基于氣味檢測的西芹莖熱風微波耦合干燥控制

劉 旭 宋春芳,2

(1. 江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

西芹(ApiumgraveolensLinn.)是一種傘形科屬植物，營養價值高，富含蛋白質、碳水化合物、礦物質和維生素，因具有強烈的香氣被用作食品調味料[1]。由于西芹水分含量較高，儲存和運輸過程中易發生變質，而傳統方法干燥后西芹特有的風味會受損，大大限制了其應用范圍。

熱風微波耦合干燥作為一種較新的干燥方法，將微波和熱風同時作用于物料，由微波將物料內部水分排到表面再由熱風將表面水分蒸發，與傳統的熱風干燥相比可以加快干燥速率。但固定微波功率干燥因升溫快容易造成物料焦糊導致干燥質量較差，而在干燥過程中通過溫度控制微波功率可以有效避免此種情況的發生[2]。

Bindler等[3-4]利用GC-MS或電子鼻研究了不同干燥條件對各物料揮發性成分以及特征香氣的影響。Bi等[5]研究發現，熱風干燥脫水處理會使哈密瓜樣品產生大量酮類物質，并顯著改變其原有風味。Kiani等[6]分析了電子鼻監測薄荷葉干燥的有效性和可行性，干燥材料的最終質量得到了有效改善，干燥時間減少且能源成本降低。

目前，有關西芹及西芹油的風味物質研究較多[7]，但尚未有關西芹干制品的風味及干燥過程中西芹揮發性成分的檢測與控制和將電子鼻應用于熱風微波耦合干燥中實現在線氣味反饋控制的研究。研究擬基于干燥過程溫度、含水率、揮發性氣味的在線檢測，探索不同干燥方式下干燥過程的品質和氣味變化規律，設計一種基于揮發性物質檢測的復合控制策略，使干燥過程朝著保留更多風味物質的方向進行，以得到高風味西芹莖干制品。

1 材料及方法

1.1 材料與儀器設備

1.1.1 材料

新鮮西芹：選擇顏色和形狀均勻且直徑為(9.0±0.5) mm 的芹菜莖，將其切成厚度為(5.0±0.1) mm的薄片，測得西芹莖初始含水率為(95.19±0.15)%，市售。

1.1.2 儀器與設備

熱風微波耦合干燥系統：主要由熱風干燥單元、微波干燥單元、溫度檢測單元、含水率檢測單元、氣味檢測單元及PC控制單元組成(見圖1)，自行改裝；

圖1 試驗設備原理圖[8]

熱風槍：GD850型，廣東高迪電子電器廠；

微波爐：MM720KG1-PW型，廣州美的集團；

光纖傳感器：Lumaprobe DP型，西安和其光電有限公司；

電子秤：ES5000型，天津市德安特傳感計數有限公司；

電子鼻：PEN3型，德國Airsense公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 固定溫度干燥 稱量5組試驗材料，每組(20.0±0.5) g，選擇一組作為新鮮樣品標準樣，其他4組于50，60，70，80 ℃下采用熱風微波耦合恒溫干燥，當濕基含水率降至10%時，停止干燥。每次干燥過程中實時測量并記錄電子鼻響應值、含水率、溫度變化。

1.2.2 復合控制干燥 基于固定溫度的揮發性物質變化規律，設計復合控制策略。干燥開始前，先讀取10個傳感器的值，若所有傳感器表面足夠清潔(響應值≤2)則進行干燥，否則清洗直至達到要求。傳感器2響應值被用于判斷是否發生焦糊，若傳感器2的響應值>5(Sensor 2>5)則暫停干燥以降溫。使用模糊邏輯控制結合比例積分微分(PID)控制，將傳感器7和傳感器9的響應值作為輸入對溫度進行調控，如果干燥過程中傳感器7和傳感器9響應值均在設定范圍內(Sensor 7≤8，Sensor 9≤7)，則保持當前溫度值進行干燥，否則進行升溫或者降溫使傳感器恢復至設定狀態，此時完成一次控溫的調節，以此保證加工過程中萜烯類物質及芳香化合物含量較高的基礎上提升干燥品質并加快干燥速率，循環至西芹莖濕基含水率<10%時干燥結束，其具體控制策略見圖2。

