流化—微波—焙烤联合加工胡萝卜脆片的工艺研究

金丽梅，隋世有，陈文璐，廖梓钊，胡亚光，魏春红，李婷

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319；2. 北大荒现代农业产业技术省级培育协同创新中心）

胡萝卜是人们日常生活中常见的蔬菜品种之一，其中含有多种营养物质，包括蛋白质、脂肪、糖类、胡萝卜素等物质，人们称之为“小人参”，经常食用有益肝明目、降糖降脂等功效[1-2]。目前，胡萝卜常作为农副产品食用，而开发胡萝卜脆片休闲食品，对于提高胡萝卜的利用价值，提高人们的健康水平具有重要意义。现有的果蔬脆片加工工艺主要分为烘焙型、油炸型和挤压型，其中，油炸脆片虽然酥脆可口，但普遍存在高热量、高油脂、色泽暗淡、营养损失大等问题[3-5]。为了解决油炸脆片带来的潜在健康隐患[6-7]，对非油炸型果蔬脆片的加工工艺探索研究层出不穷[8-9]。

微波干燥是利用微波的穿透性，实现了物料内、外同时加热，从而去除物料水分[10]。微波干燥不同于传统干燥方式，其热传导方向与水分扩散方向相同，有利于缩短干燥时间[11-13]，同时也会使果蔬发生部分膨化作用，结构变得疏松[14]。然而微波干燥存在的主要问题是产品优质品率低、质量参差不齐以及干燥耗时长，能耗高等各种问题[15]，采取联合干燥工艺生产果蔬脆片势在必行。

拟利用流化干燥、微波干燥及焙烤工艺相结合的方式加工胡萝卜脆片，即在微波干燥之前对胡萝卜薄片进行热风流化干燥除去胡萝卜中的大量非结合水分和部分结合水，控制流化-微波干燥的含水率转换点，进一步缩短胡萝卜片的微波干燥时间，提高脆片的感官品质。焙烤工艺则有利于提高果蔬脆片的脆度，并进一步降低其含水率至安全数值。以色度为指标，通过单因素和正交实验优化流化干燥和微波干燥的工艺参数；在上述实验的基础上，以脆度和含水率为评价指标，优化了焙烤工艺参数，从而开发出一种口感酥脆、天然绿色健康、低脂低热的非油炸胡萝卜脆片食品。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜胡萝卜（北京华联超市购买）。食盐和绵白糖（吉林省杞参食品有限公司）、麦芽糊精（潍坊英轩实业有限公司）、柠檬酸（上海乐欧食品有限公司）、植酸（河南实业有限公司）、氯化钙（分析纯试剂）、去离子水（食品学院中试车间提供）。

1.2 仪器与设备

JYC-21HEC05 电磁炉（九阳股份有限公司）；LHC-3 流化床干燥操作演示实验装置（天津大学化工基础实验中心制）；ORWO8S-2Z 微波真空干燥杀菌设备（南京澳润微波科技有限公司）；TPA-CT3 质构仪（Brookfield Company）；A45 电烤箱（青岛汉尚电器有限公司）；HH-4 数显恒温水浴（常州荣华仪器制造有限公司）；RC-01 切片机（永康日灿日用片有限公司）；JD100-3B 电子天平（沈阳龙腾电子有限公司）；家用不锈钢锅、烧杯、量筒、玻璃棒等。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程

