胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥特性及干燥品質(zhì)

效碧亮，效碧彩

蘭州信息科技學院（蘭州 730030）

胡蘿卜又名紅蘿卜、葫蘆菔金、赤珊瑚、黃根、金筍、紅根等[1]，具有較高的營養(yǎng)價值，含有鈣、鋅、鐵等多種微量元素和8種人體必需的氨基酸及膳食纖維，特別富含β-胡蘿卜素，是一種營養(yǎng)豐富的蔬菜[2]，享有“小人參”“金筍”的美譽。然而，胡蘿卜含水量高，新鮮的胡蘿卜易因有害微生物、自身酶促作用而發(fā)生腐爛變質(zhì)，因此，將其脫水制干是較好的貯存方式之一。

胡蘿卜傳統(tǒng)的、被廣泛使用的制干技術(shù)為熱風干燥，隨后出現(xiàn)微波熱風耦合干燥[3]、真空干燥、真空冷凍干燥[4-5]、微波真空干燥[6]及真空微波與冷凍組合干燥[7]等。宋宇等[8]對比熱風干燥、真空干燥和熱泵干燥對胡蘿卜干燥時間、產(chǎn)品色差值和變形程度等的影響，結(jié)果表明真空干燥優(yōu)于熱泵干燥，后者優(yōu)于熱風干燥。Nahimana等[6]研究微波真空干燥過程中胡蘿卜收縮和色差值變化，結(jié)果表明該法會顯著導(dǎo)致類胡蘿卜素損失。李瑞杰等[9]研究熱風干燥、冷凍干燥、真空微波干燥、冷凍與真空微波干燥對胡蘿卜維生素C、胡蘿卜素、色差值、膨化率、干燥時間及吸濕率等的影響。蔣贛等[10]比較熱風干燥、紅外干燥、吸附干燥和微波干燥對干燥速度、維生素C含量、復(fù)水性及感官品質(zhì)的影響，其中紅外干燥產(chǎn)品復(fù)水效果較好，吸附干燥能較好地保留維生素C和感官品質(zhì)。除了干燥技術(shù)的相關(guān)報道之外，干燥前期預(yù)處理也有許多研究，如Wiktor等[11]利用脈沖電場處理胡蘿卜以提高產(chǎn)品水分有效擴散和改善產(chǎn)品明度和色度。

熱風干燥設(shè)備簡單、成本低、產(chǎn)量高，然而其周期長、干燥品質(zhì)較差；微波真空和冷凍聯(lián)合干燥膨化率、口感及吸濕性較好，但不能較好地保留胡蘿卜素和色差值；真空冷凍干燥工業(yè)化生產(chǎn)有一定應(yīng)用，常用于對品質(zhì)要求較高果蔬，可最大限度保持果蔬的原有品質(zhì)、色差值和好的復(fù)水性[12]。紅外干燥速率快，然而營養(yǎng)成分保留效果差，吸附干燥能很好地保留色差值、營養(yǎng)和香味，但其耗能耗時。干燥前期預(yù)處理使干燥工藝復(fù)雜化，易導(dǎo)致營養(yǎng)損失。綜上所述，開發(fā)一種工藝簡單、營養(yǎng)損失少、干燥時間短的胡蘿卜干燥技術(shù)具有非常重要的意義。

尚無報道胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥技術(shù)，鑒于此，運用該技術(shù)制干胡蘿卜并研究其干燥特性及干燥品質(zhì)，為胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 材料

新鮮胡蘿卜（購自當?shù)夭耸袌觯?，要求新鮮、無病蟲害及機械損傷；初始濕基含水量為80%～90%，采用GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》測定。

1.1.2 試劑

2, 6-二氯靛酚、偏磷酸、草酸、碳酸氫鈉（均為分析純，天津富裕精細化工有限公司）；L（+）-抗壞血酸標準品（上海索萊寶生物科技有限公司）。

1.1.3 儀器與設(shè)備

真空-旋蒸聯(lián)合干燥裝置主要由真空系統(tǒng)（真空隔膜泵、真空調(diào)節(jié)裝置、真空管路等）、加熱（水?。┡c干燥系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。為提高旋蒸制干一次干燥量，對干燥瓶進行改造設(shè)計，定制使用。設(shè)計要求為在干燥瓶內(nèi)壁設(shè)計一些凸起，凸起分布為在瓶底中心設(shè)一個1 cm高的突起，以該凸起為中心，每隔3 cm設(shè)計1圈凸起。每圈凸起之間間隔相等，且相互之間交替排布。同時干燥瓶設(shè)計物料進出口。

DHG-9425A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司）；DZF-6020真空干燥箱（寧波江南儀器廠）；NS800分光測色儀（深圳市三恩時科技有限公司）；CHD-100切丁機（山東銀鷹炊具機械有限公司）；W300真空保鮮包裝機（東莞市益健包裝機械有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗方法

