洞道與流化床組合干燥青椒的工藝研究

孫新怡，徐海軍，朱禮強(qiáng)，孫旭蕊，孫清瑞，朱成成，隋世有，金麗梅

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319；2.內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司）

青椒為雙子葉茄科植物，果實(shí)略帶甜味，果肉厚實(shí)，水分充足，在日常飲食中深受人們的喜愛(ài)[1-2]。青椒含有豐富的類胡蘿卜素、維生素C 等物質(zhì)[3-4]，其中類胡蘿卜素作為維生素A 原和抗氧化劑，可預(yù)防多種慢性疾病并調(diào)節(jié)人體免疫力；維生素C 能夠促進(jìn)傷口愈合，防止牙齦出血，對(duì)貧血起輔助作用。另外，青椒也是酚類和類黃酮類物質(zhì)的極好來(lái)源。但是青椒本身含水率較高（濕基含量90%～94%），屬于易腐爛蔬菜，在貯藏、運(yùn)輸和銷售等環(huán)節(jié)容易感染真菌疾病，還會(huì)出現(xiàn)采后問(wèn)題，損害其自身價(jià)值[5-6]。青椒多數(shù)以日常烹飪的方式進(jìn)行加工，而深加工工藝較少。因此，開(kāi)發(fā)青椒干燥制品，有利于降低貯運(yùn)費(fèi)用并改善其口感和風(fēng)味，為進(jìn)一步提高青椒的利用價(jià)值以及休閑食品的開(kāi)發(fā)等都具有重要意義。

熱風(fēng)干燥具有速度快、操作便利、成本低等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于干制品加工中[7-9]。其中洞道干燥中熱空氣和物料接觸面積大，干燥制品保持較好形狀，色澤保留度較高，但長(zhǎng)時(shí)間干燥會(huì)產(chǎn)生焦糊、變色，造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失[10]。為解決單一熱風(fēng)干燥的缺點(diǎn)，近年來(lái)，開(kāi)發(fā)了多種不同的聯(lián)合干燥方法[11-12]，但是由于青椒果肉厚實(shí)，真空干燥仍需要克服水分子從內(nèi)部擴(kuò)散到表面的阻力，干燥速率慢[13]。微波干燥雖然干燥時(shí)間短，但容易引起物料表面過(guò)熱，使物料發(fā)生部分膨化，導(dǎo)致顏色和形狀發(fā)生改變，大大降低產(chǎn)品品質(zhì)[14]。遠(yuǎn)紅外干燥憑借“共振”現(xiàn)象使物料升溫，且對(duì)熱敏物質(zhì)破壞不大，但是對(duì)于果實(shí)較厚的青椒而言，遠(yuǎn)紅外技術(shù)的穿透距離較短只有幾毫米，不能實(shí)現(xiàn)完全干燥[15]。

相比于其他干燥方法，流化床干燥具有傳熱效果好、干燥速度快等優(yōu)點(diǎn)，可有效避免產(chǎn)品的局部過(guò)熱，還能起到殺菌效果[16-17]，將其與洞道干燥相結(jié)合后大大提高干燥效率，降低能耗，提升產(chǎn)品品質(zhì)，在果蔬干燥領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。目前，利用洞道與流化床組合干燥的研究對(duì)象主要有甘藍(lán)絲、香菇和黃桃等[18-20]。

研究擬采用洞道和流化組合的方式對(duì)青椒進(jìn)行干燥，控制由洞道向流化干燥的含水率轉(zhuǎn)換點(diǎn)，并優(yōu)化干燥工藝條件，制備出一種天然綠色、健康營(yíng)養(yǎng)的青椒干制品，并為進(jìn)一步工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮青椒：選自北京華聯(lián)生活超市；碳酸氫鈉：天津市紅巖化學(xué)試劑廠；2，6-二氯酚靛酚鈉：成都市科龍化工試劑廠；丙酮、草酸、抗壞血酸：天津市大茂化學(xué)試劑廠；鹽酸：哈爾濱試劑化工廠；乙醇：天津市富宇精細(xì)化工有限公司；碳酸鈣：天津市河?xùn)|區(qū)紅巖試劑廠；試劑均為分析純。

LHC-3 流化床干燥操作演示實(shí)驗(yàn)裝置：天津大學(xué)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心；DHG-9415A 型恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科技有限公司；HH-1 數(shù)顯恒溫水浴鍋：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；洞道干燥實(shí)驗(yàn)裝置：天津大學(xué)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心；722S 分光光度計(jì)：上海天普分析儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 青椒的洞道干燥

