不同切片方式对黄秋葵热风干燥特性的影响

张彩芳,张明玉

(漯河食品职业学院,河南漯河 462300)

黄秋葵(Abelmoschusesculentus(L.)Moench)为锦葵科秋葵属一年生草本植物[1],由于其蛋白质、维生素C以及膳食纤维含量高,而饱和脂肪酸含量低,且具有一定的医用保健功能,常被认为是一种理想的健康食品[2]。当前世界黄秋葵年产量已高达594万吨[3],然而采摘后的新鲜黄秋葵含水率较高,不及时处理会发生一系列生理及形态上的变化,导致黄秋葵产品不被消费者接受[4],因此,脱水处理延长黄秋葵货架期，是缓解黄秋葵产销矛盾及保证后续深加工产品安全的重要环节。

热风干燥是黄秋葵常用的一种对流干燥方式,具有设备投资少、干燥能耗低、干燥速率高、操作简便等优点[5],众多研究结果显示,当热风干燥温度为60 ℃、干燥进口风速为1.5 m/s时，能够得到品质较好的黄秋葵干制品[6-8]。食品物料在热风干燥过程中，从干燥介质吸收热量将水分蒸发,其内部水分需要先到达物料表面,继而被带走,达到脱水效果[5],但在黄秋葵实际干燥实验时发现，热风干燥黄秋葵过程中容易出现表面过热甚至结壳现象,严重阻碍了干燥质热传递的进行,导致黄秋葵在热风干燥过程中表面热积累严重,造成干燥产品发生一系列不良热降解反应,降低产品品质[1]。切片是食品物料干燥常用的处理方式,通过对物料进切片处理,进而减少物料干燥过程中水分和热传递路径,提升干燥速率,避免干燥过程中热量的过度累积[9-11],因而,寻求合适的切片方法进行热风干燥以克服传统黄秋葵热风干燥缺点的研究工作，显得尤为重要。目前尚未见关于不同切片方式对黄秋葵热风干燥行为影响的报道。

本文采用不同的切片方式处理新鲜黄秋葵,并对其进行热风干燥,对比研究了不同切片方式对黄秋葵干燥机理及感官评价的影响,以期得到适用于生产高品质黄秋葵干制品的较优切片方式。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

黄秋葵 品种:五福,采购于当地农贸市场;去离子水 洛阳昊华化学试剂有限公司。

GS-Ⅱ热风干燥机 河南省郑州市万谷机械有限公司;102-2型电热鼓风干燥箱 北京科伟永兴仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 切片和干燥 采用105 ℃绝干法测得所购黄秋葵干基含水率为10.13 g/g。挑选长度(约130 mm)、直径(整个果实最粗处直径约为15 mm)相似的黄秋葵,用于干燥实验。干燥前分别沿着果茎长度方向(竖切)和垂直果茎长度方向(横切)对新鲜黄秋葵进行切片处理,参考Wankhade P K等[2]的方法,黄秋葵切片厚度和切片长度分别为5 mm及11 mm。切片结束后，用保鲜膜将其密封，并放入5 ℃冰箱保鲜待用[12]。分别将横切、竖切以及完整果实黄秋葵物料均匀平铺于热风干燥机的多孔干燥盘内,每次实验物料量为500 g,干燥过程中干燥温度设置为60 ℃,干燥风速为1.5 m/s[6-8],干燥过程中每隔30 min将物料取出称量,记录数据后迅速放回继续干燥,直至物料湿基含水率不变时,干燥结束。每组实验重复3次。

1.2.2 物料含水率测定 物料含水率测定采用GB/T 5009.3-2010中直接测定法[13]。

1.2.3 物料干燥过程中干基含水率测定 黄秋葵热风干燥过程中干基含水率测定采用式(1)计算[14]:

式(1)

式中:Mt为黄秋葵物料在干燥任意t时刻的干基含水率,g/g;mt,md分别为干燥任意t时刻物料和绝干物料的质量,g。

1.2.4 干燥速率的计算 物料在干燥过程中的干燥速率采用式(2)计算[14]:

式(2)

