微波联合热风干燥生姜片工艺优化

岑顺友，刘晓燕，任飞，马立志*，谢丹，宋明发

(1.贵州大学 酿酒与食品工程学院，贵阳 550025；2.贵阳学院 食品与制药工程学院，贵阳 550005；3.贵州省果品加工工程技术研究中心，贵阳 550005；4.贵州黔棠姜生物科技有限公司，贵州 镇宁 561200)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)是世界各地广泛应用的主要辛香保健蔬菜之一，含有姜辣素、姜油酮、姜烯酚、姜醇、生姜蛋白酶、姜黄素等多种活性成分[1-4]；具有抗氧化、抗癌、开胃健脾、抑菌等多种功能性质[5,6]，因此，生姜是食品医药和化工产品的重要原料。我国生姜资源丰富，地方品种颇多；2012年，卫计委公布生姜为食药两用的中药；2018年，我国生姜种植面积达到448万亩，较2017年增加了16.97%，产量为846万吨，比2017年减少了5.26%；生姜价格波动不大，与马铃薯、洋葱、大蒜等相比较，生姜收益相对理想，是脱贫攻坚的扶贫产业之一；从流通格局来看，我国生姜71%用于鲜食，9%用于加工，8%用于姜种，7%被损耗掉，5%用于外贸出口[7]。

近5年来，我国生姜种植面积不断扩大，而生姜加工用量占比并没有提高，目前生姜加工主要以保鲜、风干、淹渍产品为主，尚缺乏深加工的技术与工艺，如高效、节能、保质的干燥工艺和精深的提取工艺。随着人们的养生观念不断提高，姜油、姜粉、姜糖等深加工产品逐渐增多，生姜加工整体需求有增多趋势。干燥处理生姜不仅有利于姜的贮藏，也便于运输和加工利用；传统的生姜干燥方法有燃烧焦煤的烘烤方式或自然干燥、热风干燥[8]，存在干燥品质和干燥效率低的问题。随着科学技术的发展，越来越多的干燥新技术被应用于果蔬干燥，如微波干燥、真空干燥、真空冷冻干燥、远红外干燥等[9-12]。由于微波干燥效率高，但干燥终点难控制，容易出现干燥过热的现象。本文采用先微波真空后热风干燥的联合工艺，旨在探讨高效、节能、高品质的生姜干燥工艺，为生姜的脱水干燥生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

生姜：贵州黔棠姜生物科技有限公司提供的“小黄姜”品种，产地：贵州镇宁；香草醛：天津市科密欧化学试剂有限公司；无水乙醇：成都市科龙化工试剂厂。

1.2 仪器与设备

WBZ-16型微波真空干燥机 贵阳新奇微波工业有限责任公司；SM705EE型热风炉 新麦机械有限公司；FA124型电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司；JA2003型电子天平 上海浦春计量仪器有限公司；i3型紫外可见分光光度计 济南海能仪器有限公司；CS-700型高速多功能粉碎机 永康市天祺盛世工贸有限公司；XMTD-204型数显恒温水浴锅 上海梅香仪器有限公司；202-1AB型电热恒温干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 鲜姜片的制备

挑选新鲜饱满、无损伤腐烂、无病害、无发芽的小黄姜块，清洗沥干后切片，厚度2 mm。

1.3.2 微波真空联合热风干燥生姜工艺流程

生姜→挑选→清洗→切片(2 mm)→微波真空干燥→热风干燥→冷却→干姜片(密封保存)。

1.4 单因素试验设计

1.4.1 微波功率对姜辣素含量的影响

取鲜姜片3份，每份50 g，单层平铺于物料盘上，微波功率选用300，500，1000，1500，2000 W，每干燥2 min间歇1 min，真空度0.085 MPa，直至含水率≤8%为止。

1.4.2 转换点含水率对姜辣素含量的影响

取鲜姜片3份，每份50 g，单层平铺于物料盘上，微波功率设定为500 W，每干燥2 min间歇1 min，分别干燥至含水率为20%、30%、40%、50%、60%，转换为热风干燥，干燥温度65 ℃，直至含水率≤8%为止。

1.4.3 热风干燥对姜辣素含量的影响

取鲜姜片3份，每份50 g，单层平铺于热风炉内，风速1.5 m/s，干燥温度分别为45，55，65，75，85 ℃，直至含水率≤8%为止。

1.5 响应面法优化试验设计

先进行单因素试验，选定微波功率、干燥转换点含水率、热风温度3个因素；以姜辣素含量为评判标准，结合单因素试验中姜辣素含量、复水比指标确定因素水平，采用Box-Benhnken中心组合试验设计进行工艺优化。

