苹果片红外热风联合干燥特性研究

穆金屏,周家春,蒋丽华,邱勇隽,赵黎明

(华东理工大学发酵工业分离提取技术研发中心，生物反应器工程国家重点实验室,上海 200237)



苹果片红外热风联合干燥特性研究

穆金屏,周家春*,蒋丽华,邱勇隽,赵黎明*

(华东理工大学发酵工业分离提取技术研发中心，生物反应器工程国家重点实验室,上海 200237)

以苹果为原料,研究不同红外辐射距离和热风温度下苹果片的干燥特性,并对苹果脆片的干燥时间、色泽、硬度、脆度和复水性进行分析。结果表明,在苹果片红外-热风联合干燥过程中,热风温度对干燥时间和脆片品质影响显著;干燥过程为降速干燥,水分有效扩散系数范围在2.92×10-8～8.85×10-8m2/s内,且随热风温度升高而增大;苹果片干燥活化能为75.67 kJ/mol。苹果片在红外辐射距离50 mm,辐射功率1500 W,热风温度80℃,风速0.8 m/s的条件下,干燥时间仅162 min,并具有良好的色泽(L*值75.01,a*值8.92、b*值32.97)和质构(硬度1063.66 g,脆度0.531 s)。先红外后热风的联合干燥方式能有效抑制酶活和提高干燥速率,以及改善产品品质。

苹果片,红外-热风联合干燥,干燥特性,品质

中国是世界上最大的苹果生产国,2014年产量达3800万t,约占世界总产量的55.6%[1]。但是目前我国苹果产业仍以鲜销为主,加工产品主要为苹果汁,产品单一。苹果脆片是一种高营养、高纤维、低热量的休闲食品,深受消费者喜爱。提高苹果脆片产品质量有助于提高我国苹果产业的国际市场竞争力[2],而优化工艺和节能生产装备是改善产品品质的关键。

国内外关于苹果干燥的方法主要有微波干燥[3]、真空冷冻干燥[4]、变温压差膨化干燥[5]及热风干燥[6]等。微波干燥由于干燥温度较高,易发生局部过热,出现焦化和表面硬化等,影响产品品质。真空冷冻干燥制品的感官质量和营养品质高,但是干燥时间长、加工成本高。变温压差膨化干燥设备相对简单,操作便捷,产品成本较低,但产品品质不够稳定。热风干燥方式成本低、操作简单,被广泛应用于生产苹果脆片,但是热风干燥过程中苹果的多酚氧化酶(PPO)与氧气接触迅速发生酶促褐变,加剧干制品色泽变化,降低了其感官品质和营养价值。

红外干燥具有干燥时间短、能量利用率高、产品品质好等优点[7],越来越受到研究者的重视。据报道,红外-热风联合干燥综合了红外和热风干燥的优点,干燥速率和干制品品质比热风干燥有很大提高,谢小雷[8]等人研究了热风干燥和中红外-热风组合干燥对牛肉的影响,结果表明联合干燥的干燥时间、能耗相比热风分别降低了60%、78%,牛肉干的感官品质显著提高。Hebbar[9]等人对马铃薯采用红外-热风联合干燥,研究结果表明,相比热风干燥,联合干燥所需的时间缩短了48%,能耗降低63%。目前关于苹果脆片的红外-热风联合干燥工艺尚无报道。本文以苹果为原料,探讨了红外辐射干燥的灭酶效果,然后联合热风干燥苹果片,研究了苹果片红外-热风联合干燥特性,并分析了不同干燥条件下得到的干燥苹果片的色泽、质构和复水性,优化了红外-热风联合干燥工艺条件,以期为苹果脆片工业化生产提供基础。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

富士苹果产于山东烟台,大小均匀、无虫害、无机械损伤,果实平均直径为8 cm,质量为(220±15) g,果肉湿基含水率为85.5%±0.5%。

磷酸二氢钠,磷酸氢二钠,聚乙烯吡咯烷酮,EDTA,邻苯二酚,石英砂。

TA.XT Plus物性分析仪英国Stable Micro Systems公司;NR110型色差仪深圳市三恩驰科技有限公司;UV-2000型紫外可见分光光度计尤尼柯仪器有限公司;Z8852热电偶温度计衡欣科技股份有限公司;DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱上海齐欣科学仪器有限公司;真空包装机杭州永创机械有限公司。改进型红外干燥箱江苏吴江品格烘箱电炉制造有限公司,根据实验需要改装,见图1所示。

图1　改进型红外干燥箱Fig.1　The improved infrared radiation drying oven注:1.红外加热管控制开关；2.电源及温度控制箱；3.热电偶；4.风机；5.出风口；6.红外加热管 ；7.物料；8.物料托盘；9.升降台；10.升降台旋钮；11.红外干燥箱。

