高濕預(yù)處理對(duì)懷山藥熱風(fēng)干燥特性及復(fù)水性的影響

陸學(xué)中LU Xue-zhong 劉亞男 - 張德榜 - 郭桂霞 - 李 衡 任廣躍,3 -,3

(1. 鄭州萬(wàn)谷機(jī)械有限公司，河南 鄭州 450041；2. 河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；3. 食品加工與安全國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，河南 洛陽(yáng) 471023)

近年來(lái)，熱風(fēng)干燥廣泛用于食品干燥[1]，其技術(shù)研究正朝著短時(shí)、低耗、減排、優(yōu)質(zhì)的趨勢(shì)發(fā)展。干燥物料營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的衰退程度取決于其脫水速度的快慢，即達(dá)到安全含水率[2]時(shí)所需要的時(shí)間。大量研究表明，熱風(fēng)干燥溫度、物料切片厚度和熱風(fēng)風(fēng)速對(duì)干燥速率有顯著影響[3-5]，而濕度對(duì)干燥影響的研究并不多見(jiàn)，有研究[6-8]表明，干燥速率隨干燥介質(zhì)濕度的降低而增大，干燥時(shí)間隨相對(duì)濕度的降低而縮短。此外，控制物料的相對(duì)濕度(Relative Humidity，RH)，能使物料升溫速度加快，促進(jìn)其內(nèi)部水分子的遷移[9]。先對(duì)物料進(jìn)行較高濕度的預(yù)處理，再降低干燥介質(zhì)濕度，使物料中心到表面的溫濕度梯度一致[10]，能增大干燥速率，并減少物料表面結(jié)殼現(xiàn)象，從而縮短干燥時(shí)間[11-12]。

目前，相對(duì)濕度對(duì)懷山藥干燥影響的研究尚屬空白，本研究擬在較高相對(duì)濕度環(huán)境下，對(duì)懷山藥進(jìn)行高濕處理后，研究其相對(duì)濕度控制對(duì)熱風(fēng)干燥特性的影響，并優(yōu)化熱風(fēng)干燥的工藝參數(shù)，為懷山藥干制品的制備提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

懷山藥：初始濕基含水率73.56%，購(gòu)于河南省洛陽(yáng)市丹尼斯百貨超市。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平：JA-B/N 系列，上海佑科儀表有限公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：101型，北京科偉永興儀器有限公司；

熱泵干燥機(jī)：GHRH-20型，廣東省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所干燥設(shè)備制造廠；

切片機(jī)：SHQ-1型，德州市天馬糧油機(jī)械有限公司；

恒溫恒濕箱：HSP-150B型，常州市萬(wàn)豐儀器制造有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 熱風(fēng)干燥工藝要點(diǎn) 將潔凈懷山藥切成厚度均勻的片狀平鋪于干燥網(wǎng)上，放入已設(shè)定濕度的恒溫恒濕箱中進(jìn)行高濕處理，再進(jìn)行熱風(fēng)干燥處理。干燥過(guò)程中，定時(shí)快速取出稱重，記錄試樣隨干燥時(shí)間質(zhì)量的變化，直至干基含水率達(dá)到安全含水率0.12 g/g時(shí)，干燥結(jié)束；做3次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值，換算成干基含水率。

1.3.2 懷山藥片熱風(fēng)干燥特性影響的單因素試驗(yàn)

(1) 相對(duì)濕度：固定切片厚度4 mm，恒濕時(shí)間30 min，熱風(fēng)溫度60 ℃，熱風(fēng)風(fēng)速3.5 m/s，分別考察30%，40%，50%，60% RH對(duì)懷山藥片干燥特性及復(fù)水特性的影響。

(2) 恒濕時(shí)間：固定切片厚度4 mm，相對(duì)溫度50%，熱風(fēng)溫度60 ℃，熱風(fēng)風(fēng)速3.5 m/s，分別考察恒溫恒濕時(shí)間0，30，60，90，120 min對(duì)懷山藥片干燥特性及復(fù)水特性的影響。

