凌铮铮任广跃，2段 续，2李琳琳马丽苹董铁有李新林

(1. 河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471023；2. 粮食储藏安全河南省协同创新中心，河南 洛阳 471023；3. 河南科技大学农业装备工程学院，河南 洛阳 471023；4. 肥西老母鸡食品有限公司，安徽 合肥 230000)

花生作为重要的油料作物，含丰富的油脂和蛋白质，具有极高的营养价值[1-2]。然而，花生收获期多为高温多雨季节，刚收获的新鲜花生含水量较高，不易贮藏，若不及时进行干燥，在其运输、贮藏和加工过程中，极易造成霉变、酸败，严重制约花生产业的发展[3-5]。

机械干燥是农产品减损、安全保质的加工技术和重要手段[6]。目前，花生机械干燥多以热风[7]3-7、热泵[8]为主，也有学者[9]对花生的微波干燥进行了初步探索，然而热风、热泵烘干会造成花生内部水分难以向外扩散迁移，导致干燥时间长、营养成分损失大、能量消耗高[10-11]等问题；而微波干燥虽极大提高干燥效率，缩短干燥时间，但其干燥均匀性较差，难以保障花生干制品品质[12]。

间歇微波—热风耦合干燥技术是以微波干燥、热风干燥为基础的组合干燥技术，其通过微波源周期性地对物料施加微波场，以提高物料的干燥速率、降低干燥能耗和保证物料干制品品质；并在整个过程中辅以热风系统，防止物料在微波干燥过程中产生局部过热，导致干制品品质下降[13-15]。Zhao等[16]通过对比5种不同干燥方式对胡萝卜片的影响，发现间歇微波—热风耦合干燥具有最短的干燥时间和相对较低的干燥能耗，显著提升了干燥速率。Szadzińska等[12]对芹菜进行间歇微波—热风耦合干燥和其他8种不同干燥方案，发现间歇微波—热风耦合干燥提高了芹菜的干燥速率，降低了干燥能耗。彭郁等[17]采用间歇微波—热风耦合对白萝卜进行干燥，发现最优的微波间歇比(ton/toff)为1/4，在此条件下白萝卜干制品的颜色最好，品质得以保证。

近年来，关于组合干燥技术在农产品加工领域的应用愈加广泛，但对于间歇微波—热风耦合干燥花生的报道较少，仅对其干燥特性及能耗进行了简单介绍[18]。试验拟通过响应面分析探究热风温度、微波强度以及微波间歇比对花生干燥速率、能耗的影响，获得间歇微波—热风耦合干燥的最佳工艺参数。在此基础上，对间歇微波—热风耦合干燥对花生品质(脂肪酶活动度、硬度、颜色、脂肪酸组成)的影响进行测定。以期为花生间歇微波—热风耦合干燥的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

新鲜花生：产自河南正阳，脱壳后通过105 ℃加热干燥法[19]测得花生的初始干基含水率为(0.95±0.05) g/g。

1.2 仪器与设备

微波热风耦合干燥试验台(见图1)：实验室自制；

食品物性分析仪：SMS TA.XT Epress Enhanced型，英国Stable Micro Systems公司；

探头：2 mm Cyl. Stainless型，英国Stable Micro Systems公司；

色差仪：D-110型，爱色丽色彩技术有限公司；

气相色谱—质谱联用仪：TSQ 9000型，美国赛默飞世尔科技公司；

色谱柱：SP-2560型毛细管柱(100 m×0.25 mm×0.2 μm)，美国Sigma公司；

电热鼓风恒温干燥箱：101型，北京科伟永兴仪器有限公司。

1. 干燥箱体 2. 微波辐射口 3. 容器 4. 物料 5. 进气口 6. 排气口 7. 温度控制器 8. 流量计 9. 气阀 10. 风机

1.3 试验方法

1.3.1 花生预处理 将新鲜花生洗净、脱壳，挑选(8.91±0.92) mm×(8.47±0.83) mm×(16.01±1.49) mm 大小的花生，放入自封袋冷藏(4 ℃)保存。

