热烫藕条微波滚动干燥热场分布及脱水品质

2020-09-10吕为乔宿佃斌王天行段振华李国华

食品与生物技术学报 2020年7期

吕为乔，宿佃斌，王天行，宋凯，段振华，李国华

（1. 贺州学院食品科学与工程技术研究院，广西贺州542899； 2. 中国农业大学工学院，北京100083）

微波干燥是利用特性波段电磁波对物料中水分子的高频作用，使水分子获得较高的能量，进而从物料中分离出来[1-2]。微波干燥目前广泛应用在高水分农产品的加工干燥中，如毛豆[3]、生姜[4]、香蕉片[5]等。由于微波在农产品中具有较强的穿透性，物料为全体积受热，物料的形态、属性和所处的位置不同均会造成微波干燥不均[6-7]。家用的微波炉，采用旋转盘的二维运动，来改善加热均匀性。前期有学者研究了微波热风振动床干燥[8]、微波喷动床干燥[9-10]，在不同程度上改善了微波干燥的均匀性。作者采用自主研制的微波热风滚动床干燥（MARD）装备，以生鲜藕条为原料，对装备的原理和过程进行了优化分析。

莲藕（Nelumbo nuciferaGaertn）为多年生大型宿根草本植物，富含淀粉、纤维素、维生素等多种营养元素[11-12]。为研究杀青处理方式对莲藕热风微波滚动床干燥过程和品质的影响，开发高品质的脱水果蔬食品，采用沸水漂烫的方法，研究漂烫处理对新鲜藕条干燥过程热像分布、干燥品质和微观结构的影响。为阐述沸水漂烫对MARD 干燥过程的特定影响，并区别于微波的作用，作者在对藕条的干燥曲线、感官品质等指标进行分析时，以电热鼓风干燥（Hot-Airflow Drying， AD）工艺进行对照研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

生鲜莲藕，购于本地农贸市场，含水率81.90%。去皮、切条，截面为0.5 cm×0.5 cm，清水洗去淀粉后备用。

1.2 主要仪器与设备

微波热风滚动床干燥装备（ORW2S-3000R型）：南京奥润微波电子科技有限公司产品；电热鼓风干燥箱（GZX-9140MBE型）：上海博讯实业有限公司医疗设备厂产品；色差仪（HP-200型）：厦门新锐仪器仪表有限公司产品；扫描电子显微镜（Hitachi S3400型）：日本日立公司产品；数字风速仪（UT363型）：东莞优利德科技有限公司产品；电子天平（FA1004型）：上海舜宇恒平科技仪器有限公司产品。

MARD 干燥装备为作者所在团队自主研发设计，原理图如图1 所示。该装备由3 组100～1000 W的2450 MHz 微波源组成，微波功率可独立连续控制。物料置于腰鼓形滚动床体内侧，转速为1～10 r/min连续可调，床体和传动此轮均采用聚四氟乙烯材料制成，确保对微波干燥过程无干扰。热风功率3000 W，风速和风温连续可调。干燥仓侧门上有红外传感器，实时监测滚动床上物料的温度，若温度超过设定值，微波源停止工作。间歇设定时间后，微波源继续开启。

图1 微波热风滚动床干燥装备原理图Fig. 1 Schematic diagram of MARD

1.3 干燥工艺

1.3.1 MARD 干燥将准备好的藕条2 组，每组1000 g，分别进行沸水漂烫和对照组（未漂烫）处理，漂烫时间为1 min，处理后置于MARD 装备滚动床体中。同时开启热风和微波。入口热风风速调到2 m/s，温度设为65 ℃。微波总功率设为800 W，3个磁控管的功率系统设定为平均分配，物料最高温度设为75 ℃。当检测到物料的最高温度超过设定值时，微波源自动停止工作，经过20 s 后再继续工作，确保传感器监测的最高温度不超过设定值。干燥终点时，物料干基含水率控制在8%以下[13]。试验每10 min 对物料称量一次，直至干燥终点，为了表征试验误差，每组试验重复3次，绘制物料“干基含水率-干燥时间”关系曲线。为保证干燥后期品质，最后一阶段通过经验观察、并多次测量得到，干燥时间和干燥曲线为近似结果。

