远[12]、葛进[13]等分别报道了天麻热风、变温干燥特性,但未见系统的动力学方程研究。为了更好的保存天麻中的有效成分,天麻要蒸制后再进行干燥。蒸制作为天麻采后的特殊加工方法,能有效避免水浸煮法造成的天麻霉变、切片过程中的黏刀及天麻素流失等[3],蒸制加工的天麻样品天麻素含量高于煮制法、直接加热烘制法、冷冻干燥法和直接晒干法等方法[14],但蒸制会改变天麻的组织结构及成分,因而蒸制后天麻的干燥失水过程与新鲜天麻不同,其干燥特性目前尚不明确。因此,本实验采用红外干燥技术,研究了蒸制后天麻的干燥特性及失水规律,建立干燥动力学模型,以期较准确地预测蒸制后天麻干燥期间的水分变化规律,为天麻干燥加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

二级新鲜乌天麻 采自云南省邵通市彝良县小草坝天麻种植基地,挑选大小均一(质量(40±1) g,直径(2±0.2) cm,高度(8±0.5) cm)、无损伤的天麻。

BAS124S万分之一天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;HF881-2型远红外鼓风干燥箱(加热功率:2 kW,红外功率:400 W,温度波动:±1 ℃) 吴江华飞电热设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 原料预处理 挑选大小均匀、无损伤的新鲜天麻,洗净晾干表面水分,置蒸锅中隔水蒸制12 min,至麻体通透光亮,断面颜色均匀无白心。蒸制后天麻含水率按照GB/5009.3-2016《食品中水分测定方法》进行测定[15],得天麻初始含水率为78.16%。将蒸制后天麻切成半径分别为0.8、1、1.2 cm,高度为4 cm,弧度为90 ℃的扇形块状。

1.2.2 红外干燥试验 将预处理后半径1 cm的天麻块(约10 g)放入不同温度(40、60、80 ℃)的红外鼓风干燥箱中,进行干燥试验,前2 h每隔30 min测一次重量,之后每1 h测一次重量,直至两次称量的质量差小于0.01 g时,停止试验,考察不同温度对天麻干燥特性的影响。将预处理后半径为0.8、1、1.2 cm的天麻块放入60 ℃干燥温度下进行试验,考察切块半径对干燥特性的影响。每组试验重复3次,取平均值。

1.3 干燥参数的计算

干基含水率(Wt)计算公式为[16]:

式(1)

式中:Wt为干基含水率,g·g-1;md为干物质的质量,g;mt为任意t时刻物料的质量,g。

水分比(MR)公式[17]:

式(2)

式中:Mt-样品任意时刻的干基含水率,g·g-1,Me-样品的平衡干基含水率,g·g-1;M0-样品的初始干基含水率,g·g-1。

干燥速率公式[18]:

式(3)

式中:Ui为i时刻试验样品的干燥速率g·(g·min-1),Mi为i时刻试验样品干基含水率,g·g-1。

有效水分扩散系数(Deff)计算公式[19]:

式(4)

式中:Deff为物料的有效水分扩散系数,m2·s-1;L为物料厚度,m;t为干燥时间,min。

活化能通过阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation)计算[20]:

式(5)

式中:D0指Arrhenius equation方程的指数前因子,m2/s;Ea指物料的干燥活化能,kJ·mol-1;T指绝对温度,K;R指气体摩尔常数,其值为8.314 J(mol·k)-1。

1.4 干燥模型的建立

物料干燥过程是一个非常复杂的热量传递过程,涉及多种物理现象[21],Fick方程可用于描述干燥过程中物料水分比随时间的变化规律[22],本研究选用6个常见的干燥动力学数学模型进行拟合[23-24],模型方程见表1。

表1 用于干燥曲线分析的数学模型Table 1 Mathematical models for drying curves

将试验得到的数据进行拟合回归分析,并用决定系数R2、卡方检验值χ2和均方根误差RMSE来评价模型拟合的适用性,其表达式如下[25]:

式(6)

式(7)

其中,R2值越大、χ2和RMSE越小,说明模型的拟合性越好。

1.5 数据处理与模型分析

采用Microsoft Office Excel 2007、Origin 9.0软件进行数据处理、模型拟合和回归分析。

2 结果与分析

2.1 天麻红外干燥特性分析

2.1.1 干燥温度对天麻干燥特性的影响 图1为不同温度下天麻的干燥曲线及干燥速率曲线,可见随着干燥时间的增加,天麻水分含量逐渐下降,40、60、80 ℃下干燥时间分别为1800、1200和960 min。温度越高,干燥速率越快,随着干燥温度的上升,天麻含水量降到同一水平需要的时间越短。在同一干燥温度下,随着干燥时间的增加,干基含水率下降趋势逐渐减缓,干燥速率降低。

图1 不同温度下天麻干燥曲线及干燥速率曲线Fig.1 Drying curves(A)and drying rate curves(B)of Gastrodiaelata Blume at different infrared blast drying temperatures

