低溫等離子體預處理對馬鈴薯薄層熱風干燥特性的影響

李 帥，趙巖巖，曾英男，谷 雨

（1.吉林農業科技學院食品工程學院，吉林 吉林 132101；2.河南科技學院食品學院，河南 新鄉 453003）

馬鈴薯與麥、稻、玉米、高粱并稱世界五大糧食作物[1]，富含蛋白質、維生素、碳水化合物及微量元素等多種營養物質，是重要的糧食、蔬菜、飼料兼用食品原料和工業原料作物，是目前我國最有發展前景的高產經濟作物之一[2]。新收獲的馬鈴薯含水率較高，呼吸作用旺盛，易腐敗變質，嚴重影響馬鈴薯品質，難于儲存[3]。干燥是馬鈴薯主要的加工方法之一，干燥可以減少馬鈴薯水分，延長儲藏期，增加附加值[2]。

薄層干燥是指干燥物料層表面完全暴露在相同環境條件下的一種氣流干燥[4]，是研究深床干燥的基礎，也是目前研究谷物干燥特性及確定工藝參數的基本試驗方法[5]。熱風干燥是通過熱空氣自然或強制對流循環使被干燥物料表面水分汽化為水蒸氣，擴散到空氣中的一種干燥方式[6?7]，是目前我國廣泛應用的一種干燥技術，其操作簡單、設備成本低、應用廣泛，但存在干燥效率低、干燥時間長及營養價值損失等缺點[8?11]。因此，研究開發新型高效的干燥技術具有重要意義。

等離子體表面處理技術是通過對氣體施加足夠的能量使之離化為等離子狀態。該技術具有工作效率高、環保和適用性強等優點，在材料科學、食品工業和生物醫學等領域得到廣泛應用[12]。Bormashenko等[13?14]研究發現扁豆和小麥經過冷等離子體處理后，表面接觸角顯著降低，潤濕性改變，易于吸收水分及營養物質。Sera等[15]觀察到小麥和燕麥經過等離子體處理后，等離子體中活性物質可穿過種子內部的多孔種皮，與種子細胞反應，加速其幼根的生長。童家赟[16]研究發現空氣等離子體可改變穿心蓮種皮的通透性，在處理電壓為5.95 kV，處理時間為10 s的條件下，等離子體處理促進了穿心蓮種子的萌發。Zhang等[17]研究發現冷等離子體預處理可在辣椒表面形成微孔，促進水分擴散，提高干燥速率。Zhou等[18]采用低溫等離子體處理枸杞，結果表明，等離子體預處理可有效縮短50%的干燥時間，同時使干枸杞的復水率提高了7%～16%。Shen[19]考察了等離子處理對淀粉顆粒的影響，研究發現等離子體處理對顆粒表面造成一定程度的刻蝕，顯著降低了淀粉的溶脹力和糊化粘度。Loureiro等[20]研究發現采用低溫等離子體預處理天竺葵有利于提高其干燥速率，減少干燥時間。Bao等[21]研究發現冷等離子體預處理可顯著改變棗片的表面形貌，將處理后的棗片后進行熱風干燥，其水分擴散系數增大，干燥速度增加。

因此，本文將等離子體技術應用于馬鈴薯干燥領域中，采用低溫等離子體對馬鈴薯預處理后進行薄層熱風干燥，研究了等離子體預處理功率、預處理時間和熱風溫度對鮮切馬鈴薯干燥過程的影響，計算了馬鈴薯干燥過程的水分有效擴散系數，考察低溫等離子體預處理對馬鈴薯熱風干燥特性的影響。為馬鈴薯高效干燥預處理技術的研究提供新的參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試材料為大西洋馬鈴薯 購買于吉林省吉林市大潤發超市，體積基本一致、無機械損傷、青綠和腐爛。鮮馬鈴薯的平均含水率為3.48 g/g（干基），4 ℃貯存。

JA 10002電子天平 上海精天電子儀器有限公司；DHG-9125A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海一恒科技有限公司；Tseto410-2多功能風速儀 德圖儀器國際貿易有限公司；JM 20溫度傳感器 今明儀器有限公司；HZK-110分析天平 福州華志科學儀器有限公司；SY-DT02S低溫等離子體處理儀 蘇州等離子體科技有限公司（圖1）；多參數調控谷物薄層干燥試驗臺 長春吉大科學儀器設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 操作步驟 將馬鈴薯去皮切丁（10 mm×10 mm×10 mm），洗去表面淀粉，過篩濾掉較小顆粒，瀝水后取900 g置于低溫等離子處理儀中進行等離子體預處理，將處理后的馬鈴薯丁分3組，放入薄層干燥試驗臺內，在相對濕度55%±5%，介質表觀風速1.0 m/s的條件下進行熱風干燥，結合預實驗結果，選取等離子體預處理時間（20、30、40、50、60 s）；等離子體預處理功率（100、200、300、400、500 W）；干燥溫度（50、70、90 ℃）對馬鈴薯干燥速率的影響。當對其中一個因素進行研究時，其余各因素分別固定為干燥溫度70 ℃、等離子體預處理功率300 W、等離子體預處理時間30 s。

