不同切片方式對黃秋葵熱風(fēng)干燥特性的影響

張彩芳,張明玉

(漯河食品職業(yè)學(xué)院,河南漯河 462300)

黃秋葵(Abelmoschusesculentus(L.)Moench)為錦葵科秋葵屬一年生草本植物[1],由于其蛋白質(zhì)、維生素C以及膳食纖維含量高,而飽和脂肪酸含量低,且具有一定的醫(yī)用保健功能,常被認(rèn)為是一種理想的健康食品[2]。當(dāng)前世界黃秋葵年產(chǎn)量已高達(dá)594萬噸[3],然而采摘后的新鮮黃秋葵含水率較高,不及時(shí)處理會(huì)發(fā)生一系列生理及形態(tài)上的變化,導(dǎo)致黃秋葵產(chǎn)品不被消費(fèi)者接受[4],因此,脫水處理延長黃秋葵貨架期，是緩解黃秋葵產(chǎn)銷矛盾及保證后續(xù)深加工產(chǎn)品安全的重要環(huán)節(jié)。

熱風(fēng)干燥是黃秋葵常用的一種對流干燥方式,具有設(shè)備投資少、干燥能耗低、干燥速率高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)[5],眾多研究結(jié)果顯示,當(dāng)熱風(fēng)干燥溫度為60 ℃、干燥進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，能夠得到品質(zhì)較好的黃秋葵干制品[6-8]。食品物料在熱風(fēng)干燥過程中，從干燥介質(zhì)吸收熱量將水分蒸發(fā),其內(nèi)部水分需要先到達(dá)物料表面,繼而被帶走,達(dá)到脫水效果[5],但在黃秋葵實(shí)際干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)干燥黃秋葵過程中容易出現(xiàn)表面過熱甚至結(jié)殼現(xiàn)象,嚴(yán)重阻礙了干燥質(zhì)熱傳遞的進(jìn)行,導(dǎo)致黃秋葵在熱風(fēng)干燥過程中表面熱積累嚴(yán)重,造成干燥產(chǎn)品發(fā)生一系列不良熱降解反應(yīng),降低產(chǎn)品品質(zhì)[1]。切片是食品物料干燥常用的處理方式,通過對物料進(jìn)切片處理,進(jìn)而減少物料干燥過程中水分和熱傳遞路徑,提升干燥速率,避免干燥過程中熱量的過度累積[9-11],因而,尋求合適的切片方法進(jìn)行熱風(fēng)干燥以克服傳統(tǒng)黃秋葵熱風(fēng)干燥缺點(diǎn)的研究工作，顯得尤為重要。目前尚未見關(guān)于不同切片方式對黃秋葵熱風(fēng)干燥行為影響的報(bào)道。

本文采用不同的切片方式處理新鮮黃秋葵,并對其進(jìn)行熱風(fēng)干燥,對比研究了不同切片方式對黃秋葵干燥機(jī)理及感官評價(jià)的影響,以期得到適用于生產(chǎn)高品質(zhì)黃秋葵干制品的較優(yōu)切片方式。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃秋葵 品種:五福,采購于當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場;去離子水 洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司。

GS-Ⅱ熱風(fēng)干燥機(jī) 河南省鄭州市萬谷機(jī)械有限公司;102-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱 北京科偉永興儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 切片和干燥 采用105 ℃絕干法測得所購黃秋葵干基含水率為10.13 g/g。挑選長度(約130 mm)、直徑(整個(gè)果實(shí)最粗處直徑約為15 mm)相似的黃秋葵,用于干燥實(shí)驗(yàn)。干燥前分別沿著果莖長度方向(豎切)和垂直果莖長度方向(橫切)對新鮮黃秋葵進(jìn)行切片處理,參考Wankhade P K等[2]的方法,黃秋葵切片厚度和切片長度分別為5 mm及11 mm。切片結(jié)束后，用保鮮膜將其密封，并放入5 ℃冰箱保鮮待用[12]。分別將橫切、豎切以及完整果實(shí)黃秋葵物料均勻平鋪于熱風(fēng)干燥機(jī)的多孔干燥盤內(nèi),每次實(shí)驗(yàn)物料量為500 g,干燥過程中干燥溫度設(shè)置為60 ℃,干燥風(fēng)速為1.5 m/s[6-8],干燥過程中每隔30 min將物料取出稱量,記錄數(shù)據(jù)后迅速放回繼續(xù)干燥,直至物料濕基含水率不變時(shí),干燥結(jié)束。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.2 物料含水率測定 物料含水率測定采用GB/T 5009.3-2010中直接測定法[13]。

