恒温及变温气体射流冲击干燥对猕猴桃片干燥特性及品质的影响

刘 雪 曾祥媛 张 园 罗 蓉 高若曦 赵武奇

(陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西 西安 710119)

猕猴桃(kiwifruit)也称藤梨、羊桃、奇异果等，是猕猴桃科猕猴桃属多年生藤本植物的果实[1-2]，含有多种必需氨基酸、多糖、粗纤维以及微量元素，因维生素含量极高享有“世界珍果”的美称[3-5]，深受大众青睐。猕猴桃是典型的呼吸跃变型浆果类果实，采后极易软化变质，不易久藏[6]。将猕猴桃干制是延长其贮藏期、提高其经济价值的有效途径[7]。目前在猕猴桃片干燥方面已进行了热风干燥[8]、微波真空干燥[9]、真空冷冻干燥[10]等研究。热风干燥的干燥效率低、产品营养损失严重；微波真空干燥物料易糊化；真空冷冻干燥能耗高、设备昂贵。因此，探究一种能耗低、干燥产品品质好的新型干燥方法对于猕猴桃片的加工具有重要的意义。

变温干燥能根据物料所处的不同干燥阶段，设置不同的干燥温度，提高物料干燥速率及产品品质[11]。在变温干燥方面，前人对甜菜[12]、香蕉和番石榴[13]、巴拉圭茶[14]、灵芝[15]干燥的结果均表明变温干燥产品品质更高。罗传伟等[16]采用薄层变温热风对魔芋进行干燥，结果表明,变温干燥的干燥速率最高，且先低温后高温的变温方式效果较好；胡光华等[17]得出罗非鱼的去水效果依次为降温干燥>升温干燥>恒温干燥；吴中华等[18]和张绪坤等[19]分别采用恒温和变温方式对枸杞、莲子进行干燥，发现变温干燥节省能耗且产品品质较好。气体射流冲击干燥是将高速气体经加热后通过圆形管嘴喷射到物料表面，使得气流与物料表面形成极薄的边界层，具有传热系数高、干燥速率快、干燥产品品质好的优点[20]，已被成功应用于紫薯[21]、核桃[22]、哈密瓜[23]、冬枣片[24]等的干燥，然而气体射流冲击干燥过程中气体的风速对物料干燥特性影响却不显著[20,22]。因此，本研究将变温气体射流冲击干燥技术应用于猕猴桃片干燥，探究不同的气体射流冲击干燥温度(恒温、先低后高变温和先高后低变温)对猕猴桃片的干燥特性及品质的影响，旨在为变温气体射流冲击干燥技术应用于猕猴桃片的干燥提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

供试猕猴桃品种为秦美，由陕西佰瑞猕猴桃研究院种植基地提供。测定猕猴桃的湿基平均含水量为83.32%。

蒽酮、草酸、氢氧化钠、邻苯二甲酸氢钾、抗坏血酸，天津市天力化学试剂有限公司；蔗糖、乙酸乙酯、2，6-二氯酚靛酚钠，成都市科龙化工试剂厂。所用试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器与设备

BS224S型电子天平，北京赛多利斯系统有限公司；TA.XT plus质构仪，英国Stable Micro Systems公司；NS810色差仪，深圳市三恩驰科技有限公司；UV-1800型紫外分光光度计，日本岛津公司；XO-SM100超声波微波协同反应工作站，南京先欧仪器制造有限公司；气体射流冲击干燥试验设备，由陕西师范大学食品工程实验室自行研制，主要由离心风机、余热回收装置、加热器、气流分配室、圆形喷嘴和物料干燥室构成，其结构原理见参考文献[21]。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程 原料挑选→去皮、切片→烫漂→护色、硬化→超声渗糖→冲洗→气体射流冲击干燥[25]。

1.3.2 猕猴桃片恒温或变温气体射流冲击干燥试验 根据预试验结果及相关参考文献[20,22]，选取风速为11 m·s-1,变温干燥第一阶段干燥时间为65 min，其他具体试验方案如表1所示。干燥试验在不同的时间间隔取样测定质量：前45 min内每5 min称重一次，45 min后每20 min称重一次，直至样品含水率达到20%(水分比接近于0时)左右，停止试验。所有干燥处理均重复3次，取平均值。

表1 猕猴桃片变温及恒温气体射流冲击干燥试验方案Table 1 Experimental scheme on air-impingement jet alternating and constant temperatures drying of kiwifruit slices

