李湘利,刘 静,朱乐乐,夏 琛,张 娜,侯一超,马龙传

(1.济宁学院生命科学与工程系,山东曲阜 273155;2.山东省大蒜工程技术研究中心,山东济宁 272200;3.济宁市特色农产品高值化加工工程技术研究中心,山东曲阜 273155)

大蒜(Alliumsativum)是百合科葱属多年生草本植物,营养丰富[1],具有抗菌消炎、提高免疫力、预防动脉硬化和癌症等保健功能,可减轻和治疗高血脂、高胆固醇和糖尿病等疾病[2]。大蒜主要活性成分是八种硫代亚磺酸酯化合物[3]。蒜素(二烯丙基硫代亚磺酸酯)是最主要的硫代亚磺酸酯类[4],约占破碎大蒜总硫代亚磺酸酯的70%[5]。但大蒜休眠期短,易发芽和腐烂变质,不耐贮藏[6]。脱水大蒜可保持原有色、香、味及营养成分,延长贮藏期,发达国家大蒜收获量的80%用来生产脱水大蒜[7]。

联合干燥具有提高果蔬干制品质量、缩短干燥时间、节能环保、安全高效等特点,克服了单一干燥的缺点[8]。王静等[9]采用热风与真空微波联合干燥蒜片,前期采用真空微波20 min,后期热风干燥60 min处理,得到的产品品质较高,提高了干燥速率。Sharma G P等[8]选取微波热风联合干燥蒜瓣,干燥时间较传统热风干燥缩短80%～90%,且产品色泽与风味强度明显优于热风干燥。郭小宁等[6]应用中短波红外干燥为预干燥方式,在红外干燥温度60 ℃、功率675 W,变温压差膨化干燥最佳条件为膨化温度104.24～106.22 ℃,抽真空温度54.31～55.76 ℃,抽真空时间2.82～3.16 h。Li Y等[5]在4 kPa(绝对压力)下进行分段微波真空干燥至含水量15%后，采用40 ℃、10 kPa(绝对压力)真空干燥至含水量5%,所得大蒜产品品质与冷冻干燥相近。单心心[10]在-20 ℃将蒜粒降温至共晶点,在-45～-35 ℃下真空冷冻干燥至水分转换点30%后,于真空度90～120 kPa、功率600 W下进行微波真空干燥至含水量6%,所得蒜粒品质与真空冷冻干燥相近,可显著提高干燥速率,节约能耗。但关于热风微波联合干燥大蒜的研究鲜有报道,为此本实验探讨了热风、微波及热风微波联合干燥对大蒜片干燥品质的影响,旨在确定蒜片干燥的工艺参数,寻求适合大蒜的联合干燥方法,提高蒜片品质,为果蔬干制提供理论数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

紫皮蒜 产于山东金乡,市售,于2 ℃蔬菜保鲜柜冷藏;4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES) Amresco公司进口分装;5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB) Amresco公司进口分装;L-半胱氨酸(生物试剂) 上海金穗生物科技有限公司;其他试剂 均为国产分析纯。

SCBX-1000蔬菜保鲜柜 广东鑫腾仪器有限公司;SPD-08蔬果切片机 浙江黄城机械厂;DHG-9050B电热恒温鼓风干燥箱 上海琅玕实验设备有限公司;NN-CD997S实验专用微波炉 日本松下电器公司;WSD-3C全自动白度计 北京康光仪器有限公司;723PC可见分光光度计 上海菁华科技仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 干燥方法 原料预处理:新鲜大蒜经分瓣、去皮后,用多功能蔬果切片机切成1～2 mm厚的蒜片。蒜片于0.04%亚硫酸氢钠、0.1% L-半胱氨酸和0.2% VC组成(比例1∶1∶1)的复合护色剂[11-12]中浸泡30 min后沥干水分。

