微波聯合熱風干燥生姜片工藝優化

岑順友，劉曉燕，任飛，馬立志*，謝丹，宋明發

(1.貴州大學 釀酒與食品工程學院，貴陽 550025；2.貴陽學院 食品與制藥工程學院，貴陽 550005；3.貴州省果品加工工程技術研究中心，貴陽 550005；4.貴州黔棠姜生物科技有限公司，貴州 鎮寧 561200)

生姜(ZingiberofficinaleRoscoe)是世界各地廣泛應用的主要辛香保健蔬菜之一，含有姜辣素、姜油酮、姜烯酚、姜醇、生姜蛋白酶、姜黃素等多種活性成分[1-4]；具有抗氧化、抗癌、開胃健脾、抑菌等多種功能性質[5,6]，因此，生姜是食品醫藥和化工產品的重要原料。我國生姜資源豐富，地方品種頗多；2012年，衛計委公布生姜為食藥兩用的中藥；2018年，我國生姜種植面積達到448萬畝，較2017年增加了16.97%，產量為846萬噸，比2017年減少了5.26%；生姜價格波動不大，與馬鈴薯、洋蔥、大蒜等相比較，生姜收益相對理想，是脫貧攻堅的扶貧產業之一；從流通格局來看，我國生姜71%用于鮮食，9%用于加工，8%用于姜種，7%被損耗掉，5%用于外貿出口[7]。

近5年來，我國生姜種植面積不斷擴大，而生姜加工用量占比并沒有提高，目前生姜加工主要以保鮮、風干、淹漬產品為主，尚缺乏深加工的技術與工藝，如高效、節能、保質的干燥工藝和精深的提取工藝。隨著人們的養生觀念不斷提高，姜油、姜粉、姜糖等深加工產品逐漸增多，生姜加工整體需求有增多趨勢。干燥處理生姜不僅有利于姜的貯藏，也便于運輸和加工利用；傳統的生姜干燥方法有燃燒焦煤的烘烤方式或自然干燥、熱風干燥[8]，存在干燥品質和干燥效率低的問題。隨著科學技術的發展，越來越多的干燥新技術被應用于果蔬干燥，如微波干燥、真空干燥、真空冷凍干燥、遠紅外干燥等[9-12]。由于微波干燥效率高，但干燥終點難控制，容易出現干燥過熱的現象。本文采用先微波真空后熱風干燥的聯合工藝，旨在探討高效、節能、高品質的生姜干燥工藝，為生姜的脫水干燥生產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

生姜：貴州黔棠姜生物科技有限公司提供的“小黃姜”品種，產地：貴州鎮寧；香草醛：天津市科密歐化學試劑有限公司；無水乙醇：成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

WBZ-16型微波真空干燥機 貴陽新奇微波工業有限責任公司；SM705EE型熱風爐 新麥機械有限公司；FA124型電子天平 上海舜宇恒平科學儀器有限公司；JA2003型電子天平 上海浦春計量儀器有限公司；i3型紫外可見分光光度計 濟南海能儀器有限公司；CS-700型高速多功能粉碎機 永康市天祺盛世工貿有限公司；XMTD-204型數顯恒溫水浴鍋 上海梅香儀器有限公司；202-1AB型電熱恒溫干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 鮮姜片的制備

挑選新鮮飽滿、無損傷腐爛、無病害、無發芽的小黃姜塊，清洗瀝干后切片，厚度2 mm。

1.3.2 微波真空聯合熱風干燥生姜工藝流程

生姜→挑選→清洗→切片(2 mm)→微波真空干燥→熱風干燥→冷卻→干姜片(密封保存)。

1.4 單因素試驗設計

1.4.1 微波功率對姜辣素含量的影響

取鮮姜片3份，每份50 g，單層平鋪于物料盤上，微波功率選用300，500，1000，1500，2000 W，每干燥2 min間歇1 min，真空度0.085 MPa，直至含水率≤8%為止。

