热风干燥中相对湿度对不同厚度山药片的影响

李星仪，路风银，刘爱平，谢永康，郑志安

（1.河南省农业科学院农副产品加工研究中心，河南 郑州 450002；2.河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002；3.中国农业大学工学院，北京 100083）

山药富含氨基酸、碳水化合物、矿物质和多种维生素，是一种药食同源的农产品，其浸出物及所含尿囊素有重要的药用价值[1-3]。但新鲜山药不易保存，容易氧化褐变，因此，山药块一般以干制品形式售卖[4]。传统的山药干燥方法主要是自然晾晒法，但该种方法干燥时间长，山药易褐变，外观品质较差[5-6]。部分农户为了防止山药发生褐变反应，对山药进行熏硫处理，然后再利用煤炭、木材等燃烧后的气体进行干燥。此种护色与干燥方法虽然可以有效防止山药褐变，但是会导致干后的山药硫化物含量超标[7]。随着国家对食品安全的重视程度增强以及农村地区环保政策的推进，燃煤、燃油等热风烘房被清洁能源机械化干燥装备代替。目前，工业化生产使用最为广泛的干燥设备是电加热式热风干燥机与空气源热泵干燥装置[8]，这两类干燥机均以热风为干燥介质。

热风干燥装备具有装载量大、设备操作简单、控制方法便捷等特点，适合用于山药片的工业化生产[9]。但是热风干燥的传热效率低，能源利用率较低，能耗高[10-11]。诸多学者以提高传热与传质系数，降低热风干燥设备运行能耗为目标，进行干燥室内温度、介质相对湿度与风速的研究，研究表明，通过调控干燥过程中介质的相对湿度，使干燥室内初期维持较高相对湿度，可提高干燥介质焓值，促进物料温度迅速上升[12-13]，进而提高干燥速率，缩短干燥时间。通过提高干燥介质相对湿度，降低空气中氧气浓度，抑制热敏性物料干燥过程中的氧化反应[12]。在保持相对湿度阶段，可以减少干燥室外冷空气的进入，回收利用干燥室内湿热空气，降低重新加热冷空气与排湿风扇运行的能耗，从而降低整体干燥过程中的能耗[14-15]。此类基于温湿度控制的热风干燥技术已应用于胡萝卜[10]、山药片[14]、枸杞[16]等果蔬物料的干燥研究中，效果良好，不仅能够提高干燥速率还能改善产品的品质，如降低收缩与色泽变化程度，提高复水比等[16-18]。该种技术对于厚度在一定范围的物料有提高内部温度的优势[2]，但是有研究表明，过高的相对湿度对物料的有效成分以及外观品质均存在负面影响[19]。关于山药干燥的研究多集中于温度、厚度、干燥方式对其干燥特性、干燥能耗、药用成分的影响，尚未见山药片在热风干燥过程中相对湿度与山药片厚度的匹配关系，以及相对湿度、厚度对其药用成分影响的研究报道。在保证干燥品质的前提下，为了进一步降低干燥能耗，应充分利用干燥室内的湿热空气。为此，采用基于温湿度控制的热风干燥技术对山药片进行干燥，研究相对湿度、山药片厚度等条件对山药片干燥特性、能耗的影响，确定相对湿度与山药片厚度的匹配关系；测定相对湿度、山药片厚度对山药片品质（浸出物、色泽、复水比、复水后的质构、尿囊素含量）的影响，并对干燥效果进行综合评价，旨在为工业化生产山药片作为中药饮片、食品奠定基础。

1 材料和方法

1.1 原料

在郑州市当地市场购买新鲜铁棍山药，选择无机械损伤、无病虫害、无腐烂的山药放入（4±1）℃冰箱中保存。用快速水分测定仪（WL-02X，深圳冠亚水分仪科技有限公司）测得山药的初始湿基含水率为（72.58±1.22）%。

1.2 试验设计

利用基于温湿度控制的热风干燥技术（45±0.5）℃对不同厚度（3、6、9 mm）的山药片进行干燥，探究不同相对湿度（20%、30%、40%，控制阈值±4%）下山药片干燥动力学和山药片品质（色泽、复水比、质构、浸出物），每次干燥装载量为（800±1.19）g，干燥室内风速为3.2～4.2 m/s，干燥至湿基含水率低于10%。试验方案如表1所示。