(3) 熱風(fēng)溫度：固定切片厚度4 mm，于50% RH處理30 min，熱風(fēng)風(fēng)速3.5 m/s，分別考察熱風(fēng)溫度40，50，60，70，80 ℃對(duì)懷山藥片干燥特性及復(fù)水特性的影響。

(4) 切片厚度：固定熱風(fēng)溫度60 ℃，于50% RH處理30 min，熱風(fēng)風(fēng)速3.5 m/s，分別考察切片厚度2，3，4，5，6 mm 對(duì)懷山藥片干燥特性及復(fù)水特性的影響。

(5) 熱風(fēng)風(fēng)速：固定切片厚度4 mm，于50% RH處理30 min，熱風(fēng)溫度60 ℃，分別考察熱風(fēng)風(fēng)速1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 m/s對(duì)懷山藥片干燥特性及復(fù)水特性的影響。

1.3.3 指標(biāo)測(cè)定

(1) 懷山藥含水率的測(cè)定：按GB 5009.3—2010《食品中水分的測(cè)定》的減壓干燥法執(zhí)行。

(2) 干基含水率的測(cè)定：參照文獻(xiàn)[13]。

(3) 懷山藥干制品復(fù)水性能的測(cè)定：參照文獻(xiàn)[14]。

(4) 干燥能耗：本研究的干燥能耗以每干燥一個(gè)單位質(zhì)量水分的耗能計(jì)，分別按式(1)、(2)計(jì)算干燥過(guò)程的總脫水量和干燥能耗[15]。

(1)

式中：

m1——脫水質(zhì)量，kg；

m——干品質(zhì)量，kg；

C1——初始水分含量，%；

C2——最終水分含量，%。

(2)

式中：

N——干燥能耗，kJ/kg·H2O；

P——功率，kW；

t——時(shí)間，h；

m1——脫水質(zhì)量，kg。

(5) 色差的測(cè)定：色差是根據(jù)均勻色空間理論用色差儀進(jìn)行測(cè)定的[16]，色差值表示被測(cè)樣品色澤與標(biāo)準(zhǔn)樣品色澤之間總色差的大小，值越小越好，每個(gè)試驗(yàn)樣品選擇不同角度測(cè)3次，取其平均值，按式(3)計(jì)算色差。

ΔE=[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2，

(3)

式中：

ΔE——色差值；

ΔL——偏向黑白值；

Δa——偏向紅綠值；

Δb——偏向黃藍(lán)值。

(8) 多糖的測(cè)定：采用水提醇沉法提取懷山藥多糖，采用苯酚—硫酸比色法測(cè)定多糖含量[17]。

1.3.4 統(tǒng)計(jì)分析 采用Origin 8.5和DPS(ver.8.05)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 懷山藥片熱風(fēng)干燥特性影響的單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 相對(duì)濕度對(duì)懷山藥片熱風(fēng)干燥特性和復(fù)水特性的影響 由圖1可知：相對(duì)濕度對(duì)減少熱風(fēng)干燥時(shí)間影響很大，30%～60% RH時(shí)，干燥時(shí)間明顯低于直接熱風(fēng)干燥，可能是高濕作為一種熱風(fēng)干燥前的預(yù)處理方法，可加速物料內(nèi)部水分子的遷移運(yùn)動(dòng)，使其中心和表面的溫濕度趨于接近，然后降低介質(zhì)濕度，使?jié)裎锪现行闹帘砻娴臏貪穸忍荻纫恢?，從而加速干燥，減少干燥時(shí)間，與Kaya等[18]的研究結(jié)論相符合。相對(duì)濕度為30%時(shí)，干燥時(shí)間較長(zhǎng)為9 h，可能是在該試驗(yàn)條件下物料水分尚未分布均勻，導(dǎo)致干燥時(shí)間偏長(zhǎng)，而60% RH與熱風(fēng)干燥箱內(nèi)濕度差較大，使物料表面快速蒸發(fā)導(dǎo)致表面稍微結(jié)殼，阻礙水分遷移，但在40%～60% RH條件下處理、干燥4 h時(shí)，干基含水率基本接近0.12 g/g，即干燥時(shí)間總體差別不大。