在干燥初期,由于天麻蒸制后组织结构破坏,水分向外扩散,干基含水率下降明显;后期由于内部水分向外扩散缓慢,干基含水率下降趋势减缓。由干燥速率曲线可知,前期温度对干燥速率影响明显,后期不同温度梯度下干燥速率变化不明显,主要是由于在较高温度下天麻表面硬化效果显著,导致水分扩散速率减慢,干燥速率降低。天麻在整个干燥过程中主要为降速阶段,偶尔有短暂的加速过程,没有明显的恒速阶段,这说明在整个干燥过程中,内部水分扩散为其主导因素,这与大多数生物物料的干燥特性相似[26-28]。在试验过程中发现,当干燥温度为80 ℃时,天麻表皮处出现大面积的黑斑,外观品质不佳,葛进等[13]的研究也显示,80 ℃干燥时表皮皱缩,出现不规则黑斑,推测是高温时天麻表面温度迅速升高水分快速散失,同时表面收缩造成水分分布不均,局部温度过高,进而导致发生焦糖化和美拉德反应,具体原因有待进一步研究确证。干燥温度为40 ℃时,干燥时间较长,干燥效率低,因此,在天麻干燥过程采用50～60 ℃干燥温度较好。

2.1.2 天麻块半径对天麻干燥特性的影响 图2为不同半径天麻的干燥曲线及干燥速率曲线,可见干燥时间相同的情况下,天麻块半径越小,水分散失速率越快,半径为0.8、1、1.2 cm天麻块干燥时间分别为1180、1200和1600 min,可见半径为1.2 cm时,天麻块水分散失速率明显慢于0.8和1 cm时水分散失速率,是由于物料厚度越大,内部传送阻力越大,水分散失速率越慢,因此,天麻切块过厚则不利于最终干燥结果。

图2 不同切块半径下天麻干燥曲线及干燥速率曲线Fig.2 Drying curves(A)and drying rate curves(B)of Gastrodia elata Blume

2.2 天麻薄层干燥动力学模型分析

2.2.1 天麻干燥动力学模型的拟合 计算天麻的水分比MR,用Origin 9.0软件对表1中的6个模型进行拟合,模型中干燥时间t的单位为min。在不同的温度下,6个模型的常数及拟合检验指标R2、χ2和RMSE见表2。由表2可知,所选的6个模型均能模拟天麻干燥过程水分变化,其中Page模型拟合最好,R2均值高达0.9991,χ2和RMSE值分别为7.633×10-5和0.0011。在对南瓜[9]红外干燥及黄芩[11]红外干燥中也发现Page模型拟合效果最好。

表2 不同干燥条件下天麻块数据拟合结果Table 2 Statistical results of drying models for Gastrodia elata Blume under the different drying conditions

2.2.2 Page模型的求解 Page模型可以很好的描述天麻的红外鼓风干燥过程,模型中的n和k是干燥温度(℃)和半径(r)的函数,利用Excel软件,分别对n和k与温度和半径进行一元非线性回归分析:

当天麻干燥半径为1 cm时,

k=3×10-5T2-0.003T+0.106(R2=1)

式(8)

n=-0.003T2+0.049T-0.6322(R2=1)

式(9)

当天麻干燥温度为60 ℃时,

k=0.0225r2-0.048r+0.0308(R2=1)

式(10)

n=-0.7975r2+1.598r+0.1216(R2=1)

式(11)

2.2.3 Page模型的验证 在干燥温度为40 ℃,天麻块半径为0.8 cm条件下,天麻干燥的验证试验值与Page模型的预测值如图3所示。预测值与试验值拟合较好(R2=0.9993),说明Page模型可以很好的描述天麻红外干燥过程中水分变化规律。

图3 Page模型的验证Fig.3 Validation of Page model

2.3 有效水分扩散系数和活化能

天麻的干燥过程主要以降速阶段为主,因此有效水分扩散系数可以用Fick第二定律来计算。由公式(4)可知,天麻干燥过程中水分比MR的自然对数lnMR与干燥时间t呈线性关系。通过线性回归计算出天麻不同温度下有效水分扩散系数Deff。由表3可知,当天麻半径为1 cm,热风温度为40、60、80 ℃时,有效水分扩散系数为1.9251×10-8～4.0528×10-8m2/s;当干燥温度为60 ℃,天麻块半径为0.8、1、1.2 cm时,有效水分扩散系数为2.0146×10-8～3.8359×10-8m2/s,在一定范围内,天麻有效水分扩散系数随着温度的升高而升高,随半径的增加而减小,这与山药红外干燥有效水分扩散系数变化规律相同[10]。

表3 不同条件下天麻红外干燥有效水分扩散系数Table 3 Effective moisture diffusivity of Gastrodia elata Blume under different drying conditions

将式(5)两边取对数可得,由该式可知lnDeff与1/Ta呈线性关系,斜率为-Ea/Ta,二者关系如下图所示。天麻在不同温度下直线回归方程为y=-2061.2699x-11.1745(R2=0.9962),经过计算活化能为17.1374 kJ/mol。

图5 有效水分扩散系数与干燥温度的关系Fig.5 The relation curves of moisture effective diffusion coefficients and drying temperatures

3 结论

天麻蒸制后红外干燥过程中,天麻块半径越小,温度越高,干燥速率越快,干燥时间越短,50～60 ℃干燥效果较好。Page干燥模型对天麻的干燥失水过程拟合度最好,R2均值最高,λ2和RMSE均值最小,分别为0.9991、7.633×10-5和0.0011,且形式简单,参数较少,所以Page模型可以较好的模拟天麻蒸制后红外干燥过程中水分的变化。天麻有效水分扩散系数在1.9251×10-8～4.0528×10-8m2/s之间,通过阿伦尼乌斯公式计算出天麻红外干燥活化能为17.1374 kJ/mol。该研究为天麻干燥加工提供了理论依据。