玛咖冷风干燥特性及品质特征研究

王宏慧，张明玉，任亚敏

(漯河食品职业学院，河南 漯河 462300)

玛咖(Lepidiummeyenii)属十字花科、独行菜属1年生或2年生草本植物[1]，其根茎为可食用部分，呈小圆萝卜状[2]。玛咖含多种营养成分，同时具有抗疲劳、抗衰老以及增强免疫力等生理功能，是一种理想的健康食品[3]。采摘后的新鲜玛咖含水量极高(湿基含水率在80%左右)，自然状态下贮藏容易腐烂变质且产生危害消费者生命健康的物质[4]。因此，对新鲜玛咖进行脱水处理十分必要。

自然晾干以及热风干燥是我国玛咖干制品的主要加工方式[3-7]。自然晾干得到的产品，玛卡酰胺总量保存率较高、外观较好，但这种方式加工时间长(33 d才能达到安全含水率)，产品颜色衰退严重，维生素C、蛋白质等营养成分损失率高；相对于自然晾干，热风干燥能够缩短玛咖干燥的时间(60 ℃条件下17 h达到安全含水率)，且产品颜色较优，营养成分损失较低[3]。热泵干燥是指利用热泵除湿原理在干燥系统中增加热空气去湿循环操作，从而调控干燥环境温湿度，重复利用干燥过程中残留热量的一种节能脱水技术，其具有能量利用率高、产品品质好、操作条件宽泛等优点[5]。热泵干燥低温(5～40 ℃)操作控制的干燥技术叫作热泵式冷风干燥，简称冷风干燥[8]。物料在进行冷风干燥时所处干燥环境温度较低，能够有效保留产品的营养物质，这种干燥方式特别适合于热敏性食品的脱水处理[9-10]。目前尚未见将冷风干燥应用于高水分玛咖干燥的报道。

干燥动力学模型是描述物料干燥行为的一个重要手段[10]。通过构建干燥物料动力学模型，能够从理论角度解释物料干燥过程中各干燥行为的内在原因，同时干燥动力学模型在干燥结果预测方面也有着一定的作用，对其在工业化大规模生产上的推广具有重要意义[11]。感官评价是干燥产品质量保证体系中的重要组成部分[5]。但在传统的感官评价中，人的感知始终是模糊的，评价者通过语言描述来表达自身对产品的态度，这种评价方式具有极强的不确定性，为了克服这一不确定性，Zhang等[12]提出了一个用于食品综合排序和新产品开发的模糊综合评价模型，根据这一模型可预测食品品质的高低。

基于此，以玛咖为原料，采用冷风干燥技术对玛咖进行干燥，研究了干燥温度和进口风速对玛咖冷风干燥行为和干制品感官评价的影响，以期为玛咖冷风干燥技术提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

供试玛咖(色型：黄色)购于云南省丽江市玉龙雪山当地产区，平均湿基含水率为78.53%。

仪器：YCFZD-2A型冷风干燥机(杭州欧易电器有限公司)、DHG-9023A型化验室用小型电热恒温鼓风干燥箱(上海善志仪器设备有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 将所购玛咖去除茎叶，清洗干净后沥干，挑选样品并切成厚度约为5 mm、长轴约为13 cm、短轴约为4 cm的椭圆形切片，用于冷风干燥试验。每组试验物料质量为2 kg，玛咖冷风干燥试验设计如下，试验(1)：固定进口风速为2 m/s，改变干燥温度为20、30、40 ℃；试验(2)：固定干燥温度为30 ℃，改变进口风速为1、2、3 m/s。干燥进程中，每隔2 h取出干燥物料进行称量，直至物料湿基含水率低于5%[12]，结束干燥过程。每组干燥试验重复3次。

1.2.2 新鲜玛咖含水率的测定 采用GB 5009.3—2010的方法测定物料初始湿基含水率[13]。

1.2.3 玛咖湿基含水率的计算 玛咖干燥过程中的湿基含水率计算如式(1)所示[14]：

(1)

式中，ωt、ω0为干燥t时刻以及新鲜玛咖的湿基含水率(%)；mt、m0分别为干燥t时刻和新鲜玛咖的质量(g)。

1.2.4 玛咖干燥曲线的Weibull分布函数拟合 玛咖干燥水分比(MR)的计算公式如式(2)所示[15]：

(2)

式中，X0、Xe、Xt分别为新鲜玛咖的干基含水率、干燥结束时玛咖的干基含水率、干燥t时刻玛咖干基含水率，单位均为g/g。

干燥结束时玛咖含水率极低，相对于新鲜玛咖含水率以及干燥过程中玛咖的含水率，其值可近似为0。因此(2)式可简化为(3)式[16]计算玛咖干燥水分比：

(3)

Weibull分布函数中待定参数(尺度参数和形状参数)与水分比之间的函数关系可采用式(4)表达[17-20]：

(4)

