张东京，马晓敏，吴本刚，王 敏，韩方凯

(1. 宿州学院，安徽 宿州 234000；2. 江苏大学，江苏 镇江 212013)

0 引言

芋头不仅营养丰富，且具有一定的保健功能.以芋头为主要原料开发的食品有芋头粉、芋头干、芋头饼等.其中，芋头超微细粉具有很强的表面吸附力和亲和力，更易被人体消化吸收，具有广阔的市场前景[1].芋头粉的加工过程中必须对原料进行脱水.杀青和干燥是芋头脱水的2个重要工序[2]，杀青主要是为了钝化芋头中能够导致成品品质变劣的酶，如多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)、过氧化物酶(POD)等[3-4].传统的杀青工艺为热水漂烫，该法虽然操作简便，但易导致芋头营养物质的流失，如水溶性维生素、矿物质等[5]；微波烫漂较传统热水烫漂，可避免营养物质的流失[6]，但加工过程易导致原料受热不均匀，灭酶不彻底[7-8]；化学杀青易引起环境问题，不适合农产品的大规模工业化生产[9].

红外加热可解决杀青过程中营养成分流失、受热不均和灭酶不彻底等问题，具有快速、高效和环保等优点[10].红外杀青亦可去除原料中部分水分达到预干燥的目的，且对能量的利用率较高.吴本刚等[11]成功将红外技术引入果蔬的杀青加工处理，相较于传统的蒸汽烫漂，红外杀青可以节约近80%的能源.国内外学者已经将红外杀青技术应用到果蔬的干燥加工[12-13].目前将催化式红外杀青技术应用到芋头的研究尚未见报道.

热风干燥是农产品脱水加工最为普遍的技术[14]，试验拟对新鲜芋头采用催化式红外杀青技术联合热风干燥技术进行加工处理，旨在得到一种能较好保留芋头原有的营养物质和芋头的风味的节能环保型杀青干燥工艺，为芋头杀青干燥工业化生产提供一定的技术参考.

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

新鲜芋头：湿基含水率为88.9%，所有的试验为同一批次芋头，试验1个月之内完成；pH为4.5的醋酸缓冲溶液 MBTH(3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙盐酸盐水合物)；愈创木酚，2,6-二氯靛酚溶液、1%草酸溶液(分析级，国药集团化学试剂有限公司).

催化式红外干燥机(江苏大学食品学院联合镇江美博红外科技有限公司制造)；722型分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司)；H1850型高速离心机(长沙市英泰仪器有限公司)；热风干燥机(江苏大学实验室自制).

1.2 试验方法

1.2.1 杀青试验

以同一标准芋头为原料，先将芋头削皮，切成20 mm×20 mm片状，每片厚度约5 mm，取1片新鲜芋头进行主要成分含量的测定，然后取3片芋头进行热水漂烫，接着以3片芋头为1组进行不同时间的红外杀青，杀青后的芋头进行品质检测，重复3次，取平均值.

(1) 红外杀青：称取5 g芋头片样品均匀置于圆盘，将圆盘放置在距离红外设备上下两板32 cm处，进气量设定为2 kPa，分别杀青0，1，2，3，4 min，当多酚氧化酶活性经紫外分光光度计测定低于10%即视为灭活成功，杀青结束.

(2) 热水漂烫：将3片5 mm的芋头片放入90 ℃的水浴锅中，水浴5 min.漂烫后的芋头取出，将表面的水分拭干.经过杀青3 min和热水漂烫5 min的芋头，放入热风干燥设备中，在70 ℃下干燥，每隔10 min将托盘拿出称重，当干燥前后芋头的重量变化小于0.05 g时停止加热，芋头热风干燥结束.

1.2.2 理化指标测定

以同一标准芋头为原料，先将芋头削皮，切成20 mm×20 mm片状，每片厚度约5 mm，取1片新鲜芋头进行主要成分含量的测定，然后取3片芋头进行热水漂烫，接着以3片芋头为1组进行不同时间的红外杀青，杀青后的芋头进行品质检测，重复3次，取平均值.

(1) POD的测定：取5 g芋头片样品与蒸馏水以质量比1∶10倒入制浆机中制浆，每份样品打浆30 s，然后将浆液用纱布进行过滤，取4 mL滤液加入5 mL离心管中，放入离心机中以8 000 r/min离心10 min，备用.

