胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥特性及干燥品質

效碧亮，效碧彩

蘭州信息科技學院（蘭州 730030）

胡蘿卜又名紅蘿卜、葫蘆菔金、赤珊瑚、黃根、金筍、紅根等[1]，具有較高的營養價值，含有鈣、鋅、鐵等多種微量元素和8種人體必需的氨基酸及膳食纖維，特別富含β-胡蘿卜素，是一種營養豐富的蔬菜[2]，享有“小人參”“金筍”的美譽。然而，胡蘿卜含水量高，新鮮的胡蘿卜易因有害微生物、自身酶促作用而發生腐爛變質，因此，將其脫水制干是較好的貯存方式之一。

胡蘿卜傳統的、被廣泛使用的制干技術為熱風干燥，隨后出現微波熱風耦合干燥[3]、真空干燥、真空冷凍干燥[4-5]、微波真空干燥[6]及真空微波與冷凍組合干燥[7]等。宋宇等[8]對比熱風干燥、真空干燥和熱泵干燥對胡蘿卜干燥時間、產品色差值和變形程度等的影響，結果表明真空干燥優于熱泵干燥，后者優于熱風干燥。Nahimana等[6]研究微波真空干燥過程中胡蘿卜收縮和色差值變化，結果表明該法會顯著導致類胡蘿卜素損失。李瑞杰等[9]研究熱風干燥、冷凍干燥、真空微波干燥、冷凍與真空微波干燥對胡蘿卜維生素C、胡蘿卜素、色差值、膨化率、干燥時間及吸濕率等的影響。蔣贛等[10]比較熱風干燥、紅外干燥、吸附干燥和微波干燥對干燥速度、維生素C含量、復水性及感官品質的影響，其中紅外干燥產品復水效果較好，吸附干燥能較好地保留維生素C和感官品質。除了干燥技術的相關報道之外，干燥前期預處理也有許多研究，如Wiktor等[11]利用脈沖電場處理胡蘿卜以提高產品水分有效擴散和改善產品明度和色度。

熱風干燥設備簡單、成本低、產量高，然而其周期長、干燥品質較差；微波真空和冷凍聯合干燥膨化率、口感及吸濕性較好，但不能較好地保留胡蘿卜素和色差值；真空冷凍干燥工業化生產有一定應用，常用于對品質要求較高果蔬，可最大限度保持果蔬的原有品質、色差值和好的復水性[12]。紅外干燥速率快，然而營養成分保留效果差，吸附干燥能很好地保留色差值、營養和香味，但其耗能耗時。干燥前期預處理使干燥工藝復雜化，易導致營養損失。綜上所述，開發一種工藝簡單、營養損失少、干燥時間短的胡蘿卜干燥技術具有非常重要的意義。

尚無報道胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥技術，鑒于此，運用該技術制干胡蘿卜并研究其干燥特性及干燥品質，為胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥工藝優化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料

新鮮胡蘿卜（購自當地菜市場），要求新鮮、無病蟲害及機械損傷；初始濕基含水量為80%～90%，采用GB 5009.3—2016《食品中水分的測定》測定。

1.1.2 試劑

2, 6-二氯靛酚、偏磷酸、草酸、碳酸氫鈉（均為分析純，天津富裕精細化工有限公司）；L（+）-抗壞血酸標準品（上海索萊寶生物科技有限公司）。

1.1.3 儀器與設備

真空-旋蒸聯合干燥裝置主要由真空系統（真空隔膜泵、真空調節裝置、真空管路等）、加熱（水浴）與干燥系統、冷卻系統和控制系統等組成。為提高旋蒸制干一次干燥量，對干燥瓶進行改造設計，定制使用。設計要求為在干燥瓶內壁設計一些凸起，凸起分布為在瓶底中心設一個1 cm高的突起，以該凸起為中心，每隔3 cm設計1圈凸起。每圈凸起之間間隔相等，且相互之間交替排布。同時干燥瓶設計物料進出口。

DHG-9425A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司）；DZF-6020真空干燥箱（寧波江南儀器廠）；NS800分光測色儀（深圳市三恩時科技有限公司）；CHD-100切丁機（山東銀鷹炊具機械有限公司）；W300真空保鮮包裝機（東莞市益健包裝機械有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗方法

