黃秋葵熱風(fēng)與遠(yuǎn)紅外干燥特性、動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)的比較

麥馨允，?？?，胡秦佳寶，黃斌，劉彩華*，周奕豪，鞠明哲

（1.百色學(xué)院 農(nóng)業(yè)與食品工程學(xué)院，廣西 百色 533000；2.百色學(xué)院亞熱帶特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)學(xué)院，廣西 百色 533000；3.百色學(xué)院 廣西芒果生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 百色 533000）

黃秋葵（Abelmoschus moschatus L.Medic.）屬錦葵科、秋葵屬，其營養(yǎng)豐富，開發(fā)利用價(jià)值較高。新鮮黃秋葵在采摘后仍進(jìn)行呼吸作用，而且其質(zhì)地脆嫩，易發(fā)生機(jī)械損傷，從而導(dǎo)致微生物侵染和營養(yǎng)流失，影響貨架壽命及食用品質(zhì)。對(duì)黃秋葵進(jìn)行干制可抑制微生物活動(dòng)和酶活性，減輕質(zhì)量，減小體積，降低包裝和貯運(yùn)成本[1]。

加工過程中對(duì)黃秋葵干燥的方法主要有熱風(fēng)干燥[2]、遠(yuǎn)紅外干燥[3]、真空干燥[4]、真空冷凍干燥[5]、真空微波干燥[6]等。真空干燥、真空冷凍干燥、微波干燥成本高，熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外干燥成本低廉、操作簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)，因此熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。李婧怡等[6]研究了黃秋葵真空微波干燥特性及其動(dòng)力學(xué)；徐康等[7]和李婧怡等[8]研究了不同干燥方法對(duì)黃秋葵膳食纖維、果膠、總糖、黃酮等物質(zhì)含量及抗氧化能力的影響；王迪等[3]應(yīng)用不同干燥方式對(duì)黃秋葵進(jìn)行干燥，主要考察干制品硬度、脆度、收縮率、總黃酮、總酚、多糖和干燥時(shí)間；劉文超等[4]采用響應(yīng)面優(yōu)化黃秋葵真空干燥工藝試驗(yàn)中以干燥速率和VC含量作為評(píng)判指標(biāo)。由此可見，目前對(duì)黃秋葵干燥過程和干燥工藝的研究角度單一，或單一研究干燥特性，或以營養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)和干燥時(shí)間為指標(biāo)研究干燥工藝，缺乏結(jié)合干燥特性、干燥動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)品理化指標(biāo)這3 方面對(duì)黃秋葵干燥過程和干燥工藝的研究。

本文通過研究黃秋葵熱風(fēng)干燥和遠(yuǎn)紅外干燥的干燥特性、動(dòng)力學(xué)及干制品品質(zhì)上的差異，并基于主成分分析，以干燥時(shí)間、有效水分?jǐn)U散系數(shù)、VC含量、復(fù)水比、硬度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，獲得黃秋葵的最優(yōu)干燥工藝，以期為黃秋葵的干制技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮黃秋葵：市售，挑揀無病蟲害、無畸形、無機(jī)械損傷、大小均勻、成熟度一致的黃秋葵。干燥試驗(yàn)前測定鮮黃秋葵初始濕基含水率。

抗壞血酸、碳酸氫鈉：天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；2，6-二氯靛酚鈉鹽：南京都萊生物技術(shù)有限公司；草酸：西隴化工股份有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TMS-PRO 食品物性分析儀：美國FTC 公司；FA1204B 型電子天平：上海安亭電子儀器廠；101-3AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；YHG-300-BS 遠(yuǎn)紅外快速恒溫干燥箱：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥試驗(yàn)

將挑選好的黃秋葵清洗干凈后，去掉頭尾，將中段橫切（垂直果莖長度方向）成1 cm 高度的小段，取22.11 g樣品分別置于電熱鼓風(fēng)干燥箱、遠(yuǎn)紅外快速恒溫干燥箱中在一定的溫度（60、70、80、90 ℃）下干燥，每隔30 min進(jìn)行稱量；當(dāng)前后兩次質(zhì)量差不超過0.10 g 時(shí)，即認(rèn)為樣品達(dá)到平衡含水率，結(jié)束干燥。此時(shí)的干基含水率不超過0.087 g/g，符合脫水蔬菜水分含量的要求[9]。設(shè)3 組平行，干燥結(jié)束后，測定干制品的VC含量、復(fù)水比和硬度。