1.3.3 理化指标的测定 (1)维生素C(vitamin C, Vc)含量：采用2，6-二氯靛酚染料溶液测定，参照GB 5009.86-2016[26]， 按照公式计算Vc保存率：

Q=Y/X×100%

(1)

式中，Q 为Vc保存率，%；Y为干燥样品Vc含量；X为鲜样Vc含量。

(2)可滴定酸含量：采用 NaOH滴定法测定，参见 GB/T 12456-2008[27]；

(3)采用蒽酮比色法测定含糖量[28]。

1.3.4 回复性的测定 用TA.XT plus质构仪测定：探头型号P 0.5，开始速度3 mm·s-1，探头下降速度2 mm·s-1，离开速度2 mm·s-1，压缩程度为样品形变50%。

1.3.5 色泽的测定与计算 用色差仪直接测定L*、a*、b*值，色差值(ΔE)根据公式计算：

(2)

式中，ΔE为色差值；L0、a0、b0为鲜样测定值；L*、a*、b*为干燥后样品测定值。

1.3.6 单位能耗的测定 记录干燥设备上的电表读数，并根据公式计算单位能耗[25]：

(3)。

1.3.7 水分比、干燥速率的测定 将试验所得不同时刻干燥后的样品质量换算为水分比(moisture ratio，MR)和干燥速率(drying rate，DR)[29]。相关计算公式如下[26]：

(4)

(5)

式(4)中，Me为平衡干基含水率，g·g-1；M0为初始干基含水率，g·g-1；Mt为t时刻干基含水率，g·g-1。

式(5)中，Mt+Δt为t+Δt时刻的干基含水率，g·g-1；Mt为t时刻的干基含水率，g·g-1；Δt为相邻2次测量的时间间隔，min。

1.4 数据处理

采用Excel 2010和Origin 8.5对试验所得数据进行处理分析并制图，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同气体射流冲击干燥温度对猕猴桃片干燥特性的影响

将气体射流风速固定为11 m·s-1，不同风温下猕猴桃片的干燥曲线和干燥速率曲线分别如图1、图2所示。由图1可知，物料在干燥过程中的水分比随干燥时间的延长而逐渐降低，风温越高，干燥至相同含水率所需时间越短，物料的水分比下降越迅速。在40、50、60、70℃恒温干燥条件下，干燥至20%含水率(水分比接近于0时)所需干燥时间分别为200、190、150和85 min，70℃恒温干燥时间比40℃恒温干燥时间缩短了57.5%。表明风温是影响猕猴桃片干燥时间的主要因素，适当提高风温可缩短猕猴桃片的干燥时间，提高干燥速率。在变温干燥条件下，70→40℃变温干燥时间为125 min，40→70℃变温干燥时间为135 min。由图2可知，猕猴桃片恒温及变温气体射流冲击干燥均属于降速干燥，未见恒速干燥阶段；70℃恒温干燥的干燥速率最快，其次是70→40℃和40→70℃变温干燥，最后是60、50、40℃恒温干燥，干燥速率随风温的升高而增加。

图1 风温对干燥曲线的影响Fig.1 Effect of air temperature on drying curve

图2 风温对干燥速率曲线的影响Fig.2 Effect of air temperature on drying rate curve

2.2 不同气体射流冲击干燥温度对猕猴桃片品质及能耗的影响

2.2.1 不同干燥温度对猕猴桃片Vc保存率的影响 Vc易受温度、氧、酶等多种因素的影响[30]。由图3可知，不同干燥温度下猕猴桃片的Vc保存率差异显著。随着恒温干燥温度的升高，猕猴桃片的Vc保存率呈先增加后降低的趋势，当恒温干燥温度为60℃时，Vc保存率达到最大。变温干燥方式下猕猴桃片的Vc保存率与恒温干燥差异显著，70→40℃变温干燥的Vc保存率显著高于40→70℃变温干燥。表明，70→40℃变温干燥方式能显著降低猕猴桃片中Vc的破坏。

注：不同小写字母表示各处理组间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.图3 不同干燥温度对Vc保存率的影响Fig.3 Effect of different drying temperature on the preservation rate of Vc

