香蕉低压过热蒸汽-真空组合干燥研究

王瑞芳 王竟成 赵东海 徐 庆 肖 波 吕黄珍

(1.天津科技大学天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室， 天津 300222；2.天津科技大学天津市低碳绿色过程装备国际联合研究中心， 天津 300222；3.广东省现代农业装备研究所， 广州 510630； 4.中国农业机械化科学研究院集团有限公司， 北京 100083)

0 引言

低压过热蒸汽干燥(Low-pressure superheated steam drying， LPSSD)是在低于大气压力的条件下采用过热蒸汽对物料进行干燥的一种方法。具有传质阻力小、无氧化反应、产品孔隙结构丰富、复水性好、表面不易结壳、营养保留率高等特点[1]。目前LPSSD主要应用于果蔬[2-4]、茶叶[5]、奶豆腐[6]、稻谷[7]、山竹壳[8]、蔬菜种子[9-10]等热敏性物料的干燥。

过热蒸汽干燥逆转点温度是降低干燥时间、提高干燥效率的重要参数，其针对水分在物料表面的蒸发阶段，即物料的恒速干燥阶段。对于热敏性物料(如果蔬类)，在LPSSD过程中一般无恒速干燥阶段，逆转点温度的求解可以采用第一降速阶段(Falling rate period，FRP)和全阶段(Whole drying period，WDP)间接表示[11-12]，也可以通过对比相同操作条件不同干燥方式的干燥时间表示逆转点温度[13-14]。LPSSD时，为了提高干燥速率，介质温度需高于逆转点温度。香蕉为一种热敏性物料，文献[15-16]对不同压力下LPSSD和真空干燥(Vacuum drying，VD)进行研究，发现香蕉的逆转点温度介于80～90℃之间。为了提高香蕉LPSSD的干燥速率，介质温度应高于香蕉逆转点温度，但过高的介质温度会影响产品的品质。因此，对于高逆转点温度的香蕉LPSSD时，需要探索提高干燥速率的同时又能降低物料温度、保证产品品质的方法。

本文提出低压过热蒸汽-真空组合干燥(LPSSD-VD)方法，利用LPSSD在高于逆转点时的干燥速率优势以及形成的丰富孔隙结构，通过组合VD，降低物料温度、提高产品品质。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料选用广东香蕉一号，成熟度为70%～80%，物料切成直径(15±3) mm、厚度(3±0.5) mm的薄片，实验前用0.3%柠檬酸进行护色预处理[17]，物料的初始干基含水率为(350±30)%。

1.2 实验装置

低压过热蒸汽干燥实验装置为实验室自行设计，如图1所示，由蒸汽发生装置、蒸汽加热装置、真空干燥腔及低温蒸汽冷凝收集装置组成，可以实现蒸汽发生、蒸汽过热、蒸汽干燥及蒸汽收集的连续操作。其中干燥腔内尺寸为300 mm×300 mm×275 mm，在腔体夹层中分布有电加热板。蒸汽分布器上开有直径3 mm的孔，开孔率为2.5%。距离蒸汽分布器以上80 mm放置物料托盘，物料托盘的材料为聚四氟乙烯，多孔状结构。将物料托盘吊置于质量检测装置(JJ600型电子天平，精度0.01 g，常熟市双杰测试仪器厂)进行在线质量检测。为了减小干燥过程中蒸汽和温度对质量传感器精确度的影响，传感器放置在干燥腔外部密封箱体中，仅通过金属杆与干燥腔内部的物料托盘连接，质量显示器置于干燥腔外部。物料温度由TES-1310型热电偶(精度0.1℃，泰仕电子工业股份有限公司)在线测量。干燥腔内的真空环境由V-700型隔膜真空泵(BUCHI，瑞士)实现。为防止实验过程中管路内蒸汽冷凝，所有管路及干燥腔均由保温材料包装。

图1 低压过热蒸汽干燥装置示意图Fig.1 Schematic of low-pressure superheated steam drying system1.蒸汽发生装置 2.调节阀 3.蒸汽加热装置 4.蒸汽压调节阀 5.真空表 6.加热板 7.物料托盘 8.蒸汽分布器 9.质量检测装置 10.物料温度检测装置 11.蒸汽温度检测装置 12.对照样托盘 13.干燥腔 14.质量采集装置 15.温度采集装置 16.控制面板 17.冷凝装置 18.低温蒸汽冷凝收集装置 19.隔膜真空泵

1.3 参数及其测量方法

1.3.1干基含水率

物料干基含水率按照AOAC 925.10—2002[18]测定。将物料静置在105℃的热风干燥箱内，干燥至物料质量不再减小时认为物料达到绝干。实验前测定香蕉片的平均干基含水率为(350±30)%。物料干基含水率的计算公式为