圖2 控制策略流程圖

1.3 指標測定

1.3.1 電子鼻數據 電子鼻采樣使用頂空吸氣法，測定條件：傳感器清洗60 s、歸零10 s、采樣60 s，進樣氣流300 mL/min。完成一次檢測后進行清零和標準化，響應值恢復至初始值開始下一次采樣。采用Winmuster處理分析試驗數據。電子鼻傳感器具體型號及敏感氣體類型見表1，響應值越高說明其對應的敏感氣體類型含量越高。

表1 電子鼻10個傳感器具體參數

1.3.2 揮發性物質成分 采用頂空固相微萃取結合GC-MS分析方法[9]。

1.3.3 含水率及干燥速率 按GB 5009.3—2016執行，并按式(1)、式(2)分別計算西芹莖干基含水率和濕基含水率[10]。

(1)

(2)

式中：

wd——西芹莖干基含水率，%；

ww——西芹莖濕基含水率，%；

mt——西芹莖的實時重量，g；

ms——西芹莖的干物質重量，g。

按式(3)計算西芹莖的干燥速率(Dr)[11]。

(3)

式中：

t1、t2——干燥時間，min；

wd1、wd2——t1、t2時刻對應的干基含水率，%；

Dr——t1—t2的干燥速率，%/min。

1.3.4 復水性 參照Artnaseaw等[12-13]的方法并修改，取10 g西芹莖干制品浸入75 ℃水中10 min，以質量比的形式測量復水率，用吸水紙擦干西芹莖表面水分，稱量復水前后西芹莖質量，按式(4)計算西芹莖復水率。

(4)

式中：

Rr——西芹莖復水率；

Mh——復水后樣品重量，g；

Mi——復水前樣品初始重量，g。

1.3.5 體積收縮率 采用排水法，并按式(5)計算體積收縮率。

(5)

式中：

Sh——體積收縮率；

V0——西芹莖初始體積，cm3；

V——西芹莖干燥后體積，cm3。

1.3.6 色差值 使用便攜式色差儀直接讀取，按式(6)計算色差值。

(6)

式中：

ΔE——色差值；

L——亮度值；

a——紅綠值；

b——黃藍值。

1.3.7 能耗 使用多功能電度表直接測量。

1.3.8 感官評定 參照Li等[14]的方法。選取10名經過系統培訓的食品專業人員，于室溫及熒光燈下對西芹莖干后的色澤、形態和香味進行評定打分，各項指標最高分10分，8～10分為滿意，7～8分為良好，5～6分為合格，3～4分為較差，1～2分為不滿意。

1.4 數據處理

采用IBM SPSS Statistics 26及Origin 2018軟件進行數據分析與繪圖。

2 結果與分析

2.1 揮發性物質變化

2.1.1 恒溫干燥 由圖3可知，傳感器1、3、4、8、10的響應值均趨近1，表明干燥過程中未產生或產生極少的與傳感器相對應的化學物質。傳感器2對應的氮氧化合物總是在發生焦糊和美拉德反應時產生，而焦糊和美拉德反應總會影響干制品的風味及口感，干燥過程中應盡量避免此現象的發生，因此選定傳感器2作為判斷是否發生焦糊和美拉德反應的標志應用于下階段的復合控制中。

圖3 固定溫度干燥傳感器響應值雷達圖

恒溫干燥過程中，傳感器7(硫化物、萜烯類)和傳感器9(有機硫化物、芳香化合物)的響應值最為顯著，且揮發性成分含量均與溫度呈正比，溫度的升高促進了西芹莖中揮發性成分的散失。當干燥溫度為80 ℃時，傳感器7和傳感器9的響應值分別達到了15.338和11.895，表明萜烯和硫化物是西芹主要的揮發性成分，且兩個傳感器對應化合物含量變化在西芹莖切片干燥過程中較易被監測。干燥溫度越高，西芹莖的風味損耗越大，反之降溫能夠保留更多的揮發性物質。故選擇傳感器2、7、9用于復合控制。

2.1.2 復合控制干燥 由圖4可知，傳感器7、9的最大響應值分別為10.454，8.070，均遠遠小于固定溫度干燥的最大值(16.098，13.884)，說明萜烯類物質、芳香化合物類物質的揮發得到了有效抑制。干燥過程中傳感器7的響應值在8上下波動，傳感器9的響應值在7附近，對應物質揮發量均保持在一定范圍內，但干燥后期復合控制下的傳感器9的響應值高于恒溫干燥，造成了一定的揮發性物質損失，其原因可能是干燥后期為了加快干燥速率提升了干燥溫度，而升溫則會增加揮發物質的散失。

