不同切片方式對黃秋葵熱風干燥特性的影響

張彩芳,張明玉

(漯河食品職業學院,河南漯河 462300)

黃秋葵(Abelmoschusesculentus(L.)Moench)為錦葵科秋葵屬一年生草本植物[1],由于其蛋白質、維生素C以及膳食纖維含量高,而飽和脂肪酸含量低,且具有一定的醫用保健功能,常被認為是一種理想的健康食品[2]。當前世界黃秋葵年產量已高達594萬噸[3],然而采摘后的新鮮黃秋葵含水率較高,不及時處理會發生一系列生理及形態上的變化,導致黃秋葵產品不被消費者接受[4],因此,脫水處理延長黃秋葵貨架期，是緩解黃秋葵產銷矛盾及保證后續深加工產品安全的重要環節。

熱風干燥是黃秋葵常用的一種對流干燥方式,具有設備投資少、干燥能耗低、干燥速率高、操作簡便等優點[5],眾多研究結果顯示,當熱風干燥溫度為60 ℃、干燥進口風速為1.5 m/s時，能夠得到品質較好的黃秋葵干制品[6-8]。食品物料在熱風干燥過程中，從干燥介質吸收熱量將水分蒸發,其內部水分需要先到達物料表面,繼而被帶走,達到脫水效果[5],但在黃秋葵實際干燥實驗時發現，熱風干燥黃秋葵過程中容易出現表面過熱甚至結殼現象,嚴重阻礙了干燥質熱傳遞的進行,導致黃秋葵在熱風干燥過程中表面熱積累嚴重,造成干燥產品發生一系列不良熱降解反應,降低產品品質[1]。切片是食品物料干燥常用的處理方式,通過對物料進切片處理,進而減少物料干燥過程中水分和熱傳遞路徑,提升干燥速率,避免干燥過程中熱量的過度累積[9-11],因而,尋求合適的切片方法進行熱風干燥以克服傳統黃秋葵熱風干燥缺點的研究工作，顯得尤為重要。目前尚未見關于不同切片方式對黃秋葵熱風干燥行為影響的報道。

本文采用不同的切片方式處理新鮮黃秋葵,并對其進行熱風干燥,對比研究了不同切片方式對黃秋葵干燥機理及感官評價的影響,以期得到適用于生產高品質黃秋葵干制品的較優切片方式。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

黃秋葵 品種:五福,采購于當地農貿市場;去離子水 洛陽昊華化學試劑有限公司。

GS-Ⅱ熱風干燥機 河南省鄭州市萬谷機械有限公司;102-2型電熱鼓風干燥箱 北京科偉永興儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 切片和干燥 采用105 ℃絕干法測得所購黃秋葵干基含水率為10.13 g/g。挑選長度(約130 mm)、直徑(整個果實最粗處直徑約為15 mm)相似的黃秋葵,用于干燥實驗。干燥前分別沿著果莖長度方向(豎切)和垂直果莖長度方向(橫切)對新鮮黃秋葵進行切片處理,參考Wankhade P K等[2]的方法,黃秋葵切片厚度和切片長度分別為5 mm及11 mm。切片結束后，用保鮮膜將其密封，并放入5 ℃冰箱保鮮待用[12]。分別將橫切、豎切以及完整果實黃秋葵物料均勻平鋪于熱風干燥機的多孔干燥盤內,每次實驗物料量為500 g,干燥過程中干燥溫度設置為60 ℃,干燥風速為1.5 m/s[6-8],干燥過程中每隔30 min將物料取出稱量,記錄數據后迅速放回繼續干燥,直至物料濕基含水率不變時,干燥結束。每組實驗重復3次。

1.2.2 物料含水率測定 物料含水率測定采用GB/T 5009.3-2010中直接測定法[13]。

1.2.3 物料干燥過程中干基含水率測定 黃秋葵熱風干燥過程中干基含水率測定采用式(1)計算[14]:

式(1)

式中:Mt為黃秋葵物料在干燥任意t時刻的干基含水率,g/g;mt,md分別為干燥任意t時刻物料和絕干物料的質量,g。

1.2.4 干燥速率的計算 物料在干燥過程中的干燥速率采用式(2)計算[14]:

式(2)