選取新鮮青椒洗凈，去籽、切片后，將90 ℃燙漂70 s[8]，涼水冷卻放入洞道干燥機(jī)中干燥，確定干球溫度為65 ℃，風(fēng)速0.85 m·s-1，干燥室截面積為0.03 m2。研究不同青椒切片寬度（1、2、4、6、8 mm）對(duì)干基含水率和干燥速率的影響，每間隔5 min 翻轉(zhuǎn)青椒并記錄一次質(zhì)量，計(jì)算干基含水率并繪制干燥曲線和干燥速率曲線，確定不同厚度青椒由恒速轉(zhuǎn)變?yōu)榻邓贂r(shí)的含水率轉(zhuǎn)換點(diǎn)。

1.2.2 青椒的流化干燥

將洞道干燥到轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率的青椒放入流化干燥室內(nèi)進(jìn)行干燥，至干基含水率0.11 g·g-1時(shí)為干燥終點(diǎn)[21]，控制切片寬度、熱風(fēng)溫度和風(fēng)速，繪制干燥曲線。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)考察切片寬度（1、2、4、6、8 mm）、熱風(fēng)溫度（30、40、50、60、70 ℃）、風(fēng)速（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m·s-1）對(duì)青椒干基含水率、復(fù)水比、Vc 保留率和葉綠素保留率的影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，對(duì)流化干燥實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳工藝流程。

1.3 指標(biāo)檢測(cè)

1.3.1 含水率的測(cè)定

青椒含水率測(cè)定參照GB/T 5009.3-2016 的方法[22]，通過(guò)105 ℃的干燥箱測(cè)定青椒樣品的初始含水率及絕干物料質(zhì)量。計(jì)算干基含水率Mt、干燥速率DR。

式中：mt為t 時(shí)刻樣品質(zhì)量，g；md為樣品的絕干質(zhì)量，g。

式中：Mt1和Mt2分別為樣品干燥到t1和t2時(shí)的干基含水率，g·g-1。

1.3.2 復(fù)水比的測(cè)定

稱取一定量干燥后的樣品放入準(zhǔn)備好的燒杯中，加入樣品體積20 倍的蒸餾水，在常溫條件下浸漬2 h 后取出，利用濾紙去除多余的蒸餾水，稱量，計(jì)算復(fù)水比MR[23]。

式中：mt為樣品復(fù)水后瀝干質(zhì)量，g；m0為樣品復(fù)水前質(zhì)量，g。

1.3.3 Vc 保留率的測(cè)定

Vc 的測(cè)定采用2，6-二氯靛酚法，計(jì)算Vc 保留率Q[24]。

式中：YQ為干燥后青椒的Vc 含量，mg·100 g-1；XQ為青椒的初始Vc 含量，mg·100 g-1。

1.3.4 葉綠素保留率的測(cè)定

葉綠素的測(cè)定采用GB/T 22182—2008，計(jì)算總?cè)~綠素保留率C[25]。

式中：Yc為干燥后青椒葉綠素含量，mg·g-1；Xc為青椒初始葉綠素含量，mg·g-1。

1.3.5 綜合加權(quán)評(píng)分法

利用熵權(quán)法確定指標(biāo)的客觀權(quán)重系數(shù)[26]，求得復(fù)水比、Vc 保留率和葉綠素保留率的客觀權(quán)重分別為0.43、0.27 和0.30。從權(quán)重角度優(yōu)先考慮復(fù)水比，其次為Vc 保留率和葉綠素保留率。計(jì)算綜合加權(quán)評(píng)分值yj。

式中：j 為實(shí)驗(yàn)序號(hào)，1~9；MRj為第j 號(hào)實(shí)驗(yàn)的復(fù)水比；MRjmax為復(fù)水比最大值；Cj為第j 號(hào)實(shí)驗(yàn)的葉綠素保留率；Cjmax為葉綠素保留率最大值；Qj為第j 號(hào)實(shí)驗(yàn)的Vc 保留率；Qjmax為Vc 保留率最大值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2019 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 洞道干燥實(shí)驗(yàn)

青椒切片寬度為1、2、4、6、8 mm 時(shí)的青椒干燥曲線和干燥速率曲線，如圖1 所示。

圖1 青椒不同切片寬度對(duì)洞道干燥速率的影響Fig.1 Effect of different slice width of green pepper on tunnel drying rate

