基于催化式紅外殺青對芋頭熱風干燥的影響

張東京，馬曉敏，吳本剛，王 敏，韓方凱

(1. 宿州學院，安徽 宿州 234000；2. 江蘇大學，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

芋頭不僅營養豐富，且具有一定的保健功能.以芋頭為主要原料開發的食品有芋頭粉、芋頭干、芋頭餅等.其中，芋頭超微細粉具有很強的表面吸附力和親和力，更易被人體消化吸收，具有廣闊的市場前景[1].芋頭粉的加工過程中必須對原料進行脫水.殺青和干燥是芋頭脫水的2個重要工序[2]，殺青主要是為了鈍化芋頭中能夠導致成品品質變劣的酶，如多酚氧化酶(polyphenol oxidase，PPO)、過氧化物酶(POD)等[3-4].傳統的殺青工藝為熱水漂燙，該法雖然操作簡便，但易導致芋頭營養物質的流失，如水溶性維生素、礦物質等[5]；微波燙漂較傳統熱水燙漂，可避免營養物質的流失[6]，但加工過程易導致原料受熱不均勻，滅酶不徹底[7-8]；化學殺青易引起環境問題，不適合農產品的大規模工業化生產[9].

紅外加熱可解決殺青過程中營養成分流失、受熱不均和滅酶不徹底等問題，具有快速、高效和環保等優點[10].紅外殺青亦可去除原料中部分水分達到預干燥的目的，且對能量的利用率較高.吳本剛等[11]成功將紅外技術引入果蔬的殺青加工處理，相較于傳統的蒸汽燙漂，紅外殺青可以節約近80%的能源.國內外學者已經將紅外殺青技術應用到果蔬的干燥加工[12-13].目前將催化式紅外殺青技術應用到芋頭的研究尚未見報道.

熱風干燥是農產品脫水加工最為普遍的技術[14]，試驗擬對新鮮芋頭采用催化式紅外殺青技術聯合熱風干燥技術進行加工處理，旨在得到一種能較好保留芋頭原有的營養物質和芋頭的風味的節能環保型殺青干燥工藝，為芋頭殺青干燥工業化生產提供一定的技術參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

新鮮芋頭：濕基含水率為88.9%，所有的試驗為同一批次芋頭，試驗1個月之內完成；pH為4.5的醋酸緩沖溶液 MBTH(3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙鹽酸鹽水合物)；愈創木酚，2,6-二氯靛酚溶液、1%草酸溶液(分析級，國藥集團化學試劑有限公司).

催化式紅外干燥機(江蘇大學食品學院聯合鎮江美博紅外科技有限公司制造)；722型分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司)；H1850型高速離心機(長沙市英泰儀器有限公司)；熱風干燥機(江蘇大學實驗室自制).

1.2 試驗方法

1.2.1 殺青試驗

以同一標準芋頭為原料，先將芋頭削皮，切成20 mm×20 mm片狀，每片厚度約5 mm，取1片新鮮芋頭進行主要成分含量的測定，然后取3片芋頭進行熱水漂燙，接著以3片芋頭為1組進行不同時間的紅外殺青，殺青后的芋頭進行品質檢測，重復3次，取平均值.

(1) 紅外殺青：稱取5 g芋頭片樣品均勻置于圓盤，將圓盤放置在距離紅外設備上下兩板32 cm處，進氣量設定為2 kPa，分別殺青0，1，2，3，4 min，當多酚氧化酶活性經紫外分光光度計測定低于10%即視為滅活成功，殺青結束.

(2) 熱水漂燙：將3片5 mm的芋頭片放入90 ℃的水浴鍋中，水浴5 min.漂燙后的芋頭取出，將表面的水分拭干.經過殺青3 min和熱水漂燙5 min的芋頭，放入熱風干燥設備中，在70 ℃下干燥，每隔10 min將托盤拿出稱重，當干燥前后芋頭的重量變化小于0.05 g時停止加熱，芋頭熱風干燥結束.

1.2.2 理化指標測定

以同一標準芋頭為原料，先將芋頭削皮，切成20 mm×20 mm片狀，每片厚度約5 mm，取1片新鮮芋頭進行主要成分含量的測定，然后取3片芋頭進行熱水漂燙，接著以3片芋頭為1組進行不同時間的紅外殺青，殺青后的芋頭進行品質檢測，重復3次，取平均值.

(1) POD的測定：取5 g芋頭片樣品與蒸餾水以質量比1∶10倒入制漿機中制漿，每份樣品打漿30 s，然后將漿液用紗布進行過濾，取4 mL濾液加入5 mL離心管中，放入離心機中以8 000 r/min離心10 min，備用.