2.2.2 不同干燥温度对猕猴桃片可滴定酸含量的影响 可滴定酸作为猕猴桃组织内多种代谢过程的中间产物，对猕猴桃片的风味及品质有直接影响。由图4可知，40和50℃恒温干燥组猕猴桃片可滴定酸含量较低，且二者无显著差异，60℃恒温干燥猕猴桃片可滴定酸含量达到最高。变温干燥条件下猕猴桃片可滴定酸含量与70℃恒温干燥时无显著差异。表明，变温干燥对可滴定酸破坏较小。

图4 不同干燥温度对可滴定酸含量的影响Fig.4 Effect of drying different temperature on titratable acid content

2.2.3 不同干燥温度对猕猴桃片含糖量的影响 含糖量是衡量猕猴桃片品质的重要参数，对产品的风味具有重要的影响。由图5可知，恒温干燥方式下，干燥温度越高，猕猴桃片含糖量越低，70℃恒温干燥组含糖量显著低于其他试验组。变温干燥条件下，猕猴桃片含糖量与40、50℃恒温干燥组无显著差异，但显著高于60和70℃恒温干燥组。

图5 不同干燥温度对含糖量的影响Fig.5 Effect of different drying temperature on sugar content

2.2.4 不同干燥温度对猕猴桃片回复性的影响 由图6可知，恒温干燥条件下，各恒温试验组猕猴桃片的回复性差异不显著，这与蒋小雅等[31]研究热风干燥对梨干质构特性影响得到结果类似。变温干燥时猕猴桃片的回复性显著大于恒温干燥组，说明经变温干燥的猕猴桃片更有嚼劲，口感更好。

图6 不同干燥温度对回复性的影响Fig.6 Effect of different drying temperature on resilience

2.2.5 不同干燥温度对猕猴桃片ΔE值的影响 由图7可知，恒温干燥阶段，随着温度的升高，猕猴桃片的ΔE值呈先减小后增大的趋势，当恒温干燥温度为60℃时，猕猴桃片的ΔE值最小，且与其他恒温试验组差异显著，说明其色泽品质最佳；40和70℃恒温干燥组猕猴桃片的ΔE值差异不显著，且ΔE值均较大，说明此干燥温度下物料变色严重。因此，应尽量避免在长时间或过高温度下对猕猴桃片进行干燥。70→40℃变温干燥方式下猕猴桃片的ΔE值为19.16，介于50和70℃恒温干燥组之间；40→70℃变温干燥方式下猕猴桃片的ΔE值最小(13.01)，说明此条件下变色最轻，对猕猴桃片色泽保留效果较好。

图7 不同干燥温度对ΔE值的影响Fig.7 Effect of different drying temperature on ΔE value

2.2.6 不同干燥温度对单位能耗的影响 由图8可知，各干燥温度对猕猴桃片干燥过程中的单位能耗影响显著。在恒温干燥阶段，随着温度升高，其对应的单位能耗逐渐降低，故可适当选择较高温度来节省能耗。变温干燥时所需的单位能耗介于50和60℃恒温干燥组之间，70→40℃变温干燥组的单位能耗显著低于40→70℃变温干燥组。

图8 不同干燥温度对单位能耗的影响Fig.8 Effect of different drying temperature on the unit energy consumption

3 讨论

本研究将变温气体射流冲击干燥应用于猕猴桃片干燥，研究不同风温对猕猴桃片干燥特性的影响，并以Vc保存率、可滴定酸含量、含糖量、回复性、色差(ΔE)值以及单位能耗为评价指标，探讨干燥温度对猕猴桃品质特征的影响。结果表明，猕猴桃片恒温及变温气体射流冲击干燥均属于降速干燥，这与苦瓜片[20]、紫薯[21]、核桃[22]、梨[32]的干燥类似。干燥过程一般分为3个阶段，即预热、恒速以及降速阶段[33]，而本试验主要出现降速阶段，这是因为虽然干燥初期物料中存在大量的自由水，但是气体射流冲击干燥具有较高的传热效率，能使物料表面水分迅速汽化，导致水分表面汽化速率大于内部迁移速率，表现出降速干燥。风温对猕猴桃片的气体射流冲击干燥特性有显著影响，恒温干燥风温越高，物料的干燥速率越大，水分比下降越快，干燥过程所需时间越短，哈密瓜片[23]的气体射流冲击干燥也有类似规律。其原因可能是风温越高，则在物料表面和热空气之间形成的温度梯度越大，物料内部的传热传质动力越大，水分子运动加速，使表面水分汽化速率和内部水分扩散速率均得到提高，从而加快了水分的散失，缩短了干燥周期。除70℃恒温干燥外，变温干燥所需的时间最短，表明变温气体射流冲击干燥技术能缩短干燥时间、提高干燥速率。