式中，α、β为Weibull分布函数的2个待定参数，分别代表尺度参数、形状参数；t为干燥时间(h)。

式(4)中水分比可通过式(3)求得，以式(4)为模型函数，借助Data Fit 9软件对各干燥条件下水分比随时间变化的数据进行拟合即可求得各干燥条件下Weibull分布函数中的待定参数。

选用决定系数(R2)和卡方检验值(χ2)来表示函数的拟合精度，其计算方法参考文献[18]。

1.2.5 有效水分扩散系数的计算 根据Fick第二扩散定律的解析，玛咖干燥过程中的水分比与有效水分扩散系数之间的函数关系按式(5)表达[21]：

(5)

式中，Deff为有效水分扩散系数(m2/s)；L为物料厚度的1/2(m)；t为时间(s)。

对式(5)两边进行同时取自然对数的数学转化即可得到有效水分扩散系数的计算公式(6)[22]：

(6)

式中水分比可通过式(3)求得，以lnMR为纵坐标，t为横坐标作图，得到直线的斜率即可计算出物料干燥过程中的有效水分扩散系数。

1.2.6 基于模糊数学推理法的产品感官评定 感官评定参考段续等[14]的方法，试验中模糊数学推理采取Zhang等[12]的方法，采用层次分析法得到模糊数学的权重集：X={颜色，外观，质地，风味，整体接受程度}={0.26，0.18，0.12，0.16，0.28}。

1.3 统计分析

采用Origin Pro 9.0以及Data Fit 9对试验所得各项数据进行处理及分析。

2 结果与分析

2.1 不同干燥条件对玛咖冷风干燥特性的影响

由图1可知,不同干燥条件下玛咖冷风干燥耗时最长为22 h，耗时最短为12 h。当固定进口风速(2 m/s)而改变干燥温度时，玛咖冷风干燥耗时最少(12 h)，较最长耗时(22 h)减少10 h，减幅45.45%；当固定干燥温度(30 ℃)而改变进口风速时，玛咖冷风干燥耗时最少(16 h)，较最长耗时最多(22 h)减少6 h，减幅27.27%。这说明增加干燥温度和进口风速均能提升玛咖冷风干燥效率，降低其干燥耗时，这是因为增加干燥温度强化了玛咖冷风干燥过程中的热传递行为，从而加快干燥速率，而增大进口风速加快了物料表面水分与干燥介质(空气)的交换速率，从而强化干燥传质行为，降低干燥耗时。从图1还可以看到，相对于进口风速，干燥温度对玛咖冷风干燥耗时的影响更大。任广跃等[9]在进行香椿芽冷风干燥时同样得到了干燥温度对物料冷风干燥速率影响较大的结论。

图1 不同干燥条件下玛咖冷风干燥曲线

从表1可见，玛咖冷风干燥Weibull分布函数的拟合方程R2介于0.991 2～0.999 1，χ2处于10-4水平，说明Weibull分布函数能够准确拟合玛咖冷风干燥过程中水分比随时间变化的曲线。Weibull分布函数中的尺度参数α能够反映物料干燥初期的干燥快慢程度，不同干燥条件下玛咖冷风干燥的尺度参数α介于4.115 2～8.713 5；改变干燥温度和进口风速，玛咖冷风干燥尺度参数α的最小值比最大值分别降低了52.77%和30.42%,说明干燥温度对玛咖冷风干燥初期的干燥速度影响更大。Weibull分布函数中的形状参数β与干燥过程中物料水分迁移过程有关，玛咖在冷风干燥过程中的形状参数β介于0.400 3～0.815 1。可见，玛咖冷风干燥过程主要受其内部水分向外迁移的控制，整个干燥过程处于降速阶段。通过Weibull分布函数的拟合得到与图1分析相同的结论，这说明Weibull分布函数能够作为玛咖冷风干燥动力学模型，进而表征玛咖冷风干燥机制。Weibull分布函数尺度参数α和形状参数β与干燥温度和进口风速之间的数学模型采用逐步回归分析方法确定，其结果如式(7)—(8)所示：

α=22.842 3-0.877 5X2-0.224 0X12+

0.010 8X22(R2=0.964 2)

(7)

β=-0.329 5+0.290 4X1+0.020 7X2-

0.061 9X12(R2=0.979 3)

(8)

式中，X1、X2分别为进口风速(m/s)、干燥温度(℃)。

表1 不同干燥条件下玛咖冷风干燥Weibull分布函数拟合参数及精度

不同干燥条件下玛咖冷风干燥过程中lnMR随时间的变化情况见图2，不同干燥条件下玛咖lnMR与时间之间的线性拟合R2介于0.921 2～0.982 3，表现出了较好的拟合。不同干燥条件下玛咖冷风干燥过程中有效水分扩散系数结果如图3所示。玛咖冷风干燥有效水分扩散系数Deff在5.21×10-10～9.32×10-10m2/s；增加干燥温度和进口风速均能够增加玛咖冷风干燥过程中有效水分扩散系数，但改变干燥温度对其有效水分扩散系数影响更高，固定进口风速2 m/s，干燥温度为30 ℃时较20 ℃时有效水分扩散系数增加78.89%，这一结果进一步证明了干燥温度对玛咖冷风干燥耗时的影响更大这一结论。

