组合干燥方式下胡萝卜真空脉动蒸汽烫漂工艺优化

袁越锦，洪 晨，徐英英，王 栋，张 曼，荆雪松

(陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021)

胡萝卜素有“小人参”之称，具有很高的营养价值和保健功能，在我国南北多地均有种植。干制是一种最常见的胡萝卜加工技术，可延长保存期，减少产后损失，并提高其附加值。近年来，将2种或2种以上的干燥方式相组合的复合干燥技术受到了业界的广泛关注。有研究者选取复水比、色泽等典型品质参数作为研究指标，针对板枣、香蕉、银耳等物料的热风真空组合干燥工艺开展试验研究。一般来说，复水比越高，说明物料内部的细胞破坏越小；色差越小，说明色泽保留越好，干燥品质越高。上述研究均发现，热风真空干燥相较于热风干燥能获得更好的复水比与色泽，并且比真空干燥时间短，效率高。然而，目前国内关于胡萝卜热风真空组合干燥的研究还相对较少。

烫漂是一种干燥前的关键预处理步骤，具有灭酶、护色等作用，因此色泽是反映烫漂效果的一项重要指标。近年来，国内外对干燥前烫漂预处理的研究越来越深入。王娟等对比了沸水、蒸汽、微波加热、超声波辅助这4种烫漂预处理方式对花椰菜干制品复水、色泽和各营养成分等的影响，筛选出适合花椰菜干燥前的预处理方式，并发现各处理方式均能缩短干燥时间。Ren等研究了超声波和热烫2种预处理方式对洋葱干制品生物活性物质保留率的影响。Gamboa-Santos等对不同烫漂预处理方式下胡萝卜干制品的维生素C(V)含量和感官特性进行评估，并根据V的热敏性得出不同烫漂方式对胡萝卜的热损伤程度。

传统的热水蒸煮或利用化学试剂烫漂的方法都存在明显不足：热水蒸煮耗时长，营养物质损失大，水消耗量大；而化学试剂产生的药品残留不仅污染水体，还可能会对人体健康造成威胁。蒸汽烫漂作为一种新型的烫漂预处理方式，在一定程度上克服了热水烫漂引起的营养物质流失，能避免化学试剂污染，但装载量小且不均匀。另一种新型烫漂技术——真空脉动蒸汽烫漂，将真空脉动技术应用于烫漂预处理中，提高了烫漂的均匀性和生产效率。巨浩羽等研究了真空-蒸汽脉动烫漂预处理对百合干燥特性的影响，发现该预处理方式可使酶失活并能提高细胞间的通透性，百合的干燥速率和干燥品质因此得到提升。

本研究基于热风真空组合干燥技术，对胡萝卜真空脉动蒸汽烫漂的预处理工艺进行优化研究，试验内容包括单因素试验和四元二次回归正交试验，并基于试验结果优化工艺参数，以期得到综合品质较高的胡萝卜干制品。研究成果也可为其他果蔬干燥前预处理新技术的应用提供借鉴与指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试胡萝卜品种为超级红芯，初始湿基含水率约为85.5%，于0～5 ℃环境保存。

主要仪器设备包括：真空脉动蒸汽烫漂设备(自建)，设备原理与结构详见参考文献[14]；SFY-60型红外线快速水分测定仪，深圳市冠亚电子科技有限公司；3nh-YS3060型分光测色仪，深圳市三恩时科技有限公司；DZF-6032型真空干燥箱、DHG-9070A型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；JY5002型电子天平(精度为0.000 1 g)，上海舜宇恒平科学仪器有限公司。

1.2 试验流程

用清水清洗新鲜胡萝卜，去皮之后切片(厚度5 mm)。取新鲜胡萝卜片样品，测定其初始湿基含水率和V含量。

烫漂罐体预热完成后进行真空脉动蒸汽烫漂，设定好烫漂的温度、真空度、时间和循环次数。其中，烫漂真空度为停止抽真空时加工环境所达到的真空程度；烫漂温度为烫漂罐内通入蒸汽后到达的温度，试验过程中在烫漂真空度下保持约5 s后通入蒸汽，烫漂罐体内达到设定温度后停止通蒸汽；烫漂时间为蒸汽进入罐体达到设定的烫漂温度后直至烫漂完成所用的时间，若循环多次，则为每次到达烫漂温度后至再次抽真空的时间总和；一次抽真空并通入蒸汽保持一段时间为一个烫漂循环，循环次数即为整个烫漂过程中所进行的烫漂循环次数。

烫漂完成，待物料冷却后进行热风真空组合干燥，干燥时每隔30 min取样1次，测定物料含水率，待湿基含水率降至10%以下时干燥结束。随机取样，测定干燥后胡萝卜的V含量、复水比和色差值。试验重复3次，取平均值。

