天麻蒸制后紅外干燥特性及失水動力學研究

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(1.食品科學與工程學院,山東農業大學,山東泰安 271018;2.齊魯工業大學(山東省科學院),山東省分析測試中心,山東省中藥質量控制技術重點實驗室,山東濟南 250014)

天麻(GastrodiaelataBlume)為蘭科天麻屬多年生草本植物,其干燥塊莖是我國貴重中藥材,對于失眠、偏頭痛、高血壓、心腦血管疾病、糖尿病及神經病變等有較好的治療效果,同時還可用于保健食品[1-3]。鮮天麻的含水量高達80%左右,因而其采后干燥是產地加工的必要環節。天麻傳統干燥方法有曬干法[4]、熱風干燥法[5]等,這些干燥法存在效率低、產品品質差、有效成分損失嚴重等缺點,而冷凍干燥法[6]、微波干燥法[7]等現代干燥方法存在設備復雜投資大、耗能大等問題。紅外干燥作為一種現代干燥技術,干燥效率快、干燥產品外觀品質好,且設備簡單[8],已經在南瓜[9]、山藥[10]、黃芩[11]等物料干燥過程中得到很好的應用,是一種較理想的干燥方式,而在天麻干燥尚未見報道。

目前對天麻的干燥研究主要集中在不同干燥方式比較、工藝優化等方面[4-7],對天麻干燥失水過程的基礎理論研究相對較少,劉泊遠[12]、葛進[13]等分別報道了天麻熱風、變溫干燥特性,但未見系統的動力學方程研究。為了更好的保存天麻中的有效成分,天麻要蒸制后再進行干燥。蒸制作為天麻采后的特殊加工方法,能有效避免水浸煮法造成的天麻霉變、切片過程中的黏刀及天麻素流失等[3],蒸制加工的天麻樣品天麻素含量高于煮制法、直接加熱烘制法、冷凍干燥法和直接曬干法等方法[14],但蒸制會改變天麻的組織結構及成分,因而蒸制后天麻的干燥失水過程與新鮮天麻不同,其干燥特性目前尚不明確。因此,本實驗采用紅外干燥技術,研究了蒸制后天麻的干燥特性及失水規律,建立干燥動力學模型,以期較準確地預測蒸制后天麻干燥期間的水分變化規律,為天麻干燥加工提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

二級新鮮烏天麻 采自云南省邵通市彝良縣小草壩天麻種植基地,挑選大小均一(質量(40±1) g,直徑(2±0.2) cm,高度(8±0.5) cm)、無損傷的天麻。

BAS124S萬分之一天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;HF881-2型遠紅外鼓風干燥箱(加熱功率:2 kW,紅外功率:400 W,溫度波動:±1 ℃) 吳江華飛電熱設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 原料預處理 挑選大小均勻、無損傷的新鮮天麻,洗凈晾干表面水分,置蒸鍋中隔水蒸制12 min,至麻體通透光亮,斷面顏色均勻無白心。蒸制后天麻含水率按照GB/5009.3-2016《食品中水分測定方法》進行測定[15],得天麻初始含水率為78.16%。將蒸制后天麻切成半徑分別為0.8、1、1.2 cm,高度為4 cm,弧度為90 ℃的扇形塊狀。

1.2.2 紅外干燥試驗 將預處理后半徑1 cm的天麻塊(約10 g)放入不同溫度(40、60、80 ℃)的紅外鼓風干燥箱中,進行干燥試驗,前2 h每隔30 min測一次重量,之后每1 h測一次重量,直至兩次稱量的質量差小于0.01 g時,停止試驗,考察不同溫度對天麻干燥特性的影響。將預處理后半徑為0.8、1、1.2 cm的天麻塊放入60 ℃干燥溫度下進行試驗,考察切塊半徑對干燥特性的影響。每組試驗重復3次,取平均值。

1.3 干燥參數的計算

干基含水率(Wt)計算公式為[16]:

式(1)

式中:Wt為干基含水率,g·g-1;md為干物質的質量,g;mt為任意t時刻物料的質量,g。

水分比(MR)公式[17]:

式(2)

式中:Mt-樣品任意時刻的干基含水率,g·g-1,Me-樣品的平衡干基含水率,g·g-1;M0-樣品的初始干基含水率,g·g-1。

干燥速率公式[18]:

式(3)

式中:Ui為i時刻試驗樣品的干燥速率g·(g·min-1),Mi為i時刻試驗樣品干基含水率,g·g-1。

有效水分擴散系數(Deff)計算公式[19]:

式(4)

式中:Deff為物料的有效水分擴散系數,m2·s-1;L為物料厚度,m;t為干燥時間,min。

活化能通過阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)計算[20]:

式(5)

式中:D0指Arrhenius equation方程的指數前因子,m2/s;Ea指物料的干燥活化能,kJ·mol-1;T指絕對溫度,K;R指氣體摩爾常數,其值為8.314 J(mol·k)-1。

1.4 干燥模型的建立

物料干燥過程是一個非常復雜的熱量傳遞過程,涉及多種物理現象[21],Fick方程可用于描述干燥過程中物料水分比隨時間的變化規律[22],本研究選用6個常見的干燥動力學數學模型進行擬合[23-24],模型方程見表1。

表1 用于干燥曲線分析的數學模型Table 1 Mathematical models for drying curves

將試驗得到的數據進行擬合回歸分析,并用決定系數R2、卡方檢驗值χ2和均方根誤差RMSE來評價模型擬合的適用性,其表達式如下[25]:

式(6)

式(7)

其中,R2值越大、χ2和RMSE越小,說明模型的擬合性越好。

1.5 數據處理與模型分析

采用Microsoft Office Excel 2007、Origin 9.0軟件進行數據處理、模型擬合和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 天麻紅外干燥特性分析

2.1.1 干燥溫度對天麻干燥特性的影響 圖1為不同溫度下天麻的干燥曲線及干燥速率曲線,可見隨著干燥時間的增加,天麻水分含量逐漸下降,40、60、80 ℃下干燥時間分別為1800、1200和960 min。溫度越高,干燥速率越快,隨著干燥溫度的上升,天麻含水量降到同一水平需要的時間越短。在同一干燥溫度下,隨著干燥時間的增加,干基含水率下降趨勢逐漸減緩,干燥速率降低。

圖1 不同溫度下天麻干燥曲線及干燥速率曲線Fig.1 Drying curves(A)and drying rate curves(B)of Gastrodiaelata Blume at different infrared blast drying temperatures

在干燥初期,由于天麻蒸制后組織結構破壞,水分向外擴散,干基含水率下降明顯;后期由于內部水分向外擴散緩慢,干基含水率下降趨勢減緩。由干燥速率曲線可知,前期溫度對干燥速率影響明顯,后期不同溫度梯度下干燥速率變化不明顯,主要是由于在較高溫度下天麻表面硬化效果顯著,導致水分擴散速率減慢,干燥速率降低。天麻在整個干燥過程中主要為降速階段,偶爾有短暫的加速過程,沒有明顯的恒速階段,這說明在整個干燥過程中,內部水分擴散為其主導因素,這與大多數生物物料的干燥特性相似[26-28]。在試驗過程中發現,當干燥溫度為80 ℃時,天麻表皮處出現大面積的黑斑,外觀品質不佳,葛進等[13]的研究也顯示,80 ℃干燥時表皮皺縮,出現不規則黑斑,推測是高溫時天麻表面溫度迅速升高水分快速散失,同時表面收縮造成水分分布不均,局部溫度過高,進而導致發生焦糖化和美拉德反應,具體原因有待進一步研究確證。干燥溫度為40 ℃時,干燥時間較長,干燥效率低,因此,在天麻干燥過程采用50～60 ℃干燥溫度較好。

2.1.2 天麻塊半徑對天麻干燥特性的影響 圖2為不同半徑天麻的干燥曲線及干燥速率曲線,可見干燥時間相同的情況下,天麻塊半徑越小,水分散失速率越快,半徑為0.8、1、1.2 cm天麻塊干燥時間分別為1180、1200和1600 min,可見半徑為1.2 cm時,天麻塊水分散失速率明顯慢于0.8和1 cm時水分散失速率,是由于物料厚度越大,內部傳送阻力越大,水分散失速率越慢,因此,天麻切塊過厚則不利于最終干燥結果。

