香蔥催化式紅外干燥特性及品質(zhì)研究

趙興，吳本剛，馬海樂，劉瀟

（江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

香蔥，百合科、蔥屬植物，矩圓狀卵形，葉為中空的圓筒狀，向頂端漸尖，深綠色，質(zhì)地柔嫩，味清香。香蔥具有較高的營養(yǎng)價值和功效，如，香蔥內(nèi)的蒜辣素能刺激機體消化液的分泌，同時可抑制癌細胞的生長[1]，而其所含的大蒜素則具有殺菌、消毒的作用[2]。脫水干燥是香蔥加工的一個重要方式，香蔥干燥脫水后主要用于調(diào)味品行業(yè)。脫水香蔥也是我國重要的創(chuàng)匯脫水蔬菜之一[3]。

目前傳統(tǒng)的香蔥干燥技術(shù)為熱風(fēng)干燥，此方法由于成本低，易操作的特點[4]，廣泛應(yīng)用于脫水蔬菜生產(chǎn)企業(yè)中。熱風(fēng)干燥以熱空氣為干燥介質(zhì)，以自然或強制對流循環(huán)的方式與物料進行濕熱交換，物料表面上的水分通過表面的氣孔向干燥介質(zhì)擴散，由于物料表面汽化，使物料內(nèi)部和表面之間產(chǎn)生水分梯度差，物料內(nèi)部的水分因此以汽態(tài)或液態(tài)的形式向表面遷移。然而，熱風(fēng)干燥存在干燥時間長、能耗高，品質(zhì)低等問題[5]，急需一種新的高效干燥技術(shù)。

紅外輻射加熱技術(shù)是一種新的食品加工技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的漂燙[6]和干燥領(lǐng)域[7]。Baysal[8]等研究了微波和紅外干燥對胡蘿卜和大蒜品質(zhì)的影響，通過對比紅外干燥對色澤和復(fù)水性的影響，得出紅外干燥產(chǎn)品的復(fù)水性要好。Afzal等[9]人研究遠紅外聯(lián)合對流干燥大麥，結(jié)論較單獨對流干燥，遠紅外聯(lián)合縮短60%的干燥時間。XIE L[10]研究了遠紅外輻射加熱輔助脈沖真空干燥（FIR-PVD）枸杞，干燥時間短，干枸杞的顏色參數(shù)與新鮮漿果的顏色參數(shù)相似。王洪彩[11]對比了熱風(fēng)和中短波紅外兩種方式干燥香菇的品質(zhì)，得出中短波紅外干燥的香菇的感官品質(zhì)和化學(xué)品質(zhì)均優(yōu)于熱風(fēng)干燥后的香菇。

催化式紅外(CIR)設(shè)備是由天然氣或液化氣在催化劑的作用下與氧氣發(fā)生的氧化反應(yīng)產(chǎn)生，波長在遠紅外波長之間，具有升溫速度快、干燥速率高、能耗低[5]等優(yōu)點。目前關(guān)于香蔥紅外干燥特性和品質(zhì)的研究鮮有報道，因此，本文將催化式紅外干燥技術(shù)應(yīng)用于香蔥的干燥，探討不同溫度下催化式紅外干燥香蔥的干燥特性及品質(zhì)，為香蔥的催化式紅外干燥特性和品質(zhì)研究提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料

香蔥(水分含量約 91%)，從當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場同一批購進，儲藏在冰箱中(溫度4±1 ℃)。試驗前，將香蔥從冷藏室中取出，放至室溫待用。選擇顏色鮮艷，結(jié)構(gòu)規(guī)整，無機械損傷的部分，清洗，切成長度為1 cm的塊狀。

1.2 主要儀器設(shè)備

圖1 催化式紅外設(shè)備Fig.1 CIR (catalytic infrared) dehydrator

BAS2202S天平，Sartorius公司(哥廷根，德國)；TM350+手持式紅外測溫儀，Tecmen電子有限公司(香港，中國)；HH-S2數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市醫(yī)療儀器廠(金壇，江蘇，中國)；色差儀NH310深圳三恩馳科技有限公司(深圳，中國)；催化式紅外干燥機，鎮(zhèn)江美博紅外科技有限公司(鎮(zhèn)江，江蘇，中國)。