1.2实验方法

1.2.1干燥方法红外干燥功率恒定为1500 W,热风温度分别取70、75、80、85℃,将红外干燥箱和电热恒温鼓风干燥箱升温到设定温度并恒定后开始实验。

新鲜苹果洗净,去皮、去核,切成5 mm厚度的苹果片并将其四等分。红外-热风联合干燥:将切好的苹果片立即平铺在红外干燥的物料盘上,在1500 W红外功率下,经预实验确定先在红外辐射距离30、50、70 mm下分别干燥3.5、5.5、6.5 min,测定PPO活性和含水率,继续在不同温度(70、75、80、85℃)下进行热风干燥,恒定风速0.8 m/s,直至含水量降至5.0%左右;转换点依据是经红外辐射处理后PPO活性低于20%。单一热风干燥:将切好的苹果片立即平铺于热风干燥箱的物料盘上,采用不同的热风温度(70、75、80、85℃)进行干燥实验,风速恒为0.8 m/s。

1.2.2干燥特性指标

1.2.2.1表面温度T型热电偶探头安装在苹果片表层下,不可暴露于空气中,热电偶与自动读数器相连,每隔30 s记录一次温度值。

1.2.2.2初始含水率苹果的初始含水率的测定按照Hashem[10]的方法进行,将苹果片放在105℃的电热恒温干燥箱中干燥12 h至恒重。新鲜苹果片的平均初始含水率约为85.5% w.b.(wet basis)。

1.2.2.3水分比不同干燥时间苹果片的水分比(Moisture Ratio,MR)按式(1)计算[11]

式(1)

式中,M0、Me、Mt分别为苹果片初始干基含水率、干燥平衡时干基含水率和t时刻干基含水率g/g。

1.2.2.4干燥速率干燥速率(Drying Rate,DR)用公式(2)来计算[11],

式(2)

式中Mt1和Mt2为干燥过程中t1和t2时苹果片的干基含水率。

干基含水率的计算方法如(3)式,

式(3)

其中,G为干物质质量,g。

1.2.3苹果片品质指标

1.2.3.1多酚氧化酶活力粗酶液提取:参照Li[12]的方法,精确称取2.00 g苹果片,加入10mL50 mol/LpH7.8的磷酸钠缓冲液(含1.33 mmol/L EDTA和1%聚乙烯吡咯烷酮)及少量石英砂,冰浴研磨制浆,在4℃、12000×g条件下离心15 min,取上清液冷藏待用。

酶活测定:取2.8mL0.05 mol/L邻苯二酚溶液(用50 mmol/L、pH6.4的磷酸钠缓冲液配制),在30℃下恒温5 min,迅速加入200μL粗酶液,振荡摇匀,在398 nm下测量吸光值,每30 s记录一次,共3 min。每分钟吸光值增加0.01所需的酶量为一个活力单位。

1.2.3.2色泽苹果片表面颜色采用色差计进行测定,以L*、a*、b*值表示,其中L*表示亮度值,L*值越大说明颜色越亮,a*表示红绿值,a*越大说明颜色越红,反之越绿;b*表示黄蓝值,b*值越大说明颜色越黄,反之越蓝。色泽总差ΔE值越大,表示干燥后苹果片颜色相比新鲜苹果片颜色变化越大。每个样品重复测定5次,取平均值。

表1　不同红外辐射距离下苹果片干燥状态

1.2.3.3复水性精确称取1.00 g干燥后的苹果片,放入装有50 mL去离子水的100 mL烧杯中,于30℃恒温水浴锅中静置保温3 h,取出苹果片用吸水纸除去表面水分,称重[8]。干制品复水比的计算公式如下:

式(4)

式中Rr为复水比,Mr和Md分别表示干制品复水后和复水前的重量(g)。

1.2.3.4硬度和脆度用TA.XT Plus物性分析仪测定,参数设定参考黄略略[13]的方法,用TA/0.25 S 球形探头,测试速度2 mm/s,压缩比70%。每组样品测定8次,取平均值。

1.3数据处理与分析

采用SigmaPlot12.5软件进行数据分析及图的绘制。每组实验重复3次。

2　结果与分析

2.1红外干燥辐射距离对苹果片感官品质的影响

联合红外干燥的主要目的,是在短时间内抑制多酚氧化酶的活性,达到控制酶促褐变的效果,但同时需要保持苹果片的品质。前期实验显示,在经红外辐射后苹果片多酚氧化酶的活性可降低到原活力的20%以下时,褐变的发生可得到有效控制,此时的水分含量依旧在70%以上,需要进一步热风干燥。马海乐[14]等人对马铃薯红外干燥灭酶的研究中也得出类似结果。红外辐射抑制酶活及对苹果片感官品质的影响如表1所示。

