白竣文,肖 瑞,董 晨,魏靖雯,马海乐,吴本刚

(江苏大学 食品与生物工程学院,江苏镇江 212013)

山药催化式红外干燥特性及色泽评价

白竣文,肖 瑞,董 晨,魏靖雯,马海乐,吴本刚*

(江苏大学 食品与生物工程学院,江苏镇江 212013)

为了缩短山药干燥时间、减少色泽劣变,本文研究了山药在催化式红外干燥中不同烫漂前处理时间(0.5、1.0、2.0、3.0 min)、切片厚度(0.5、0.8、1.0、1.5 cm)和红外辐射距离(30、36、42、48 cm)条件下干燥曲线和产品色泽。研究表明:切片厚度和辐射距离对干燥时间有显著影响(p>0.05),切片厚度0.5 cm下干燥时间比切片厚度1.5 cm缩短约47.73%,辐射距离30 cm下干燥时间比辐射距离48 cm缩短约46.67%,减少切片厚度、缩短辐射距离能够有效提高干燥效率;烫漂时间(1.0、2.0、3.0 min)对山药干燥时间没有显著影响(p>0.05);山药整个干燥过程属于降速干燥,根据菲克第二定律,山药干燥水分有效扩散系数在1.4770×10-9～5.5043×10-9m2/s。不同条件下山药干燥后白度值(Whiteness index,WI)为56.19～78.78。通过对山药干燥时间和色泽的综合分析,优化的烫漂和干燥工艺为:热水烫漂1～2 min,切片厚度1.0 cm,辐射距离30 cm,干燥时间约160 min,WI值约为77.36。本研究为山药催化式红外干燥加工提供理论依据和技术支持。

山药,催化式红外干燥,干燥特性,色泽

山药为薯蓣科多年生缠绕草质藤本植物[1],根茎是其食用部位,是我国著名的药食同源植物。山药富含淀粉、蛋白质、黏液多糖、皂苷、胆碱、多酚氧化酶和矿物质等多种营养成分[2],具有良好的食用品质和保健效果。山药水分含量较高,在贮藏过程中容易受到微生物的侵染而发生腐败变质。干燥是保障山药品质和延长货架期的重要方式。

热风干燥是山药传统的干燥方法,但普遍存在干燥时间长、效率低、产品品质保存率低等问题。近年来,国内外学者针对山药的干燥方式,开展了诸如远红外联合冷冻干燥[3],对流干燥[4],微波真空[5],热泵[6],冷冻干燥[7]以及真空干燥[8]等技术的研究,取得了良好的效果。

山药在干燥之前,一般进行切片处理,属于典型的薄片状物料。针对薄片状物料(厚度为2～15 mm)干燥,中短波红外干燥技术具有较大的优势。首先,中短波红外释放的电磁波可以穿透物料表层达到一定的深度,从内部加热物料[9],具有加热速度快,穿透能力强的特点[10]。再者,红外辐射的强度与物料到红外发射源的距离的平方成反比,平整的薄片状物料能够有效避免局部受热不均导致品质剧烈下降[8]。催化式红外是一种先进的红外发生装置,红外辐射能量是由天然气或液化气在催化剂的作用下与氧气发生的氧化反应产生,与其他红外发生技术相比,具有能量利用率高、热通量高等优势[11]。催化式红外在胡萝卜杀青[11]、脱水蔬菜灭菌[12]等领域有应用,但未发现催化式红外干燥山药的相关报道。

本文将催化式红外干燥技术应用于山药干燥,研究不同烫漂前处理时间、辐射距离以及切片厚度对山药干燥动力学和水分有效扩散系数的影响,并利用色差仪对山药进行色泽评价,为山药催化式红外干燥加工技术提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

淮山药 本地农贸市场,山药横截面直径为(2.3±0.2) cm,初始含水率为87.27%±0.7%(采用GB/T 5009.3-2010中直接干燥法测定[13])。实验前将山药置于(4±1) ℃的冰箱中保存。

图1 催化式红外干燥设备结构简图Fig.1 Schematic diagram of catalytic infrared drying equipment for impingement注:1.干燥室；2.催化式红外发生器；3.气体释放开关； 4.液化气管路；5.干燥料盘；6. 压力表； 7.距离调整螺钉；8.液化气开关；9.液化气。