表1 山药片干燥试验方案Tab.1 Experiment scheme of yam slices drying

1.3 试验设备

基于温湿度控制的热风干燥机（河南省农业科学院农副产品加工研究中心自制）的结构如图1 所示。设备运行前，通过触摸屏设置设备运行温度与相对湿度，干燥程序启动后，冷空气经加热通道中的电加热管加热，由离心风机吹入干燥室中，干燥室内布置有温湿度传感器（SHT35，瑞士Sensirion 公司，测量误差为±1.5%），当实际相对湿度高于设定相对湿度时，排湿风扇打开。低于设定相对湿度时，排湿风扇关闭，湿热空气在干燥室内部经扰流风机扰动，在干燥室内部与加热通道内循环。物料内部温度使用插入式温度传感器（BCL3016P，东莞市不凡电子有限公司，测量误差为±0.3 ℃）测量，物料质量由称质量传感器（SP4MC3MR 型，德国Hottinger Baldwin Measurements 公司，测量误差为±0.16%）测量。

图1 基于温湿度控制的热风干燥机结构Fig.1 Structure of hot air dryer based on temperature and humidity control

1.4 测定项目及方法

1.4.1 干燥室内环境与物料内部温度变化 干燥室内相对湿度由干燥室内的温湿度传感器采集（每4 s 记录一次）。设备上的3 个插入式温度传感器用于采集物料内部温度，并求取平均值获得物料内部温度，数据自动存储于U盘中。

1.4.2 水分比、干燥速率与比能耗计算 山药干燥过程中水分比（Moisture ratio，MR）的计算方法：

式中，M0是山药的初始干基含水率（g/g）；Mt是干燥进行至t分钟时山药的干基含水率（g/g）。

山药片干燥过程中的干燥速率（Drying rate，DR）计算如下：

式中，Mt1与Mt2为干燥至t1与t2时刻的干基含水率（g/g）。

比能耗（Specific energy consumption，SEC）指山药干燥时去除单位质量水分所消耗的能量。

式中，E为干燥过程中的总能耗（kW·h）；M为干燥过程中减少水分的质量（kg）。

1.4.3 尿囊素含量测定 参照孟建升等[1]的方法进行对照溶液制备：精密称量5 mg 尿囊素标准品（北京索莱宝科技有限公司，HPLC≥98%）置于50 mL 容量瓶中，定容，并超声处理使标准品充分溶解。配制质量浓度为0～416 μg/mL 的标准样品建立标准曲线。

参照孟建升等[1]的方法进行山药中尿囊素的提取：将不同干燥条件处理的山药片用破碎机粉碎，并用孔径为425 μm 的筛筛取粉末，将（1.00±0.04）g山药粉置于50 mL 容量瓶中，纯净水定容后置于30 ℃环境中超声30 min，之后在转速为9 000 r/min的离心机中离心10 min，抽取上清液过0.22 μm 滤膜，等待测试。

参照廖晓玲等[20]的色谱条件：采用Phenomenex Luna C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）色谱柱，流动相为1∶9的甲醇-水溶液，流动相速度为0.5 mL/min，检测光谱波长为224 nm，每次进样量10 μL，测试时间15 min[3]。

固定资产投资项目中往往研制一些具有技术先进性、代表性、前瞻性的非标设备，这就导致设备建设方案具有不确定性，项目建设技术难度高，存在着一定的技术和经济风险。

所用标准曲线：y=5.218 4x+37.843 0（R2=0.999 8）。1.4.4 浸出物含量测定 利用冷浸法测量山药水溶性浸出物含量[21]。将山药打粉并用孔径为425 μm的筛进行筛分，每次取（4.00±0.07）g 山药粉末置于烧杯中，加入100 mL 超纯水并混合均匀，在摇床上放置6 h，再静置18 h，取上清液过滤，并将20 mL 滤液倒入洁净坩埚内，在105 ℃烘箱中干燥至质量不再变化，冷却至室温并获取质量。浸出物含量计算公式如下：

