瑪咖冷風(fēng)干燥特性及品質(zhì)特征研究

王宏慧，張明玉，任亞敏

(漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河 462300)

瑪咖(Lepidiummeyenii)屬十字花科、獨(dú)行菜屬1年生或2年生草本植物[1]，其根莖為可食用部分，呈小圓蘿卜狀[2]?，斂Ш喾N營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)具有抗疲勞、抗衰老以及增強(qiáng)免疫力等生理功能，是一種理想的健康食品[3]。采摘后的新鮮瑪咖含水量極高(濕基含水率在80%左右)，自然狀態(tài)下貯藏容易腐爛變質(zhì)且產(chǎn)生危害消費(fèi)者生命健康的物質(zhì)[4]。因此，對(duì)新鮮瑪咖進(jìn)行脫水處理十分必要。

自然晾干以及熱風(fēng)干燥是我國(guó)瑪咖干制品的主要加工方式[3-7]。自然晾干得到的產(chǎn)品，瑪卡酰胺總量保存率較高、外觀(guān)較好，但這種方式加工時(shí)間長(zhǎng)(33 d才能達(dá)到安全含水率)，產(chǎn)品顏色衰退嚴(yán)重，維生素C、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分損失率高；相對(duì)于自然晾干，熱風(fēng)干燥能夠縮短瑪咖干燥的時(shí)間(60 ℃條件下17 h達(dá)到安全含水率)，且產(chǎn)品顏色較優(yōu)，營(yíng)養(yǎng)成分損失較低[3]。熱泵干燥是指利用熱泵除濕原理在干燥系統(tǒng)中增加熱空氣去濕循環(huán)操作，從而調(diào)控干燥環(huán)境溫濕度，重復(fù)利用干燥過(guò)程中殘留熱量的一種節(jié)能脫水技術(shù)，其具有能量利用率高、產(chǎn)品品質(zhì)好、操作條件寬泛等優(yōu)點(diǎn)[5]。熱泵干燥低溫(5～40 ℃)操作控制的干燥技術(shù)叫作熱泵式冷風(fēng)干燥，簡(jiǎn)稱(chēng)冷風(fēng)干燥[8]。物料在進(jìn)行冷風(fēng)干燥時(shí)所處干燥環(huán)境溫度較低，能夠有效保留產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這種干燥方式特別適合于熱敏性食品的脫水處理[9-10]。目前尚未見(jiàn)將冷風(fēng)干燥應(yīng)用于高水分瑪咖干燥的報(bào)道。

干燥動(dòng)力學(xué)模型是描述物料干燥行為的一個(gè)重要手段[10]。通過(guò)構(gòu)建干燥物料動(dòng)力學(xué)模型，能夠從理論角度解釋物料干燥過(guò)程中各干燥行為的內(nèi)在原因，同時(shí)干燥動(dòng)力學(xué)模型在干燥結(jié)果預(yù)測(cè)方面也有著一定的作用，對(duì)其在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)上的推廣具有重要意義[11]。感官評(píng)價(jià)是干燥產(chǎn)品質(zhì)量保證體系中的重要組成部分[5]。但在傳統(tǒng)的感官評(píng)價(jià)中，人的感知始終是模糊的，評(píng)價(jià)者通過(guò)語(yǔ)言描述來(lái)表達(dá)自身對(duì)產(chǎn)品的態(tài)度，這種評(píng)價(jià)方式具有極強(qiáng)的不確定性，為了克服這一不確定性，Zhang等[12]提出了一個(gè)用于食品綜合排序和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，根據(jù)這一模型可預(yù)測(cè)食品品質(zhì)的高低。

基于此，以瑪咖為原料，采用冷風(fēng)干燥技術(shù)對(duì)瑪咖進(jìn)行干燥，研究了干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥行為和干制品感官評(píng)價(jià)的影響，以期為瑪咖冷風(fēng)干燥技術(shù)提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