本研究用的催化式紅外設(shè)備由催化式紅外發(fā)生器（30×60 cm）和處理室（100×100×60 cm）組成。使用前先將催化式紅外發(fā)生器預(yù)熱15 min，然后通過氣體控制閥通入液化氣后點火，試驗過程通氣閥氣壓控制在1.5 kPa，工作時催化式紅外發(fā)生器的表面溫度可達到（395±5）℃。

1.3 實驗方法與測定指標

1.3.1 試驗設(shè)計

前期通過預(yù)實驗調(diào)整紅外發(fā)生器的輻照距離，用手持紅外測溫儀測定香蔥表面溫度，選取紅外的輻照距離分別為25 cm、15 cm、8 cm、4 cm，對應(yīng)的溫度分別為60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃。取30 g切好的香蔥單層平鋪在托盤上，打開催化式紅外干燥設(shè)備，當(dāng)紅外設(shè)備達到預(yù)設(shè)溫度并且穩(wěn)定后，將托盤放入設(shè)備中，在不同的溫度條件下進行干燥。每隔一分鐘，記錄干燥過程中香蔥的重量，當(dāng)香蔥濕基含水率達到8%時干燥結(jié)束。每次實驗重復(fù)3次，取平均值。為保證實驗過程中溫度恒定，通過調(diào)整托盤和紅外發(fā)生器的距離來實現(xiàn)。

1.3.2 溫度和水分測定

干燥過程中，使用手持式紅外測溫儀測定香蔥的表面溫度，多次測量，取平均值。

香蔥的初始水分含量測定參照 GB/T 5497-1985用105 ℃恒重法測得。

1.3.3 顏色測定

圖2 NH310色差儀Fig.2 NH310 colorimeter

實驗中使用色差儀 NH310直接測量法檢測香蔥的表面顏色。檢測時把托盤內(nèi)的香蔥等分為三部分，將色差儀的光孔垂直壓在香蔥表面上，輕壓，讀數(shù)。取每個部分的色差平均值記為香蔥表面的色值，并用數(shù)值L*、a*和b*值表示。其中L*值表示亮度，a*值表示紅色或綠色值，而b*值表示藍色或黃色值。a*正值越大表示顏色越接近紅色，a*負值越大，顏色越接近綠色；b*正值越大，顏色越接近黃色；b*負值越大，顏色越接近藍色。下標0代表新鮮香蔥的顏色值。顏色變化值ΔE通過公式(1)計算所得，ΔE值越大，表示干燥產(chǎn)品的顏色變化越大[12]。

式中：L0，a0，b0-新鮮對照組值；L*，a*，b*-實驗檢測值。

1.3.4 復(fù)水性測定

將實驗結(jié)束后的香蔥干制品放入室溫 25 ℃[13]水中進行復(fù)水性試驗，每隔20 min稱重一次，測定其重量，直至達到平衡為止。復(fù)水比的計算公式(2)如下：

1.3.5 物料水分比和干燥速率[14]

物料水分比的計算公式(3)為：

式中 MR為水分含量/（g水分重量/g干物質(zhì)重量），mt為物料在 t時刻的含水量/（g/g）。m0、me分別為物料的初始、平衡含水量/（g/g），由于 me相對于mt和m0很小，通常在工程應(yīng)用中忽略不計，因此，物料水分比可采用簡化式（4）如下所示：

干燥速率計算公式（5）如下：

式中：t1，t2為干燥時間，Mt1，Mt2分別為t1、t2時間時的水分比。

1.3.6 干燥動力學(xué)模型的建立

前人已經(jīng)對干燥過程進行了研究，并總結(jié)出了一些常用的經(jīng)驗、半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠砻枋鑫锪细稍镞^程中的情況。本研究選擇三種常見的干燥模型（表 1）來對催化式紅外干燥香蔥的干燥曲線進行模擬。

表1 果蔬薄層干燥的數(shù)學(xué)模型Table 1 Thin layer drying models for vegetables and fruits

