紅薯葉復合面條熱泵-熱風聯合干燥特性及干燥模型建立

張迎敏, 任廣躍,2,段 續,2, 樊小靜, 王兆凱, 王義勇

(河南科技大學食品與生物工程學院1，洛陽 471000)(糧食儲藏安全河南省協同創新中心2，鄭州 450001)

紅薯葉是紅薯藤蔓葉子，屬于旋花科類番薯植物，由于繁殖速度快，組織代謝能力強，每年可收獲多次[1]，紅薯葉中蛋白質質量分數約為2.74%，維生素C、維生素B2、鈣、鐵的含量分別為41.07、3.5、74.4、3.94 mg/kg[2, 3]。紅薯葉中的鉀可有效控制血壓的升高，其膳食纖維的在人體消化系統中的作用突出，可吸水膨脹，加快腸胃的蠕動；紅薯葉中還富含多酚、植固醇、黃酮類化合物等，多酚類物質可以抵御細胞癌變的發生，黃酮類物質則對乳汁的分泌有促進作用。除此之外，紅薯葉還具有如增強凝血功能、促進降低血糖等。紅薯葉中的黏液蛋白不僅可使皮膚緊致，一定程度上還可延緩機體的衰老[4-6]。但在紅薯成熟時期，大部分的紅薯葉被遺棄在田地里或者部分被當做畜牧飼料在紅薯不能有效利用，為了提高紅薯葉的利用率，可把紅薯葉添加到面條中，補充了傳統面條的營養單調性。

目前關于面條的研究大多集中于面條的制作機理和品質特性，如研究面條的面筋結構以及物化性質[7-9]。對面條干燥方法的研究，大多是傳統的單一技術，耗能高且品質不佳[10-12]。徐建國等[13]采用不同方式干燥綠茶，發現熱泵-熱風聯合干燥綠茶的外形、色澤、湯色比傳統熱風干燥工藝有明顯改善。季阿敏等[14]對大紅皮蘿卜進行了利用熱泵-熱風聯合脫水干燥研究，得出了各因素對干燥速率的影響規律及干燥效果分析，確定相應的優化組合方式。李暉等[15]探究了熱泵-熱風聯合干燥懷山藥的最佳干燥參數，并作為復合面條的干燥方式，研究對其水分的影響[16]。

本實驗根據面條的干燥規律采用熱泵-熱風聯合干燥方式，前期的熱泵低溫空氣是完全封閉式，可防止氣體交換導致產品氧化，能較好地保證產品品質，后期的高溫熱風可提高產品的干燥速率，節省干燥時間，整個干燥方式實現了節能保質和環境友好的干燥目標。本研究采用響應面法優化聯合干燥參數，并對此條件下的面條進行水分遷移的質熱傳遞分析并模擬得到相應的干燥模型，為實現生產高質量食品的同時降低能耗提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

紅薯葉，新鮮脫毒；精制碘鹽；小麥粉；谷朊粉(100目)。

1.2 儀器與設備

GHRH-20型熱泵干燥機，101 型電熱鼓風干燥箱，FKM-20 型壓面條機，NMI20-015V-I低場核磁共振成像分析儀，220V-AC型萬用電爐。

1.3 方法

1.3.1 紅薯葉復合面條工藝要點

紅薯葉粉制備：參考文獻[17]，新鮮紅薯葉→清洗→瀝干→燙漂液配制→燙漂→冷卻瀝水→熱泵干燥→熱風干燥→制粉→指標測定。工藝流程中制粉工序是指干制的紅薯葉經高速萬能粉碎，粉碎過100目的木篩備用。

和面：用電子天平稱取混合粉200 g，其中紅薯葉粉添加量10 g，谷朊粉20 g，其余為小麥粉。將2 g食鹽充分溶解在100 mL蒸餾水中，將溶解的食鹽水倒入混合粉中并攪拌成面絮狀，糅合5 min，使面絮干濕得當，表面沒有大量干粉且用手緊握時恰好不松散，手松時又能零散成絮。

