低温等离子体预处理对马铃薯薄层热风干燥特性的影响

李 帅，赵岩岩，曾英男，谷 雨

（1.吉林农业科技学院食品工程学院，吉林 吉林 132101；2.河南科技学院食品学院，河南 新乡 453003）

马铃薯与麦、稻、玉米、高粱并称世界五大粮食作物[1]，富含蛋白质、维生素、碳水化合物及微量元素等多种营养物质，是重要的粮食、蔬菜、饲料兼用食品原料和工业原料作物，是目前我国最有发展前景的高产经济作物之一[2]。新收获的马铃薯含水率较高，呼吸作用旺盛，易腐败变质，严重影响马铃薯品质，难于储存[3]。干燥是马铃薯主要的加工方法之一，干燥可以减少马铃薯水分，延长储藏期，增加附加值[2]。

薄层干燥是指干燥物料层表面完全暴露在相同环境条件下的一种气流干燥[4]，是研究深床干燥的基础，也是目前研究谷物干燥特性及确定工艺参数的基本试验方法[5]。热风干燥是通过热空气自然或强制对流循环使被干燥物料表面水分汽化为水蒸气，扩散到空气中的一种干燥方式[6−7]，是目前我国广泛应用的一种干燥技术，其操作简单、设备成本低、应用广泛，但存在干燥效率低、干燥时间长及营养价值损失等缺点[8−11]。因此，研究开发新型高效的干燥技术具有重要意义。

等离子体表面处理技术是通过对气体施加足够的能量使之离化为等离子状态。该技术具有工作效率高、环保和适用性强等优点，在材料科学、食品工业和生物医学等领域得到广泛应用[12]。Bormashenko等[13−14]研究发现扁豆和小麦经过冷等离子体处理后，表面接触角显著降低，润湿性改变，易于吸收水分及营养物质。Sera等[15]观察到小麦和燕麦经过等离子体处理后，等离子体中活性物质可穿过种子内部的多孔种皮，与种子细胞反应，加速其幼根的生长。童家赟[16]研究发现空气等离子体可改变穿心莲种皮的通透性，在处理电压为5.95 kV，处理时间为10 s的条件下，等离子体处理促进了穿心莲种子的萌发。Zhang等[17]研究发现冷等离子体预处理可在辣椒表面形成微孔，促进水分扩散，提高干燥速率。Zhou等[18]采用低温等离子体处理枸杞，结果表明，等离子体预处理可有效缩短50%的干燥时间，同时使干枸杞的复水率提高了7%～16%。Shen[19]考察了等离子处理对淀粉颗粒的影响，研究发现等离子体处理对颗粒表面造成一定程度的刻蚀，显著降低了淀粉的溶胀力和糊化粘度。Loureiro等[20]研究发现采用低温等离子体预处理天竺葵有利于提高其干燥速率，减少干燥时间。Bao等[21]研究发现冷等离子体预处理可显著改变枣片的表面形貌，将处理后的枣片后进行热风干燥，其水分扩散系数增大，干燥速度增加。

因此，本文将等离子体技术应用于马铃薯干燥领域中，采用低温等离子体对马铃薯预处理后进行薄层热风干燥，研究了等离子体预处理功率、预处理时间和热风温度对鲜切马铃薯干燥过程的影响，计算了马铃薯干燥过程的水分有效扩散系数，考察低温等离子体预处理对马铃薯热风干燥特性的影响。为马铃薯高效干燥预处理技术的研究提供新的参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

供试材料为大西洋马铃薯 购买于吉林省吉林市大润发超市，体积基本一致、无机械损伤、青绿和腐烂。鲜马铃薯的平均含水率为3.48 g/g（干基），4 ℃贮存。

JA 10002电子天平 上海精天电子仪器有限公司；DHG-9125A电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科技有限公司；Tseto410-2多功能风速仪 德图仪器国际贸易有限公司；JM 20温度传感器 今明仪器有限公司；HZK-110分析天平 福州华志科学仪器有限公司；SY-DT02S低温等离子体处理仪 苏州等离子体科技有限公司（图1）；多参数调控谷物薄层干燥试验台 长春吉大科学仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 操作步骤 将马铃薯去皮切丁（10 mm×10 mm×10 mm），洗去表面淀粉，过筛滤掉较小颗粒，沥水后取900 g置于低温等离子处理仪中进行等离子体预处理，将处理后的马铃薯丁分3组，放入薄层干燥试验台内，在相对湿度55%±5%，介质表观风速1.0 m/s的条件下进行热风干燥，结合预实验结果，选取等离子体预处理时间（20、30、40、50、60 s）；等离子体预处理功率（100、200、300、400、500 W）；干燥温度（50、70、90 ℃）对马铃薯干燥速率的影响。当对其中一个因素进行研究时，其余各因素分别固定为干燥温度70 ℃、等离子体预处理功率300 W、等离子体预处理时间30 s。

