粵式杏仁餅干燥動力學(xué)及其品質(zhì)變化*

阮征，洪漫興，胡懷宇，梁蘭蘭，李汴生

1(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東廣州，510640)2(廣州城市職業(yè)學(xué)院食品系，廣東廣州，510405)

粵式杏仁餅極具廣東特色，是將綠豆經(jīng)清洗、浸泡、萌發(fā)、殺青、脫殼、烘干、碾磨、過篩、靜置等一系列復(fù)雜工序制成精制綠豆粉，再伴以適量糖、油、水和其他配料，經(jīng)過成型、低溫焙烤制成的，濕基含水量低于3%的一類傳統(tǒng)糕點［1-2］。此類產(chǎn)品的粉料在烘焙前由于經(jīng)過高溫殺青、長時間烘干等熱處理，其中的淀粉、蛋白質(zhì)等成分性質(zhì)都已發(fā)生了顯著變化，沒有面筋形成;同時混料成型后的杏仁餅餅坯含水量較低(濕基含水量≤10%)，表現(xiàn)為低水分含量的多孔組織結(jié)構(gòu);此外杏仁餅整個焙烤過程的溫度都必須控制在150℃以下，否則會出現(xiàn)焦化現(xiàn)象。上述特征決定了杏仁餅的焙烤條件有別于面包、餅干、月餅等高溫焙烤食品。

杏仁餅的焙烤大致可分為干燥和上色2個階段，其中干燥階段主要是通過熱風(fēng)去除大部分水分，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下提高干燥效率就成為焙烤環(huán)節(jié)控制的關(guān)鍵。食品的干燥過程實質(zhì)就是濕熱傳遞的過程，國外較多焙烤過程的研究重點集中在干燥過程傳熱傳質(zhì)的特性和規(guī)律上。如Sosa-Morales［3］模擬了面包焙烤的熱質(zhì)傳遞，Sakin［4］研究了紙杯蛋糕在烤箱中烘焙的水分遷移和能量交換。國內(nèi)對于杏仁餅焙烤的研究則以配方和工藝為主，鄔海雄［2］，陳平生［5］等研制了杏仁餅的新配方，王娟［6］等對香蕉杏仁餅的焙烤工藝進(jìn)行了優(yōu)化，而關(guān)于杏仁餅焙烤過程熱風(fēng)干燥動力學(xué)方面的研究鮮有報道。

本研究以洞道干燥設(shè)備模擬工業(yè)化隧道式烤爐的焙烤環(huán)境，選擇熱風(fēng)溫度分別為80、100、120和140℃，探究杏仁餅的烘焙干燥特性及其品質(zhì)變化規(guī)律;并將杏仁餅熱風(fēng)干燥曲線與基于薄層干燥模型的干燥曲線進(jìn)行擬合，計算餅坯干燥過程的水分有效擴(kuò)散系數(shù);同時對比不同干燥溫度對杏仁餅質(zhì)構(gòu)特性、色差及感官品質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

精制綠豆粉、豬油、綿白糖等原輔料，均由咀香園健康食品(中山)有限公司提供。

1.2 儀器和設(shè)備

杏仁餅?zāi)＞撸紫銏@健康食品(中山)有限公司;電子天平(準(zhǔn)確等級VI)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;洞道干燥設(shè)備，湖南湘潭騰飛有限公司;TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)分析儀，英國Stable Micro System有限公司;色差計CR-400，柯尼卡美能達(dá)(中國)投資有限公司;TrackSence Pro Ellab無線測溫系統(tǒng)，丹麥Ellab公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 杏仁餅制作工藝流程

綠豆粉+綿白糖+豬油+水(質(zhì)量比5∶4∶1∶0.6)→用不銹鋼攪拌器以120 r/min的速度攪拌混合均勻→用模具壓模成型→焙烤→成品

1.3.2 杏仁餅中心溫度測定

將Ellab無線測溫系統(tǒng)探頭插進(jìn)杏仁餅幾何中心(冷點)，測定冷點部位的溫度在干燥過程中的變化。

1.3.3 水分指標(biāo)測定［7］

干基含水率Mt的計算方法見公式(1)

式中:Mt為試樣干燥至t時刻的的干基含水率，g水 /100g干料;mt、mg分別為試樣干燥至t時刻與絕干時的質(zhì)量，g。

干燥速率Dr的計算方法見公式(2)。

式中:Dr為干燥速率，g/(100g·h);Mt、Mt+Δt分別為t、t+ Δt時刻的干基含水率，g 水/100g 干物質(zhì);Δt為干燥間隔時間，h。

1.3.4 水分有效擴(kuò)散系數(shù)

