板栗微波真空干燥特性及干燥工藝研究

張 樂 趙守渙 王趙改 史冠瑩 王曉敏 蔣鵬飛 楊 慧 王繼紅

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心，河南 鄭州 450008)

板栗(Castaneamollissimablume)也稱為栗子、中國(guó)板栗，屬殼斗科栗屬堅(jiān)果類植物。鮮板栗在貯藏、運(yùn)輸過程中易發(fā)生發(fā)芽、霉?fàn)€等現(xiàn)象，不宜久藏[1-2]。板栗深加工過程中，多需進(jìn)行脫水處理。板栗屬于熱敏性物料，干燥脫水處理對(duì)其感官及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)有較大影響[3]。

干制是重要的食品加工方法，也是一種延長(zhǎng)果蔬保存期的有效方法，可以使果蔬重量減輕、體積縮小、便于運(yùn)輸，不需添加防腐劑、食用方便且易于長(zhǎng)期保藏[4]。目前果蔬脫水干制方法主要有熱風(fēng)干燥[7]、微波干燥[8]、熱泵干燥[9]和真空冷凍干燥[10]等。熱風(fēng)干燥作為傳統(tǒng)的干制方法，由于干燥時(shí)間長(zhǎng)、處理強(qiáng)度大，導(dǎo)致干制品易出現(xiàn)褐變、特征風(fēng)味明顯降低等品質(zhì)劣變問題[11]。微波真空干燥是近年來發(fā)展迅速的低熱干燥方法，是在真空條件下利用微波能進(jìn)行物料干燥加工的高新聯(lián)合干燥技術(shù)，具有干燥效率高、溫度低、容易控制及環(huán)保等特點(diǎn)，尤其是對(duì)于用傳統(tǒng)干燥工藝難以實(shí)現(xiàn)的物料，能很好地保留物料原有的色香味及熱敏性和生物活性成分，克服熱風(fēng)干燥的缺點(diǎn)，產(chǎn)品品質(zhì)比熱風(fēng)干燥明顯提高[12]，且與冷凍干燥接近，最有可能在食品干燥中部分代替冷凍干燥，且能大幅度降低生產(chǎn)成本[13]。

目前國(guó)內(nèi)外已開展了對(duì)蘋果[14]、草莓[15]、葡萄[16]、獼猴桃[17]、杏鮑菇[18]、胡蘿卜[19]、大蒜[20]、銀耳[21]等果蔬的微波真空干燥研究。曹小紅[22]研究了板栗微波干燥的特性及其干后品質(zhì)的變化，周潔等[23]對(duì)板栗微波干燥工藝進(jìn)行研究，但由于干燥時(shí)溫度高嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。關(guān)于微波真空干燥技術(shù)在板栗上的應(yīng)用研究未見報(bào)道。由于熱敏性物料干燥中物理、化學(xué)及感官品質(zhì)變化與其傳熱傳質(zhì)過程密切相關(guān)，而不同物料干燥過程中的傳熱傳質(zhì)特性并不相同，干燥工藝參數(shù)對(duì)不同物料品質(zhì)的影響規(guī)律也不相同。本研究采用微波真空干燥技術(shù)對(duì)板栗片進(jìn)行干燥，探究微波功率、真空度對(duì)板栗片干燥特性的影響，確定最佳的干燥參數(shù)，為板栗深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