1.3.2 AD 干燥将准备好的藕条2 组，每组500 g，分别进行沸水漂烫和对照组（未漂烫）处理，漂烫为沸水，漂烫时间为1 min。为了保证过程的稳定性，将处理后的物料置于标准化的电热鼓风干燥箱中进行AD 干燥。试验中，热风温度设为75 ℃，试验测得入口风速1 m/s。同样，试验每15 min 对物料称量一次，直至物料干基含水率控制在8%以下。为了表征试验误差，每组试验重复3次，绘制物料“干基含水率-干燥时间”关系曲线。

1.4 分析方法

1.4.1 MARD 过程的温度分布试验在MARD 工艺干燥开始阶段（干燥0 min，10 min）、中间阶段（干燥60 min）和干燥后期（漂烫处理物料干燥110 min，未漂烫处理物料120 min）暂停微波，打开仓门，利用FLIR E40型红外热像仪第一时间测得藕条的热像图，并观察热像图中最高温度与设定最高温度的关系，以及物料在微波干燥过程中温度的波动情况。

1.4.2 脱水藕条干燥色泽在色泽变化上，采用“Hunter Lab”色度空间法，测定藕条脱水产品的色泽品质变化。其中，其中L 代颜色的深浅，正值亮度较高；a 代表颜色的红绿方向，正值红度较高；b 值代表颜色的黄蓝方向，正值黄度较高[14]。试验采用HP-200型测色色差仪测定藕条脱水产品的色泽品质变化，基于藕条干燥产品色泽指标的数值变动较大，将4 组不同工艺下的脱水藕条粉碎，然后测量数L、a、b。为了表征测量误差，每个阶段抽样3次，测定均值和标准差。

1.4.3 脱水藕条的微观结构分别取4 组不同干燥工艺中的脱水藕条各一块，贴到样品台上、镀膜，通过Hitachi S3400型扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）扫描观察，在适宜的倍数下拍照，采集数据。

2 结果与讨论

根据试验过程监测到的数据，得到未漂烫藕条MARD 干燥、沸水漂烫藕条藕条MARD 干燥、未漂烫藕条AD 干燥、沸水漂烫藕条AD 干燥4 组干燥工艺下的“干基水分质量分数-干燥时间”的规律性变化曲线，结果见图2。可以发现，在相同干燥参数下，未漂烫藕条MARD 干燥，达到干燥终点时所需要的时间为120 min，沸水漂烫藕条的干燥时间为110 min，沸水漂烫显著提高了干燥效率。在干燥过程中，物料在开始阶段水分降低较快，随着干燥的持续进行，干燥速度逐渐降低。分析认为，物料的游离水首先被微波干燥，剩余不易流动水和结合水干燥阻力较大，干燥速度降低。

在AD 干燥中，未漂烫藕片的干燥时间为405 min，沸水漂烫后的藕片干燥时间为390 min。沸水漂烫同样提高了热风干燥的效率。分析认为沸水漂烫过程破坏了细胞的组织结构，使水分更容易从干物质中分离出来。 AD 干燥过程中，干燥速度开始阶段比较平稳，随着干燥的进行，先升高，后降低。分析认为物料在开始阶段逐渐升温，自由水含量较高但起始温度较低，AD 干燥的速度较为平稳。随着干燥的进行，物料温度升高，干燥速度加快。在干燥后期，剩余水分与干物质的结合力较强，同时，由于表面硬化，传质阻力增大，导致干燥速率变慢

图2 不同工艺下藕条干燥过程的水分变化曲线Fig. 2 Moisture content of lotus-root sticks during different drying process

2.1 藕条干燥过程的热像结果

藕条MARD 干燥过程热像图的分布，反映了物料的干燥状态。物料最高温度设为75 ℃，但物料处于滚动状态，传感器对物料的监测有一定浮动。与此同时，物料本身在MARD 干燥过程温度分布也有一定的波动。试验采用红外热像仪对干燥初期（物料放入阶段干燥0 min、干燥10 min）、中期（干燥60 min）和后期（干燥终止阶段110 min、120 min）物料的温度进行监测，能在宏观上反映物料的温度状态。未漂烫藕条MARD 干燥、沸水漂烫藕条藕条MARD 干燥两组工艺下的红外热像图如图3 和图4所示。在热像图中存储物料的地方取线，可通过热像仪系统软件提取相关温度。