供試瑪咖(色型：黃色)購(gòu)于云南省麗江市玉龍雪山當(dāng)?shù)禺a(chǎn)區(qū)，平均濕基含水率為78.53%。

儀器：YCFZD-2A型冷風(fēng)干燥機(jī)(杭州歐易電器有限公司)、DHG-9023A型化驗(yàn)室用小型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海善志儀器設(shè)備有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將所購(gòu)瑪咖去除莖葉，清洗干凈后瀝干，挑選樣品并切成厚度約為5 mm、長(zhǎng)軸約為13 cm、短軸約為4 cm的橢圓形切片，用于冷風(fēng)干燥試驗(yàn)。每組試驗(yàn)物料質(zhì)量為2 kg，瑪咖冷風(fēng)干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下，試驗(yàn)(1)：固定進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s，改變干燥溫度為20、30、40 ℃；試驗(yàn)(2)：固定干燥溫度為30 ℃，改變進(jìn)口風(fēng)速為1、2、3 m/s。干燥進(jìn)程中，每隔2 h取出干燥物料進(jìn)行稱(chēng)量，直至物料濕基含水率低于5%[12]，結(jié)束干燥過(guò)程。每組干燥試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.2 新鮮瑪咖含水率的測(cè)定 采用GB 5009.3—2010的方法測(cè)定物料初始濕基含水率[13]。

1.2.3 瑪咖濕基含水率的計(jì)算 瑪咖干燥過(guò)程中的濕基含水率計(jì)算如式(1)所示[14]：

(1)

式中，ωt、ω0為干燥t時(shí)刻以及新鮮瑪咖的濕基含水率(%)；mt、m0分別為干燥t時(shí)刻和新鮮瑪咖的質(zhì)量(g)。

1.2.4 瑪咖干燥曲線(xiàn)的Weibull分布函數(shù)擬合 瑪咖干燥水分比(MR)的計(jì)算公式如式(2)所示[15]：

(2)

式中，X0、Xe、Xt分別為新鮮瑪咖的干基含水率、干燥結(jié)束時(shí)瑪咖的干基含水率、干燥t時(shí)刻瑪咖干基含水率，單位均為g/g。

干燥結(jié)束時(shí)瑪咖含水率極低，相對(duì)于新鮮瑪咖含水率以及干燥過(guò)程中瑪咖的含水率，其值可近似為0。因此(2)式可簡(jiǎn)化為(3)式[16]計(jì)算瑪咖干燥水分比：

(3)

Weibull分布函數(shù)中待定參數(shù)(尺度參數(shù)和形狀參數(shù))與水分比之間的函數(shù)關(guān)系可采用式(4)表達(dá)[17-20]：

(4)

式中，α、β為Weibull分布函數(shù)的2個(gè)待定參數(shù)，分別代表尺度參數(shù)、形狀參數(shù)；t為干燥時(shí)間(h)。

式(4)中水分比可通過(guò)式(3)求得，以式(4)為模型函數(shù)，借助Data Fit 9軟件對(duì)各干燥條件下水分比隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合即可求得各干燥條件下Weibull分布函數(shù)中的待定參數(shù)。

選用決定系數(shù)(R2)和卡方檢驗(yàn)值(χ2)來(lái)表示函數(shù)的擬合精度，其計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[18]。

1.2.5 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算 根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律的解析，瑪咖干燥過(guò)程中的水分比與有效水分?jǐn)U散系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系按式(5)表達(dá)[21]：

(5)

式中，Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)(m2/s)；L為物料厚度的1/2(m)；t為時(shí)間(s)。

對(duì)式(5)兩邊進(jìn)行同時(shí)取自然對(duì)數(shù)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化即可得到有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算公式(6)[22]：

(6)

式中水分比可通過(guò)式(3)求得，以lnMR為縱坐標(biāo)，t為橫坐標(biāo)作圖，得到直線(xiàn)的斜率即可計(jì)算出物料干燥過(guò)程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。

1.2.6 基于模糊數(shù)學(xué)推理法的產(chǎn)品感官評(píng)定 感官評(píng)定參考段續(xù)等[14]的方法，試驗(yàn)中模糊數(shù)學(xué)推理采取Zhang等[12]的方法，采用層次分析法得到模糊數(shù)學(xué)的權(quán)重集：X={顏色，外觀(guān)，質(zhì)地，風(fēng)味，整體接受程度}={0.26，0.18，0.12，0.16，0.28}。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin Pro 9.0以及Data Fit 9對(duì)試驗(yàn)所得各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥條件對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥特性的影響