根據前期預試驗結果和相關參考文獻，分別研究干燥溫度（60，65，70和75 ℃）和干燥轉速（0，60，120和180 r/min）對胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥特性及干燥品質的影響。每組試驗取新鮮胡蘿卜，用切丁機將樣品按照要求切丁，取樣量210 g（由前期研究結果確定得出），對其進行干燥，每隔100 min稱重，直至干燥到濕基含水率3%以下（便于干燥后制粉）[13]，取出冷卻后真空包裝。每組試驗重復3次。具體試驗安排如表1所示。

表1 試驗設計和試驗參數

1.2.2 干燥參數的計算

干燥參數的計算參考喬宏柱等[13]的方法，并將參數單位進行更改，干基含水率單位由g/g改為%，干燥速率單位由g/（g·min）改為%/h。

胡蘿卜干燥過程中干燥曲線采用水分比（moisture ratio，MR）隨時間變化的曲線。不同干燥時間胡蘿卜水分比的計算如式（1）所示。

式中：M0為物料初始干基含水率，%；Mt為物料在t時刻的干基含水率，%。

胡蘿卜干燥過程中的干燥速率（drying rate，DR）采用式（2）計算。

式中：DR為干燥過程中t1和t2之間物料降水率，%/h；Mt1和Mt2分別為t1和t2時刻的干基含水率，%。

干基含水率（moisture content on dry basis）采用式（3）計算。

式中：Wt為任意時刻物料總質量，g；G為干物質質量，g。

1.2.3 品質指標的測定

1.2.3.1 維生素C含量采用GB 5009.86—2016《食品中抗壞血酸的測定》[14]2, 6-二氯靛酚滴定法測定。

1.2.3.2 色度差

以新鮮胡蘿卜為對照，采用分光測色儀進行色差的測定。首先將胡蘿卜干粉碎，過0.150 mm（100目）篩，測定其色差值明亮度L*，紅綠值a*和藍黃值b*，每組測定3次，取平均值，計算色差值差異值ΔE*值進行綜合評價[15]，以鮮胡蘿卜色差值參數L0*、a0*、b0*作為胡蘿卜色差ΔE*值的參照。其中，ΔE*值就是鮮胡蘿卜與干燥后胡蘿卜的色度差。

1.2.4 數據處理

通過Excel完成單因素試驗原始數據的整理，誤差、方差分析和多重比較的計算，運用Oringin 8.0完成所有圖的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同干燥溫度對胡蘿卜干燥特性的影響

在干燥轉速120 r/min、切片厚度6 mm條件下，不同干燥溫度條件下胡蘿卜的干燥曲線如圖1所示。由圖1（a）可知，干燥溫度在60，65，70和75 ℃時胡蘿卜達預期含水量所需干燥時間分別為700±7，650±5，500±5和450±6 min，干燥溫度對胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥特性有顯著影響（p＜0.05），與60 ℃相比，75 ℃干燥時間縮短35.71%。雖然溫度越高，物料水分擴散速率越快，干燥時間越短，但溫度過高易導致胡蘿卜營養成分β-胡蘿卜素和維生素C等的氧化和結構破壞嚴重，同時細胞因受損嚴重而導致復水效果下降，因此選擇70 ℃較佳。

從圖1（b）可看出，在其他條件一定的情況下，干燥速率隨著干燥溫度、干基含水率的增大而增大。干基含水率大于50%時，溫度越高，干燥速率增加幅度越快，在干燥溫度60～75 ℃有極顯著差異（p＜0.01），這是因為在干燥前期，物料的含水率較高，溫度越高，物料脫水速率就越快。不同干燥溫度下，胡蘿卜在整個干燥過程中干燥速率逐漸降低，沒有恒速階段，每個干燥過程均屬于典型降速干燥。大多數農產物料的干燥都屬于降速干燥，這是由于水分在物料內部擴散速度低于表層蒸發速度所致[17]。

圖1 不同干燥溫度下胡蘿卜的干燥曲線和干燥速率曲線

2.2 不同干燥轉速對胡蘿卜干燥特性的影響

胡蘿卜不同干燥轉速條件下的干燥曲線如圖2所示。由圖2（a）可知，在干燥溫度70 ℃，切片厚度6 mm，干燥轉速分別為0，60，120和180 r/min條件下，胡蘿卜達到目標含水量所需干燥時間分別為800±7，600±6，500±7和400±8 min。由此可見，隨著干燥轉速的增大，干燥時間顯著縮短，說明干燥轉速對胡蘿卜真空-旋蒸干燥特性有極顯著影響（p＜0.01），利于提高胡蘿卜干燥速率和干燥效果的關鍵因素之一。這是因為真空-旋蒸聯合干燥以傳導傳熱方式使物料內水分受熱往外擴散，在物料瓶帶動物料旋轉時，不僅使物料在整個干燥過程中受熱均勻，而且在抽真空作用下會使物料表面及系統內水分快速進入冷卻系統被排出，旋轉速度越快，這一效果越顯著。但轉速越高，耗能越大，綜合考慮，選擇120 r/min為較適。

