基于氣味檢測(cè)的生姜微波干燥特性研究

徐晚秀 - 李 靜 李臻峰, -, 朱冠宇 - 宋春芳 - 張君生 -

(1. 江南大學(xué),江蘇 無錫 214122;2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)

生姜是姜屬植物的塊根莖，又名鮮姜、老姜。生姜化學(xué)成分復(fù)雜，包括碳水化合物、蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)、辛辣素、油脂及少量揮發(fā)性油分[1-2]。生姜中含有姜辣素、芳香醇、姜烯、水芳烯、茨烯、氨基酸、尼克酸、檸檬酸、芳樟醇等功能物質(zhì)，有治牙痛、治療關(guān)節(jié)炎、降膽固醇、防膽石癥、抗運(yùn)動(dòng)病、抗動(dòng)脈粥樣硬化、抗衰老及抗癌等作用[3-5]。生姜因其特殊的風(fēng)味，廣泛地應(yīng)用于烹調(diào)香料、調(diào)味料和草藥。生姜風(fēng)味的感官特性主要是姜精油這種物質(zhì)賦予的，精油是生姜中的揮發(fā)性油分，為生姜提供了香氣和風(fēng)味。生姜不易保鮮，鮮原料難以滿足市場(chǎng)和人們的消費(fèi)需求。當(dāng)貯藏環(huán)境溫度高于15 ℃時(shí)生姜會(huì)抽芽生根，而低于10 ℃就會(huì)發(fā)生凍害，嚴(yán)重影響其貯藏品質(zhì)，降低食用價(jià)值和外觀品質(zhì)[6-7]。

不同的干燥工藝對(duì)生姜的芳香風(fēng)味和辛辣口感有不同的影響。生姜的芳香風(fēng)味主要來源于揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)[8]。Ding等[9]和Huang等[10]采用頂空固相微萃取結(jié)合氣質(zhì)聯(lián)用技術(shù)比較了不同的干燥工藝對(duì)姜揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)微波干燥生姜保留揮發(fā)性成分更有優(yōu)勢(shì)。

但迄今為止，對(duì)于生姜干燥過程中的氣味變化缺乏研究。本試驗(yàn)通過課題組自制的微波干燥在線檢測(cè)氣味系統(tǒng)，在微波干燥生姜的過程中對(duì)生姜的中心溫度進(jìn)行控制，研究溫度對(duì)生姜?dú)馕稊U(kuò)散、其干燥特性及干后品質(zhì)的影響，確定較優(yōu)的微波干燥條件，為微波干燥生姜的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

生姜：采購于江蘇無錫濱湖區(qū)江南大學(xué)天惠超市，試驗(yàn)前置于4 ℃冰箱中儲(chǔ)存待用。分割成10 mm×10 mm×10 mm 的立方體進(jìn)行試驗(yàn)。每組試驗(yàn)稱取(23±1) g 的生姜進(jìn)行干燥。

1.2 儀器

電子秤：ES5000型，永康市艾瑞貿(mào)易有限公司；

熒光光纖測(cè)溫儀：ThermAgile-RD型，西安和其光電科技有限公司；

電子鼻：4200型，美國Electronic Sensor Technology公司；

島津紫外可見分光光度計(jì)：UV1800型，島津企業(yè)管理(中國)有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH1型，常州恒隆儀器有限公司；

醫(yī)用離心機(jī)：80-2型，江蘇新康醫(yī)療器械有限公司；

微波干燥系統(tǒng)(見圖1)：實(shí)驗(yàn)室自制，該系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，即微波干燥部分和氣味檢測(cè)部分。微波干燥部分主要包括溫度檢測(cè)、重量檢測(cè)和功率控制。氣味檢測(cè)部分包括冷凝氣流回路、高精度全自動(dòng)交流穩(wěn)壓電源、電子鼻。干燥時(shí)通過電子秤、光纖將實(shí)時(shí)重量、溫度信號(hào)傳感輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過PID以0～5 V的電壓實(shí)現(xiàn)微波功率0～700 W線性可調(diào)，由光纖測(cè)得實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定物料中心溫度進(jìn)行比較反饋控制變化的微波功率，達(dá)到所設(shè)定干燥溫度。氣味檢測(cè)時(shí)，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生經(jīng)過緩沖物料罐的3 L/min的氣流,由二位三通閥將氣流分為兩路，一路從微波爐(經(jīng)實(shí)驗(yàn)室改造)進(jìn)入聚四氟乙烯物料罐，及時(shí)帶走當(dāng)前時(shí)刻被干燥物料散發(fā)的揮發(fā)性氣味，通過冷凝器進(jìn)入采樣瓶供電子鼻采樣測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)。另一路不經(jīng)過干燥腔直接進(jìn)入采樣瓶作為清洗電子鼻的氣體。物料重量讀數(shù)、功率控制和溫度控制數(shù)據(jù)集成在一個(gè)DAQ板，在線檢測(cè)數(shù)據(jù)以1 s間隔存入計(jì)算機(jī)。