式中，m0为山药粉质量（g）；m1为洁净坩埚质量（g）；m2为干燥至质量不再变化时坩埚的质量（g）。1.4.5 色泽测定 利用计算机视觉系统（河南省农业科学院农副产品加工研究中心自制）测量山药色泽。该系统由CN-T6240 便携式LED 摄影灯箱（广东南光影视器材有限公司，色温6500K）、工业相机（德国Basler，Aca2500-14-gc）、工业定焦镜头（日本Computar，1208-C）组成。对干燥前、后的山药均进行图像采集，采集图像时山药放置在黑色背景布上，位于镜头正下方，距镜头23 cm。利用MATLAB（2017b）对样本进行图像处理，获取样品L（亮度）、a（红/绿）和b（黄/蓝）值，色差计算公式如下：

式中，ΔE为干燥前后山药片的色差；L0、a0和b0分别为新鲜山药片的亮度、红/绿和黄/蓝值，L、a和b分别为干燥后山药片的亮度、红/绿和黄/蓝值。

1.4.6 复水比测定 每次称取（3.00±0.08）g 的山药片，放入100 mL 70 ℃的去离子水中30 min，取出并沥干20 min 后测量质量，复水比（Rehydration ratio，RR）按照公式（6）计算。

式中，md与mw分别为山药片复水前与复水后的质量（g）。

1.4.7 综合评价 首先对评价指标进行归一化处理。其中正向指标（尿囊素含量、浸出物、复水比）和负向指标（干燥时间、比能耗、色差）的归一化计算公式如下：

式中，yz与yf分别为正向指标与负向指标归一化的结果，xi为该指标测量值，xmax为该指标最大值，xmin为该指标最小值。

在保证正向指标越高的前提下，尽量使负向指标更低，对上述6个指标进行加权分配，获取综合得分。山药是药食同源的产品，若其干制品作为中药饮片售卖，首先考虑其外观品质，再考虑商品药用价值以及营养成分。依据优先考虑外观品质再考虑其药用成分的原则，各指标间的权重分布：尿囊素含量（0.16）、浸出物（0.16）、复水比（0.16）、干燥时间（0.16）、比能耗（0.16）、色差（0.20）。

1.5 数据分析

2 结果与分析

2.1 不同厚度与相对湿度下干燥室内环境与物料内部温度变化

干燥室内温度恒定（45 ℃），9 mm 厚山药片所对应的干燥室内相对湿度变化如图2a 所示。相对湿度设定范围越高，干燥室内相对湿度可保持在该范围的时间越短，其余2 种厚度的山药片的相对湿度变化规律与9 mm 厚的山药片相同。相对湿度设定为20%时，干燥开始之后50 min 出现排湿风扇一直开启的状态。这是因为山药初始含水率高，水分蒸发量大，目标相对湿度过低，出现了难以达到目标相对湿度下限（16%）的现象。干燥室内相对湿度设定值相同（30%），不同切片厚度下干燥室内湿度变化曲线如图2b 所示。从图2b 可以看出，干燥初期，干燥机排湿风机开启以达到目标湿度范围。干燥后期，物料水分减少，干燥室内湿度无法达到目标湿度，排湿风机关闭。切片厚度3、6、9 mm 时，干燥室内目标湿度维持时间分别为50、100、130 min左右。随着切片厚度的增长，干燥室内目标湿度维持时间越久，可能是切片越厚，山药片水分减少越慢，相对湿度变化越慢，从而导致目标湿度维持时间越久[15]。相对湿度20%、40%时，不同厚度下干燥室内相对湿度变化趋势与相对湿度30%时的变化趋势相同。

图2 干燥室内相对湿度变化Fig.2 Relative humidity changes in the drying room

相同厚度的山药片在不同相对湿度下内部温度变化如图3a 所示，在干燥200 min，相对湿度为40%组的内部温度高于其他组，随着干燥时间的延长，不同组的山药片内部温度均趋近于45 ℃。不同厚度的山药片内部温度变化如图3b所示，相同相对湿度下，干燥150 min 内，厚度为6 mm 的山药片升温最快，9 mm 山药片次之，3 mm 山药片最慢。但是随着干燥时间的延长，3 mm山药片温度最先接近干燥室内温度，6 mm 山药片次之，9 mm 山药片最慢。上述结果说明，相同厚度时，保持较高的相对湿度可以使物料内部迅速升温。虽然保持较高的相对湿度可以使一定厚度的物料内部快速升温，但是切片厚度大于6 mm 时，传热路径更长，热量由山药片外部向内部传递更慢，反而使物料内部温度升高缓慢，所以山药切片厚度应保持6 mm 左右，不可过厚。