熟化：將和好的面團放在入保鮮袋中室溫放置20 min，使面筋蛋白更好充分吸水形成面筋結構。

切面：將熟化后的放到壓面機中進行反復軋延，直到面帶表面光滑，調小面輥的間隙，再復輥2～3次，直到面片的色澤均勻一致，然后安裝切面刀，根據需要調節切刀的寬度進行出面，最后的生鮮面條長200 mm，寬3 mm，厚1 mm。

干燥：將生鮮面條放入熱泵干燥機內進行干燥，其中風速1.5 m/s，溫度40 ℃，使面條的濕基含水量降到13%以下(安全含水量)，備用，紅薯葉復合面條初始的干基含水量為0.49 g/g。

1.3.2 單因素實驗設定

用單因素實驗法來分析熱泵干燥溫度、轉換點含水量和熱風干燥溫度對紅薯葉復合面條的綜合影響，以紅薯葉復合面條單位能耗、有效水分擴散系數、煮制吸水率和煮制損失率為質量指標。在熱泵干燥風速為1.50 m/s條件下分別進行實驗，實驗分為3組，且每次實驗做3次平行，記錄各組的4項品質指標。

熱泵干燥溫度設定：將熱泵干燥溫度設置為30、35、40、45、50 ℃，待濕基含水量降至18%，停止熱泵干燥，轉為熱風干燥，設置熱風干燥溫度為50 ℃；

轉換點含水量設定：設置熱泵干燥溫度為40 ℃，待含水量降至14%、16%、18%、20%、22%，轉為熱風干燥，設置熱風干燥溫度為50 ℃；

熱風干燥溫度設定：設置熱泵干燥溫度為40 ℃，待含水量降至18%，停止熱泵干燥，轉為熱風干燥，設置熱風干燥溫度為40、45、50、55、60 ℃。

1.3.3 響應面優化實驗

以熱泵干燥溫度(A)、轉換點含水量(B)、熱風干燥溫度(C)為自變量，研究3個因素與聯合干燥紅薯葉復合面條單位能耗、有效水分擴散系數、煮制吸水率和煮制損失率的關系。實驗因素水平見表1。

表1 實驗因素水平表

1.4 指標測定

1.4.1 單位能耗的測定

干燥能耗以每1 g水分的能耗(kJ)計算，干燥過程的總脫水量和干燥能耗參考文獻[17，18]計算。

1.4.2 干基含水量的測定

干基含水量按式(1)計算[19]。

(1)

式中：Mt、M1為任意干燥時間t時面條的質量和鮮濕面條的初始質量/g；X為任意干燥時間t時面條的干基含水量/g/g；ω1為初始濕基含水量/g/g。

1.4.3 有效水分擴散系數的測定

假設面條是一個長方體模型(250 mm×3 mm×1 mm)，其長度遠大于寬度和厚度，面條中水分主要沿其寬(x)、厚(y)2個方向進行擴散，故可把水分擴散方式看作是二維平面擴散模型[20]，由Newmen可得水分比(MR)，如式(2)所示。

(2)

式中：X0為生鮮復合面條的干基含水量/g/g；Xt為t時刻的干基含水量/g/g；Xe為干燥結束時的干基含水量/g/g；x為復合面條寬度/m；y為復合面條厚度/m。

復合面條中水分擴散可視為一維模型，水分就是從面條中心內部沿直線向外擴散，故由Fick第二定律計算MR，得到式(3)。

(3)

紅薯葉復合面條在干燥過程中，部分水分蒸發，體積微減，其水分散失具有方向性，紅薯葉復合面條有一個比較有規律的組織內部結構，故設定干燥過程中各方向的水分擴散系數相等，即Dx=Dy=Dz=D；b：忽略復合面條體積的變化，Li是定值；c：因復合面條的寬度和厚度遠遠小于復合面條的長度，忽略面條的長度方面的擴散，只考慮復合面條的寬度和厚度兩個方向[19]。當n=0時，聯立式(2)、式(3)，得到式(4)。

(4)