取50 μL離心液和4 mL愈創木酚試劑置于10 mL離心管，靜置5 min后再分別加入500 μL的2.5 mmol/L MBTH和0.5 mL新配制的50 mmol/L過氧化氫溶液，搖勻.在紫外分光光度計500 nm的波長下記錄吸光值，每30 s記錄一次.每分鐘吸光值增加0.001為1個單位POD活性.POD活性以干基質量為基準進行比較.以鮮芋頭POD活性值為對照，處理后樣品以百分比計算.POD酶殘留活性按式(1)計算.

(1)

式中：c表示酶殘留活性，%；At表示處理后樣品POD酶活性；A0表示新鮮芋頭POD酶活性.

(2) VC的測定：稱取約20 g芋頭樣品，將樣品用打漿機勻漿，用浸提劑將樣品移入100 mL容量瓶中，并稀釋至刻度搖勻過濾.吸取10 mL溶液放入50 mL錐形瓶中，用2-6-二氯靛酚滴定[11].

(3) 色澤的測定：將芋頭切成約5 mm厚的片狀，平均分成5組，取4組分別進行催化式紅外殺青1，2，3，4 min，在新鮮的和殺青結束的芋頭片上取3個點，用顏色測試儀進行測試，并記錄.其中L代表的是芋頭的亮度，a代表從紅色向深綠色過渡，b代表從藍色向黃色過渡.ΔE表示顏色的變化，按式(2)計算.

(2)

式中：Lx表示芋頭L值；L0表示新鮮L值；ax表示芋頭a值；a0表示新鮮a值；bx表示芋頭b值；b0表示新鮮b值.

(4) 芋頭POD酶鈍化模型：芋頭紅外殺青POD酶鈍化動力學模型符合一級方程，見式(3)、式(4).

(3)

(4)

式中：k表示反應速率常數(此處與芋頭片厚度和表面溫度有關，ln(At/A0)隨時間的線性回歸得到的斜率為-k，s-1；D表示遞減時間，min；t表示特定條件下總酶的90%被滅活時所需的處理時間，min.

(5) 水分含量及干燥動力學模型：芋頭初始水分含量通過70 ℃真空烘箱法干燥24 h測定得出.干燥過程中芋頭片水分含量由測得的質量損失和初始質量計算得出.

芋頭水分比按式(5)計算：

(5)

式中：MR表示水分比；mi表示芋頭在t時的質量，g；m0表示樣芋頭初始質量，g；me表示樣品最終質量，g.

采用Page模型對芋頭的干燥曲線進行擬合，表達式見式(6).

MR=exp(-ktn)，

(6)

式中：t表示時間，min；k、n表示模型系數.

決定系數R2和均方根誤差RMSE見式(7)、式(8).

(7)

(8)

式中：MRpre,i表示模型預測水分比；MRexp,i表示試驗測得水分比；MRexp表示試驗測得水分比的平均值；N表示試驗測得數據組數；n表示干燥常數的數目.

1.3 數據分析

數據處理和分析采用SPSS 17.0統計分析軟件.

2 結果與討論

2.1 紅外對芋頭POD酶活性的影響

圖1為紅外輻射時間對芋頭POD酶相對殘留活性的影響曲線.可以看出，芋頭催化式紅外殺青處理結束后相對殘留活性為12.0%-20.6%，相應酶滅活時間為3-4 min.輻射時間越久，酶存活率越低.滅酶處理后期，隨著輻射時間的延長，酶存活率下降尤為顯著，輻射3 min時，相對殘留活性為20.6%，繼續加熱1 min，相對殘留活性為12.0%，下降了8.6%；而同樣的芋頭，輻射2 min時，相對殘留活性為77.2%，繼續加熱1 min，相對殘留活性為20.6%，表明輻射時間對芋頭產品的品質有一定的影響.因此在上述紅外殺青的特定情況下滅酶試驗中宜選取輻射時間為3 min.

圖1 紅外輻射時間對芋頭POD酶相對殘留活性的影響

一級動力學模型能較好地預測POD存留情況[11]，本試驗也得到類似結論，決定系數R2為0.973 5.隨著輻射時間延長即溫度升高，酶存活率降低.在固定輻射距離下90%的總酶被滅活所需的時間為3-4 min.此為催化式紅外同步干法滅酶脫水處理的產品品質提供了有價值的信息，并提供了合理的加工條件.

2.2 催化式紅外殺青處理對芋頭水分含量的影響及干燥動力學

在固定紅外輻射板距離的情況下，根據殺青時間的不同對芋頭進行處理，在輻射源輻射不變的情況下，輻射時間越長，芋頭的水分比呈現逐漸下降的趨勢，對與胡蘿卜[15]的研究結果相似.不同處理時間下的水分比實際值和模型預測值的關系曲線如圖2所示.試驗結果表明，不同處理時間下芋頭預測水分含量與試驗實測值均有著較好的擬合性.

