真空—蒸汽脈動燙漂預處理對百合干燥特性的影響

巨浩羽 - 楊勁松 - 趙海燕 -王 輝 高振江 - 肖紅偉 -

(1. 河北經貿大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050061；2. 中國農業大學工學院，北京 100086；3. 河北經貿大學工商管理學院，河北 石家莊 050061)

百合(Liliumbrowniivar.viridulumBaker)為百合科百合屬植物的干燥肉質鱗葉，為藥食兩用植物。百合中含有豐富的氨基酸、生物堿、磷脂、皂苷和多糖等營養物質，具有抗腫瘤、降血糖、抗疲勞和調節免疫系統、治療痢疾、瘡癤、耳鳴耳聾、頭暈目眩等功能，有很高的食用和藥用價值[1-2]。新鮮百合含水率高達71%，不宜長期貯藏，除少部分鮮食外，大部分則須在短期內通過干燥的方法加工成百合干，作為制藥或食品的重要原料，因此干燥是百合加工的重要環節之一[3]。

新鮮百合加工前一般需進行燙漂處理來防止酶促褐變。目前，熱水燙漂和蒸汽燙漂是百合燙漂加工的兩種重要方式[4-6]。熱水燙漂會使百合中的部分營養物質由于滲出和擴散而流失到水中，導致糖分、蛋白質、碳水化合物和礦物質等營養物質嚴重損失[7-8]；蒸汽燙漂存在漂燙不均勻、裝載量小等問題。真空—蒸汽脈動燙漂技術是一種新型的燙漂滅酶技術。真空—蒸汽脈動漂燙在真空階段排出了燙漂室內的冷空氣，減小了傳熱熱阻，因此可提高單次燙漂物料的加工量及均勻性，減少水溶性營養成分的流失[9]。真空—蒸汽脈動技術廣泛應用于醫療器械的滅菌，具有滅菌徹底、滅菌周期短、質量穩定、操作簡便等優點，而應用于農產品燙漂預處理加工的較少[10]。

試驗擬將真空—蒸汽脈動燙漂技術應用于百合的燙漂預處理中，探究不同真空度、蒸汽燙漂時間和燙漂循環次數對百合燙漂效果的影響，研究燙漂后百合的干燥特性、水分有效擴散系數、色澤、復水性。為優化百合燙漂預處理工藝，提高百合干燥效率和干燥品質提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

百合：新鮮濕基含水率為(71±1)%，試驗前將其儲藏于(5±1) ℃的冰箱中，北京園霖昌順農業種植合作社。

1.1.2 儀器與設備

電子天平：YP型，上海精密科學儀器有限公司；

熱風干燥機：DHG-9140A 型，上海一恒科技有限公司；

色差計：SMY-2000SF 型，北京盛名揚科技開發有限公司；

真空—蒸汽脈動燙漂機(如圖1所示)：中國農業大學工學院農產品加工技術與裝備實驗室自制。主要由真空系統(水環式真空泵、真空管路、真空電磁閥等)、蒸汽發生系統(蒸汽發生器、蒸汽運輸管路、蒸汽電磁閥等)、燙漂罐體和控制系統組成。其工作原理為：開啟真空泵和真空電磁閥，抽出燙漂罐體內的冷空氣，當罐體內壓力達到一定真空度后，保持一段時間；開啟蒸汽電磁閥，使具有一定壓力的蒸汽通入到燙漂罐體內，當罐體壓力達到一定值時，保持蒸汽燙漂一段時間；再次開啟真空電磁閥抽出燙漂罐體內的氣體，并不斷循環一定次數，從而實現真空—蒸汽脈動燙漂過程。

1.2 方法

1.2.1 預處理 選取同一品種、色澤亮白、新鮮、無腐爛和病蟲害、大小一致的百合；將百合須根、側根削去并從外向內剝下鱗片；清洗百合鱗片表面的泥沙、殘渣等雜質。

1. 防護外罩 2. 蒸汽發生器 3. 手動球閥1 4. 螺紋連接管接頭 5. 蒸汽電磁閥 6. 流量計 7. 壓力傳感器 8. 彎頭 9. 溫度傳感器 10. 燙漂罐體 11. 手動球閥2 12. 機架 13. 螺栓 14. 真空電磁閥 15. 真空泵 16. 萬向輪

圖1 真空—蒸汽脈動燙漂機

Figure 1 Vacuum steam pulsed blanching equipment

1.2.2 燙漂試驗 每次取約250 g百合鱗片置于真空—蒸汽脈動燙漂機，設定真空度、蒸汽時間和循環次數進行真空—蒸汽脈動燙漂試驗，分別研究蒸汽燙漂時間、燙漂循環次數和真空度對百合干燥特性的影響，試驗參數設置見表1。