1.3.2 间歇微波—热风耦合干燥单因素试验设计 试验前将新鲜花生取出，恢复至室温。由于影响花生微波—热风联合干燥过程的因素主要有热风温度、微波强度和微波的间歇比等。结合相关文献[7]11-21 [9, 20]和试验设计方法，以干燥综合评分(干燥速率、干燥能效)为评价指标，研究热风温度、微波强度和微波间歇比对花生间歇微波—热风耦合干燥评分的影响。分别对每个影响因素进行单因素试验，每个试验组含有100 g新鲜花生，每15 min 对试验组进行称重，直至干燥物料的安全贮藏水分10%以下后结束干燥，进行3次平行试验。

(1) 热风温度：设置微波强度1.0 W/g，微波间歇比0.75，考察热风温度(35，40，45，50，55 ℃)对干燥综合评分的影响。

(2) 微波强度：设置热风温度45 ℃，微波间歇比0.75，考察微波强度(0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 W/g)对干燥综合评分的影响。

(3) 微波间歇比：设置热风温度45 ℃，微波强度1.0 W/g，考察微波间歇比(ton/toff分别为0.25，0.50，0.75，1.00，1.25；toff=60 s)对干燥综合评分的影响。

1.3.3 间歇微波—热风耦合干燥响应面分析试验设计

根据单因素试验结果，以干燥速率和能耗为响应值，通过Box-Behnken试验获得最优花生间歇微波—热风耦合干燥工艺。

1.3.4 干燥参数的测定

(1) 干基含水率：按式(1)计算[21]。

(1)

式中：

X——t时刻花生的干基含水率，g/g；

mt——t时刻花生的质量，g；

m——花生绝干时的质量，g。

(2) 干燥速率：按式(2)计算[12]。

(2)

式中：

U——花生的干燥速率，g/min；

Dm——花生样品的总失重，g；

DT——总干燥时间，min。

(3) 能效：指用整台微波—热风耦合干燥设备蒸发花生1 kg水所需要的能量，按式(3)计算[22]。

(3)

式中：

SEC——干燥花生的能效，MJ/g；

P——微波—热风耦合干燥设备各部件的功率，W；

t——微波—热风耦合干燥设备各部件开启的时间，s；

△m——花生干燥前后的质量差，g。

(4) 综合评分：采用隶属度综合评分法，分别计算干燥速率、能耗两项指标的隶属度。当干燥速率越高，干燥时间越短，其隶属度按式(4)计算，当能耗越低，生产加工成本越低，其隶属度按式(5)计算，间歇微波—热风耦合干燥花生的综合得分按式(6)计算，利用Design-Expert 10软件优化得到综合评分的最优工艺参数。

(4)

(5)

S=aU1+bU2，

(6)

式中：

U——隶属度；

S——综合得分；

cmax——各指标的最大值；

cmin——各指标的最小值；

ci——第i组试验结果；

U1——干燥速率的隶属度；

U2——比能耗的隶属度；

a——干燥速率的权重系数；

b——比能耗的权重系数。

综合分析各指标的影响水平，权重系数分别为a=0.5，b=0.5。

1.3.5 花生品质的测定

(1) 脂肪酶活动度：按GB/T 5523—2008执行。

(2) 硬度：参照卢映洁等[23]的方法，采用穿刺探头，对花生进行穿刺试验。食品物性分析仪设定为测前探头下降速度0.8 mm/s，测中探头移动速度0.5 mm/s，测后探头上升速度0.8 mm/s，最低限度感应力10 g。单个样品试验点重复测试5次求平均值，检测的峰值表示花生的硬度(g)。

(3) 色差：随机选择每个样品表面的3个位置进行测定，记录获得的L、a和b值，通过式(7)计算花生的色差值[24]。

(7)

式中：

ΔE——色差；

L、L0——分别为干燥前后样品的亮度+/暗度-值；

a、a0——分别为干燥前后样品的红度+/绿度-值；

b、b0——分别为干燥前后样品的黄度+/蓝度-值。

(4) 脂肪酸组成：参照Aljuhaimi等[25]的方法，略作修改，通过气相色谱—质谱法(GC-MS)测定花生样品的脂肪酸组成。取10 g花生样品，使用组织粉碎机将其粉碎，准确称取2.0 g试样，将其移入到250 mL的平底烧瓶中，加入100 mg焦性没食子酸，再加入2 mL 95%乙醇混匀。取60 mg混合物移入到具塞试管中，然后加入4 mL 异辛烷和0.2 mL 2 mol/L氢氧化钾甲醇溶液。混合后，将混合物在60 ℃的水浴中静置20 min。待冷却至室温，将溶液涡旋1 min并充分静置直至混合溶液完全分层。收集上清液并与1 g硫酸氢钠混合以除去过量的水和氢氧化钾。涡旋30 s后，收集上清液，通过0.45 μm有机膜过滤，然后转移到进样瓶中，上机测定。