X=(mt-mg)/mg×100%

(1)

式中mt——干燥到t时刻的物料质量，g

mg——物料绝干后的质量，g

1.3.2干燥速率

干燥速率定义为1 g干基物料单位时间内去除水分的质量。计算公式为

(2)

式中U——干燥速率，g/(min·g)

Δt——干燥时间，min

Δm——Δt时间内去除的水分质量，g

1.3.3色泽

采用NS 800型色差仪(深圳市三恩驰科技有限公司)测试物料及干制品的色泽。测色过程中每片物料取两面不同位置测试6次，选取5片干制品一共测量30次取算术平均值。采用亮度L、红色值a和黄色值b表示物料色泽。物料色泽变化的容差ΔE计算公式为

(3)

其中

ΔL=L-L0

Δa=a-a0Δb=b-b0

式中L0、a0、b0——鲜物料的亮度、红色值、黄色值

1.3.4力学特性

采用CT3-10K型质构仪(负载量程0～10 000 g，负载精度5 g，美国博勒飞公司)对力学特性进行测量。香蕉干制品的力学特性主要考虑脆性及脆性层次性。测试中以峰个数表示脆性，峰个数越多代表酥脆性越大；利用第1次断裂衰减量代表干制品的脆性层次性，衰减量越小说明脆性层次感越强。

1.3.5维生素C含量

利用高效液相色谱法进行维生素C(Vitamin C)含量的测定。实验选取的色谱柱型号为Eclipse XDB C-18(4.60×150 mm，5 μm)，检测波长为254 nm，色谱柱温度为室温(20℃)，每次进样量为10 μL。

流动相选取80%的0.05 mol/L磷酸二氢钾溶液和20%甲醇的混合溶液。每次实验开始前需要利用准备好的甲醇以1.0 mL/min的流速冲洗色谱柱30 min，然后用纯水以1.0 mL/min的流速清洗色谱柱30 min，最后用流动相以1.0 mL/min的流速洗至基线稳定后方可进样。实验所用的甲醇与纯水都经过0.45 μm的滤膜过滤并用超声振荡器振荡30 min除去空气。测得新鲜香蕉的维生素C含量(质量比)为28 mg/(100g)。

1.3.6微观结构分析

物料干制品的微观结构采用Sigma 300型扫描式电子显微镜(卡尔·蔡司股份公司)进行观测。其表征过程为：用专用导电胶粘附适量待测样品，将其固定在样品台表面，一次可固定1～12个待测样品，随后对待测样品进行喷金预处理，处理后对待测样品截面进行微观结构分析。

2 结果与讨论

2.1 低压过热蒸汽干燥与真空干燥对比

介质温度作为影响干燥过程的主要因素，对物料的色泽、营养物质的保留以及物料内部的组织结构都有较大的影响。研究介质温度对干燥动力学、产品组织结构和营养物质的影响，有助于寻找LPSSD的逆转点温度，并为LPSSD-VD探寻提高干燥速率、降低物料温度的方法。因此，首先分别研究LPSSD与VD在不同介质温度下的干燥动力学及干制品品质。

具体实验方法为：LPSSD与VD前首先对干燥系统预热至设定温度并稳定30 min，然后将物料放入干燥腔内的物料托盘后，关闭腔门，关闭泄气阀，打开真空泵，抽至指定压力，开始干燥。干燥过程利用蒸汽发生装置产生低温饱和蒸汽(VD不通入蒸汽，其他操作相同)，流经蒸汽加热装置加热后进入真空干燥腔内与物料直接接触进行干燥。由干燥箱排出的低温蒸汽经冷凝装置冷凝后收集。干燥过程中，操作压力为(9 000±500) Pa，介质温度为80、85、90℃，蒸汽流量为2.2 g/min，当物料干基含水率达到8.7%时干燥结束。