1.2.3 物料干燥過程中干基含水率測定 黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中干基含水率測定采用式(1)計(jì)算[14]:

式(1)

式中:Mt為黃秋葵物料在干燥任意t時(shí)刻的干基含水率,g/g;mt,md分別為干燥任意t時(shí)刻物料和絕干物料的質(zhì)量,g。

1.2.4 干燥速率的計(jì)算 物料在干燥過程中的干燥速率采用式(2)計(jì)算[14]:

式(2)

式中:Mt,Mt+dt分別為干燥任意t時(shí)刻和t+dt時(shí)刻物料干基含水率,g/g。

1.2.5 物料干燥過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)計(jì)算 干燥過程中水分比采用式(3)計(jì)算[1]:

式(3)

式中:M0,Me,Mt分別為初始干基含水率、干燥到平衡時(shí)的干基含水率、在任意干燥t時(shí)刻干基含水率,g/g。Me相對于M0和Mt來說很小可近似為0。因此式(3)可以改寫為[1]:

式(4)

實(shí)驗(yàn)物料主體為一擴(kuò)散介質(zhì),且物料厚度遠(yuǎn)小于其相對直徑,因此可以將實(shí)驗(yàn)黃秋葵(切片或者這個(gè)果實(shí))假設(shè)為以長圓柱體,其水分為一維軸向擴(kuò)散,因此根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律的解析解,物料干燥過程中的水分比可以表達(dá)為式(5)[1]:

式(5)

式中:Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù),m2/s;L為物料厚度的一半,m;t為時(shí)間,s;M0為初始干基含水率,g/g;Mt為在任意干燥 t 時(shí)刻的干基含水率,g/g;g;n為組數(shù),本試驗(yàn)干燥時(shí)間足夠長,因此,可將其視為0,因此,實(shí)驗(yàn)中物料水分比又可以簡化為式(6)[1]:

式(6)

對式(6)兩邊同時(shí)取自然對數(shù),轉(zhuǎn)化得到有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算公式(7)[5]:

式(7)

由式(7)可發(fā)現(xiàn),以lnMR為縱坐標(biāo),以t為橫坐標(biāo)作圖,得到直線的斜率,即可計(jì)算出物料干燥過程中的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。

1.2.6 物料水分比曲線Weibull分布函數(shù)擬合 黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中的水分比變化動(dòng)力學(xué)模型采用Weibull分布函數(shù)表示[1]:

式(8)

式中:MR為水分比;α為尺度參數(shù)/h;β為形狀參數(shù);t為干燥時(shí)間,h。

Weibull分布函數(shù)的擬合精度驗(yàn)證采用決定系數(shù)R2和離差平方和(χ2)來表示。R2值越大,χ2值越小表示擬合越好[1]:

式(9)

式(10)

式中:N為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù);MRi為實(shí)測水分比;MRpi為預(yù)測水分比。

在Weibull分布函數(shù)中α為尺度參數(shù),表示干燥過程中的速率常數(shù),約等于干燥過程中物料脫去63%水分所需要的時(shí)間;β為形狀參數(shù),其值與干燥過程的干燥速率有關(guān),當(dāng)β>1時(shí),干燥速率會(huì)先升高后降低;當(dāng)0.3<β<1時(shí)為降速干燥,干燥過程由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制[1]。