干燥设备 本实验采用的催化式红外干燥设备主要由催化式红外发生器2(尺寸30.0 cm×60.0 cm,释放红外波长约3～5 μm)、干燥室1和液化气9等部分构成。催化式红外发生器先通过电源器进行预热约15 min,然后开启气液化气开关9和气体释放开光3,通入液化气,待催化式红外发生器2稳定后,将物料放于其正下方,物料与红外发生器之间的距离可根据距离调整螺钉8进行调节。

ME2002E型电子天平,测量精度±0.01 g 美国梅特勒-托利多有限公司生产;SS-250食品切片机 广州天地人机械有限公司生产;色差仪,Color Quest XE型 美国Hunter Lab公司。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 干燥实验 从冰箱取出新鲜山药,待温度恢复至室温,去皮,沿横截面将其切至不同厚度。将切好的山药片立即置于95 ℃热水中进行烫漂预处理。烫漂完成以后,沥干物料表面水分,并置于风扇下,使其快速冷却至室温。将处理完成的山药置于红外干燥设备中进行干燥实验,每隔20 min称量物料的重量,山药终了含水率控制在湿基含水率13%。具体实验安排如表1所示,每组实验重复3次。

表1 实验设计和实验参数Table 1 Design for experiments with run conditions included

1.2.2 干燥曲线计算方法 在干燥过程中山药中水含量用水分比(MR,moisture ratio)来表示,物料中不同时间t水分比由式(1)表示[14-15],

式(1)

其中:Mo,Me和Mt分别表示山药初始、平衡时和任意干燥t时刻的干基含水率,g/g。由于山药的平衡含水率Me远远的小于Mo和Mt,所以式(1)可简化为式(2)[16-17]:

式(2)

干燥速率(DR,drying rate)的计算采用如下式[18]:

式(3)

其中:Mt1和Mt2分别表示干燥过程中时间为t1和t2时山药的干基含水率,g/g。

1.2.3 色泽测定 新鲜和干燥后的山药色泽利用色差仪来进行定量测定。色差的测量利用国际照明协会(CIE)的色泽空间坐标:L*(亮度,0～100表示从黑色到白色),a*(黄/绿,-60～60表示从纯绿色到纯红色),b*(黄/蓝,-60～60表示从纯蓝色到纯黄色)。其中物料的L*,a*,b*值重复测量6次,取平均值。

干燥后的山药产品,颜色越白,色泽越好,经济价值越高。因此,在评价山药色泽上,除了采用基本的L*,a*,b*值来表示外,还经常采用白度值(WI,Whiteness index)作为重要的评价山药色泽的参数,其值约大,表明山药色泽越白,品质越好。白度值WI具体计算公式[19-20]如下:

(4)

1.2.4 数据处理方法 干燥时间和色泽每组进行3次平行实验,数据采用SPSS 20.0软件进行统计分析,差异显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 山药催化式红外干燥特性研究

2.1.1 烫漂时间对山药干燥的影响 山药切片厚度1.0 cm,红外辐射距离36 cm条件下,经不同热水烫漂处理时间,其干燥时间和干燥速率曲线如图2所示。由图2a可知,山药分别经过0.5、1.0、2.0、3.0 min热水烫漂处理后,经红外干燥达到目标含水率所需要的时间分别约为200、190、190、190 min。经统计分析可知,烫漂时间为0.5 min下所需干燥时间最长,而烫漂时间为1.0、2.0、3.0 min所需干燥时间没有显著性差异(p>0.05)。研究表明,烫漂处理能增加细胞膜的通透性,有利于水分的迁移和扩散,可以加快物料干燥速率[21]。然而,山药是一种淀粉含量很高的物料,其淀粉糊化程度会随着烫漂时间的增加而逐渐增高[19]。淀粉糊化后在物料表面会形成结壳现象,阻碍了水分的迁移,抵消了烫漂促进水分迁移的有益效果。不同烫漂时间下山药干燥速率曲线见图2b所示,由图中可以看出随着干燥的进行山药干燥速率逐渐降低,没有出现升速段和恒速段,整个干燥过程属于降速干燥。大多数的农产物料的干燥都属于降速干燥,这可能是由于物料在干燥过程中无法持续的提供恒定充足的水分以供蒸发有关[22]。