式中：D為有效水分擴散系數/m2/s；Ly為復合面條寬度的一半/m；Lz為復合面條厚度的一半/m；t為干燥所需時間/s；n為實驗組數。

將式(4)兩端取自然對數得式(5)。

(5)

由式(5)可知，lnMR和t有一定的線性規律，通過Origin來線性擬合，擬合得到的斜率即為有效水分擴散系數D。

1.4.4 煮制吸水率的測定

取10根紅薯葉復合面條，稱重后，放入盛有沸水的500 mL燒杯中，用可調式電爐加熱，保持水的微沸狀態，煮至最佳蒸煮時間，用竹筷將面條輕輕撈出，瀝干水分，稱量，按式(6)計算煮制吸水率[21]。

(6)

式中：M為煮制后的紅薯葉復合面條的質量/g；m為煮制前紅薯葉復合面條的原始干物質量/g。

1.4.5 煮制損失率的測定

稱取10.0 g樣品，精確至0.1 g，放入盛有500 mL沸水的燒杯中，用電爐加熱，保持水的微沸狀態，煮至最佳煮制時間，用筷子挑出掛面，把面湯放至常溫后，轉入500 mL容量瓶中定容后搖勻，向恒重250 mL的燒杯倒入50 mL面湯，放在可調式電爐上蒸發大部分水分后，再吸入面湯50 mL，繼續蒸發至近干，放入105 ℃烘箱內烘至恒重，質量記為M，計算煮制損失率。

(7)

式中：P為面條煮制損失率/%；M為100 mL面湯中干燥至恒重的質量/g；W為面條初始含水量/%；G為面條初始質量/g。

1.4.6 綜合評分的測定

本研究將單位能耗、有效水分擴散系數、煮制吸水率、煮制損失率這4個指標的重要性比例設為3∶3∶2∶2進行工藝優化，根據式(8)和式(9)計算綜合評分，其中Σwj=1，設yjmax對應100分，yjmin對應0分，對越小越好的指標前為“-”號，綜合指標越大越好[22]，單位能耗和吸濕性都是越低越好，因此在計算綜合指標時應在單位能耗和吸濕性指標前加“-”號[17]。

(8)

yi*=∑wjyij′

(9)

式中：yij為實際指標值；wj為指標的加權系數；yij′為單個指標評分值；yi*為綜合評分值。

1.4.7 干燥模型的選擇

根據相關薄層干燥模型對最佳工藝下紅薯葉復合面條的干燥曲線進行動力學研究[23-25]，本實驗選用了6種常用的數學模型進行擬合，篩選出最適用于紅薯葉復合面條聯合干燥的模型進行數學表征，數學模型見表2。

表2 干燥數學模型

所有紅薯葉復合面條的水分比MR都為實測值，可通過Origin對模型中水分比MR和時間t的關系進行擬合，擬合得到的模型系數R2、殘差平方和χ2和均方根誤差RMSE決定了該模型的擬合程度，擬合得到的R2越高、χ2和RMSE越低，則表明該模型擬合程度越高，用這種方式來確定紅薯葉復合面條聯合干燥的數學模型，R2、χ2和RMSE指標根據式(10)～式(12)[26]來計算。

(10)

(11)

(12)

式中：MRexp,i為第i時刻測定的水分比；MRpre,i為第i時刻模型擬合預測的水分比；N為實驗重復次數；n為模型參數的數量。

1.4.8 水分分布的測定

實驗測定的是紅薯葉復合面條干燥過程中的水分分布的情況，實驗前用標準樣品進行校準，然后切取干燥過程中長為2 cm的紅薯葉復合面條，輕放于專用試管中緩緩放入分析儀的特定位置，核磁是通過CPMG脈沖序列進行掃描，結果T2即為紅薯葉復合面條的自旋-自旋弛豫時間[17]。分析儀的參數為：主頻SF=21，采樣頻率SW=100 kHz，模擬增益RG1=20，數字增益DRG1=3，前置放大增益PRG=2，采樣點數TD=8 992，采樣間隔時間TW=1 500 ms，回波個數NECH=300，回波時間TE=0.3 ms，累加次數NS=8，每個時間點做3個水平，將檢測結果保存并對T2進行反演，反演迭代100 000次，結果即為T2反演譜[27，28]。