1.3.2 含水率測定

采用直接干燥法測定樣品含水率[10]。

1.3.3 干基含水率

干基含水率測定參考王新茗等[11]的方法，計(jì)算公式如下。

式中：Mt為干基含水率，g/g；mt為樣品干燥t 時(shí)刻的質(zhì)量，g；md為樣品干物質(zhì)質(zhì)量，g。

1.3.4 水分比

水分比測定參考Xiao 等[12]的方法，計(jì)算公式如下。

式中：RM為水分比；M0為樣品初始干基含水率，g/g；Mt為樣品干燥t 時(shí)刻的干基含水率，g/g。

1.3.5 干燥速率

干燥速率測定參考Horuz 等[13]的方法，計(jì)算公式如下。

式中：RD為樣品干燥速率，g/（g·min）；Mt+Δt為樣品干燥t+Δt 時(shí)刻的干基含水率，g/g；Mt為樣品干燥t 時(shí)刻的干基含水率，g/g；Δt 為時(shí)間差值，min。

1.3.6 VC含量的測定

黃秋葵中的VC含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定[14]。

1.3.7 復(fù)水比

稱取一定質(zhì)量黃秋葵干制品，在室溫下浸泡于蒸餾水中50 min，撈出瀝干2 min 后稱重，復(fù)水比計(jì)算如下[15]。

式中：R 為復(fù)水比；mf為樣品復(fù)水后瀝干質(zhì)量，g；md為干制品質(zhì)量，g。

1.3.8 硬度

采用食品物性分析儀的穿刺模式進(jìn)行黃秋葵硬度的測定。

1.4 干燥動(dòng)力學(xué)

1.4.1 動(dòng)力學(xué)模型

選取6 種常用模型對(duì)黃秋葵干燥過程水分變化進(jìn)行非線性擬合[16-18]，干燥模型見表1。

表1 干燥模型Table 1 Drying models

1.4.2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

黃秋葵橫向切斷，體積形狀類似圓柱體，干燥特性可用Fick 擴(kuò)散方程描述，計(jì)算公式如下。

式中：Deff為有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；r 為黃秋葵橫切后圓柱體小段的半徑，0.008 41 m；t 為干燥時(shí)間，s；λn為貝塞爾函數(shù)（Bessel）函數(shù)的根；n=1，2，3…。

令dY/dt=0，y1*=0,y2*=1,X*=(S5-C3)/S5若被動(dòng)房對(duì)購房者產(chǎn)生吸引力，則政府需要通過財(cái)政補(bǔ)貼等方式，確保購房者購買被動(dòng)房所獲得的收益超過其額外付出的成本，因此S5>C3。

式（11）只取第一項(xiàng)，即n=1，λ1=2.405[19]，則方程可變換為以下公式。

1.4.3 干燥活化能

干燥活化能計(jì)算參考Doymaz 等[20]的方法，計(jì)算公式如下。

式中：Ea干燥活化能，J/mol；D0為擴(kuò)散前置因子，m2/s；T 為干燥溫度，℃；R 為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用PASW Statistics 18 進(jìn)行方差分析、主成分分析，差異顯著性分析采用最小顯著性差異法。采用1stOpt 1.5 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析、二次多項(xiàng)式回歸分析，根據(jù)模型的決定系數(shù)R2、均方根誤差（root mean square error，RMSE）、殘差平方和（sum of squares for error，SSE）對(duì)模型擬合度進(jìn)行整體評(píng)價(jià)[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同干燥條件對(duì)黃秋葵干燥特性的影響

熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外干燥對(duì)黃秋葵干燥特性的影響如圖1 所示。

圖1 不同干燥條件對(duì)黃秋葵干燥特性的影響Fig.1 Effects of different drying conditions on the drying characteristics of Abelmoschus moschatus

由圖1a、圖1A 的干基含水率曲線可知，干基含水率隨著干燥時(shí)間的延長而下降。干燥溫度越高，干基含水率下降越快，到達(dá)干燥終點(diǎn)的時(shí)間越短；在相同溫度下，熱風(fēng)干燥到達(dá)干燥終點(diǎn)的時(shí)間比遠(yuǎn)紅外干燥的短。60、70、80、90 ℃下熱風(fēng)干燥結(jié)束時(shí)間分別為420、300、240、210 min，遠(yuǎn)紅外干燥結(jié)束耗時(shí)480、420、330、300 min。由圖b、圖B 的水分比曲線可知，熱風(fēng)干燥和遠(yuǎn)紅外干燥的水分比變化趨勢與干基含水率相似，均隨干燥時(shí)間延長而下降。

由圖1c、圖1C 的干燥速率曲線可知，熱風(fēng)干燥未監(jiān)測到恒速干燥階段，說明熱風(fēng)干燥可能大部分階段均處在內(nèi)部擴(kuò)散控制階段，黃秋葵內(nèi)部水分?jǐn)U散速度低于表面水分的汽化速度。在干燥30 min 后，熱風(fēng)干燥速率下降比遠(yuǎn)紅外干燥快，這是因?yàn)樵跓犸L(fēng)干燥過程中，黃秋葵表面干燥速率過快容易形成硬殼，溫度越高，形成硬殼的進(jìn)程就越快，從而阻礙表面汽化。

