微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥生姜片工藝優(yōu)化

岑順友，劉曉燕，任飛，馬立志*，謝丹，宋明發(fā)

(1.貴州大學(xué) 釀酒與食品工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴陽(yáng)學(xué)院 食品與制藥工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550005；3.貴州省果品加工工程技術(shù)研究中心，貴陽(yáng) 550005；4.貴州黔棠姜生物科技有限公司，貴州 鎮(zhèn)寧 561200)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)是世界各地廣泛應(yīng)用的主要辛香保健蔬菜之一，含有姜辣素、姜油酮、姜烯酚、姜醇、生姜蛋白酶、姜黃素等多種活性成分[1-4]；具有抗氧化、抗癌、開(kāi)胃健脾、抑菌等多種功能性質(zhì)[5,6]，因此，生姜是食品醫(yī)藥和化工產(chǎn)品的重要原料。我國(guó)生姜資源豐富，地方品種頗多；2012年，衛(wèi)計(jì)委公布生姜為食藥兩用的中藥；2018年，我國(guó)生姜種植面積達(dá)到448萬(wàn)畝，較2017年增加了16.97%，產(chǎn)量為846萬(wàn)噸，比2017年減少了5.26%；生姜價(jià)格波動(dòng)不大，與馬鈴薯、洋蔥、大蒜等相比較，生姜收益相對(duì)理想，是脫貧攻堅(jiān)的扶貧產(chǎn)業(yè)之一；從流通格局來(lái)看，我國(guó)生姜71%用于鮮食，9%用于加工，8%用于姜種，7%被損耗掉，5%用于外貿(mào)出口[7]。

近5年來(lái)，我國(guó)生姜種植面積不斷擴(kuò)大，而生姜加工用量占比并沒(méi)有提高，目前生姜加工主要以保鮮、風(fēng)干、淹漬產(chǎn)品為主，尚缺乏深加工的技術(shù)與工藝，如高效、節(jié)能、保質(zhì)的干燥工藝和精深的提取工藝。隨著人們的養(yǎng)生觀念不斷提高，姜油、姜粉、姜糖等深加工產(chǎn)品逐漸增多，生姜加工整體需求有增多趨勢(shì)。干燥處理生姜不僅有利于姜的貯藏，也便于運(yùn)輸和加工利用；傳統(tǒng)的生姜干燥方法有燃燒焦煤的烘烤方式或自然干燥、熱風(fēng)干燥[8]，存在干燥品質(zhì)和干燥效率低的問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的干燥新技術(shù)被應(yīng)用于果蔬干燥，如微波干燥、真空干燥、真空冷凍干燥、遠(yuǎn)紅外干燥等[9-12]。由于微波干燥效率高，但干燥終點(diǎn)難控制，容易出現(xiàn)干燥過(guò)熱的現(xiàn)象。本文采用先微波真空后熱風(fēng)干燥的聯(lián)合工藝，旨在探討高效、節(jié)能、高品質(zhì)的生姜干燥工藝，為生姜的脫水干燥生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生姜：貴州黔棠姜生物科技有限公司提供的“小黃姜”品種，產(chǎn)地：貴州鎮(zhèn)寧；香草醛：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；無(wú)水乙醇：成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設(shè)備

WBZ-16型微波真空干燥機(jī) 貴陽(yáng)新奇微波工業(yè)有限責(zé)任公司；SM705EE型熱風(fēng)爐 新麥機(jī)械有限公司；FA124型電子天平 上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；JA2003型電子天平 上海浦春計(jì)量?jī)x器有限公司；i3型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 濟(jì)南海能儀器有限公司；CS-700型高速多功能粉碎機(jī) 永康市天祺盛世工貿(mào)有限公司；XMTD-204型數(shù)顯恒溫水浴鍋 上海梅香儀器有限公司；202-1AB型電熱恒溫干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 鮮姜片的制備

挑選新鮮飽滿、無(wú)損傷腐爛、無(wú)病害、無(wú)發(fā)芽的小黃姜塊，清洗瀝干后切片，厚度2 mm。

1.3.2 微波真空聯(lián)合熱風(fēng)干燥生姜工藝流程

生姜→挑選→清洗→切片(2 mm)→微波真空干燥→熱風(fēng)干燥→冷卻→干姜片(密封保存)。

1.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 微波功率對(duì)姜辣素含量的影響

取鮮姜片3份，每份50 g，單層平鋪于物料盤(pán)上，微波功率選用300，500，1000，1500，2000 W，每干燥2 min間歇1 min，真空度0.085 MPa，直至含水率≤8%為止。

