铁棍山药热泵与热风干燥工艺优化

2019-04-01龙成树张林泉刘清化

现代农业装备 2019年1期

龚丽，龙成树，张林泉，刘军，钟宏，刘清化※

（1.广东省现代农业装备研究所，广州 510630；2.华南农业大学食品学院，广州 510600）

0 引言

山药又名淮山或怀山药，是百合目一年或多年生藤本植物，其块茎营养丰富，蛋白质和直链淀粉含量高、脂肪含量低，是药食两用之品，特别适合于体质虚弱或脾肺肾三脏虚损不足的中老年人食用[1-5]。山药的形态、成分及营养价值随品种和产地不同而有差异，其中河南温县的铁棍山药形若铁棍、色褐间红、营养丰富，被称为山药之极品，被国家相关部门批准为“地理标志产品”[6-10]。除了新鲜食用之外，干片是常见的山药药品和食物基料形态。虽然有关于山药片的真空冷冻干燥等高新干燥技术的工艺研究，但目前生产中仍采用热风干燥或自然晾晒方式加工，存在产品品质不稳定、能耗高、污染严重和硫含量超标等问题[11-13]。

热泵干燥技术是节能优质的干燥技术，可提供洁净少氧的工作环境且不受外界气候影响，在我国高附加值的水产品和腊味肉制品等加工领域应用较为广泛[14-20]，近年也有在柠檬和阳春山药等农产品干燥加工工艺方面的研究报导[13，20-22]，但没有关于铁棍山药的热泵干燥研究报导。

本文以河南温县的铁棍山药为研究对象，采用热泵和热风干燥技术进行对比干燥实验研究，并优化工艺参数，以期为山药节能优质干燥提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

河南省焦作市温县铁棍山药（以下简称铁棍山药）。

1.2 实验仪器与设备

热泵干燥实验装置、热风干燥实验装置、电子天平、MA150C-000230V1水分测定仪、DC-P3型全自动测色色差计、尼康D3100单反相机。

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程：

原料→清洗→去皮→切片→浸清水→（热烫）→沥水→放入筛网盘（单层）→干燥（每隔0.5 h称重一次）→成品（含水量在8%以下）。

1.3.2 热烫处理对铁棍山药干燥效果的影响

按1.3.1工艺流程，将切片厚度为6 mm的山药片经热烫（沸水20 s、60 s、空白）后，进行60℃热泵干燥。

1.3.3 干燥温度对铁棍山药干燥效果的影响

按1.3.1工艺流程，将切片厚度为6 mm山药片（不进行热烫处理），分别进行热风45℃、60℃和75℃以及热泵40℃、50℃、60℃干燥。

1.3.4 物料厚度对铁棍山药干燥效果的影响

按1.3.1工艺流程，将切片厚度分别为3 mm、6 mm、9 mm的山药片（不进行热烫处理），进行60℃热风和热泵干燥。

1.3.5 感官评定

感官评定见表1。

表1 感官评分表Tab.1 Sensory score sheeth

1.3.6 色差值测定

将干燥成品磨成粉状，用色差计测定L、a、b、Yi，并计算出ΔL、ΔE和dYi。其中，L代表明暗，ΔL正值，代表样品比标准偏亮，负值代表偏暗；a代表红绿，Δa正值，代表样品比标准偏红，负值代表偏绿；b代表黄蓝，Δb正值，代表样品比标准偏黄，负值代表偏蓝；Yi代表黄度，dYi值越大表明颜色与黄色越接近；ΔE值越大表明被测物颜色与标准白板色差越大。其计算公式如下：

式中 L标为标准白板明度；L样为样品明度；Δa、Δb为色度差；Yi标为标准白板黄度；Yi样为样品黄度。

2 实验结果与分析

2.1 铁棍山药热泵干燥实验结果

2.1.1 热烫处理对铁棍山药热泵干燥效果的影响

1）热烫处理干燥曲线，见图1—2。

图1 热烫处理对铁棍山药干燥速度的影响Fig.1 The effect of blanching treatment on the drying speed of dioscorea opposita thunb