2.2 干燥動(dòng)力學(xué)模型的比較

干燥動(dòng)力學(xué)通常被用于描述在干燥過程中的傳質(zhì)規(guī)律，模型受干燥條件和待干燥物料特性等決定。干燥動(dòng)力學(xué)模型對(duì)干燥設(shè)備設(shè)計(jì)、干燥過程優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)十分重要[23]。將部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合表1 所列的干燥動(dòng)力學(xué)模型，擬合效果見表2。

表2 干燥模型擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of drying models

模型擬合優(yōu)度可用試驗(yàn)值和預(yù)測值之間的關(guān)系來判斷，R2越接近1，RMSE、SSE 越接近0，其模型擬合度越好。通過表2 的模型優(yōu)度指標(biāo)對(duì)比可知，Midilli 模型的RMSE＜0.02、SSE＜0.002，R2≥0.999，均最優(yōu)，故Midilli 模型為預(yù)測黃秋葵熱風(fēng)干燥及遠(yuǎn)紅外干燥的水分變化規(guī)律最適宜的干燥模型。該模型在預(yù)測胡蘿卜熱風(fēng)薄層干燥[24]、腰果的太陽能干燥[25]、山楂熱風(fēng)薄層干燥[26]等的效果均較好。

表3 為采用Midilli 模型擬合獲得的模型參數(shù)估計(jì)值。

表3 Midilli 模型參數(shù)估計(jì)值Table 3 Drying parameter estimations of Midilli model

由表3 可知，無論是熱風(fēng)干燥還是遠(yuǎn)紅外干燥，模型參數(shù)k、a、b、n 值都隨溫度（T，℃）變化而變化，即是T 的函數(shù)，將k、a、b、n 值與T 進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，得到各模型參數(shù)對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式，再將上述參數(shù)對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式帶入式（9），分別得到熱風(fēng)和遠(yuǎn)紅外干燥的最終模型，即式（14）、式（15）。

選取70 ℃的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別與式（14）、式（15）模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖2 所示，熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外干燥試驗(yàn)觀測值與模型預(yù)測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 0 和0.999 6（α=0.01），斜率和截距分別與1 和0 無顯著差異，說明擬合程度較好，模型能夠預(yù)測黃秋葵熱風(fēng)和遠(yuǎn)紅外干燥試驗(yàn)范圍內(nèi)任意時(shí)刻、任意干燥溫度下的水分變化。

2.3 有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能分析

根據(jù)式（12）、式（13）計(jì)算出有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能，結(jié)果見表4。

表4 不同干燥條件下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能Table 4 Deff and Ea at different drying conditions

由表4 可知，有效水分?jǐn)U散系數(shù)的范圍在6.13×10-10～1.99×10-9m2/s 之間，符合農(nóng)產(chǎn)品干燥典型的數(shù)值范圍（10-11～10-9m2/s），表明了在干燥過程中，黃秋葵內(nèi)部水分?jǐn)U散方式為液態(tài)擴(kuò)散[27]。干燥溫度越高，干燥能力越強(qiáng)，有效水分?jǐn)U散系數(shù)就越大；在相同干燥溫度下，熱風(fēng)干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)比遠(yuǎn)紅外干燥的大0.52～1.10 倍，這可能是由于遠(yuǎn)紅外加熱原理和黃秋葵的植物組織特性造成的。遠(yuǎn)紅外干燥初期，黃秋葵表面平均含水量較高，所吸收的遠(yuǎn)紅外線大部分作用于表面水分的蒸發(fā)，但蒸發(fā)的水分散失不如熱風(fēng)干燥及時(shí)，因此遠(yuǎn)紅外干燥速率低于熱風(fēng)干燥[28]。到降速干燥階段，黃秋葵表面水分含量降低，內(nèi)部吸收較多遠(yuǎn)紅外線，內(nèi)部溫度高于表面溫度，但由于黃秋葵內(nèi)部多孔狀，起到絕緣體功能，從而減慢熱量的傳遞[29]。相同干燥溫度下遠(yuǎn)紅外干燥效率比熱風(fēng)干燥低這一現(xiàn)象，與楊亮[30]對(duì)苦瓜片熱風(fēng)、紅外干燥中的結(jié)果相似。由活化能大小可知，熱風(fēng)每干燥1 mol 的水分需要的能量比遠(yuǎn)紅外約少5 481.76 J，說明熱風(fēng)干燥黃秋葵比遠(yuǎn)紅外干燥容易。