菲克第二定律普遍用于描述物料薄層干燥特性，根據(jù)該模型對樣品干燥曲線的擬合，可計算［公式(3)］水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff。

式中:R0為樣品當(dāng)量半徑，m;t為干燥時間，s;Deff為物料內(nèi)部水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。將數(shù)據(jù)用以上方程擬合，得到以lnMR及t為坐標(biāo)直線，直線斜率即為π2Deff/R02，從而計算擴(kuò)散系數(shù)Deff。

1.3.5 洞道干燥過程杏仁餅脫水的動力學(xué)模型

許多物料的干燥過程都符合菲克第二定律，因此以其為基礎(chǔ)建立起的薄層干燥數(shù)學(xué)模型廣泛應(yīng)用于描述物料的熱質(zhì)傳遞過程，本研究選取Newton、Page、Henderson and Pabis等6個較為常見的薄層干燥模型進(jìn)行擬合。

1.3.6 質(zhì)構(gòu)的測定

將烘焙后的杏仁餅在25℃環(huán)境中冷卻15 min，采用TA-XT Plus物性分析儀進(jìn)行測試。每個樣品平行6次。測定參數(shù):采用P/36R探頭，測前速率3.0 mm/s，測試速率 3.0 mm/s，測試后速度 5.0 mm/s，壓縮20%，觸發(fā)力5 g，2次壓縮時間間隔5 s，數(shù)據(jù)采集速200 pps。測量指標(biāo)包括硬度、內(nèi)聚性和咀嚼性［8］。

1.3.7 色澤的測定

采用CR-400便攜式色差儀測定杏仁餅表面的L*，a*和b*值，每組樣品選取3個杏仁餅，測定9組數(shù)據(jù)，用平均值±方差表示。

1.3.8 感官評價

制定粵式杏仁餅感官評價標(biāo)準(zhǔn)(表1)，挑選10位評價員，按照國標(biāo)GB 19547—2004的要求進(jìn)行評價［9］。樣品的最終含水率控制在3%以下，并在烘焙后統(tǒng)一置于室溫下冷卻15 min，再供品評。

表1 杏仁餅感官評價標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The standard of sensory evaluation of almond cookies

1.4 數(shù)據(jù)處理

測定和分析結(jié)果采用SPSS18.0 for Windows、Excel 2010和Origin8.6進(jìn)行處理，方差分析采用新復(fù)極差分析法Duncan，取95%置信區(qū)間(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 杏仁餅中心溫度的變化

圖1揭示了不同干燥溫度下杏仁餅中心溫度的變化情況。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)水分時，在80、100、120、140℃的干燥溫度下，杏仁餅中心溫度分別達(dá)到了68.1、71.0、80.2、87.4℃，即熱風(fēng)干燥溫度越高，物料中心溫度與餅坯外部熱風(fēng)溫度形成的溫差越大。這種溫差的加大導(dǎo)致導(dǎo)濕溫性的影響增強(qiáng)，阻礙內(nèi)部水分向外遷移［7］，致使較高熱風(fēng)溫度下的杏仁餅在干燥后期干燥速率降幅更大，最后少量水分在導(dǎo)濕溫性的作用下向餅坯中心位置流動，難以脫除。這一點從不同溫度下的干燥速率曲線圖可得到進(jìn)一步證實。

圖1 不同干燥溫度下杏仁餅中心升溫曲線Fig.1 Temperature curves of the almond cookies’centers at different drying temperatures

2.2 杏仁餅的干燥特性

圖2為不同溫度下杏仁餅的干燥曲線。隨著溫度的升高，杏仁餅失水速率加快。80℃時，干燥130 min，100 ℃干燥90 min，120 ℃干燥40 min，而140 ℃僅需干燥30 min，杏仁餅含水率就能達(dá)到產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的＜3%。80、100℃的干燥曲線與120、140℃的干燥曲線差別較大，這是由于干燥速率會受到導(dǎo)濕溫性和導(dǎo)濕性的共同影響。溫度越高，物料中心溫度和表面溫度都上升較快(圖1)，物料表面水分蒸發(fā)加快，有利于脫水的導(dǎo)濕性增大而不利于脫水的導(dǎo)濕溫性減小，因此溫度越高，杏仁餅失水越快。而溫度較低的80℃和100℃脫水速度較慢，與高溫之間的差距比較明顯。

圖2 不同溫度下杏仁餅干燥曲線圖Fig.2 The drying curves of almond cookies at different temperatures

