恒溫及變溫氣體射流沖擊干燥對(duì)獼猴桃片干燥特性及品質(zhì)的影響

劉 雪 曾祥媛 張 園 羅 蓉 高若曦 趙武奇

(陜西師范大學(xué)食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119)

獼猴桃(kiwifruit)也稱(chēng)藤梨、羊桃、奇異果等，是獼猴桃科獼猴桃屬多年生藤本植物的果實(shí)[1-2]，含有多種必需氨基酸、多糖、粗纖維以及微量元素，因維生素含量極高享有“世界珍果”的美稱(chēng)[3-5]，深受大眾青睞。獼猴桃是典型的呼吸躍變型漿果類(lèi)果實(shí)，采后極易軟化變質(zhì)，不易久藏[6]。將獼猴桃干制是延長(zhǎng)其貯藏期、提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的有效途徑[7]。目前在獼猴桃片干燥方面已進(jìn)行了熱風(fēng)干燥[8]、微波真空干燥[9]、真空冷凍干燥[10]等研究。熱風(fēng)干燥的干燥效率低、產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)損失嚴(yán)重；微波真空干燥物料易糊化；真空冷凍干燥能耗高、設(shè)備昂貴。因此，探究一種能耗低、干燥產(chǎn)品品質(zhì)好的新型干燥方法對(duì)于獼猴桃片的加工具有重要的意義。

變溫干燥能根據(jù)物料所處的不同干燥階段，設(shè)置不同的干燥溫度，提高物料干燥速率及產(chǎn)品品質(zhì)[11]。在變溫干燥方面，前人對(duì)甜菜[12]、香蕉和番石榴[13]、巴拉圭茶[14]、靈芝[15]干燥的結(jié)果均表明變溫干燥產(chǎn)品品質(zhì)更高。羅傳偉等[16]采用薄層變溫?zé)犸L(fēng)對(duì)魔芋進(jìn)行干燥，結(jié)果表明,變溫干燥的干燥速率最高，且先低溫后高溫的變溫方式效果較好；胡光華等[17]得出羅非魚(yú)的去水效果依次為降溫干燥>升溫干燥>恒溫干燥；吳中華等[18]和張緒坤等[19]分別采用恒溫和變溫方式對(duì)枸杞、蓮子進(jìn)行干燥，發(fā)現(xiàn)變溫干燥節(jié)省能耗且產(chǎn)品品質(zhì)較好。氣體射流沖擊干燥是將高速氣體經(jīng)加熱后通過(guò)圓形管嘴噴射到物料表面，使得氣流與物料表面形成極薄的邊界層，具有傳熱系數(shù)高、干燥速率快、干燥產(chǎn)品品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)[20]，已被成功應(yīng)用于紫薯[21]、核桃[22]、哈密瓜[23]、冬棗片[24]等的干燥，然而氣體射流沖擊干燥過(guò)程中氣體的風(fēng)速對(duì)物料干燥特性影響卻不顯著[20,22]。因此，本研究將變溫氣體射流沖擊干燥技術(shù)應(yīng)用于獼猴桃片干燥，探究不同的氣體射流沖擊干燥溫度(恒溫、先低后高變溫和先高后低變溫)對(duì)獼猴桃片的干燥特性及品質(zhì)的影響，旨在為變溫氣體射流沖擊干燥技術(shù)應(yīng)用于獼猴桃片的干燥提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試劑

供試獼猴桃品種為秦美，由陜西佰瑞獼猴桃研究院種植基地提供。測(cè)定獼猴桃的濕基平均含水量為83.32%。

蒽酮、草酸、氫氧化鈉、鄰苯二甲酸氫鉀、抗壞血酸，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；蔗糖、乙酸乙酯、2，6-二氯酚靛酚鈉，成都市科龍化工試劑廠。所用試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

BS224S型電子天平，北京賽多利斯系統(tǒng)有限公司；TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀，英國(guó)Stable Micro Systems公司；NS810色差儀，深圳市三恩馳科技有限公司；UV-1800型紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；XO-SM100超聲波微波協(xié)同反應(yīng)工作站，南京先歐儀器制造有限公司；氣體射流沖擊干燥試驗(yàn)設(shè)備，由陜西師范大學(xué)食品工程實(shí)驗(yàn)室自行研制，主要由離心風(fēng)機(jī)、余熱回收裝置、加熱器、氣流分配室、圓形噴嘴和物料干燥室構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)參考文獻(xiàn)[21]。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程 原料挑選→去皮、切片→燙漂→護(hù)色、硬化→超聲滲糖→沖洗→氣體射流沖擊干燥[25]。

