過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)合干燥制備馬鈴薯顆粒全粉

(陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院,陜西西安 710119)

馬鈴薯是全球第四大重要的糧食作物,僅次于小麥、水稻和玉米,且與小麥、稻谷、玉米、高粱并稱為世界五大作物。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計,2014年中國馬鈴薯產(chǎn)量約為9608.8萬噸[1],居世界首位。新鮮馬鈴薯不耐貯藏,且運輸成本高。2015年,中國啟動馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略,推進(jìn)把馬鈴薯加工制作成饅頭、面條、米粉等主食,馬鈴薯將成為稻米、小麥、玉米外的又一主糧。而馬鈴薯主糧化首先要將馬鈴薯加工成全粉,然后以一定比例添加到麥類等糧食中,最終加工成主食[2]。這一戰(zhàn)略推出,意味著大量的新鮮馬鈴薯將被加工成馬鈴薯全粉。

馬鈴薯全粉主要包括馬鈴薯顆粒全粉和馬鈴薯雪花粉。馬鈴薯顆粒全粉(Potato granule),是馬鈴薯去皮后,經(jīng)過熟化、干燥、粉碎等過程,使其全部轉(zhuǎn)化為顆粒粉狀的產(chǎn)品[3]。在我國,馬鈴薯全粉加工研究開始于20世紀(jì)80年代,目前我國也擁有自主研發(fā)的全套馬鈴薯全粉加工裝備,主要以回填式干燥為典型代表[4]。干燥加工是生產(chǎn)馬鈴薯全粉的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響馬鈴薯全粉品質(zhì)。何賢用等[4]發(fā)現(xiàn)回填式調(diào)質(zhì)干燥可較好地保存馬鈴薯細(xì)胞完整性,但設(shè)備投資成本大,產(chǎn)品品質(zhì)不好控制[5]。張巖等[6]研究了氣流、熱風(fēng)、滾筒和對撞流干燥方法對馬鈴薯全粉品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)對撞流干燥所得產(chǎn)品品質(zhì)較好。馬鈴薯前期采用熱風(fēng)干燥,后期采用微波干燥工藝可改善馬鈴薯全粉質(zhì)量[7]。楊芙蓮等[8]研究了節(jié)能型微波干燥馬鈴薯片的特性。微波干燥速度快,但也存在缺點,如干燥不均勻、無法大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

本文提出采用過熱蒸汽干燥聯(lián)合熱風(fēng)干燥制備馬鈴薯顆粒全粉工藝,過熱蒸汽可提供馬鈴薯淀粉熟化需要的水分和熱量,并能脫除水分,可免去傳統(tǒng)加工工藝中的蒸煮環(huán)節(jié),過熱蒸汽還起到滅酶作用,能夠有效抑制馬鈴薯褐變。本文設(shè)計過熱蒸汽-熱風(fēng)干燥制備馬鈴薯顆粒全粉試驗,探索過熱蒸汽溫度、蒸汽流速以及切片厚度對馬鈴薯過熱蒸汽干燥特性及后續(xù)熱風(fēng)干燥特性的影響,分析干燥所得馬鈴薯顆粒全粉松散堆積密度和水合能力,為過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)合干燥制備馬鈴薯顆粒全粉工藝的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮馬鈴薯 購自本地農(nóng)貿(mào)市場,測得馬鈴薯初始濕基水分含量為76.6%～80.0%。

自動切片機(jī) 河北省趙縣瓜家莊食品機(jī)械廠;GZX-9146MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;JA2003N型電子分析天平 上海精密科學(xué)儀器有限公司;RRH-A400型萬能粉碎機(jī) 上海緣沃工貿(mào)有限公司;過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)用干燥裝置 自主搭建。

1.2 試驗方法

1.2.1 過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)用干燥裝置 該裝置主要組成部分:蒸汽發(fā)生器、電加熱器、耐高溫變頻離心機(jī)、溫度控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)示意圖,見圖1。蒸汽發(fā)生器每小時產(chǎn)生14 L,可滿足干燥所需要的蒸汽量。過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)用干燥裝置工作原理:空氣在電加熱器加熱和離心風(fēng)機(jī)循環(huán)作用下,將干燥室提前預(yù)熱至沸點溫度,然后開啟蒸汽發(fā)生器閥門,蒸汽經(jīng)過電加熱器進(jìn)一步加熱成過熱蒸汽,經(jīng)過不斷循環(huán),干燥室內(nèi)幾乎全部是過熱蒸汽;完成過熱蒸汽干燥后,將蒸汽閥門關(guān)閉,打開干燥室,快速降溫至所需熱風(fēng)干燥溫度,開啟熱風(fēng)干燥階段。