式中:Mt,Mt+dt分别为干燥任意t时刻和t+dt时刻物料干基含水率,g/g。

1.2.5 物料干燥过程中有效水分扩散系数计算 干燥过程中水分比采用式(3)计算[1]:

式(3)

式中:M0,Me,Mt分别为初始干基含水率、干燥到平衡时的干基含水率、在任意干燥t时刻干基含水率,g/g。Me相对于M0和Mt来说很小可近似为0。因此式(3)可以改写为[1]:

式(4)

实验物料主体为一扩散介质,且物料厚度远小于其相对直径,因此可以将实验黄秋葵(切片或者这个果实)假设为以长圆柱体,其水分为一维轴向扩散,因此根据Fick第二扩散定律的解析解,物料干燥过程中的水分比可以表达为式(5)[1]:

式(5)

式中:Deff为有效水分扩散系数,m2/s;L为物料厚度的一半,m;t为时间,s;M0为初始干基含水率,g/g;Mt为在任意干燥 t 时刻的干基含水率,g/g;g;n为组数,本试验干燥时间足够长,因此,可将其视为0,因此,实验中物料水分比又可以简化为式(6)[1]:

式(6)

对式(6)两边同时取自然对数,转化得到有效水分扩散系数的计算公式(7)[5]:

式(7)

由式(7)可发现,以lnMR为纵坐标,以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 物料水分比曲线Weibull分布函数拟合 黄秋葵热风干燥过程中的水分比变化动力学模型采用Weibull分布函数表示[1]:

式(8)

式中:MR为水分比;α为尺度参数/h;β为形状参数;t为干燥时间,h。

Weibull分布函数的拟合精度验证采用决定系数R2和离差平方和(χ2)来表示。R2值越大,χ2值越小表示拟合越好[1]:

式(9)

式(10)

式中:N为实验点数;MRi为实测水分比;MRpi为预测水分比。

在Weibull分布函数中α为尺度参数,表示干燥过程中的速率常数,约等于干燥过程中物料脱去63%水分所需要的时间;β为形状参数,其值与干燥过程的干燥速率有关,当β>1时,干燥速率会先升高后降低;当0.3<β<1时为降速干燥,干燥过程由内部水分扩散控制[1]。

1.2.7 干燥能耗测定 干燥消耗总能量通过电表测定,则黄秋葵干燥能耗以去除1 kg水分所消耗的能量(kJ/kg)表示[14]。

1.2.8 产品基于模糊数学推理法的感官评定 感官评定参考段续等[14]的方法,10名评价员以非常喜欢、喜欢、中立意见、不喜欢、非常不喜欢为评价语,以干制品颜色、外观、质地、风味、整体接受程度为评价指标,对不同干燥条件下得到的黄秋葵干制品进行感官评价。试验中模糊数学推理采取Zhang等[11]的方法进行,与各评价指标对应的权重集X={颜色,外观,质地,风味,整体接受程度}={0.27,0.25,0.15,0.13,0.20}。

1.3 数据处理

采用Origin pro 8.5对试验数据进行线性/非线性拟合,并分析其拟合度;使用DPS 7.05对试验数据进行方差分析,试验中显著水平定为p<0.05。每组试验重复3次,取其平均值进行各指标统计分析[5]。

2 结果与分析

2.1 不同切片方法对黄秋葵干燥特性的影响

由图1可知,当黄秋葵不做切片处理进行热风干燥时，其干燥耗时为12 h,经过切片处理后,干燥耗时最大缩短至7 h,干燥耗时缩减率为41.67%,这说明切片处理能够提升黄秋葵热风干燥速率,缩短干燥耗时,这是因为切片处理减小了物料干燥厚度,同时增加了物料与干燥介质的接触表面积,从而强化物料干燥过程中的传热传质。横切和竖切黄秋葵热风干燥耗时分别为7、10 h,黄秋葵横切处理的干燥耗时比黄秋葵竖切处理的干燥耗时缩短了42.86%,意味着横切处理比竖切处理更利于黄秋葵干燥过程中的水分扩散,这可能是因为黄秋葵水分扩散孔道多纵向排列,黄秋葵横切处理缩短了物料内部水分向表面扩散的路径,增强了黄秋葵干燥传质过程的进行,增加干燥速率。PENDRE等[6]在研究不同干燥温度和切片面积对黄秋葵干制品品质的影响中，得到了与本文关于黄秋葵水分扩散通道排列方式相似的推论。