1.3.2 獼猴桃片恒溫或變溫氣體射流沖擊干燥試驗(yàn) 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)參考文獻(xiàn)[20,22]，選取風(fēng)速為11 m·s-1,變溫干燥第一階段干燥時(shí)間為65 min，其他具體試驗(yàn)方案如表1所示。干燥試驗(yàn)在不同的時(shí)間間隔取樣測(cè)定質(zhì)量：前45 min內(nèi)每5 min稱(chēng)重一次，45 min后每20 min稱(chēng)重一次，直至樣品含水率達(dá)到20%(水分比接近于0時(shí))左右，停止試驗(yàn)。所有干燥處理均重復(fù)3次，取平均值。

表1 獼猴桃片變溫及恒溫氣體射流沖擊干燥試驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme on air-impingement jet alternating and constant temperatures drying of kiwifruit slices

1.3.3 理化指標(biāo)的測(cè)定 (1)維生素C(vitamin C, Vc)含量：采用2，6-二氯靛酚染料溶液測(cè)定，參照GB 5009.86-2016[26]， 按照公式計(jì)算Vc保存率：

Q=Y/X×100%

(1)

式中，Q 為Vc保存率，%；Y為干燥樣品Vc含量；X為鮮樣Vc含量。

(2)可滴定酸含量：采用 NaOH滴定法測(cè)定，參見(jiàn) GB/T 12456-2008[27]；

(3)采用蒽酮比色法測(cè)定含糖量[28]。

1.3.4 回復(fù)性的測(cè)定 用TA.XT plus質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定：探頭型號(hào)P 0.5，開(kāi)始速度3 mm·s-1，探頭下降速度2 mm·s-1，離開(kāi)速度2 mm·s-1，壓縮程度為樣品形變50%。

1.3.5 色澤的測(cè)定與計(jì)算 用色差儀直接測(cè)定L*、a*、b*值，色差值(ΔE)根據(jù)公式計(jì)算：

(2)

式中，ΔE為色差值；L0、a0、b0為鮮樣測(cè)定值；L*、a*、b*為干燥后樣品測(cè)定值。

1.3.6 單位能耗的測(cè)定 記錄干燥設(shè)備上的電表讀數(shù)，并根據(jù)公式計(jì)算單位能耗[25]：

(3)。

1.3.7 水分比、干燥速率的測(cè)定 將試驗(yàn)所得不同時(shí)刻干燥后的樣品質(zhì)量換算為水分比(moisture ratio，MR)和干燥速率(drying rate，DR)[29]。相關(guān)計(jì)算公式如下[26]：

(4)

(5)

式(4)中，Me為平衡干基含水率，g·g-1；M0為初始干基含水率，g·g-1；Mt為t時(shí)刻干基含水率，g·g-1。

式(5)中，Mt+Δt為t+Δt時(shí)刻的干基含水率，g·g-1；Mt為t時(shí)刻的干基含水率，g·g-1；Δt為相鄰2次測(cè)量的時(shí)間間隔，min。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和Origin 8.5對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并制圖，顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氣體射流沖擊干燥溫度對(duì)獼猴桃片干燥特性的影響

將氣體射流風(fēng)速固定為11 m·s-1，不同風(fēng)溫下獼猴桃片的干燥曲線和干燥速率曲線分別如圖1、圖2所示。由圖1可知，物料在干燥過(guò)程中的水分比隨干燥時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，風(fēng)溫越高，干燥至相同含水率所需時(shí)間越短，物料的水分比下降越迅速。在40、50、60、70℃恒溫干燥條件下，干燥至20%含水率(水分比接近于0時(shí))所需干燥時(shí)間分別為200、190、150和85 min，70℃恒溫干燥時(shí)間比40℃恒溫干燥時(shí)間縮短了57.5%。表明風(fēng)溫是影響獼猴桃片干燥時(shí)間的主要因素，適當(dāng)提高風(fēng)溫可縮短獼猴桃片的干燥時(shí)間，提高干燥速率。在變溫干燥條件下，70→40℃變溫干燥時(shí)間為125 min，40→70℃變溫干燥時(shí)間為135 min。由圖2可知，獼猴桃片恒溫及變溫氣體射流沖擊干燥均屬于降速干燥，未見(jiàn)恒速干燥階段；70℃恒溫干燥的干燥速率最快，其次是70→40℃和40→70℃變溫干燥，最后是60、50、40℃恒溫干燥，干燥速率隨風(fēng)溫的升高而增加。