圖1 過熱蒸汽-熱風(fēng)聯(lián)用干燥裝置Fig.1 Scheme of superheated steam-hot air drying device注:1:蒸汽發(fā)生器;2:電加熱器;3:干燥室;4:溫度控制柜;5:耐高溫離心風(fēng)機(jī)。

1.2.2 馬鈴薯原料初始水分含量測定 馬鈴薯原料初始水分按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.3-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)《食品中水分的測定》中規(guī)定的直接干燥法進(jìn)行測定。

1.2.3 馬鈴薯顆粒全粉制備工藝 馬鈴薯原料→清洗→去皮→機(jī)械切片→沖洗馬鈴薯片表面淀粉→瀝干表面附著水→過熱蒸汽干燥(濕基含水率從約80%降至50%)→熱風(fēng)干燥(65 ℃,0.5 m/s)至濕基含水率約7%→室溫冷卻→粉碎→過篩(40目)→封裝。過熱蒸汽干燥過程中每分鐘稱重一次,并記錄數(shù)據(jù)。采用65 ℃、0.5 m/s熱風(fēng)干燥,每10 min稱重一次,直至含水率降至7%左右。

1.2.4 單因素實驗 為了比較不同過熱蒸汽條件影響干燥特性,設(shè)計了三組單因素實驗,當(dāng)蒸汽流速固定為4.0 m/s、厚度固定為3.5 mm時,溫度選取三個水平:127、145和163 ℃,當(dāng)固定溫度為145 ℃、切片厚度固定為3.5 mm時,蒸汽流速選取三個水平:2.8、4.0和5.2 m/s,當(dāng)溫度固定為160 ℃、蒸汽流速固定為5.0 m/s時,厚度選取三個水平:2.0、3.5和5.0 mm。

1.2.5 馬鈴薯過熱蒸汽干燥回歸正交組合試驗設(shè)計 文獻(xiàn)研究表明,濕物料過熱蒸汽干燥溫度在110～170 ℃[9-10],且前期試驗發(fā)現(xiàn)125 ℃難以控制精準(zhǔn),易冷凝;而溫度取值170 ℃時,馬鈴薯片容易焦糊。故選擇溫度范圍在127～163 ℃,蒸汽流速范圍取2.8～5.2 m/s,馬鈴薯片切片厚度范圍取1.7～5.3 mm。本研究設(shè)計了三因素二次回歸正交組合試驗。零水平試驗重復(fù)1次,故γ=1.215。二水平試驗個數(shù)23=8,星號試驗試驗個數(shù)2×3=6,總試驗個數(shù)為1+8+6=15。

過熱蒸汽溫度、流速和切片厚度相應(yīng)編碼因素為Z1,Z2,Z3,由此進(jìn)行因素水平編碼,見表1。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factor level code table

1.2.6 馬鈴薯顆粒全粉松散堆積密度(bulk density,BD)測定 本試驗使用容積為10 mL量筒進(jìn)行測量。每次通過漏斗將馬鈴薯顆粒全粉自然落入量筒內(nèi),稱量,讀取體積,計算出密度值,重復(fù)測量3次,求取平均值[11]。

1.2.7 馬鈴薯顆粒全粉水合能力(water holding capacity,WHC)測定 水合能力也稱吸水力或持水力[12-13]。精確稱取2.000 g馬鈴薯顆粒全粉樣品,倒入預(yù)先稱量好質(zhì)量的離心管中,逐步加蒸餾水,過程中不斷用玻璃棒攪拌,直到樣品成漿狀,無水析出為止。2000 r/min轉(zhuǎn)速離心10 min,取出離心管,倒出上清液。若無上清液,再加蒸餾水?dāng)嚢杈鶆?再離心,直至有上清液為止。重復(fù)測量三次,求取平均值。水合能力計算公式如式(1)。

式(1)

式中:m0,離心管質(zhì)量,g;mw,沉淀物質(zhì)量,g;md,馬鈴薯顆粒全粉樣品質(zhì)量,g。

1.2.8 干燥速率(DR)和水分比(MR)計算 干燥速率原指單位時間單位面積遷移出物料表面的水分的重量。由于干燥過程中生物質(zhì)物料表面積時刻發(fā)生變化且難以測量。通常都采用含水率下降速率來替代干燥速率,即

