干燥過程中掛面干燥特性及品質(zhì)的研究

韓 銳，陳 潔，許 飛，王彥波，宋唯諾

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

掛面因其易烹飪、耐儲存等特點深受大眾喜愛。據(jù)行業(yè)最新統(tǒng)計，目前我國掛面年產(chǎn)量已達(dá)到812萬t[1]。掛面市場的擴(kuò)大加劇了掛面行業(yè)的競爭，掛面企業(yè)需要不斷進(jìn)行技術(shù)革新，以便于降低生產(chǎn)成本，增加產(chǎn)品的核心競爭力。在掛面生產(chǎn)過程中，干燥是影響掛面品質(zhì)最直接、最重要的因素[2]。合理的掛面干燥工藝既可以最大程度地保證掛面的質(zhì)量，又可以節(jié)能減排，進(jìn)一步地降低企業(yè)的生產(chǎn)成本[3-5]。

掛面干燥是指通過熱傳遞等手段，將水分含量在30.0%～35.0%之間的鮮面條干燥到水分含量低于14.5%掛面的過程[6]。按照Mujumdar等[7-8]的觀點，掛面屬于多孔介質(zhì)，其內(nèi)部所含的蛋白質(zhì)及淀粉是濕熱的不良導(dǎo)體。掛面干燥主要分為兩個過程。第1個過程為外部條件控制的掛面干燥過程，在這個過程中，熱空氣中的能量從干燥介質(zhì)中傳遞到掛面表面，使得掛面表面的非結(jié)合濕分以蒸汽的形式通過掛面表面的氣膜向介質(zhì)中散失，并且在傳質(zhì)的過程中伴隨著傳熱的進(jìn)行。在這個過程中，干燥的速率主要取決于介質(zhì)的溫度、濕度、風(fēng)速以及掛面暴露在介質(zhì)中的表面積。對于掛面的干燥而言，在生產(chǎn)過程中應(yīng)該控制干燥速率，因為對于掛面這種多孔性物料而言，在自由濕分被排除后，會在掛面內(nèi)部產(chǎn)生一個極大的濕度梯度，過快的表面濕分散失速率會導(dǎo)致表面結(jié)殼、體積收縮，致使掛面內(nèi)部產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致掛面劈條、酥條現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，在外部條件控制的干燥過程中，應(yīng)該采用低溫、高濕的干燥條件，這樣既能保證干燥速率，又不會對掛面的質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。第2個過程為內(nèi)部條件控制的掛面干燥過程，在掛面表面沒有足夠的自由水時，介質(zhì)中的能量就會快速進(jìn)入掛面內(nèi)部，掛面開始升溫，并且從內(nèi)到外形成溫度梯度，掛面內(nèi)部的濕分開始加速向表面遷移。在這個過程中，主要是掛面內(nèi)部的濕分傳遞到掛面表面，再從掛面表面蒸發(fā)，濕分傳遞的主要方式為擴(kuò)散、毛細(xì)管流以及掛面在干燥過程中內(nèi)部因為收縮產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力[9]。但由于掛面是是多孔性不良濕熱導(dǎo)體，為了更好地提高干燥速率并保證掛面質(zhì)量[10]，我國大多數(shù)掛面企業(yè)的干燥工藝都采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LS/T 1206—1992《掛面生產(chǎn)工藝技術(shù)規(guī)程》中推薦使用的干燥工藝，其中干燥的主干燥區(qū)溫度低于45 ℃，干燥時間不少于3.5 h。由于其推薦使用的干燥工藝在干燥過程中對溫濕度的控制較為容易，能夠更好地保證掛面產(chǎn)品質(zhì)量。故本試驗參考《掛面生產(chǎn)工藝技術(shù)規(guī)程》中推薦使用的干燥工藝將整個干燥過程分為了4個階段。雖然國內(nèi)學(xué)者對干燥工藝參數(shù)以及品質(zhì)的影響進(jìn)行了相關(guān)的研究，但大多數(shù)研究都采用恒溫恒濕干燥，恒溫恒濕干燥是一種穩(wěn)態(tài)條件下的干燥方式，對研究單一變量(如溫度、濕度、風(fēng)速等)干燥條件對掛面品質(zhì)以及干燥特性影響，能夠起到定量分析的作用，得到的試驗結(jié)果也能夠更清晰、直觀地觀察出研究變量的情況。但實際掛面生產(chǎn)過程是分段分區(qū)的，干燥在不同的溫度梯度和濕度梯度下進(jìn)行以保證掛面的烘干質(zhì)量，恒溫恒濕干燥無法模擬真實的掛面干燥過程，無法達(dá)到預(yù)期試驗要求。模擬真實生產(chǎn)條件，采用分區(qū)分段的動態(tài)溫濕度參數(shù)進(jìn)行干燥，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