1.2.2 含水率的测定 取洁净铝制称量瓶干燥至恒重。称取2～10 g试样，放入称量瓶中，加盖，精密称量后，置101～105 ℃干燥箱中，干燥2 h，冷却称重。再放入101～105 ℃干燥箱中干燥1 h左右，取出，冷却0.5 h称量[22]。

1.2.3 干基含水率的计算 不同干燥时间的马铃薯的干基含水率按式（1）计算[23]。

式中：mt为t时刻马铃薯质量，g；mg为马铃薯干物质质量，g；m0为马铃薯初始质量，g；W0为马铃薯的初始干基含水率，g/g。

1.2.4 干燥速率（Drying rate，DR）的计算 干燥速率能反映出干燥时间、干燥水分含量和干燥速率之间的关系，是研究物料干燥特性的一个重要参数，按式（2）计算[24]。

式中：Mt1为t1时刻的干基含水率，g/g；Mt2为t2时刻的干基含水率，g/g。

1.2.5 水分有效扩散系数（Effective moisture diffusivity，Deff）的计算 干燥过程中物料的水分扩散包含毛细管流动、克努森流动、分子扩散、水动力流动或表面扩散现象[25]。水分在物料中的扩散和传递速率的大小，一般用水分有效扩散系数来表示。在干燥过程中扩散系数是一个动态的量，可以通过简化的菲克（Fick）第二定律计算得到。假设物料中的水分迁移以扩散为主，初始水分分布均匀且水分扩散系数在整个干燥过程中恒定，其水分扩散系数按式（3）计算[26−28]。

式中：MR为水分比；M0为初始干基含水率，%；Mt为t时刻物料的干基含水率，%；Me为物料平衡干基含水率，%；L为薄层干燥物料厚度，m；D为扩散系数，m2·s−1；n为正整数；t为干燥时间，s。

假定马铃薯中的水分迁移以扩散为主，初始水分分布与水分扩散系数在整个干燥过程中恒定，忽略收缩和表面的传质阻力，但恒定水分扩散系数的假设忽略了结构收缩对干燥过程中干燥特性的影响。因此，本文采用斜率法计算水分有效扩散系数，通过测定值（dMR/dt）和理论值（dMR/dF0）之比获得曲线斜率，按式（4）计算[29]。

式中：Deff为水分有效扩散系数，m2·s−1；F0为傅里叶数，F0=Deff·t/r2；L为薄层干燥物料半径，m。

1.3 数据处理

试验数据采用Origin 9.0和SPSS 19.0软件进行分析，对其进行双变量的线性相关分析，P<0.05显著线性相关。

2 结果与分析

2.1 等离子体预处理时间对马铃薯热风干燥特性的影响

由图2可知，等离子体预处理可有效缩短马铃薯粒的干燥时间，随着等离子体预处理时间的增加，干燥时间先减小后增大。对照组干燥时间为1.75 h，等离子体处理时间为30 s时，干燥时间最短为1.25 h，较对照组缩短了28.57%。过长时间的等离子体处理导致马铃薯表面细胞壁的破坏和细胞结构坍塌，阻碍了内部水分的扩散。因此，较长的预处理时间并没有进一步缩短马铃薯的干燥时间。这与Zhang等[17]采用射频等离子体处理青椒干燥的试验结果相一致。

由图3可知，干燥前期干燥速率增大，后期干燥速率反而减小。同时，等离子处理组较对照组干燥速率大，等离子体处理时间为30 s时，干燥速率最大，而后随着处理时间的延长，干燥速率逐渐降低。这是因为干燥前期干燥速率越快，表面结壳现象越严重，从而使干燥后期水分迁移的阻力越大，内部水分来不及扩散到马铃薯表面进行汽化导致的[2]。

2.2 等离子体预处理功率对马铃薯热风干燥特性的影响

由图4可知，等离子体预处理可有效缩短马铃薯的干燥时间，且随着处理功率的增大干燥时间缩短。处理组干燥速率高于对照组，这是由于等离子体产生的高能粒子不断轰击马铃薯表面，对表面产生一定程度的刻蚀作用[30]。较高的等离子体预处理功率使得表面刻蚀程度加剧，使其变的凹凸不平，增大了表面积和表面自由能，降低了水分迁移的阻力，缩短了水分迁移的路径，使水分更容易扩散，从而缩短了干燥时间[31]。