式(2)

式中:Xt,t時刻物料干基含水率,%;Xt+Δt,t+Δt時刻物料干基含水率,%;Δt,時間間隔,min。

式(3)

式中:X0,初始時刻物料干基含水率,%;Xe,平衡時刻物料干基含水率,%。

相比初始含水率和和實時含水率,物料平衡含水率比較低,故可以忽略不計,式(3)可簡化成公式(4)。

式(4)

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用2010版Microsoft-excel和SPSS 16.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯片過熱蒸汽干燥特性分析

2.1.1 溫度對馬鈴薯片過熱蒸汽干燥特性的影響 過熱蒸汽干燥中,當(dāng)馬鈴薯含水率較高時(50%～80%),干燥速率隨物料含水率的變化情況見圖2。干燥之初馬鈴薯水分下降速率為負(fù)值,隨后迅速變?yōu)檎?。原因是?dāng)馬鈴薯從室溫環(huán)境放入干燥室時,過熱蒸汽在其表面冷凝,干燥速率出現(xiàn)負(fù)值,而過熱蒸汽攜帶的熱量很大,很快將低溫的濕物料快速加熱至飽和溫度,蒸汽停止冷凝,從而開始干燥。隨著過熱蒸汽溫度的升高,在馬鈴薯表面冷凝的蒸汽量減少,冷凝液甚至在十幾秒內(nèi)完全蒸發(fā)掉,干燥速率曲線上沒有出現(xiàn)負(fù)值。馬鈴薯在高溫高濕的過熱蒸汽中干燥,淀粉發(fā)生凝膠化,組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,可給物料帶來更開闊的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14],有利于水分遷移,可以看到一個較長的恒速干燥段。過熱蒸汽干燥過程中,馬鈴薯干燥速率隨著過熱蒸汽溫度升高而增大,與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥特性一致。

圖2 不同溫度過熱蒸汽干燥過程中馬鈴薯干燥速率曲線Fig.2 Dehydration rate curves of potato dried in superheated steam at different drying temperatures

由圖3可知,隨著過熱蒸汽溫度的升高,馬鈴薯片水分比下降加快,曲線較陡峭。原因主要有:溫度升高,過熱蒸汽傳熱系數(shù)提高,更有利于濕物料水分遷移出來,另外還有一個重要原因是,在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下、蒸汽流量不變時,升高溫度,過熱蒸汽密度變小,有利于濕物料表面飽和水蒸汽蒸發(fā)。

圖3 不同溫度過熱蒸汽干燥中馬鈴薯片水分比變化曲線Fig.3 Change curve of moisture content ratio of potato slice dried in superheated steam at different temperatures

2.1.2 蒸汽流速對馬鈴薯片過熱蒸汽干燥特性的影響 當(dāng)蒸汽流速在2.8～5.2 m/s之間,隨著蒸汽流速提高,馬鈴薯過熱蒸汽干燥速率大體上呈增加趨勢,見圖4,同樣地,馬鈴薯水分比下降也有加快趨勢,見圖5,但不同蒸汽流速間差異不明顯。其中,蒸汽流速5.2 m/s時,干燥速率較快,水分下降也較快。結(jié)果與黃小麗等[15]所得結(jié)果相一致。這意味著,在對流干燥中,適當(dāng)提高干燥介質(zhì)蒸汽流速可加快水分下降。

圖4 不同過熱蒸汽流速下馬鈴薯片干燥速率曲線Fig.4 Dehydration rate curves of potato slice dried in superheated steam at different velocities

圖5 不同蒸汽流速過熱蒸汽干燥馬鈴薯片水分比變化曲線Fig.5 Change curve of moisture content ratio of potato slice dried in superheated steam at different velocities

