粤式杏仁饼干燥动力学及其品质变化*

阮征，洪漫兴，胡怀宇，梁兰兰，李汴生

1(华南理工大学轻工与食品学院，广东广州，510640)2(广州城市职业学院食品系，广东广州，510405)

粤式杏仁饼极具广东特色，是将绿豆经清洗、浸泡、萌发、杀青、脱壳、烘干、碾磨、过筛、静置等一系列复杂工序制成精制绿豆粉，再伴以适量糖、油、水和其他配料，经过成型、低温焙烤制成的，湿基含水量低于3%的一类传统糕点［1-2］。此类产品的粉料在烘焙前由于经过高温杀青、长时间烘干等热处理，其中的淀粉、蛋白质等成分性质都已发生了显著变化，没有面筋形成;同时混料成型后的杏仁饼饼坯含水量较低(湿基含水量≤10%)，表现为低水分含量的多孔组织结构;此外杏仁饼整个焙烤过程的温度都必须控制在150℃以下，否则会出现焦化现象。上述特征决定了杏仁饼的焙烤条件有别于面包、饼干、月饼等高温焙烤食品。

杏仁饼的焙烤大致可分为干燥和上色2个阶段，其中干燥阶段主要是通过热风去除大部分水分，在保证产品品质的前提下提高干燥效率就成为焙烤环节控制的关键。食品的干燥过程实质就是湿热传递的过程，国外较多焙烤过程的研究重点集中在干燥过程传热传质的特性和规律上。如Sosa-Morales［3］模拟了面包焙烤的热质传递，Sakin［4］研究了纸杯蛋糕在烤箱中烘焙的水分迁移和能量交换。国内对于杏仁饼焙烤的研究则以配方和工艺为主，邬海雄［2］，陈平生［5］等研制了杏仁饼的新配方，王娟［6］等对香蕉杏仁饼的焙烤工艺进行了优化，而关于杏仁饼焙烤过程热风干燥动力学方面的研究鲜有报道。

本研究以洞道干燥设备模拟工业化隧道式烤炉的焙烤环境，选择热风温度分别为80、100、120和140℃，探究杏仁饼的烘焙干燥特性及其品质变化规律;并将杏仁饼热风干燥曲线与基于薄层干燥模型的干燥曲线进行拟合，计算饼坯干燥过程的水分有效扩散系数;同时对比不同干燥温度对杏仁饼质构特性、色差及感官品质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

精制绿豆粉、猪油、绵白糖等原辅料，均由咀香园健康食品(中山)有限公司提供。

1.2 仪器和设备

杏仁饼模具，咀香园健康食品(中山)有限公司;电子天平(准确等级VI)，上海精密科学仪器有限公司;洞道干燥设备，湖南湘潭腾飞有限公司;TA-XT Plus质构分析仪，英国Stable Micro System有限公司;色差计CR-400，柯尼卡美能达(中国)投资有限公司;TrackSence Pro Ellab无线测温系统，丹麦Ellab公司。

1.3 实验方法

1.3.1 杏仁饼制作工艺流程

绿豆粉+绵白糖+猪油+水(质量比5∶4∶1∶0.6)→用不锈钢搅拌器以120 r/min的速度搅拌混合均匀→用模具压模成型→焙烤→成品

1.3.2 杏仁饼中心温度测定

将Ellab无线测温系统探头插进杏仁饼几何中心(冷点)，测定冷点部位的温度在干燥过程中的变化。

1.3.3 水分指标测定［7］

干基含水率Mt的计算方法见公式(1)