本試驗主要研究中溫干燥工藝中在不同的干燥階段，干燥介質(zhì)溫濕度的變化對掛面干燥特性的影響，并就不同干燥階段對掛面表面硬度、水分活度、掛面色澤的影響做出評價，對每個階段水分散失速率進(jìn)行線性擬合，最后通過掛面的蒸煮特性試驗、剪切力試驗、全質(zhì)構(gòu)試驗來討論不同干燥階段對掛面品質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

特一粉：金苑面粉廠；食鹽：市售；蒸餾水：自制。

1.2 儀器與設(shè)備

JMTD-168/140小型制面機(jī)組：北京威騰機(jī)械有限公司；掛面干燥水分分析儀：實驗室研制；CR-400色差儀：日本美能達(dá)公司；RVA-TM快速黏度儀：瑞典Perten公司；TA-XT.plus質(zhì)構(gòu)儀：英國Stable Micro Systems 公司；AW1000T水分活度儀：昌琨實業(yè)(上海)有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 制面工藝

將500 g面粉、160 g水、10 g食用鹽放入立式單軸和面機(jī)中低速和面1 min，高速和面11 min，將和好的面絮放入壓延機(jī)中軋4次得到厚5.5 mm的面帶，然后將面帶放入醒發(fā)箱(30 ℃、濕度70%)中熟化15 min。將熟化好的面帶再次放入壓延機(jī)上壓延5次，最終得到厚1.0 mm的面帶，將面帶切條，放入掛面機(jī)中干燥。待干燥結(jié)束后取出掛面，截成長20 cm的樣品。

1.3.2 干燥過程中溫濕度及水分變化的測定

將德圖溫濕度探頭和掛面一起懸掛在掛面機(jī)內(nèi)，具體操作參見王杰等[10]的方法，每隔15 min采集1次溫濕度及水分含量的數(shù)據(jù)。水分含量按下式計算。

式中：X為掛面中的水分含量，%；m0為鋁盒和試樣的質(zhì)量，g；m1為鋁盒和試樣干燥后的質(zhì)量，g；m2為鋁盒的質(zhì)量，g。

1.3.3 掛面最佳蒸煮時間的測定

分別在干燥開始前，以及每一階段完成時(0、40、180、225、240 min)取出掛面樣品。依照LS/T 3212—2014測定掛面的最佳蒸煮時間。其他指標(biāo)測定均按此法取樣。

1.3.4 掛面吸水指數(shù)的測定

每次取5根長度20 cm的掛面樣品，稱質(zhì)量(精確到0.001 g)，放入1 000 mL沸水中，煮至最佳蒸煮時間后撈出，用濾紙擦干面條表面的水分后稱質(zhì)量。

式中：W為掛面吸水指數(shù)；m為煮后掛面質(zhì)量，g；m0為原始掛面質(zhì)量，g。

1.3.5 掛面質(zhì)構(gòu)(TPA)特性的測定

每次取3根掛面樣品，煮至最佳蒸煮時間后撈出，放入涼水中冷卻30 s，用濾紙擦干掛面表面水分后平行放置于質(zhì)構(gòu)儀測試臺上，測前速度為2.0 mm/s，測試速度為0.8 mm/s，壓縮率為70%，兩次壓縮時間間隔為1 s。

1.3.6 掛面剪切特性的測定

每次取3根掛面樣品平行放置于質(zhì)構(gòu)儀測試臺上，選用A/LKB-F型探頭，測前速度為2.0 mm/s，測試速度為0.8 mm/s，壓縮率為70%。

1.3.7 掛面水分活度的測定

取每階段干燥完成的掛面，用剪刀剪成3 mm×3 mm的正方形并使其鋪滿測試容器底部，將測試容器放入水分活度儀中測定。

1.3.8 掛面色澤的測定

將掛面樣品緊密平鋪在試驗臺上，使用色差儀測試掛面的顏色，對每個樣品選擇不同的位置進(jìn)行5次測定，得出L*、a*、b*，并計算白度值。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 24和Origin 2017 64Bit進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 掛面干燥過程中水分含量的變化情況

本試驗將掛面的干燥分為4個階段，其劃分依據(jù)是LS/T 1206—1992《掛面生產(chǎn)工藝技術(shù)規(guī)程》中推薦劃分的干燥階段。具體的時間段劃分是通過預(yù)試驗，測定每階段水分散失速率，并結(jié)合最終掛面品質(zhì)的測定數(shù)據(jù)，在保證最終掛面品質(zhì)的基礎(chǔ)上，選擇最快的干燥速率，最終得到具體時間段劃分。

