正交試驗優(yōu)化蘋果片低氧熱泵干燥工藝

羅 磊，支梓鑒，劉云宏，朱文學，張玉先，朱 敏，王 強

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023）

正交試驗優(yōu)化蘋果片低氧熱泵干燥工藝

羅 磊，支梓鑒，劉云宏，朱文學，張玉先，朱 敏，王 強

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023）

以紅富士蘋果作為實驗材料，以氮氣為干燥介質(zhì)置換空氣降低設(shè)備中氧體積分數(shù)，研究了溫度、切片厚度、氧體積分數(shù)和風速對蘋果片熱泵干燥速率、L值、VC和總酚含量等指標的影響，正交試驗結(jié)果表明：最佳干燥工藝參數(shù)為干燥溫度55 ℃、切片厚度5 mm、氧體積分數(shù)5%，干燥后蘋果片水分含量為5.83%，L值為83.01，VC含量為3.68 mg/100 g，總酚含量為68.26 mg/100 g。

蘋果片；低氧；熱泵干燥

蘋果營養(yǎng)豐富，富含黃酮、綠原酸等酚類物質(zhì)，具有抗氧化等保健功能，是老幼皆宜的水果之一[1-2]。近年來蘋果片的研究日益受到重視。Mariscal等[3]研究發(fā)現(xiàn)低溫真空油炸的蘋果片，含油量低，且外觀顏色較好。Tregunno等[4]將澳洲青蘋果切片，用高濃度糖液脫水至原來含水量的50%后進行真空冷凍干燥，掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)糖液處理蘋果片的結(jié)構(gòu)得到保護，干燥產(chǎn)品硬度小。韓清華等[5]報道了微波真空干燥蘋果脆片的最佳工藝，孟慶輝等[6]研究了用氣體射流沖擊干燥蘋果片的技術(shù)。但是，采用糖液脫水會提高含糖量，掩蓋蘋果片自身的香味，且不符合“低糖”的健康理念，而油炸脫水不可避免的存在含油量的問題。冷凍干燥和真空干燥雖能得到較好品質(zhì)的產(chǎn)品，但能耗較大、成本偏高；傳統(tǒng)熱風干燥所得產(chǎn)品色澤、風味和營養(yǎng)均不能令人滿意[7-9]。

熱泵干燥是利用干燥介質(zhì)（空氣或其他氣體）進行閉路循環(huán)，進行介質(zhì)除濕的干燥形式，由于干燥溫度較低，且閉路循環(huán)過程能采用惰性氣體作為干燥介質(zhì)，從而實現(xiàn)低氧干燥，適用于熱敏性和氧敏性物料[10-12]。Hawlader等[13-14]的研究表明：與空氣干燥介質(zhì)相比，N2和CO2熱風干燥的蘋果亮度L*和色度角h*值顯著增加，番木瓜的色澤甚至好于冷凍干燥，O’ Neill等[15]報道了惰性介質(zhì)干燥的蘋果塊制品孔隙率高、復(fù)水快、制品色澤好、VC保留率高。因此，本實驗采用氮氣降低干燥室內(nèi)干燥介質(zhì)的氧濃度，以干燥速率、表觀亮度（L值）、VC和總酚含量為指標，對蘋果片熱泵干燥工藝進行研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅富士蘋果 洛陽大張超市；硫酸、草酸等試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

GHRH-20型熱泵干燥機 廣東省農(nóng)業(yè)機械研究所干燥設(shè)備制造廠；2800UV/VIS紫外-可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器公司；X·rite Color I5色差儀 美國愛色麗公司；200S電子分析天平 美國塞多利斯公司。

1.3 方法

1.3.1 蘋果片的預(yù)處理

將蘋果去皮、去核后，切成指定厚度，面積為20 mm×20 mm蘋果片，放入質(zhì)量分數(shù)為1%的NaCl水溶液中，備用。

1.3.2 蘋果片的干燥

打開熱泵干燥機電源，設(shè)置鼓風機風速和干燥溫度，達到預(yù)定溫度后，打開氮氣通氣閥通入氮氣，使干燥室內(nèi)氧體積分數(shù)達到指定值，關(guān)閉氮氣通氣閥，放入待干燥蘋果片，間隔為1 cm；干燥過程中每隔20～30 min打開氮氣通氣閥3～5 min，保持干燥室內(nèi)氧氣體積分數(shù)達所需標準，直至干燥完成。

1.3.3 干燥速率測定[16]