直接熱風(fēng)干燥的復(fù)水性最差，其次是30% RH，復(fù)水比在40%～60% RH時(shí)隨相對(duì)濕度的增加而降低，可能與干燥時(shí)間相關(guān)，干燥的時(shí)間越長(zhǎng)，復(fù)水性就越差[13]，但總體差異不大。

綜上：相對(duì)濕度宜控制在40%。

2.1.2 恒濕時(shí)間對(duì)懷山藥片熱風(fēng)干燥特性和復(fù)水特性的影響 由圖2可知：恒濕時(shí)間對(duì)懷山藥片熱風(fēng)干燥有很大的影響，直接熱風(fēng)干燥，懷山藥片達(dá)到安全含水率的時(shí)間約為12 h。但也不是恒濕時(shí)間越長(zhǎng)越好，50% RH保持30 min 和60 min時(shí)，干燥時(shí)間均為5 h，可能是恒濕30 min時(shí)，物料已充分預(yù)熱，內(nèi)部水分梯度和溫度梯度相一致，當(dāng)降濕后干燥速率增加，當(dāng)50% RH保持90 min和120 min后降濕，干燥速率也很大，但保持時(shí)間越長(zhǎng)，總干燥時(shí)間越長(zhǎng)。因此在干燥前期，物料被預(yù)熱到濕球溫度且穩(wěn)定后，降低干燥介質(zhì)的相對(duì)濕度有利于縮短干燥時(shí)間，提高干燥效率[19]。

恒濕時(shí)間在30～120 min時(shí)，復(fù)水性隨時(shí)間的增加而降低，直接熱風(fēng)干燥的復(fù)水性最差，可能也與干燥時(shí)間相關(guān)，直接熱風(fēng)干燥的干燥時(shí)間最長(zhǎng)，復(fù)水性最差，而恒濕時(shí)間控制30 min的干燥時(shí)間最短，復(fù)水性最好，恒濕時(shí)間60～120 min的復(fù)水性較為接近。

綜上：恒濕處理時(shí)間宜控制在30 min。

2.1.3 熱風(fēng)溫度對(duì)懷山藥片熱風(fēng)干燥特性和復(fù)水特性的影響 由圖3可知：熱風(fēng)60 ℃時(shí)，干燥時(shí)間最短為5 h，可能是厚度一致，溫度越高，物料水分蒸發(fā)速度越快，表面易硬化，從而阻礙水分的散發(fā)，而溫度太低，水分蒸發(fā)速度減慢，干燥時(shí)間長(zhǎng)。

總體上，復(fù)水性隨熱風(fēng)溫度的升高而降低，可能是隨熱風(fēng)溫度升高，淀粉類(lèi)物料在較高溫度下發(fā)生變化，而使親水性下降[12]，而熱風(fēng)溫度40 ℃時(shí)，物料干燥時(shí)間較長(zhǎng)，復(fù)水性下降[20-21]。

綜上：選取的熱風(fēng)溫度范圍為50～70 ℃。

2.1.4 切片厚度對(duì)懷山藥片熱風(fēng)干燥特性和復(fù)水特性的影響 由圖4可知：2 mm厚度的干燥時(shí)間最短為5 h，是因?yàn)槲锪锨衅^薄，水分蒸發(fā)快，但皺縮比較厲害；物料厚度在3～6 mm時(shí)，干燥時(shí)間分別為 7，6，8，8 h，可能是物料由較高濕度環(huán)境換入低濕環(huán)境，物料內(nèi)部的水分蒸發(fā)速度加快，干燥速率也快，而較薄的物料易表面硬化，降低水分蒸發(fā)速度，因此，物料厚度4 mm較為理想。