1.3 试验设计

选取的试验因素包括烫漂真空度、烫漂温度、烫漂时间、循环次数，测定指标为含水率、V含量、复水比、色差。

在热风温度60 ℃、中间转换点含水率45%、真空度0.08 MPa、真空温度60 ℃的组合干燥条件下进行真空脉动蒸汽烫漂单因素试验和四元二次回归正交试验。

单因素试验设计如下：确定烫漂温度、烫漂时间、循环次数分别为110 ℃、2 min、2次，考查不同烫漂真空度(0、0.04、0.08 MPa)对胡萝卜热风真空组合干燥效果的影响；确定烫漂真空度、烫漂时间、循环次数分别为0.04 MPa、2 min、2次，考查不同烫漂温度(100、110、120 ℃)对胡萝卜热风真空组合干燥效果的影响；确定烫漂真空度、烫漂温度、循环次数分别为0.04 MPa、110 ℃、2次，考查不同烫漂时间(1、2、3 min)对胡萝卜热风真空组合干燥效果的影响；确定烫漂真空度、烫漂温度、烫漂时间分别为0.04 MPa、110 ℃、2 min，考查不同循环次数(1、2、3次)对胡萝卜热风真空组合干燥效果的影响。上述单因素试验中，均以未经烫漂的作为对照(CK)。

参照文献[16]，选定试验因素及其不同水平，四元二次回归正交试验的各因素及其水平编码见表1。试验重复3次。

1.4 指标测定

1.4.1 含水率

利用SFY-60型红外线快速水分测定仪测定含水率，多次测量取显示值的平均值。湿基含水率的计算公式为

(1)

式(1)中：为湿基含水率，%；为样品的实时质量，g；为绝干质量，g。

1.4.2 V含量

V具有热敏性，温度对其影响显著；因此，特选择V含量来判断烫漂过程中的热损伤程度。采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定胡萝卜样品中的V含量。

1.4.3 复水比

复水比是衡量干制品品质的一项重要指标。将干燥的胡萝卜片称重后放置在20 ℃、400 mL的蒸馏水中，6 h后取出，用滤纸吸干物料表面的水分并再次称重。复水比的计算公式为

(2)

式(2)中：为干制品复水比，g·g；为复水前的质量，g；为复水后的质量，g。

1.4.4 色差

采用3nh-YS3060型分光测色仪测定样品的颜色读数，色差值的计算公式为

(3)

式(3)中：Δ为色差值，、、为新鲜样品的颜色读数，、、为干燥后样品的颜色读数。

1.5 数据处理

利用Microsoft Office Excel 2010、Origin 2017软件整理数据，绘制干燥特性曲线，分析单因素试验结果。基于Design-Expert 8.0.6.1软件，应用中心组合试验设计(CCD)响应面分析法对正交试验结果进行分析，并优化真空脉动蒸汽烫漂的工艺参数。

2 结果与分析

表1 四元二次回归正交试验因素水平编码表

2.1 单因素试验结果与分析

分别按照4个单因素试验设计，进行真空脉动蒸汽烫漂预处理，烫漂完成后进行热风真空组合干燥，测定胡萝卜片干燥后的V含量、复水比和色差，绘制干燥特性曲线。

2.1.1 不同烫漂条件对干燥特性曲线的影响

比较烫漂与未经烫漂(CK)的胡萝卜干燥曲线(图1)发现，烫漂工艺总体上可以缩短干燥时间，提高干燥速率。

在单因素试验设计范围内，烫漂真空度最高时，所用的干燥时间最短，相比其他处理可节省20～30 min。这是因为，真空度越高，烫漂罐体内冷空气排除得越充分，通入的高温蒸汽可对胡萝卜充分烫漂，相应地，干燥时间缩短。这一结论与巨浩羽等研究真空蒸汽脉动烫漂对百合干燥特性影响的结果一致。

当其他烫漂条件相同时，烫漂温度越高，所需的干燥时间越短。原因可能在于，烫漂温度越高，蒸汽与物料间的温差越大，传热推动力越大，达到最终含水量所需的时间便越短。

对比不同烫漂时间下的干燥曲线可知，过长的烫漂时间并不能使干燥时间缩短，相反会增加达到一定含水量的干燥时间。这可能是因为蒸汽时间过长，会使得胡萝卜内部的一些可溶性物质逸出至物料表面，对水分的向外扩散形成一定的阻力，从而延长干燥时间。