圖4 干燥過程中傳感器7和傳感器9的響應值變化

2.1.3 GC-MS分析 由表2可知，烯烴類和酯類物質是新鮮樣揮發性物質中成分含量最高的兩種物質，可以將其作為西芹風味物質典型成分。不同干燥方式對烯烴類和酯類含量產生不同程度的影響，其中復合控制得到的干制品的烯烴類和酯類含量均高于恒溫干燥的。酯類物質隨干燥溫度升高含量降低，而烯烴類物質變化略復雜(先降低后升高)，其原因可能是新鮮西芹中原有的烯烴類物質揮發后，溫度的升高促成了新的烯烴類物質的生成，與Kwasnica等[15]的結論一致。綜上，復合控制保留的揮發性物質更多，干制品保留的風味也更好。

表2 不同干燥方式下各類揮發性物質含量?

2.2 干燥速率與干燥特性

由圖5可知，西芹莖的濕基含水率隨干燥時間的增加而降低，溫度越高干燥所需時間越短，水分降低越快。當干燥溫度為50，60，70，80 ℃時，干燥時間分別為144，88，63，40 min。一定溫度范圍內，干燥溫度越高，物料和環境(熱風)之間的溫差越大，越有利于物料中水分的蒸發，干燥速率也越大。

圖5 西芹莖的干燥特性和干燥速率

不同干燥溫度下西芹莖干燥過程均以降速干燥階段為主，可能是因為干燥初期溫度較高，西芹莖表面和內部的水分快速蒸發，使干燥速率上升至峰值，隨著自由水含量降低以及其結構發生較大的變形，干燥過程中傳熱傳質受到阻礙，干燥速率逐漸下降直至干燥結束。復合控制下的濕基含水率和干燥速率均在干燥溫度為60～70 ℃的干燥曲線間波動。由于干燥過程中揮發性物質含量變化導致不斷調控溫度，干燥速率呈4個變化階段：先上升后下降，再上升后下降，干燥初期迅速升溫提升干燥速率，在揮發性物質含量急劇增加后降溫以保留更多的揮發性成分，干燥后期揮發性物質散失減少再升溫加快干燥。說明可以在較大區間內調控溫度，在保證干燥速率的同時降低傳感器的響應值即減少揮發性物質的散失。

2.3 干燥品質

由表6可知，復合控制得到的西芹莖體積收縮率為(0.568±0.040)，低于4個恒溫干燥的。恒溫干燥80 ℃下得到的西芹莖的復水率最高為(2.29±0.09)，其原因可能是較高的溫度和最短的干燥時間改變了西芹莖的內部結構從而促進了復水[16]，復合控制得到的復水率為(2.038±0.140)，僅低于80 ℃恒溫干燥的。80 ℃恒溫干燥的能耗最少(0.633 kW·h)，其干燥溫度高干燥速率快從而干燥時間最短；復合控制的能耗(1.06 kW·h)略高于70 ℃恒溫干燥的(0.997 kW·h)，低于50 ℃和60 ℃恒溫干燥的。

表6 西芹莖的體積收縮率、復水率、能耗、色差與感官評價

復合控制得到的西芹莖色差為(16.313±1.745)，優于4個恒溫干燥的，其原因可能是復合控制一定程度上抑制了干燥過程中的褐變和美拉德反應[17]。復合控制得到的西芹莖感官評分最高為28.9，優于其他干燥方式，原因是復合控制在抑制褐變的基礎上保留了西芹更多的揮發性物質，在保證品質的前提下相對縮短了干燥時間，得到了品質更好的干制品。綜上，復合控制方式的干燥效果最優，更適合生產高品質西芹莖。

3 結論

設計了基于氣味檢測的西芹莖熱風微波耦合干燥系統。結果表明，相較于恒溫干燥，添加了在線氣味檢測的復合控制干燥顯著降低了電子鼻傳感器的響應值，西芹特征氣味中含量最豐富的烯烴類和酯類物質保留得最多，同時在干燥速率和干后品質之間取得了良好的平衡，得到了色差和感官評價最優的西芹莖。后續可根據復合控制中揮發性物質變化規律將其簡化為不依賴于電子鼻的線性控溫干燥，使其更適用于大規模的工業生產。