復(fù)水性與物料細(xì)胞及結(jié)構(gòu)的破壞程度有關(guān)[22]。2 mm厚度的懷山藥片復(fù)水性最好，且在30 min時(shí)復(fù)水就基本完全，這主要是因?yàn)? mm懷山藥片厚度很薄，能很快吸水復(fù)原，而5，6 mm厚度懷山藥片的復(fù)水性優(yōu)于3，4 mm的。這是因?yàn)槲锪仙员?，在干燥過(guò)程中形成硬殼，致使結(jié)構(gòu)緊密，復(fù)水性下降。

綜上：選擇懷山藥的切片厚度為3～5 mm。

2.1.5 熱風(fēng)風(fēng)速對(duì)懷山藥片熱風(fēng)干燥特性和復(fù)水特性的影響 由圖5可知：在熱風(fēng)風(fēng)速1.5～3.5 m/s時(shí)，干燥時(shí)間隨風(fēng)速的增大而減小，這是因?yàn)榭諝饬魉俚募涌旖档土藨焉剿幤砻娴乃魵夥謮海瑥亩涌毂砻嫠謧鬟f的速度[23]，減少干燥時(shí)間。

復(fù)水比隨熱風(fēng)干燥速度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，可能是在一定的速度范圍內(nèi)，溫度一定，速度越小，致使水分的遷移速度變緩，進(jìn)而降低表面水分，而干燥速度繼續(xù)增大，水分蒸發(fā)強(qiáng)度增大，導(dǎo)致復(fù)水性下降[24]。

綜上：選擇的熱風(fēng)干燥風(fēng)速為2.5～3.5 m/s。

2.2 懷山藥片熱風(fēng)干燥的正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取相對(duì)溫度為40%，恒溫恒濕處理時(shí)間為30 min，以懷山藥片干燥能耗為試驗(yàn)指標(biāo)，選取熱風(fēng)溫度、切片厚度和熱風(fēng)風(fēng)速為影響因素，采用L9(34)正交試驗(yàn)方法進(jìn)行工藝優(yōu)化，具體試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

由表2、3可知：各因素對(duì)指標(biāo)影響主次為熱風(fēng)溫度>熱風(fēng)風(fēng)速>切片厚度，各因素對(duì)干燥能耗具有一定顯著性，其中：熱風(fēng)溫度在α=0.05水平下顯著，切片厚度和熱風(fēng)風(fēng)速在α=0.1水平下顯著；最佳工藝參數(shù)為A2B1C3，即切片厚度為3 mm的物料在恒濕(相對(duì)濕度40%)條件下處理30 min 后，進(jìn)行熱風(fēng)干燥(熱風(fēng)溫度60 ℃、切片厚度為3 mm、熱風(fēng)風(fēng)速3.5 m/s)，此條件下干燥能耗最小(19 056 kJ/kg·H2O)，得到的懷山藥片的ΔE值和多糖含量分別為8.17、5.14%，均優(yōu)于直接熱風(fēng)干燥的(ΔE值和多糖含量分別為12.35、4.96%)。

?F0.01(2,2)=99.01，F(xiàn)0.05(2,2)=19，F(xiàn)0.1 (2,2)=9。

3 結(jié)論

通過(guò)相對(duì)濕度對(duì)懷山藥干燥影響的研究，在恒濕條件(相對(duì)濕度40%)下，獲取了最佳的干燥參數(shù)：熱風(fēng)溫度60 ℃、切片厚度3 mm、熱風(fēng)風(fēng)速3.5 m/s，該條件下干燥能耗最小且得到的懷山藥片的ΔE值和多糖含量均優(yōu)于直接熱風(fēng)干燥的。

相對(duì)濕度控制對(duì)減少懷山藥熱風(fēng)干燥時(shí)間，提高熱風(fēng)干燥品質(zhì)有很大的影響，它能使物料快速預(yù)熱，降低濕度后，加快水分蒸發(fā)，從而加快干燥速率，干燥時(shí)間比直接熱風(fēng)干燥縮短了將近1/2，且比熱風(fēng)干燥品質(zhì)有所提高，符合現(xiàn)在干燥的發(fā)展方向，可為懷山藥熱風(fēng)有效干燥提供新的思路。

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