圖1 風(fēng)溫對(duì)干燥曲線的影響Fig.1 Effect of air temperature on drying curve

圖2 風(fēng)溫對(duì)干燥速率曲線的影響Fig.2 Effect of air temperature on drying rate curve

2.2 不同氣體射流沖擊干燥溫度對(duì)獼猴桃片品質(zhì)及能耗的影響

2.2.1 不同干燥溫度對(duì)獼猴桃片Vc保存率的影響 Vc易受溫度、氧、酶等多種因素的影響[30]。由圖3可知，不同干燥溫度下獼猴桃片的Vc保存率差異顯著。隨著恒溫干燥溫度的升高，獼猴桃片的Vc保存率呈先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)恒溫干燥溫度為60℃時(shí)，Vc保存率達(dá)到最大。變溫干燥方式下獼猴桃片的Vc保存率與恒溫干燥差異顯著，70→40℃變溫干燥的Vc保存率顯著高于40→70℃變溫干燥。表明，70→40℃變溫干燥方式能顯著降低獼猴桃片中Vc的破壞。

注：不同小寫(xiě)字母表示各處理組間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level. The same as following.圖3 不同干燥溫度對(duì)Vc保存率的影響Fig.3 Effect of different drying temperature on the preservation rate of Vc

2.2.2 不同干燥溫度對(duì)獼猴桃片可滴定酸含量的影響 可滴定酸作為獼猴桃組織內(nèi)多種代謝過(guò)程的中間產(chǎn)物，對(duì)獼猴桃片的風(fēng)味及品質(zhì)有直接影響。由圖4可知，40和50℃恒溫干燥組獼猴桃片可滴定酸含量較低，且二者無(wú)顯著差異，60℃恒溫干燥獼猴桃片可滴定酸含量達(dá)到最高。變溫干燥條件下獼猴桃片可滴定酸含量與70℃恒溫干燥時(shí)無(wú)顯著差異。表明，變溫干燥對(duì)可滴定酸破壞較小。

圖4 不同干燥溫度對(duì)可滴定酸含量的影響Fig.4 Effect of drying different temperature on titratable acid content

2.2.3 不同干燥溫度對(duì)獼猴桃片含糖量的影響 含糖量是衡量獼猴桃片品質(zhì)的重要參數(shù)，對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)味具有重要的影響。由圖5可知，恒溫干燥方式下，干燥溫度越高，獼猴桃片含糖量越低，70℃恒溫干燥組含糖量顯著低于其他試驗(yàn)組。變溫干燥條件下，獼猴桃片含糖量與40、50℃恒溫干燥組無(wú)顯著差異，但顯著高于60和70℃恒溫干燥組。

圖5 不同干燥溫度對(duì)含糖量的影響Fig.5 Effect of different drying temperature on sugar content

2.2.4 不同干燥溫度對(duì)獼猴桃片回復(fù)性的影響 由圖6可知，恒溫干燥條件下，各恒溫試驗(yàn)組獼猴桃片的回復(fù)性差異不顯著，這與蔣小雅等[31]研究熱風(fēng)干燥對(duì)梨干質(zhì)構(gòu)特性影響得到結(jié)果類(lèi)似。變溫干燥時(shí)獼猴桃片的回復(fù)性顯著大于恒溫干燥組，說(shuō)明經(jīng)變溫干燥的獼猴桃片更有嚼勁，口感更好。

圖6 不同干燥溫度對(duì)回復(fù)性的影響Fig.6 Effect of different drying temperature on resilience