1.4.2 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)姜辣素含量的影響

取鮮姜片3份，每份50 g，單層平鋪于物料盤(pán)上，微波功率設(shè)定為500 W，每干燥2 min間歇1 min，分別干燥至含水率為20%、30%、40%、50%、60%，轉(zhuǎn)換為熱風(fēng)干燥，干燥溫度65 ℃，直至含水率≤8%為止。

1.4.3 熱風(fēng)干燥對(duì)姜辣素含量的影響

取鮮姜片3份，每份50 g，單層平鋪于熱風(fēng)爐內(nèi)，風(fēng)速1.5 m/s，干燥溫度分別為45，55，65，75，85 ℃，直至含水率≤8%為止。

1.5 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先進(jìn)行單因素試驗(yàn)，選定微波功率、干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、熱風(fēng)溫度3個(gè)因素；以姜辣素含量為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合單因素試驗(yàn)中姜辣素含量、復(fù)水比指標(biāo)確定因素水平，采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行工藝優(yōu)化。

1.6 試驗(yàn)測(cè)定方法

1.6.1 含水率的測(cè)定

濕基含水率采用GB 5009.3-2016的方法測(cè)定；

干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率參照徐艷陽(yáng)等的方法測(cè)定[13]。

1.6.2 干姜片復(fù)水試驗(yàn)方法

參照馬先英等的方法測(cè)定[14]。

1.6.3 姜辣素含量的測(cè)定

參照王雪等的方法測(cè)定[15]。

1.6.4 總能耗計(jì)算

總能耗=設(shè)備的單位能耗×實(shí)際干燥時(shí)間。

1.7 數(shù)據(jù)分析

各指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定3次；使用Origin 8.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，采用Design-Expert 8.0.6 軟件進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香草醛標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖1 香草醛標(biāo)準(zhǔn)曲線圖Fig.1 Standard curve of vanillin

由圖1可知，香草醛標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為y=0.0761x-0.014，R2=0.9988，表明線性良好。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

姜辣素是以姜酚為主的系列衍生物，是生姜中的辣味成分，是評(píng)價(jià)生姜品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。復(fù)水性是考察干燥過(guò)程對(duì)細(xì)胞損傷程度的方法，是評(píng)價(jià)干制品品質(zhì)的重要指標(biāo)，復(fù)水比越大，復(fù)原效果越好，說(shuō)明脫水過(guò)程對(duì)物料造成的損傷越小。因此，選用姜辣素含量、復(fù)水比作為生姜干燥品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2.1 熱風(fēng)干燥對(duì)生姜姜辣素含量、復(fù)水比的影響

圖2 熱風(fēng)干燥溫度對(duì)生姜片姜辣素含量、復(fù)水比的影響Fig.2 Effect of hot air drying temperature on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由圖2可知，姜辣素含量隨著干燥溫度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，到65 ℃時(shí)姜辣素含量最高(2.41%)，可能是因?yàn)?5，55 ℃干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，75，85 ℃干燥溫度較高導(dǎo)致姜辣素含量損失較多；復(fù)水比隨著溫度的升高呈下降趨勢(shì)，65 ℃之前下降趨勢(shì)緩慢，65～75 ℃復(fù)水比下降趨勢(shì)大，表明在此期間干燥溫度對(duì)姜片損傷較大。綜合考慮，選定55～75 ℃為工藝優(yōu)化因素水平；由方差分析可知，熱風(fēng)溫度對(duì)姜辣素含量的影響不顯著(P>0.05)，是因?yàn)樵?5～75 ℃之間姜辣素含量變化波動(dòng)小。

2.2.2 微波功率對(duì)生姜姜辣素含量、復(fù)水比的影響

圖3 微波功率對(duì)生姜片姜辣素含量、復(fù)水比的影響Fig.3 Effects of microwave power on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由圖3 可知，微波功率大于500 W后姜辣素含量呈下降趨勢(shì)，干燥功率大于1000 W容易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，含水率達(dá)到14%出現(xiàn)大面積焦糊現(xiàn)象，可能是功率過(guò)大對(duì)物料脫水作用較強(qiáng)烈，導(dǎo)致姜辣素被破壞程度較大；復(fù)水比的變化趨勢(shì)與姜辣素含量走勢(shì)相同，微波功率為500 W時(shí)復(fù)水比最高(3.87%)，500～1000 W之間復(fù)水比明顯下降；由方差分析可知，微波功率對(duì)姜辣素的影響極顯著(P<0.01)，綜合分析，選定微波功率300，500，1000 W為工藝優(yōu)化因素水平。