由图1可以看出,不同切片方式下黄秋葵热风干燥含水率随时间变化曲线均呈现出两个不同的阶段:开始水分快速下降阶段(约除去整个含水率的60%)以及后续的含水率缓慢下降阶段。对比图1不同切片处理下黄秋葵热风干燥含水率下降曲线能够发现,切片处理对物料干燥的中期阶段影响最为明显(横切:1～2.5 h;竖切:1.5～4 h),这是因为在干燥初始阶段,物料处于预热状态,水分主要是由物料内部扩散至物料表面,由于干燥时间短,此时温度在物料内部递减衰弱传递,该阶段受环境影响较小;干燥继续进行至中期阶段,物料温度累积至一定程度,物料质热传递主要受水分迁移和热量交换路径影响,切片处理缩小了物料质热传递路径,因此切片处理对干燥中期作用最为明显;干燥后期物料含水率下降至较低水平,干燥速率也随之下降[15]。

图1 不同切片方式下黄秋葵热风干燥曲线Fig.1 The profiles of okras moisture content under different cutting methods

不同切片方式下黄秋葵热风干燥的干燥速率如图2所示。由图2可看出,从干燥开始至干燥到3.5 h之间,切片处理过的黄秋葵干燥速率高于全果实干燥速率,干燥3.5 h后，全果实干燥速率高于切片处理后的黄秋葵干燥速率。这是因为干燥3.5 h前，切片处理过的黄秋葵和全果实黄秋葵均含有丰富的水分,此时干燥速率受含水率下降的影响较小,切片处理能够强化物料干燥传热传质的进行,切片处理黄秋葵干燥速率较全果实干燥速率高;干燥3.5 h后,切片处理的黄秋葵含水量已降至较低水平,而全果实黄秋葵含水率仍保持较高水平,造成全果实干燥速率较切片处理黄秋葵干燥速率高。从图2中还能够发现,全果实干燥速率曲线呈扁平状态,整个干燥速率变化幅度较小,因为在干燥过程中全果实黄秋葵表面热量积累,导致表面结壳阻碍水分扩散及热量的传递,从而造成整个干燥速率不高。

图2 不同切片方式下黄秋葵热风干燥速率曲线Fig.2 The drying rate of okras under different cutting methods

2.2 不同切片方法对有效水分扩散系数的影响

图3给出了ln MR和时间之间的线性拟合关系图。黄秋葵横切、竖切和全果实ln MR和时间之间的线性拟合决定系数R2分别为0.964、0.900和0.910,均表现出了较好的拟合。通过图3结合式(7)，得到不同切片方式下，黄秋葵热风干燥过程中有效水分扩散系数,其结果如图4所示。不同切片方式下黄秋葵热风干燥有效水分扩散系数在2.66×10-10～6.97×10-10m2/s之间,符合食品物料干燥有效水分扩散系数10-12～10-8m2/s数量级范围[16]。相对于全果实黄秋葵,经横切和竖切处理的黄秋葵干燥有效水分扩散系数分别增加了162.03%和35.34%。另一方面,横切处理的黄秋葵有效水分扩散系数比竖切处理的黄秋葵有效水分扩散系数增加了93.61%。以上结果说明，横切处理可以应用到黄秋葵热风干燥过程中以提升其干燥速率,降低干燥耗时。

图3 不同切片方式下黄秋葵热风干燥过程中ln MR随时间变化关系Fig.3 Plot of ln MR versus drying time(s)for different okras