1.2.7 干燥能耗測定 干燥消耗總能量通過電表測定,則黃秋葵干燥能耗以去除1 kg水分所消耗的能量(kJ/kg)表示[14]。

1.2.8 產(chǎn)品基于模糊數(shù)學(xué)推理法的感官評定 感官評定參考段續(xù)等[14]的方法,10名評價(jià)員以非常喜歡、喜歡、中立意見、不喜歡、非常不喜歡為評價(jià)語,以干制品顏色、外觀、質(zhì)地、風(fēng)味、整體接受程度為評價(jià)指標(biāo),對不同干燥條件下得到的黃秋葵干制品進(jìn)行感官評價(jià)。試驗(yàn)中模糊數(shù)學(xué)推理采取Zhang等[11]的方法進(jìn)行,與各評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重集X={顏色,外觀,質(zhì)地,風(fēng)味,整體接受程度}={0.27,0.25,0.15,0.13,0.20}。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin pro 8.5對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性/非線性擬合,并分析其擬合度;使用DPS 7.05對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,試驗(yàn)中顯著水平定為p<0.05。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取其平均值進(jìn)行各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同切片方法對黃秋葵干燥特性的影響

由圖1可知,當(dāng)黃秋葵不做切片處理進(jìn)行熱風(fēng)干燥時(shí)，其干燥耗時(shí)為12 h,經(jīng)過切片處理后,干燥耗時(shí)最大縮短至7 h,干燥耗時(shí)縮減率為41.67%,這說明切片處理能夠提升黃秋葵熱風(fēng)干燥速率,縮短干燥耗時(shí),這是因?yàn)榍衅幚頊p小了物料干燥厚度,同時(shí)增加了物料與干燥介質(zhì)的接觸表面積,從而強(qiáng)化物料干燥過程中的傳熱傳質(zhì)。橫切和豎切黃秋葵熱風(fēng)干燥耗時(shí)分別為7、10 h,黃秋葵橫切處理的干燥耗時(shí)比黃秋葵豎切處理的干燥耗時(shí)縮短了42.86%,意味著橫切處理比豎切處理更利于黃秋葵干燥過程中的水分?jǐn)U散,這可能是因?yàn)辄S秋葵水分?jǐn)U散孔道多縱向排列,黃秋葵橫切處理縮短了物料內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散的路徑,增強(qiáng)了黃秋葵干燥傳質(zhì)過程的進(jìn)行,增加干燥速率。PENDRE等[6]在研究不同干燥溫度和切片面積對黃秋葵干制品品質(zhì)的影響中，得到了與本文關(guān)于黃秋葵水分?jǐn)U散通道排列方式相似的推論。

由圖1可以看出,不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥含水率隨時(shí)間變化曲線均呈現(xiàn)出兩個(gè)不同的階段:開始水分快速下降階段(約除去整個(gè)含水率的60%)以及后續(xù)的含水率緩慢下降階段。對比圖1不同切片處理下黃秋葵熱風(fēng)干燥含水率下降曲線能夠發(fā)現(xiàn),切片處理對物料干燥的中期階段影響最為明顯(橫切:1～2.5 h;豎切:1.5～4 h),這是因?yàn)樵诟稍锍跏茧A段,物料處于預(yù)熱狀態(tài),水分主要是由物料內(nèi)部擴(kuò)散至物料表面,由于干燥時(shí)間短,此時(shí)溫度在物料內(nèi)部遞減衰弱傳遞,該階段受環(huán)境影響較小;干燥繼續(xù)進(jìn)行至中期階段,物料溫度累積至一定程度,物料質(zhì)熱傳遞主要受水分遷移和熱量交換路徑影響,切片處理縮小了物料質(zhì)熱傳遞路徑,因此切片處理對干燥中期作用最為明顯;干燥后期物料含水率下降至較低水平,干燥速率也隨之下降[15]。

圖1 不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥曲線Fig.1 The profiles of okras moisture content under different cutting methods