由表1可看出,红外干燥阶段辐射距离对苹果片的感官影响很大,辐射距离较小时,短时间即可使苹果内多酚氧化酶活性降低到近17%,但表面温度过高,表面极易发生焦化;辐射距离远时,干燥时间较长,多酚氧化酶活性较高,后续热风干燥时酶促褐变严重。图2展示了红外辐射距离与苹果片表面温度的关系。辐射距离为50 mm能兼顾多酚氧化酶活性的抑制和苹果片感官品质,后续实验都采用50 mm辐射5.5 min后继续进行热风干燥的工艺。

图2　不同辐射距离下苹果片表面温度变化Fig.2　Variation of surface temperature under different infrared radiation distance

2.2红外-热风联合干燥方式对苹果片干燥特性的影响

苹果片在红外干燥箱中辐射后,续用热风联合干燥的曲线如图3所示(热风干燥前苹果片的湿基含水量为79.08%)。热风温度分别为70、75、80、85℃时,苹果片湿基含水量达到5%所需的时间分别是465、225、162、135 min。苹果片在85℃条件下所需的干燥时间比在70℃条件下缩短了71.0%,证明干燥速率随热风温度的升高而明显增大。在不同时间段物料的干燥速率随水分含量的降低而减小(图3b),与Lewicki、Sacilik[15-16]等人的研究结论一致。

图3　不同热风干燥温度下苹果片的红外-热风联合干燥曲线(a)和干燥速率曲线(b)Fig.3　Drying curves(a)and drying rate curves(b)under different hot air temperature of apple slices drying

2.3不同干燥条件下苹果片水分有效扩散系数

水分有效扩散系数(Deff)表示干燥过程中物料脱水能力。苹果片的干燥过程呈现出明显的降速干燥,Barati[17]等人提出农作物的降速干燥过程可用菲克第二定律来描述,用公式(5)来表示:

式(5)

假设物料的水分迁移仅由内部水分扩散控制,忽略体积收缩,则物料水分有效扩散系数满足方程[18](6):

式(6)

对于长时间的干燥过程,公式(6)可简化为如下公式[15]:

式(7)

取对数得

式(8)

式(9)

通过直线方程的斜率K可求得水分有效扩散系数Deff。

苹果片红外-热风联合干燥的线性回归方程和水分有效扩散系数如表2所示。

表2　红外-热风联合干燥下苹果片的ln MR线性回归拟合公式和水分有效扩散系数

由表2可知,当热风温度由70℃升高到85℃,苹果片的水分有效扩散系数由2.92×10-8m2/s提高至8.85×10-8m2/s,比值达到3,说明升温可显著提高苹果片的水分有效扩散系数。

2.4不同热风温度下苹果片红外-热风联合干燥的干燥活化能

干燥活化能表示物料干燥过程中除去单位摩尔水分所需能量,活化能值越大说明物料越难干燥。物料的水分有效扩散系数与干燥温度之间的关系可以用阿伦尼乌斯公式(10)来表示[19],

式(10)

两边同时取对数得:

式(11)

其中,Deff为水分有效扩散系数,m2/s;L为苹果片厚度,m;t为干燥时间,s;Ea为干燥活化能,kJ/mol;R为气体摩尔常数,8.314 J/(mol.K);T为干燥温度,℃。

苹果片红外-热风联合干燥过程中,辐射距离为50 mm,热风温度为70、75、80、85℃条件下,以1/(T+273.15)为横坐标,以lnDeff为纵坐标作图,如图4所示,由直线斜率-Ea/R即可求得干燥活化能Ea。通过图4中线性回归方程和阿伦尼乌斯公式(11)可以求出苹果的干燥活化能为75.67 kJ/mol。

图4　红外-热风联合干燥热风温度与水分有效扩散系数的关系曲线Fig.4　Ralation curves of hot air temperatures and moisture effective diffusivity coefficients

2.5红外-热风联合干燥对苹果片品质的影响

2.5.1红外-热风联合干燥热风温度对苹果脆片色泽的影响图5表示红外-热风联合干燥方式热风温度对苹果片色泽的影响。从图5可以看出,随热风温度的升高,L*值逐渐变大,a*、b*值减小,在80℃时L*达到最大值75.01,a*、b*分别为8.92、32.97。85℃时L*值反而下降,这可能是因为在高温下苹果中的还原糖与游离氨基酸发生了美拉德反应。巨浩羽[20]等人对苹果片干燥的研究也报道了相似的结果。因此,在设定的热风温度范围内,80℃条件下的苹果脆片颜色最佳。