由圖1可知,不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)最長(zhǎng)為22 h，耗時(shí)最短為12 h。當(dāng)固定進(jìn)口風(fēng)速(2 m/s)而改變干燥溫度時(shí)，瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)最少(12 h)，較最長(zhǎng)耗時(shí)(22 h)減少10 h，減幅45.45%；當(dāng)固定干燥溫度(30 ℃)而改變進(jìn)口風(fēng)速時(shí)，瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)最少(16 h)，較最長(zhǎng)耗時(shí)最多(22 h)減少6 h，減幅27.27%。這說(shuō)明增加干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速均能提升瑪咖冷風(fēng)干燥效率，降低其干燥耗時(shí)，這是因?yàn)樵黾痈稍餃囟葟?qiáng)化了瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中的熱傳遞行為，從而加快干燥速率，而增大進(jìn)口風(fēng)速加快了物料表面水分與干燥介質(zhì)(空氣)的交換速率，從而強(qiáng)化干燥傳質(zhì)行為，降低干燥耗時(shí)。從圖1還可以看到，相對(duì)于進(jìn)口風(fēng)速，干燥溫度對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)的影響更大。任廣躍等[9]在進(jìn)行香椿芽冷風(fēng)干燥時(shí)同樣得到了干燥溫度對(duì)物料冷風(fēng)干燥速率影響較大的結(jié)論。

圖1 不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥曲線(xiàn)

從表1可見(jiàn)，瑪咖冷風(fēng)干燥Weibull分布函數(shù)的擬合方程R2介于0.991 2～0.999 1，χ2處于10-4水平，說(shuō)明Weibull分布函數(shù)能夠準(zhǔn)確擬合瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中水分比隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。Weibull分布函數(shù)中的尺度參數(shù)α能夠反映物料干燥初期的干燥快慢程度，不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥的尺度參數(shù)α介于4.115 2～8.713 5；改變干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速，瑪咖冷風(fēng)干燥尺度參數(shù)α的最小值比最大值分別降低了52.77%和30.42%,說(shuō)明干燥溫度對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥初期的干燥速度影響更大。Weibull分布函數(shù)中的形狀參數(shù)β與干燥過(guò)程中物料水分遷移過(guò)程有關(guān)，瑪咖在冷風(fēng)干燥過(guò)程中的形狀參數(shù)β介于0.400 3～0.815 1。可見(jiàn)，瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程主要受其內(nèi)部水分向外遷移的控制，整個(gè)干燥過(guò)程處于降速階段。通過(guò)Weibull分布函數(shù)的擬合得到與圖1分析相同的結(jié)論，這說(shuō)明Weibull分布函數(shù)能夠作為瑪咖冷風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而表征瑪咖冷風(fēng)干燥機(jī)制。Weibull分布函數(shù)尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β與干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速之間的數(shù)學(xué)模型采用逐步回歸分析方法確定，其結(jié)果如式(7)—(8)所示：

α=22.842 3-0.877 5X2-0.224 0X12+

0.010 8X22(R2=0.964 2)

(7)

β=-0.329 5+0.290 4X1+0.020 7X2-

0.061 9X12(R2=0.979 3)

(8)

式中，X1、X2分別為進(jìn)口風(fēng)速(m/s)、干燥溫度(℃)。

表1 不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥Weibull分布函數(shù)擬合參數(shù)及精度

不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中l(wèi)nMR隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖2，不同干燥條件下瑪咖lnMR與時(shí)間之間的線(xiàn)性擬合R2介于0.921 2～0.982 3，表現(xiàn)出了較好的擬合。不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)結(jié)果如圖3所示。瑪咖冷風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff在5.21×10-10～9.32×10-10m2/s；增加干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速均能夠增加瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)，但改變干燥溫度對(duì)其有效水分?jǐn)U散系數(shù)影響更高，固定進(jìn)口風(fēng)速2 m/s，干燥溫度為30 ℃時(shí)較20 ℃時(shí)有效水分?jǐn)U散系數(shù)增加78.89%，這一結(jié)果進(jìn)一步證明了干燥溫度對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)的影響更大這一結(jié)論。

圖2 不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中l(wèi)nMR隨時(shí)間變化關(guān)系

a、b、c、d、e分別代表干燥條件為(2 m/s,20 ℃)、(2 m/s,30 ℃)、(2 m/s,40 ℃)、(1 m/s,30 ℃)、(3 m/s,30 ℃)圖3 不同干燥條件對(duì)瑪咖干燥過(guò)程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響

2.2 不同干燥條件對(duì)瑪咖品質(zhì)特征的影響

感官評(píng)價(jià)是干燥產(chǎn)品質(zhì)量保證體系中重要的組成部分，采用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥干制品進(jìn)行感官評(píng)價(jià)以表征其品質(zhì)特征。不同干燥溫度和進(jìn)口風(fēng)速下的瑪咖產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)的模糊矩陣RN(RN中的數(shù)字為表2中各評(píng)語(yǔ)統(tǒng)計(jì)人數(shù)同總?cè)藬?shù)的比值，a、b、c、d、e分別代表干燥條件(2 m/s,20 ℃)、(2 m/s,30 ℃)、(2 m/s,40 ℃)、(1 m/s,30 ℃)、(3 m/s,30 ℃)為：

最終模糊矩陣輸出結(jié)果YN為：

Ya=X?Ra={0.26,0.18,0.12,0.16,0.28}?