1.4.2 轉換點含水率對姜辣素含量的影響

取鮮姜片3份，每份50 g，單層平鋪于物料盤上，微波功率設定為500 W，每干燥2 min間歇1 min，分別干燥至含水率為20%、30%、40%、50%、60%，轉換為熱風干燥，干燥溫度65 ℃，直至含水率≤8%為止。

1.4.3 熱風干燥對姜辣素含量的影響

取鮮姜片3份，每份50 g，單層平鋪于熱風爐內，風速1.5 m/s，干燥溫度分別為45，55，65，75，85 ℃，直至含水率≤8%為止。

1.5 響應面法優化試驗設計

先進行單因素試驗，選定微波功率、干燥轉換點含水率、熱風溫度3個因素；以姜辣素含量為評判標準，結合單因素試驗中姜辣素含量、復水比指標確定因素水平，采用Box-Benhnken中心組合試驗設計進行工藝優化。

1.6 試驗測定方法

1.6.1 含水率的測定

濕基含水率采用GB 5009.3-2016的方法測定；

干燥轉換點含水率參照徐艷陽等的方法測定[13]。

1.6.2 干姜片復水試驗方法

參照馬先英等的方法測定[14]。

1.6.3 姜辣素含量的測定

參照王雪等的方法測定[15]。

1.6.4 總能耗計算

總能耗=設備的單位能耗×實際干燥時間。

1.7 數據分析

各指標均重復測定3次；使用Origin 8.5軟件對數據進行作圖，采用Design-Expert 8.0.6 軟件進行響應面設計和數據分析。

2 結果與分析

2.1 香草醛標準曲線

圖1 香草醛標準曲線圖Fig.1 Standard curve of vanillin

由圖1可知，香草醛標準曲線回歸方程為y=0.0761x-0.014，R2=0.9988，表明線性良好。

2.2 單因素試驗結果

姜辣素是以姜酚為主的系列衍生物，是生姜中的辣味成分，是評價生姜品質的重要指標之一。復水性是考察干燥過程對細胞損傷程度的方法，是評價干制品品質的重要指標，復水比越大，復原效果越好，說明脫水過程對物料造成的損傷越小。因此，選用姜辣素含量、復水比作為生姜干燥品質的評價指標。

2.2.1 熱風干燥對生姜姜辣素含量、復水比的影響

圖2 熱風干燥溫度對生姜片姜辣素含量、復水比的影響Fig.2 Effect of hot air drying temperature on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由圖2可知，姜辣素含量隨著干燥溫度的升高呈先上升后下降的趨勢，到65 ℃時姜辣素含量最高(2.41%)，可能是因為45，55 ℃干燥時間過長，75，85 ℃干燥溫度較高導致姜辣素含量損失較多；復水比隨著溫度的升高呈下降趨勢，65 ℃之前下降趨勢緩慢，65～75 ℃復水比下降趨勢大，表明在此期間干燥溫度對姜片損傷較大。綜合考慮，選定55～75 ℃為工藝優化因素水平；由方差分析可知，熱風溫度對姜辣素含量的影響不顯著(P>0.05)，是因為在55～75 ℃之間姜辣素含量變化波動小。

2.2.2 微波功率對生姜姜辣素含量、復水比的影響

圖3 微波功率對生姜片姜辣素含量、復水比的影響Fig.3 Effects of microwave power on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由圖3 可知，微波功率大于500 W后姜辣素含量呈下降趨勢，干燥功率大于1000 W容易出現過熱現象，含水率達到14%出現大面積焦糊現象，可能是功率過大對物料脫水作用較強烈，導致姜辣素被破壞程度較大；復水比的變化趨勢與姜辣素含量走勢相同，微波功率為500 W時復水比最高(3.87%)，500～1000 W之間復水比明顯下降；由方差分析可知，微波功率對姜辣素的影響極顯著(P<0.01)，綜合分析，選定微波功率300，500，1000 W為工藝優化因素水平。

