切片厚度和斜度對(duì)懷山藥干燥特性的影響

康曉鷗，張淼，方倩，黃文林，張楷，程豪杰，張樂道

切片厚度和斜度對(duì)懷山藥干燥特性的影響

康曉鷗，張淼，方倩，黃文林，張楷，程豪杰，*張樂道

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南洛陽471023）

為了制得優(yōu)良的懷山藥干制品，通過改變切片厚度及角度研究懷山藥組織結(jié)構(gòu)中軸向微管在干燥過程中暴露的程度和角度對(duì)其干燥特性的影響。以有效水分?jǐn)U散系數(shù)為指標(biāo)，在70℃下對(duì)懷山藥進(jìn)行鼓風(fēng)干燥，通過單因素試驗(yàn)得到最佳切片厚度為5mm；在此基礎(chǔ)上，研究切片角度對(duì)懷山藥干燥特性影響，以復(fù)水比為指標(biāo)，研究結(jié)果表明，在切片厚度5mm，切片角度45°時(shí)懷山藥切片的干燥特性最佳。

懷山藥；干燥；切片厚度；切片角度

懷山藥為薯蕷科多年生纏繞草質(zhì)藤本植物，藥用部位為根莖，是著名的“四大懷藥”之一，以產(chǎn)自河南省焦作市沿沁河一帶為佳。懷山藥素有“懷參”之稱，山藥多糖具有免疫調(diào)節(jié)、抗氧化、延緩衰老、降血糖、降血脂、抗腫瘤、抗突變、調(diào)節(jié)脾胃等功效[1]，其性甘味平，具有很高的藥用價(jià)值，在東方國家常被作為保健食品。然而，懷山藥的季節(jié)性強(qiáng)，由于其黏液多糖、淀粉、水分含量高，在貯藏過程中容易發(fā)霉褐變，喪失食用和藥用價(jià)值。因此，為了便于流通和貯藏，高品質(zhì)懷山藥干制品的市場潛力巨大。而目前市場上流通的干制懷山藥多是圓片狀，對(duì)于切片角度對(duì)其干燥加工特性的研究國內(nèi)外報(bào)道較少[2]。

懷山藥組織結(jié)構(gòu)中有大量的軸向微管，這些微管間質(zhì)構(gòu)成了懷山藥的形態(tài)特征[3]。將懷山藥切分后暴露出這些微管，在干燥過程中，微管暴露的多與少、暴露的角度與切片角度有關(guān)，影響組織截面上水分梯度和溫度梯度，從而導(dǎo)致皺縮應(yīng)力和組織結(jié)構(gòu)完整性的變化，最終影響水分遷移[4]。

目前，市場上流通的懷山藥干制品及懷山藥干制品的相關(guān)論文和研究中多數(shù)采用橫向切片的方式[5]，且均為研究切片厚度對(duì)干燥速率的影響，尚未見到有關(guān)切片角度的相關(guān)報(bào)道。以懷山藥為研究對(duì)象，采用熱風(fēng)干燥的方法去除水分，詳細(xì)考查不同切片厚度和切片角度時(shí)的懷山藥干燥特性，旨在找到不同切片方式影響下的水分遷移規(guī)律，并為提高懷山藥熱風(fēng)干燥干制品的品質(zhì)奠定試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新鮮懷山藥：2016年5月購于河南焦作當(dāng)?shù)厥袌觯x擇個(gè)體完整、粗細(xì)均勻、表皮無霉、無病蟲害、無機(jī)械損傷，肉質(zhì)潔白、光皮長柱形的懷山藥。

護(hù)色液：由檸檬酸、蒸餾水和VC配制而成，其中VC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。

1.2 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司產(chǎn)品；電子天平，上海京孚儀器有限公司產(chǎn)品；溫度探頭傳感器，石家莊市萬利鑫工貿(mào)有限公司產(chǎn)品；游標(biāo)卡尺，北京伊斯來福機(jī)電設(shè)備有限公司產(chǎn)品；螺旋測(cè)微器，寧波大虹科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 初始濕基含水率的測(cè)定

將一部分切片處理好的懷山藥切片稱量，其鮮質(zhì)量為M0，置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)（105℃）至恒質(zhì)量，按規(guī)定（前后2次的質(zhì)量差不超過0.03 g）稱取其干質(zhì)量M1，則其初始濕基含水率為：

經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，測(cè)得初始濕基含水率為69.02%。

1.3.2 干燥終點(diǎn)的確定

根據(jù)國家醫(yī)藥管理局（82）藥儲(chǔ)字第17號(hào)文件規(guī)定，懷山藥的儲(chǔ)存安全水分范圍為12%~17%，所以在試驗(yàn)中以含水率低于17%為干燥終點(diǎn)。