不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥的干燥速率如圖2所示。由圖2可看出,從干燥開始至干燥到3.5 h之間,切片處理過的黃秋葵干燥速率高于全果實(shí)干燥速率,干燥3.5 h后，全果實(shí)干燥速率高于切片處理后的黃秋葵干燥速率。這是因?yàn)楦稍?.5 h前，切片處理過的黃秋葵和全果實(shí)黃秋葵均含有豐富的水分,此時(shí)干燥速率受含水率下降的影響較小,切片處理能夠強(qiáng)化物料干燥傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行,切片處理黃秋葵干燥速率較全果實(shí)干燥速率高;干燥3.5 h后,切片處理的黃秋葵含水量已降至較低水平,而全果實(shí)黃秋葵含水率仍保持較高水平,造成全果實(shí)干燥速率較切片處理黃秋葵干燥速率高。從圖2中還能夠發(fā)現(xiàn),全果實(shí)干燥速率曲線呈扁平狀態(tài),整個(gè)干燥速率變化幅度較小,因?yàn)樵诟稍镞^程中全果實(shí)黃秋葵表面熱量積累,導(dǎo)致表面結(jié)殼阻礙水分?jǐn)U散及熱量的傳遞,從而造成整個(gè)干燥速率不高。

圖2 不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥速率曲線Fig.2 The drying rate of okras under different cutting methods

2.2 不同切片方法對有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響

圖3給出了ln MR和時(shí)間之間的線性擬合關(guān)系圖。黃秋葵橫切、豎切和全果實(shí)ln MR和時(shí)間之間的線性擬合決定系數(shù)R2分別為0.964、0.900和0.910,均表現(xiàn)出了較好的擬合。通過圖3結(jié)合式(7)，得到不同切片方式下，黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中有效水分?jǐn)U散系數(shù),其結(jié)果如圖4所示。不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)在2.66×10-10～6.97×10-10m2/s之間,符合食品物料干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)10-12～10-8m2/s數(shù)量級(jí)范圍[16]。相對于全果實(shí)黃秋葵,經(jīng)橫切和豎切處理的黃秋葵干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別增加了162.03%和35.34%。另一方面,橫切處理的黃秋葵有效水分?jǐn)U散系數(shù)比豎切處理的黃秋葵有效水分?jǐn)U散系數(shù)增加了93.61%。以上結(jié)果說明，橫切處理可以應(yīng)用到黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中以提升其干燥速率,降低干燥耗時(shí)。

圖3 不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中l(wèi)n MR隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.3 Plot of ln MR versus drying time(s)for different okras

圖4 不同切片方式對黃秋葵有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響Fig.4 Effect of different cutting methods on Deff value

2.3 干燥過程的Weibull分布函數(shù)擬合

表1和圖5顯示了黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中水分比隨時(shí)間變化曲線的Weibull分布函數(shù)擬合情況。由表1可知,采用Weibull分布函數(shù)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其決定系數(shù)R2均在0.99以上,χ2均在10-4水平,表現(xiàn)出較好擬合,Weibull分布函數(shù)能夠準(zhǔn)確描述黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中的水分比變化情況。不同切片方式下，黃秋葵熱風(fēng)干燥的尺度函數(shù)α在0.994～5.162之間,且切片處理的黃秋葵尺度函數(shù)比未經(jīng)處理的黃秋葵尺度函數(shù)低,橫切處理的黃秋葵尺度函數(shù)比豎切處理的黃秋葵尺度函數(shù)低。Weibull分布函數(shù)這一結(jié)果，從理論角度上驗(yàn)證了切片處理能夠強(qiáng)化黃秋葵熱風(fēng)干燥傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行,且橫切處理的強(qiáng)化作用較豎切處理的強(qiáng)化作用更加明顯這一結(jié)論,黃秋葵Weibull分布函數(shù)尺度參數(shù)變化情況同LIU等[12]的研究結(jié)果。Weibull分布函數(shù)形狀參數(shù)β可以用來表征物料干燥過程中水分遷移的機(jī)制,表1能夠看出，不同切片處理下黃秋葵熱風(fēng)干燥的形狀參數(shù)均小于1,說明黃秋葵熱風(fēng)干燥是減速干燥過程,整個(gè)干燥主要受內(nèi)部水分?jǐn)U散控制,這一結(jié)論同圖2得到的結(jié)論一致,說明Weibull分布函數(shù)能夠作為黃秋葵熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)而表征黃秋葵熱風(fēng)干燥機(jī)理。