式中:Mt,Mt+dt分別為干燥任意t時刻和t+dt時刻物料干基含水率,g/g。

1.2.5 物料干燥過程中有效水分擴散系數計算 干燥過程中水分比采用式(3)計算[1]:

式(3)

式中:M0,Me,Mt分別為初始干基含水率、干燥到平衡時的干基含水率、在任意干燥t時刻干基含水率,g/g。Me相對于M0和Mt來說很小可近似為0。因此式(3)可以改寫為[1]:

式(4)

實驗物料主體為一擴散介質,且物料厚度遠小于其相對直徑,因此可以將實驗黃秋葵(切片或者這個果實)假設為以長圓柱體,其水分為一維軸向擴散,因此根據Fick第二擴散定律的解析解,物料干燥過程中的水分比可以表達為式(5)[1]:

式(5)

式中:Deff為有效水分擴散系數,m2/s;L為物料厚度的一半,m;t為時間,s;M0為初始干基含水率,g/g;Mt為在任意干燥 t 時刻的干基含水率,g/g;g;n為組數,本試驗干燥時間足夠長,因此,可將其視為0,因此,實驗中物料水分比又可以簡化為式(6)[1]:

式(6)

對式(6)兩邊同時取自然對數,轉化得到有效水分擴散系數的計算公式(7)[5]:

式(7)

由式(7)可發現,以lnMR為縱坐標,以t為橫坐標作圖,得到直線的斜率,即可計算出物料干燥過程中的有效水分擴散系數。

1.2.6 物料水分比曲線Weibull分布函數擬合 黃秋葵熱風干燥過程中的水分比變化動力學模型采用Weibull分布函數表示[1]:

式(8)

式中:MR為水分比;α為尺度參數/h;β為形狀參數;t為干燥時間,h。

Weibull分布函數的擬合精度驗證采用決定系數R2和離差平方和(χ2)來表示。R2值越大,χ2值越小表示擬合越好[1]:

式(9)

式(10)

式中:N為實驗點數;MRi為實測水分比;MRpi為預測水分比。

在Weibull分布函數中α為尺度參數,表示干燥過程中的速率常數,約等于干燥過程中物料脫去63%水分所需要的時間;β為形狀參數,其值與干燥過程的干燥速率有關,當β>1時,干燥速率會先升高后降低;當0.3<β<1時為降速干燥,干燥過程由內部水分擴散控制[1]。

1.2.7 干燥能耗測定 干燥消耗總能量通過電表測定,則黃秋葵干燥能耗以去除1 kg水分所消耗的能量(kJ/kg)表示[14]。

1.2.8 產品基于模糊數學推理法的感官評定 感官評定參考段續等[14]的方法,10名評價員以非常喜歡、喜歡、中立意見、不喜歡、非常不喜歡為評價語,以干制品顏色、外觀、質地、風味、整體接受程度為評價指標,對不同干燥條件下得到的黃秋葵干制品進行感官評價。試驗中模糊數學推理采取Zhang等[11]的方法進行,與各評價指標對應的權重集X={顏色,外觀,質地,風味,整體接受程度}={0.27,0.25,0.15,0.13,0.20}。

1.3 數據處理

采用Origin pro 8.5對試驗數據進行線性/非線性擬合,并分析其擬合度;使用DPS 7.05對試驗數據進行方差分析,試驗中顯著水平定為p<0.05。每組試驗重復3次,取其平均值進行各指標統計分析[5]。

2 結果與分析

2.1 不同切片方法對黃秋葵干燥特性的影響

由圖1可知,當黃秋葵不做切片處理進行熱風干燥時，其干燥耗時為12 h,經過切片處理后,干燥耗時最大縮短至7 h,干燥耗時縮減率為41.67%,這說明切片處理能夠提升黃秋葵熱風干燥速率,縮短干燥耗時,這是因為切片處理減小了物料干燥厚度,同時增加了物料與干燥介質的接觸表面積,從而強化物料干燥過程中的傳熱傳質。橫切和豎切黃秋葵熱風干燥耗時分別為7、10 h,黃秋葵橫切處理的干燥耗時比黃秋葵豎切處理的干燥耗時縮短了42.86%,意味著橫切處理比豎切處理更利于黃秋葵干燥過程中的水分擴散,這可能是因為黃秋葵水分擴散孔道多縱向排列,黃秋葵橫切處理縮短了物料內部水分向表面擴散的路徑,增強了黃秋葵干燥傳質過程的進行,增加干燥速率。PENDRE等[6]在研究不同干燥溫度和切片面積對黃秋葵干制品品質的影響中，得到了與本文關于黃秋葵水分擴散通道排列方式相似的推論。