2.2.3 干燥轉換點含水率對生姜姜辣素含量、復水比的影響

圖4 轉換點含水率對生姜片姜辣素含量、復水比的影響Fig.4 Effect of water content at conversion point on gingerol content and rehydration ratio of ginger slices

由圖4可知，轉換點含水率的生姜片復水比均處于較高水平，波動幅度不大，可能是設定的干燥條件比較適中溫和，干燥過程對生姜片損傷不大；姜辣素含量呈先上升后下降趨勢，含水率為30%時開始下降，可能是因為微波干燥轉換點含水率越大，熱風干燥時間越長導致姜辣素含量降低，含水率大于30%時熱風干燥對姜辣素含量的影響大于微波干燥；含水率小于30%時微波干燥對姜辣素的影響大于熱風干燥；由方差分析可知，轉換點含水率對姜辣素的影響顯著(P<0.05)。綜上分析，轉換點含水率在30%時姜辣素含量最高，20%～40%之間存在干燥轉換含水率平衡點，因此轉換點含水率工藝優化因素水平選用20%、30%、40%。

2.3 響應面法優化微波聯合熱風干燥工藝

2.3.1 回歸方程建立和顯著性檢驗

以單因素試驗結果為基礎選定因素水平，使用Design-Expert 8.0.6軟件對各因素及水平進行Box-Benhnken響應曲面設計，用A、B、C分別表示熱風干燥溫度、微波功率、轉換點含水率，以1、0、-1分別代表變量的水平，試驗設計及結果見表1～表3。

表1 響應曲面因素水平Table 1 The factors and levels of response surface

表2 響應曲面設計與試驗結果Table 2 Response surface design and test results

表3 響應曲面二次回歸方程模型方差分析結果Table 3 Analysis of variance of response surface quadratic regression equation model

注：“*”表示差異顯著(P<0.05)，“**”表示差異極顯著(P<0.01)。

通過Design-Expert 8.0.6軟件分析，得到生姜片姜辣素含量對熱風干燥溫度、微波功率、轉換點含水率的二次多項回歸模型：

Y=2.59-0.010A-0.13B-0.055C+0.050AB+0.025AC-0.058BC-0.097A2-0.34B2-0.060C2。

對該模型進行方差分析，得出對生姜片姜辣素含量有顯著影響的因素。由表3可知，回歸模型具有高度顯著性(P<0.0001)，失擬項在a=0.05水平上不顯著(P>0.05)，相關系數R2=0.9812，RAdj2=0.9571，表明此模型擬合程度良好，可信度較高，其響應值有98.12%來自于變量因素，因此能夠用此模型對姜辣素含量進行準確的預測和分析。一次項方差分析中熱風溫度對姜辣素影響不顯著(P>0.05)，微波功率極顯著(P<0.01)，轉換點含水率顯著(P<0.05)；二次項方差分析中熱風干燥溫度、微波功率對姜辣素含量影響極顯著(P<0.01)，轉換點含水率對姜辣素含量影響顯著(P<0.05)；3個因素之間只有微波功率與轉換點含水率的交互作用對姜辣素影響顯著(P<0.05)。

2.3.2 響應面曲線分析

圖5 熱風溫度與微波功率交互作用的響應曲面和等高線圖Fig.5 Response surface and contour maps of the interaction between hot air temperature and microwave power

圖6 熱風溫度與轉換點含水率交互作用的響應曲面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour maps of the interaction between hot air temperature and water content at conversion point

圖7 微波功率與轉換點含水率交互作用的響應曲面和等高線圖Fig.7 Response surface and contour maps of the interaction between microwave power and water content at conversion point

由圖5～圖7和表3可知，微波功率、熱風溫度和微波功率二次項對姜辣素含量影響極顯著(P<0.01)；干燥轉換點含水率、微波功率與轉換點含水率交互項、轉換點含水率二次項對姜辣素含量影響顯著(P<0.05)；熱風溫度與微波功率和轉換點含水率交互作用較小；曲線圖中微波功率曲線較陡，影響最大，其次是轉換點含水率；綜上分析，影響生姜片聯合干燥因素大小順序為：微波功率>轉換點含水率>熱風溫度。