取50 μL离心液和4 mL愈创木酚试剂置于10 mL离心管，静置5 min后再分别加入500 μL的2.5 mmol/L MBTH和0.5 mL新配制的50 mmol/L过氧化氢溶液，摇匀.在紫外分光光度计500 nm的波长下记录吸光值，每30 s记录一次.每分钟吸光值增加0.001为1个单位POD活性.POD活性以干基质量为基准进行比较.以鲜芋头POD活性值为对照，处理后样品以百分比计算.POD酶残留活性按式(1)计算.

(1)

式中：c表示酶残留活性，%；At表示处理后样品POD酶活性；A0表示新鲜芋头POD酶活性.

(2) VC的测定：称取约20 g芋头样品，将样品用打浆机匀浆，用浸提剂将样品移入100 mL容量瓶中，并稀释至刻度摇匀过滤.吸取10 mL溶液放入50 mL锥形瓶中，用2-6-二氯靛酚滴定[11].

(3) 色泽的测定：将芋头切成约5 mm厚的片状，平均分成5组，取4组分别进行催化式红外杀青1，2，3，4 min，在新鲜的和杀青结束的芋头片上取3个点，用颜色测试仪进行测试，并记录.其中L代表的是芋头的亮度，a代表从红色向深绿色过渡，b代表从蓝色向黄色过渡.ΔE表示颜色的变化，按式(2)计算.

(2)

式中：Lx表示芋头L值；L0表示新鲜L值；ax表示芋头a值；a0表示新鲜a值；bx表示芋头b值；b0表示新鲜b值.

(4) 芋头POD酶钝化模型：芋头红外杀青POD酶钝化动力学模型符合一级方程，见式(3)、式(4).

(3)

(4)

式中：k表示反应速率常数(此处与芋头片厚度和表面温度有关，ln(At/A0)随时间的线性回归得到的斜率为-k，s-1；D表示递减时间，min；t表示特定条件下总酶的90%被灭活时所需的处理时间，min.

(5) 水分含量及干燥动力学模型：芋头初始水分含量通过70 ℃真空烘箱法干燥24 h测定得出.干燥过程中芋头片水分含量由测得的质量损失和初始质量计算得出.

芋头水分比按式(5)计算：

(5)

式中：MR表示水分比；mi表示芋头在t时的质量，g；m0表示样芋头初始质量，g；me表示样品最终质量，g.

采用Page模型对芋头的干燥曲线进行拟合，表达式见式(6).

MR=exp(-ktn)，

(6)

式中：t表示时间，min；k、n表示模型系数.

决定系数R2和均方根误差RMSE见式(7)、式(8).

(7)

(8)

式中：MRpre,i表示模型预测水分比；MRexp,i表示试验测得水分比；MRexp表示试验测得水分比的平均值；N表示试验测得数据组数；n表示干燥常数的数目.

1.3 数据分析

数据处理和分析采用SPSS 17.0统计分析软件.

2 结果与讨论

2.1 红外对芋头POD酶活性的影响

图1为红外辐射时间对芋头POD酶相对残留活性的影响曲线.可以看出，芋头催化式红外杀青处理结束后相对残留活性为12.0%-20.6%，相应酶灭活时间为3-4 min.辐射时间越久，酶存活率越低.灭酶处理后期，随着辐射时间的延长，酶存活率下降尤为显著，辐射3 min时，相对残留活性为20.6%，继续加热1 min，相对残留活性为12.0%，下降了8.6%；而同样的芋头，辐射2 min时，相对残留活性为77.2%，继续加热1 min，相对残留活性为20.6%，表明辐射时间对芋头产品的品质有一定的影响.因此在上述红外杀青的特定情况下灭酶试验中宜选取辐射时间为3 min.

图1 红外辐射时间对芋头POD酶相对残留活性的影响

一级动力学模型能较好地预测POD存留情况[11]，本试验也得到类似结论，决定系数R2为0.973 5.随着辐射时间延长即温度升高，酶存活率降低.在固定辐射距离下90%的总酶被灭活所需的时间为3-4 min.此为催化式红外同步干法灭酶脱水处理的产品品质提供了有价值的信息，并提供了合理的加工条件.

2.2 催化式红外杀青处理对芋头水分含量的影响及干燥动力学

在固定红外辐射板距离的情况下，根据杀青时间的不同对芋头进行处理，在辐射源辐射不变的情况下，辐射时间越长，芋头的水分比呈现逐渐下降的趋势，对与胡萝卜[15]的研究结果相似.不同处理时间下的水分比实际值和模型预测值的关系曲线如图2所示.试验结果表明，不同处理时间下芋头预测水分含量与试验实测值均有着较好的拟合性.