1.4.9 數據處理

運用Origin 8.5和Design-Expert 8.0.6 軟件對紅薯葉粉干燥實驗數據進行分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 熱泵干燥溫度的影響

由圖1可知，隨著熱泵溫度的升高，單位能耗逐漸減小，有效水分擴散系數逐漸增大。單位能耗與熱泵溫度基本上成線性關系，熱泵溫度升高，導致對流密度增加，加速了熱空氣與樣品中水分的交換速度，從而縮短了干燥所需的時間，達到節能的目的；隨著熱泵溫度的升高，紅薯葉復合面條與空氣之間的溫度梯度增大，能有效推動熱量交換，環境溫度升高也會導致相對濕度的降低，推動紅薯葉復合面條水分的遷移，紅薯葉復合面條表面的水分散失到空氣中，內部的自由水分也緩緩向表面遷移，有利于質的傳遞，有效水分擴散系數也就越來越大。熱泵溫度升高到一定程度，有效水分擴散系數升高略平緩是因為熱泵溫度過高，紅薯葉復合面條表面迅速成膜，不利于水分的有效散失，故有效水分擴散系數有一定的下降。煮制吸水率和煮制損失率隨著熱泵溫度升高均呈現先下降后升高的趨勢，煮制吸水率越大說明紅薯葉復合面條的延展性、韌性和適口性較好，煮制損失率較大說明紅薯葉復合面條的組織結構較松散，大部分的淀粉分子被裸露在外，面湯黏糊，面條的口感不清爽。熱泵溫度過高導致面條出現酥面現象，煮制過程吸水率會增大，但增加面條斷裂的幾率，面條斷裂口的淀粉顆粒暴露在外，面條的損失率因此升高。

圖1 熱泵干燥溫度對紅薯葉復合面條品質的影響

2.2 轉換點含水量的影響

由圖2可知，隨著轉換點紅薯葉復合面條含水量的增大，單位能耗逐漸下降，有效水分擴散系數逐漸上升，煮制吸水率和煮制損失率都呈現先下降后增大的趨勢，并均在轉換點含水量16%取得最小值。后期熱風的溫度相對大于前期的熱泵的溫度，轉換點面條含水量越高，就越早進入熱風干燥時期，環境溫度升高了，樣品與環境的溫度差增大，加速了物料與空氣之間質熱的傳遞，縮短了樣品到達終點的干燥時間，干燥能耗因此逐漸減小，但轉含水量過大，過早轉入熱風干燥，高溫使面條表皮過早形成一層硬皮，阻礙了面條內部大部分自由水的散失，因此干燥時間的下降速率降低，所以轉換點含水量過大單位能耗的增率下降。轉換點含水量高，進入后期熱風干燥越早，面條的水分散失速率越高，所需的干燥時間越短，能耗降低，有效水分擴散系數因此增大。紅薯葉復合面條的轉換點含水量在一定方面影響了面條的煮制特性，含水量過大轉入后期的高溫環境，面條還未成型，面條中還有大部分自由水，面條表面就形成較厚的酥面層，嚴重影響了煮制過程水分的吸收，導致面條的斷裂，煮制損失率增大。

圖2 轉換點含水量對紅薯葉復合面條品質的影響

2.3 熱風干燥溫度的影響

圖3為聯合干燥中后期的熱風溫度對紅薯葉復合面條的單位能耗、有效水分擴散系數、煮制吸水率和煮制損失率的影響。熱風溫度升高，單位能耗逐漸下降，有效水分擴散系數逐漸上升，前期熱泵低溫干燥主要是除去面條大部分的自由水，使面條的品質有一定的保證，后期熱風高溫干燥是去除面條中的弱結合水和強結合水，高溫加速了水分子的運動，縮短了面條內部與外部的熱交換時間，故熱風溫度越高，干燥時間越短，所需的能耗越低，單位能耗降低，有效水分擴散系數增大。雖然提高熱風溫度降低了能耗，但過高的溫度使面條表面硬化，表面的淀粉迅速形成一層阻礙膜，面條變得硬化，影響了面條的彈性和延展性，導致面條在沸水中不耐煮，未達到最佳煮制時間就已經斷裂，斷裂口表面粗糙，淀粉分子和紅薯葉粉暴露在外，因此增大了煮制損失率，吸水率也增大，但適口性降低，咀嚼時稍有粘牙。