1.2.2 含水率的測定 取潔凈鋁制稱量瓶干燥至恒重。稱取2～10 g試樣，放入稱量瓶中，加蓋，精密稱量后，置101～105 ℃干燥箱中，干燥2 h，冷卻稱重。再放入101～105 ℃干燥箱中干燥1 h左右，取出，冷卻0.5 h稱量[22]。

1.2.3 干基含水率的計算 不同干燥時間的馬鈴薯的干基含水率按式（1）計算[23]。

式中：mt為t時刻馬鈴薯質量，g；mg為馬鈴薯干物質質量，g；m0為馬鈴薯初始質量，g；W0為馬鈴薯的初始干基含水率，g/g。

1.2.4 干燥速率（Drying rate，DR）的計算 干燥速率能反映出干燥時間、干燥水分含量和干燥速率之間的關系，是研究物料干燥特性的一個重要參數，按式（2）計算[24]。

式中：Mt1為t1時刻的干基含水率，g/g；Mt2為t2時刻的干基含水率，g/g。

1.2.5 水分有效擴散系數（Effective moisture diffusivity，Deff）的計算 干燥過程中物料的水分擴散包含毛細管流動、克努森流動、分子擴散、水動力流動或表面擴散現象[25]。水分在物料中的擴散和傳遞速率的大小，一般用水分有效擴散系數來表示。在干燥過程中擴散系數是一個動態的量，可以通過簡化的菲克（Fick）第二定律計算得到。假設物料中的水分遷移以擴散為主，初始水分分布均勻且水分擴散系數在整個干燥過程中恒定，其水分擴散系數按式（3）計算[26?28]。

式中：MR為水分比；M0為初始干基含水率，%；Mt為t時刻物料的干基含水率，%；Me為物料平衡干基含水率，%；L為薄層干燥物料厚度，m；D為擴散系數，m2·s?1；n為正整數；t為干燥時間，s。

假定馬鈴薯中的水分遷移以擴散為主，初始水分分布與水分擴散系數在整個干燥過程中恒定，忽略收縮和表面的傳質阻力，但恒定水分擴散系數的假設忽略了結構收縮對干燥過程中干燥特性的影響。因此，本文采用斜率法計算水分有效擴散系數，通過測定值（dMR/dt）和理論值（dMR/dF0）之比獲得曲線斜率，按式（4）計算[29]。

式中：Deff為水分有效擴散系數，m2·s?1；F0為傅里葉數，F0=Deff·t/r2；L為薄層干燥物料半徑，m。

1.3 數據處理

試驗數據采用Origin 9.0和SPSS 19.0軟件進行分析，對其進行雙變量的線性相關分析，P<0.05顯著線性相關。

2 結果與分析

2.1 等離子體預處理時間對馬鈴薯熱風干燥特性的影響

由圖2可知，等離子體預處理可有效縮短馬鈴薯粒的干燥時間，隨著等離子體預處理時間的增加，干燥時間先減小后增大。對照組干燥時間為1.75 h，等離子體處理時間為30 s時，干燥時間最短為1.25 h，較對照組縮短了28.57%。過長時間的等離子體處理導致馬鈴薯表面細胞壁的破壞和細胞結構坍塌，阻礙了內部水分的擴散。因此，較長的預處理時間并沒有進一步縮短馬鈴薯的干燥時間。這與Zhang等[17]采用射頻等離子體處理青椒干燥的試驗結果相一致。

由圖3可知，干燥前期干燥速率增大，后期干燥速率反而減小。同時，等離子處理組較對照組干燥速率大，等離子體處理時間為30 s時，干燥速率最大，而后隨著處理時間的延長，干燥速率逐漸降低。這是因為干燥前期干燥速率越快，表面結殼現象越嚴重，從而使干燥后期水分遷移的阻力越大，內部水分來不及擴散到馬鈴薯表面進行汽化導致的[2]。

2.2 等離子體預處理功率對馬鈴薯熱風干燥特性的影響

由圖4可知，等離子體預處理可有效縮短馬鈴薯的干燥時間，且隨著處理功率的增大干燥時間縮短。處理組干燥速率高于對照組，這是由于等離子體產生的高能粒子不斷轟擊馬鈴薯表面，對表面產生一定程度的刻蝕作用[30]。較高的等離子體預處理功率使得表面刻蝕程度加劇，使其變的凹凸不平，增大了表面積和表面自由能，降低了水分遷移的阻力，縮短了水分遷移的路徑，使水分更容易擴散，從而縮短了干燥時間[31]。