图5　不同热风温度下红外-热风联合干燥后苹果片色泽的变化Fig.5　Variation of apple slice’s color under different drying conditions

2.5.2红外-热风联合干燥热风温度对苹果脆片质构与复水性的影响以苹果片穿刺时的断裂时间表示脆度,断裂时间越短说明干燥苹果片脆度越大。硬度、脆度和复水性的大小体现出然在咀嚼食品时的难易程度,硬度越小,脆度和复水性越大,说明食品在食用过程中咀嚼越省力[21]。由表3可知,红外-热风联合干燥的苹果片,随热风温度的升高,干燥苹果片硬度逐渐降低,脆度变大(断裂时间变小)。在80℃下干燥得到的苹果脆度最大,酥脆性最好,同时具有适中的硬度值(1063.66 g)。

表3　热风温度对红外-热风联合干燥苹果脆片硬度、脆性及复水性的影响

表4　不同干燥方式对苹果片色泽的影响

表5　不同干燥方式对苹果片质构和复水率的影响

随热风温度的升高干燥苹果片复水性略有升高,在85℃时干燥苹果片的复水性最大(5.235 g/g)。综合考虑,热风温度为80℃时干燥苹果片的感官品质最佳。

2.6不同干燥方式苹果脆片品质对比

由表4的结果可以看出,红外-热风联合干燥产品具有较高的L*值(75.01)和较小色差(16.33),干燥苹果片色泽优于单一热风干燥产品;从表5可知,采用红外-热风联合干燥方式所得干制品的硬度值(1063.66 g)、酥脆性(0.531 s)和复水性(4.395 g/g)都高于单一热风干燥,而且此种干燥方式下苹果片含水量(湿基)达到约5%所需的干燥时间比热风干燥短48 min。因此,红外-热风联合干燥工艺优于普通的热风干燥。

3　结论

红外-热风联合干燥工艺能兼顾苹果片的品质和干燥速度,适当的红外辐射干燥处理能有效钝化苹果中多酚氧化酶,控制干燥过程的酶促褐变[22];适当的提高热风干燥温度,可以提高苹果片的干燥速率并保持良好品质。

前期采用红外辐射功率1500 W,辐射距离50 mm下干燥5.5 min后,在不同热风温度下继续干燥。苹果片的红外-热风联合干燥过程为降速干燥,苹果片的水分有效扩散系数随热风温度升高而增大,其范围是2.92×10-8～8.85×10-8m2/s。苹果片的干燥活化能为75.67 kJ/mol。热风温度80℃条件下干燥后的苹果片,其色泽(L*值75.01,a*值8.92、b*值32.97)和酥脆性(硬度1063.66 g,脆度0.531 s)最好,且与单一热风干燥相比干燥时间短。

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Drying characteristics of infrared radiation combining hot air for apple slices

MU Jin-ping，ZHOU Jia-chun*,JIANG Li-hua,QIU Yong-jun,ZHAO Li-ming*

(State Key Laboratory of Bioreactor Engineering,R&D Center of Separation and Extration Technology in Fermentation Industry,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

Effect of infrared radition distance and hot air temperature on drying characteristics of apple slices were studied in this paper,and the drying time,color,hardness,crispness and redehydration ratio were analyzed.The results showed that hot air temperature had a significant influence on drying characteristics and drying products quality.The whole drying process present a falling rate period.The effective moisture diffusion coefficient of apple slices was range from 2.92×10-8to 8.85×10-8m2/s accroding to Fick’s Second Law,and it was increased with hot air temperature increasing.The activation energy was 75.67 kJ/mol accrodring to Arrenius equation.Drying time of apple slices was greatly shortened(162 min)with the best color(L*75.01,a*8.92,b*32.97)and texture(hardness 1063.66 g,crispness 0.531 s)when infrared radiation distence was 50 mm,infrared power was 1500 W,hot air temperature was 80℃ and air velocity was 0.8 m/s.Infrared radiation combined hot air drying can inhibit enzyme activition,increase drying rate effectively and improve product quality.

apple slice;infrared radiation;hot air drying;drying characteristics

2015-12-18

穆金屏(1990-)，女，硕士，研究方向：食品加工技术，E-mail:mujinping1990@sina.cn。

赵黎明(1977-)，男，博士，教授，研究方向:食品加工技术，E-mail:zhaoliming@ecust.edu.cn。

周家春(1960-)，男，硕士，教授，研究方向:食品加工技术，E-mail:jczhou@ecust.edu.cn。

TS255.1

A

1002-0306(2016)07-0092-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.010