干燥速率定義為單位時間內(nèi)在單位干燥面積上汽化的水分量W，用符號u表示，按公式（1）計算：

式中：u為干燥速率/（kg/（m2·h)）；W為汽化水分量/kg；S為干燥面積/m2；t為干燥所需時間/h。

1.3.4 理化指標的測定

色差：利用色差儀測定干燥后每個樣品的Lab色度[17]，并以L值（亮度值）可表示樣品褐變程度，L值越高，褐變程度越低，蘋果片品質(zhì)越好；VC含量：采用2,4-二硝基苯肼比色法[18]；總酚含量：采用沒食子酸-福林酚法[19]。

1.4 正交試驗指標的歸一化計算[20]

正交試驗以干燥速率、色澤、VC含量和總酚含量為指標，需對正交試驗各指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理，按式（2）計算各指標觀測值的評分值，然后按照加權(quán)平均的方法綜合指標值，權(quán)值分配均為0.25。

設(shè)各個指標的最大值yjmax對應(yīng)yjmax’＝100分，最小值yjmin對應(yīng)yjmin’＝0分。

式中：yij’是指標觀測值的評分值。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對蘋果片熱泵干燥的影響

取厚度為5 mm的蘋果片，在40、45、50、55、60 ℃條件下進行熱泵干燥，風速為1.5 m/s，氧體積分數(shù)為21%。干燥后的樣品，測定其干燥速率、L值、VC和總酚含量，研究溫度對蘋果片熱泵干燥工藝的影響。

2.1.1 溫度對干燥速率和L值的影響

由圖1可以看出，干燥速率隨溫度的升高而加快，60 ℃干燥條件下的干燥速率約為40 ℃時的2倍，但考慮到較高溫度對蘋果片外觀色澤和營養(yǎng)成分的影響，溫度的上限設(shè)置為60 ℃[21]。

圖1 溫度對干燥速率和L值的影響Fig.1 Effect of drying temperature on drying rate and L value

由圖1還可以看出，當溫度為40 ℃時，蘋果片L值最低，這可能是較低溫度導致干燥速率較低，干燥時間較長，酶促褐變產(chǎn)生的褐色素積累較多所致。隨著干燥溫度的升高，干燥速率增加，干燥時間縮短，蘋果片表面水分以較快速度蒸發(fā)，酶促褐變受到抑制，褐變程度逐漸降低。當溫度升至55 ℃后，L值略有下降，這可能是由于干燥溫度達到蘋果多酚氧化酶最適催化溫度區(qū)間，酶促褐變有所加快所致[22]。

2.1.2 溫度對VC和總酚含量的影響

圖2 溫度對VC和總酚含量的影響Fig.2 Effect of drying temperature on the contents of vitamin C and total phenolic compounds

由圖2分析可得，當溫度為40 ℃時，干燥速率低，長時間的干燥使VC含量較低，隨著溫度的升高，VC含量逐漸增加，但溫度超過50 ℃后，VC含量又有所下降，這可能是較高溫度加快VC氧化所致。

由圖2還可以看出，隨溫度的升高蘋果片總酚含量先增加后下降。當溫度為40 ℃時，干燥時間較長，酚類物質(zhì)損失較多；在干燥溫度逐漸上升至55 ℃過程中，干燥時間縮短，總酚含量逐漸增高，但溫度達到60 ℃時，總酚含量又明顯降低，可能是達到蘋果多酚氧化酶最適反應(yīng)溫度區(qū)間，酶促褐變有所加快所致。

由以上分析可知，提高干燥溫度，能夠縮短干燥時間，避免蘋果片的表面褐變和營養(yǎng)損失，但過高的溫度將促進酶促和非酶促氧化的發(fā)生，因此選擇50、55、60 ℃作進一步的正交試驗研究。

2.2 切片厚度對蘋果片熱泵干燥的影響

將厚度為3、5、7、9 mm的蘋果片進行熱泵干燥，干燥條件為溫度60 ℃、風速1.5 m/s、氧體積分數(shù)21%。

2.2.1 切片厚度對干燥速率和L值的影響

圖3 切片厚度對干燥速率和L值的影響Fig.3 Effect of slice thickness on drying rate and L value

由圖3可以看出，其他條件相同時，干燥速率隨切片厚度的增加而下降。這是由于切片厚度越小，比表面積越大，與空氣接觸面積越大，物料升溫越快，且物料內(nèi)部水分遷移距離越短。

從圖3還可看出，其他條件恒定時，隨切片厚度的增加，L值逐漸降低，這是由于水分可作為化學反應(yīng)進行的介質(zhì)，促進酶促褐變的進行，因此干燥時間越長，蘋果片表面L值越低。