图2 不同烫漂时间下山药干燥曲线Fig.2 Drying curves of yam under different blanching time

2.1.2 切片厚度对山药干燥的影响 烫漂时间为2 min,红外辐射距离为36 cm条件下,山药不同切片厚度下干燥时间和干燥速率曲线见图3所示。由图3a可知,切片厚度分别为0.5、0.8、1.0、1.5 cm条件下,山药经红外干燥达到终了含水率所需要时间分别约为115、130、190、220 min。切片厚度为0.5 cm下山药干燥时间比切片厚度为1.5 cm时间缩短约47.73%。经统计分析可知,不同切片厚度下山药干燥时间有显著性差异(p<0.05)。由图3b可知,不同切片厚度下山药干燥速率随干燥的进行逐渐降低,属于典型的降速干燥。山药从新鲜到干基含水率约0.5 g/g,切片厚度越薄,干燥速率越大;当山药干基含水率在0.5 g/g以下,各切片厚度下山药干燥速率十分缓慢,并趋于一致。综上所述,在实验范围内,减少切片厚度能够有效的提高干燥效率、缩短干燥时间。

图3 不同切片厚度下山药干燥曲线Fig.3 Drying curves of yam under different slice thickness

2.1.3 辐射距离对山药干燥的影响 山药切片厚度1.0 cm,烫漂时间为2 min,不同红外辐射距离下山药干燥时间和干燥速率曲线见图4。由图4a可知,红外辐射距离分别为30、36、42、48 cm条件下,山药干燥达到终了含水率的时间分别约为160、190、260、300 min。红外辐射距离为30 cm条件下山药干燥时间比辐射距离为48 cm下缩短约46.67%。经统计分析可知,不同辐射距离下山药干燥时间有显著性差异(p<0.05)。由图4b可知,山药干燥速率随干燥的进行逐渐降低,并且辐射距离越短,干燥速率越大。因此,在实验范围内,减少辐射距离能够有效提高山药干燥效率,缩短干燥时间。

图4 不同辐射距离下山药干燥曲线Fig.4 Drying curves of yam under different infrared radiation distance

2.2 山药干燥过程中水分有效扩散系数的计算

由图2b、图3b和图4b可知,所有干燥条件下山药干燥速率随着干基含水率的减少而逐渐降低,没有出现升速段和恒速段,整个干燥过程属于降速阶段,表明内部水分扩散控制整个干燥过程。因此,可利用菲克第二定律来描述山药的水分扩散规律,公式可简化为[23]:

表2 山药干燥水分有效扩散系数Table 2 Moisture effective diffusion coefficients of yam slices under different drying conditions

式(4)

其中,Deff表示水分有效扩散系数,m2/s;l表示山药片厚度,m2;t表示干燥时间,s。

山药在干燥过程中水分比的自然对数与干燥时间t呈线性关系,其一次回归方程表达式以及由其求出的水分有效扩散系数见表2。由表2可知,切片厚度1.0 cm,红外辐射距离36 cm条件下,烫漂时间0.5 min条件下水分有效扩散系数最低,而烫漂时间为1、2、3 min(实验号2，3，4)下水分有效扩散系数没有显著差异(p<0.05)。山药干燥水分有效扩散系数随烫漂时间的增加,呈现先增加而后趋于一致的趋势。山药经过适当的烫漂处理,能够增加细胞膜的通透性,有利于水分的迁移和扩散,但随着烫漂时间的增加,其淀粉糊化程度也会逐渐增高,反而会抑制水分迁移[19]。烫漂时间为2 min,红外辐射距离为36 cm条件下,山药切片厚度从0.5 cm增加到1.5 cm,山药水分有效扩散系数从1.4770×10-9m2/s增加到5.5043×10-9m2/s,表明增加切片厚度能够提高山药的水分有效扩散系数。山药切片厚度1.0 cm,烫漂时间为2 min条件下,辐射距离从30 cm增加到48 cm,其水分有效扩散系数从3.7426×10-9m2/s逐渐减少到2.0792×10-9m2/s,表明缩短辐射距离能够提高水分有效扩散系数。综上所述,就山药干燥过程中水分有效扩散系数而言,适当增加烫漂处理时间、增加切片厚度、缩短辐射距离,能够有效促进山药在干燥过程中水分迁移。