2.4 不同干燥條件對(duì)黃秋葵干制品質(zhì)量的影響

熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外干燥對(duì)黃秋葵干制品質(zhì)量的影響如表5 所示。

表5 不同干燥條件對(duì)黃秋葵品質(zhì)的影響Table 5 Effects of different drying conditions on the quality of A.moschatus

由表5 可知，在相同溫度下，熱風(fēng)干燥產(chǎn)品VC含量比遠(yuǎn)紅外干燥的VC含量高1.42～2.05 倍。這反映了VC高溫降解過程具有溫度和時(shí)間的累積效應(yīng)，相同溫度下熱風(fēng)干燥耗時(shí)比遠(yuǎn)紅外干燥的短，因此熱風(fēng)干燥的VC保留較多。60 ℃熱風(fēng)干燥的VC含量最高（P＜0.05）。

對(duì)于復(fù)水比而言，熱風(fēng)干燥的復(fù)水比隨溫度的上升而先上升后下降，遠(yuǎn)紅外干燥的復(fù)水比隨溫度的上升而下降。前者可能是因?yàn)?0 ℃熱風(fēng)干燥速率慢，植物組織萎縮、變形時(shí)間長，復(fù)水性差；80、90 ℃熱風(fēng)干燥，黃秋葵在干燥初始階段迅速失水，蛋白質(zhì)變性、糖分等水溶性成分隨水向外遷移，導(dǎo)致表面結(jié)殼，復(fù)水性差。后者是因?yàn)檫h(yuǎn)紅外加熱具有穿透性和均勻性，且60 ℃遠(yuǎn)紅外干燥對(duì)黃秋葵細(xì)胞組織的破壞較小，復(fù)水比較大。因此，熱風(fēng)70 ℃、遠(yuǎn)紅外60 ℃的干制品復(fù)水比較好。

對(duì)于硬度而言，溫度過高，脫水反應(yīng)越激烈，容易形成較硬的組織，因此90 ℃時(shí)硬度最大（P＜0.05）；熱風(fēng)70 ℃、遠(yuǎn)紅外60 ℃、遠(yuǎn)紅外70 ℃的干制品硬度較好。

2.5 黃秋葵最優(yōu)干燥工藝選擇

對(duì)不同干燥條件下黃秋葵的干燥時(shí)間、有效水分?jǐn)U散系數(shù)、VC含量、復(fù)水比、硬度這5 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。主成分分析結(jié)果中的因子得分、主成分得分、綜合得分見表6。

表6 因子得分、主成分得分、綜合得分結(jié)果Table 6 Factor scores，principle component scores，and overall scores

由表6 可知，70 ℃熱風(fēng)干燥黃秋葵的綜合得分最高，因此黃秋葵最優(yōu)干燥條件為70 ℃熱風(fēng)干燥。

3 結(jié)論

由干燥特性曲線可知，無論熱風(fēng)干燥還是遠(yuǎn)紅外干燥，升高溫度，干基含水率、水分比下降就越快。相同干燥溫度下，熱風(fēng)干燥的耗時(shí)比遠(yuǎn)紅外干燥的要短。黃秋葵的熱風(fēng)干燥速率受干基含水量影響較大，遠(yuǎn)紅外干燥速率受干基含水率影響較小。

Midilli 模型能準(zhǔn)確描述黃秋葵熱風(fēng)和遠(yuǎn)紅外干燥過程中的水分變化規(guī)律，模型的試驗(yàn)值與預(yù)測值擬合精度較高，可在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)對(duì)水分比進(jìn)行預(yù)測。在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，黃秋葵有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨溫度的增大而增大；由于遠(yuǎn)紅外的干燥原理以及黃秋葵植物組織內(nèi)部多孔狀特性，在相同干燥溫度下，熱風(fēng)干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)比遠(yuǎn)紅外干燥的大0.52～1.10 倍，同時(shí)其干燥所需活化能比遠(yuǎn)紅外干燥的小5 481.76 J/mol。

干燥過程中VC的降解受溫度和時(shí)間累積效應(yīng)的影響；干燥時(shí)間、干燥溫度過高對(duì)復(fù)水比和硬度影響較大。最終，以黃秋葵干燥特性、動(dòng)力學(xué)及干制品質(zhì)量為指標(biāo)，基于主成分分析獲得黃秋葵干燥條件，即：熱風(fēng)溫度70 ℃，干燥時(shí)間為300 min，有效水分?jǐn)U散系數(shù)為1.36×10-9m2/s，所得干制品VC含量7.71 mg/100 g、復(fù)水比6.03、硬度3.25 N。