圖2 紅外處理時間對芋頭的水分比的影響

紅外殺青過程中干燥速率變化曲線如圖3所示.干燥初始階段，物料處于預熱階段，溫度迅速上升，脫水速率增加；之后干燥過程先由外部水分擴散控制，接著由內部擴散控制，隨著水分含量的減少，該階段脫水速率緩慢下降.試驗結果和預測值的擬合度較好(R2>0.9989，RMSE值為0.0084).Page模型可以較好地預測試驗中水分的變化.

圖3 干燥速率曲線

2.3 殺青時間對芋頭品質的影響

殺青時間對芋頭品質的影響如由表1、表2所列.紅外殺青的芋頭能保持較好的外形特征，殺青到一定時間，能散發特有的香味，殺青后的芋頭黏液也較少，利于后續加工.而熱水漂燙后的芋頭，觸感黏滑，雖能較好地保持水分，但黏滑不易拿捏，不利于后續加工，且無特有的香味.催化式紅外殺青能使芋頭產生較少的黏液，同時保持外形色澤特征.從酶存活率來看，經紅外殺青處理的芋頭的酶存活率隨殺青時間的延長逐漸減少，殺青時間為3-4 min時，酶存活率明顯下降.而熱水漂燙處理過的芋頭的酶存活率為3.40%±0.24%.從VC含量來看，紅外殺青處理過的芋頭也隨殺青時間遞減，這是由于VC遇高溫易分解.綜上所述，催化式紅外殺青芋頭外形色澤乳白，有輕微香味，能保留較多的VC，是芋頭理想的殺青方式.

表1 殺青后芋頭品質結果

表2 不同紅外殺青時間下芋頭顏色的變化

2.4 處理條件對芋頭含水量的影響及干燥動力學

相同溫度下芋頭熱風干燥水分含量變化曲線如圖4所示.紅外殺青的芋頭樣品水分比對照樣品下降的速率快.芋頭經32 cm輻照4 min后，進行熱風干燥與熱水漂燙5 min，再進行熱風干燥后的含水率對比，前者前期含水率下降速度明顯高于后者，后期兩者下降速率均比較平緩.紅外殺青和熱水燙漂處理后的芋頭樣品，在同樣熱風干燥條件下所需干燥時間更短.

圖4 紅外殺青和熱水漂燙后芋頭熱風干燥水分含量變化曲線

不同水分含量對干燥速率曲線如圖5所示.

圖5 不同處理條件下芋頭干燥速率曲線

干燥過程的擬合值與試驗值見圖6，紅外殺青和熱水漂燙處理芋頭，擬合度均較好，能夠預測試驗中的水分變化(R2分別為0.989和0.996，RMSE分別為0.0001和0.0004).動力學模型方程見表3.

圖6 水分比實測值和模型預測值

表3 不同前處理芋頭Page干燥模型的統計分析結果

2.5 干燥前紅外殺青和熱水漂燙對芋頭品質的影響

紅外殺青和熱水漂燙對芋頭復水率和VC含量的影響如表4所列.從復水率來看，經催化式紅外殺青3 min后，芋頭的復水率為1.53±0.06，熱水漂燙5 min后的復水率為1.30±0.08.從VC含量來看，催化式紅外殺青的VC含量為2.36±0.18 mg/100 g，熱水漂燙的芋頭VC含量為1.98±0.11 mg/100 g.綜上所述，芋頭在干燥前采用催化式紅外殺青方式能提高芋頭干的VC含量和維持芋頭的復水率.

表4 處理后芋頭品質

3 結論

(1)在芋頭片厚度5 mm，上下兩塊板輻射距離32 cm，殺青時間為3 min條件下，得到芋頭產品顏色呈現乳白不黏滑，有烤香味.一級動力學模型能較好地預測POD存留情況，決定系數R2為0.9735，此動力學模型參數可以很好地解釋芋頭催化式紅外殺青的過程，可為芋頭催化式紅外殺青工藝提供一定的參考依據.Page模型可以較好地預測和描述芋頭干燥過程中水分遷移過程.

(2) 優化了芋頭催化式紅外殺青—熱風干燥工藝，此方法得到的芋頭干產品VC保留率(2.36±0.18 mg/100 g)和復水性(1.53%±0.06%)均高于熱水漂燙熱風干燥產品，并且得到芋頭干產品顏色更亮.紅外殺青—熱風干燥所需時間明顯少于熱水漂燙—熱風干燥，得到最優工藝條件為：紅外殺青3 min，熱風干燥150 min.