圖3 熱風干燥溫度對紅薯葉復合面條品質的影響

2.4 響應面優化設計與分析

通過響應面法研究熱泵干燥溫度(A)、轉換點含水量(B)和熱風干燥溫度(C)三個因素對單位能耗、有效水分擴散系數、煮制吸水率和煮制損失率的綜合評分值進行優化設計，實驗設計與結果見表3。

通過Design-Expert 8.0.6 軟件對表3的數據進行分析得出的方差分析結果見表4。綜合評分值與熱泵溫度、轉換點含水量和熱風溫度都極顯著(P<0.01)。以綜合評分值為響應值，經過擬合得到回歸模型，該模型方程為：綜合評分值=19.84+14.15A+9.22B-2.15C-3.29AB+1.52AC-1.6BC-13.97A2-11.59B2-9.25C2。該模型的F值為324.85，P<0.000 1，說明該模型極顯著。模型的校

表4 回歸方程方差分析表

2.5 響應面優化與驗證

運用Design-Expert 8.0.6做出的AB相互作用響應面曲線較陡對綜合評分值影響最大(P<0.01)，影響極顯著；因BC和AC相互作用曲線較為平緩，對綜合評分值影響相對減小(P<0.05)，影響顯著。各個交互作用影響的主次為：AB>BC>AC。通過模型模擬優化聯合干燥紅薯葉復合面條的最佳工藝為：熱泵干燥溫為44.60 ℃、轉換點含水量為19.36%、熱風干燥溫度為48.92 ℃，綜合評分值為24.79，考慮實驗的可操作性，最終調整聯合干燥紅薯葉復合面條的工藝參數為：熱泵干燥溫為45 ℃、轉換點含水量為19%、熱風干燥溫度為49 ℃，在此條件下進行驗證在此條件下進行驗證實驗，進行3次重復實驗并求其平均值，此時單位能耗為4 350.12 kJ/g、有效水分擴散系數為6.38×10-10m2/s、煮制吸水率為105.91%、煮制損失率為13.93%，綜合評分值為(24.49±0.16)，與預測值擬合度達98.79%，相對誤差約為1.21%，表明由該多元二次回歸模型獲得工藝參數可靠系數高，較適合熱泵-熱風聯合干燥紅薯葉復合面條制粉。

2.6 干燥模型的選擇及驗證

紅薯葉復合面條的最佳聯合干燥參數為熱泵干燥溫度45 ℃、轉換點含水量0.19 g/g、熱風干燥溫度49 ℃，在此條件下對6個國內外常用的干燥模型進行模擬，模擬結果如表5。其R2大于0.99的有Modified page 模型、Midilli模型和Two-term模型。R2較大同時χ2和RMSE值較小，模型的模擬度越高，更能作為樣品的模型。 Midilli模型的R2為0.998 3最大、χ2為0.001 54和RMSE值為2.195 78×10-4均為最小，表明Midilli模型對紅薯葉復合面條干燥過程的擬合優度較高，模擬值與觀測值的誤差較小，故Midilli模型可用來表征紅薯葉復合面條聯合干燥過程。

表5 不同干燥模型的分析結果

可通過方差分析來檢驗Midilli模型的擬合優度，分析結果見表6，分析方程極顯著(P=0.001)，即證實了Midilli模型可用來表征紅薯葉復合面條在熱泵-熱風聯合干燥過程中水分遷移變化規律。根據實驗數據分析得，紅薯葉復合面條在最佳聯合干燥工藝參數下的數學模型表征公式為：MR=0.998 45exp(-1.729 37t0.641 89)-0.060 15t。