热风干燥:预处理的蒜片置于恒温鼓风干燥箱的物料盘中,均匀铺成一层,于40、50、60、70、80 ℃下进行热风干燥,干燥前120 min每隔15 min称1次质量,120～300 min每隔30 min称1次质量,300 min后每隔60 min称1次质量,干燥至干基含水量0.18 (g/g)左右。

微波干燥:预处理的蒜片置于实验专用微波炉的原装瓷盘中,均匀铺成一层,于100、350、550、700、1000 W下进行微波干燥。由预实验可知,微波连续干燥30 s以上时,产品表面干燥不均匀、局部变黄甚至发黑,故微波干燥每30 s暂停1次。微波干燥前6 min每隔1 min称1次质量,6～18 min每隔2 min称1次质量,18 min后每隔4 min称1次质量,干燥至干基含水量0.18 (g/g)左右。

热风微波联合干燥:设定热风温度、转换点干基含水量、微波功率3个因素,采用L9(33)正交实验优化联合干燥条件,实验因素与水平见表1。

表1 正交实验因素水平表

1.2.2 指标测定方法

1.2.2.1 水分含量测定 参照GB 5009.3-2016中的直接干燥法[13],用干基水分含量表示,干燥速率用干基含水量与干燥时间的比值表示[14]。

1.2.2.2 硫代亚磺酸酯含量测定 参考Li Y等[5]改良Lawson分光光度法。

1.2.2.3 复水比测定 参考邵春霖等[15]的方法略调整,准确称取1 g干蒜片,在室温下于30 mL蒸馏水中浸泡30 min后,取出、沥干,用滤纸吸除表面水分后称重,沥干后质量和干品质量的比值即为复水比。

1.2.2.4 色泽测定 采用全自动白度计测定,以白板色泽为标准,采用CIELAB表色系统测定蒜粉明度指数L,彩度指数a和b。L=0表示黑色,L=100表示白色;a值从负到正表示从绿到红,b值从负到正表示从蓝到黄。L值越大说明样品颜色越接近白色[16],蒜片L值越大,产品颜色越白。

1.2.2.5 感官评定 参考黄金忠[17]的方法改良。从干制品的色泽、形态、气味、脆度四个方面进行评价。满分为10分,评定标准见表2。

表2 干蒜片的感官评价分值表(分)

1.2.3 总分的计算 参考王静等[9]的方法略调整,分别对各指标评分,将同组实验各指标得分相加得出总得分,总分以百分制计。蒜片干燥速率、硫代亚磺酸酯含量、感官评定、色泽和复水比权重分别为30%、25%、20%、15%和10%。各指标得分计算公式:设蒜片干燥后干燥速率最大者为30分,各组干燥速率得分=30×(各组蒜片干燥速率/最大干燥速率);设蒜片干燥后硫代亚磺酸酯最大者为25分,各组硫代亚磺酸酯含量得分=25×(各组蒜片硫代亚磺酸酯含量/最大硫代亚磺酸酯含量);设蒜片干燥后感官评定最大者为20分,各组感官评定得分=20×(各组蒜片感官评定得分/最大感官评定得分);设蒜片干燥后L值最大者为15分,各组L值得分=15×(各组蒜片L值/最大L值);设蒜片干燥后复水比最大者为10分,各复水比得分=10×(各组蒜片复水比/最大复水比)。

1.3 数据处理

各处理设3次重复,采用Microsoft Excel 2003软件对所得实验数据作图和统计分析;用IBM SPSS Statistics 22.0软件的Duncan法对实验结果进行多重比较和差异显著性分析,p<0.05表示差异显著,p<0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 热风干燥对蒜片失水特性及品质的影响

2.1.1 热风干燥对蒜片失水特性的影响 由图1可知,热风干燥的温度越高,蒜片失水越快,到达干燥终点所需时间越短。将蒜片干基含水量从2.44 g/g干燥至0.18 g/g时,40、50、60、70、80 ℃热风干燥所需时间分别为480、360、150、120、105 min,不同温度处理差异显著(p<0.05)。因为热风温度是影响果蔬干燥时间的决定因素,温度越高,干燥产生的温差越大,传热传质动力越大,高温可显著缩短干燥时间,提高干燥速率[18]。