表1試驗參數設置表

Table 1Design for experiments with run conditions included

試驗號蒸汽燙漂時間/s燙漂循環次數真空度/kPa120390230390340390450390540290640490740590830385930380

1.2.3 干燥試驗 燙漂后的百合片均在60 ℃、風速3.0 m/s的熱風干燥機中干燥，每隔0.5 h測定樣品的質量變化，直至濕基含水率達到13%。干燥結束后，放入保鮮袋，置于干燥皿中貯存。

1.3 指標測定

1.3.1 水分比 分別按式(1)、(2)計算不同干燥時間百合鱗片的水分比[11-13]和干基含水率。

(1)

(2)

式中：

MR——水分比；

Mt——在任意干燥t時刻的干基含水率，g/g；

M0——初始干基含水率，g/g；

Wt——任意干燥t時刻百合鱗片的總質量，g；

G——干物質質量，g。

1.3.2 水分有效擴散系數 可由簡化的費克第二定律表示[14]。

(3)

式中：

Deff——水分有效擴散系數，m2/s；

L——百合鱗片的厚度，m；

t——干燥時間，s。

1.3.3 色澤 采用色差計測定，按式(4)計算色差值[15]。

ΔE=

(4)

式中：

ΔE——色差值；

L*、a*、b*——干燥后百合的色澤值；

L0*、a0*、b0*——干燥前新鮮百合的色澤值。

1.3.4 復水性 將一定質量的樣品放入40 ℃恒溫蒸餾水中，30 min后取出瀝20 min，并用吸水紙拭干表面水分，稱重，按式(5)計算復水比[16-17]。

(5)

式中：

RR——復水比，g/g；

m2——復水后質量，g；

m1——復水前質量，g。

1.3.5 綜合評價方法 為使數據具有統一性，需對評價指標進行歸一化。分別按式(6)、(7)計算正向指標(復水比RR，明亮度L*)和負向指標(干燥時間t，色差ΔE)歸一值[16]。

(6)

(7)

式中：

yi——歸一值；

xi——指標實際值；

xmax、xmin——指標最大值和最小值。

按式(8)進行加權得到燙漂條件的綜合評分Y。

Y=y1l1+y2l2+y3l3+y4l4，

(8)

式中：

y1、y2、y3、y4——明亮度、復水比、色差值、干燥時間的歸一值；

l1、l2、l3、l4——各指標對應的權重，在保證干燥品質明亮度，復水比良好的條件下，使得色差值和干燥時間減小，采用層次分析方法[16]，得出明亮度L*，復水比RR、色差值ΔE和干燥時間t的權重分別為0.30、0.20、0.25、0.25。

1.4 數據處理

采用Excel繪制干燥曲線及求解水分有效擴散系數；SPSS 18.0分析干燥后產品色澤、復水及綜合評分之間顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 蒸汽燙漂時間對百合干燥特性的影響

由圖2可知，蒸汽燙漂時間為20，30，40，50 s時，燙漂后百合熱風干燥所用時間分別為12.3，11.7，12.0，13.3 h，干燥時間隨蒸汽燙漂時間的增加先減小后增大，可能是過長時間的蒸汽燙漂會使百合內部糖分和可溶性物質向外擴散至物料表面，干燥時這些糖分和可溶性物質滯留在百合表面，堵塞水分遷移孔道，阻礙水分向外擴散，使干燥時間變長[18]。蒸汽燙漂時間過短尚不能較完全地改變百合鱗片表面致密層細胞的通透性，不利于百合在干燥時的內部水分向外遷移。

2.2 燙漂循環次數對百合干燥特性的影響

由圖3可知，燙漂循環2，3，4，5次時，燙漂后百合熱風干燥所用時間分別為15，12，13，14 h，干燥時間隨循環次數的增加先減小后增大?？赡苁茄h次數過少不能完全改變百合鱗片表面致密層細胞的通透性，不利于百合在干燥時的內部水分向外遷移；而過多的循環次數導致總的蒸汽燙漂時間增長，其內部可溶性物質向外擴散至物料表面，堵塞了水分遷移孔道；此外循環次數增多后，由于燙漂后的百合表面具有較高的溫度，促使表面脫水而發生結殼現象，使干燥時間變長[19]。

圖2 不同蒸汽燙漂時間下的干燥曲線

Figure 2 Drying curves at different steam blanching time

圖3 不同循環次數下的干燥特性曲線

2.3 燙漂真空度對百合干燥特性影響

由圖4可知，真空度為90，85，80 kPa時，燙漂后百合熱風干燥所用時間分別為11.7，12.3，16.0 h。真空度越高，燙漂罐體內冷空氣排除越充分，通入的高溫蒸汽直接與百合鱗片接觸，對百合充分燙漂，燙漂后的百合對應的干燥時間越短；真空度越低，內部冷空氣或者溫度較低的蒸汽排除不充分，通入的高溫蒸汽遇到罐體內殘留的冷空氣后發生冷凝放熱，導致通入的蒸汽對物料的傳熱效率降低，燙漂不充分，干燥時間變長。