式中:Mt为试样干燥至t时刻的的干基含水率，g水 /100g干料;mt、mg分别为试样干燥至t时刻与绝干时的质量，g。

干燥速率Dr的计算方法见公式(2)。

式中:Dr为干燥速率，g/(100g·h);Mt、Mt+Δt分别为t、t+ Δt时刻的干基含水率，g 水/100g 干物质;Δt为干燥间隔时间，h。

1.3.4 水分有效扩散系数

菲克第二定律普遍用于描述物料薄层干燥特性，根据该模型对样品干燥曲线的拟合，可计算［公式(3)］水分有效扩散系数Deff。

式中:R0为样品当量半径，m;t为干燥时间，s;Deff为物料内部水分有效扩散系数，m2/s。将数据用以上方程拟合，得到以lnMR及t为坐标直线，直线斜率即为π2Deff/R02，从而计算扩散系数Deff。

1.3.5 洞道干燥过程杏仁饼脱水的动力学模型

许多物料的干燥过程都符合菲克第二定律，因此以其为基础建立起的薄层干燥数学模型广泛应用于描述物料的热质传递过程，本研究选取Newton、Page、Henderson and Pabis等6个较为常见的薄层干燥模型进行拟合。

1.3.6 质构的测定

将烘焙后的杏仁饼在25℃环境中冷却15 min，采用TA-XT Plus物性分析仪进行测试。每个样品平行6次。测定参数:采用P/36R探头，测前速率3.0 mm/s，测试速率 3.0 mm/s，测试后速度 5.0 mm/s，压缩20%，触发力5 g，2次压缩时间间隔5 s，数据采集速200 pps。测量指标包括硬度、内聚性和咀嚼性［8］。

1.3.7 色泽的测定

采用CR-400便携式色差仪测定杏仁饼表面的L*，a*和b*值，每组样品选取3个杏仁饼，测定9组数据，用平均值±方差表示。

1.3.8 感官评价

制定粤式杏仁饼感官评价标准(表1)，挑选10位评价员，按照国标GB 19547—2004的要求进行评价［9］。样品的最终含水率控制在3%以下，并在烘焙后统一置于室温下冷却15 min，再供品评。

表1 杏仁饼感官评价标准Table 1 The standard of sensory evaluation of almond cookies

1.4 数据处理

测定和分析结果采用SPSS18.0 for Windows、Excel 2010和Origin8.6进行处理，方差分析采用新复极差分析法Duncan，取95%置信区间(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 杏仁饼中心温度的变化

图1揭示了不同干燥温度下杏仁饼中心温度的变化情况。当达到目标水分时，在80、100、120、140℃的干燥温度下，杏仁饼中心温度分别达到了68.1、71.0、80.2、87.4℃，即热风干燥温度越高，物料中心温度与饼坯外部热风温度形成的温差越大。这种温差的加大导致导湿温性的影响增强，阻碍内部水分向外迁移［7］，致使较高热风温度下的杏仁饼在干燥后期干燥速率降幅更大，最后少量水分在导湿温性的作用下向饼坯中心位置流动，难以脱除。这一点从不同温度下的干燥速率曲线图可得到进一步证实。

图1 不同干燥温度下杏仁饼中心升温曲线Fig.1 Temperature curves of the almond cookies’centers at different drying temperatures

2.2 杏仁饼的干燥特性

图2为不同温度下杏仁饼的干燥曲线。随着温度的升高，杏仁饼失水速率加快。80℃时，干燥130 min，100 ℃干燥90 min，120 ℃干燥40 min，而140 ℃仅需干燥30 min，杏仁饼含水率就能达到产品标准中规定的＜3%。80、100℃的干燥曲线与120、140℃的干燥曲线差别较大，这是由于干燥速率会受到导湿温性和导湿性的共同影响。温度越高，物料中心温度和表面温度都上升较快(图1)，物料表面水分蒸发加快，有利于脱水的导湿性增大而不利于脱水的导湿温性减小，因此温度越高，杏仁饼失水越快。而温度较低的80℃和100℃脱水速度较慢，与高温之间的差距比较明显。

图2 不同温度下杏仁饼干燥曲线图Fig.2 The drying curves of almond cookies at different temperatures