1.3.3 切片厚度對(duì)懷山藥干燥特性影響

將懷山藥清洗并去皮，確定切片厚度為3，5，7mm的片狀，切片角度（試驗(yàn)中所有切片角度均為與水平方向的夾角）為0°，于上述護(hù)色液中浸泡45min，瀝干表面水分備用，分別放入溫度為70℃的鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥，每20 min取出并測(cè)量懷山藥切片質(zhì)量，達(dá)到干燥終點(diǎn)后取出，停止干燥，密封裝袋。

1.3.4 切片角度對(duì)懷山藥干燥特性影響

將懷山藥清洗并去皮，確定切片厚度為5 mm，切片角度為30°，45°，60°的片狀，于上述護(hù)色液中浸泡45 min，瀝干表面水分備用，分別放入溫度為70℃的鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行干燥，每20 min取出并測(cè)量懷山藥切片質(zhì)量，達(dá)到干燥終點(diǎn)后取出，停止干燥，密封裝袋。

1.3.5 復(fù)水性的測(cè)定

為了了解懷山藥的干燥品質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行復(fù)水性測(cè)試。將稱取的懷山藥干制品精確稱量，分別快速放在盛有60℃，100 mL蒸餾水的三角錐形瓶中，然后放置在60℃恒溫水浴鍋中。2 h后快速取出，在室溫條件下瀝干表面水分，稱其質(zhì)量。

1.4 計(jì)算懷山藥干燥特性以及復(fù)水比的確定

1.4.1 懷山藥干基含水率的計(jì)算

懷山藥干基含水率的測(cè)定參照GB/T 3543.6—1995，計(jì)算公式為：

式中：m——干燥過程中不同時(shí)間下的物料質(zhì)量，g；

md——絕干物質(zhì)的質(zhì)量，g。

1.4.2 懷山藥干燥速率的計(jì)算干燥速率是指干燥過程中單位時(shí)間減小的干基

含水率，其計(jì)算公式為：

式中：Mt，Mt+Δt——分別為時(shí)刻t，t+Δt對(duì)應(yīng)的物料干基含水率；

Δt——時(shí)間間隔，h。

1.4.3 懷山藥有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計(jì)算

由于試驗(yàn)中所用懷山藥切片的厚度遠(yuǎn)小于其直徑，因此可假設(shè)懷山藥切片為大的平板，其水分?jǐn)U散特性為一維軸向擴(kuò)散。另外，物料的平衡含水率很小，在水分比（MR）計(jì)算中可近似為0。因此，根據(jù)Fick第二擴(kuò)散定律的解析，MR可采用如下公式計(jì)算[6]：

式中：Deff——有效水分?jǐn)U散系數(shù)，m2/s；

L——物料厚度的1/2，m；

t——時(shí)間，s；

Me，M0，Mt——分別為平衡含水率、初始含水率及t時(shí)刻的含水率。

將上式左右兩端分別求對(duì)數(shù)，可得：

以上式為基礎(chǔ)，將ln MR與t在直角坐標(biāo)系上作圖，獲得斜率F后利用下式計(jì)算有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff：

1.4.4 懷山藥干制品復(fù)水比的確定

復(fù)水比的計(jì)算公式為：

式中：W2——干制品復(fù)水后瀝干水分的質(zhì)量，g；

W1——脫水懷山藥干制品質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 切片厚度對(duì)懷山藥干燥特性的影響

不同切片厚度下的干燥曲線見圖1，不同切片厚度下的干燥速率曲線見圖2，不同切片厚度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)見圖3。

圖1 不同切片厚度下的干燥曲線

圖2 不同切片厚度下的干燥速率曲線

圖3 不同切片厚度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

從圖1~圖3可以看出，在干燥過程中，隨著物料厚度的增加，干燥速率減慢。但是，并非切片厚度越薄其干燥品質(zhì)越好，切片厚度為3mm時(shí)，使得懷山藥干硬、翹曲變形，產(chǎn)品品質(zhì)下降；而當(dāng)切片厚度為7mm時(shí)，干燥過程中會(huì)出現(xiàn)懷山藥片崩裂的現(xiàn)象，而且切片厚度對(duì)懷山藥切片的干燥特性影響不大。因此在研究切片角度的單因素試驗(yàn)中，選擇較佳的5mm切片厚度。因?yàn)槟芰烤哂写┩感裕梢灾苯油溉胛锪蟽?nèi)部，對(duì)內(nèi)外均衡加熱，從而大大縮短了干燥時(shí)間，但是存在穿透深度的問題，相對(duì)于被干燥物料的尺寸量級(jí)，在溫度分布方面產(chǎn)生不能接受的不均勻性。切片厚度較大時(shí)，過快的加熱速度會(huì)在物料內(nèi)部形成較大的溫度梯度，因熱應(yīng)力過大而引起物料開裂；切片厚度較小時(shí)，物料表面的水蒸氣迅速帶走，表面也會(huì)因收縮過快而導(dǎo)致物料焦化、表層組織硬化和結(jié)殼。