由圖5可知，干燥速率隨著預處理時間的延長先增大后減小。同時，等離子處理組較對照組干燥速率大，等離子體處理功率越大，干燥時間越短。這是由于處理功率的增大，等離子體中高能粒子能量增大，轟擊玉米表面的粒子流量密度和活性基團數量也隨之增加，各向異性反應離子刻蝕增強，使馬鈴薯表面發生了更加強烈和密集的刻蝕效應[30]。

2.3 干燥溫度對馬鈴薯熱風干燥特性的影響

由圖6可知，當干燥溫度為50 、70 和90 ℃時對照組馬鈴薯干燥時間分別為3.25、1.75和1.25 h；等離子體預處理組的干燥時間分別為2.5、1.25和1.25 h。與對照組相比，預處理組的干燥時間分別縮短了23.08%、28.57%和0。由此可見，等離子體預處理在馬鈴薯70 ℃時效果更為明顯，當溫度達90 ℃處理效果不明顯。

由圖7可知，當等離子體預處理時間和功率處于恒定時，隨著干燥溫度的升高，馬鈴薯干燥時間縮短。這是由于溫度越高，提供給馬鈴薯的能量越多，傳熱傳質效率越高，加速了內部水分子的運動速度，使水分子脫離馬鈴薯進入到干燥介質的速度加快，干燥的速率越大，干燥的時間也就越短[32]。干燥初期，馬鈴薯含水率較高，表面和干燥介質之間蒸汽壓力梯度較大，且表面水分擴散路徑短，脫離速度較快[33]。通過計算，可得熱風溫度和干燥時間顯著線性相關。因此，表層水分先蒸發到干燥介質中。隨著干燥的進行，表層和干燥介質之間的蒸汽壓力梯度不斷降低，水分轉為由內部向表層遷移，遷移路徑增長，阻力增大，導致干燥速率變緩[34]。

2.4 各因素對水分有效擴散系數的影響

由表1可知，不同等離子體預處理時間條件下，馬鈴薯熱風干燥的水分有效擴散系數在5.905×10?11～9.425×10?11m2/s之間，且等離子體預處理后的馬鈴薯水分有效擴散系數均高于對照組。隨著等離子體處理時間的延長，水分有效擴散系數先增大后減小，這是由于在濕度與氣流速度相同的情況下，經過等離子體對馬鈴薯表面刻蝕，表面水分蒸發加快，表層含水率降低，含水率梯度增大，水分擴散速度加快[33]，這與Li等[35]采用低溫等離子體處理玉米籽粒試驗結果相一致。

表1 等離子預處理對水分有效擴散系數的影響Table 1 The effect of plasma pretreatment on the effective diffusion coefficient of water

不同等離子體預處理功率條件下，馬鈴薯熱風干燥的水分有效擴散系數在5.905×10?11～11.868×10?11m2/s之間，隨著等離子體預處理功率的增加，水分有效擴散系數增大，這是由于等離子體預處理在馬鈴薯表面產生刻蝕，形成微孔，隨著等離子體預處理功率的增加，馬鈴薯表面破壞增大，凹陷與裂縫加深且更為密集。這與Thirumdas[32]研究結果相結一致，其采用射頻低溫等離子體預處理對印度香米表面進行處理，通過掃描電子顯微鏡觀察處理后的香米表面，結果顯示處理后的香米表面產生裂縫和凹陷，使其吸水速度加快，烹飪時間縮短。

不同干燥溫度條件下，馬鈴薯熱風干燥的水分有效擴散系數在3.785×10?11～9.530×10?11m2/s之間，馬鈴薯水分有效擴散系數隨著干燥溫度的升高而增大，且70 ℃時，等離子體預處理后干燥效果最佳。這是由于干燥溫度升高，馬鈴薯內部溫度梯度增大，水分子脫離馬鈴薯表面進入到干燥介質中的速度加快，水分有效擴散系數增大[33]。

3 結論

熱風干燥過程中，不同等離子體預處理功率條件下，馬鈴薯的水分有效擴散系數在5.905×10?11～11.868×10?11m2/s之間，隨著等離子體預處理功率的增加，水分有效擴散系數增大；不同等離子體預處理時間條件下，水分有效擴散系數在5.905×10?11～9.425×10?11m2/s之間，隨等離子體處理時間的延長，水分有效擴散系數先增大后減小；不同干燥溫度條件下，水分有效擴散系數在3.785×10?11～9.530×10?11m2/s之間，隨干燥溫度的升高而增大。因此，采用低溫等離子體技術對鮮切馬鈴薯進行預處理，并將處理后的馬鈴薯熱風干燥，有效提高了干燥速率，縮短了干燥時間。