2.1.3 切片厚度對馬鈴薯片過熱蒸汽干燥特性的影響 在過熱蒸汽干燥中,馬鈴薯干燥速率隨切片厚度增大而降低,見圖6,對應(yīng)的水分比隨時間的變化下降緩慢,表現(xiàn)為水分比曲線較平緩,見圖7。原因與黃小麗等[15]所描述的過熱蒸汽干燥蘋果渣相似,物料厚度增大導(dǎo)致水分遷移途徑變長,而馬鈴薯片表層淀粉凝膠化并硬化、甚至焦糊,從而又阻礙內(nèi)部水分往外遷移。切片厚度較大不僅干燥時間增長,馬鈴薯片外觀品質(zhì)也會劣變。從試驗得到的馬鈴薯片樣本外觀看,馬鈴薯片切片厚度不宜超過5.0 mm,否則馬鈴薯在高溫環(huán)境下經(jīng)歷時間長,會導(dǎo)致表層淀粉焦糊。

圖6 不同切片厚度馬鈴薯片過熱蒸汽干燥速率曲線Fig.6 Dehydration rate curves of potato slice dried in superheated steam with different slice thickness

圖7 不同切片厚度馬鈴薯片過熱蒸汽干燥中水分比變化曲線Fig.7 Chang curve of moisture content ratio of potato slice dried in superheated steam with different slices thicknesses

圖8 經(jīng)過熱蒸汽干燥后馬鈴薯熱風(fēng)干燥水分比變化曲線Fig.8 Change curve of moisture content ratio of potato slice in hot air drying after dried with superheated steam注:(a)過熱蒸汽流速4.0 m/s,馬鈴薯切片厚度3.5 mm;(b)過熱蒸汽溫度145 ℃,馬鈴薯切片厚度3.5 mm;(c)過熱蒸汽溫度145 ℃,蒸汽流速4.0 m/s。

2.2 經(jīng)過熱蒸汽干燥后馬鈴薯片熱風(fēng)干燥特性

當(dāng)馬鈴薯濕基含水率降低至55%即轉(zhuǎn)入熱風(fēng)干燥。過熱蒸汽干燥階段所采用的蒸汽溫度、蒸汽流速以及物料切片厚度對后期的熱風(fēng)干燥特性影響情況見圖8(a)、(b)、(c)。由圖8(a)和(b)可知,不同操作條件的過熱蒸汽干燥所得半干馬鈴薯片后續(xù)熱風(fēng)干燥特性無明顯差異,說明前期不同條件的過熱蒸汽干燥對馬鈴薯后期總體熱風(fēng)干燥特性產(chǎn)生相似的影響,而總體干燥特性主要是在組織結(jié)構(gòu)、水分結(jié)合形式以及遷移形式共同影響下水分總體運動的體現(xiàn)。后期熱風(fēng)干燥過程中,隨切片厚度增大,馬鈴薯水分比下降緩慢,水分降至相同水平所需的干燥時間明顯延長,見圖8(c)。除了厚度增大導(dǎo)致水分遷移途徑增長外,厚度大的馬鈴薯片在過熱蒸汽干燥中也相應(yīng)經(jīng)歷較長的時間,表層淀粉焦糊也會阻礙后續(xù)熱風(fēng)干燥過程中水分遷移出來。與楊薇等[16]采用的單一熱風(fēng)干燥(切片厚度2.0 mm,熱風(fēng)溫度70 ℃)制備馬鈴薯顆粒全粉所用時間180 min相比,本實驗中切片厚度3.5 mm的馬鈴薯片采用過熱蒸汽(145 ℃,4.0 m/s)干燥11 min+熱風(fēng)(65 ℃)干燥60 min即可完成干燥,本文所用聯(lián)合干燥方法可節(jié)省總干燥時間50%以上。

表2 三元二次回歸正交組合試驗方案Table 2 Three factors,quadratic regression orthogonal experiment scheme

