基于气味检测的生姜微波干燥特性研究

徐晚秀 - 李 静 李臻峰, -, 朱冠宇 - 宋春芳 - 张君生 -

(1. 江南大学,江苏 无锡 214122;2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室,江苏 无锡 214122)

生姜是姜属植物的块根茎，又名鲜姜、老姜。生姜化学成分复杂，包括碳水化合物、蛋白质、维生素、矿物质、辛辣素、油脂及少量挥发性油分[1-2]。生姜中含有姜辣素、芳香醇、姜烯、水芳烯、茨烯、氨基酸、尼克酸、柠檬酸、芳樟醇等功能物质，有治牙痛、治疗关节炎、降胆固醇、防胆石症、抗运动病、抗动脉粥样硬化、抗衰老及抗癌等作用[3-5]。生姜因其特殊的风味，广泛地应用于烹调香料、调味料和草药。生姜风味的感官特性主要是姜精油这种物质赋予的，精油是生姜中的挥发性油分，为生姜提供了香气和风味。生姜不易保鲜，鲜原料难以满足市场和人们的消费需求。当贮藏环境温度高于15 ℃时生姜会抽芽生根，而低于10 ℃就会发生冻害，严重影响其贮藏品质，降低食用价值和外观品质[6-7]。

不同的干燥工艺对生姜的芳香风味和辛辣口感有不同的影响。生姜的芳香风味主要来源于挥发性风味物质[8]。Ding等[9]和Huang等[10]采用顶空固相微萃取结合气质联用技术比较了不同的干燥工艺对姜挥发性风味物质的影响，发现微波干燥生姜保留挥发性成分更有优势。

但迄今为止，对于生姜干燥过程中的气味变化缺乏研究。本试验通过课题组自制的微波干燥在线检测气味系统，在微波干燥生姜的过程中对生姜的中心温度进行控制，研究温度对生姜气味扩散、其干燥特性及干后品质的影响，确定较优的微波干燥条件，为微波干燥生姜的生产应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

生姜：采购于江苏无锡滨湖区江南大学天惠超市，试验前置于4 ℃冰箱中储存待用。分割成10 mm×10 mm×10 mm 的立方体进行试验。每组试验称取(23±1) g 的生姜进行干燥。

1.2 仪器

电子秤：ES5000型，永康市艾瑞贸易有限公司；

荧光光纤测温仪：ThermAgile-RD型，西安和其光电科技有限公司；

电子鼻：4200型，美国Electronic Sensor Technology公司；

岛津紫外可见分光光度计：UV1800型，岛津企业管理(中国)有限公司；

数显恒温水浴锅：HH1型，常州恒隆仪器有限公司；

医用离心机：80-2型，江苏新康医疗器械有限公司；

微波干燥系统(见图1)：实验室自制，该系统主要分为两个部分，即微波干燥部分和气味检测部分。微波干燥部分主要包括温度检测、重量检测和功率控制。气味检测部分包括冷凝气流回路、高精度全自动交流稳压电源、电子鼻。干燥时通过电子秤、光纤将实时重量、温度信号传感输入计算机，计算机通过PID以0～5 V的电压实现微波功率0～700 W线性可调，由光纤测得实时温度与设定物料中心温度进行比较反馈控制变化的微波功率，达到所设定干燥温度。气味检测时，空气压缩机产生经过缓冲物料罐的3 L/min的气流,由二位三通阀将气流分为两路，一路从微波炉(经实验室改造)进入聚四氟乙烯物料罐，及时带走当前时刻被干燥物料散发的挥发性气味，通过冷凝器进入采样瓶供电子鼻采样测量，测量数据传入计算机。另一路不经过干燥腔直接进入采样瓶作为清洗电子鼻的气体。物料重量读数、功率控制和温度控制数据集成在一个DAQ板，在线检测数据以1 s间隔存入计算机。

图1 基于气味检测的微波干燥系统Figure 1 Microwave drying based on volatile-detection system

1.3 方法

1.3.1 干燥方法 为研究温度对挥发性风味和干燥品质的影响，控制物料中心温度为50，60，70，80 ℃。当湿基含水率为10%时停止干燥。实时采集不同温度下的气味峰面积值。每一个干燥条件下都将在线记录温度、重量、功率变化，并对不同温度下干后产品进行品质分析。每组试验进行3次。

1.3.2 气味检测方法 色谱柱：DB-5压电石英晶体；传感器温度：30 ℃；取样时间：0.5 s；泵压：10 s；吸入时间：0.5 s；等待时间：2 s；升温程序：以10 ℃/min升至200 ℃；数据处理：20 s；烘烤传感器30 s。