板栗：大板紅，河北美客多食品有限公司；

檸檬酸：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

谷胱甘肽：分析純，上海博尚生物技術(shù)有限公司；

L-半胱氨酸：分析純，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

去殼機(jī)：JG01型，新沂市精工機(jī)械設(shè)備廠；

電子天平：YP20002型，上海越平科學(xué)儀器有限公司；

微波真空干燥設(shè)備：KL-2D-6KW型，廣州市凱棱工業(yè)用微波設(shè)備有限公司；

色差儀：Color Quest XE型，美國(guó)HunterLab公司。

1.2 方法

1.2.1 干燥工藝 挑選無蟲眼、無霉?fàn)€的板栗，采用脫殼機(jī)去殼去紅衣；將板栗仁切成5 mm左右的板栗片，稱取一定質(zhì)量板栗片按照料液比1∶3 (g/mL)加入護(hù)色液(0.8%檸檬酸+0.04%L-半胱氨酸+0.05%谷胱甘混合液)進(jìn)行護(hù)色處理(50 min)，護(hù)色后吸干表面水分，將500 g 板栗片單層均勻平鋪于微波真空干燥箱的物料盤內(nèi)，在不同真空度及微波功率條件下進(jìn)行干燥，每隔2 min測(cè)定樣品質(zhì)量變化。

1.2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 微波功率：固定板栗切片厚度5 mm、裝載量500 g，真空度-60 kPa，選取微波功率2，3，4，5 kW進(jìn)行試驗(yàn)。通過測(cè)定干燥水分比、干燥速率的變化探索微波功率對(duì)板栗干燥特性的影響。

(2) 真空度：固定板栗切片厚度5 mm、裝載量500 g，微波功率3 kW，選取真空度-20，-40，-60，-80 kPa進(jìn)行試驗(yàn)。通過測(cè)定干燥水分比、干燥速率的變化探索真空度對(duì)板栗干燥特性的影響。

1.2.3 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 選擇微波功率、真空壓力、干燥時(shí)間為自變量，采用Design-Export.8.05b軟件依據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理，以水分含量(Y1)和白度值(Y2)為響應(yīng)值進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，建立最佳干燥參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

1.2.4 指標(biāo)測(cè)定方法

(1) 水分測(cè)定：采用直接干燥法[24]。

(2) 色澤測(cè)定：利用色彩色差計(jì)進(jìn)行測(cè)定，以儀器白板色澤為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)CIELAB表色系統(tǒng)測(cè)量板栗片的明度指數(shù)L*(0～100)，L*=0 表示黑色，L*=100 表示白色，明度指數(shù)(L*)間接反映色澤好壞。此次試驗(yàn)選取L值來表示干燥后板栗的褐變程度，色澤(L*)值越大，表示產(chǎn)品顏色越好[25]。

1.2.5 干燥參數(shù)的計(jì)算方法

(1) 干基含水率：按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：

Mt——干基含水率，g/g；

mt——t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的物料質(zhì)量，g；

mg——絕干時(shí)物料質(zhì)量，g。

(2) 干燥速率：按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：

DR——干基速率，g/min；

△m——相鄰 2 次測(cè)量的失水質(zhì)量，g；

△t——相鄰 2 次測(cè)量的時(shí)間間隔，min。

(3) 水分比：按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：

MR——水分比；

Mt——干燥至t時(shí)刻的干基含水率，g/g；

M0——初始干基含水率，g/g；

Me——干燥至平衡時(shí)的干基含水率，g/g。

由于平衡干基含水率Me遠(yuǎn)小于M0和Mt，式(3)可簡(jiǎn)化為式(4)。

(4)

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.0軟件進(jìn)行繪圖，通過Design-Expert.8.05b軟件進(jìn)行響應(yīng)曲面模型建立及方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波功率對(duì)板栗片干燥特性的影響