2.2.5 不同干燥溫度對(duì)獼猴桃片ΔE值的影響 由圖7可知，恒溫干燥階段，隨著溫度的升高，獼猴桃片的ΔE值呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)恒溫干燥溫度為60℃時(shí)，獼猴桃片的ΔE值最小，且與其他恒溫試驗(yàn)組差異顯著，說(shuō)明其色澤品質(zhì)最佳；40和70℃恒溫干燥組獼猴桃片的ΔE值差異不顯著，且ΔE值均較大，說(shuō)明此干燥溫度下物料變色嚴(yán)重。因此，應(yīng)盡量避免在長(zhǎng)時(shí)間或過(guò)高溫度下對(duì)獼猴桃片進(jìn)行干燥。70→40℃變溫干燥方式下獼猴桃片的ΔE值為19.16，介于50和70℃恒溫干燥組之間；40→70℃變溫干燥方式下獼猴桃片的ΔE值最小(13.01)，說(shuō)明此條件下變色最輕，對(duì)獼猴桃片色澤保留效果較好。

圖7 不同干燥溫度對(duì)ΔE值的影響Fig.7 Effect of different drying temperature on ΔE value

2.2.6 不同干燥溫度對(duì)單位能耗的影響 由圖8可知，各干燥溫度對(duì)獼猴桃片干燥過(guò)程中的單位能耗影響顯著。在恒溫干燥階段，隨著溫度升高，其對(duì)應(yīng)的單位能耗逐漸降低，故可適當(dāng)選擇較高溫度來(lái)節(jié)省能耗。變溫干燥時(shí)所需的單位能耗介于50和60℃恒溫干燥組之間，70→40℃變溫干燥組的單位能耗顯著低于40→70℃變溫干燥組。

圖8 不同干燥溫度對(duì)單位能耗的影響Fig.8 Effect of different drying temperature on the unit energy consumption

3 討論

本研究將變溫氣體射流沖擊干燥應(yīng)用于獼猴桃片干燥，研究不同風(fēng)溫對(duì)獼猴桃片干燥特性的影響，并以Vc保存率、可滴定酸含量、含糖量、回復(fù)性、色差(ΔE)值以及單位能耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討干燥溫度對(duì)獼猴桃品質(zhì)特征的影響。結(jié)果表明，獼猴桃片恒溫及變溫氣體射流沖擊干燥均屬于降速干燥，這與苦瓜片[20]、紫薯[21]、核桃[22]、梨[32]的干燥類(lèi)似。干燥過(guò)程一般分為3個(gè)階段，即預(yù)熱、恒速以及降速階段[33]，而本試驗(yàn)主要出現(xiàn)降速階段，這是因?yàn)殡m然干燥初期物料中存在大量的自由水，但是氣體射流沖擊干燥具有較高的傳熱效率，能使物料表面水分迅速汽化，導(dǎo)致水分表面汽化速率大于內(nèi)部遷移速率，表現(xiàn)出降速干燥。風(fēng)溫對(duì)獼猴桃片的氣體射流沖擊干燥特性有顯著影響，恒溫干燥風(fēng)溫越高，物料的干燥速率越大，水分比下降越快，干燥過(guò)程所需時(shí)間越短，哈密瓜片[23]的氣體射流沖擊干燥也有類(lèi)似規(guī)律。其原因可能是風(fēng)溫越高，則在物料表面和熱空氣之間形成的溫度梯度越大，物料內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)動(dòng)力越大，水分子運(yùn)動(dòng)加速，使表面水分汽化速率和內(nèi)部水分?jǐn)U散速率均得到提高，從而加快了水分的散失，縮短了干燥周期。除70℃恒溫干燥外，變溫干燥所需的時(shí)間最短，表明變溫氣體射流沖擊干燥技術(shù)能縮短干燥時(shí)間、提高干燥速率。