表1 Weibull分布函數(shù)擬合參數(shù)、精度指標(biāo)Table 1 Fitting parameters,fitting precision indexes of Weibull distribution function

圖5 不同切片方式下黃秋葵水分比Weibull分布函數(shù)擬合曲線Fig.5 Profiles of okras MR under different cutting methods注：(a),(b),(c)分別代表橫切、豎切和全果實(shí)。

不同切片方式下，黃秋葵熱風(fēng)干燥能耗如圖6所示。切片處理下黃秋葵熱風(fēng)干燥能耗最小值比最大值降低了64.13%。該結(jié)果說明黃秋葵切片處理能夠降低其熱風(fēng)干燥能耗。

圖6 不同切片方式對黃秋葵干燥能耗的影響Fig.6 Effect of different cutting methods on drying energy consumption

這是因?yàn)?切片處理降低了黃秋葵熱風(fēng)干燥質(zhì)熱傳遞路徑,加大了干燥過程中黃秋葵與干燥介質(zhì)的接觸比表面積,從而強(qiáng)化干燥過程中的質(zhì)熱傳遞行為,降低干燥耗時(shí),縮短干燥設(shè)備運(yùn)行時(shí)間,提升干燥效率,減少干燥能耗。黃秋葵橫切處理比其豎切處理干燥能耗降低了49.56%,表明橫切處理比豎切處理對干燥能耗的降低效果更好。這可能是因?yàn)辄S秋葵水分遷移微孔結(jié)構(gòu)為豎向排列[6],橫切處理比豎切處理進(jìn)一步降低黃秋葵干燥水分遷移路徑,提升干燥速率,降低干燥能耗。

2.4 不同切片方法對黃秋葵干制品感官評分的影響

感官評價(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)法對不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥干制品進(jìn)行感官評價(jià)以表征其品質(zhì)特征。各評價(jià)員對不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥得到的黃秋葵干制品評價(jià)結(jié)果如表2所示。各切片方式下得到的黃秋葵感官評價(jià)模糊矩陣RN為(RN中的數(shù)字為表2中各評語統(tǒng)計(jì)人數(shù)同總?cè)藬?shù)的比值,下式中a,b,c分別代表橫切、豎切和全果實(shí))。

表2 不同切片方式下黃秋葵干制品感官評價(jià)統(tǒng)計(jì)Table 2 Panel responses for preference of each sample

最終模糊矩陣輸出結(jié)果YN為(下式中a,b,c分別代表橫切、豎切和全果實(shí)):

對以上矩陣進(jìn)行計(jì)算,于是得到:

3 結(jié)論

通過對黃秋葵不同切片方式下的熱風(fēng)干燥進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)切片處理能夠提升黃秋葵熱風(fēng)干燥速率,且橫切處理對黃秋葵熱風(fēng)干燥速率提升效果更大;不同切片方式下黃秋葵熱風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)在2.66×10-10～6.97×10-10m2/s之間,相對于全果實(shí)干燥,橫切處理黃秋葵對其熱風(fēng)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)的提升更大;Weibull分布函數(shù)能夠準(zhǔn)確的擬合黃秋葵熱風(fēng)干燥過程中水分比隨干燥耗時(shí)的變化曲線,不同切片處理下，黃秋葵熱風(fēng)干燥的形狀參數(shù)均小于1,黃秋葵熱風(fēng)干燥是減速干燥過程,整個(gè)干燥主要受內(nèi)部水分?jǐn)U散控制;黃秋葵橫切處理能夠提升其干制品品質(zhì),從而被更多消費(fèi)者接受。