圖1 基于氣味檢測(cè)的微波干燥系統(tǒng)Figure 1 Microwave drying based on volatile-detection system

1.3 方法

1.3.1 干燥方法 為研究溫度對(duì)揮發(fā)性風(fēng)味和干燥品質(zhì)的影響，控制物料中心溫度為50，60，70，80 ℃。當(dāng)濕基含水率為10%時(shí)停止干燥。實(shí)時(shí)采集不同溫度下的氣味峰面積值。每一個(gè)干燥條件下都將在線記錄溫度、重量、功率變化，并對(duì)不同溫度下干后產(chǎn)品進(jìn)行品質(zhì)分析。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次。

1.3.2 氣味檢測(cè)方法 色譜柱：DB-5壓電石英晶體；傳感器溫度：30 ℃；取樣時(shí)間：0.5 s；泵壓：10 s；吸入時(shí)間：0.5 s；等待時(shí)間：2 s；升溫程序：以10 ℃/min升至200 ℃；數(shù)據(jù)處理：20 s；烘烤傳感器30 s。

1.4 指標(biāo)測(cè)定方法

1.4.1 干基及干基含水率的測(cè)定 生姜切成丁稱重后將其放置在電熱鼓風(fēng)干燥箱中以 105 ℃ 的溫度進(jìn)行干燥；干燥3 h 后開始稱重，后每隔 30 min稱重 1 次，至每 30 min 的質(zhì)量變化≤0.01 g時(shí)停止試驗(yàn)。測(cè)得生姜初始水含量為90.72%。干燥樣品含水率(濕基)按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

Wt——干燥樣品在t時(shí)刻的濕基含水率，g/g；

Mt——任意t時(shí)刻物料的總重量，g；

M——物料的絕干重量，g。

1.4.2 復(fù)水比測(cè)定 精確稱取干燥物料1 g，在100 mL燒杯中加入蒸餾水80 mL，80 ℃恒溫水浴10 min，復(fù)水后去除樣品表面水分，測(cè)物料復(fù)水后質(zhì)量。復(fù)水比按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：

R——物料復(fù)水比；

Rf——物料復(fù)水后質(zhì)量，g；

Ri——物料復(fù)水前質(zhì)量，g。

1.4.3 物料色差測(cè)定 用色差計(jì)測(cè)新鮮和干燥后的生姜，每個(gè)樣品重復(fù)5次取平均值。L*、a*、b*分別代表明度、紅綠度、黃藍(lán)度，△L*、△a*、△b*表示干燥前后L*、a*、b*之差，干燥前后的色差值按式(3)計(jì)算：

(3)

1.4.4 感官品質(zhì)鑒定 干燥冷卻后及時(shí)進(jìn)行感官品質(zhì)鑒定。鑒定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 干燥生姜感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)?

? 滿分16分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度干燥生姜的特性

計(jì)算機(jī)通過PID控制實(shí)現(xiàn)微波功率0～700 W線性可調(diào)，由光纖測(cè)得實(shí)時(shí)溫度與設(shè)定物料中心溫度進(jìn)行比較反饋控制變化的微波功率，達(dá)到所設(shè)定干燥溫度。由圖2可知，干燥溫度高可以縮短干燥時(shí)間，而干燥溫度低會(huì)增加干燥時(shí)間。干燥溫度為80 ℃時(shí)的干燥時(shí)間最短，為50 min，比70，60，50 ℃干燥時(shí)間分別快25，90，190 min。原因是微波干燥過程中微波加熱熱量在被加熱物料內(nèi)部產(chǎn)生,這樣里外一起加熱，內(nèi)部溫度高于表面溫度，內(nèi)部蒸汽壓大于表面蒸汽壓，增加水分從內(nèi)部到表面的擴(kuò)散。升高的蒸汽壓會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的孔洞增大，甚至?xí)信蛎?，減少水分的擴(kuò)散阻力。

圖2 不同溫度下含水率變化曲線Figure 2 Curves of moisture content under different drying temperatures

2.2 不同溫度干燥生姜的氣味檢測(cè)