本研究中Vc保存率隨恒溫干燥溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，這與薛珊等[34]對(duì)苦瓜片氣體射流沖擊干燥的研究結(jié)果基本一致。當(dāng)獼猴桃片在較低溫度、長(zhǎng)時(shí)間干燥時(shí)，由于抗壞血酸氧化酶在此溫度下活性較高且與物料和氧氣接觸充足，導(dǎo)致Vc氧化速率加快[30]，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)(大于70℃)Vc易受熱發(fā)生降解，此時(shí)主要是由于高溫導(dǎo)致Vc的損失增多。70→40℃變溫干燥方式下Vc保存率最大，可能是由于物料干燥前、中期溫度較高，水分蒸發(fā)迅速，縮短了干燥時(shí)間，后期干燥溫度低對(duì)Vc破壞小，干燥時(shí)間短和溫度低均能降低對(duì)Vc的破壞[35]。本研究結(jié)果表明，隨著干燥溫度升高，可滴定酸含量先增加后降低；溫度高時(shí)，部分有機(jī)物分解、轉(zhuǎn)化為酸類(lèi)物質(zhì)，導(dǎo)致可滴定酸含量增加；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，部分有機(jī)酸不穩(wěn)定、分解，導(dǎo)致可滴定酸含量略有降低。本研究還發(fā)現(xiàn)獼猴桃片的含糖量隨恒溫干燥溫度的升高而逐漸降低，邵平等[36]在研究熱風(fēng)真空聯(lián)合干燥對(duì)銀耳品質(zhì)時(shí)也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似結(jié)果，這可能是由于高溫會(huì)促使多糖降解為寡糖，且加速了還原糖與氨基酸的美拉德反應(yīng)，固形物損失增加，致使含糖量相對(duì)下降。本研究中，變溫干燥組獼猴桃片的回復(fù)性大于恒溫干燥組，可能是因?yàn)槌掷m(xù)的恒溫干燥會(huì)破壞物料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，細(xì)胞失水皺縮以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的擠壓、塌陷導(dǎo)致細(xì)胞間作用力減弱[37]，降低回復(fù)性；隨著恒溫干燥溫度的升高，獼猴桃片的ΔE值呈先減小后增大的趨勢(shì)，這與劉陽(yáng)等[38]研究紫薯粉色澤的結(jié)果相似，這可能是由于獼猴桃富含多酚、多糖以及酶類(lèi)物質(zhì)，干燥溫度低時(shí)多酚氧化酶較活躍，且水分散失較慢，干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，獼猴桃片易發(fā)生酶促褐變，干燥溫度過(guò)高雖有利于物料中水分的散失，但獼猴桃片內(nèi)色素類(lèi)物質(zhì)對(duì)熱敏感，且高溫下會(huì)發(fā)生羰氨和焦糖化反應(yīng)[39]，導(dǎo)致ΔE值增大。本研究發(fā)現(xiàn)恒溫干燥溫度越高，單位能耗越低，這與張緒坤等[19]研究結(jié)果一致，溫度越高，物料中水分子在相同時(shí)間內(nèi)獲得的能量越大，使得單位能耗下排出更多水分，干燥速率變大，干燥時(shí)間變短，能耗降低；70→40℃變溫干燥方式的單位能耗較低，這是由于干燥前期，獼猴桃片含水率高，主要以自由水為主，較易排出，此時(shí)采用較高的干燥溫度可加快干燥速率；而在干燥后期，獼猴桃片中殘留少量難除去的自由水以及結(jié)合水，且干燥過(guò)程中物料失水收縮，毛細(xì)管間隙變小，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)遭到破壞，表面變得干燥，導(dǎo)致硬殼，阻礙了內(nèi)部水分排出，溫度對(duì)該階段物料干燥速率的影響減小，采用低溫可節(jié)省能耗。

4 結(jié)論

獼猴桃片恒溫及變溫氣體射流沖擊干燥均屬于降速干燥，風(fēng)溫對(duì)獼猴桃片的氣體射流沖擊干燥特性有影響。風(fēng)溫越高，物料的干燥速率越大，水分比下降越快，干燥所需時(shí)間越短。與恒溫干燥相比，變溫干燥的獼猴桃片的Vc保存率及回復(fù)性較高，單位能耗和ΔE值較小，變溫干燥的獼猴桃片品質(zhì)優(yōu)于恒溫干燥。與40→70℃變溫干燥相比，70→40℃變溫干燥方式下獼猴桃片的Vc保存率和回復(fù)性更大，單位能耗更小，綜合來(lái)看其品質(zhì)更優(yōu)。因此，變溫氣體射流沖擊干燥能適應(yīng)物料的干燥過(guò)程，是一種能耗低、產(chǎn)品品質(zhì)好的新型干燥技術(shù)，將其應(yīng)用于獼猴桃片的干燥，可彌補(bǔ)目前常用干燥方法存在的效率低、品質(zhì)差、能耗大、成本高等缺點(diǎn)。下一步應(yīng)在建立獼猴桃片品質(zhì)與變溫氣體射流沖擊干燥工藝參數(shù)回歸模型的基礎(chǔ)上優(yōu)化工藝參數(shù)，為變溫氣體射流沖擊干燥技術(shù)應(yīng)用于獼猴桃片的干燥提供技術(shù)依據(jù)。