在真空度為-60 kPa下，微波功率對(duì)板栗微波真空干燥過程的水分比、干燥速率的影響結(jié)果見圖1。微波真空干燥功率分別為2，3，4，5 kW時(shí)，板栗的干燥時(shí)間分別為26，18，14，12 min，即功率越大，干燥時(shí)間越短，干燥速率越快。水分比隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降。干燥速率均呈現(xiàn)為開始的短暫升速，中間恒速和隨后的降速階段，基本符合傳統(tǒng)的干燥速率變化規(guī)律。微波能使板栗內(nèi)部水分子高速震動(dòng)，瞬間產(chǎn)生摩擦熱，板栗片表面和內(nèi)部同時(shí)升溫，干燥層首先在物料內(nèi)層形成，然后由里層向外擴(kuò)展，由于外部溫度低，產(chǎn)生內(nèi)外溫度梯度，推動(dòng)水分向外表遷移。但由于板栗片中的水分從升溫到轉(zhuǎn)化為水蒸氣排出需要一個(gè)過程，干燥速率不是很大。在干燥中期，由于微波加熱完全用于水分的汽化，干燥速率比較平穩(wěn)，這時(shí)板栗片表面水分散失速率等于內(nèi)部水分向外遷移速率，故在一段時(shí)間內(nèi)降水速率保持不變。到干燥后期，隨著物料含水量的減少，物料所吸收的微波能隨之減少，使傳質(zhì)推動(dòng)力下降，干燥速率開始逐漸下降[26-28]。

圖1 微波功率對(duì)板栗干燥特性的影響

2.2 真空度對(duì)板栗片干燥特性的影響

在微波功率為2 kW下，真空度對(duì)板栗微波真空干燥過程的干基含水率、水分比、干燥速率的影響結(jié)果見圖2。真空度分別為-20，-40，-60，-80 kPa時(shí)，板栗片的干燥時(shí)間分別為38，36，26，22 min?？梢娬婵斩葘?duì)干燥速率有顯著影響，隨著真空度的加大，干燥時(shí)間縮短。這是因?yàn)槲锪细稍镄枋刮锪线_(dá)到水沸點(diǎn)的溫度并具有水分蒸發(fā)所需的潛熱，真空度增大，水的沸點(diǎn)降低，水分蒸發(fā)速率加快，但是壓力下降，水分蒸發(fā)潛熱增大，同時(shí)過大的真空度會(huì)導(dǎo)致靜電的釋放。真空度較低時(shí)，水的沸點(diǎn)較高，物料局部升溫較大，致使物料燒焦，阻礙了水分的擴(kuò)散路徑[29-30]。干基含水率和水分比都隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降。由干燥速率曲線可知，干燥過程主要為加速和降速階段，恒速階段持續(xù)時(shí)間較短。由圖1、2 可知，微波功率和真空度對(duì)干燥時(shí)間均有顯著影響。

圖2 真空度對(duì)板栗干燥特性的影響

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 回歸方程的建立及分析 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以干燥時(shí)間、功率、真空度為自變量，試驗(yàn)因素水平和編碼見表1，以水分含量(Y1)和白度值(Y2)為響應(yīng)值，響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

采用Design-Expert.8.05b軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到響應(yīng)值水分含量(Y1)和白度值(Y2)與時(shí)間、真空度、功率3個(gè)因素的數(shù)學(xué)回歸模型：

Y1=2.54-1.74A+1.54B-4.02C+0.33AB+1.95AC-1.57BC+1.22A2-0.028B2+3.55C2，

(5)

Y2=66.57-0.96A+3.78B-3.59C+1.45AB+0.32AC+0.57BC-3.91A2-3.22B2-1.75C2。

(6)

由表3可知，模型的F=14.24，P=0.001，說明該模型有意義；失擬項(xiàng)不顯著。決定系數(shù)R2= 0.948 2，表明該模型的擬合性較好，可以用來對(duì)微波真空干燥板栗片水分含量進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。此模型的信噪比為13.639可以在生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用(信噪比>4 即可認(rèn)為該模型可用)。由表3還可以看出，影響水分含量的顯著性項(xiàng)分別為A、B、C、AC、C2，由F檢驗(yàn)得到3個(gè)因素對(duì)水分含量方差影響大小順序?yàn)楣β?時(shí)間>壓力。

表1 試驗(yàn)因素水平及編碼表

表2 Box-Benhnken中心組合設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Experimental results of Box-Benhnken central composite design of conditions