2 结果与分析

2.1 间歇微波—热风干燥条件优化

2.1.1 热风温度对花生干燥综合评分的影响 由图2可知，随着热风温度的升高，干燥速率在35～45 ℃时迅速增大，当热风温度>45 ℃后干燥速率增速变缓，能耗的提升随温度的升高呈线性关系，表明在热风温度<45 ℃时，热风温度的升高对干燥速率提高有显著影响，当温度>45 ℃时，热风温度的升高对干燥速率的影响减小。这是由于在间歇微波—热风联合干燥中，微波将花生内的水分随温度梯度扩散到花生表面后，热风将其蒸发，但当热风蒸发水分的速率大于扩散到花生表面水分的速率时，干燥速率提升减缓，因而导致干燥的综合评分呈先增高后降低的变化趋势。在40～50 ℃时具有较高的干燥综合评分，在45 ℃时具有最高的干燥综合评分，在55 ℃时具有最低的干燥综合评分，故选择热风干燥温度40，45，50 ℃分别设定为Box-Behnken试验的-1，0，1水平。

图2 热风温度对花生干燥综合评分的影响

2.1.2 微波强度对花生干燥综合评分的影响 由图3可知，随着微波强度的升高，在微波强度0.6～0.8 W/g时干燥速率变化较缓，当微波强度>1.0 W/g后干燥速率增速显著提高，能耗的提升与微波强度的升高呈线性关系，表明在微波强度<1.0 W/g时，微波强度的升高对干燥速率提高影响较小，当微波强度>1.0 W/g时，微波强度的升高对干燥速率的影响增大。这是由于在间歇微波—热风联合干燥中，在较低微波强度时，热风蒸发花生表面水分起主要作用，故微波强度的提升对干燥速率的影响不明显，随着微波强度的提高，花生内的水分随温度梯度向外扩散的速率加快，导致干燥速率显著提高。因而导致干燥的综合评分呈先增高后降低的变化趋势。在1.0～1.4 W/g 时具有较高的干燥综合评分，在1.2 W/g时具有最高的干燥综合评分，在0.6 W/g时具有最低的干燥综合评分，故选择微波强度1.0，1.2，1.4 W/g分别设定为Box-Behnken试验的-1，0，1水平。

图3 微波强度对花生干燥综合评分的影响

图4 微波间歇比对花生干燥综合评分的影响

2.1.3 微波间歇比对花生干燥综合评分的影响 由图4可知，随着微波间歇比的提升，干燥速率和能耗的提升均随微波间歇比的提升呈线性关系，但微波间歇比>1.00时，其能耗有显著上升。因而导致干燥的综合评分呈先增高后降低的变化趋势。在微波间歇比为0.75～1.25时具有较高的干燥综合评分，在微波间歇比为1.00时具有最高的干燥综合评分，在微波间歇比为0.25时具有最低的干燥综合评分，故选择微波间歇比0.75，1.00，1.25分别设定为Box-Behnken试验的-1，0，1水平。

2.1.4 响应面分析 试验因素水平见表1，试验设计及结果见表2。

采用Design-Expert 10.0.3分析软件对表2中的各试验组与响应值进行多元回归分析，得出相应的方差分析结果。由表3可知，微波强度和微波间歇比对花生耦合干燥的综合评分影响极显著(P<0.01)，热风温度对其影响为显著(P<0.05)。以综合评分为响应值，拟合获得回归方程，剔除不显著项后，最终得到二次回归方程：

表1 花生间歇微波—热风耦合干燥Box-Behnken试验设计因素及水平

表2 花生间歇微波—热风耦合干燥Box-Behnken试验设计结果

Y=0.7+0.011A+0.021B+0.021C-0.011AB-0.017AC-0.012A2-0.034B2-0.024C2。

(8)

