干燥溫度及氧氣含量對胡蘿卜氣調干燥特性的影響

種翠娟，劉云宏，朱文學，羅 磊

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023）

干燥溫度及氧氣含量對胡蘿卜氣調干燥特性的影響

種翠娟，劉云宏*，朱文學，羅 磊

（河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023）

為探討干燥溫度及氧氣含量對胡蘿卜氣調干燥特性的影響，進行氮氣氣調熱風干燥實驗研究。結果表明：提高干燥溫度可顯著縮短干燥時間；當氧氣含量由20.9%降至5%，對流傳質系數維持不變，而對流傳熱系數約增大0.5%；胡蘿卜素含量隨著氧氣含量及干燥溫度的下降而升高，氧氣含量低至5%可有效減緩干燥過程中胡蘿卜素的氧化降解；在40～60 ℃區間，5%及10%氧氣含量條件下的總色差（ΔE）值要明顯低于15%及20.9%氧氣含量條件下的ΔE值，表明低氧氣調熱風干燥可有效保護產品色澤。因此，采用氣調干燥技術有利于獲得高品質的胡蘿卜干燥產品。

氣調干燥；胡蘿卜；干燥特性

熱風干燥是果蔬干燥加工最常用的方法之一，具有操作簡單、設備成本低等優點[1]。但熱風干燥容易導致產品有效成分損失及色澤褐變，而干燥介質中的氧氣是導致產品品質下降的主要因素之一[2]。以胡蘿卜熱風干燥為例，在干燥過程中，胡蘿卜素極易發生氧化降解[3-4]。采用惰性氣體代替部分空氣以降低干燥介質中氧氣含量，理論上可減弱甚至抑制氧氣參與的氧化反應及酶促褐變等化學過程，從而有效保護產品質量。因此，氣調干燥技術應運而生。

O’Neill等[2]利用氮氣或二氧化碳代替常規空氣進行氣調干燥，結果表明氣調干燥可在一定程度上減少干燥時間，并能有效抑制色澤褐變。Hawlader等[5-6]采用惰氣代替部分空氣的研究表明氣調干燥可有效保護胡蘿卜素、VC等有效成分，同時可提高有效水分擴散系數。Doungpon等[7]對幾種經驗模型的擬合精度進行比較，構建了氣調干燥谷物的動力學數學模型。國內也有一些農產品的氣調干燥研究[8-10]，主要集中在福建農林大學。相關研究認為，通過降低干燥介質的氧氣含量，可顯著提高產品的干燥品質。

目前已有關于胡蘿卜氣調干燥的研究報道，Ramesh等[11]以經過漂燙及未漂燙的胡蘿卜為原料，對氮氣干燥和常規熱風干燥進行了比較。結果表明采用惰氣作為干燥介質可有效提高胡蘿卜中胡蘿卜素及VC含量，同時在一定程度上提高干燥速率。國內的林啟訓等[12]以氮氣、二氧化碳和空氣為干燥介質，進行了胡蘿卜干燥研究，結果表明降低干燥室內氣體的氧氣含量，可維持較佳的糖酸比及顯著提高VC保存率。朱志偉等[13]利用熱風干燥裝置和氣調干燥裝置分別進行蘿卜絲的熱風干燥和氣調干燥實驗，并建立了VC保存率的數學模型。

但目前關于不同氧氣含量對胡蘿卜干燥特性的深入研究分析報道較少，有關氣調干燥參數對產品胡蘿卜素及色澤影響規律的探討也較少。本研究擬利用自行研制的氣調-熱泵干燥裝置，以胡蘿卜為研究對象，通過充入氮氣來調節干燥介質中氧氣含量，進行氣調熱泵干燥研究。探討干燥溫度及氧氣含量對干燥特性的影響，分析干燥參數對產品品質主要指標如胡蘿卜素含量及色澤的影響，以驗證氣調干燥提高胡蘿卜干燥速率及產品品質的可行性，為揭示不同氧氣含量環 境下胡蘿卜氣調熱泵干燥機理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮胡蘿卜：購買于河南省洛陽市丹尼斯超市。樣品干基含水率采用105 ℃烘箱法測量，新鮮胡蘿卜含水率平均值為8.46 g/g（干基）。

甲醇（色譜純）、乙酸乙酯（色譜純） 美國Fisher公司；胡蘿卜素標準品 美國Sigma公司；純水。

1.2 儀器與設備

MP4000B型電子秤（精度0.01 g） 上海第二天平廠；202型恒溫干燥箱 北京永光明醫療儀器廠；HP1100型高效液相色譜儀 美國Agilent公司；C18色譜柱 美國Deerfield公司；Datacolor100型色差儀 美國Datacolor公司。