图2 红外处理时间对芋头的水分比的影响

红外杀青过程中干燥速率变化曲线如图3所示.干燥初始阶段，物料处于预热阶段，温度迅速上升，脱水速率增加；之后干燥过程先由外部水分扩散控制，接着由内部扩散控制，随着水分含量的减少，该阶段脱水速率缓慢下降.试验结果和预测值的拟合度较好(R2>0.9989，RMSE值为0.0084).Page模型可以较好地预测试验中水分的变化.

图3 干燥速率曲线

2.3 杀青时间对芋头品质的影响

杀青时间对芋头品质的影响如由表1、表2所列.红外杀青的芋头能保持较好的外形特征，杀青到一定时间，能散发特有的香味，杀青后的芋头黏液也较少，利于后续加工.而热水漂烫后的芋头，触感黏滑，虽能较好地保持水分，但黏滑不易拿捏，不利于后续加工，且无特有的香味.催化式红外杀青能使芋头产生较少的黏液，同时保持外形色泽特征.从酶存活率来看，经红外杀青处理的芋头的酶存活率随杀青时间的延长逐渐减少，杀青时间为3-4 min时，酶存活率明显下降.而热水漂烫处理过的芋头的酶存活率为3.40%±0.24%.从VC含量来看，红外杀青处理过的芋头也随杀青时间递减，这是由于VC遇高温易分解.综上所述，催化式红外杀青芋头外形色泽乳白，有轻微香味，能保留较多的VC，是芋头理想的杀青方式.

表1 杀青后芋头品质结果

表2 不同红外杀青时间下芋头颜色的变化

2.4 处理条件对芋头含水量的影响及干燥动力学

相同温度下芋头热风干燥水分含量变化曲线如图4所示.红外杀青的芋头样品水分比对照样品下降的速率快.芋头经32 cm辐照4 min后，进行热风干燥与热水漂烫5 min，再进行热风干燥后的含水率对比，前者前期含水率下降速度明显高于后者，后期两者下降速率均比较平缓.红外杀青和热水烫漂处理后的芋头样品，在同样热风干燥条件下所需干燥时间更短.

图4 红外杀青和热水漂烫后芋头热风干燥水分含量变化曲线

不同水分含量对干燥速率曲线如图5所示.

图5 不同处理条件下芋头干燥速率曲线

干燥过程的拟合值与试验值见图6，红外杀青和热水漂烫处理芋头，拟合度均较好，能够预测试验中的水分变化(R2分别为0.989和0.996，RMSE分别为0.0001和0.0004).动力学模型方程见表3.

图6 水分比实测值和模型预测值

表3 不同前处理芋头Page干燥模型的统计分析结果

2.5 干燥前红外杀青和热水漂烫对芋头品质的影响

红外杀青和热水漂烫对芋头复水率和VC含量的影响如表4所列.从复水率来看，经催化式红外杀青3 min后，芋头的复水率为1.53±0.06，热水漂烫5 min后的复水率为1.30±0.08.从VC含量来看，催化式红外杀青的VC含量为2.36±0.18 mg/100 g，热水漂烫的芋头VC含量为1.98±0.11 mg/100 g.综上所述，芋头在干燥前采用催化式红外杀青方式能提高芋头干的VC含量和维持芋头的复水率.

表4 处理后芋头品质

3 结论

(1)在芋头片厚度5 mm，上下两块板辐射距离32 cm，杀青时间为3 min条件下，得到芋头产品颜色呈现乳白不黏滑，有烤香味.一级动力学模型能较好地预测POD存留情况，决定系数R2为0.9735，此动力学模型参数可以很好地解释芋头催化式红外杀青的过程，可为芋头催化式红外杀青工艺提供一定的参考依据.Page模型可以较好地预测和描述芋头干燥过程中水分迁移过程.

(2) 优化了芋头催化式红外杀青—热风干燥工艺，此方法得到的芋头干产品VC保留率(2.36±0.18 mg/100 g)和复水性(1.53%±0.06%)均高于热水漂烫热风干燥产品，并且得到芋头干产品颜色更亮.红外杀青—热风干燥所需时间明显少于热水漂烫—热风干燥，得到最优工艺条件为：红外杀青3 min，热风干燥150 min.