1.6 试验测定方法

1.6.1 含水率的测定

湿基含水率采用GB 5009.3-2016的方法测定；

干燥转换点含水率参照徐艳阳等的方法测定[13]。

1.6.2 干姜片复水试验方法

参照马先英等的方法测定[14]。

1.6.3 姜辣素含量的测定

参照王雪等的方法测定[15]。

1.6.4 总能耗计算

总能耗=设备的单位能耗×实际干燥时间。

1.7 数据分析

各指标均重复测定3次；使用Origin 8.5软件对数据进行作图，采用Design-Expert 8.0.6 软件进行响应面设计和数据分析。

2 结果与分析

2.1 香草醛标准曲线

图1 香草醛标准曲线图Fig.1 Standard curve of vanillin

由图1可知，香草醛标准曲线回归方程为y=0.0761x-0.014，R2=0.9988，表明线性良好。

2.2 单因素试验结果

姜辣素是以姜酚为主的系列衍生物，是生姜中的辣味成分，是评价生姜品质的重要指标之一。复水性是考察干燥过程对细胞损伤程度的方法，是评价干制品品质的重要指标，复水比越大，复原效果越好，说明脱水过程对物料造成的损伤越小。因此，选用姜辣素含量、复水比作为生姜干燥品质的评价指标。

2.2.1 热风干燥对生姜姜辣素含量、复水比的影响

图2 热风干燥温度对生姜片姜辣素含量、复水比的影响Fig.2 Effect of hot air drying temperature on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由图2可知，姜辣素含量随着干燥温度的升高呈先上升后下降的趋势，到65 ℃时姜辣素含量最高(2.41%)，可能是因为45，55 ℃干燥时间过长，75，85 ℃干燥温度较高导致姜辣素含量损失较多；复水比随着温度的升高呈下降趋势，65 ℃之前下降趋势缓慢，65～75 ℃复水比下降趋势大，表明在此期间干燥温度对姜片损伤较大。综合考虑，选定55～75 ℃为工艺优化因素水平；由方差分析可知，热风温度对姜辣素含量的影响不显著(P>0.05)，是因为在55～75 ℃之间姜辣素含量变化波动小。

2.2.2 微波功率对生姜姜辣素含量、复水比的影响

图3 微波功率对生姜片姜辣素含量、复水比的影响Fig.3 Effects of microwave power on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由图3 可知，微波功率大于500 W后姜辣素含量呈下降趋势，干燥功率大于1000 W容易出现过热现象，含水率达到14%出现大面积焦糊现象，可能是功率过大对物料脱水作用较强烈，导致姜辣素被破坏程度较大；复水比的变化趋势与姜辣素含量走势相同，微波功率为500 W时复水比最高(3.87%)，500～1000 W之间复水比明显下降；由方差分析可知，微波功率对姜辣素的影响极显著(P<0.01)，综合分析，选定微波功率300，500，1000 W为工艺优化因素水平。

2.2.3 干燥转换点含水率对生姜姜辣素含量、复水比的影响

图4 转换点含水率对生姜片姜辣素含量、复水比的影响Fig.4 Effect of water content at conversion point on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由图4可知，转换点含水率的生姜片复水比均处于较高水平，波动幅度不大，可能是设定的干燥条件比较适中温和，干燥过程对生姜片损伤不大；姜辣素含量呈先上升后下降趋势，含水率为30%时开始下降，可能是因为微波干燥转换点含水率越大，热风干燥时间越长导致姜辣素含量降低，含水率大于30%时热风干燥对姜辣素含量的影响大于微波干燥；含水率小于30%时微波干燥对姜辣素的影响大于热风干燥；由方差分析可知，转换点含水率对姜辣素的影响显著(P<0.05)。综上分析，转换点含水率在30%时姜辣素含量最高，20%～40%之间存在干燥转换含水率平衡点，因此转换点含水率工艺优化因素水平选用20%、30%、40%。

2.3 响应面法优化微波联合热风干燥工艺

2.3.1 回归方程建立和显著性检验

以单因素试验结果为基础选定因素水平，使用Design-Expert 8.0.6软件对各因素及水平进行Box-Benhnken响应曲面设计，用A、B、C分别表示热风干燥温度、微波功率、转换点含水率，以1、0、-1分别代表变量的水平，试验设计及结果见表1～表3。

表1 响应曲面因素水平Table 1 The factors and levels of response surface

表2 响应曲面设计与试验结果Table 2 Response surface design and test results

表3 响应曲面二次回归方程模型方差分析结果Table 3 Analysis of variance of response surface quadratic regression equation model

注：“*”表示差异显著(P<0.05)，“**”表示差异极显著(P<0.01)。

通过Design-Expert 8.0.6软件分析，得到生姜片姜辣素含量对热风干燥温度、微波功率、转换点含水率的二次多项回归模型：

Y=2.59-0.010A-0.13B-0.055C+0.050AB+0.025AC-0.058BC-0.097A2-0.34B2-0.060C2。

对该模型进行方差分析，得出对生姜片姜辣素含量有显著影响的因素。由表3可知，回归模型具有高度显著性(P<0.0001)，失拟项在a=0.05水平上不显著(P>0.05)，相关系数R2=0.9812，RAdj2=0.9571，表明此模型拟合程度良好，可信度较高，其响应值有98.12%来自于变量因素，因此能够用此模型对姜辣素含量进行准确的预测和分析。一次项方差分析中热风温度对姜辣素影响不显著(P>0.05)，微波功率极显著(P<0.01)，转换点含水率显著(P<0.05)；二次项方差分析中热风干燥温度、微波功率对姜辣素含量影响极显著(P<0.01)，转换点含水率对姜辣素含量影响显著(P<0.05)；3个因素之间只有微波功率与转换点含水率的交互作用对姜辣素影响显著(P<0.05)。