GHRH-20型氣調-熱泵干燥裝置如圖1所示，由廣東省業機械研究所與河南科技大學聯合研制，主體由熱泵系統及熱風循環系統組成。熱泵系統包括壓縮機、蒸發器、內部冷凝器、外部冷凝器及膨脹閥等，循環介質為R22制冷劑。熱風循環系統包括干燥倉、主風機、輔助風機、除濕風機、輔助加熱器、氮氣儲罐及物料推車等。干燥過程中溫度和濕度的調節通過熱泵除濕加熱系統完成，利用氧氣傳感器檢測干燥室內氧氣含量，通過調節N2進氣量有效控制干燥室內氧氣含量，完成不同氧氣水平干燥。此外，電氣控制系統根據干燥加工工藝要求可編輯干燥曲線，自動完成全過程干燥、升溫、降溫、排濕等操作，并自動記錄干燥溫度、濕度等參數。

圖1 氣調熱風干燥裝置Fig.1 Modified atmosphere dryer

1.3 方法

用切片機將胡蘿卜切成厚5 mm的薄片，再用直徑為30 mm的模具得到直徑30 mm、厚度5 mm的試樣，每次實驗取樣500 g。采用氮氣充入干燥箱調節氧氣含量。開啟氣調干燥裝置，通過控制面板設定所需溫度及氧氣含量等參數。待干燥系統達到設定參數并穩定后，將胡蘿卜片平鋪于物料盤后立即放入干燥箱內進行干燥實驗。每隔30 min將物料迅速取出稱質量，直至連續兩次稱質量讀數不變時，干燥結束。

干燥過程中胡蘿卜含水率（M）利用公式（1）進行計算。

式中：m為物料質量/g；md為物料中的干物料質量/g；M為物料含水率/（g/g干基）。

1.4 混合氣體物性參數計算方法

根據混合氣體物性參數的計算公式[14]，如式（2）～（5）所示，可得不同含量混合氣體的物性參數值，氣體在不同溫度下的物性參數值如表1所示。

式中：ρ為氣體密度/（kg/m3）；λ為氣體熱導率/（W/（m·℃））；μ為氣體黏度/（Pa·s）；yi為氣體體積分數/%；M為氣體相對分子質量。

表1 氣體物性參數Table1 Physical parameters of gases

1.5 胡蘿卜素含量的測定

干燥產品中胡蘿卜素的提取與檢測采用文獻[15]中的高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）法。HPLC檢測的有關參數為：C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱溫25 ℃，流動相為甲醇-乙酸乙酯（85∶15，V/V），流速1 mL/min，檢測波長450 nm。所有檢測均重復3 次，可得新鮮胡蘿卜中胡蘿卜素含量為46.2 mg/100 g干基。

1.6 色差值的測定

干燥產品的色度值利用色差儀檢測。對每個待測樣品，選取表面5 個不同點進行檢測，求平均值可得亮度（L*）值、紅綠值（a*）值及黃藍（b*）值。色澤變化采用公式（6）計算。

式中：下標0表示新鮮胡蘿卜的讀數。

總色差ΔE的計算見公式（7）。

1.7 數據處理與分析

數據處理與分析采用Origin 8.0軟件。

2 結果與分析

2.1 干燥參數對干燥特性的影響

圖2 不同干燥溫度對胡蘿卜氣調干燥曲線的影響Fig.2 Modified atmosphere drying curves of carrot slices at different drying temperatures

在氧氣含量5%及風速1 m/s的條件下，調節干燥介質溫度40、50 ℃及60 ℃，研究干燥介質溫度對胡蘿卜氣調干燥特性的影響，干燥曲線如圖2所示。當干燥溫度為40、50 ℃及60 ℃時，所需干燥時間分別為600、390 min及340 min。低氧干燥介質的溫度升高，可增大干燥介質與物料之間的溫度梯度，從而促進水分的擴散及蒸發，縮短干燥時間。另外，干燥溫度升高會降低干燥介質的相對濕度，從而增加介質與物料之間的蒸汽壓差，同樣有利于提高質量傳遞速率。比較低氧氣調干燥和常規熱風干燥，可知兩種干燥環境下干燥溫度對干燥速率具有相同的影響趨勢[16-18]。

固定干燥溫度60 ℃及風速1 m/s，調節干燥介質中氧氣含量為5%、10%、15%及20.9%（表示采用常規空氣干燥），研究氧氣含量對干燥特性的影響，結果如圖3所示。干燥時間隨著氧氣含量的降低而減少，但變化不明顯。當氧氣含量由20.9%降至5%時，干燥時間約縮短6%。