图2 热烫处理对铁棍山药干燥速率的影响Fig.2 The effect of blanching treatment on the drying rate of dioscorea opposita thunb

图1和图2表明：随着干燥时间延长，山药水分含量迅速下降，但热烫与未热烫差异不显著；在升速和降速干燥阶段干燥速率曲线接近重合，说明热烫对干燥速率影响不明显。

2）热烫处理对铁棍山药感官的影响，见图3。

图3和表2表明：铁棍山药经过热烫处理后干燥，颜色轻微变黄，干燥有卷边现象，而未热烫处理组保持自然白色、感观评分较高。综上，铁棍山药干燥前不需要采取热烫处理。

2.1.2 干燥温度对铁棍山药热泵干燥效果的影响

1）不同干燥温度干燥曲线对比，见图4—5。

图3 不同热烫处理铁棍山药热泵干燥干品照片Fig.3 Photos of dioscorea opposita thunb after drying at different blanching treatment

表2 不同热烫处理后热泵干燥的铁棍山药感官评分表Tab.2 Sensory evaluation value of dioscorea opposita thunb with different blanching treatment

图4 铁棍山药不同温度热泵干燥曲线Fig.4 The heat pump drying curve of dioscorea opposita thunb under different temperature

图5 铁棍山药不同温度热泵干燥速率曲线Fig.5 The heat pump drying rate curve of dioscorea opposita thunb under different temperature

图4和图5表明：干燥温度越高干燥速度越快，60℃干燥仅需3 h，而40℃需7 h以上；不同温度干燥速率曲线趋势基本相同，干燥开始短时间内干燥速率即达到峰值且恒速干燥阶段不明显，60℃峰值较大，40℃峰值最小。

2）热泵干燥温度对铁棍山药感官的影响，见图6。

图6和表3表明：铁棍山药在经过热泵干燥后，表面总体平整，外观品质好，感官评分都较高，但40℃和50℃组有一定程度变黄。

3）热泵干燥温度对铁棍山药色差的影响，见表4。

图6 不同温度热泵干燥的铁棍山药照片Fig.6 Photos of dioscorea opposita thunb after drying at different dry temperature

表3 不同温度热泵干燥的铁棍山药感官评分表Tab.3 Sensory evaluation value of dioscorea opposita thunb with different heat pump drying temperature

表4 不同温度热泵干燥的铁棍山药色差值Tab.4 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different heat pump drying temperature

表4表明：60℃组ΔL值最大、ΔE值和dYi值最小，说明其亮度最高，褐变程度最小。综上，热泵干燥温度选择60℃较好。

2.1.3 厚度对铁棍山药热泵干燥效果的影响

1）不同厚度铁棍山药热泵干燥曲线，见图7—8。

图7 不同厚度铁棍山药热泵干燥曲线Fig.7 The heat pump drying curve of dioscorea opposita thunb under different thickness

图7表明：厚度对干燥速度影响显著，厚度越薄干燥越快。由图8知不同厚度干燥速率差异明显，3 mm组干燥最快恒速段不明显，9 mm较6 mm组恒速阶段长。

图8 不同厚度铁棍山药热泵干燥速率曲线Fig.8 The heat pump drying rate curve of dioscorea opposita thunb under different thickness

2）厚度对铁棍山药感官的影响，见图9和表5。

图9 不同厚度铁棍山药热泵干燥照片Fig.9 Photos of dioscorea opposita thunb after drying at different thickness

表5 不同厚度铁棍山药热泵干燥感官评分表Tab.5 Sensory evaluation value of dioscorea opposita thunb with different slice thickness

图9和表5表明：3 mm和9 mm组褐变较明显，且3 mm组较脆易碎、9 mm组很硬，6 mm组硬度、脆度适中，外观品质最好。

3）厚度对铁棍山药色差的影响，见表6。

表6 不同厚度的铁棍山药色差值Tab.6 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different slice thickness