图4 不同切片方式对黄秋葵有效水分扩散系数的影响Fig.4 Effect of different cutting methods on Deff value

2.3 干燥过程的Weibull分布函数拟合

表1和图5显示了黄秋葵热风干燥过程中水分比随时间变化曲线的Weibull分布函数拟合情况。由表1可知,采用Weibull分布函数对实验数据进行拟合,其决定系数R2均在0.99以上,χ2均在10-4水平,表现出较好拟合,Weibull分布函数能够准确描述黄秋葵热风干燥过程中的水分比变化情况。不同切片方式下，黄秋葵热风干燥的尺度函数α在0.994～5.162之间,且切片处理的黄秋葵尺度函数比未经处理的黄秋葵尺度函数低,横切处理的黄秋葵尺度函数比竖切处理的黄秋葵尺度函数低。Weibull分布函数这一结果，从理论角度上验证了切片处理能够强化黄秋葵热风干燥传热传质的进行,且横切处理的强化作用较竖切处理的强化作用更加明显这一结论,黄秋葵Weibull分布函数尺度参数变化情况同LIU等[12]的研究结果。Weibull分布函数形状参数β可以用来表征物料干燥过程中水分迁移的机制,表1能够看出，不同切片处理下黄秋葵热风干燥的形状参数均小于1,说明黄秋葵热风干燥是减速干燥过程,整个干燥主要受内部水分扩散控制,这一结论同图2得到的结论一致,说明Weibull分布函数能够作为黄秋葵热风干燥动力学模型,进而表征黄秋葵热风干燥机理。

表1 Weibull分布函数拟合参数、精度指标Table 1 Fitting parameters,fitting precision indexes of Weibull distribution function

图5 不同切片方式下黄秋葵水分比Weibull分布函数拟合曲线Fig.5 Profiles of okras MR under different cutting methods注：(a),(b),(c)分别代表横切、竖切和全果实。

不同切片方式下，黄秋葵热风干燥能耗如图6所示。切片处理下黄秋葵热风干燥能耗最小值比最大值降低了64.13%。该结果说明黄秋葵切片处理能够降低其热风干燥能耗。

图6 不同切片方式对黄秋葵干燥能耗的影响Fig.6 Effect of different cutting methods on drying energy consumption

这是因为,切片处理降低了黄秋葵热风干燥质热传递路径,加大了干燥过程中黄秋葵与干燥介质的接触比表面积,从而强化干燥过程中的质热传递行为,降低干燥耗时,缩短干燥设备运行时间,提升干燥效率,减少干燥能耗。黄秋葵横切处理比其竖切处理干燥能耗降低了49.56%,表明横切处理比竖切处理对干燥能耗的降低效果更好。这可能是因为黄秋葵水分迁移微孔结构为竖向排列[6],横切处理比竖切处理进一步降低黄秋葵干燥水分迁移路径,提升干燥速率,降低干燥能耗。

2.4 不同切片方法对黄秋葵干制品感官评分的影响

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切片方式下黄秋葵热风干燥干制品进行感官评价以表征其品质特征。各评价员对不同切片方式下黄秋葵热风干燥得到的黄秋葵干制品评价结果如表2所示。各切片方式下得到的黄秋葵感官评价模糊矩阵RN为(RN中的数字为表2中各评语统计人数同总人数的比值,下式中a,b,c分别代表横切、竖切和全果实)。

表2 不同切片方式下黄秋葵干制品感官评价统计Table 2 Panel responses for preference of each sample

最终模糊矩阵输出结果YN为(下式中a,b,c分别代表横切、竖切和全果实):

对以上矩阵进行计算,于是得到:

3 结论

通过对黄秋葵不同切片方式下的热风干燥进行对比，发现切片处理能够提升黄秋葵热风干燥速率,且横切处理对黄秋葵热风干燥速率提升效果更大;不同切片方式下黄秋葵热风干燥有效水分扩散系数在2.66×10-10～6.97×10-10m2/s之间,相对于全果实干燥,横切处理黄秋葵对其热风干燥有效水分扩散系数的提升更大;Weibull分布函数能够准确的拟合黄秋葵热风干燥过程中水分比随干燥耗时的变化曲线,不同切片处理下，黄秋葵热风干燥的形状参数均小于1,黄秋葵热风干燥是减速干燥过程,整个干燥主要受内部水分扩散控制;黄秋葵横切处理能够提升其干制品品质,从而被更多消费者接受。