1.4 指标测定方法

1.4.1 干基及干基含水率的测定 生姜切成丁称重后将其放置在电热鼓风干燥箱中以 105 ℃ 的温度进行干燥；干燥3 h 后开始称重，后每隔 30 min称重 1 次，至每 30 min 的质量变化≤0.01 g时停止试验。测得生姜初始水含量为90.72%。干燥样品含水率(湿基)按式(1)计算：

(1)

式中：

Wt——干燥样品在t时刻的湿基含水率，g/g；

Mt——任意t时刻物料的总重量，g；

M——物料的绝干重量，g。

1.4.2 复水比测定 精确称取干燥物料1 g，在100 mL烧杯中加入蒸馏水80 mL，80 ℃恒温水浴10 min，复水后去除样品表面水分，测物料复水后质量。复水比按式(2)计算：

(2)

式中：

R——物料复水比；

Rf——物料复水后质量，g；

Ri——物料复水前质量，g。

1.4.3 物料色差测定 用色差计测新鲜和干燥后的生姜，每个样品重复5次取平均值。L*、a*、b*分别代表明度、红绿度、黄蓝度，△L*、△a*、△b*表示干燥前后L*、a*、b*之差，干燥前后的色差值按式(3)计算：

(3)

1.4.4 感官品质鉴定 干燥冷却后及时进行感官品质鉴定。鉴定标准见表1。

表1 干燥生姜感官评定标准†

† 满分16分。

2 结果与分析

2.1 不同温度干燥生姜的特性

计算机通过PID控制实现微波功率0～700 W线性可调，由光纤测得实时温度与设定物料中心温度进行比较反馈控制变化的微波功率，达到所设定干燥温度。由图2可知，干燥温度高可以缩短干燥时间，而干燥温度低会增加干燥时间。干燥温度为80 ℃时的干燥时间最短，为50 min，比70，60，50 ℃干燥时间分别快25，90，190 min。原因是微波干燥过程中微波加热热量在被加热物料内部产生,这样里外一起加热，内部温度高于表面温度，内部蒸汽压大于表面蒸汽压，增加水分从内部到表面的扩散。升高的蒸汽压会导致内部的孔洞增大，甚至会有膨胀，减少水分的扩散阻力。

图2 不同温度下含水率变化曲线Figure 2 Curves of moisture content under different drying temperatures

2.2 不同温度干燥生姜的气味检测

电子鼻检测图谱见图3。通过电子鼻检测的峰面积数据，发现干燥后期峰面积数据变化都很小，干燥后期对峰面积散发情况影响不显著，因此主要选取前60 min的气味图谱。

图3 电子鼻检测的气味图谱Figure 3 Aroma fingerprint detected by Electronic nose

图4～7为电子鼻检测的干燥过程中实时挥发性气味图谱。由图4～7可知，有6个显著挥发性区别峰值，其中有4个峰值在新鲜生姜的气味图谱中也检测到，只有峰5和峰6在新鲜生姜中未检测到。峰1、峰2、峰3、峰4为新鲜生姜主要的挥发性风味成分。由气味图谱显示，在干燥过程中产生了峰5和峰6，并且随着温度的升高越来越多，在低温的情况下基本没有(低于8 cts/g为电子鼻干净状态)，因此这2个峰值作为表征生姜产生焦糊代表，其它峰值则作为风味峰代表。

由图4可知，峰面积曲线基本遵循两段式改变：一段是上升阶段，另一段是下降阶段。通过观察各峰面积图，可以明显发现温度越高两段式改变也越来越突出。温度为80 ℃时峰面积比较大且改变最快，气味曲线也比较陡峭。温度较低(50 ℃)的峰面积改变基本在同一条水平线上。原因是温度较低，挥发性气味散失改变很小。同一个气味图谱，在不同温度下转折点时间也不相同，说明气味散发情况与温度大小有关。各个峰在上升阶段，基本随着温度的升高，峰面积增大；下降阶段，刚开始高温对应的峰面积值比较大，随着时间的延长，高温的峰面积减小，但仍然比低温的峰面积大。这可能是温度高的物料，在干燥过程中内部孔道扩张更快，气味溢出更加迅速，但是随着干燥温度继续进行，物料内部结构遭到破坏，孔道塌陷、堵塞，气味散发峰面积减少。

图4 不同干燥温度的峰面积变化曲线Figure 4 Curves of peaks in area under different drying temperatures

图5 不同干燥温度下峰3的峰面积变化曲线Figure 5 Curves of peak 3 in area under different drying temperatures

图6 不同干燥温度下峰4的峰面积变化曲线Figure 6 Curves of peak 4 in area under different drying temperatures