2.1.1干燥动力学分析

(1)香蕉内部温度

LPSSD和VD在不同介质温度下香蕉的内部温度如图2所示。以90℃低压过热蒸汽干燥为例，整个干燥过程温度变化可以分为4个阶段。第Ⅰ阶段：物料温度迅速升高并稳定于水分蒸发温度。在真空状态下，水分的蒸发温度仅与真空度有关，在操作压力9 000 Pa下水的饱和温度为45℃。在LPSSD时水的蒸发温度约为53℃，高于操作压力下的饱和温度。这是因为在LPSSD中，为了避免冷凝现象，实验装置中设置了电加热板，当存在其他传热方式时，物料温度高于操作压力下的沸点温度。第Ⅱ阶段：物料温度恒定于水的沸点温度。该阶段外界提供的能量主要用于水分的迁移，物料内部水分向表面迁移的速度基本和水分从物料表面向周围环境的扩散速度一致，水分蒸发速度极快。第Ⅲ阶段：物料内部水分逐渐减少，水分从物料内部迁移至表面所需的驱动力逐渐增大，且由于内部水分向表面的迁移速度逐渐小于表面液体汽化的速度，干燥速度逐渐减小，物料吸收的部分热量进一步升高物料温度。第Ⅳ阶段：物料温度接近或略高于干燥介质温度并保持稳定。

图2 LPSSD和VD在不同介质温度时香蕉内部温度变化曲线Fig.2 Temperature of banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

由图2可知，LPSSD与VD相比，相同的介质温度，LPSSD物料的最终温度均高于VD，如：当介质温度为90℃时，LPSSD物料的最终温度达到93.6℃，而VD物料的最终温度为85.3℃。较高的物料温度不利于保证干制品的品质。

(2)香蕉含水率

LPSSD和VD在不同介质温度下香蕉的干基含水率曲线如图3(图3b为图3a的局部放大图)所示。由图3可见，80℃和85℃LPSSD的干燥速率低于VD，90℃时相反。该结论与文献[16]对低压过热蒸汽-远红外组合干燥和真空-远红外组合干燥香蕉片的研究结果相同。从图3b可以看到，在同一时刻，LPSSD在80～90℃之间的干基含水率变化范围大于VD，说明LPSSD受温度的影响大于VD。根据文献[11]可知，这是因为在干燥过程中，去除水分因素主要取决于两部分，一方面是物料温度与环境温度之间的温度差异，另外一方面取决于干燥介质与干燥物料之间的传热系数。LPSSD的温差来自在相应操作压力下过热蒸汽温度和饱和温度的差异，而VD的温差来自湿球温度和饱和温度之间的差异。在较低的温度下，VD的温差大于LPSSD的温差。相对于VD，LPSSD的传热系数更高。因此，VD虽然温差大，但是传热系数低，LPSSD的温差虽然小，但是传热系数大，温差和传热系数的共同作用造成了LPSSD受温度影响较大，同时，传热系数和温差的抵消作用形成了LPSSD的逆转点温度。

图3 LPSSD和VD在不同介质温度时香蕉干基含水率的变化Fig.3 Moisture contents of banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

2.1.2干制品品质分析

(1)香蕉色泽

水果在干燥过程中，颜色的变化主要是由于美拉德反应以及酶促褐变，其主要影响因素包括温度、所处环境以及干燥时间等。香蕉在LPSSD和VD的色泽如图4所示。在介质温度小于90℃时，LPSSD的亮度和黄色值高于VD，红色值低于VD，在90℃时，则相反。这种现象说明在80～90℃之间存在一个温度，使得LPSSD和VD对颜色的影响发生了逆转。LPSSD的容差均大于VD，说明LPSSD对香蕉干制品的色泽破坏大于VD，其主要原因为LPSSD香蕉的最终温度均高于VD。

图4 LPSSD和VD在不同介质温度时香蕉色泽的变化Fig.4 Color of banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

(2)香蕉力学特性

由图5可见，在80℃和85℃时，LPSSD的干制品峰个数小于VD，说明VD的干制品脆性较好；当温度为90℃时，LPSSD的峰个数大于VD，说明温度越高，LPSSD得到的干制品脆性越好。这与文献[19]研究的微波真空干燥香蕉片温度对脆性的影响不同，该研究指出随着温度的升高，香蕉片的脆性先增大后减小。在相同介质温度下，LPSSD的第1次断裂衰减量均低于VD，说明LPSSD干制品的脆性层次感强于VD。随着介质温度的升高，LPSSD与VD均呈现先降低再升高的变化趋势，但LPSSD升高的幅度小于VD，说明在高温时LPSSD依然能保持较好的脆性层次感。这是因为LPSSD形成丰富的孔隙结构促进了断裂的层次性。LPSSD与VD的孔隙结构如图6所示。文献[20]在白萝卜LPSSD和VD的研究中发现：LPSSD的干制品比VD具有更好的空隙结构。文献[2]在胡萝卜LPSSD和VD研究中也得出相同结论。

图5 LPSSD和VD在不同介质温度时干制品峰个数和第1次断裂衰减量的变化Fig.5 Number of peaks and fracture attenuation of dried banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

图6 90℃时LPSSD和VD香蕉干制品的微观结构Fig.6 Micro-structure of dried product for LPSSD and VD at 90℃