由圖1及表1可知，第1階段、第2階段為外部條件控制的干燥階段。在第1階段，掛面干燥水分分析儀溫度恒定在25 ℃，相對濕度從70%上升到85%，對第1階段的水分變化曲線進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)水分含量散失的斜率為-0.045 4，R2為0.987 9，說明第1階段的干燥呈現(xiàn)出恒速干燥的特點，且因為溫度并未發(fā)生改變，說明濕度是影響干燥速率的主要原因。在第2階段的30～45 min內(nèi)，水分含量降低趨勢減小，但此時相對濕度已經(jīng)達(dá)到較大的水平，因此需要升高干燥溫度，降低干燥相對濕度，使掛面內(nèi)部的水分及時擴(kuò)散到掛面表面，避免干燥對掛面質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。在45～90 min內(nèi)，對水分含量變化曲線進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)其水分含量散失的斜率為-0.021 8，R2為0.998 8，說明在升高干燥溫度后，增大了掛面內(nèi)部水分向掛面表面的遷移速率，此時掛面內(nèi)部水分向掛面表面遷移的速率等于掛面表面水分蒸發(fā)的速率，仍處在恒速干燥中。在90～135 min內(nèi)，此時掛面機(jī)中溫度和濕度已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，此時對水分含量變化曲線進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)其水分含量散失的斜率為-0.009 9，R2為0.996 4。在150～180 min內(nèi)，水分含量散失的斜率為-0.003 3，R2為0.999 4，此時水分含量已經(jīng)降至13.94%，掛面中需要被干燥的水分基本完成。第3階段水分含量散失斜率為-0.004 7，R2為0.914 5，說明在第3階段內(nèi)，水分散失已經(jīng)呈現(xiàn)出降速下降的趨勢。第4階段的干燥是為了降低介質(zhì)中的相對濕度以及溫度，避免介質(zhì)中的水蒸氣因溫度降低而吸附至掛面表面。

表1 干燥過程中水分含量的線性擬合方程

注：不同小寫字母表示存在顯著性差異(P<0.05)。

由表2可知，隨著干燥過程的進(jìn)行，掛面的水分含量和水分活度都呈現(xiàn)下降的趨勢，掛面在從鮮面到第1階段干燥完成時，水分含量減少到23.52%，水分活度降低到0.88。第2階段干燥完成時掛面的水分含量減少到13.94%，但水分活度降低到0.67。水分活度和掛面水分含量下降的最大速率并不在一個階段，這也印證在干燥的前期是外部條件控制掛面干燥過程，水分含量的降低是因為自由水的揮發(fā)。干燥第3階段完成后，水分含量和水分活度值分別下降到12.76%和0.57，這也從另一方面說明了在干燥后期主要是干燥一些難去除的水分。試驗結(jié)束時掛面含水率為12.76%，水分活度為0.57。分析水分含量與水分活度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)為0.953 0，說明水分含量和水分活度的變化有著極強(qiáng)的正相關(guān)性。

表2 掛面干燥過程水分活度和水分含量的變化

2.2 最佳蒸煮時間和掛面吸水指數(shù)的變化

由圖2可知，隨著掛面干燥過程的進(jìn)行，最佳蒸煮時間隨著水分含量以及水分活度的下降而呈現(xiàn)出上升的趨勢，這可能是因為隨著干燥的進(jìn)行，掛面中毛細(xì)管中的水分不斷散失，致使毛細(xì)管形狀發(fā)生改變，從而在蒸煮時影響水分進(jìn)入掛面內(nèi)部[11]。武亮等[12]認(rèn)為在干燥過程中，掛面表面部分形成硬殼，以致在蒸煮時影響水分進(jìn)入掛面內(nèi)部，導(dǎo)致蒸煮時間的延長。由圖2可知，干物質(zhì)吸水率則隨著水分含量以及水分活度值的下降呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖2 最佳蒸煮時間、干物質(zhì)吸水率與水分活度和水分含量的關(guān)系

2.3 掛面干燥過程中的TPA特性(表3)

從質(zhì)構(gòu)分析曲線中，可獲得硬度、內(nèi)聚性、咀嚼性和黏性的質(zhì)構(gòu)分析數(shù)據(jù)[13]。面條硬度定義為第1次壓縮過程中獲得的最大峰值，大部分食品的硬度出現(xiàn)在最大形變處。表3表明，鮮面的硬度最小，成品掛面的硬度最大，干燥的中間階段掛面的硬度沒有發(fā)生顯著性變化。內(nèi)聚性表現(xiàn)為兩次壓縮所做正功之比。表3表明，在從鮮面到掛面的整個過程中，掛面的內(nèi)聚性數(shù)值沒有顯著性變化，這說明干燥對掛面的內(nèi)聚性并未產(chǎn)生影響。咀嚼性表示固體樣品咀嚼吞咽時所需要的能量，數(shù)值上用黏性和彈性的乘積來表示[14]。表3表明，在從鮮面到掛面的整個干燥過程中，咀嚼性經(jīng)歷了一個先升高后降低，最后再升高的過程，且最終成品掛面的咀嚼性比鮮面的咀嚼性高出13.6%。質(zhì)構(gòu)特性測試的結(jié)果表明，掛面的黏性、咀嚼性、硬度等指標(biāo)都高于鮮面，證明了掛面和鮮面在口感上存在差異。