本研究中Vc保存率随恒温干燥温度的升高呈现先增大后减小趋势，这与薛珊等[34]对苦瓜片气体射流冲击干燥的研究结果基本一致。当猕猴桃片在较低温度、长时间干燥时，由于抗坏血酸氧化酶在此温度下活性较高且与物料和氧气接触充足，导致Vc氧化速率加快[30]，当温度过高时(大于70℃)Vc易受热发生降解，此时主要是由于高温导致Vc的损失增多。70→40℃变温干燥方式下Vc保存率最大，可能是由于物料干燥前、中期温度较高，水分蒸发迅速，缩短了干燥时间，后期干燥温度低对Vc破坏小，干燥时间短和温度低均能降低对Vc的破坏[35]。本研究结果表明，随着干燥温度升高，可滴定酸含量先增加后降低；温度高时，部分有机物分解、转化为酸类物质，导致可滴定酸含量增加；当温度过高时，部分有机酸不稳定、分解，导致可滴定酸含量略有降低。本研究还发现猕猴桃片的含糖量随恒温干燥温度的升高而逐渐降低，邵平等[36]在研究热风真空联合干燥对银耳品质时也发现类似结果，这可能是由于高温会促使多糖降解为寡糖，且加速了还原糖与氨基酸的美拉德反应，固形物损失增加，致使含糖量相对下降。本研究中，变温干燥组猕猴桃片的回复性大于恒温干燥组，可能是因为持续的恒温干燥会破坏物料的内部组织结构，细胞失水皱缩以及网状结构的挤压、塌陷导致细胞间作用力减弱[37]，降低回复性；随着恒温干燥温度的升高，猕猴桃片的ΔE值呈先减小后增大的趋势，这与刘阳等[38]研究紫薯粉色泽的结果相似，这可能是由于猕猴桃富含多酚、多糖以及酶类物质，干燥温度低时多酚氧化酶较活跃，且水分散失较慢，干燥时间过长，猕猴桃片易发生酶促褐变，干燥温度过高虽有利于物料中水分的散失，但猕猴桃片内色素类物质对热敏感，且高温下会发生羰氨和焦糖化反应[39]，导致ΔE值增大。本研究发现恒温干燥温度越高，单位能耗越低，这与张绪坤等[19]研究结果一致，温度越高，物料中水分子在相同时间内获得的能量越大，使得单位能耗下排出更多水分，干燥速率变大，干燥时间变短，能耗降低；70→40℃变温干燥方式的单位能耗较低，这是由于干燥前期，猕猴桃片含水率高，主要以自由水为主，较易排出，此时采用较高的干燥温度可加快干燥速率；而在干燥后期，猕猴桃片中残留少量难除去的自由水以及结合水，且干燥过程中物料失水收缩，毛细管间隙变小，内部组织结构遭到破坏，表面变得干燥，导致硬壳，阻碍了内部水分排出，温度对该阶段物料干燥速率的影响减小，采用低温可节省能耗。

4 结论

猕猴桃片恒温及变温气体射流冲击干燥均属于降速干燥，风温对猕猴桃片的气体射流冲击干燥特性有影响。风温越高，物料的干燥速率越大，水分比下降越快，干燥所需时间越短。与恒温干燥相比，变温干燥的猕猴桃片的Vc保存率及回复性较高，单位能耗和ΔE值较小，变温干燥的猕猴桃片品质优于恒温干燥。与40→70℃变温干燥相比，70→40℃变温干燥方式下猕猴桃片的Vc保存率和回复性更大，单位能耗更小，综合来看其品质更优。因此，变温气体射流冲击干燥能适应物料的干燥过程，是一种能耗低、产品品质好的新型干燥技术，将其应用于猕猴桃片的干燥，可弥补目前常用干燥方法存在的效率低、品质差、能耗大、成本高等缺点。下一步应在建立猕猴桃片品质与变温气体射流冲击干燥工艺参数回归模型的基础上优化工艺参数，为变温气体射流冲击干燥技术应用于猕猴桃片的干燥提供技术依据。