圖3為不同溫度下杏仁餅的干燥速率曲線。結(jié)果表明杏仁餅干燥過程中沒有恒速階段，在整個過程中，干燥速率都隨著含水率的降低而降低。

圖3 不同溫度下杏仁餅干燥速率曲線圖Fig.3 The drying rate curves of almond cookies at different temperatures

從圖3可以看出，初始干燥速率隨著溫度的升高而升高，速率下降速度隨著溫度升高而加快。這是因為越高的溫度致使物料內(nèi)外表面升溫都較快，降低了阻止水分脫除的溫度梯度。80、100℃始終都保持著較低的干燥速率，平均干燥速率分別為3.22、4.12 g/(100g·h)，而120、140℃始終保持著較高的干燥速率，平均干燥速率分別為7.12、6.24 g/(100g·h)，140℃的平均干燥速率比120℃低則是由于導(dǎo)濕溫性的影響在一定程度上影響了水分的向外遷移。

2.3 水分有效擴(kuò)散系數(shù)

水分有效擴(kuò)散系數(shù)是物料干燥過程中反應(yīng)內(nèi)部水分遷移變化的重要指標(biāo)，其值越大表明內(nèi)部水分?jǐn)U散越快，干燥速率越高［10］。根據(jù)菲克定律，擴(kuò)散系數(shù)越大，即在該條件下物質(zhì)擴(kuò)散出體系的能力越強(qiáng)。表2列出了不同溫度下杏仁餅的水分有效擴(kuò)散系數(shù)。雖然不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)有較為顯著的差異，但基本在8.32×10-9～2.496×10-8m2/s之間。

表2 不同溫度下杏仁餅的水分有效擴(kuò)散系數(shù)Table 2 Effective coefficient of diffusivity of almond cookies at different temperatures

由于杏仁餅屬于熟粉類焙烤食品，粉料在焙烤前已經(jīng)熟化變性，這就使其焙烤過程的傳質(zhì)(水分?jǐn)U散)系數(shù)與一些傳統(tǒng)生料焙烤的食品(如餅干、面包等)有了顯著差異。如Saleem測得半甜型餅干在150～220℃烤箱中的傳質(zhì)系數(shù)為7×10-10～3.5 ×10-10m2/s［11］;Guillard 通過改變環(huán)境濕度，測得餅干在焙烤中的傳質(zhì)系數(shù)為1.35×10-10～1.36×10-9m2/s［12］;Panagiotou報道燕麥曲奇的傳質(zhì)系數(shù)為3.97×10-12～4×10-12m2/s。不同終點水分含量的面包焙烤的傳質(zhì)系數(shù)分別為5×10-8m2/s(干基含水量0.67%)、2×10-10m2/s(干基含水量0.3%)。這些系數(shù)的差異與混合體系內(nèi)物料的種類和特性、水分的結(jié)合方式以及焙烤溫度等有著很大的關(guān)系［13］。

2.4 杏仁餅干燥過程的數(shù)學(xué)模型擬合

為了描述杏仁餅干燥過程脫水規(guī)律，對干燥時間與水分比的干燥曲線(圖4)進(jìn)行Newton、Page等6個常用薄層干燥經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷幕貧w分析，并取決定系數(shù)R2作為方程接受度的評價指標(biāo)。R2越接近1，則擬合精度越優(yōu)，各方程對不同溫度的平均擬合效果如表3所示。

圖4 不同溫度下杏仁餅水分比曲線圖Fig.4 Curves of MRvalue of almond cookies at different temperatures

表3 常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果Table 3 The results of data fitting commonly used mathematical models of thin-layer drying

結(jié)果顯示，各種模型都有較高的擬合度。經(jīng)進(jìn)一步分析驗證，優(yōu)選Page模型MR=exp(-ktn)對不同溫度下杏仁餅干燥曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示。

表4 不同干燥溫度下Page模型擬合結(jié)果Table 4 Results of data fitting page models at different temperatures

表4為Page模型對不同溫度干燥曲線的參數(shù)擬合結(jié)果，表達(dá)式的2個未知數(shù)為k和n表示干燥常數(shù)。k值與溫度有重要關(guān)系，k值越大表明干燥速率更高，傳熱傳質(zhì)效果更好;n值表示干燥指數(shù)，從本研究結(jié)果看，溫度對n值的影響無明顯規(guī)律。

根據(jù)所得結(jié)果，對將變量溫度T分別與變量k和n進(jìn)行多項式回歸分析，可以得到以下2個回歸方程:

根據(jù)MR=exp(-ktn)，杏仁餅在不同溫度下對應(yīng)的MR可通過以上算式獲得。

2.5 不同干燥溫度對杏仁餅質(zhì)構(gòu)特性的影響

表5顯示了不同干燥溫度對杏仁餅質(zhì)構(gòu)特性的影響，其中硬度表示杏仁餅的松軟性，數(shù)值越高越硬;內(nèi)聚性與杏仁餅的“緊實度”密切相關(guān)，數(shù)值越高越緊實，表明粉料顆粒間結(jié)合得更加緊密;咀嚼性表示將固體食品咀嚼到可吞咽狀態(tài)時需做功的大小，數(shù)值越高越難咀嚼。

TPA檢測結(jié)果表明，隨著溫度的升高，杏仁餅硬度、內(nèi)聚性、咀嚼性都呈現(xiàn)整體增加的趨勢。這是由于干燥過程中水分的脫除，溫度的升高使得糖油熔化重新排列，粉料結(jié)合得更加緊密。而當(dāng)干燥溫度為80℃時，硬度較干燥前有所上升，而內(nèi)聚性和咀嚼性較干燥前有所下降。這是由于80℃不足以使餅干糖油熔化并重新分布，而內(nèi)部孔隙因為水分的蒸發(fā)而變得疏松，導(dǎo)致杏仁餅內(nèi)聚性和咀嚼性都較原料有所降低。因此從節(jié)能的角度考慮可通過80℃先脫除餅坯中的部分水分，然后配合后續(xù)的短時高溫處理以獲得產(chǎn)品特有的風(fēng)味和口感。120℃和140℃干燥的杏仁餅硬度沒有顯著差異(P＞0.05)，但與80℃和100℃下干燥的杏仁餅硬度差異顯著(P＜0.05);80℃干燥前后咀嚼性沒有明顯變化(P＞0.05)，而100～140℃則會顯著提高咀嚼性(P＜0.05)。不同干燥溫度下杏仁餅的內(nèi)聚性有明顯區(qū)別(P＜0.05)。

表5 不同干燥溫度對杏仁餅質(zhì)構(gòu)特性的影響Table 5 Values of TPA of almond cookies at different temperatures

2.6 不同干燥溫度對杏仁餅色澤的影響

表6揭示了不同干燥溫度對杏仁餅表面色澤的影響。在干燥過程中，杏仁餅亮度(L*)下降，紅度(a*)先下降后上升，黃度(b*)上升。這些都是由于干燥過程中，發(fā)生美拉德反應(yīng)，溫度越高，美拉德反應(yīng)更嚴(yán)重。因此亮度減小，紅度上升，黃度升高。各個溫度下干燥的杏仁餅色澤都有顯著性差異。

表6 不同干燥溫度對杏仁餅色澤的影響Table 6 Color changes of almond cookies at different temperatures

2.7 不同干燥溫度對杏仁餅感官品質(zhì)的影響

不同干燥溫度對杏仁餅感官品質(zhì)的影響如圖5所示。

圖5 不同干燥溫度下杏仁餅的感官品質(zhì)Fig.5 Sensory properties of almond cookies at different temperatures

外觀指標(biāo)中表面碎屑，表面顏色深度和底面顏色深度指標(biāo)數(shù)據(jù)都會隨著焙烤溫度的提高而稍微有所提高。香味方面，焙烤香味顯示隨著溫度上升而增大的趨勢，原因是因為隨著溫度的升高，餅體所進(jìn)行的美拉德反應(yīng)程度越高;溫度越高，色澤越深。滋味方面，焙烤香味的趨勢和香味中的焙烤滋味一致。由于焙烤過程中溫度較低，所以影響甜味的因素主要在于糖漿的比例，由于該杏仁餅使用同一批調(diào)制粉，因此，甜味差別不明顯。就總體來看，在120℃下烘焙的杏仁餅感官品質(zhì)優(yōu)于其他溫度干燥的杏仁餅。

3 結(jié)論

通過對比分析不同熱風(fēng)溫度(80、100、120、140℃)對杏仁餅的干燥特性，干燥動力學(xué)及杏仁餅成品品質(zhì)的影響得出:杏仁餅整個干燥過程都處于降速階段，水分有效擴(kuò)散系數(shù)Deff隨溫度的升高而升高，Page方程為優(yōu)選的干燥模型(平均 R2=0.997)。80～140℃干燥的杏仁餅水分?jǐn)U散系數(shù)、內(nèi)聚性和色澤存在顯著差異(P＜0.05)。對于低水分含量的杏仁餅而言，其內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)，并非提高溫度就能縮短干燥時間，由于導(dǎo)濕溫性的影響，過高的環(huán)境溫度有可能降低干燥效率。在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)該從節(jié)能、水分遷移的速度和方向、杏仁餅的品質(zhì)變化等方面綜合考量進(jìn)行烘焙條件的選擇。

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