由方差分析結果可知，蒸汽燙漂時間、循環次數和真空度均對百合的干燥時間具有顯著影響(P<0.05)，且真空度>蒸汽燙漂時間>循環次數。

2.4 水分有效擴散系數Deff

由表2可知，不同干燥條件下，水分有效擴散系數Deff在5.37×10-10～6.86×10-10m2/s。百合經真空度90 kPa，蒸汽燙漂時間30 s和燙漂循環3次的條件處理后，水分有效擴散系數Deff最大，為6.86×10-10m2/s。由于燙漂對百合微觀組織結構產生了影響，在干燥過程中影響水分傳遞，且燙漂程度越大，百合微觀組織結構被破壞的可能性越大，從而在干燥過程中水分擴散系數越高，干燥速率越快，與Ramirez等[20]研究結論一致。燙漂真空度對百合水分有效擴散系數Deff具有顯著影響，且真空度越高，干燥過程中內部水分有效擴散系數Deff越大。

圖4 不同真空度下的干燥特性曲線

表2不同試驗條件下的水分有效擴散系數Deff

Table 2Moisture diffusion coefficient at different drying conditions

試驗號線性回歸方程R2Deff/(m2·s-1)1lnMR=-6.50×10-5t+0.1050.9946.59×10-102lnMR=-6.77×10-5t+0.1310.9896.86×10-103lnMR=-6.45×10-5t+0.0720.9966.63×10-104lnMR=-6.13×10-5t+0.1280.9946.21×10-105lnMR=-5.30×10-5t+0.0930.9955.37×10-106lnMR=-6.13×10-5t+0.0930.9946.21×10-107lnMR=-6.26×10-5t+0.0890.9946.34×10-108lnMR=-6.47×10-5t+0.1270.9936.56×10-109lnMR=-5.51×10-5t+0.0440.9955.58×10-10

2.5 干燥后百合片的色澤及復水性

百合鱗片的主導顏色是白色，L*越大，ΔE值越小，則表明百合鱗片燙漂護色效果好。由表3可知，與新鮮百合色澤相比，經不同時間蒸汽燙漂的百合鱗片L*值均有不同程度地減小，且隨蒸汽燙漂時間的增大先增大后減?。徽羝麪C漂30，40 s時百合的L*值無顯著性差異，蒸汽燙漂20 s時百合的L*值最低，可能是因為燙漂時間短，尚不能使PPO、POD酶完全滅活，在干燥過程中發生酶促褐變[21-22]；蒸汽燙漂50 s的可能是因為干燥時間的延長使得L*值減少。復水性隨蒸汽燙漂時間的增大先增大后減??；蒸汽燙漂20 s時，由于燙漂不充分，百合細胞結構仍很致密，通透性較差；蒸汽燙漂50 s時，可能由于百合中的糖分等物質流出，阻礙水分子擴散通道而使復水性較差；蒸汽燙漂30 s時，燙漂程度適宜，干燥后百合的L*值較高，為83.65，ΔE值為5.18接近于新鮮百合色澤，此條件下百合復水比最高為1.49 g/g。L*值、復水比均隨燙漂循環次數的增大先增大后減小，當循環次數為3次時，L*值最大為83.65，復水比為1.49 g/g；L*值、復水比均隨真空度的減少而減少，真空度越高，內部冷空氣或溫度低的蒸汽排除越充分，燙漂越充分，從而具有較高的明亮度和復水比。

當蒸汽燙漂時間30 s，燙漂循環3次，真空度90 kPa時，明亮度、ΔE值、復水性及干燥時間的綜合評分最高，為0.98，此時L*值為83.65、ΔE值為5.18、復水比為1.49 g/g。因此，真空—蒸汽脈動燙漂可提高百合物料細胞間的通透性，提高干燥后復水比，并使PPO、POD酶滅活，提高干燥后的色澤。

表3 不同試驗條件下的色澤和復水性?

3 結論

研究了真空—蒸汽脈動燙漂預處理的不同蒸汽燙漂時間、燙漂循環次數、真空度對百合干燥特性的影響規律。結果表明，百合的干燥時間隨蒸汽燙漂時間、燙漂循環次數的增加先減小后增大；真空度越低，內部冷空氣或溫度較低的蒸汽排除越充分，可提高蒸汽對物料的傳熱效率，縮短干燥時間。當蒸汽燙漂時間30 s，燙漂循環3次，真空度90 kPa時，燙漂預處理后百合的干燥時間最短(11.7 h)，水分有效擴散系數最大(6.85×10-10m2/s)，L*值為83.65，ΔE值為5.18，復水比為1.49 g/g，綜合評分0.98。真空—蒸汽脈動燙漂過程可提高百合物料細胞間的通透性，并使PPO、POD酶滅活，提高百合的干燥速率和品質，而關于真空—蒸汽脈動燙漂過程中，蒸汽溫度及保持時間與物料微觀孔隙結構的變化規律值得進一步研究，從而更直觀地優化真空—蒸汽燙漂工藝；此外物料微觀孔隙結構演化規律和干燥過程中內部水分遷移擴散之間的相關關系，也需進一步揭示以提高干燥效率。