由圖1（a）可知，青椒洞道干燥過(guò)程中，由于青椒切片寬度為1、2、4、6、8 mm，其干基含水率從初始的17.23 g·g-1降至0.012 g·g-1左右，所需時(shí)間從140 min 延長(zhǎng)到330 min。青椒切片寬度越薄，其失水則越快，干燥的時(shí)間則越短，這是由于干燥過(guò)程中青椒中的水分從內(nèi)部傳遞到表面并且被蒸發(fā)，切片厚度越小，水分傳遞的阻力越小，蒸發(fā)也會(huì)變快；反之亦是如此[27]。

由圖1（b）可知，一個(gè)完整的干燥過(guò)程大致可包括三個(gè)部分，即加速→恒速→降速干燥階段。在干燥早期，青椒內(nèi)部自由水分含量高，水分先從較大的毛細(xì)管中排到表面，表面水分汽化較快，青椒干燥速率持續(xù)增加，達(dá)到最大值。隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，青椒含水率隨著表面水分的汽化在不斷下降，青椒中的水分從較小的毛細(xì)管中排到表面，然而濕球溫度基本維持不變，溫度差和飽和蒸氣壓差保持恒定，傳熱和傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力不變，干燥速率在最大值處上下波動(dòng)，此時(shí)為恒速干燥階段。在干燥后期，青椒外部水分汽化嚴(yán)重，與持水部位緊密結(jié)合的水分被除去，內(nèi)部水分向外轉(zhuǎn)移的速率低于汽化速率，導(dǎo)致水分加速流失，蒸汽壓平衡被打破，傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力快速減小，干燥速率大幅度降低，接近于零時(shí)停止。結(jié)合圖1（a）和（b）可以得出，降速階段干燥速率急劇下降，因此將恒速轉(zhuǎn)為降速時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界含水率作為洞道干燥向流化床干燥轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，由于切片寬度不同，轉(zhuǎn)換點(diǎn)含水率也各不相同，切片寬度1、2、4、6、8 mm 所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)干基含水率分別為1.04、1.07、1.17、1.25、1.57 g·g-1。

2.2 流化干燥實(shí)驗(yàn)

2.2.1 切片寬度的確定

設(shè)置流化溫度50 ℃、風(fēng)速1.5 m·s-1時(shí)，研究青椒切片寬度分別為1、2、4、6、8 mm，對(duì)流化干燥曲線和青椒品質(zhì)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同切片寬度對(duì)青椒流化干燥的影響Fig.2 Effects of different slice widths on fluidization drying of green pepper

由圖2（a）可知，在不同切片寬度下干基含水率的變化趨勢(shì)基本一致，皆是由快至緩，最后趨于平穩(wěn)，且隨著切片寬度的增加，干基含水率達(dá)到平穩(wěn)所需的時(shí)間也就越長(zhǎng)。這是由于在流化干燥中，物料越薄，與熱空氣接觸的表面積越大，其內(nèi)部產(chǎn)生的能量越容易使水分向表面遷移，因此干燥至相同的干基含水率，所需時(shí)間越短。但是切片寬度過(guò)薄或過(guò)厚都不利于提高青椒的干燥，當(dāng)青椒絲太薄，則得到的干制品蜷曲的越嚴(yán)重，品質(zhì)越差，這可能是因?yàn)榍嘟菲至魇н^(guò)快，內(nèi)部未能及時(shí)供應(yīng)到青椒表面和邊緣[28]；而青椒切片過(guò)厚，熱風(fēng)無(wú)法透過(guò)青椒，且無(wú)法產(chǎn)生空氣相對(duì)濕度差，此時(shí)青椒表面的水分不能很好的去除，青椒表面與熱空氣間也未存在對(duì)流傳質(zhì)[29-30]。所以在保證青椒絲品質(zhì)允許的條件下，適當(dāng)選擇青椒切片寬度。

由圖1（a）洞道干燥曲線和圖2（a）流化干燥曲線對(duì)比可知，流化干燥所需干燥時(shí)間少于洞道干燥。這是由于流化干燥受熱更均勻，青椒表面溫度與內(nèi)部溫差較大，物料容易脫水，致使床層發(fā)生改變，即由固定床變?yōu)榱骰?，傳質(zhì)效果增加，干燥時(shí)間減少。