结果发现，未漂烫以及沸水漂烫藕条在MARD干燥过程有着相同的规律，起始阶段物料温度较低，干燥仓体的温度已通过热风系统首先升温。随着MARD 干燥工艺的进行，物料温度逐渐升高，物料的升温速度高于仓体的升温速度，在开始阶段和中间阶段物料均未达到设定的最高温度，微波干燥持续进行。在最终阶段，物料的水分大部分散失，受热基数变小。温度升高较快，围绕设定值浮动，局部地区超过了设定温度75 ℃，因此干燥最终阶段是控制物料品质的关键阶段。

图3 新鲜藕条MARD 干燥过程的热像分布以及对应的采样点温度Fig. 3 Thermogram and corresponding temperature of sampling points during MARD for fresh lotus-root sticks

图4 沸水漂烫物料MARD 干燥过程的热像分布以及对应的采样点温度Fig. 4 Thermogram and corresponding temperature of sampling points during MARD for boiling-water blanching lotusroot sticks

比较沸水漂烫对物料温度的影响，图4 漂烫物料起始温度比图3 未漂烫物料高，物料在MARD 干燥过程中升温速度较快。由于整个干燥过程藕条温度平均值较高，同时生物组织中的水分受过漂烫处理，物料在MARD 中的干燥时间减少了约10 min，在干燥110 min 时达到干燥终点。

2.2 脱水藕条色泽变化

试验得到 “未漂烫+AD，漂烫+AD，未漂烫+MARD 以及漂烫+MARD”4 组不同工艺下的脱水藕条产品，如图5 所示。未经漂烫的MARD 产品和AD产品色泽明亮，漂烫过的MARD 产品和AD 产品色泽较暗，基于藕条干燥产品色泽指标的数值变动较大，将4 组不同工艺下的脱水藕条打粉，每组粉体抽样3次，测定均值和标准差。利用“Hunter Lab”色度空间法，颜色在L、a、b 3个不同指标的坐标轴间取值，不同工艺下脱水藕粉的色泽指标如表1 所示。

从所得藕片色泽数值上看，相对于AD 干燥，MARD 干燥产品的L 值和b 值变化不显著，未漂烫的产品中，MARD 工艺下的产品红度指数a 值偏高。相对于未漂烫的产品，L 值减小，a 值增大，且在95%的置信区间上有显著差异，说明无论是MARD还是AD 工艺，沸水漂烫均能显著降低产品的亮度，红度值显著升高。从物料的b 值上看，黄度指标变化不显著。

图5 不同工艺下藕条干燥形态及藕粉Fig. 5 Dehydrated lotus-root sticks and corresponding powders in different drying processes

表1 不同工艺下脱水藕粉的Hunter Lab 色泽指标Table 1 "Hunter Lab" color index of dehydrated lotusroot powders in different drying processes

2.3 藕条干燥后的SEM 形貌

在未经漂烫和漂烫的藕条经过MARD 干燥和AD 干燥的产品中取样处理，经扫描电子显微镜扫描观察，得到样品500 倍的微观形貌，如图6 所示。图中6（a）和6（b）相比较反映了漂烫对MARD 干燥过程的影响，发现二者结构紧密，呈层状断面，未见清晰的细胞内结构和特殊大分子组织，漂烫对微波干燥形貌的影响不显著。图中6（c）和6（d）相比较反映了漂烫对AD 干燥过程的影响，未漂烫藕条热风干燥后产品有清晰的淀粉颗粒，而经过漂烫的藕条的微观结构中，未发现清晰的淀粉颗粒，说明沸水漂烫过程对物料的组织结构发生了破坏性改变。以上4 组数据也说明了，微波和沸水漂烫都会破坏物料的组织结构。结合藕条的干燥速度曲线，说明微波和沸水漂烫在加快干燥速度的同时，破坏了藕片的组织结构，二者存在交互影响。