2.2.3 干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)生姜姜辣素含量、復(fù)水比的影響

圖4 轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)生姜片姜辣素含量、復(fù)水比的影響Fig.4 Effect of water content at conversion point on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由圖4可知，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的生姜片復(fù)水比均處于較高水平，波動(dòng)幅度不大，可能是設(shè)定的干燥條件比較適中溫和，干燥過(guò)程對(duì)生姜片損傷不大；姜辣素含量呈先上升后下降趨勢(shì)，含水率為30%時(shí)開(kāi)始下降，可能是因?yàn)槲⒉ǜ稍镛D(zhuǎn)換點(diǎn)含水率越大，熱風(fēng)干燥時(shí)間越長(zhǎng)導(dǎo)致姜辣素含量降低，含水率大于30%時(shí)熱風(fēng)干燥對(duì)姜辣素含量的影響大于微波干燥；含水率小于30%時(shí)微波干燥對(duì)姜辣素的影響大于熱風(fēng)干燥；由方差分析可知，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)姜辣素的影響顯著(P<0.05)。綜上分析，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率在30%時(shí)姜辣素含量最高，20%～40%之間存在干燥轉(zhuǎn)換含水率平衡點(diǎn)，因此轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率工藝優(yōu)化因素水平選用20%、30%、40%。

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥工藝

2.3.1 回歸方程建立和顯著性檢驗(yàn)

以單因素試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)選定因素水平，使用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)各因素及水平進(jìn)行Box-Benhnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，用A、B、C分別表示熱風(fēng)干燥溫度、微波功率、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率，以1、0、-1分別代表變量的水平，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 響應(yīng)曲面因素水平Table 1 The factors and levels of response surface

表2 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface design and test results

表3 響應(yīng)曲面二次回歸方程模型方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance of response surface quadratic regression equation model

注：“*”表示差異顯著(P<0.05)，“**”表示差異極顯著(P<0.01)。

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件分析，得到生姜片姜辣素含量對(duì)熱風(fēng)干燥溫度、微波功率、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的二次多項(xiàng)回歸模型：

Y=2.59-0.010A-0.13B-0.055C+0.050AB+0.025AC-0.058BC-0.097A2-0.34B2-0.060C2。

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，得出對(duì)生姜片姜辣素含量有顯著影響的因素。由表3可知，回歸模型具有高度顯著性(P<0.0001)，失擬項(xiàng)在a=0.05水平上不顯著(P>0.05)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9812，RAdj2=0.9571，表明此模型擬合程度良好，可信度較高，其響應(yīng)值有98.12%來(lái)自于變量因素，因此能夠用此模型對(duì)姜辣素含量進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和分析。一次項(xiàng)方差分析中熱風(fēng)溫度對(duì)姜辣素影響不顯著(P>0.05)，微波功率極顯著(P<0.01)，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率顯著(P<0.05)；二次項(xiàng)方差分析中熱風(fēng)干燥溫度、微波功率對(duì)姜辣素含量影響極顯著(P<0.01)，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率對(duì)姜辣素含量影響顯著(P<0.05)；3個(gè)因素之間只有微波功率與轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的交互作用對(duì)姜辣素影響顯著(P<0.05)。

2.3.2 響應(yīng)面曲線分析

圖5 熱風(fēng)溫度與微波功率交互作用的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour maps of the interaction between hot air temperature and microwave power

圖6 熱風(fēng)溫度與轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率交互作用的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour maps of the interaction between hot air temperature and water content at conversion point

圖7 微波功率與轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率交互作用的響應(yīng)曲面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour maps of the interaction between microwave power and water content at conversion point

由圖5～圖7和表3可知，微波功率、熱風(fēng)溫度和微波功率二次項(xiàng)對(duì)姜辣素含量影響極顯著(P<0.01)；干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、微波功率與轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率交互項(xiàng)、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率二次項(xiàng)對(duì)姜辣素含量影響顯著(P<0.05)；熱風(fēng)溫度與微波功率和轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率交互作用較??；曲線圖中微波功率曲線較陡，影響最大，其次是轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率；綜上分析，影響生姜片聯(lián)合干燥因素大小順序?yàn)椋何⒉üβ?轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率>熱風(fēng)溫度。