電子鼻檢測(cè)圖譜見圖3。通過電子鼻檢測(cè)的峰面積數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)干燥后期峰面積數(shù)據(jù)變化都很小，干燥后期對(duì)峰面積散發(fā)情況影響不顯著，因此主要選取前60 min的氣味圖譜。

圖3 電子鼻檢測(cè)的氣味圖譜Figure 3 Aroma fingerprint detected by Electronic nose

圖4～7為電子鼻檢測(cè)的干燥過程中實(shí)時(shí)揮發(fā)性氣味圖譜。由圖4～7可知，有6個(gè)顯著揮發(fā)性區(qū)別峰值，其中有4個(gè)峰值在新鮮生姜的氣味圖譜中也檢測(cè)到，只有峰5和峰6在新鮮生姜中未檢測(cè)到。峰1、峰2、峰3、峰4為新鮮生姜主要的揮發(fā)性風(fēng)味成分。由氣味圖譜顯示，在干燥過程中產(chǎn)生了峰5和峰6，并且隨著溫度的升高越來越多，在低溫的情況下基本沒有(低于8 cts/g為電子鼻干凈狀態(tài))，因此這2個(gè)峰值作為表征生姜產(chǎn)生焦糊代表，其它峰值則作為風(fēng)味峰代表。

由圖4可知，峰面積曲線基本遵循兩段式改變：一段是上升階段，另一段是下降階段。通過觀察各峰面積圖，可以明顯發(fā)現(xiàn)溫度越高兩段式改變也越來越突出。溫度為80 ℃時(shí)峰面積比較大且改變最快，氣味曲線也比較陡峭。溫度較低(50 ℃)的峰面積改變基本在同一條水平線上。原因是溫度較低，揮發(fā)性氣味散失改變很小。同一個(gè)氣味圖譜，在不同溫度下轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)間也不相同，說明氣味散發(fā)情況與溫度大小有關(guān)。各個(gè)峰在上升階段，基本隨著溫度的升高，峰面積增大；下降階段，剛開始高溫對(duì)應(yīng)的峰面積值比較大，隨著時(shí)間的延長，高溫的峰面積減小，但仍然比低溫的峰面積大。這可能是溫度高的物料，在干燥過程中內(nèi)部孔道擴(kuò)張更快，氣味溢出更加迅速，但是隨著干燥溫度繼續(xù)進(jìn)行，物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔道塌陷、堵塞，氣味散發(fā)峰面積減少。

圖4 不同干燥溫度的峰面積變化曲線Figure 4 Curves of peaks in area under different drying temperatures

圖5 不同干燥溫度下峰3的峰面積變化曲線Figure 5 Curves of peak 3 in area under different drying temperatures

圖6 不同干燥溫度下峰4的峰面積變化曲線Figure 6 Curves of peak 4 in area under different drying temperatures

圖7 不同干燥溫度下峰5和峰6的峰面積變化曲線Figure 7 Curves of peak 5 and 6 in area under different drying temperatures

除了圖 5的峰3以迅速上升然后迅速降低外，其他峰在干燥過程中基本維持在平穩(wěn)的變化范圍內(nèi)。這可能是在干燥過程中某些物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)變化產(chǎn)生了峰3。80，70 ℃時(shí)峰3最高可以達(dá)到20 000～30 000 cts/g，而60，50 ℃時(shí)峰3在200 cts/g以內(nèi)。溫度越高，反應(yīng)生成的峰3越多，峰3的氣味擴(kuò)散的越多。

圖7為焦糊峰5、6的氣味圖譜。干燥溫度為50 ℃時(shí)檢測(cè)不到峰5和峰6。在80 ℃干燥10 min后測(cè)得的物質(zhì)明顯快速增多。這是由于高溫后產(chǎn)生明顯的焦糊揮發(fā)性物質(zhì)導(dǎo)致峰5和峰6急劇增多。70 ℃干燥30 min后焦糊物質(zhì)開始增多。而低溫干燥只有后期有少量的峰5和峰6 產(chǎn)生。為了干燥的品質(zhì)應(yīng)該避免焦糊物質(zhì)的產(chǎn)生。因此干燥溫度為50～60 ℃比較合適。而干燥溫度<50 ℃時(shí)，干燥時(shí)間過長導(dǎo)致原始?xì)馕渡⑹П容^多。