模擬結(jié)果用決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（root-mean-square error，RMSE）、誤差平方和（error sum of square，SSE）和離差平方和（χ2）4個參數(shù)對模型擬合結(jié)果進行評價。決定系數(shù)（R2）越大、RMSE、SSE和χ2越小，則擬合度越好。四個值計算公式（6～9）如下：

式中，MRpre,i為模型預(yù)測水分比，MRexp,i為試驗測得水分比，MRexp為試驗測水分比的平均值，N為試驗測得數(shù)據(jù)組數(shù)，n是干燥常數(shù)的數(shù)目。

數(shù)據(jù)處理和分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件。

1.3.7 水分有效擴散系數(shù)和活化能

水分有效擴散系數(shù)通過水分比的對數(shù)值與處理時間的關(guān)系式（10）來計算，干燥活化能值Ea（11）根據(jù)水分有效擴散系數(shù)Deff[18]計算。

式中，D0為系數(shù)，R表示氣體常數(shù)[kJ/(mol·K)]，T是香蔥處理溫度的絕對溫度值(K)。

1.3.8 維生素C含量

利用維生素C對紫外產(chǎn)生吸收和對堿不穩(wěn)定的特點，采用文獻[19]中的方法檢測香蔥的維生素C含量。

1.3.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用17.0版SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進行顯著性分析，采用決定系數(shù)（R2）、均方根誤差（root-mean-square error，RMSE）、誤差平方和（error sum of square，SSE）和離差平方和（χ2）4個參數(shù)作為擬合度評價指標，決定系數(shù)R2越接近1，RMSE、SSE、χ2數(shù)值越小，表示模型擬合度越好：圖表繪制用Excel 2010完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 香蔥催香化式紅外干燥特性

由圖3可知，香蔥的含水量隨著干燥時間的延長而減少，溫度越高干燥時間越短，水分降低越快。當(dāng)干燥溫度分別在60、70、80、90 ℃條件下時，所需的干燥時間分別為30、20、17、10 min，其中70、80 ℃的干燥時間較為接近，MR的趨勢變化也相近。代小梅[20]研究了熱風(fēng)在 60、70、80、90 ℃條件下干燥香蔥的干燥特性，干燥時間分別是5.5 h、4 h、3.5 h、3 h。相比熱風(fēng)干燥，催化式紅外干燥要節(jié)省90%以上的時間。

圖3 不同溫度條件下香蔥紅外干燥特性曲線Fig.3 Drying curves of Chinese chives in infrared radiation drying at different temperatures

2.2 香蔥催化式紅外干燥干燥速率

圖4 不同溫度條件下香蔥紅外干燥速率曲線Fig.4 Drying rate curves of Chinese chives in infrared radiation drying at different temperatures

由圖4可知，紅外干燥過程中香蔥在不同溫度條件下干燥速率不同，90 ℃條件下屬于降速干燥過程，隨著干基含水率的減小而降低；在60、70、80 ℃條件下隨干基含水率的降低呈先升后降的趨勢。在干基含水率低于0.8 g/g時，70 ℃的干燥速率低于60 ℃，這是因為溫度越高，干燥速率越快，香蔥表面結(jié)殼變硬，阻礙了水分的擴散。陳凱[21]在研究紅外干燥枸杞時，也出現(xiàn)了類似跡象。在干基含水率為5.2～7.0 g/g時，70 ℃的干燥速率高于80 ℃，這和紅外輻射距離對香蔥表面結(jié)構(gòu)影響有關(guān)。張麗麗[22]研究了紅外輻射距離對胡蘿卜片表觀密度和孔隙率的關(guān)系，輻射距離越近，表觀密度越大，孔隙率越小，不利于水分的擴散。本實驗采用的溫度是通過調(diào)整輻射距離來控制，干燥前期，80 ℃因為輻射距離近，空隙小，表觀密度大，不利于水分的擴散，出現(xiàn)干燥速率低于70 ℃的現(xiàn)象。張磊[23]研究了不同紅外輻照距離干燥紫甘藍和干基含水率的關(guān)系，也出現(xiàn)類似跡象。

表2 催化式紅外干燥香蔥的干燥時間和最大干燥速率Table 2 Drying time and max drying rate of Chinese chives processed under catalytic infrared