2.3 聯(lián)合干燥馬鈴薯顆粒全粉堆積密度和水合能力回歸模型

為了研究過熱蒸汽處理條件對馬鈴薯顆粒全粉品質(zhì)的影響,設(shè)計了三元二次回歸正交組合試驗方案,見表2。

經(jīng)過熱蒸汽干燥+熱風(fēng)干燥所得馬鈴薯片經(jīng)過萬能粉碎機(jī)粉碎并過40目篩,最終得到馬鈴薯顆粒全粉。試驗中測得馬鈴薯全粉松散堆積密度和水合能力,見表3。本試驗中的馬鈴薯顆粒全粉過40目篩,顆?！?.25 mm,松散堆積密度范圍在0.5940～0.7823 g/cm3,略低于劉振亞等[1]采用氣流干燥技術(shù)和回填工藝所得馬鈴薯顆粒全粉散裝密度(0.75～0.85 g/cm3),可能是本試驗中所采用的聯(lián)合干燥方法得到的馬鈴薯片較為蓬松,組織結(jié)構(gòu)孔隙多;且過熱蒸汽干燥過程同時完成了熟化和干燥脫水,時間短暫,后續(xù)的熱風(fēng)干燥時間也明顯縮短,使得馬鈴薯干燥制備總時間大為減少,熱處理時間的減少能較好地保存物料細(xì)胞完整性。馬鈴薯顆粒全粉水合能力范圍在3.617～6.622 g/g之間,與楊薇等[16]采用單一熱風(fēng)干燥制備所得馬鈴薯顆粒全粉(過80目篩)水合能力(2.983～6.002 g/g)相似。

表3 聯(lián)合干燥方法所得馬鈴薯全粉松散堆積密度及水合能力Table 3 Loose packing density and water holding capacity of potato granule made by combined drying methods

表4 馬鈴薯顆粒全粉松散堆積密度和水合能力回歸模型各系數(shù)及顯著性Table 4 Coefficients and their significance of regression models for loose packing density and water holding capacity of potato granule

注：*表示顯著(P<0.05),**表示極顯著(P<0.05)。

表5 馬鈴薯顆粒全粉松散堆積密度和水合能力逐步回歸分析結(jié)果Table 5 Stepwise regression analysis results of the bulk density and the water holding capacity of potato granules

表6 馬鈴薯顆粒全粉松散堆積密度和水合能力回歸模型方差分析Table 6 Analysis of variance for regression models of the bulk density and the water holding capacity of potato granules

將自然變量代入回歸模型(5)和(6),可得到馬鈴薯全粉松散堆積密度和水合能力關(guān)于干燥條件參數(shù)之間的關(guān)系式,見方程式(7)和(8)。

BD=0.657-0.072Z′3-0.043Z′1+0.017Z1Z2

式(5)

式(6)

式(7)

式(8)

從數(shù)學(xué)模型(7)和(8)可知:馬鈴薯顆粒全粉松散堆積密度與過熱蒸汽干燥段所采用的溫度和切片厚度二次方成反比關(guān)系,與溫度和切片厚度成正比關(guān)系,但與蒸汽流速成反比關(guān)系,同時,與蒸汽溫度和蒸汽流速交互作用成正比關(guān)系?？傮w而言,馬鈴薯顆粒全粉松散堆積密度和水合能力與干燥條件參數(shù)之間是非線性關(guān)系。

在過熱蒸汽溫度130 ℃、蒸汽流速4.0 m/s、馬鈴薯切片厚度為3.5 mm時,通過計算得到的馬鈴薯全粉松散堆積密度和水合能力分別為0.494 g/cm3和3.885 g/g,二者實測值分別為0.617 g/cm3和5.705 g/g,模擬值與實測值之間的相對誤差分別為19.93%和29.07%。通過數(shù)學(xué)模型得到的松散堆積密度和水合能力計算值偏離實測值較大。從表5也能看出,因變量即指標(biāo)與規(guī)范變量之間的模型決定系數(shù)R2分別為0.820和0.661,說明兩個因變量即指標(biāo)的總變異通過自變量的關(guān)系式影響的比重分別占82%和66.1%,還有分別約18%和34%的差異是不能確定的。另外,馬鈴薯顆粒全粉品質(zhì)指標(biāo)也受到熱風(fēng)干燥條件的影響[17],而所建立的指標(biāo)模型僅考查過熱蒸汽干燥階段的影響，故還將繼續(xù)完善實驗和模型。

3 結(jié)論

馬鈴薯片在過熱蒸汽中完成淀粉凝膠化和部分干燥,且干燥特性受操作條件影響規(guī)律與傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥相似,而經(jīng)過熱蒸汽+熱風(fēng)干燥制備所得馬鈴薯顆粒全粉松散堆積密度略低;所建立的水合能力和松散堆積密度指標(biāo)關(guān)于過熱蒸汽處理過程工藝參數(shù)之間的回歸模型顯著。與傳統(tǒng)的蒸煮+單一熱風(fēng)干燥工藝相比,過熱蒸汽處理可大大節(jié)約馬鈴薯后續(xù)熱風(fēng)干燥時間,具有節(jié)能效果。過熱蒸汽聯(lián)合熱風(fēng)干燥制備馬鈴薯顆粒全粉品質(zhì)分析仍有待進(jìn)一步研究。