各因素的交互作用对响应值(花生间歇微波—热风耦合干燥的综合评分)的影响如图5～7所示，其中：热风温度和微波强度、热风温度和微波间歇比对花生间歇微波—热风耦合干燥综合评分的交互作用的影响极显著，微波强度和微波间歇比对花生间歇微波—热风耦合干燥综合评分的交互作用的影响不显著。

基于Design-Expert 10.0.3数据分析软件，间歇微波—热风耦合干燥花生的最佳工艺条件为：热风温度45.075 ℃，微波强度1.262 W/g，微波间歇比1.110，在此条件下预测最佳评分为0.711。考虑到实际操作的便利性，实际条件略有调整：热风温度为45 ℃，微波强度为1.25 W/g、微波间歇比为1.10。在此条件下进行3次验证实验，得到花生间歇微波—热风耦合干燥的干燥速率为(0.517±0.002) g/min，能耗为(0.433±0.002) MJ/g，综合评分为(0.710±0.003)，与预测结果0.711吻合良好。故表明该回归模型能较好地预测花生间歇微波—热风耦合干燥的最佳工艺条件。

表3 多元回归模型方差分析表†

图5 热风温度和微波强度对综合评分的交互影响

图6 热风温度和微波间歇比对综合评分的交互影响

图7 微波强度和微波间歇比对综合评分的交互影响

2.2 间歇微波—热风耦合干燥花生的品质

2.2.1 脂肪酶活动度 花生的脂肪酶可水解花生的脂肪生成游离脂肪酸，过多的游离脂肪酸会导致花生中的油脂酸败、油脂风味变差、加工损失增加[26]，但会使花生的发芽率降低[27]。由表4可知，经间歇微波—热风耦合干燥的花生脂肪酶活动度降低，与未干燥的花生相比有显著下降(P<0.05)。这可能是干燥后花生的水分活度降低，从而抑制了脂肪酶活动度[28]。

2.2.2 硬度 由表4可知，间歇微波—热风耦合干燥导致花生硬度降低(P<0.05)，可能是由于热风会加速花生的传热和传质速率，并破坏花生的微观结构，而且间歇微波可进一步影响花生中蛋白质、脂肪的结构和分子间作用力，从而导致花生的硬度降低[29]。

2.2.3 色泽 由表4可知，经间歇微波—热风耦合干燥后花生的L*、a*和b*值变化显著(P<0.05)。与未处理的花生相比，经间歇微波—热风耦合干燥处理的变得更暗、更红、更黄。a*和b*值的增加可能是由于干燥过程中发生轻微的美拉德反应，导致较浅的颜色增加。而L*的值降低可能是由于湿热过程中的非酶褐变导致的[30]。

2.2.4 脂肪酸组成 花生的油脂中的主要脂肪酸是油酸(C18:1-9、46.51%～49.14%)、亚油酸(C18:2-8、32.18%～32.71%)和棕榈酸(C16:0、9.81%～10.54%)。花生油脂中不饱和脂肪酸在脂肪酸组成中占比约80%。由表5可知，经间歇微波—热风耦合干燥后花生的不饱和脂肪酸含量略有下降。这可能是由于在干燥过程中，微波场的介入使花生局部温度略高，导致部分不饱和脂肪酸发生氧化分解[30]。

表4 间歇微波—热风耦合干燥花生的脂肪酶活动度、硬度及色差†

表5 间歇微波—热风耦合干燥花生的脂肪酸组成†

3 结论

间歇微波—热风耦合干燥可显著提高花生的干燥速率，降低干燥成本，保证花生干燥品质。相较于传统干燥方式，经不同间歇微波—热风耦合干燥条件的花生，其干燥速率、能效和干燥综合评分有显著提升，其中在热风温度45 ℃，微波强度1.25 W/g、微波间歇比1.10的条件下的干燥综合评分最高。且该条件下干燥的花生脂肪酶活动度显著降低，脂肪酸组成无明显改变，保证了花生的干燥品质。虽然试验验证了间歇微波—热风干燥花生的可行性，但由于试验设备的局限性，该干燥方式对花生风味的影响仍需进一步探究。