图3为不同温度下杏仁饼的干燥速率曲线。结果表明杏仁饼干燥过程中没有恒速阶段，在整个过程中，干燥速率都随着含水率的降低而降低。

图3 不同温度下杏仁饼干燥速率曲线图Fig.3 The drying rate curves of almond cookies at different temperatures

从图3可以看出，初始干燥速率随着温度的升高而升高，速率下降速度随着温度升高而加快。这是因为越高的温度致使物料内外表面升温都较快，降低了阻止水分脱除的温度梯度。80、100℃始终都保持着较低的干燥速率，平均干燥速率分别为3.22、4.12 g/(100g·h)，而120、140℃始终保持着较高的干燥速率，平均干燥速率分别为7.12、6.24 g/(100g·h)，140℃的平均干燥速率比120℃低则是由于导湿温性的影响在一定程度上影响了水分的向外迁移。

2.3 水分有效扩散系数

水分有效扩散系数是物料干燥过程中反应内部水分迁移变化的重要指标，其值越大表明内部水分扩散越快，干燥速率越高［10］。根据菲克定律，扩散系数越大，即在该条件下物质扩散出体系的能力越强。表2列出了不同温度下杏仁饼的水分有效扩散系数。虽然不同温度下的扩散系数有较为显著的差异，但基本在8.32×10-9～2.496×10-8m2/s之间。

表2 不同温度下杏仁饼的水分有效扩散系数Table 2 Effective coefficient of diffusivity of almond cookies at different temperatures

由于杏仁饼属于熟粉类焙烤食品，粉料在焙烤前已经熟化变性，这就使其焙烤过程的传质(水分扩散)系数与一些传统生料焙烤的食品(如饼干、面包等)有了显著差异。如Saleem测得半甜型饼干在150～220℃烤箱中的传质系数为7×10-10～3.5 ×10-10m2/s［11］;Guillard 通过改变环境湿度，测得饼干在焙烤中的传质系数为1.35×10-10～1.36×10-9m2/s［12］;Panagiotou报道燕麦曲奇的传质系数为3.97×10-12～4×10-12m2/s。不同终点水分含量的面包焙烤的传质系数分别为5×10-8m2/s(干基含水量0.67%)、2×10-10m2/s(干基含水量0.3%)。这些系数的差异与混合体系内物料的种类和特性、水分的结合方式以及焙烤温度等有着很大的关系［13］。

2.4 杏仁饼干燥过程的数学模型拟合

为了描述杏仁饼干燥过程脱水规律，对干燥时间与水分比的干燥曲线(图4)进行Newton、Page等6个常用薄层干燥经验模型的回归分析，并取决定系数R2作为方程接受度的评价指标。R2越接近1，则拟合精度越优，各方程对不同温度的平均拟合效果如表3所示。

图4 不同温度下杏仁饼水分比曲线图Fig.4 Curves of MRvalue of almond cookies at different temperatures

表3 常用的薄层干燥数学模型拟合结果Table 3 The results of data fitting commonly used mathematical models of thin-layer drying

结果显示，各种模型都有较高的拟合度。经进一步分析验证，优选Page模型MR=exp(-ktn)对不同温度下杏仁饼干燥曲线进行拟合，结果如表4所示。

表4 不同干燥温度下Page模型拟合结果Table 4 Results of data fitting page models at different temperatures

表4为Page模型对不同温度干燥曲线的参数拟合结果，表达式的2个未知数为k和n表示干燥常数。k值与温度有重要关系，k值越大表明干燥速率更高，传热传质效果更好;n值表示干燥指数，从本研究结果看，温度对n值的影响无明显规律。

根据所得结果，对将变量温度T分别与变量k和n进行多项式回归分析，可以得到以下2个回归方程:

根据MR=exp(-ktn)，杏仁饼在不同温度下对应的MR可通过以上算式获得。

2.5 不同干燥温度对杏仁饼质构特性的影响

表5显示了不同干燥温度对杏仁饼质构特性的影响，其中硬度表示杏仁饼的松软性，数值越高越硬;内聚性与杏仁饼的“紧实度”密切相关，数值越高越紧实，表明粉料颗粒间结合得更加紧密;咀嚼性表示将固体食品咀嚼到可吞咽状态时需做功的大小，数值越高越难咀嚼。

TPA检测结果表明，随着温度的升高，杏仁饼硬度、内聚性、咀嚼性都呈现整体增加的趋势。这是由于干燥过程中水分的脱除，温度的升高使得糖油熔化重新排列，粉料结合得更加紧密。而当干燥温度为80℃时，硬度较干燥前有所上升，而内聚性和咀嚼性较干燥前有所下降。这是由于80℃不足以使饼干糖油熔化并重新分布，而内部孔隙因为水分的蒸发而变得疏松，导致杏仁饼内聚性和咀嚼性都较原料有所降低。因此从节能的角度考虑可通过80℃先脱除饼坯中的部分水分，然后配合后续的短时高温处理以获得产品特有的风味和口感。120℃和140℃干燥的杏仁饼硬度没有显著差异(P＞0.05)，但与80℃和100℃下干燥的杏仁饼硬度差异显著(P＜0.05);80℃干燥前后咀嚼性没有明显变化(P＞0.05)，而100～140℃则会显著提高咀嚼性(P＜0.05)。不同干燥温度下杏仁饼的内聚性有明显区别(P＜0.05)。

表5 不同干燥温度对杏仁饼质构特性的影响Table 5 Values of TPA of almond cookies at different temperatures

2.6 不同干燥温度对杏仁饼色泽的影响

表6揭示了不同干燥温度对杏仁饼表面色泽的影响。在干燥过程中，杏仁饼亮度(L*)下降，红度(a*)先下降后上升，黄度(b*)上升。这些都是由于干燥过程中，发生美拉德反应，温度越高，美拉德反应更严重。因此亮度减小，红度上升，黄度升高。各个温度下干燥的杏仁饼色泽都有显著性差异。

表6 不同干燥温度对杏仁饼色泽的影响Table 6 Color changes of almond cookies at different temperatures

2.7 不同干燥温度对杏仁饼感官品质的影响

不同干燥温度对杏仁饼感官品质的影响如图5所示。

图5 不同干燥温度下杏仁饼的感官品质Fig.5 Sensory properties of almond cookies at different temperatures

外观指标中表面碎屑，表面颜色深度和底面颜色深度指标数据都会随着焙烤温度的提高而稍微有所提高。香味方面，焙烤香味显示随着温度上升而增大的趋势，原因是因为随着温度的升高，饼体所进行的美拉德反应程度越高;温度越高，色泽越深。滋味方面，焙烤香味的趋势和香味中的焙烤滋味一致。由于焙烤过程中温度较低，所以影响甜味的因素主要在于糖浆的比例，由于该杏仁饼使用同一批调制粉，因此，甜味差别不明显。就总体来看，在120℃下烘焙的杏仁饼感官品质优于其他温度干燥的杏仁饼。

3 结论

通过对比分析不同热风温度(80、100、120、140℃)对杏仁饼的干燥特性，干燥动力学及杏仁饼成品品质的影响得出:杏仁饼整个干燥过程都处于降速阶段，水分有效扩散系数Deff随温度的升高而升高，Page方程为优选的干燥模型(平均 R2=0.997)。80～140℃干燥的杏仁饼水分扩散系数、内聚性和色泽存在显著差异(P＜0.05)。对于低水分含量的杏仁饼而言，其内部为多孔结构，并非提高温度就能缩短干燥时间，由于导湿温性的影响，过高的环境温度有可能降低干燥效率。在实际生产过程中，应该从节能、水分迁移的速度和方向、杏仁饼的品质变化等方面综合考量进行烘焙条件的选择。

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