2.2 懷山藥的切片角度對(duì)干燥特性的影響

不同切片角度下的干燥曲線見圖4，不同切片角度下的干燥速率曲線見圖5。

圖4 不同切片角度下的干燥曲線

圖5 不同切片角度下的干燥速率曲線

由圖4可以看出，由于懷山藥的切片厚度都相同，其干基含水率隨干燥時(shí)間的變化趨勢(shì)大體一致，干燥過程中的干燥速率受切片角度的影響較小。根據(jù)圖5的干燥速率曲線可知，在干燥的作用下，干燥速率隨著切片角度的增加而上升，但是在干燥過程的前半階段干燥速率的差異較小，而在干燥的后半階段干燥速率的差異明顯增大，且切片角度45°的懷山藥切片在干燥過程的后半段表現(xiàn)較好。

不同切片角度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)見圖6。

圖6 不同切片角度下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)

由圖6可以看出，切片厚度5mm下的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為6.781 5×107m2/s。在切片厚度為5 mm的基礎(chǔ)下，切片角度為60°，45°及30°，其有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為7.596×107m2/s，8.774×107m2/s，7.718× 107m2/s。在干燥過程中能量通過干燥介質(zhì)傳播到達(dá)物料后，穿入到物料內(nèi)部，通過斜切擴(kuò)大水分?jǐn)U散通道、降低水分吸附力、提高水分子能量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部擴(kuò)散阻力的下降及水分?jǐn)U散動(dòng)量的增加[7-9]，最終提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)。以上結(jié)果表明，懷山藥的切片角度能影響物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，且切片角度為45°的懷山藥切片有利于物料內(nèi)部水分遷徙，對(duì)應(yīng)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)最高。

不同切片角度下懷山藥復(fù)水性的比較見表1。

表1 不同切片角度下懷山藥復(fù)水性的比較

由表1不同切片角度下懷山藥復(fù)水性的比較可知，當(dāng)切片角度為30°時(shí)，平均復(fù)水比相對(duì)較高，主要原因是當(dāng)切片角度為30°時(shí)，比表面積最大，復(fù)水時(shí)與水的接觸面積最大。但是由上述數(shù)據(jù)可知，3種切片角度下的復(fù)水比相差不大，綜合上述干燥特性分析結(jié)果，45°為篩選到的干燥特性最佳切片角度。

3 總結(jié)

在70℃溫度的鼓風(fēng)干燥條件下，對(duì)不同的懷山藥切片厚度和切片角度分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，在切片厚度為5 mm的基礎(chǔ)上，當(dāng)切片角度為60°，45°和30°，其有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為7.596×107m2/s，8.774×107m2/s，7.718× 107m2/s；當(dāng)切片角度為45°時(shí)有效水分?jǐn)U散系數(shù)最大，呈現(xiàn)出最佳的懷山藥干燥特性。

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Effect of the Slice Thickness and Slice Angle on the Drying Characteristics of Dioscorea opposite Thunb.

KANG Xiaoou，ZHANGMiao，F(xiàn)ANG Qian，HUANGWenlin，ZHANG Kai，CHENG Haojie，*ZHANG Ledao
（College of Food and Bioengineering，He'nan University of Science and Technology，Luoyang，He'nan 471023，China）

In order to produce high-quality dry products of Dioscorea opposita Thunb.，by the way of changing the thickness and angle of slice，considering about the influence of its drying characteristics on the extent and angle of disclosure ofmicro structure of one way direction of Dioscorea opposita Thunb.histological structur during the process of drying.And indexed by effectivemoisture diffusivity，the Dioscorea opposita Thunb.is dried at70℃by forced air drying，while the excellent thickness of slice is 5 mm which is choosen by the ingle factor experiment.And on this basis，the drying characteristics of Dioscorea opposita Thunb.impactof angles of slices is studied，the slice have the best chips drying characteristicswhen slice thickness is 5mm and with oblique angle of 45°，which is obtained by single factor experiment that takes rehydration ratio as index.

Dioscorea opposita Thunb.；drying；slice thickness；slice angle

TS255.36

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.06.030

1671-9646（2017）06b-0005-04

2017-05-07

本科生科研訓(xùn)練計(jì)劃（SRTP，2016SRTPSP031）。

康曉鷗（1996—），女，在讀本科，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工干燥技術(shù)。

*通訊作者：張樂道（1984—），女，博士，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工干燥技術(shù)。