2.3 香蔥干燥過程中的色澤變化和溫度的關(guān)系

干燥過程中香蔥表面的色澤變化是評價產(chǎn)品品質(zhì)的一個重要指標，表3列出了人的視覺感官和色差值之間的關(guān)系。

表3 色差與觀察感覺的關(guān)系[24]Table 3 Relationship between ΔE and people’s feeling

圖5 不同溫度條件下香蔥表面顏色變化值L*Fig.5 Change of surface color (L*) of Chinese chives under different temperature conditions

由圖5可知，在紅外干燥香蔥的過程中，亮度變化值L*呈先升后降的趨勢，其中在60、90 ℃干燥后香蔥的L*值低于初始值。圖6中在70、80、90 ℃條件下，b*值也呈先升后降的趨勢；60 ℃條件下b*值隨干燥時間的延長而減小。圖7中a*值在60、80、90 ℃條件下呈先降后升的趨勢，70 ℃條件下a*值在初始值附近波動，變化小。由圖8知，不同溫度條件下ΔE都經(jīng)歷了先升后降再上升的過程，Wu[25]研究了催化式紅外殺青胡蘿卜過程中ΔE的變化，得到相似結(jié)論，這是因為在干燥后期，溫度升高香蔥表面發(fā)生炭化，L*值降低 a*值升高。60 ℃溫度低，干燥時間長，干燥后期L*值、b*值降低，發(fā)生褐變反應(yīng)，ΔE值增大。

圖6 不同溫度條件下香蔥表面顏色變化值b*Fig.6 Change of surface color (b*) of Chinese chives under different temperature conditions

圖7 不同溫度條件下香蔥表面顏色變化值a*Fig.7 Change of surface color (a*) of Chinese chives under different temperature conditions

圖8 不同溫度條件下香蔥表面顏色變化值ΔEFig.8 Change of surface color (ΔE) of Chinese chives under different temperature conditions

2.4 干燥過程中色澤變化和濕基含水率的關(guān)系

由圖9可知，在60、90 ℃條件下，當(dāng)濕基含水率小于44%時，色澤開始變暗。圖10中，在70、80、90 ℃條件下，濕基含水率為60%～70%時，a*值開始升高。圖11中，b*值主要和干燥溫度有關(guān)，在70、80、90 ℃條件下，濕基含水率大于80%時，b*值呈先升后降的趨勢，濕基含水率為46%～68%時，b*值變化較小。綜上可知，在紅外干燥香蔥過程中，濕基含水率和溫度對L*、a*的數(shù)值變化關(guān)系緊密。

圖9 顏色變化L*和濕基含水量關(guān)系Fig.9 Relationship between color change(L*) and moisture content

圖10 顏色變化a*和濕基含水量的關(guān)系Fig.10 Relationship between color change(a*) and moisture content

圖11 顏色變化b*和濕基含水量關(guān)系Fig.11 Relationship between color change(b*)and moisture content

2.5 建立紅外干燥香蔥的動力學(xué)模型

選取常用的三種不同干燥模型對香蔥的紅外干燥過程進行擬合，結(jié)果如表4所示。

所有模型的R2均≥0.9787，SSE均≤0.0433，RMSE均≤0.0465，χ2均≤0.0023，其中 Lewis、Page、Henderson and Pabis模型的R2值最小值分別為0.9787、0.9966、0.9883，SSE最大值分別為0.0433、0.0031、0.0303，最大RMSE值分別為0.0465、0.0171、0.0389，最大χ2值分別為0.0023、0.0003、0.0017，對比三個模型的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)Page模型的R2，SSE、RMSE、χ2值均優(yōu)于另兩個模型，更能準確的描述催化式紅外干燥香蔥過程中的水分變化，故選取Page模型來作為本實驗研究結(jié)果的動力學(xué)模型。

表4 香蔥薄層干燥模型擬合結(jié)果Table 4 Fitted results of thin-layer drying models for Chinese chives

2.5.1 Page模型參數(shù)的求解

為了理解紅外干燥香蔥過程中模型中的參數(shù)k、n和干燥溫度的關(guān)系，對模型中的參數(shù)k、n的數(shù)值進行線性分析，得到干燥溫度與參數(shù)k、n之間的關(guān)系式：

k=4×10-3T-0.203，n=1.228-2×10-4T

式中：k、n為模型參數(shù)；T為干燥溫度/℃。

代入Page模型得到下式：

MR=exp[(0.203-4×10-3T)×T1.228-2×10-4T]