由圖2（b）可看出，干燥轉速對胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥速率有極顯著影響。干燥初期干燥速率相對較慢，這一階段屬于預熱階段，物料瓶與物料溫度均上升較慢，影響胡蘿卜脫水速率。干燥轉速不僅影響物料前期干燥速率，對后期含水率較低物料影響更大，干基含水率小于50%時，結合水多于自由水，干燥速率較慢，然而180 r/min轉速的物料干燥速率較其他轉速有極顯著差異。說明真空-旋蒸干燥有助于提高物料后期干燥速率。

圖2 不同干燥轉速下胡蘿卜的干燥曲線和干燥速率曲線

2.3 不同試驗條件對胡蘿卜維生素C含量的影響

胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥不同試驗條件對胡蘿卜維生素C含量的影響試驗結果如圖3所示。真空干燥溫度和干燥轉速對胡蘿卜維生素C含量均有顯著影響（p＜0.05），但影響變化趨勢各有不同。隨著溫度上升，維生素C含量呈現先上升后下降趨勢，干燥溫度為70 ℃時維生素C含量最高，9.73±0.07 mg/100 g。當低于或高于70 ℃時，較長干燥時間或較高溫度干燥都導致維生素C氧化。值得一提的是，較其他溫度，60℃試驗結果最低，進一步說明過長的干燥時間是導致胡蘿卜維生素C含量下降的主要因素，縮短干燥時間是保留維生素C含量的有效措施。隨干燥轉速增大呈現先下降后上升趨勢，轉速180 r/min時維生素C含量最高，因干燥時間最短，轉速0 r/min次之，靜態干燥降低物料受機械損傷的程度，從而減少了維生素C的損失。

圖3 不同試驗條件下的胡蘿卜維生素C含量

2.4 不同試驗條件對胡蘿卜色差值的影響

根據表1試驗設計研究不同試驗條件對胡蘿卜干色差值的影響，結果如圖4所示。真空干燥溫度、干燥轉速和切片厚度對色差值綜合指標ΔE*值均有顯著影響（p＜0.05），ΔE*越小，說明胡蘿卜干色差值與鮮樣色差值差異越小，色差值越好。在干燥溫度60～70 ℃之間，ΔE*值無顯著差異，但均大于干燥溫度75℃時的ΔE*值。胡蘿卜呈色成分主要為胡蘿卜素，說明胡蘿卜素對溫度的變化不是非常敏感，同時低溫導致的較長干燥時間對其也沒有產生較大影響，這一結果說明胡蘿卜呈色物質在一定真空度和轉速條件下，對較長時間加熱干燥較為穩定。隨著干燥轉速的增大，干胡蘿卜色差值ΔE*值呈現先上升后下降趨勢，這一結果與胡蘿卜干產品外表呈色相一致，即在0和180 r/min條件下制干產品色差值更接近于鮮樣，呈色與外形自然。這一機理需進一步研究。

圖4 不同試驗條件下的胡蘿卜色差值

3 結論

真空旋蒸干燥溫度、干燥轉速對胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥特性有顯著影響（p＜0.05），隨著干燥溫度、干燥轉速增大，胡蘿卜干燥時間大幅縮短，最短干燥時間分別為450±6 min和400±8 min。

真空旋蒸干燥溫度、干燥轉速對胡蘿卜干燥品質也具有顯著影響（p＜0.05）。其中干燥溫度對胡蘿卜維生素C含量影響較大，對色差值的影響較小，干燥轉速對胡蘿卜維生素C含量和色差值均有顯著影響，因此干燥轉速是影響胡蘿卜真空-旋蒸聯合干燥的關鍵因素之一。

根據試驗結果，當胡蘿卜真空-旋蒸干燥溫度、干燥轉速和切片厚度分別選擇70 ℃、120 r/min時，干燥時間較短，且品質較高，為該方法工藝優化提供理論依據。