圖8為不同干燥溫度干燥后樣品檢測(cè)的氣味圖譜。由于溫度高而產(chǎn)生焦糊氣味，則70，80 ℃ 的干燥溫度產(chǎn)生的焦糊氣味多。干燥溫度越低，物料焦糊氣味即含峰5和峰6的氣味值越少。干燥溫度為50，60 ℃時(shí)可以避免樣品產(chǎn)生較多焦糊氣味。原始峰氣味值及峰1、峰2、峰3以及峰4隨著溫度的升高而減少，同時(shí)由于干燥時(shí)間長，干燥過程散失的氣味多導(dǎo)致保留的氣味值減少。50 ℃干燥后的樣品原始?xì)馕吨当?0 ℃干燥后的少。則60 ℃的干燥溫度有利于保留原始?xì)馕丁?/p>

圖8 不同溫度干燥后樣品的氣味值Figure 8 Value of samples peaks under different drying temperatures

2.3 不同溫度干燥生姜的能耗

表2中不同干燥溫度所需要的干燥能耗不同。70 ℃比80 ℃時(shí)的能耗多3 kJ/g。80 ℃時(shí)的能耗為12 kJ/g，60 ℃和50 ℃時(shí)干燥的能耗分別為80 ℃能耗的2.5倍和2.67倍。干燥溫度越低，能耗越大。

表2 不同干燥溫度的生姜品質(zhì)

2.4 不同溫度干燥生姜的色差

由表2 可知，80 ℃時(shí)的色差值最大，分別比70，60，50 ℃時(shí)的色差值高5.86，7.47，8.47。溫度越高色差值越大。由于高溫時(shí)發(fā)生了褐變反應(yīng)，導(dǎo)致色差值偏大。而低溫時(shí)與新鮮生姜之間的色差比較小。劉紹軍等[11]也有相同的發(fā)現(xiàn)。溫度為50，60 ℃色差普遍較小，且與新鮮生姜相比色澤變化最小。

2.5 不同溫度干燥生姜的復(fù)水比

由表2可知，干燥溫度為50～80 ℃時(shí)，隨著溫度的降低，生姜的復(fù)水比增加。一定溫度范圍內(nèi)溫度越低，生姜干燥過程中的含水率變化就越慢。溫度為50，60 ℃時(shí)復(fù)水率較高。這是由于細(xì)胞組織破壞小，恢復(fù)原狀的能力也就越好。溫度過高，干燥后的生姜組織結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)管孔隙被過快的傳質(zhì)氣體、水分破壞，組織細(xì)胞受到破壞，同時(shí)在強(qiáng)熱力作用下，部分蛋白質(zhì)變性而失去吸水能力，導(dǎo)致親水性下降，復(fù)水能力降低。這與張濤等[12]的試驗(yàn)結(jié)論一致。

2.6 感官品質(zhì)評(píng)價(jià)

由表3可知，生姜在不同干燥方案下感官品質(zhì)發(fā)生了較大的變化，干燥溫度80 ℃較70，60，50 ℃出現(xiàn)較明顯褐變、皺縮、硬化、生姜風(fēng)味也較差。干燥溫度60 ℃時(shí)干制品風(fēng)味、組織狀態(tài)、色澤及形態(tài)方面保留效果較好，褐變率低，制品松脆，相對(duì)得分最高。同時(shí)干制品結(jié)構(gòu)破壞較小，色澤、復(fù)水性能優(yōu)。

表3 不同方案生姜制品感官得分表

3 結(jié)論

對(duì)比新鮮生姜的揮發(fā)性風(fēng)味，發(fā)現(xiàn)不同的干燥參數(shù)對(duì)生姜的揮發(fā)性風(fēng)味的散發(fā)也不同。研究發(fā)現(xiàn)溫度過高或者太低對(duì)單位時(shí)間內(nèi)揮發(fā)性風(fēng)味保留以及焦糊揮發(fā)性物質(zhì)抑制都不利。干燥溫度為80，70 ℃時(shí)，干燥速率過快、復(fù)水比偏小、色差最大、生姜原始風(fēng)味氣味散發(fā)強(qiáng)度最高導(dǎo)致保留的原始?xì)馕渡?，同時(shí)焦糊產(chǎn)生量也最多。溫度最低的50 ℃揮發(fā)性氣味散發(fā)強(qiáng)度最小，但是干燥能耗高，干燥時(shí)間長，導(dǎo)致干燥散發(fā)的原始風(fēng)味散失最多。在干燥溫度為60 ℃時(shí)，干燥速率適中、原始風(fēng)味保留較多、抑制焦糊氣味、能耗較低，同時(shí)復(fù)水比和色差指標(biāo)都較好。該研究可為生姜微波干燥氣味的研究與控制提供理論依據(jù)。

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