图1 蒜片热风干燥曲线

由图2可知,在热风温度为40、50和60 ℃时,蒜片干燥速率曲线变化较平缓,热风温度为70、80 ℃时,干燥曲线变化较大,存在明显的加速和降速干燥阶段。干燥初期,物料表面水分迅速汽化,干燥速率增加,此为加速干燥阶段[19];然后进入降速干燥阶段,蒜片表面蒸发速度高于内部扩散速度[20]。不同热风干燥的最大干燥速率由2.64 g/g·h上升至5.08 g/g·h,尤以80 ℃热风干燥速率最大(p<0.05)。因为温度越高水分蒸发越快,蒜片自由水去除较快,短时间内出现干燥速率急剧变化;但干燥至一定程度时,进入以去除结合水为主的降速干燥阶段,此时失水缓慢[21]。

图2 蒜片热风干燥速率曲线

2.1.2 热风干燥对蒜片品质的影响 由表3可知,50 ℃热风干燥所得的蒜片总硫代亚磺酸酯含量为2.6343 mmol/100 g,L值为84.99,与40 ℃干燥无显著差异(p>0.05),但显著高于其他温度(60、70、80 ℃)干燥所得产品(p<0.05);60 ℃热风干燥所得蒜片,其综合得分最高(p<0.05)。因蒜氨酸酶对热敏感,温度越高,酶活力越低,故随热风干燥温度的升高,干品总硫代亚磺酸酯含量降低[22]。同时,热风干燥温度高,产品易褐变,故L值降低;营养及风味物质也因高温而损失。因此,热风干燥蒜片的适宜温度宜在60 ℃左右。

表3 蒜片热风干燥品质指标测定结果

2.2 微波干燥对蒜片失水特性及品质的影响

2.2.1 微波干燥对蒜片失水特性的影响 由图3可知,蒜片在100、350、550、700、1000 W进行微波干燥至干燥终点所需时间分别为66、48、16、12、6 min,极显著低于热风干燥所需时间(p<0.01)。因为微波干燥与热风干燥的干燥方向不同,微波具有穿透吸收性,蒜片中电解质能吸收微波并转化为热能,使蒜片自身成为发热体,其内部温度高于表面[8],故微波干燥时间短、速率高。随着干燥的进行,水分散失导致蒜片吸收的微波能减少,干燥速率降低。

图3 蒜片微波干燥曲线

由图4可知,微波功率越大,干燥速率越快;在微波功率为100、350 W时,干燥速率曲线较平缓;微波功率为1000 W时,干燥速率最高(p<0.05),为0.7 g/g·min。微波功率为100、350、550 W时,存在加速干燥、恒速干燥和降速干燥3个阶段。干燥初期,蒜片水分含量高,吸收微波能多,水分蒸发快,干燥速率较大,此为加速干燥阶段;随干燥持续进行,内部水分可及时迁移至表面,蒜片表面温度和干燥速率保持稳定,此为恒速干燥阶段;随水分含量降低,蒜片所吸收微波能减少,此时水分蒸发取决于内部水分的扩散速率,扩散速率低于表面汽化速率时即进入降速干燥阶段[20]。微波功率为700、1000 W时,此时微波功率高,干燥速率快,加速干燥去除了蒜片大部分水分,直接从加速干燥阶段进入降速干燥阶段。

图4 蒜片微波干燥速率曲线

2.2.2 微波干燥对蒜片品质的影响 由表4可知,350 W干燥的蒜片L值最高,为80.60;550 W干燥的蒜片综合得分最高(p<0.05)。100 W微波干燥的干燥时间过长,导致产品色泽较差,L值最低。1000 W微波功率大,硫代亚磺酸酯损失较大,含量最低。综合各项得分,得到微波干燥蒜片的功率在550 W左右。