图3 干燥过程中山药片内部温度变化Fig.3 The inner temperature changes of yam slices during drying

2.2 不同厚度与相对湿度下山药片干燥特性与能耗分析

不同厚度与相对湿度下山药片的干燥时间如表2所示，切片厚度相同时，不同相对湿度下山药片干燥时间无显著性差异（P＞0.05）。相对湿度相同时，切片越薄，干燥时间越短，切片厚度对干燥时间有显著性影响（P＜0.05）。不同切片厚度下，山药片水分比变化与干燥速率变化曲线如图4所示。从图4b 可以看出，厚度为3、6、9 mm 的山药片均呈降速干燥，厚度越薄，其初始的干燥速率越高，最终的干燥时间越短。

图4 不同厚度山药片干燥特性与干燥速率曲线Fig.4 Drying characteristics and drying rate curres of different thickness yam slices

表2 山药片干燥时间、比能耗与品质结果Tab.2 Drying time，SEC，and quality results of yam slices

不同厚度与相对湿度下山药片的比能耗如表2所示，切片厚度相同时，不同相对湿度下山药片比能耗无显著性差异（P＞0.05）。相对湿度相同时，切片越薄，干燥比能耗越低，切片厚度对干燥比能耗存在显著性影响（P＜0.05）。如图5 所示，干燥时间越长，比能耗越高，其相关性系数为0.97，说明在干燥温度相同时，缩短干燥时间才可以有效降低比能耗，为进一步研究干燥过程中相对湿度的控制方法，降低干燥能耗，建议记录排湿风机与加热管的实时运行功率与总能耗，对比不同相对湿度控制方法下排湿风机能耗与余热回收效率。

图5 山药片各指标间相关性系数矩阵Fig.5 Correlation coefficient matrix of various indicators of yam slices

2.3 相对湿度与切片厚度对山药尿囊素含量的影响

尿囊素是山药的一种重要药用成分，不同相对湿度与切片厚度下山药片的尿囊素含量如表2 所示，当干燥室内相对湿度设定值相同时，厚度对山药片尿囊素含量有显著性影响（P＜0.05），当相对湿度为30%与40%时，3 mm 的山药片尿囊素略高于6 mm的山药片。当切片厚度相同时，相对湿度仅对切片厚度为3 mm 的山药片尿囊素含量存在显著性影响（P＜0.05）。通过图5尿囊素含量和干燥时间之间的相关性系数可知，干燥时间与尿囊素含量间的相关性较低。说明尿囊素较为稳定，在相同温度下对山药进行干燥时，可以忽略山药片的厚度与干燥室内相对湿度对尿囊素含量的影响。

2.4 相对湿度与切片厚度对山药浸出物含量的影响

从表2 可知，相对湿度对山药片浸出物含量存在显著性影响（P＜0.05），相同厚度时，相对湿度越高，浸出物含量越低。说明为了获取更多的浸出物，山药片需要在较低相对湿度环境干燥。厚度对山药片浸出物含量存在显著性影响（P＜0.05），相对湿度为20%与30%时，山药片越薄，浸出物含量越高，相对湿度为40%时，3、6 mm 山药片的浸出物含量无显著性差异（P＞0.05），但是高于9 mm山药片的浸出物含量。说明切片厚度过厚对干后的山药片浸出物含量有负面影响。

2.5 相对湿度与切片厚度对山药色泽的影响

不同相对湿度与切片厚度下色差如表2 所示，相同相对湿度时，3、6、9 mm的山药片色差均无显著性差异（P＞0.05），不同相对湿度下，仅3 mm 山药片的色差存在显著性差异（P＜0.05），6、9 mm 的山药片色差无显著性差异（P＞0.05）。这可能是因为干燥温度一致，导致山药中的酶活性较为一致，所以山药在干燥过程中因酶促褐变引起的色差较为接近，无显著性差异（P＞0.05）。