图7 不同干燥温度下峰5和峰6的峰面积变化曲线Figure 7 Curves of peak 5 and 6 in area under different drying temperatures

除了图 5的峰3以迅速上升然后迅速降低外，其他峰在干燥过程中基本维持在平稳的变化范围内。这可能是在干燥过程中某些物质发生了化学变化产生了峰3。80，70 ℃时峰3最高可以达到20 000～30 000 cts/g，而60，50 ℃时峰3在200 cts/g以内。温度越高，反应生成的峰3越多，峰3的气味扩散的越多。

图7为焦糊峰5、6的气味图谱。干燥温度为50 ℃时检测不到峰5和峰6。在80 ℃干燥10 min后测得的物质明显快速增多。这是由于高温后产生明显的焦糊挥发性物质导致峰5和峰6急剧增多。70 ℃干燥30 min后焦糊物质开始增多。而低温干燥只有后期有少量的峰5和峰6 产生。为了干燥的品质应该避免焦糊物质的产生。因此干燥温度为50～60 ℃比较合适。而干燥温度<50 ℃时，干燥时间过长导致原始气味散失比较多。

图8为不同干燥温度干燥后样品检测的气味图谱。由于温度高而产生焦糊气味，则70，80 ℃ 的干燥温度产生的焦糊气味多。干燥温度越低，物料焦糊气味即含峰5和峰6的气味值越少。干燥温度为50，60 ℃时可以避免样品产生较多焦糊气味。原始峰气味值及峰1、峰2、峰3以及峰4随着温度的升高而减少，同时由于干燥时间长，干燥过程散失的气味多导致保留的气味值减少。50 ℃干燥后的样品原始气味值比60 ℃干燥后的少。则60 ℃的干燥温度有利于保留原始气味。

图8 不同温度干燥后样品的气味值Figure 8 Value of samples peaks under different drying temperatures

2.3 不同温度干燥生姜的能耗

表2中不同干燥温度所需要的干燥能耗不同。70 ℃比80 ℃时的能耗多3 kJ/g。80 ℃时的能耗为12 kJ/g，60 ℃和50 ℃时干燥的能耗分别为80 ℃能耗的2.5倍和2.67倍。干燥温度越低，能耗越大。

表2 不同干燥温度的生姜品质

2.4 不同温度干燥生姜的色差

由表2 可知，80 ℃时的色差值最大，分别比70，60，50 ℃时的色差值高5.86，7.47，8.47。温度越高色差值越大。由于高温时发生了褐变反应，导致色差值偏大。而低温时与新鲜生姜之间的色差比较小。刘绍军等[11]也有相同的发现。温度为50，60 ℃色差普遍较小，且与新鲜生姜相比色泽变化最小。

2.5 不同温度干燥生姜的复水比

由表2可知，干燥温度为50～80 ℃时，随着温度的降低，生姜的复水比增加。一定温度范围内温度越低，生姜干燥过程中的含水率变化就越慢。温度为50，60 ℃时复水率较高。这是由于细胞组织破坏小，恢复原状的能力也就越好。温度过高，干燥后的生姜组织结构被破坏，导管孔隙被过快的传质气体、水分破坏，组织细胞受到破坏，同时在强热力作用下，部分蛋白质变性而失去吸水能力，导致亲水性下降，复水能力降低。这与张涛等[12]的试验结论一致。

2.6 感官品质评价

由表3可知，生姜在不同干燥方案下感官品质发生了较大的变化，干燥温度80 ℃较70，60，50 ℃出现较明显褐变、皱缩、硬化、生姜风味也较差。干燥温度60 ℃时干制品风味、组织状态、色泽及形态方面保留效果较好，褐变率低，制品松脆，相对得分最高。同时干制品结构破坏较小，色泽、复水性能优。

表3 不同方案生姜制品感官得分表

3 结论

对比新鲜生姜的挥发性风味，发现不同的干燥参数对生姜的挥发性风味的散发也不同。研究发现温度过高或者太低对单位时间内挥发性风味保留以及焦糊挥发性物质抑制都不利。干燥温度为80，70 ℃时，干燥速率过快、复水比偏小、色差最大、生姜原始风味气味散发强度最高导致保留的原始气味少，同时焦糊产生量也最多。温度最低的50 ℃挥发性气味散发强度最小，但是干燥能耗高，干燥时间长，导致干燥散发的原始风味散失最多。在干燥温度为60 ℃时，干燥速率适中、原始风味保留较多、抑制焦糊气味、能耗较低，同时复水比和色差指标都较好。该研究可为生姜微波干燥气味的研究与控制提供理论依据。

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