由圖2（b）可知，隨著切片寬度的增加，復(fù)水比、Vc 保留率和葉綠素保留率趨勢(shì)大致相同，都是呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)，當(dāng)切片寬度為4 mm 時(shí)，青椒片內(nèi)部細(xì)胞組織損傷小，Vc 和葉綠素保留率高，干燥后復(fù)原能力強(qiáng)，青椒品質(zhì)最佳，此時(shí)復(fù)水比為7.74，Vc保留率為55.24%，葉綠素保留率為39.23%。青椒切片過(guò)厚，水分運(yùn)動(dòng)的路徑越長(zhǎng)，脫水速率越慢，物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞的程度越大，組織細(xì)胞持續(xù)損傷時(shí)間大大延長(zhǎng)，導(dǎo)致Vc 和葉綠素?fù)p失嚴(yán)重，同時(shí)復(fù)水困難，復(fù)水效果差[29]。綜合考慮，選擇青椒切片厚度為2～6 mm 進(jìn)行正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 流化溫度的確定

流化溫度分別為30、40、50、60、70 ℃，對(duì)干燥曲線和青椒品質(zhì)的影響，如圖3 所示。

圖3 不同流化溫度對(duì)青椒的影響Fig.3 Effects of different fluidization temperatures on green pepper

從圖3（a）中可知，在30～70 ℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的不斷升高，其青椒的干基含水率明顯減少，同時(shí)大大縮短了干燥所用的時(shí)長(zhǎng)。在30 ℃條件下對(duì)青椒片干燥至終點(diǎn)所用時(shí)間最長(zhǎng)，為55 min；而70 ℃條件下對(duì)青椒片進(jìn)行干燥處理所用時(shí)間最短，為30 min。這是由于干燥介質(zhì)內(nèi)部水分蒸汽壓隨著干燥溫度的升高而升高，使得干燥過(guò)程氣固之間產(chǎn)生了更大的傳質(zhì)、傳熱驅(qū)動(dòng)力，水分子運(yùn)動(dòng)加快，水分?jǐn)U散的效率也顯著提高。但是溫度在70 ℃時(shí)，能明顯觀察到青椒表面出現(xiàn)焦化，這可能是由于干燥溫度過(guò)高，導(dǎo)致青椒表面水分?jǐn)U散速度明顯高于內(nèi)部水分向外部擴(kuò)散速度，青椒表面出現(xiàn)僵硬并逐漸發(fā)生焦化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響青椒品質(zhì)。

由圖3（b）可以看出，青椒復(fù)水比和葉綠素保留率隨著流化溫度的升高，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，溫度為30 ℃時(shí)數(shù)值最大，復(fù)水比為8.25，葉綠素保留率為44.73%。Vc 保留率隨著溫度升高呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)，溫度50 ℃時(shí)保留率最高為53.66%。但是隨著溫度的升高，青椒品質(zhì)明顯變差，Vc 和葉綠素?fù)p失嚴(yán)重，青椒內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)破環(huán)嚴(yán)重，導(dǎo)致吸水能力喪失，復(fù)水效果變差。綜合考慮，選擇青椒干燥溫度為40～60 ℃進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.2.3 風(fēng)速的確定

風(fēng)速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m·s-1時(shí)對(duì)干燥曲線和青椒品質(zhì)的影響，如圖4 所示。

圖4 不同風(fēng)速對(duì)青椒的影響Fig.4 Effects of different wind speeds on green pepper

從圖4（a）可以看出，在0.5～2.5 m·s-1區(qū)間內(nèi)，隨著風(fēng)速的不斷升高，青椒的干基含水率明顯減少，同時(shí)大大縮短了干燥所用的時(shí)長(zhǎng)。風(fēng)速在0.5 m·s-1時(shí)，其干燥至終點(diǎn)所需時(shí)間最長(zhǎng)，為50 min；而風(fēng)速在2.5 m·s-1時(shí)，干燥所用時(shí)間最短，僅用25 min。這是因?yàn)榧哟箫L(fēng)速，物料中水分子運(yùn)動(dòng)活躍，從而加快了樣品的干燥速度。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)1.5 m·s-1后，青椒表面水分蒸發(fā)的速度不會(huì)隨著風(fēng)速的增加而顯著增大，干基含水率下降幅度也較小，干燥效果不明顯，這是由于青椒表面和空氣中的水分被不斷增大的空氣流量帶走，但是更大的空氣流動(dòng)實(shí)際上會(huì)冷卻物料，降低產(chǎn)品表面的溫度，從而導(dǎo)致水分?jǐn)U散率降低，所以風(fēng)速增加到一定程度后，無(wú)法快速提升青椒的干燥速率[29]。