2.5.2 Page模型驗證

圖12 Page模型驗證實測值與預(yù)測值的比較Fig.12 Comparison of experimental data and predicted data using Page models at selected conditions

選擇催化式紅外干燥溫度為 70 ℃條件下進行page模型的驗證。比較實測值與模型預(yù)測值的相關(guān)性，結(jié)果如圖12，預(yù)測值與試驗值相比，R2為0.9995。因此，page模型方程非常適合表達試驗范圍內(nèi)香蔥催化式紅外干燥的規(guī)律。

2.6 香蔥催化式紅外干燥過程中水分的有效擴散系數(shù)

香蔥紅外干燥過程中水分有效擴散系數(shù)在60～90 ℃內(nèi)為 3.96～10.7×10-10m2/s，食品物料干燥過程中水分的有效擴散系數(shù)[26]在10-9～10-11m2/s范圍內(nèi)，本實驗結(jié)果符合標準。由實驗可知，溫度越高，水分有效擴散系數(shù)越大，水分擴散越快，干燥時間也越短。Celmaar[27]在干燥葡萄副產(chǎn)物的研究中也得出干燥過程中水分的有效擴散系數(shù)隨著溫度的升高而增加的結(jié)論。

表5 不同處理條件下香蔥的有效擴散系數(shù)和活化能Table 5 Effective moisture diffusivities and activation energies of Chinese chives processed under catalytic infrared

2.7 干燥產(chǎn)品的維生素C含量與復(fù)水比

在干燥產(chǎn)品中，產(chǎn)品的復(fù)水比是評價產(chǎn)品口感的一個重要指標，本研究以常溫下干燥產(chǎn)品在水中的復(fù)水性進行了研究，實驗結(jié)果表明在60、70、80、90 ℃下干燥后產(chǎn)品的復(fù)水比依次是5.5、6.51、4.36、4.33，其中在70 ℃干燥產(chǎn)品的復(fù)水比最好，達到6.51。這和紅外輻射距離有關(guān)，張磊[23]研究了不同紅外輻照距離干燥紫甘藍的復(fù)水性，得出輻射距離11 cm時的復(fù)水性要高于輻射距離為3 cm和5 cm的復(fù)水性。

表6 不同處理條件下香蔥的復(fù)水比和維生素C含量Table 6 Rehydration ratio and vitamin C content of Chinese chives processed under catalytic infrared

維生素C是熱敏性物質(zhì)，溫度越高，Vc損失越多，剩余含量越低，表中在60 ℃條件下Vc含量低于70 ℃條件下Vc含量，是因為60 ℃條件下干燥時間長，導(dǎo)致Vc損失更多。Fang[28]研究了不同溫度下熱風(fēng)干燥棗的品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)70 ℃熱風(fēng)干燥后棗的Vc含量要高于60 ℃，認為是干燥時間的延長導(dǎo)致了Vc含量的更大損失。Wu[25]研究了不同溫度條件下催化式紅外殺青胡蘿卜的 Vc保留率，殺青結(jié)束后 95 ℃條件下Vc保留率要高于90 ℃Vc保留率，95 ℃殺青時間比90 ℃少3.5 min，與本實驗結(jié)論類似。Chen[29]的研究結(jié)果與此相反，作者認為品種和干燥時間不同可能會導(dǎo)致不同的結(jié)果。

3 結(jié)論

香蔥在紅外干燥過程中的干燥速率隨著溫度的增加而增大，整個過程中干燥時間在30 min內(nèi)，最低活化能為33.61 kJ/mol。干燥過程中色澤變化和濕基含水率、溫度有關(guān)，不同濕基含水量和溫度對L，a，b值的影響不同。綜合考慮干燥后產(chǎn)品的Vc含量、色澤和復(fù)水性，選取干燥溫度為70 ℃，得到的產(chǎn)品質(zhì)量最好，Vc含量為4.90 mg/100 g，ΔE值為1.9，復(fù)水比可達6.51。