当烫漂循环次数不同时，循环3次时的干燥时间最短，相比其他2个水平可省时1 h左右，当循环次数为1次或2次时，所需的干燥时间基本相同。这可能是因为，循环次数过少并不能改变物料表面细胞的通透性，从而影响水分的向外迁移。虽然巨浩羽等提到，干燥时间随循环次数的增加先减小后增大，但其最短干燥时间同样发生在循环3次时，这一点与本研究并不矛盾。

2.1.2 不同烫漂条件对V含量的影响

新鲜胡萝卜的V含量为193.6 mg·kg。不同烫漂条件下，干制品的V含量均下降，但影响程度不同(图2)。随着烫漂真空度和循环次数增加，V保留量也有所增加，但烫漂温度和烫漂时间的增加导致V含量进一步降低。抽真空的操作使得试验环境中的空气排出，因此，烫漂真空度的增加在一定程度上有助于抑制V氧化，从而使得干制品得以保留更多的V。循环次数增加导致的V含量上升，可能与其多次隔绝空气，及传热状况的变化等有关。由于V具有热敏性，因此烫漂温度和烫漂时间的增加会对其造成一定的破坏，且高温时间越长，破坏程度越大。

图1 不同烫漂真空度(a)、烫漂温度(b)、烫漂时间(c)、循环次数(d)下的干燥曲线Fig.1 Drying curves under different blanching vacuum degrees (a), blanching temperature (b), blanching time (c) and cycle times (d)

水平1对应的烫漂真空度、烫漂温度、烫漂时间、循环次数分别为0、100 ℃、1 min、1次；水平2对应的烫漂真空度、烫漂温度、烫漂时间、循环次数分别为0.04 MPa、110 ℃、2 min、2次；水平3对应的烫漂真空度、烫漂温度、烫漂时间、循环次数分别为0.08 MPa、120 ℃、3 min、3次。图3～4同。The corresponding blanching vacuum degree， blanching temperature， blanching time， and cycle times are 0， 100 ℃， 1 min， 1 time， respectively， to level 1， 0.04 MPa， 110 ℃， 2 min， 2 times， respectively， to level 2， and 0.08 MPa， 120 ℃， 3 min， 3 times， respectively， to level 3.The same as in Fig. 3 and Fig. 4.图2 不同烫漂条件下的VC含量Fig.2 VC content under different blanching conditions

2.1.3 不同烫漂条件对复水比的影响

复水比随烫漂真空度、烫漂温度、烫漂时间的增大而增大(图3)。这可能是因为：烫漂真空度的增大有利于快速对物料进行烫漂，真空度越高，内部冷空气和低温蒸汽排除得越充分，烫漂也就越充分；同时，烫漂温度与烫漂时间的增加有助于提升传热速率和传热时间。但是，循环次数越多，抽真空越频繁，可能会在一定程度上影响蒸气与物料间的传热；因此，复水比随循环次数的增加先变大后变小，但总体变化不大。总的来看，真空脉动蒸汽烫漂预处理仍然有利于胡萝卜干制品的复水。

图3 不同烫漂条件下的复水比Fig.3 Rehydration ratio under different blanching conditions

2.1.4 不同烫漂条件对色泽的影响

色差值越小，说明烫漂护色效果越好。当烫漂真空度最大或烫漂温度最低时，色泽保留较好(图4)。真空度越大，越有利于减少氧化反应，因而烫漂真空度最大时，色差值最小。胡萝卜的主导颜色为红色，温度过高时，美拉德反应加剧，红色色素降解较大，值升高，因而色差增大。循环次数越多，抽真空越频繁，会影响蒸汽与物料间的传热，进而影响灭酶效果，使色差变大。烫漂时间最短时色差最大，可能是因为烫漂时间短，尚不能使酶完全灭活，因而在干燥过程中容易发生酶促褐变。

2.2 四元二次回归正交试验结果与分析

2.2.1 试验结果

将胡萝卜片蒸汽烫漂四元二次回归正交试验的结果整理于表2。可以看出，胡萝卜片复水比的结果基本在同一水平，而V含量、色差的数值间存在一定的差别。

图4 不同烫漂条件下的色差值Fig.4 Color difference under different blanching conditions

利用Design-Expert 8.0.6.1软件对四元二次回归正交试验的数据进行分析，分别建立V含量()、复水比()、色差()与烫漂真空度()、烫漂温度()、烫漂时间()、循环次数()的回归模型：

(4)

(5)

(6)