風(fēng)速對(duì)青椒品質(zhì)的影響由圖4（b）可知，隨著風(fēng)速的增加，青椒復(fù)水比、Vc 保留率和葉綠素保留率都隨著風(fēng)量的增大而減小，但風(fēng)速對(duì)復(fù)水比影響較小，風(fēng)速為1 m·s-1時(shí)復(fù)水比和Vc 保留率最高，分別為7.68 和54.78%，葉綠素含量在風(fēng)速1.5 m·s-1時(shí)最大，為38.91%。但隨著風(fēng)速不斷加大，青椒表面蒸發(fā)速率和內(nèi)部水分遷移速率差距越大，物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，影響青椒品質(zhì)。綜合考慮，選用風(fēng)速為1.0~2.0 m·s-1進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.3 流化干燥正交實(shí)驗(yàn)

在上述單因素的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選用L9（33）正交設(shè)計(jì)表進(jìn)行流化干燥正交試驗(yàn)，其中以流化溫度、風(fēng)速、切片寬度為因素，復(fù)水比、Vc 保留率和葉綠素保留率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果及方差分析見(jiàn)表2 和表3。

表1 流化干燥正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Fluidized drying orthogonal experiment factor level table

表2 流化干燥正交試驗(yàn)結(jié)果表Table 2 Orthogonal test table of fluidized drying

表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Analysis of variance of test results

由于復(fù)水比、Vc 和葉綠素保留率三個(gè)指標(biāo)的綜合評(píng)分越大越好，由表2 和表3 可知，青椒干燥綜合效果最佳的組合為A2B3C1，即切片寬度4 mm，流化溫度60 ℃，風(fēng)速1.0 m·s-1，各因素對(duì)干燥綜合效果的影響為A＞C＞B，即切片寬度影響最為顯著（P=0.016＜0.05），風(fēng)速次之（P=0.039＜0.05），流化溫度影響較?。≒=0.054＞0.05），最佳干燥組合對(duì)應(yīng)正交試驗(yàn)第六組，將青椒片干燥至終點(diǎn)后測(cè)定此時(shí)產(chǎn)品的復(fù)水比為7.82、Vc 保留率為56.02%、葉綠素保留率為35.98%，綜合評(píng)分達(dá)最高值97.14。文獻(xiàn)［8］中單純使用熱風(fēng)干燥過(guò)程時(shí)，青椒的復(fù)水比為4.00，Vc 和葉綠素保留率分別為43.68%和33.56%，表明本工藝開(kāi)發(fā)的流化與洞道組合干燥工藝對(duì)于提高干燥速率和青椒品質(zhì)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.4 正交最優(yōu)結(jié)果驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證研究工藝優(yōu)化的可靠性和合理性，按上述優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，即控制青椒切片寬度為4 mm，洞道干燥至干基含水率為1.17 g·g-1后轉(zhuǎn)入流化干燥裝置中，設(shè)置風(fēng)速1.05 m·s-1，干燥溫度60 ℃。測(cè)得青椒復(fù)水比為7.86±0.19、Vc 保留率為55.38±0.36%、葉綠素保留率為35.40±1.53%，綜合評(píng)分96.59±0.55，與正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果A2B3C1相接近。

3 結(jié)論

采取洞道和流化組合方式對(duì)青椒干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，得到結(jié)論如下：

（1）在切片寬度4 mm，熱風(fēng)溫度65 ℃，風(fēng)速0.85 m·s-1條件下對(duì)青椒進(jìn)行洞道干燥，由洞道轉(zhuǎn)為流化干燥時(shí)的干基含水率轉(zhuǎn)換點(diǎn)為1.17 g·g-1。

（2）流化干燥過(guò)程中，確定影響青椒干燥品質(zhì)的因素次序?yàn)榍衅瑢挾龋撅L(fēng)速＞流化溫度，流化干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)為切片寬度4 mm，熱風(fēng)溫度60 ℃，風(fēng)速1 m·s-1，此時(shí)青椒的復(fù)水比為7.86，Vc 保留率55.38%，葉綠素保留率35.40%，且此工藝條件下青椒口感好、品質(zhì)佳。

研究開(kāi)發(fā)的干燥工藝將為青椒干制品的規(guī)模化生產(chǎn)提供技術(shù)參考。此外，在干燥過(guò)程中發(fā)現(xiàn)青椒顏色逐漸變暗，且葉綠素?fù)p失較為嚴(yán)重。因此，下一步研究重點(diǎn)在于提高其護(hù)色處理技術(shù)。