新鲜的胡萝卜→挑选→清洗→去皮→切片→护色→漂烫→浸渍→流化干燥→微波干燥→烘焙→冷却→称量包装→成品

1.3.2 操作方法

选择外观好、表皮光滑的胡萝卜，洗去表面附着的泥沙及其他杂质。用RC-01 型切片机将胡萝卜切成3 mm 薄片。使用复合护色剂（0.25%植酸、0.50%柠檬酸、0.30%氯化钙和1.5%氯化钠）对胡萝卜片进行护色10 min，防止发生褐变，保持营养[16]，然后对其进行漂烫（90 ℃，热烫6 min），凉水冷却后用糖和糊精调制糖度为12 °的浸渍液浸渍20 min[17]。沥干水分置于流化干燥室中，在设定的流化温度和空气流量下，每隔5 min 将胡萝卜片翻转一次并称重，计算湿基含水率和描绘干燥曲线。将流化干燥后的胡萝卜片均匀平铺于微波干燥设备中，通过控制干燥功率、时间和初始湿基含水率，分别绘制不同功率和初始湿基含水率条件下的干燥曲线。通过单因素实验考察微波干燥的功率（350、400、450 W）、时间（60、90、120 s）、初始湿基含水率（40%、50%、60%）的影响。在单因素实验的基础上安排L9（33）正交试验，优化微波干燥的最优条件。将微波干燥后的胡萝卜片放入焙烤设备中，设定温度为80 ℃，研究不同焙烤时间（5、10、15、20、25 min）下胡萝卜片的湿基含水率，并结合CT3 质构仪测定胡萝卜薄片的脆度值，确定烘焙干燥的最优条件。

1.4 指标测定

1.4.1 色度评定

使用Adobe photoshop CS 软件评定胡萝卜的色度，在RGB 模式中读取R 值，即红色的色度值作为评定指标。试验中色度值的数值越大，表明胡萝卜片的色泽越好[18]。

1.4.2 水分含量的测定

胡萝卜水分的测定参照GB 5009.3-1985 食品中水分的测定方法，物料最初含水率及绝干物料质量可用105 ℃烘干法测定。

式中：m0—物料初始质量；

md—绝干物料质量。

式中：x1—时间t1时的干基含水率；

x2—时间t2时的干基含水率。

1.4.3 脆度的测定

使用CT3 质构仪测定胡萝卜薄片脆度值，采用TA11/1 000 探头，夹具TA-RT。测试方法：目标行程3 mm，触发点负载10 g，测试速度1 mm·s-1，返回速度1 mm·s-1，循环次数2，脆度定义为以爆裂时的力与爆裂时间的比值[19-20]。

1.5 数据处理

数据分析采用Origin 2017 软件，Adobe photoshop CS 软件，数据处理采用Excle 2010。

2 结果与分析

2.1 流化干燥实验

2.1.1 流化温度的确定

控制空气流量为136.5 m3·h-1，流化干燥时间为45 min，调整流化温度为45～85 ℃，得到胡萝卜的流化干燥曲线如图1 所示。

图1 不同温度下的胡萝卜流化干燥曲线Fig.1 Fluidized drying curve of carrot under different temperature

由图1（a）可知，在空气流量为136.5 m3·h-1时，胡萝卜片的湿基含水率随温度的升高而下降，温度越高，胡萝卜内部水分的迁移速率增加，含水率下降速度，即干燥速度越快[21]。由图1（b）可知，在最初的0～5 min 内，胡萝卜片处于预热阶段，干基失水速率随着温度的升高而缓慢的增大，基本没有恒速阶段，当时间大于5 min 以后，则直接进入降速干燥阶段，干燥温度越大，干基失水速率也越大。当温度为45 ℃时，干基失水速率较慢，而温度为85 ℃时，虽然能达到较高的失水速率，但温度过高胡萝卜表面会产生焦糊干裂现象，因此确定流化干燥的温度为65 ℃左右。

2.1.2 空气流量的确定

控制流化温度为65 ℃，干燥时间为45 min，调整流化空气流量为110.5～162.5 m3·h-1，得到胡萝卜片的流化干燥曲线如图2 所示。

图2 不同空气流量下的胡萝卜流化干燥曲线Fig.2 Fluidized drying curve of carrotunder different air flow

由图2（a）可知，在流化温度65 ℃时，空气流量越大，胡萝卜片的水分含量下降越快，随着干燥时间的延长，水分含量下降明显。由图2（b）可知，在0～5 min，胡萝卜片处于预热阶段，因此在不同空气流量下干基失水速率逐渐增加，在5 min 后，胡萝卜片处于降速干燥阶段，干基失水速率逐渐降低，但实验表明：流量过低，试样表面略有暗淡无光泽，原因可能是流量过低水分去除的速率降低，在一定温度下，痕量的水分中溶解的氧气长时间存在于组织间可能促进呈色物质（类胡萝卜素）的氧化[22]；当流量过高，干基失水速率反而降低，试样会出现卷曲现象，原因是胡萝卜薄片组织内部水分未来得及扩散到表面及边缘处而导致的[23]。因此选定空气流量为149.5 m3·h-1附近进一步做正交实验，优化试验结果。