圖3 不同氧氣含量對胡蘿卜氣調干燥曲線的影響Fig.3 Modified atmosphere drying curves of carrot slices with different oxygen contents

氧氣含量不同會導致干燥介質的物性參數變化，物性參數決定了干燥過程中對流傳熱系數（hT）及對流傳質系數（hM）的大小，而對流傳熱傳質系數的大小又影響干燥的質熱傳遞過程。目前關于傳熱傳質系數[19]的定量計算及分析常采用公式（8）和（9），通過公式計算的傳熱傳質系數理論值與實驗值具有較好的吻合性，本研究也利用此式計算氣調干燥過程中的對流傳熱傳質系數。

圖4 氧氣含量及干燥溫度對對流傳熱系數的影響Fig.4 Effects of oxygen content and drying temperature on heat transfer coefficient

圖5 氧氣含量及干燥溫度對對流傳質系數的影響Fig.5 Effects of oxygen content and drying temperature on mass transfer coefficient

不同氧氣含量及干燥溫度的對流傳熱系數及傳質系數值如圖4、5所示，隨著溫度的升高，對流傳熱系數和對流傳質系數均有所增大，這有利于氣調干燥中質熱傳遞過程的進行，也與前述溫度升高有利于縮短干燥時間的結果吻合。隨著氧氣含量的降低，對流傳質系數基本保持不變，而對流傳熱系數增加0.5%，說明在氣調干燥過程中充入氮氣降低氧氣含量，改變了干燥介質的物性參數，但物性參數的變化對傳熱過程有一定積極作用，而對傳質過程影響較小。在相同溫度下，和常規空氣相比，5%氧氣含量的干燥介質的密度約下降2%，熱導率維持不變，比熱約提高1.8%，黏度約降低2.5%。雖然密度下降不利于傳熱過程，但比熱的提高及黏度的下降則有利于提高干燥介質的傳熱能力及降低介質與物料間的傳熱邊界層，從而有利于傳熱過程。以上物性變化對傳熱過程的耦合影響，導致降低氧氣含量可一定程度地提高傳熱速率，最終縮短干燥時間。Ramesh等[11]結合干燥曲線及傳熱傳質方程，同樣得出降低氧氣含量可提高干燥的傳熱系數及傳質系數的結論。Doungporn等[7]也認為降低氧氣含量對提高蘋果、胡蘿卜等高濕度物料的干燥速率有正面作用。

2.2 干燥參數對胡蘿卜素含量的影響

圖6 氧氣含量及干燥溫度對胡蘿卜素含量的影響Fig.6 Effects of oxygen content and drying temperature on carotenoid content

胡蘿卜素是決定胡蘿卜干燥產品品質的重要指標，在干燥過程中應盡可能地提高胡蘿卜素保持率。不同干燥溫度及氧氣含量下胡蘿卜干燥產品中胡蘿卜素含量如圖6所示。隨著干燥溫度及氧氣含量的降低，胡蘿卜素含量明顯提高。在新鮮胡蘿卜中，胡蘿卜素比較穩定地存在于細胞組織中。然而，熱風干燥過程中，由于胡蘿卜素的氧化反應及其分子中共軛雙鍵的破壞，胡蘿卜素變得不穩定，造成其大量損失[20-21]。當氧氣含量分別為20.9%、15%、10%和5%時，干燥溫度從40 ℃升至60 ℃，產品中胡蘿卜素含量分別降低了33%、27%、24%及20%，說明無論是在常規熱風干燥還是在低氧熱風干燥中，提高干燥溫度均導致胡蘿卜素的氧化與降解，從而明顯降低胡蘿卜素含量。Malchev等[22]也報道胡蘿卜素保持率隨著干燥溫度的升高而降低。當干燥溫度為40、50 ℃及60 ℃時，在5%氧氣含量條件下干燥的胡蘿卜素含量分別比在20.9%氧氣含量下胡蘿卜素含量提高54%、80%及72%，說明降低氧氣含量可有效減緩干燥過程中胡蘿卜素的氧化降解，從而顯著提高胡蘿卜素的保持率。經計算，常壓下1 m3的常規空氣中含有約5.64×1024個氧分子，而充入氮氣后，體積1 m3、氧氣含量5%的干燥介質中含有約1.35×1024個氧分子。在同樣的干燥條件下，低氧干燥環境中明顯減少的氧分子數量降低了氧分子與物料中胡蘿卜素的接觸幾率，減緩胡蘿卜素的氧化反應進程，最終實現保護胡蘿卜中有效成分的目的。Ramesh等[11]通過比較胡蘿卜和紅辣椒的惰氣干燥及熱風干燥，同樣得出降低干燥介質中氧氣含量可有效阻止胡蘿卜素氧化、提高胡蘿卜素保持率的結論。