2.3.3 驗證試驗結果

由軟件模型對試驗數據進行分析處理，得出微波聯合熱風干燥生姜片工藝的最佳條件為：微波功率590.54 W，干燥轉換點含水率34.09%，熱風溫度63.50 ℃。模型預測的最大姜辣素含量為2.61%；結合實際情況，采用微波功率590 W干燥至姜片含水率為34%，轉換為熱風63.50 ℃干燥至含水率小于8%為止，在此條件下進行3次重復試驗，姜辣素平均含量為2.59%，達到預測值的99.23%，與理論預測值相比，相對標準偏差為0.014，說明驗證試驗的重復性和精密度良好，此最佳模型可靠。

2.3.4 對比試驗設計結果

根據上述優化條件，對比聯合干燥與單獨熱風干燥、微波干燥的效果；分別取2 mm厚的3份姜片，每份50 g，設計試驗條件為單獨熱風干燥65 ℃，風速1.5 m/s；單獨微波真空干燥功率為590 W，真空度為0.085 MPa，每干燥2 min間歇1 min；微波聯合熱風干燥為先微波真空干燥(590 W)，每干燥2 min間歇1 min，至含水率為34%轉換為熱風干燥(63.5 ℃)；含水率為8%以下為干燥終點。

表4 不同干燥條件總能耗比較Table 4 Comparison of total energy consumption under different drying conditions

圖8 不同干燥方式姜辣素含量、復水比比較Fig.8 Comparison of gingerol content and rehydration ratio by different drying methods

由表4和圖8 可知，從能耗方面分析，單獨微波真空干燥效率最高，能耗最小，干燥時間明顯縮短，但存在干燥終點難控制、干燥后期易出現過熱、局部焦糊的現象，產品感官差；微波聯合熱風干燥比單獨熱風干燥能耗減少71.60%，干燥時間縮短70.13%；微波聯合熱風干燥的主要干燥時間及能耗在于后期的熱風干燥，但具有比單獨熱風干燥節能和效率高，比單獨微波真空干燥終點易控制，產品感官良好的特點。從理化指標方面分析，微波聯合熱風干燥的姜辣素含量比單獨微波真空干燥提高17.19%，比單獨熱風干燥提高7.47%；復水比與單獨熱風干燥相比略有下降，比單獨微波干燥提高33.59%，可得出微波真空干燥后期對姜片品質的影響較大，可能是因為干燥后期姜片水分含量下降，微波的熱效應主要標靶由水轉為姜片的干基物質。

3 結論

近年來，采用聯合干燥工藝的研究報道越來越多，如馬先英等[14]采用熱風65 ℃干燥胡蘿卜至含水率50%后進行微波干燥(170 W)，所得干制品的感官質量和復水比優于單獨干燥方式；徐艷陽等對熱風與微波聯合干燥生姜片的工藝進行優化，結果表明聯合干燥比單獨熱風干燥和微波干燥的姜辣素含量提高了32%和12%，總能耗比單獨熱風干燥降低了59.76%；因此，采用聯合干燥在能耗、效率和品質上均高于單獨干燥。

本文采用微波真空干燥與熱風干燥工藝相結合，利用微波真空干燥效率高的特點除去姜片大部分水分，再進行熱風干燥至干燥終點的設計思路，達到高效、干燥終點易控制的目的；以微波功率、轉換點含水率、熱風干燥溫度為因素進行響應面優化分析，得到最佳優化條件為：微波功率590 W，轉換點含水率34%，熱風溫度63.5 ℃；在此條件下姜辣素含量最高(2.59%)，比單獨微波真空干燥提高17.19%，比單獨熱風干燥提高7.47%；能耗比單獨熱風干燥減少71.60%，干燥時間縮短70.13%；復水比與單獨熱風干燥相比略有下降，比單獨微波干燥提高了33.59%；因此，微波聯合熱風干燥工藝具有高效、節能、高品質的特點，適合于生姜片的干燥生產加工。