2.2.2 V含量的响应面分析

经检验，式(4)模型的值小于0.000 1，为0.955 1，模型显著，失拟项不显著，说明该模型拟合度良好，能够用于预测V含量与各因素的关系。对各因素进行显著性分析，烫漂真空度和循环次数的值小于0.000 1，烫漂温度、烫漂时间的值小于0.01，说明这4项因素对V含量的影响均达显著水平。每次固定2因素做零水平处理，考查各因素间的交互作用对V含量的影响(图5)。根据等高线图和3D响应面图，结合显著性分析，可知、、的交互作用对V含量的影响显著(<0.000 1)，表现为响应面的坡度较陡，响应值变化较大，等高线呈椭圆形；而其他交互作用不显著，表现为响应曲面较平滑，响应值变化较小，等高线接近圆形。此外，根据检验判定，各因素的贡献率从高到低依次为烫漂真空度>循环次数>烫漂温度>烫漂时间。

表2 四元二次回归正交试验方案与结果

2.2.3 复水比的响应面分析

经检验，式(5)模型的值小于0.000 1，为0.990 6，模型显著，失拟项不显著，说明该模型拟合度良好，能够用于预测复水比与各因素的关系。对各因素进行显著性分析，烫漂真空度、循环次数、烫漂温度、烫漂时间的值均小于0.000 1，对复水比的影响均达显著水平。每次固定2因素做零水平处理，考查各因素间的交互作用对复水比的影响(图6)。根据等高线图和3D响应面图，结合显著性分析，可知、、、的交互作用对复水比的影响显著(<0.05)，而其他交互作用不显著。此外，根据检验判定，各因素的贡献率从高到低依次为烫漂温度>烫漂时间>烫漂真空度>循环次数。

2.2.4 色泽的响应面分析

经检验，式(6)模型的值小于0.000 1，为0.959 5，模型显著，失拟项不显著，说明该模型拟合度良好，能够用于预测色差值与各因素的关系。对各因素进行显著性分析，烫漂真空度和烫漂温度的值小于0.000 1，循环次数的值小于0.05，对色差值的影响均达显著水平，而烫漂时间的值为0.503 3，对色差值的影响不显著。每次固定2因素做零水平处理，考查各因素间的交互作用对色差值的影响(图7)。根据等高线图和3D响应面图，结合显著性分析，可知、的交互作用对色差值的影响显著(<0.05)，、的交互作用对色差值的影响极显著(<0.01)，而其他交互作用不显著。此外，根据检验判定，各因素的贡献率从高到低依次为烫漂温度>烫漂真空度>循环次数>烫漂时间。

2.2.5 参数优化与试验验证

为了得到真空脉动蒸汽烫漂的较优工艺参数，对V含量、复水比和色差值进行参数优化，其目标函数为

A，烫漂真空度；B，烫漂温度；C，烫漂时间；D，循环次数。下同。A， Blanching vacuum degree; B， Blanching temperature; C， Blanching time; D， Cycle times. The same as below.图5 各因素的交互作用对VC含量的影响Fig.5 Effect of interaction of various factors on VC content

图6 各因素的交互作用对复水比的影响Fig.6 Effect of interaction of various factors on rehydration ratio

图7 各因素的交互作用对色差的影响Fig.7 Effect of interaction of various factors on color difference

(7)

约束条件为

(8)

利用Design-Expert 8.0.6.1软件进一步分析得到优化工艺条件：烫漂温度111.09 ℃，烫漂真空度0.08 MPa，烫漂时间3 min，循环次数1.89次，模型预测在此条件下干制品的V含量为170.74 mg·kg，复水比为5.638 g·g，色差值为7.999。为进一步验证回归方程的准确性和有效性，考虑到实际操作的便利，将最优的预测条件进行修正后对模型进行实际验证，在烫漂温度110 ℃、烫漂真空度0.08 MPa、烫漂时间3 min、循环次数2次的条件下进行验证试验，V含量为161.53 mg·kg，复水比为5.841 g·g，色差值为8.763，相对误差分别为5.39%、3.60%、9.55%，最大误差不超过10%，与预测值基本相符，表明响应面法得到的优化工艺参数可靠。

3 结论

本文基于热风真空组合干燥，对胡萝卜真空脉动蒸汽烫漂工艺进行单因素试验和四元二次回归正交试验研究，最终优化得到了胡萝卜片真空脉动蒸汽烫漂的较理想工艺参数。

单因素试验结果表明：胡萝卜的干燥时间随烫漂真空度和烫漂温度的升高而缩短，但烫漂时间过长会增加干燥时间，循环次数为3次时，干燥时间最短。烫漂强度的增加会对V含量造成一定的破坏，但却有利于胡萝卜干制品的复水。

经正交试验，综合考虑对V含量、复水比、色差的影响，优化得到胡萝卜蒸汽烫漂较理想的工艺参数：烫漂温度110 ℃，烫漂真空度0.08 MPa，烫漂时间3 min，循环次数2次。