2.6 相对湿度与切片厚度对山药复水比的影响

从表2 可以看出，相对湿度对山药片的复水比存在显著性影响（P＜0.05），3、6、9 mm 的山药片，均在相对湿度为30%时复水比较高。切片厚度对山药片的复水比存在显著性影响（P＜0.05），不同相对湿度下，均呈现9 mm 山药片的复水比较低的现象。说明了相对湿度过高或者切片厚度过厚对山药片复水比存在负面影响，这可能是高的相对湿度与较厚的切片厚度导致干燥时间延长，使山药细胞有充分的时间进行收缩，孔隙率更低，导致干后的山药片复水性能差[22-23]。

2.7 干燥后的山药片综合评价结果

综合评分结果如表3所示，相对湿度为20%，厚度为3 mm 时综合评分最高，相对湿度为40%时，厚度为9 mm 时综合评分最低。经相关性分析发现，干燥时间、切片厚度、浸出物含量与综合评分间相关性系数分别为-0.84、-0.91、0.73，其余指标与综合评分结果间关系不明显。说明切片越薄，干燥时间越短，其综合评分越高。在高相对湿度环境下，干燥室排湿速率缓慢，增长了干燥时间，干燥品质下降，此类现象在西洋参干燥中也有出现[24]。实际生产中，物料装载量较大，干燥室内水分蒸发量大，不能快速将相对湿度降低至20%以下，为了保证干燥室内快速升温，不能一直开启排湿风机，但是为了缩短干燥时间，需要进行分阶段快速降低干燥室内相对湿度。建议继续探究相对湿度保持时间对山药片干燥特性、品质等影响。

表3 干燥后的山药片综合评分结果Tab.3 Comprehensive scoring results of dried yam slices

3 结论与讨论

本研究采用切片厚度为3、6、9 mm 的山药片，设定相对湿度为20%、30%、40%，当切片厚度为6 mm时，保持较高的相对湿度可以实现在干燥初期100 min 内物料内部快速升温的效果，此现象与山药[10]、香菇[15]、西洋参[24]的研究结果一致。相同切片厚度下，相对湿度对山药片的干燥时间无显著性影响（P＞0.05），山药片厚度越薄、相对湿度越低，干燥时间越短，比能耗越低，并未出现如巨浩羽等[17，24]研究中干燥室内相对湿度越高，比能耗越低的现象。建议记录排湿风机与加热管的实时运行功率与总能耗，对比不同相对湿度控制方法下排湿风机能耗与余热回收效率，探索相对湿度对能耗的影响。

山药片厚度对山药片尿囊素含量、浸出物含量存在显著性影响（P＜0.05）；尿囊素性质稳定不易分解[25]，干燥温度相同，不同相对湿度下含量无显著性差异（P＞0.05）。相同厚度时，相对湿度越高，浸出物含量越低。相对湿度较高时，对山药片尿囊素、浸出物含量均存在负面影响，建议继续探究山药是否适合高温高湿烫漂、蒸制。相对湿度与切片厚度对山药色差影响较小（P＞0.05），因为新鲜山药褐变主要是酶促褐变引起的。研究表明，pH 值、温度对山药黏液中的酶活性影响较大[22]。当前干燥温度一致，导致山药中的酶活性较为一致，山药在干燥过程中色差较为接近，无显著性差异。相对湿度对山药片复水比有显著性影响（P＜0.05），3、6、9 mm 的山药片，均在相对湿度为30%时复水比较高。较低的相对湿度可能引起物料表面结壳[17]，水分难以进入山药片内部。较高的相对湿度导致干燥时间的延长，细胞收缩程度更多，物料孔隙率较低，引起复水比低[15]。

干燥时间、切片厚度、浸出物含量与综合评分间相关性系数分别为-0.84、-0.91、0.73，说明切片越薄，干燥时间越短，其综合评分越高。相对湿度为20%、厚度为3 mm 时综合评分最高，相对湿度为40%、厚度为9 mm时综合评分最低。实际生产中干燥室内相对湿度难以快速降低至20%以下，建议干燥初期相对湿度设定为30%或40%，切片厚度为3 mm进行山药片干燥。