2.2.2 切片厚度對VC和總酚含量的影響

圖4 切片厚度對VC和總酚含量的影響Fig.4 Effect of slice thickness on the contents of VC and total phenolic compounds

從圖4可以看出，VC含量隨切片厚度的增加，先增加后下降。當切片厚度3 mm時，蘋果片比表面積最大，因此干燥過程中氧氣更容易充分進入細胞組織中，引發(fā)VC的氧化損失。當切片厚度為5 mm時，比表面積減小，降低了蘋果片內(nèi)部VC氧化速率。當切片厚度超過7 mm后，干燥時間增長，較高溫度條件下的長時間氧化，反而造成VC含量逐漸下降。

由圖4還可以看出，總酚含量隨切片厚度的增加，先增加后下降，此變化規(guī)律與VC含量相似：當切片厚度3 mm時，蘋果片比表面積較大，酚類物質(zhì)易與空氣接觸發(fā)生酶促褐變，當厚度增至5 mm時，較厚的植物組織降低了內(nèi)部酚類物質(zhì)與空氣接觸的幾率，因此總酚含量較高，當厚度超過7 mm以后，干燥時間的延長又造成總酚含量的逐漸下降。

以上研究證實，切片厚度的增加將降低干燥速率，并使蘋果片表面褐變程度加重，但對于VC和總酚厚度為5 mm時損失最小，因此選擇切片厚度為4、5、6 mm作進一步研究。

2.3 風速對蘋果片熱泵干燥的影響

將厚度為5 mm的蘋果片，在0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m/s風速條件下進行熱泵干燥，溫度為60 ℃，氧體積分數(shù)為21%，并測定干燥后樣品的各項指標。

2.3.1 風速對干燥速率和L值的影響

圖5 風速對干燥速率和L值的影響Fig.5 Effect of air speed on drying rate and L value

由圖5可知，當風速升高時，干燥速率也增加，但增加很少，0.5 m/s條件下的干燥速率與2.5 m/s條件下相差僅0.04 kg/（m2·h）。

由圖5還可以看出，蘋果片L值隨風速的增加而增加，此干燥過程中，干燥時間相差不大，酶促反應(yīng)程度相近，所以L值隨風速增加而略微增加。

2.3.2 風速對VC和總酚含量的影響

圖6 風速對VC和總酚含量的影響Fig.6 Effect of air speed on the contents of VC and total phenolic compounds

由圖6可以看出，VC含量在2.628～2.742 mg/100 g范圍內(nèi)波動，沒有出現(xiàn)較大差別，因此風速對VC影響不顯著。

由圖6還可看出，總酚含量在53.50～54.60 mg/100 g之間變化，沒有出現(xiàn)較大差別，因此風速對總酚影響不顯著。

由于風速對蘋果片干燥速率影響很小，對L值、VC和總酚含量影響不顯著，因此不作為正交試驗研究的因素，后續(xù)試驗中風速均設(shè)定為1.5 m/s。

2.4 氧體積分數(shù)對蘋果片熱泵干燥的影響

將厚度5 mm的蘋果片，在氧體積分數(shù)為5%、10%、15%、21%條件下分別進行熱泵干燥，溫度為60 ℃，風速為1.5 m/s。干燥后的樣品，測定其干燥速率、色度、VC和總酚含量，研究氧體積分數(shù)對它們的影響。

2.4.1 氧體積分數(shù)對干燥速率和L值的影響

圖7 氧體積分數(shù)對干燥速率和L值的影響Fig.7 Effect of oxygen concentration on drying rate and L value

由圖7可知，隨氧體積分數(shù)的降低，其干燥速率變化不明顯，差異小于0.01 kg/（m2·h），因此氧體積分數(shù)對蘋果片干燥速率影響不顯著。

從圖7還可看出，隨著氧體積分數(shù)的增加，蘋果片L值逐漸下降，在15%～21%范圍內(nèi)降低尤為顯著，這是由于較低的氧氣濃度抑制了酶促褐變的發(fā)生，減少褐色素的生成，從而使L值升高，得到較好表觀色澤的干燥蘋果片[23]。

2.4.2 氧體積分數(shù)對VC和總酚含量的影響

圖8 氧體積分數(shù)對VC和總酚含量的影響Fig.8 Effect of oxygen volume fraction on the contents of VC and total phenolic compounds