(3)香蕉维生素C含量

新鲜香蕉的维生素C含量为28 mg/(100g)。由图7可见，两种干燥方式对维生素C的破坏均比较高，而且随着介质温度的升高，破坏程度增强。VD和LPSSD的最大维生素C保留率仅为新鲜物料的19.5%和23.9%。LPSSD对香蕉中维生素C的破坏程度略小于VD，这是因为在过热蒸汽环境中没有氧气存在，而真空环境依然有少量氧气，因此在过热蒸汽的干燥环境中，更好地抑制了氧化现象的发生。文献[21]对比研究了低压过热蒸汽、真空、热风及真空冷冻干燥对芋头品质的影响，发现低压过热蒸汽干燥在维生素C保留率方面虽不及真空冷冻干燥，但均优于真空干燥和热风干燥。文献[22]对低压过热蒸汽干燥、真空干燥和热风干燥芒果块研究发现：低压过热蒸汽干燥比真空干燥和热风干燥能保留更高的抗坏血酸、β-胡萝卜素、总酚含量及抗氧化活性。文献[23]对印度醋栗进行低压过热蒸汽干燥，研究证明，尽管低压过热蒸汽干燥需要更长的干燥时间，但由于低压过热蒸汽干燥过程不涉及氧化反应，醋栗干中维生素C的含量比真空干燥的含量高。

图7 LPSSD和VD在不同介质温度时干制品维生素C含量的变化Fig.7 Vitamin C retention of dried banana at different medium temperatures for LPSSD and VD

2.1.3香蕉逆转点分析

在介质温度对含水率的影响中，当介质温度为80℃和85℃时，LPSSD的干燥速率低于VD，而在90℃时LPSSD的干燥速率高于VD，证明了在LPSSD和VD之间存在逆转点温度。由于果蔬类物料在LPSSD过程中无恒速干燥阶段，因此选取第一降速阶段(FRP)和全阶段(WDP)间接表示逆转点温度。WDP是指物料从初始干基含水率降至约8.7%的过程；FRP对应恒温段。图8为香蕉在操作压力9 000 Pa的条件下分别基于FRP和WDP干燥速率求解的逆转点温度，分别为88.75℃和89.06℃。基于WDP计算的逆转点温度高于FRP计算的逆转点温度，说明低压过热蒸汽在干燥前期更具有动力学优势。文献[24-25]研究表明：影响FRP计算的逆转点温度的主要因素为物料表面温度和干燥介质之间的温差，基于WDP计算得出的逆转点温度，会受到干燥温度和物料本身变化的综合影响。

图8 基于FRP和WDP计算的逆转点温度Fig.8 Inversion temperature based on FRP and WDP

对于LPSSD，只有当介质温度高于逆转点温度时，干燥速率才会高于VD。而香蕉逆转点接近于90℃，高逆转点温度会导致介质温度过高影响产品品质。因此，对于高逆转点的热敏性物料，探索介质温度高于逆转点温度时，如何降低物料温度，提高产品品质是需要解决的问题。

2.2 低压过热蒸汽-真空组合干燥

2.2.1干燥方法

LPSSD-VD的目的是在高于逆转点温度的介质温度下提高干燥速率，同时降低物料温度并提高产品品质。根据香蕉逆转点温度，LPSSD-VD以介质温度为90℃进行研究。由图2可知，在第Ⅰ阶段，VD的升温速度高于LPSSD的升温速度，因此，在LPSSD-VD第Ⅰ阶段，选取VD，提高物料的升温速度，同时减少冷凝。第Ⅱ阶段LPSSD速率高于VD，而且水分散失主要集中在该阶段，因此，LPSSD-VD的第Ⅱ阶段采用LPSSD。在第Ⅲ阶段，LPSSD温升速度明显高于VD，为了控制温度，在LPSSD-VD的第Ⅲ阶段，即当LPSSD开始进入第Ⅲ阶段时采用VD，降低物料温度。

具体LPSSD-VD工艺为：第Ⅰ阶段(0～10 min)采用VD；第Ⅱ阶段(10～90 min)采用LPSSD；第Ⅱ阶段结束时，切断过热蒸汽，采用VD，进入第Ⅲ阶段。操作条件为：介质温度90℃，操作压力9 000 Pa，蒸汽流量2.2 g/min。