由圖1可以看出,不同切片方式下黃秋葵熱風干燥含水率隨時間變化曲線均呈現出兩個不同的階段:開始水分快速下降階段(約除去整個含水率的60%)以及后續的含水率緩慢下降階段。對比圖1不同切片處理下黃秋葵熱風干燥含水率下降曲線能夠發現,切片處理對物料干燥的中期階段影響最為明顯(橫切:1～2.5 h;豎切:1.5～4 h),這是因為在干燥初始階段,物料處于預熱狀態,水分主要是由物料內部擴散至物料表面,由于干燥時間短,此時溫度在物料內部遞減衰弱傳遞,該階段受環境影響較小;干燥繼續進行至中期階段,物料溫度累積至一定程度,物料質熱傳遞主要受水分遷移和熱量交換路徑影響,切片處理縮小了物料質熱傳遞路徑,因此切片處理對干燥中期作用最為明顯;干燥后期物料含水率下降至較低水平,干燥速率也隨之下降[15]。

圖1 不同切片方式下黃秋葵熱風干燥曲線Fig.1 The profiles of okras moisture content under different cutting methods

不同切片方式下黃秋葵熱風干燥的干燥速率如圖2所示。由圖2可看出,從干燥開始至干燥到3.5 h之間,切片處理過的黃秋葵干燥速率高于全果實干燥速率,干燥3.5 h后，全果實干燥速率高于切片處理后的黃秋葵干燥速率。這是因為干燥3.5 h前，切片處理過的黃秋葵和全果實黃秋葵均含有豐富的水分,此時干燥速率受含水率下降的影響較小,切片處理能夠強化物料干燥傳熱傳質的進行,切片處理黃秋葵干燥速率較全果實干燥速率高;干燥3.5 h后,切片處理的黃秋葵含水量已降至較低水平,而全果實黃秋葵含水率仍保持較高水平,造成全果實干燥速率較切片處理黃秋葵干燥速率高。從圖2中還能夠發現,全果實干燥速率曲線呈扁平狀態,整個干燥速率變化幅度較小,因為在干燥過程中全果實黃秋葵表面熱量積累,導致表面結殼阻礙水分擴散及熱量的傳遞,從而造成整個干燥速率不高。

圖2 不同切片方式下黃秋葵熱風干燥速率曲線Fig.2 The drying rate of okras under different cutting methods

2.2 不同切片方法對有效水分擴散系數的影響

圖3給出了ln MR和時間之間的線性擬合關系圖。黃秋葵橫切、豎切和全果實ln MR和時間之間的線性擬合決定系數R2分別為0.964、0.900和0.910,均表現出了較好的擬合。通過圖3結合式(7)，得到不同切片方式下，黃秋葵熱風干燥過程中有效水分擴散系數,其結果如圖4所示。不同切片方式下黃秋葵熱風干燥有效水分擴散系數在2.66×10-10～6.97×10-10m2/s之間,符合食品物料干燥有效水分擴散系數10-12～10-8m2/s數量級范圍[16]。相對于全果實黃秋葵,經橫切和豎切處理的黃秋葵干燥有效水分擴散系數分別增加了162.03%和35.34%。另一方面,橫切處理的黃秋葵有效水分擴散系數比豎切處理的黃秋葵有效水分擴散系數增加了93.61%。以上結果說明，橫切處理可以應用到黃秋葵熱風干燥過程中以提升其干燥速率,降低干燥耗時。

圖3 不同切片方式下黃秋葵熱風干燥過程中ln MR隨時間變化關系Fig.3 Plot of ln MR versus drying time(s)for different okras