由图5可知，干燥速率随着预处理时间的延长先增大后减小。同时，等离子处理组较对照组干燥速率大，等离子体处理功率越大，干燥时间越短。这是由于处理功率的增大，等离子体中高能粒子能量增大，轰击玉米表面的粒子流量密度和活性基团数量也随之增加，各向异性反应离子刻蚀增强，使马铃薯表面发生了更加强烈和密集的刻蚀效应[30]。

2.3 干燥温度对马铃薯热风干燥特性的影响

由图6可知，当干燥温度为50 、70 和90 ℃时对照组马铃薯干燥时间分别为3.25、1.75和1.25 h；等离子体预处理组的干燥时间分别为2.5、1.25和1.25 h。与对照组相比，预处理组的干燥时间分别缩短了23.08%、28.57%和0。由此可见，等离子体预处理在马铃薯70 ℃时效果更为明显，当温度达90 ℃处理效果不明显。

由图7可知，当等离子体预处理时间和功率处于恒定时，随着干燥温度的升高，马铃薯干燥时间缩短。这是由于温度越高，提供给马铃薯的能量越多，传热传质效率越高，加速了内部水分子的运动速度，使水分子脱离马铃薯进入到干燥介质的速度加快，干燥的速率越大，干燥的时间也就越短[32]。干燥初期，马铃薯含水率较高，表面和干燥介质之间蒸汽压力梯度较大，且表面水分扩散路径短，脱离速度较快[33]。通过计算，可得热风温度和干燥时间显著线性相关。因此，表层水分先蒸发到干燥介质中。随着干燥的进行，表层和干燥介质之间的蒸汽压力梯度不断降低，水分转为由内部向表层迁移，迁移路径增长，阻力增大，导致干燥速率变缓[34]。

2.4 各因素对水分有效扩散系数的影响

由表1可知，不同等离子体预处理时间条件下，马铃薯热风干燥的水分有效扩散系数在5.905×10−11～9.425×10−11m2/s之间，且等离子体预处理后的马铃薯水分有效扩散系数均高于对照组。随着等离子体处理时间的延长，水分有效扩散系数先增大后减小，这是由于在湿度与气流速度相同的情况下，经过等离子体对马铃薯表面刻蚀，表面水分蒸发加快，表层含水率降低，含水率梯度增大，水分扩散速度加快[33]，这与Li等[35]采用低温等离子体处理玉米籽粒试验结果相一致。

表1 等离子预处理对水分有效扩散系数的影响Table 1 The effect of plasma pretreatment on the effective diffusion coefficient of water

不同等离子体预处理功率条件下，马铃薯热风干燥的水分有效扩散系数在5.905×10−11～11.868×10−11m2/s之间，随着等离子体预处理功率的增加，水分有效扩散系数增大，这是由于等离子体预处理在马铃薯表面产生刻蚀，形成微孔，随着等离子体预处理功率的增加，马铃薯表面破坏增大，凹陷与裂缝加深且更为密集。这与Thirumdas[32]研究结果相结一致，其采用射频低温等离子体预处理对印度香米表面进行处理，通过扫描电子显微镜观察处理后的香米表面，结果显示处理后的香米表面产生裂缝和凹陷，使其吸水速度加快，烹饪时间缩短。

不同干燥温度条件下，马铃薯热风干燥的水分有效扩散系数在3.785×10−11～9.530×10−11m2/s之间，马铃薯水分有效扩散系数随着干燥温度的升高而增大，且70 ℃时，等离子体预处理后干燥效果最佳。这是由于干燥温度升高，马铃薯内部温度梯度增大，水分子脱离马铃薯表面进入到干燥介质中的速度加快，水分有效扩散系数增大[33]。

3 结论

热风干燥过程中，不同等离子体预处理功率条件下，马铃薯的水分有效扩散系数在5.905×10−11～11.868×10−11m2/s之间，随着等离子体预处理功率的增加，水分有效扩散系数增大；不同等离子体预处理时间条件下，水分有效扩散系数在5.905×10−11～9.425×10−11m2/s之间，随等离子体处理时间的延长，水分有效扩散系数先增大后减小；不同干燥温度条件下，水分有效扩散系数在3.785×10−11～9.530×10−11m2/s之间，随干燥温度的升高而增大。因此，采用低温等离子体技术对鲜切马铃薯进行预处理，并将处理后的马铃薯热风干燥，有效提高了干燥速率，缩短了干燥时间。