序號(hào)ABCY1/%Y21-10-116.4364.4520-1-16.0660.8931104.3861.284-1013.5759.0250112.9163.4660004.1368.7870002.1565.168-1-103.7560.5091-101.5255.411001-113.1771.88110001.6063.94121012.0858.0113-1105.2960.57140-112.1050.171510-17.1562.16160002.3369.55170002.4865.41

由方差分析結(jié)果可知，模型中AB、BC無明顯交互作用，AC交互作用顯著，即干燥時(shí)間和功率之間的交互作用對(duì)板栗片水分含量有顯著影響，其交互作用響應(yīng)曲面和等高線見圖4。由圖4可知，一定的功率下，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，水分含量降低，在12 min達(dá)到最小值后又升高；等高線呈橢圓形明顯，說明二者的交互作用顯著。

對(duì)白度值回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，該模型的F=3.690，P=0.049 6，表明該模型有意義；失擬項(xiàng)不顯著。決定系數(shù)R2為0.826，說明該模型的擬合性較好。信噪比為5.931，說明該模型可以在生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用。由表4還可以看出，影響白度值的顯著性項(xiàng)分別為B、C、A2，由F檢驗(yàn)得到3個(gè)因素對(duì)白度值方差影響大小順序?yàn)閴毫?功率>時(shí)間。由方差分析結(jié)果可知，模型中AB，AC，BC均無明顯的交互作用。

2.3.2 回歸模型驗(yàn)證 由Design-Expert.8.05b 軟件對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行典型性分析以水分含量低，白度值高為最佳，得到板栗片微波真空干燥的最佳參數(shù)為時(shí)間12.22 min，壓力-56.16 kPa，功率3.16 kW，該條件下栗片的水分含量為2.35%，白度值為66.875?？紤]到實(shí)際操作，將干燥條件修正為時(shí)間12 min，壓力-56 kPa，功率3 kW，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，3次平行實(shí)驗(yàn)得到板栗片水分含量2.36%，白度值67.34，相對(duì)偏差分別為0.42%和0.69%，證實(shí)了該模型的可靠性。

表3 水分含量回歸模型的方差分析?

圖3 時(shí)間和功率交互影響水分含量的曲面圖及等高線圖

方差來源平方和自由度均方F值P值顯著性模型368.181940.9093.6900.049 6?A7.35817.3580.6640.442 1B114.2511114.25110.3060.014 9?C103.0691103.0699.2970.018 6?AB8.41718.4170.7590.412 4AC0.41010.4100.0370.853 0BC1.31711.3170.1190.740 5A264.357164.3575.8050.046 8?B243.645143.6453.9370.087 6C212.861112.8611.1600.317 2殘差77.600711.086失擬53.592317.8642.9760.159 7純誤差24.00846.0023.690總和445.78116

3 結(jié)論

板栗片在微波真空干燥過程中，微波功率和真空度均對(duì)干燥特性有顯著影響，功率越大，真空度越高，干燥速率越快，干燥過程主要分為加速和降速階段，恒速階段持續(xù)時(shí)間較短。通過對(duì)板栗微波真空干燥進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得最佳工藝參數(shù)為時(shí)間12 min，壓力-56 kPa，功率3 kW，可確保板栗片干燥后的品質(zhì)，而且干燥效率高、能耗低。

本研究填補(bǔ)了微波真空干燥技術(shù)在板栗上應(yīng)用的空白，板栗微波真空干燥過程與其他一般物料如荔枝果肉[31]、雙孢菇片[32]等的干燥具有相同的特點(diǎn)。另外，微波真空干燥的干燥效果與物料本身的大小、厚度、含水率等因素也有關(guān)系，所以干燥時(shí)應(yīng)控制板栗片的大小、厚度、水分含量等盡可能一致。本研究對(duì)板栗干燥工藝的應(yīng)用還處于小試階段，有待進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

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