2.2 流化干燥正交实验

在上述单因素的实验基础上，安排包括流化温度、空气流量、干燥时间在内的L9（33）正交水平表，如表1 所示。胡萝卜由流化干燥转入到微波干燥时的含水率的理想数值应为恒速和降速干燥的转折点[24]，这样有利于提高微波干燥时去除结合水的速度。此外，在去除一定量水分的同时应尽最大限度的保持胡萝卜片有较好的色泽。以色度值作为评价指标，数值越大，表明胡萝卜片的色泽越好，试验结果见表2。

表1 流化干燥正交试验因素水平表Table 1 Fluidized drying orthogonal experiment factor level table

表2 L9（33）流化干燥正交试验表Table 2 L9（33）Fluidized drying orthogonal experiment table

由表2 可见，胡萝卜片流化干燥时，各因素对色度大小影响的次序是干燥时间（C）＞流化温度（A）＞空气流量（B），最优组合为C1A2B2，即干燥时间30 min，流化温度65 ℃，空气流量149.5 m3·h-1，在上述实验条件下进行验证实验，此时胡萝卜的色度值为227.67，在上述正交试验中各组实验的色度值中达到最大。因此，上述条件为流化干燥的最佳条件。

2.3 微波干燥实验

2.3.1 初始湿基含水率的确定

控制功率为400 W，时间180 s，调整初始湿基含水率为30%～70%，得到胡萝卜的微波干燥曲线，如图3 所示。

图3 不同初始含水率下胡萝卜微波干燥曲线Fig.3 Microwave drying curve of carrot under different initial moisture content

由图3（a）可知，微波干燥时胡萝卜的初始湿基含水率越高，含水率的下降速度越慢；初始湿基含水率越小，干燥速度越快。由于在0～60 s 时，胡萝卜的含水率很高，频繁取样不利于胡萝卜表面升高温度，因此最初取样间隔为1 min，随后每隔30 s 取样。0～60 s 时，含水率急剧下降，60 s 后湿基含水率下降缓慢。由图3（b）可知，在一定的微波功率下，胡萝卜片的干基失水速率呈现出相类似变化趋势，在70%初始湿基含水率的干基失水速率最大，但湿基含水率下降缓慢；在30%的干基失水速率最小，随着胡萝卜片的湿基含水率降低，微波干燥时如果胡萝卜内部的水分来不及扩散到表面，其表面将产生焦糊现象。因此，微波阶段如果含水率降到很低的数值，产品的品质会降低，研究将在微波干燥后结合烘培实验，使得产品的水分缓慢去除，能够较好的保证产品的色、香、味、形。因此，确定流化干燥和微波干燥的含水率转换点为50%左右，即保证适度的微波干燥后胡萝卜片含水率仍在20%以上，避免焦糊现象。

2.3.2 微波功率的确定

功率是影响干燥速度和质量的重要因素，增大功率能为水分蒸发提供能量，提高胡萝卜中水分子的扩散速度，降低微波干燥箱内的相对湿度，增加胡萝卜片与微波干燥箱内空气间的水气压差，有利于水分扩散，从而缩短胡萝卜的干燥时间。因此，控制初始湿基含水率50%，时间180 s，调整微波功率为300～500 W 之间，得到胡萝卜的干燥曲线如图4 所示。

图4 不同功率下胡萝卜微波干燥曲线Fig.4 Microwave drying curve of carrot under different microwave power