圖2 不同切塊半徑下天麻干燥曲線及干燥速率曲線Fig.2 Drying curves(A)and drying rate curves(B)of Gastrodia elata Blume

2.2 天麻薄層干燥動力學模型分析

2.2.1 天麻干燥動力學模型的擬合 計算天麻的水分比MR,用Origin 9.0軟件對表1中的6個模型進行擬合,模型中干燥時間t的單位為min。在不同的溫度下,6個模型的常數及擬合檢驗指標R2、χ2和RMSE見表2。由表2可知,所選的6個模型均能模擬天麻干燥過程水分變化,其中Page模型擬合最好,R2均值高達0.9991,χ2和RMSE值分別為7.633×10-5和0.0011。在對南瓜[9]紅外干燥及黃芩[11]紅外干燥中也發現Page模型擬合效果最好。

表2 不同干燥條件下天麻塊數據擬合結果Table 2 Statistical results of drying models for Gastrodia elata Blume under the different drying conditions

2.2.2 Page模型的求解 Page模型可以很好的描述天麻的紅外鼓風干燥過程,模型中的n和k是干燥溫度(℃)和半徑(r)的函數,利用Excel軟件,分別對n和k與溫度和半徑進行一元非線性回歸分析:

當天麻干燥半徑為1 cm時,

k=3×10-5T2-0.003T+0.106(R2=1)

式(8)

n=-0.003T2+0.049T-0.6322(R2=1)

式(9)

當天麻干燥溫度為60 ℃時,

k=0.0225r2-0.048r+0.0308(R2=1)

式(10)

n=-0.7975r2+1.598r+0.1216(R2=1)

式(11)

2.2.3 Page模型的驗證 在干燥溫度為40 ℃,天麻塊半徑為0.8 cm條件下,天麻干燥的驗證試驗值與Page模型的預測值如圖3所示。預測值與試驗值擬合較好(R2=0.9993),說明Page模型可以很好的描述天麻紅外干燥過程中水分變化規律。

圖3 Page模型的驗證Fig.3 Validation of Page model

2.3 有效水分擴散系數和活化能

天麻的干燥過程主要以降速階段為主,因此有效水分擴散系數可以用Fick第二定律來計算。由公式(4)可知,天麻干燥過程中水分比MR的自然對數lnMR與干燥時間t呈線性關系。通過線性回歸計算出天麻不同溫度下有效水分擴散系數Deff。由表3可知,當天麻半徑為1 cm,熱風溫度為40、60、80 ℃時,有效水分擴散系數為1.9251×10-8～4.0528×10-8m2/s;當干燥溫度為60 ℃,天麻塊半徑為0.8、1、1.2 cm時,有效水分擴散系數為2.0146×10-8～3.8359×10-8m2/s,在一定范圍內,天麻有效水分擴散系數隨著溫度的升高而升高,隨半徑的增加而減小,這與山藥紅外干燥有效水分擴散系數變化規律相同[10]。

表3 不同條件下天麻紅外干燥有效水分擴散系數Table 3 Effective moisture diffusivity of Gastrodia elata Blume under different drying conditions

將式(5)兩邊取對數可得,由該式可知lnDeff與1/Ta呈線性關系,斜率為-Ea/Ta,二者關系如下圖所示。天麻在不同溫度下直線回歸方程為y=-2061.2699x-11.1745(R2=0.9962),經過計算活化能為17.1374 kJ/mol。

圖5 有效水分擴散系數與干燥溫度的關系Fig.5 The relation curves of moisture effective diffusion coefficients and drying temperatures

3 結論

天麻蒸制后紅外干燥過程中,天麻塊半徑越小,溫度越高,干燥速率越快,干燥時間越短,50～60 ℃干燥效果較好。Page干燥模型對天麻的干燥失水過程擬合度最好,R2均值最高,λ2和RMSE均值最小,分別為0.9991、7.633×10-5和0.0011,且形式簡單,參數較少,所以Page模型可以較好的模擬天麻蒸制后紅外干燥過程中水分的變化。天麻有效水分擴散系數在1.9251×10-8～4.0528×10-8m2/s之間,通過阿倫尼烏斯公式計算出天麻紅外干燥活化能為17.1374 kJ/mol。該研究為天麻干燥加工提供了理論依據。