表3 掛面的TPA特性

2.4 掛面剪切特性(表4)

Katz等[15]指出，脆性食品的硬度和整體的質(zhì)構(gòu)特性是水分活度的函數(shù)，隨著水分活度的增加，整體的感官可接受度降低。本試驗用干掛面剪切力和剪切功的變化來反映干掛面硬度以及煮后掛面彈性的變化。由表4可知，對干掛面而言，隨著掛面干燥過程的進(jìn)行，從鮮面到第2階段干燥完成，掛面的剪切力和剪切功顯著增大，反映了掛面在干燥過程中隨著水分含量和水分活度的降低，其硬度也在急劇增加。掛面在第3階段干燥完成后，硬度已經(jīng)無法用現(xiàn)有設(shè)備測定。對于煮后掛面的剪切性能來說，煮后鮮面和第1階段干燥掛面的剪切力和剪切功相差不大，可能是因為在第1階段干燥散失的主要是表層自由水，掛面內(nèi)部的水分含量沒有明顯的散失，因此第1階段干燥的掛面能夠在蒸煮中快速復(fù)水，從而達(dá)到和鮮面一致的剪切特性。第2階段干燥完成后掛面的剪切力和剪切功達(dá)到最大值，隨后在第3階段干燥完成后剪切力和剪切功明顯下降，這可能是因為掛面在進(jìn)入第3階段時，水分含量已經(jīng)降至12.76%，掛面表面和內(nèi)部的濕分傳遞速率降低，且因為此時干燥介質(zhì)溫度從45 ℃開始下降到35 ℃，致使掛面內(nèi)部產(chǎn)生了一定的熱應(yīng)力，降低了掛面的品質(zhì)。

表4 掛面的剪切特性

2.5 掛面干燥過程中的顏色變化

色澤通常會直接影響消費者對掛面品質(zhì)的判斷，是重要的感官評價指標(biāo)[16]。用色差計來測定掛面色澤的變化情況，其結(jié)果用L*、a*、b*色空間法表示。理想的掛面色澤應(yīng)該是細(xì)膩潔白、光潔度高，即要求掛面有較高的L*值和b*值，無光澤、灰暗的掛面色澤是不被消費者喜愛的，而且面條的外觀對消費者的購買決策有非常重要的影響[17]。由表5可知，鮮面在干燥過程中其L*值升高，并在干燥結(jié)束時，達(dá)到最大值88.97。鮮面條有著最大的b*值16.60，在干燥過程中，b*值在干燥第2階段降至最小值14.12，干燥完成時，掛面的b*值和鮮面相比，下降了11.02%。干燥完成時掛面的白度值高于鮮面，表明干燥使掛面的白度值上升。

表5 掛面干燥過程色澤的變化

3 結(jié)論

在本試驗中，通過模擬工業(yè)化生產(chǎn)中分階段調(diào)控溫濕度的干燥工藝生產(chǎn)掛面的過程，對掛面干燥特性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明：(1)隨著干燥的進(jìn)行，水分含量在第1階段呈現(xiàn)恒速下降趨勢；在升高干燥溫度和降低干燥相對濕度后，水分含量在第2階段的散失分為3個恒速下降過程，第1個過程為45～90 min，第2過程為90～135 min，最后一個過程為135～180 min，3個過程的斜率的絕對值呈現(xiàn)出降低的趨勢;在第3階段水分含量呈現(xiàn)無規(guī)則的緩慢降低趨勢。(2)水分活度在鮮面到第1階段干燥完成時降低到0.88，但是第2階段干燥完成時，水分活度降低到0.67。水分含量變化主要集中在前兩個干燥階段，但水分活度的變化主要發(fā)生在干燥的第2階段。(3)最佳蒸煮時間、掛面的白度值、干掛面表面硬度都隨著干燥階段的進(jìn)行呈現(xiàn)上升趨勢，干物質(zhì)吸水率隨著干燥階段的進(jìn)行呈現(xiàn)下降趨勢。目前對掛面干燥特性的研究仍然停留在基礎(chǔ)研究階段，且主要集中在恒溫恒濕干燥中，而我國掛面干燥基本上全部采用分階段調(diào)控溫濕度，作者通過模擬工業(yè)生產(chǎn)實際情況，為進(jìn)一步研究掛面的干燥特性提供了理論依據(jù)。