2.3.2 响应面曲线分析

图5 热风温度与微波功率交互作用的响应曲面和等高线图Fig.5 Response surface and contour maps of the interaction between hot air temperature and microwave power

图6 热风温度与转换点含水率交互作用的响应曲面和等高线图Fig.6 Response surface and contour maps of the interaction between hot air temperature and water content at conversion point

图7 微波功率与转换点含水率交互作用的响应曲面和等高线图Fig.7 Response surface and contour maps of the interaction between microwave power and water content at conversion point

由图5～图7和表3可知，微波功率、热风温度和微波功率二次项对姜辣素含量影响极显著(P<0.01)；干燥转换点含水率、微波功率与转换点含水率交互项、转换点含水率二次项对姜辣素含量影响显著(P<0.05)；热风温度与微波功率和转换点含水率交互作用较小；曲线图中微波功率曲线较陡，影响最大，其次是转换点含水率；综上分析，影响生姜片联合干燥因素大小顺序为：微波功率>转换点含水率>热风温度。

2.3.3 验证试验结果

由软件模型对试验数据进行分析处理，得出微波联合热风干燥生姜片工艺的最佳条件为：微波功率590.54 W，干燥转换点含水率34.09%，热风温度63.50 ℃。模型预测的最大姜辣素含量为2.61%；结合实际情况，采用微波功率590 W干燥至姜片含水率为34%，转换为热风63.50 ℃干燥至含水率小于8%为止，在此条件下进行3次重复试验，姜辣素平均含量为2.59%，达到预测值的99.23%，与理论预测值相比，相对标准偏差为0.014，说明验证试验的重复性和精密度良好，此最佳模型可靠。

2.3.4 对比试验设计结果

根据上述优化条件，对比联合干燥与单独热风干燥、微波干燥的效果；分别取2 mm厚的3份姜片，每份50 g，设计试验条件为单独热风干燥65 ℃，风速1.5 m/s；单独微波真空干燥功率为590 W，真空度为0.085 MPa，每干燥2 min间歇1 min；微波联合热风干燥为先微波真空干燥(590 W)，每干燥2 min间歇1 min，至含水率为34%转换为热风干燥(63.5 ℃)；含水率为8%以下为干燥终点。

表4 不同干燥条件总能耗比较Table 4 Comparison of total energy consumption under different drying conditions

图8 不同干燥方式姜辣素含量、复水比比较Fig.8 Comparison of gingerol content and rehydration ratio by different drying methods

由表4和图8 可知，从能耗方面分析，单独微波真空干燥效率最高，能耗最小，干燥时间明显缩短，但存在干燥终点难控制、干燥后期易出现过热、局部焦糊的现象，产品感官差；微波联合热风干燥比单独热风干燥能耗减少71.60%，干燥时间缩短70.13%；微波联合热风干燥的主要干燥时间及能耗在于后期的热风干燥，但具有比单独热风干燥节能和效率高，比单独微波真空干燥终点易控制，产品感官良好的特点。从理化指标方面分析，微波联合热风干燥的姜辣素含量比单独微波真空干燥提高17.19%，比单独热风干燥提高7.47%；复水比与单独热风干燥相比略有下降，比单独微波干燥提高33.59%，可得出微波真空干燥后期对姜片品质的影响较大，可能是因为干燥后期姜片水分含量下降，微波的热效应主要标靶由水转为姜片的干基物质。

3 结论

近年来，采用联合干燥工艺的研究报道越来越多，如马先英等[14]采用热风65 ℃干燥胡萝卜至含水率50%后进行微波干燥(170 W)，所得干制品的感官质量和复水比优于单独干燥方式；徐艳阳等对热风与微波联合干燥生姜片的工艺进行优化，结果表明联合干燥比单独热风干燥和微波干燥的姜辣素含量提高了32%和12%，总能耗比单独热风干燥降低了59.76%；因此，采用联合干燥在能耗、效率和品质上均高于单独干燥。

本文采用微波真空干燥与热风干燥工艺相结合，利用微波真空干燥效率高的特点除去姜片大部分水分，再进行热风干燥至干燥终点的设计思路，达到高效、干燥终点易控制的目的；以微波功率、转换点含水率、热风干燥温度为因素进行响应面优化分析，得到最佳优化条件为：微波功率590 W，转换点含水率34%，热风温度63.5 ℃；在此条件下姜辣素含量最高(2.59%)，比单独微波真空干燥提高17.19%，比单独热风干燥提高7.47%；能耗比单独热风干燥减少71.60%，干燥时间缩短70.13%；复水比与单独热风干燥相比略有下降，比单独微波干燥提高了33.59%；因此，微波联合热风干燥工艺具有高效、节能、高品质的特点，适合于生姜片的干燥生产加工。