由圖8可以看到，熱泵干燥過程中，隨氧體積分數(shù)的增加，VC含量逐漸下降，可見較低的氧體積分數(shù)能夠減少VC的氧化損失。

從圖8還可以看出，酚類物質(zhì)含量隨氧體積分數(shù)的升高而降低，其變化規(guī)律與亮度L值（圖7）相似，由于酚類物質(zhì)氧化損失的主要途徑為酶促褐變，而氧體積分數(shù)的降低能夠抑制蘋果片中酚類物質(zhì)的酶促氧化，減少了褐變產(chǎn)物的產(chǎn)生，提高了蘋果片表觀亮度。

從以上分析能夠得出如下結(jié)論，氧體積分數(shù)對蘋果片干燥速率無顯著影響，但能夠明顯降低VC和酚類物質(zhì)的氧化損失，進而改善蘋果片表面色澤，因此充氮低氧能夠明顯降低蘋果片干燥過程中的色澤劣變和營養(yǎng)成分損失，且氧體積分數(shù)越低效果越好，但由于設(shè)備的限制，不能對5%以下氧體積分數(shù)的效果進行研究，因此選擇5%、7.5%、10%氧體積分數(shù)做進一步正交試驗。

2.5 蘋果片氮氣源低氧熱泵干燥工藝正交試驗

采用L9（34）正交表對干燥速率、L值、VC和總酚含量進行綜合研究，正交試驗結(jié)果及極差分析見如表1所示，其方差分析結(jié)果見表2。

表 1 L9（34）正交試驗結(jié)果與極差分析Table 1 Experimental results of L9（34）ay design and range analysis

表2 正交設(shè)計方差分析表Table 2 Analysis of variance for the experimental results of orthogonal array design

從表2可以看出，綜合指標下最佳的干燥工藝參數(shù)為當溫度55 ℃、切片厚度5 mm、氧體積分數(shù)5%，影響因素順序：氧體積分數(shù)＞溫度＞切片厚度。

2.6 驗證實驗

根據(jù)正交試驗結(jié)果，選取最優(yōu)水平，即溫度55 ℃、切片厚度5 mm、氧體積分數(shù)5%進行驗證實驗，在此條件下平均干燥速率為0.275 kg/（m2·h），干燥時間為4.5 h，干燥所得蘋果片水分含量為5.83%，L值為83.01，VC含量為3.68 mg/100 g，總酚含量為68.26 mg/100 g，此時的加權(quán)值為77.91。

3 結(jié) 論

蘋果片氮氣源低氧熱泵干燥工藝最佳參數(shù)為：干燥溫度55 ℃、切片厚度5 mm、氧體積分數(shù)5%，此條件下平均干燥速率為0.275 kg/（m2·h），干燥時間為4.5 h，干燥后蘋果片水分含量為5.83%，L值為83.01，VC含量為3.68 mg/100 g，總酚含量為68.26 mg/100 g。最終產(chǎn)品呈淡黃色，外形完整，有一定皺縮，具有蘋果特有的香氣，口感酥脆，滋味酸甜。

本研究將氮氣源低氧熱泵干燥技術(shù)用于蘋果片的干燥，解決了蘋果片干燥過程中外觀色澤劣變和營養(yǎng)物質(zhì)損失的難題，其工藝過程簡單，設(shè)備要求及運行成本低，具有較高的應(yīng)用推廣價值，該研究成果也為熱敏性、氧敏性物料的干燥提供了新的思路。

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Optimization by Orthogonal Array Design of Heat Pump Drying Process for Apple Slices under Oxygen Condition

LUO Lei, ZHI Zi-jian, LIU Yun-hong, ZHU Wen-xue, ZHANG Yu-xian, ZHU Min, WANG Qiang
(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science & Technology, Luoyang 471023, China)

This study was conducted to dry fresh-cut red Fuji apple slices using nitrogen as drying medium to reduce the oxygen concentration in a heat pump dryer. The inf uences of drying temperature, slice thickness, oxygen concentration and air speed on drying rate, brightness, vitamin C (VC) content and total phenol content were investigated. The experiment results of orthogonal array design showed that the optimal drying parameters were as follows: temperature, 55 ℃; slice thickness, 5 mm; and oxygen volume fraction, 5%. The moisture content of apple slices dried under these conditions was 5.83%, brightness value 83.01, VC content 3.68 mg/100 g, and total phenol content 68.26 mg/100 g.

apple slice; lowering oxygen; heat pump drying

TS255.4

A

1002-6630（2014）04-0001-05

10.7506/spkx1002-6630-201404001

2013-07-14

國家自然科學基金面上項目（31171723）

羅磊（1976—），男，副教授，博士，研究方向為食品干燥品質(zhì)控制、食品營養(yǎng)成分與活性。E-mail：13623896431@139.com