表4 蒜片微波干燥品质指标测定结果

2.3 蒜片热风微波联合干燥正交实验结果分析

由热风干燥和微波干燥对蒜片各指标的影响可知,热风干燥时间较长,能耗高,产品品质较好:微波干燥时间短,但产品营养物质易损失。采用热风与微波联合干燥蒜片,既可保持产品原有品质,又可缩短干燥时间。结合预实验结果,选取先期热风温度(A)、转换点干基含水量(B)与后期微波功率(C)3个因素进行正交实验,正交实验结果见表5。

由表5可知,极差分析结果表明,热风温度对综合得分的影响最大,微波功率次之,最后是转换点干基含水量。正交实验所得最优处理组合为A3B3C2,即正交实验中9号处理。该处理干燥速率最快,前期利用热风65 ℃升速干燥阶段速率快的特点,除去蒜片中部分自由水,后期利用微波功率550 W干燥,去除剩余水分,既保持了较高的产品品质,又提高了干燥速率,节省了时间和耗能，总硫代亚磺酸酯的含量最高为1.7739 mmol/100 g,综合得分最高为92.21分,为优质高效的干燥组合方法。

表5 正交实验指标测定结果及综合得分

由表6的方差分析结果可以看出,热风温度(A)和微波功率(C)对干蒜片综合得分的影响极显著(p<0.01),转换点干基含水量(B)对综合得分影响显著(p<0.05)。综上所述,根据表5选出最优水平组合为A3B3C2。综合考虑联合干燥前期热风干燥温度、转换点干基含水量、微波功率等因素对蒜片干燥速率、硫代亚磺酸酯含量、感官质量、色泽、复水比等指标的影响,所得优化条件为前期65 ℃热风干燥,至转换点干基含水量1.00 g/g,后期微波功率550 W,干燥至干基含水量0.18 g/g。此条件下所得蒜片干品的综合得分为92.21分。

表6 综合得分方差分析表

3 结论与讨论

在保证蒜片功效成分的前提下,适当提高热风温度,可缩短干燥时间,脱水蒜片品质越好[23]。60 ℃热风干燥和500 W微波干燥所得蒜片干品综合得分较高，分别为83.64、80.74分。热风温度和微波功率对联合干燥蒜片的综合得分影响极显著(p<0.01);转换点干基含水量影响显著(p<0.05);热风、微波干燥曲线中大部分干燥从加速干燥阶段直接进入降速干燥阶段,未出现长期恒速干燥阶段,这可能是蒜片较薄、干燥温度较高、自由水移除较快所致。本实验所得最优组合为前期65 ℃热风干燥,至转换点干基含水量1.00 g/g,后期550 W微波干燥,至干基含水量0.18 g/g,在此条件下干燥速率最快，硫代亚磺酸酯含量最高，为1.7739 mmol/100 g，综合得分最高，为92.21分。

本实验应用热风微波联合干燥蒜片的最优工艺总干燥时间为33 min,低于真空微波与热风联合干燥蒜片的干燥时间(80 min)[9];所得蒜片L值均在80左右,高于真空微波干燥蒜片L值(70)[7]和热风变压温差膨化联合干燥蒜片的L值(60)[24];最优组合干制蒜片的总硫代亚磺酸酯含量为1.7739 mmol/100 g,高于短波红外与变温压差膨化联合干燥蒜片硫代亚磺酸酯含量(1.4997 mmol/100 g)[6]。因此,热风微波联合干燥蒜片干燥时间短,成品色泽好,总硫代亚磺酸酯含量高,是一种较优、高效的干燥蒜片方法。

本实验研究了热风、微波及其联合干燥对蒜片干燥速率、硫代亚磺酸酯含量、感官质量、L值、复水比等指标的影响,确立了联合干燥工艺条件,但关于热风微波联合干燥对蒜片蛋白质、VC等成分的影响及联合干燥模型尚需做进一步研究。