根據(jù)前期預(yù)試驗結(jié)果和相關(guān)參考文獻，分別研究干燥溫度（60，65，70和75 ℃）和干燥轉(zhuǎn)速（0，60，120和180 r/min）對胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥特性及干燥品質(zhì)的影響。每組試驗取新鮮胡蘿卜，用切丁機將樣品按照要求切丁，取樣量210 g（由前期研究結(jié)果確定得出），對其進行干燥，每隔100 min稱重，直至干燥到濕基含水率3%以下（便于干燥后制粉）[13]，取出冷卻后真空包裝。每組試驗重復(fù)3次。具體試驗安排如表1所示。

表1 試驗設(shè)計和試驗參數(shù)

1.2.2 干燥參數(shù)的計算

干燥參數(shù)的計算參考喬宏柱等[13]的方法，并將參數(shù)單位進行更改，干基含水率單位由g/g改為%，干燥速率單位由g/（g·min）改為%/h。

胡蘿卜干燥過程中干燥曲線采用水分比（moisture ratio，MR）隨時間變化的曲線。不同干燥時間胡蘿卜水分比的計算如式（1）所示。

式中：M0為物料初始干基含水率，%；Mt為物料在t時刻的干基含水率，%。

胡蘿卜干燥過程中的干燥速率（drying rate，DR）采用式（2）計算。

式中：DR為干燥過程中t1和t2之間物料降水率，%/h；Mt1和Mt2分別為t1和t2時刻的干基含水率，%。

干基含水率（moisture content on dry basis）采用式（3）計算。

式中：Wt為任意時刻物料總質(zhì)量，g；G為干物質(zhì)質(zhì)量，g。

1.2.3 品質(zhì)指標的測定

1.2.3.1 維生素C含量采用GB 5009.86—2016《食品中抗壞血酸的測定》[14]2, 6-二氯靛酚滴定法測定。

1.2.3.2 色度差

以新鮮胡蘿卜為對照，采用分光測色儀進行色差的測定。首先將胡蘿卜干粉碎，過0.150 mm（100目）篩，測定其色差值明亮度L*，紅綠值a*和藍黃值b*，每組測定3次，取平均值，計算色差值差異值ΔE*值進行綜合評價[15]，以鮮胡蘿卜色差值參數(shù)L0*、a0*、b0*作為胡蘿卜色差ΔE*值的參照。其中，ΔE*值就是鮮胡蘿卜與干燥后胡蘿卜的色度差。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

通過Excel完成單因素試驗原始數(shù)據(jù)的整理，誤差、方差分析和多重比較的計算，運用Oringin 8.0完成所有圖的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥溫度對胡蘿卜干燥特性的影響

在干燥轉(zhuǎn)速120 r/min、切片厚度6 mm條件下，不同干燥溫度條件下胡蘿卜的干燥曲線如圖1所示。由圖1（a）可知，干燥溫度在60，65，70和75 ℃時胡蘿卜達預(yù)期含水量所需干燥時間分別為700±7，650±5，500±5和450±6 min，干燥溫度對胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥特性有顯著影響（p＜0.05），與60 ℃相比，75 ℃干燥時間縮短35.71%。雖然溫度越高，物料水分擴散速率越快，干燥時間越短，但溫度過高易導(dǎo)致胡蘿卜營養(yǎng)成分β-胡蘿卜素和維生素C等的氧化和結(jié)構(gòu)破壞嚴重，同時細胞因受損嚴重而導(dǎo)致復(fù)水效果下降，因此選擇70 ℃較佳。

從圖1（b）可看出，在其他條件一定的情況下，干燥速率隨著干燥溫度、干基含水率的增大而增大。干基含水率大于50%時，溫度越高，干燥速率增加幅度越快，在干燥溫度60～75 ℃有極顯著差異（p＜0.01），這是因為在干燥前期，物料的含水率較高，溫度越高，物料脫水速率就越快。不同干燥溫度下，胡蘿卜在整個干燥過程中干燥速率逐漸降低，沒有恒速階段，每個干燥過程均屬于典型降速干燥。大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)物料的干燥都屬于降速干燥，這是由于水分在物料內(nèi)部擴散速度低于表層蒸發(fā)速度所致[17]。

圖1 不同干燥溫度下胡蘿卜的干燥曲線和干燥速率曲線

2.2 不同干燥轉(zhuǎn)速對胡蘿卜干燥特性的影響

胡蘿卜不同干燥轉(zhuǎn)速條件下的干燥曲線如圖2所示。由圖2（a）可知，在干燥溫度70 ℃，切片厚度6 mm，干燥轉(zhuǎn)速分別為0，60，120和180 r/min條件下，胡蘿卜達到目標含水量所需干燥時間分別為800±7，600±6，500±7和400±8 min。由此可見，隨著干燥轉(zhuǎn)速的增大，干燥時間顯著縮短，說明干燥轉(zhuǎn)速對胡蘿卜真空-旋蒸干燥特性有極顯著影響（p＜0.01），利于提高胡蘿卜干燥速率和干燥效果的關(guān)鍵因素之一。這是因為真空-旋蒸聯(lián)合干燥以傳導(dǎo)傳熱方式使物料內(nèi)水分受熱往外擴散，在物料瓶帶動物料旋轉(zhuǎn)時，不僅使物料在整個干燥過程中受熱均勻，而且在抽真空作用下會使物料表面及系統(tǒng)內(nèi)水分快速進入冷卻系統(tǒng)被排出，旋轉(zhuǎn)速度越快，這一效果越顯著。但轉(zhuǎn)速越高，耗能越大，綜合考慮，選擇120 r/min為較適。