由图4（a）可知，微波功率越大，胡萝卜的湿基含水率下降速度越快。在90 s 后湿基含水率下降速度趋近于平缓，以功率300 W 为例，时间在0～60 s 时，湿基含水率从最初的58%迅速下降到40%左右，60～180 s 湿基含水率下降趋势较慢。由图4（b）可知，特别是干燥后期120 s，胡萝卜片的干基失水速率维持恒定，当微波功率过大时，其内部的水分来不及迁移到表面，胡萝卜表面将会产生焦糊现象；当功率过低，胡萝卜内部仍含有大量水分，从而影响产品的品质[24]。因此，确定微波干燥的功率为400 W 左右，进一步做正交实验，优化试验结果。

2.4 微波干燥正交实验

根据单因素的实验结果，以微波干燥的初始湿基含水率、功率、时间为因素的L9（33）正交试验因素水平表见表3，试验结果见表4。评价指标为色度值。

由表4 可知，胡萝卜片微波干燥时，各因素对胡萝卜色度的影响次序为C＞A＞B，即微波干燥时间对胡萝卜片的色度影响最大，初始湿基含水率其次，功率对其影响很弱，最佳组合为C1A2B3，即微波干燥时间60 s，初始湿基含水率50%，功率450 W。

表3 微波干燥正交试验因素水平表Table 3 Microwave drying orthogonal experiment factor level table

表4 L9（33）微波干燥正交试验表Table 4 L9（33）Microwave drying orthogonal experiment table

2.5 正交最优结果验证

为进一步研究优化工艺的可靠性和合理性，按上述确定的最佳微波干燥条件，即微波干燥时间60 s，初始湿基含水率50%，功率450 W，进行验证试验，重复3 次，在该实验条件下，胡萝卜的平均色度为215.66，优于正交实验结果中的C1A2B3组合，验证结果表明，优化后的脆化条件结果稳定、可靠。

2.6 焙烤实验

将微波干燥后的胡萝卜片放入烤箱中，控制烘焙温度80 ℃，研究不同烘焙时间（5、10、15、20、25 min）对胡萝卜薄片的脆度值的影响，如图5 所示。由图5可知烘焙时间为5、10 min 时，胡萝卜片的含水率较高，此时胡萝卜薄片的脆度曲线只有一个峰值，没有脆度值。烘焙时间为15、20 min 和25 min 时的脆度测试曲线分别有两个峰，其中第一个峰即代表脆度，相应的脆度值分别为400、676 和1 100 g·s-1，表明烘焙温度越高，胡萝卜的脆度较大。

图5 焙烤阶段胡萝卜脆度测试曲线Fig.5 Carrot crispness testing curve during baking period

烘焙过程中胡萝卜片的湿基含水率曲线如图6所示，由图6 可见，烘焙20 min 时胡萝卜片的湿基含水率约为5%，符合果蔬脆片理化指标中的含水量小于等于5%的要求[25]。因此胡萝卜的烘焙条件可以确定为80 ℃，烘焙时间为20 min。对此条件下的胡萝卜脆片指标进行测试，其脆度值为676 g·s-1，色度值为207.33，与流化干燥和微波干燥后相比色度值稍有降低，此时产品颜色更加均匀，呈橙红色，表面略有轻微突起和膨化，口感酥脆，味道适中。

图6 焙烤工艺湿基含水率与时间的关系Fig.6 Relationship between moisture content and time during baking process

3 结论

通过流化干燥—微波干燥—焙烤联合技术进行非油炸胡萝卜脆片加工工艺研究，得出如下结论：

（1）胡萝卜流化干燥过程主要分加速和降速两个阶段。影响胡萝卜色度的3 个因素主次顺序为：流化时间＞流化温度＞空气流量；最优工艺参数为流化温度65 ℃，空气流量149.5 m3·h-1，流化时间30 min。

（2）微波干燥过程分为预热加速阶段和降速阶段，大量的水分在预热阶段被迅速脱去。影响色度的3 个因素主次顺序为：微波时间＞初始湿基含水率＞微波功率；微波干燥的最优工艺参数为时间为60 s、初始湿基含水率50%、功率为450 W。

（3）胡萝卜脆片焙烤试验中，焙烤温度80 ℃，焙烤时间为20 min，此时胡萝卜脆片的脆度值达到676 g·s-1，含水率为5%，色度值为207.33，产品品质较好。