2.3 山药色泽评价

不同干燥条件下,山药白度值WI见图5所示。由图5可知,实验范围内不同条件下山药干燥后WI值在56.19到78.78之间。切片厚度1.0 cm,红外辐射距离36 cm条件下,烫漂时间分别为0.5、1.0、2.0 min下山药的WI值没有显著性差异,均高于烫漂时间为3.0 min下山药的WI值。烫漂时间为2 min,红外辐射距离为36 cm,山药切片厚度从0.5 cm增加到1.5 cm,WI值呈现先增加而后降低的趋势,切片厚度为1.5 cm下的WI值最低。在较薄的切片厚度下,物料在干燥后期容易出现轻微焦糊的现象,使山药WI值降低;切片厚度较大会使干燥时间偏长,增加了物料与外界氧气接触的时间,加剧氧化褐变的发生,影响最终的色泽。山药切片厚度1.0 cm,烫漂时间为2 min下,红外辐射距离30、36 cm下的WI值没有显著性差异,均高于辐射距离为42、48 cm条件下的WI值,说明在一定范围内缩短红外辐射距离可以有效提高山药的WI值。这可能是由于较近的红外辐射距离可以有效缩短干燥时间,从而减少了物料暴露于空气中的时间,以减少酶促褐变和其他氧化反应的发生。通过对干燥时间和色泽的分析,优化的烫漂和干燥工艺为:热水烫漂1～2 min,切片厚度1.0 cm,辐射距离30 cm。

图5 不同干燥条件下山药色泽WI值Fig.5 The WI values of dried yam under different drying conditions

3 结论

在实验范围内,山药切片厚度和辐射距离对干燥时间有显著影响,减少切片厚度、缩短辐射距离能够有效减少干燥时间,提高干燥效率。烫漂时间(1.0、2.0、3.0 min)对山药干燥时间没有显著性影响。山药干燥速率随着干基含水率的减少而逐渐降低,没有出现升速段和恒速段,整个干燥过程属于降速阶段。根据菲克第二定律,山药红外干燥水分有效扩散系数在1.4770×10-9～5.5043×10-9m2/s之间。

实验范围内,不同条件下山药干燥后WI值在56.19到78.78之间。通过对山药干燥时间和色泽的分析,优化的烫漂和干燥工艺为:热水烫漂1～2 min,切片厚度1.0 cm,辐射距离30 cm,在该条件下，干燥时间约160 min,WI值约为77.36。

[1]任丽影,任广跃,杨晓童,等. 涡流管制冷常压冷冻干燥怀山药技术分析[J]. 食品科学,2015,36(20):7-12.

[2]任广跃,任丽影,张伟,等. 正交实验优化怀山药微波辅助真空冷冻干燥工艺[J]. 食品科学,2015,36(12):12-16. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201512003

[3]Lin Y,Lee T,Tsen J,et al. Dehydration of yam slices using FIR-assisted freeze drying[J]. Journal of Food Engineering,2007,79(4):1295-1301.

[4]Sobukola O P,Dairo O U,Odunewu A V. Convective hot air drying of blanched yam slices[J]. International Journal of Food Science & Technology,2008,43(7):1233-1238.

[5]任广跃,段续,李晖,等. 怀山药微波真空干燥模型的建立[J]. 食品与生物技术学报,2012,31(10):1069-1073.

[6]李丽,孙健,盛金凤,等. 山药热泵干燥特性及数学模型的研究[J]. 现代食品科技,2014,30(10):212-217.

[7]赵丛枝,强立敏,张子德. 响应面法优化麻山药冷冻干燥工艺研究[J]. 安徽农业科学,2014,42(11):3358-3359.

[8]狄建兵,李泽珍,李春芳. 山药真空干燥工艺的研究[J]. 山西农业大学学报(自然科学版),2013(02):126-129.

[9]郑霞,肖红伟,王丽红,等. 红外联合气体射流冲击方法缩短哈密瓜片的干燥时间[J]. 农业工程学报,2014,30(1):262-269.

[10]刘斌,吴本刚,陈盼,等. 红外技术在果蔬干燥中的应用及研究进展[J]. 包装与食品机械,2015,33(3):50-53.

[11]吴本刚. 胡萝卜催化式红外干法杀青-红外热风顺序联合干燥技术研究[D]. 镇江:江苏大学,2014:21-22.

[12]张鑫,曲文娟,马海乐,等. 脱水菠菜的催化式红外辐射灭菌研究[J]. 食品科学,2013,34(23):133-137.

[13]卫生部食品卫生监督检验所. GB/T 5009.3-2010中国标准书号[S]. 北京:中国标准出版社,2010.