圖4 不同切片方式對黃秋葵有效水分擴散系數的影響Fig.4 Effect of different cutting methods on Deff value

2.3 干燥過程的Weibull分布函數擬合

表1和圖5顯示了黃秋葵熱風干燥過程中水分比隨時間變化曲線的Weibull分布函數擬合情況。由表1可知,采用Weibull分布函數對實驗數據進行擬合,其決定系數R2均在0.99以上,χ2均在10-4水平,表現出較好擬合,Weibull分布函數能夠準確描述黃秋葵熱風干燥過程中的水分比變化情況。不同切片方式下，黃秋葵熱風干燥的尺度函數α在0.994～5.162之間,且切片處理的黃秋葵尺度函數比未經處理的黃秋葵尺度函數低,橫切處理的黃秋葵尺度函數比豎切處理的黃秋葵尺度函數低。Weibull分布函數這一結果，從理論角度上驗證了切片處理能夠強化黃秋葵熱風干燥傳熱傳質的進行,且橫切處理的強化作用較豎切處理的強化作用更加明顯這一結論,黃秋葵Weibull分布函數尺度參數變化情況同LIU等[12]的研究結果。Weibull分布函數形狀參數β可以用來表征物料干燥過程中水分遷移的機制,表1能夠看出，不同切片處理下黃秋葵熱風干燥的形狀參數均小于1,說明黃秋葵熱風干燥是減速干燥過程,整個干燥主要受內部水分擴散控制,這一結論同圖2得到的結論一致,說明Weibull分布函數能夠作為黃秋葵熱風干燥動力學模型,進而表征黃秋葵熱風干燥機理。

表1 Weibull分布函數擬合參數、精度指標Table 1 Fitting parameters,fitting precision indexes of Weibull distribution function

圖5 不同切片方式下黃秋葵水分比Weibull分布函數擬合曲線Fig.5 Profiles of okras MR under different cutting methods注：(a),(b),(c)分別代表橫切、豎切和全果實。

不同切片方式下，黃秋葵熱風干燥能耗如圖6所示。切片處理下黃秋葵熱風干燥能耗最小值比最大值降低了64.13%。該結果說明黃秋葵切片處理能夠降低其熱風干燥能耗。

圖6 不同切片方式對黃秋葵干燥能耗的影響Fig.6 Effect of different cutting methods on drying energy consumption

這是因為,切片處理降低了黃秋葵熱風干燥質熱傳遞路徑,加大了干燥過程中黃秋葵與干燥介質的接觸比表面積,從而強化干燥過程中的質熱傳遞行為,降低干燥耗時,縮短干燥設備運行時間,提升干燥效率,減少干燥能耗。黃秋葵橫切處理比其豎切處理干燥能耗降低了49.56%,表明橫切處理比豎切處理對干燥能耗的降低效果更好。這可能是因為黃秋葵水分遷移微孔結構為豎向排列[6],橫切處理比豎切處理進一步降低黃秋葵干燥水分遷移路徑,提升干燥速率,降低干燥能耗。

2.4 不同切片方法對黃秋葵干制品感官評分的影響

感官評價是干燥產品質量保證體系中重要的組成部分,采用模糊數學法對不同切片方式下黃秋葵熱風干燥干制品進行感官評價以表征其品質特征。各評價員對不同切片方式下黃秋葵熱風干燥得到的黃秋葵干制品評價結果如表2所示。各切片方式下得到的黃秋葵感官評價模糊矩陣RN為(RN中的數字為表2中各評語統計人數同總人數的比值,下式中a,b,c分別代表橫切、豎切和全果實)。

表2 不同切片方式下黃秋葵干制品感官評價統計Table 2 Panel responses for preference of each sample

最終模糊矩陣輸出結果YN為(下式中a,b,c分別代表橫切、豎切和全果實):

對以上矩陣進行計算,于是得到:

3 結論

通過對黃秋葵不同切片方式下的熱風干燥進行對比，發現切片處理能夠提升黃秋葵熱風干燥速率,且橫切處理對黃秋葵熱風干燥速率提升效果更大;不同切片方式下黃秋葵熱風干燥有效水分擴散系數在2.66×10-10～6.97×10-10m2/s之間,相對于全果實干燥,橫切處理黃秋葵對其熱風干燥有效水分擴散系數的提升更大;Weibull分布函數能夠準確的擬合黃秋葵熱風干燥過程中水分比隨干燥耗時的變化曲線,不同切片處理下，黃秋葵熱風干燥的形狀參數均小于1,黃秋葵熱風干燥是減速干燥過程,整個干燥主要受內部水分擴散控制;黃秋葵橫切處理能夠提升其干制品品質,從而被更多消費者接受。