图2 不同干燥条件下玛咖冷风干燥过程中lnMR随时间变化关系

a、b、c、d、e分别代表干燥条件为(2 m/s,20 ℃)、(2 m/s,30 ℃)、(2 m/s,40 ℃)、(1 m/s,30 ℃)、(3 m/s,30 ℃)图3 不同干燥条件对玛咖干燥过程中有效水分扩散系数的影响

2.2 不同干燥条件对玛咖品质特征的影响

感官评价是干燥产品质量保证体系中重要的组成部分，采用模糊数学法对不同干燥条件下玛咖冷风干燥干制品进行感官评价以表征其品质特征。不同干燥温度和进口风速下的玛咖产品感官评价的模糊矩阵RN(RN中的数字为表2中各评语统计人数同总人数的比值，a、b、c、d、e分别代表干燥条件(2 m/s,20 ℃)、(2 m/s,30 ℃)、(2 m/s,40 ℃)、(1 m/s,30 ℃)、(3 m/s,30 ℃)为：

最终模糊矩阵输出结果YN为：

Ya=X•Ra={0.26,0.18,0.12,0.16,0.28}•

对以上矩阵进行计算，于是得到：Ya1=(0.26∧0.7)∨(0.18∧0.6)∨(0.12∧0.5)∨(0.16∧0.8)∨(0.28∧0.7)=0.28，同理可得Ya2、Ya3、Ya4、Ya5的值。于是，Ya={Ya1,Ya2,Ya3,Ya4,Ya5}={0.28,0.20,0.10,0.10,0.10}，对Ya进行归一化处理得Y’a={0.411 8，0.294 1，0.147 1，0.147 1，0.147 1}。采取同样的方法可得到Y’b={0.276 6，0.212 8，0.297 9，0.212 8，0.212 8}、Y’c={0.142 9，0.171 4，0.285 7，0.400 0，0.371 4}、Y’d={0.272 1，0.291 7，0.208 3，0.208 3，0.104 2}、Y’e={0.227 3，0.227 3，0.227 3，0.318 2，0.295 5}。由此可见，不同干燥条件下玛咖冷风干燥得到产品感官评价对应模糊矩阵归一化输出集中的峰值分别为0.411 8、0.297 9、0.400 0、0.291 7、0.318 2，与表2中对产品接受程度的评语顺序相对应，得出不同干燥条件下玛咖冷风干燥干制品接受程度评语分别为“非常喜欢”、“中立意见”、“不喜欢”、“喜欢”和“不喜欢”。这一结果说明玛咖冷风干燥温度或干燥风速过高会降低消费者对其干制品的接受程度。这可能是因为当干燥温度过高时，会造成产品热敏成分发生不良降解反应[9]；另一方面当干燥温度或干燥风速过高会加快水分在物料内部的迁移速度，导致因水分迁移产生的剪切应力加大，使得物料在干燥过程中发生收缩变形，造成产品质地变差[17]。

表2 不同干燥条件下玛咖干制品感官评定统计

3 结论与讨论

通过对玛咖进行冷风干燥研究发现，随着进口风速和干燥温度的增加，玛咖冷风干燥耗时明显降低，但相对于进口风速，干燥温度对玛咖冷风干燥耗时的影响更大；Weibull分布函数能够作为玛咖冷风干燥的动力学模型，进而表征玛咖冷风干燥机制，玛咖冷风干燥过程中其形状参数β在0.400 3～0.815 1，玛咖冷风干燥过程主要受其内部水分向外迁移的控制，整个干燥过程处于降速阶段；不同干燥条件下玛咖冷风干燥有效水分扩散系数Deff为5.21×10-10～9.32×10-10m2/s，且受干燥温度影响更大；玛咖冷风干燥温度过高或干燥风速过大会降低消费者对其干制品的接受程度。因此，将冷风干燥应用于玛咖干制品生产中能够降低干燥耗时(干燥温度及干燥风速过低条件除外)，同时提升产品品质。

本试验从干燥耗时、干燥过程的动力学行为及干燥产品的感官评价方面对玛咖冷风干燥进行了研究，相对于自然晾晒等传统脱水方式，玛咖冷风干燥降低了干燥耗时。但研究中发现，玛咖冷风干燥过程中存在着物料水分分布不均匀，导致最终产品品质稳定性不高的问题，在今后研究中可以考虑借助核磁共振技术对玛咖冷风干燥过程中水分迁移轨迹进行深入捕捉，借助水分迁移规律，对玛咖冷风干燥条件及干燥策略进行优化研究。