表6数据表明，6 mm组ΔL值最大、ΔE值最小、黄度dYi值很小，说明其亮度最大、色差值较小、几乎没有发黄现象，因此，切片厚度选择6 mm最佳。

2.2 铁棍山药热风干燥实验结果

2.2.1 干燥温度对铁棍山药热风干燥效果的影响

1）铁棍山药热风干燥曲线，见图10—11。

图10和图11是未经热烫处理、切片厚度为6 mm铁棍山药热风干燥曲线和干燥速率曲线。由图可知：干燥温度越高山药干燥越快，75℃需4 h，而45℃需10 h；不同温度组干燥速率曲线略有不同，75℃组干燥速率最大出现峰值快，恒速阶段和降速阶段明显；60℃组干燥速率曲线趋势与75℃组相近，但峰值出现较晚；45℃组干燥速率明显较60℃和75℃组慢，且峰值出现晚、恒速段较长，降速段的下降速度也比较缓慢。

图10 铁棍山药不同温度热风干燥曲线Fig.10 The hot drying curve of dioscorea opposita thunb under different temperature

图11 铁棍山药不同温度热风干燥速率曲线Fig.11 The hot drying rate curve of dioscorea opposita thunb under different temperature

2）不同热风干燥温度对铁棍山药色差的影响，见表7。

表7 不同温度热风干燥的铁棍山药色差值Tab.7 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different hot drying temperature

由表7可知：75℃组ΔE值和dYi值最大、ΔL值最小，说明其褐变程度最大；45℃和60℃组ΔE值较小且差异不大；dYi值45℃组最小、60℃组居中。

综上，综合考虑品质和效率，热风干燥采用60℃温度进行。

2.2.2 厚度对铁棍山药热风干燥效果的影响

1）不同厚度铁棍山药热风干燥曲线，见图12—13。

图12 不同厚度铁棍山药60℃热风干燥曲线Fig.12 The hot drying curve of dioscorea opposita thunb under different thickness

由图12和图13可知：物料厚度对干燥速度影响显著，物料越薄干燥速率越大、干燥所需时间越短。其中，3 mm干燥只需3 h，6 mm约需5 h，而9 mm需7.5 h以上。

图13 不同厚度铁棍山药60℃热风干燥速率曲线Fig.13 The hot drying rate curve of dioscorea opposita thunb under different thickness

2）不同厚度对铁棍山药热风干燥感官的影响，见图14和表8。

图14 不同厚度铁棍山药热风60℃干燥成品照片Fig.14 Photos of dioscorea opposita thunb after hot drying at different thickness

表8 不同厚度铁棍山药热风干燥成品感官评分表Tab.8 Sensory evaluation value of dioscorea opposita thunb with different slice thickness

由图14和表8可知：6 mm组热风干燥后外观和品质相对较好，3 mm组次之，9 mm组发黑严重，外观品质差。

3）不同厚度对铁棍山药热风干燥色差的影响，见表9。

表9 不同厚度铁棍山药热风干燥成品色差值Tab.9 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different slice thickness

由表9可知：6 mm组ΔL值最大、ΔE值最小，说明其亮度强，较白；9 mm组ΔL值最小、ΔE最大，但黄度值dYi最小，说明其外观偏向于黑色而不发黄。

综上，铁棍山药切片最优厚度为6 mm。

2.3 铁棍山药热泵与热风干燥工艺对比结果

2.3.1 热泵与热风干燥曲线对比

图15 铁棍山药热泵与热风干燥曲线对比Fig.15 The hot drying curve of dioscorea opposita thunb with different dry method

图16 铁棍山药热泵与热风干燥速率曲线对比Fig.16 The hot drying rate curve of dioscorea opposita thunb with different dry method

图15和图16为铁棍山药（切片厚度为6 mm）在60℃下热泵及热风干燥曲线/干燥速率曲线对比图。由上图可知：相同干燥温度下热泵比热风干燥速度快，60℃热泵干燥仅需3 h，而热风约需5 h。热泵干燥先达到峰值后经恒速阶段到降速阶段，其峰值较热风干燥高。热风干燥则先出现恒速阶段后在约120 min时才出现峰值，随后进入降速阶段。

2.3.2 不同干燥方式对铁棍山药色差的影响

表10是不同干燥方式对山药色差的影响，表明：ΔL值和ΔE值两组相差不明显，但热风组黄度值dYi相对较大，说明其发黄现象较明显。