對(duì)以上矩陣進(jìn)行計(jì)算，于是得到：Ya1=(0.26∧0.7)∨(0.18∧0.6)∨(0.12∧0.5)∨(0.16∧0.8)∨(0.28∧0.7)=0.28，同理可得Ya2、Ya3、Ya4、Ya5的值。于是，Ya={Ya1,Ya2,Ya3,Ya4,Ya5}={0.28,0.20,0.10,0.10,0.10}，對(duì)Ya進(jìn)行歸一化處理得Y’a={0.411 8，0.294 1，0.147 1，0.147 1，0.147 1}。采取同樣的方法可得到Y(jié)’b={0.276 6，0.212 8，0.297 9，0.212 8，0.212 8}、Y’c={0.142 9，0.171 4，0.285 7，0.400 0，0.371 4}、Y’d={0.272 1，0.291 7，0.208 3，0.208 3，0.104 2}、Y’e={0.227 3，0.227 3，0.227 3，0.318 2，0.295 5}。由此可見(jiàn)，不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥得到產(chǎn)品感官評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)模糊矩陣歸一化輸出集中的峰值分別為0.411 8、0.297 9、0.400 0、0.291 7、0.318 2，與表2中對(duì)產(chǎn)品接受程度的評(píng)語(yǔ)順序相對(duì)應(yīng)，得出不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥干制品接受程度評(píng)語(yǔ)分別為“非常喜歡”、“中立意見(jiàn)”、“不喜歡”、“喜歡”和“不喜歡”。這一結(jié)果說(shuō)明瑪咖冷風(fēng)干燥溫度或干燥風(fēng)速過(guò)高會(huì)降低消費(fèi)者對(duì)其干制品的接受程度。這可能是因?yàn)楫?dāng)干燥溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成產(chǎn)品熱敏成分發(fā)生不良降解反應(yīng)[9]；另一方面當(dāng)干燥溫度或干燥風(fēng)速過(guò)高會(huì)加快水分在物料內(nèi)部的遷移速度，導(dǎo)致因水分遷移產(chǎn)生的剪切應(yīng)力加大，使得物料在干燥過(guò)程中發(fā)生收縮變形，造成產(chǎn)品質(zhì)地變差[17]。

表2 不同干燥條件下瑪咖干制品感官評(píng)定統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)瑪咖進(jìn)行冷風(fēng)干燥研究發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口風(fēng)速和干燥溫度的增加，瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)明顯降低，但相對(duì)于進(jìn)口風(fēng)速，干燥溫度對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥耗時(shí)的影響更大；Weibull分布函數(shù)能夠作為瑪咖冷風(fēng)干燥的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而表征瑪咖冷風(fēng)干燥機(jī)制，瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中其形狀參數(shù)β在0.400 3～0.815 1，瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程主要受其內(nèi)部水分向外遷移的控制，整個(gè)干燥過(guò)程處于降速階段；不同干燥條件下瑪咖冷風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff為5.21×10-10～9.32×10-10m2/s，且受干燥溫度影響更大；瑪咖冷風(fēng)干燥溫度過(guò)高或干燥風(fēng)速過(guò)大會(huì)降低消費(fèi)者對(duì)其干制品的接受程度。因此，將冷風(fēng)干燥應(yīng)用于瑪咖干制品生產(chǎn)中能夠降低干燥耗時(shí)(干燥溫度及干燥風(fēng)速過(guò)低條件除外)，同時(shí)提升產(chǎn)品品質(zhì)。

本試驗(yàn)從干燥耗時(shí)、干燥過(guò)程的動(dòng)力學(xué)行為及干燥產(chǎn)品的感官評(píng)價(jià)方面對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥進(jìn)行了研究，相對(duì)于自然晾曬等傳統(tǒng)脫水方式，瑪咖冷風(fēng)干燥降低了干燥耗時(shí)。但研究中發(fā)現(xiàn)，瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中存在著物料水分分布不均勻，導(dǎo)致最終產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性不高的問(wèn)題，在今后研究中可以考慮借助核磁共振技術(shù)對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥過(guò)程中水分遷移軌跡進(jìn)行深入捕捉，借助水分遷移規(guī)律，對(duì)瑪咖冷風(fēng)干燥條件及干燥策略進(jìn)行優(yōu)化研究。