由圖2（b）可看出，干燥轉(zhuǎn)速對胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥速率有極顯著影響。干燥初期干燥速率相對較慢，這一階段屬于預(yù)熱階段，物料瓶與物料溫度均上升較慢，影響胡蘿卜脫水速率。干燥轉(zhuǎn)速不僅影響物料前期干燥速率，對后期含水率較低物料影響更大，干基含水率小于50%時，結(jié)合水多于自由水，干燥速率較慢，然而180 r/min轉(zhuǎn)速的物料干燥速率較其他轉(zhuǎn)速有極顯著差異。說明真空-旋蒸干燥有助于提高物料后期干燥速率。

圖2 不同干燥轉(zhuǎn)速下胡蘿卜的干燥曲線和干燥速率曲線

2.3 不同試驗條件對胡蘿卜維生素C含量的影響

胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥不同試驗條件對胡蘿卜維生素C含量的影響試驗結(jié)果如圖3所示。真空干燥溫度和干燥轉(zhuǎn)速對胡蘿卜維生素C含量均有顯著影響（p＜0.05），但影響變化趨勢各有不同。隨著溫度上升，維生素C含量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，干燥溫度為70 ℃時維生素C含量最高，9.73±0.07 mg/100 g。當?shù)陀诨蚋哂?0 ℃時，較長干燥時間或較高溫度干燥都導(dǎo)致維生素C氧化。值得一提的是，較其他溫度，60℃試驗結(jié)果最低，進一步說明過長的干燥時間是導(dǎo)致胡蘿卜維生素C含量下降的主要因素，縮短干燥時間是保留維生素C含量的有效措施。隨干燥轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，轉(zhuǎn)速180 r/min時維生素C含量最高，因干燥時間最短，轉(zhuǎn)速0 r/min次之，靜態(tài)干燥降低物料受機械損傷的程度，從而減少了維生素C的損失。

圖3 不同試驗條件下的胡蘿卜維生素C含量

2.4 不同試驗條件對胡蘿卜色差值的影響

根據(jù)表1試驗設(shè)計研究不同試驗條件對胡蘿卜干色差值的影響，結(jié)果如圖4所示。真空干燥溫度、干燥轉(zhuǎn)速和切片厚度對色差值綜合指標ΔE*值均有顯著影響（p＜0.05），ΔE*越小，說明胡蘿卜干色差值與鮮樣色差值差異越小，色差值越好。在干燥溫度60～70 ℃之間，ΔE*值無顯著差異，但均大于干燥溫度75℃時的ΔE*值。胡蘿卜呈色成分主要為胡蘿卜素，說明胡蘿卜素對溫度的變化不是非常敏感，同時低溫導(dǎo)致的較長干燥時間對其也沒有產(chǎn)生較大影響，這一結(jié)果說明胡蘿卜呈色物質(zhì)在一定真空度和轉(zhuǎn)速條件下，對較長時間加熱干燥較為穩(wěn)定。隨著干燥轉(zhuǎn)速的增大，干胡蘿卜色差值ΔE*值呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，這一結(jié)果與胡蘿卜干產(chǎn)品外表呈色相一致，即在0和180 r/min條件下制干產(chǎn)品色差值更接近于鮮樣，呈色與外形自然。這一機理需進一步研究。

圖4 不同試驗條件下的胡蘿卜色差值

3 結(jié)論

真空旋蒸干燥溫度、干燥轉(zhuǎn)速對胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥特性有顯著影響（p＜0.05），隨著干燥溫度、干燥轉(zhuǎn)速增大，胡蘿卜干燥時間大幅縮短，最短干燥時間分別為450±6 min和400±8 min。

真空旋蒸干燥溫度、干燥轉(zhuǎn)速對胡蘿卜干燥品質(zhì)也具有顯著影響（p＜0.05）。其中干燥溫度對胡蘿卜維生素C含量影響較大，對色差值的影響較小，干燥轉(zhuǎn)速對胡蘿卜維生素C含量和色差值均有顯著影響，因此干燥轉(zhuǎn)速是影響胡蘿卜真空-旋蒸聯(lián)合干燥的關(guān)鍵因素之一。

根據(jù)試驗結(jié)果，當胡蘿卜真空-旋蒸干燥溫度、干燥轉(zhuǎn)速和切片厚度分別選擇70 ℃、120 r/min時，干燥時間較短，且品質(zhì)較高，為該方法工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。