[14]白竣文,王吉亮,肖红伟,等. 基于Weibull分布函数的葡萄干燥过程模拟及应用[J]. 农业工程学报,2013,29(16):278-285.

[15]汪照,谢春燕,李岩,等. 胭脂萝卜薄层干燥的动力学模型及工艺优化[J]. 食品工业科技,2016,37(02):265-269.

[16]Sarimeseli a,Coskun M A,Yuceer M. Modeling Microwave drying kinetics of Thyme(ThymusVulgarisL.)leaves using ANN methodology and dried product quality[J]. Journal of Food Processing and Preservation,2014,38(1):558-564.

[17]Supmoon N,Noomhorm A. Influence of combined hot air impingement and infrared drying on drying kinetics and physical properties of potato chips[J]. Drying Technology,2013,31(1):24-31.

[18]许牡丹,马可纯,黄萌,等. 猕猴桃片真空-红外联合干燥数学模型建立[J]. 食品工业科技,2016,37(18):127-132.

[19]Xiao H W,Yao X D,Lin H,et al. Effect of SSB(superheated steam blanching)time and drying temperature on hot air impingement drying kinetics and quality attributes of yam slices[J]. Journal of Food Process Engineering,2012,35(3):370-390.

[20]Hsu C L,Chen W,Weng Y M,et al. Chemical composition,physical properties,and antioxidant activities of yam flours as affected by different drying methods[J]. Food Chemistry,2003,83(1):85-92.

[21]Figueira G M,Park K J,Brod F P R,et al. Evaluation of desorption isotherms,drying rates and inulin concentration of chicory roots(CichoriumintybusL.)with and without enzymatic inactivation[J]. Journal of Food Engineering,2004,63(3):273-280.

[22]Xiao H W,Pang C L,Wang L H,et al. Drying kinetics and quality of Monukka seedless grapes dried in an air-impingement jet dryer[J]. Biosystems Engineering,2010,105(2):233-240.

[23]Doymaz I. Experimental study and mathematical modeling of thin-layer infrared drying of watermelon Seeds[J]. Journal of Food Processing and Preservation,2014,38(3):1377-1384.

Drying characteristic and product color evaluation of yam by catalytic infrared drying

BAI Jun-wen,XIAO Rui,DONG Chen,WEI Jing-Wen,MA Hai-le,WU Ben-gang*

(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

The aim of this study was to shorten the drying time and reduce the color deterioration during drying process. The drying curves and product color were investigated under different hot water blanching pre-treatment time(0.5,1.0,2.0,3.0 min),slice thickness(0.5,0.8,1.0,1.5 mm)and infrared radiation distance(30,36,42,48 cm)by catalytic infrared drying. The results demonstrated that slice thickness and infrared radiation distance showed a significant impact on drying time(p<0.05),and the drying rate would be improved by reducing the slice thickness and shortening the radiation distance. The drying time under slice thickness of 0.5 cm was reduced by about 47.73% compared with the slice thickness of 1.5 cm,and drying time under radiation distance of 30 cm was reduced by about 46.67% compared with the radiation distance of 48 cm. Blanching pre-treatment time(1.0,2.0,3.0 min)had no significant effect on drying time(p>0.05). Yam slices samples showed only a falling rate period and the moisture effective diffusivity was between 1.4770×10-9m2/s and 5.5043×10-9m2/s by the Fick’s second law. The whiteness index(WI)value of dried yam products were between 56.19 and 78.78 under different pre-treatment and drying conditions. Through the analysis of drying time and products’ color,the optimum processing condition was blanching time for 1～2 min,slice thickness of 1.0 cm,infrared radiation distance of 30 cm,the drying time was about 160 min and WI value was about 77.36. The results will provide a theoretic reference and technical supports for am slices drying process.

yam;catalytic infrared drying;drying characteristic;color

2016-10-24

白竣文(1987-)，男，博士，助理研究员，研究方向：农产品(食品)干燥技术与装备,E-mail:bjw@ujs.edu.cn。

*通讯作者:吴本刚(1986-)，男，博士，讲师，研究方向：食品干燥技术，E-mail：Jimmy20081@163.com。

江苏自然科学基金(BK20160504)；中国博士后科学基金(2016M591789)；江苏省农产品物理加工重点实验室开放基金(JAPP2014-4)；江苏大学高级人才科研启动基金(15JDG060)。

TS255.3

B

1002-0306(2017)07-0221-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.07.035