2.3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由軟件模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥生姜片工藝的最佳條件為：微波功率590.54 W，干燥轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率34.09%，熱風(fēng)溫度63.50 ℃。模型預(yù)測(cè)的最大姜辣素含量為2.61%；結(jié)合實(shí)際情況，采用微波功率590 W干燥至姜片含水率為34%，轉(zhuǎn)換為熱風(fēng)63.50 ℃干燥至含水率小于8%為止，在此條件下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，姜辣素平均含量為2.59%，達(dá)到預(yù)測(cè)值的99.23%，與理論預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.014，說(shuō)明驗(yàn)證試驗(yàn)的重復(fù)性和精密度良好，此最佳模型可靠。

2.3.4 對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)上述優(yōu)化條件，對(duì)比聯(lián)合干燥與單獨(dú)熱風(fēng)干燥、微波干燥的效果；分別取2 mm厚的3份姜片，每份50 g，設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件為單獨(dú)熱風(fēng)干燥65 ℃，風(fēng)速1.5 m/s；單獨(dú)微波真空干燥功率為590 W，真空度為0.085 MPa，每干燥2 min間歇1 min；微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥為先微波真空干燥(590 W)，每干燥2 min間歇1 min，至含水率為34%轉(zhuǎn)換為熱風(fēng)干燥(63.5 ℃)；含水率為8%以下為干燥終點(diǎn)。

表4 不同干燥條件總能耗比較Table 4 Comparison of total energy consumption under different drying conditions

圖8 不同干燥方式姜辣素含量、復(fù)水比比較Fig.8 Comparison of gingerol content and rehydration ratio by different drying methods

由表4和圖8 可知，從能耗方面分析，單獨(dú)微波真空干燥效率最高，能耗最小，干燥時(shí)間明顯縮短，但存在干燥終點(diǎn)難控制、干燥后期易出現(xiàn)過(guò)熱、局部焦糊的現(xiàn)象，產(chǎn)品感官差；微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥比單獨(dú)熱風(fēng)干燥能耗減少71.60%，干燥時(shí)間縮短70.13%；微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥的主要干燥時(shí)間及能耗在于后期的熱風(fēng)干燥，但具有比單獨(dú)熱風(fēng)干燥節(jié)能和效率高，比單獨(dú)微波真空干燥終點(diǎn)易控制，產(chǎn)品感官良好的特點(diǎn)。從理化指標(biāo)方面分析，微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥的姜辣素含量比單獨(dú)微波真空干燥提高17.19%，比單獨(dú)熱風(fēng)干燥提高7.47%；復(fù)水比與單獨(dú)熱風(fēng)干燥相比略有下降，比單獨(dú)微波干燥提高33.59%，可得出微波真空干燥后期對(duì)姜片品質(zhì)的影響較大，可能是因?yàn)楦稍锖笃诮趾肯陆?，微波的熱效?yīng)主要標(biāo)靶由水轉(zhuǎn)為姜片的干基物質(zhì)。

3 結(jié)論

近年來(lái)，采用聯(lián)合干燥工藝的研究報(bào)道越來(lái)越多，如馬先英等[14]采用熱風(fēng)65 ℃干燥胡蘿卜至含水率50%后進(jìn)行微波干燥(170 W)，所得干制品的感官質(zhì)量和復(fù)水比優(yōu)于單獨(dú)干燥方式；徐艷陽(yáng)等對(duì)熱風(fēng)與微波聯(lián)合干燥生姜片的工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明聯(lián)合干燥比單獨(dú)熱風(fēng)干燥和微波干燥的姜辣素含量提高了32%和12%，總能耗比單獨(dú)熱風(fēng)干燥降低了59.76%；因此，采用聯(lián)合干燥在能耗、效率和品質(zhì)上均高于單獨(dú)干燥。

本文采用微波真空干燥與熱風(fēng)干燥工藝相結(jié)合，利用微波真空干燥效率高的特點(diǎn)除去姜片大部分水分，再進(jìn)行熱風(fēng)干燥至干燥終點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路，達(dá)到高效、干燥終點(diǎn)易控制的目的；以微波功率、轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率、熱風(fēng)干燥溫度為因素進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析，得到最佳優(yōu)化條件為：微波功率590 W，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率34%，熱風(fēng)溫度63.5 ℃；在此條件下姜辣素含量最高(2.59%)，比單獨(dú)微波真空干燥提高17.19%，比單獨(dú)熱風(fēng)干燥提高7.47%；能耗比單獨(dú)熱風(fēng)干燥減少71.60%，干燥時(shí)間縮短70.13%；復(fù)水比與單獨(dú)熱風(fēng)干燥相比略有下降，比單獨(dú)微波干燥提高了33.59%；因此，微波聯(lián)合熱風(fēng)干燥工藝具有高效、節(jié)能、高品質(zhì)的特點(diǎn)，適合于生姜片的干燥生產(chǎn)加工。