2.2.2干燥动力学分析

如图9a所示，在LPSSD-VD的第I和第Ⅱ阶段，物料温度分别与该阶段的VD和LPSSD的温度相同。当LPSSD-VD进入第Ⅲ阶段时，相比单纯的LPSSD，物料温度继续在恒温段保持20 min，升温段向后推迟。当物料达到安全含水率时物料内部温度相比LPSSD降低了8.5℃。由图9b可知，在LPSSD-VD的第Ⅲ阶段，干燥速率相比LPSSD和VD明显提高，这是由于在第Ⅱ阶段LPSSD使物料形成了丰富的孔隙结构，并减轻了表面硬化现象，有利于下一阶段的水分散失。LPSSD-VD相比VD降低了30 min。由此可见，LPSSD-VD一方面缩短了干燥时间，另一方面降低了物料温度，为保证良好的干制品品质提供了条件。

图9 不同干燥方法干燥动力学对比Fig.9 Comparison of drying kinetics for different drying methods

2.2.3干制品品质分析

2.2.3.1色泽

由图10可知，LPSSD-VD的亮度L、黄色值a、红色值b以及容差ΔE明显优于相同操作条件下LPSSD和VD，香蕉的色泽得到了有效的保护。这是因为LPSSD-VD降低了物料温度，减轻了温度对色泽的破坏，提高了产品的色泽。同时由于LPSSD-VD干燥速率的提高，物料在高温下存在时间缩短，减少了物料因长时间处于高温状态而造成的热损伤现象。

2.2.3.2力学特性

由图11可知，相比LPSSD和VD，LPSSD-VD的峰个数分别增大38.27%和41.77%，提高了香蕉干制品的脆度。同时，香蕉干制品的第1次断裂衰减量相对于LPSSD和VD分别下降7.37%和36.03%，说明LPSSD-VD增强了干制品的脆性层次感。产品的脆性及脆性层次感的增强说明产品的组织结构更疏松，即产品的孔隙结构更丰富。图12为香蕉干制品在VD、LPSSD和LPSSD-VD条件下的电镜分析图，LPSSD-VD的香蕉干制品孔隙优于LPSSD和VD。这也说明在整个干燥过程中，即使只是部分干燥段加入LPSSD，物料就可以获得较好的孔隙结构。

图11 不同干燥方法干制品脆度和第1次断裂衰减量对比Fig.11 Comparison of crispiness and the first fracture attenuation of dried banana for different drying methods

图12 不同干燥方法香蕉干制品孔隙结构对比Fig.12 Comparison of micro-structure of dried banana for different drying methods

2.2.3.3维生素C含量

由图13可知，LPSSD-VD大幅提高了维生素C的保留率，达到67.9%，相比单纯的LPSSD和VD，分别提高了255%和191%。这是因为蒸汽介质破坏了维生素C分解的氧化反应环境，通过LPSSD-VD的控温效应，也降低了维生素C分解所需要的温度环境，因此LPSSD-VD可以对维生素C含量的保留率有较大的提升。

图13 不同干燥方法干制品维生素C含量对比Fig.13 Comparison of vitamin C retention of dried banana for different drying methods

通过以上对LPSSD-VD干燥动力学和产品品质的分析，发现LPSSD-VD可以实现对高逆转点香蕉干燥时，既提高干燥速率又降低物料温度，从而保留更好的色泽及营养，同时获得更好的力学特性，达到提高产品品质的目的。

3 结论

(1)提出LPSSD-VD方法，实现在高介质温度干燥条件下，提高香蕉干燥速率的同时又能降低物料温度保证产品的品质。LPSSD-VD为三段式，第Ⅰ阶段采用VD，提高物料的升温速度，同时减少冷凝；第Ⅱ阶段采用LPSSD，提高干燥速率；第Ⅲ阶段在低压过热蒸汽开始升温时采用VD，降低物料温度。

(2)在介质温度为80、85、90℃时对LPSSD和VD香蕉的干燥动力学和产品品质进行对比研究，发现：在介质温度为80℃和85℃时，VD的干燥速率大于LPSSD，当90℃时，LPSSD干燥速率才明显提高，相比VD干燥时间缩短30 min。在80、85、90℃下，LPSSD的最终温度均高于VD，其干制品的色泽破坏大于VD，但LPSSD的维生素C保留率高于VD。当介质温度为90℃时，LPSSD得到干制品的脆性及脆性层次感优于VD。

(3)通过FRP和WDP计算的香蕉逆转点温度分别为88.75℃和89.06℃。在高于逆转点的90℃介质温度进行LPSSD-VD研究，结果表明：LPSSD-VD相比单纯的LPSSD和VD，干燥时间缩短30 min，干燥过程中物料温度降低8.5℃，产品色泽提高，脆性和脆性的层次感增强。维生素C保留率达到67.9%，比LPSSD和VD分别提高255%和191%。