2.3 干燥參數對產品色差的影響

胡蘿卜氣調干燥中，干燥溫度和氧氣含量對產品色差ΔE的影響如圖7所示。色澤是表征干燥產品質量的重要指標之一，而干燥過程中色澤的變化通常是包括氧化反應、酶促褐變或美拉德反應等化學反應的結果[23]。由圖7可知，干燥溫度與氧氣含量的降低，均使產品具有更低的ΔE值，說明在低溫、低氧環境下干燥有利于保護產品色澤。在5%氧氣含量條件下，ΔE值的大小為1.61～3.62之間，和新鮮胡蘿卜的差別很小，且在5%及10%氧氣含量下的ΔE值要明顯低于15%及20.9%氧氣含量下的ΔE值，表明低氧氣調干燥可有效防止產品色澤劣變，這與相關文獻中惰氣干燥可抑制產品褐變、保護產品色澤的結論相同[2,5]。

圖7 氧氣含量及干燥溫度對色差△E的影響Fig.7 Effects of oxygen content and drying temperature on color difference

在氣調干燥制品中，胡蘿卜素含量和色差值具有相反的變化規律，即隨著干燥溫度及氧氣含量的降低，胡蘿卜素含量升高，色差ΔE值降低，胡蘿卜素含量和ΔE值的相關系數為－0.825 3，兩者具有較強的相關性。在本實驗研究范圍內（氧氣含量5%～20.9%，溫度40～60 ℃），通過二元二次多項式擬合，可得由干燥溫度T及氧氣含量φ表示的胡蘿卜素含量C及色差ΔE值的數學模型如下：

3 結 論

通過自制的氣調-熱泵干燥裝置，進行了胡蘿卜氣調干燥實驗研究。干燥溫度由40 ℃升至60 ℃，干燥時間約縮短40%；氧氣含量由20.9%降至5%，干燥介質傳熱系數約提高0.5%，傳質系數保持不變，干燥時間約縮短6%。

無論是在常規熱風干燥還是在低氧熱風干燥中，降低干燥溫度均可提高胡蘿卜素含量。干燥溫度由40 ℃升至60 ℃，胡蘿卜素含量約降低20%；氧氣含量由20.9%降至5%，胡蘿卜素含量約升高70%。低氧氣調干燥可有效減緩干燥過程中胡蘿卜素的氧化降解。

降低干燥溫度及氧氣含量可減小產品色差值。干燥溫度由40 ℃升至60 ℃，ΔE約增大45%；氧氣含量由20.9%降至5%，ΔE約減小85%。低溫低氧氣調干燥的產品色差值要明顯低于常規熱風干燥產品色差值，降低干燥溫度及干燥介質中的氧氣含量可有效保護產品色澤。

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Effect of Drying Temperature and Oxygen Content on Modified Atmosphere Drying Characteristics of Carrots

CHONG Cui-juan, LIU Yun-hong*, ZHU Wen-xue, LUO Lei
(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

To investigate the effects of drying temperature and oxygen content on modified atmosphere-drying characteristics of carrots, a modified atmosphere dryer was used in this study, in which N2was used as a drying medium to replace partial air. The results showed that increasing drying temperature could shorten the drying time significantly. As the oxygen content decreased from 20.9% to 5%, the mass transfer coefficient remained the same, yet the heat transfer coefficient increased by about 0.5%; as drying temperature and oxygen content decreased, the carotenoid content increased, and the oxidative degradation of carotenoid could be restrained when the oxygen content of drying medium was as low as 5%. With the drying temperatures ranging from 40 to 60℃, the color difference values at 5% and 10% oxygen contents were obviously lower than that at 15% and 20.9% oxygen contents, which indicates that modified atmosphere drying at low oxygen content could preserve product color effectively. Therefore, the modified atmosphere drying of carrots is beneficial to obtain high quality of dried products.

modified atmosphere drying; carrot; drying characteristics

TQ28.673

A

1002-6630（2014）23-0020-05

10.7506/spkx1002-6630-201423004

2014-01-06

國家自然科學基金面上項目（31171723）；國家自然科學基金河南人才培養聯合基金項目（U1404334）；河南省教育廳科技技術研究重點項目（12A210005；14B550005）

種翠娟（1986—），女，碩士研究生，研究方向為農產品加工。E-mail：905497479@qq.com

*通信作者：劉云宏（1975—），男，副教授，博士，研究方向為農產品干燥及貯藏。E-mail：beckybin@haust.edu.cn