表6 回歸方程的方差分析

選取與聯合干燥最佳參數不同的實驗干燥參數對Midilli模型進行驗證。驗證實驗的干燥參數設置為熱泵干燥溫度40 ℃、轉換點含水量18%、熱風干燥溫度50 ℃，實驗重復3次，最終與模型擬合，擬合效果如圖4所示。模型的決定系數R2=0.997 8，觀測值與模擬值能較好擬合，說明Midilli模型能夠較好地表征紅薯葉復合面條聯合干燥的干燥規律，可用來預測紅薯葉復合面條干燥過程中的水分變化規律。

圖4 紅薯葉復合面條的干燥模型與預測值比較

2.7 紅薯葉復合面條的水分分布

LF-NMR主要通過對縱向弛豫時間T1、橫向弛豫時間T2和自擴散系數的測量來反映出氫質子的運動性質[29]。圖5為紅薯葉復合面條聯合干燥過程中弛豫時間T2的反演瀑布圖譜。每個干燥時刻均有2～3峰，代表著3種狀態的水，以干燥初期紅薯葉復合生鮮面條的水峰狀態分為強結合水、弱結合水和自由水，不同波峰對應的弛豫時間記為強結合水T21(0.01～0.658 ms)、弱結合水T22(0.658～10.723 ms)和自由水T23(10.723～10 000 ms)，最初相應的峰面積為A21為207.032(6.677%)、A22為2 853.491(92.032%)、A23為40.033(1.291%)。在干燥初期，紅薯葉復合面條的弱結合水比例最高，強結合水次之，自由水最低，這可能是因為紅薯葉粉中膳食纖維的吸水能力，大部分水都以弱結合水的形式存在與面條結構。隨著干燥的進行，強結合水、弱結合水和自由水的弛豫時間均有所下降，峰值均左移，弱結合水的峰值變化最大，動態向強結合水和自由水轉化。干燥終期峰面積A21為513.659(54.654%)、A22為391.469(41.653%)、A23為34.712(3.693%)，整個干燥過程中，所有的水分都有所減少，但相對比例變化不同，由圖6更能直觀地看出紅薯葉復合面條干燥過程中各相態水分比例變化，大部分弱結合水自由度逐漸降低轉化為強結合水，紅薯葉復合面條中大分子物質如淀粉、蛋白質和膳食纖維等結合更為緊密，自由水的含量變化不大，但峰面積比例有所增加是因為弱結合水的含量減少，相對比例因此提高，還表明極小量水分的自由度增大，干燥末期中的紅薯葉復合面條中存在自由水，這與魏益民[30]對掛面研究結果的結論一致。

圖5 紅薯葉復合面條聯合干燥過程中T2圖譜

圖6 紅薯葉復合面條干燥過程中各相態水分比例變化

3 結論

熱泵干燥溫度、轉換點含水量和熱風干燥溫度與聯合干燥的有效水分擴散系數成正相關，干燥時間縮短，能耗降低，復合面條的煮制吸水率和煮制損失率呈現先減小后增大的趨勢，煮制特性具有適宜性，故需尋其最佳工藝。通過響應面法對干燥參數進行優化，對其綜合評分影響的主次為：熱泵干燥溫度>轉換點含水量>熱風干燥溫度，根據實際生產熱泵-熱風聯合干燥參數優化的結果為：熱泵溫度45 ℃、轉換點含水量19%、熱風溫度49 ℃。最佳聯合干燥參數的干燥模型中，Midilli模型的R2最大，擬合優度最高，最能表征紅薯葉復合面的干燥規律。LF-NMR結果表明：紅薯葉復合面條弱結合水比例最高，干燥終期，自由水減少，水峰下降，紅薯葉復合面條中淀粉、蛋白質和膳食纖維等大分子物質結合更為緊密，可根據水分遷移優化面制品的工藝，實現生產高質量食品的同時降低能耗。