熱風-紅外分段組合干燥對帶殼鮮花生品質的影響

寧陽陽,朱文學,2*,白喜婷,2,羅磊,司夢佳

1(河南科技大學 食品與生物工程學院,河南 洛陽,471023) 2(農產品干燥技術與裝備河南省工程技術研究中心,河南 洛陽,471023)

花生(ArachishypogaeaL.)又稱落花生,地果和香果,屬薔薇目,豆科一年生草本植物。花生是我國重要的經濟作物和油料作物,是可食用性植物油脂和植物蛋白質的重要來源[1],據測定,花生中脂肪含量50%左右,較油菜籽、大豆和棉籽高[2]。此外,花生還具有延緩衰老、抗腫瘤等功效,享有“長生果”之美譽[3]。然而,花生的收獲季節多是陰雨天氣,且剛收獲的花生含水率較高,常因花生晾曬不及時而發生霉變,嚴重影響花生的后續加工,大大降低了花生的利用率。據統計,每年因干燥不及時對花生產業造成的損失量約占花生總產量的13%,損失金額高達10億元[4-5]。目前,我國花生干燥方式多以自然晾曬為主,干燥周期長,受天氣影響較大,且勞動強度大。因此,探求更為高效的帶殼鮮花生干燥方法對提高花生綜合利用率,促進我國花生產業的健康發展十分重要。

近年來,國內外學者對花生干燥進行了一系列的研究。顏建春等[6]、林子木等[7]、渠琛玲等[8]、王安建等[9]分別采用固定床通風干燥、熱風干燥(hot air drying,HAD)、常溫通風干燥、熱泵干燥的方法對花生的干燥特性進行了研究,并進行了工藝優化。PATIL等[10]對花生籽粒采用160 ℃、10 min熱風處理的方法,得出蛋白質性能得到提高的結論。然而在實際生產中,這些干燥方法使花生內部水分難以向外擴散遷移,導致了干燥時間長、營養成分損失大、能量消耗高[11-12]等問題。還有學者將聯合干燥的方法用于花生干燥。王招招等[13]、凌錚錚等[14]對花生熱風耦合微波干燥特性及工藝優化進行了研究,該方法縮短了干燥時間,然而微波干燥溫度的不可控性對花生的品質造成了很大的影響。ZENG等[15]采用疊加及變溫的手段,對花生熱風干燥進行了改良。紅外干燥(infrared drying,IRD)是目前干燥加工的新技術,具有效率高、時間短的特點[16],但干燥效率與產品品質無法同時兼顧[17]。因此,為充分利用熱風和紅外干燥的優勢,對采后花生使用熱風-紅外分段組合干燥(sequential hot air-infrared drying,HAD-IRD)技術,即前期利用熱風干燥去除大部分自由水,后期利用紅外干燥去除剩余的少量自由水和結合水的一種新型干燥技術[18],利用紅外干燥的熱量傳遞與水分遷移方向相同的優勢,促進實現快速去除內部弱結合水,縮短干燥時間,提高產品品質的要求。此外,熱風-紅外分段組合干燥技術,目前國內學者相關研究較少,鮮見報道。

本文分別對比了熱風干燥、紅外干燥、熱風-紅外分段組合干燥對帶殼鮮花生干燥特性的影響,及不同干燥條件下熱風-紅外分段組合干燥帶殼鮮花生的干燥特性。并以單一熱風干燥及單一紅外干燥為對照,研究熱風-紅外分段組合干燥因素對花生的微觀結構、硬度、色澤、脂肪酸組成及花生中蛋白結構的影響,以期為帶殼鮮花生干燥向高效節能方向發展提供技術和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試驗所用帶殼鮮花,購自云南紅河。選取大小均勻,顆粒飽滿的花生,去除泥沙后,用自封袋密封,并置于冰箱中4 ℃冷藏備用,試驗前恢復至室溫(20 ℃)后使用。

溴化鉀為光譜純,正己烷、甲醇為色譜純,氫氧化鉀、氫氧化鈉、無水硫酸鈉等為分析純。

1.2 儀器與設備

DHG-9140A(2 050 W)電熱鼓風干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司;XMT-G5000(1 200 W)紅外輻射干燥箱,上海聚辰科學儀器有限公司;TM3030 Plus掃描電鏡,日立高新技術公司;SMS TA.XT食品物性分析儀,英國Stable Micro Systems公司;X-rite Color 15型色差計,美國愛色麗公司;TSQ9000氣相色譜-三重四級桿串聯質譜儀,美國賽默飛世爾公司;VERTEX70傅立葉變換中遠紅外光譜儀,德國BRUKER公司;JY30002電子天平,上海良平儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 帶殼鮮花生不同干燥方法對比試驗

為探求更合適的干燥方式,參考花生及相關油料作物干燥的相關報道[7,19],對帶殼鮮花生采用3種不同的干燥方式進行干燥。根據預試驗的較優結果,在同一溫度水平下進行帶殼鮮花生的干燥,參數設置如表1所示。

表1 干燥方式及參數設置Table 1 Drying method and parameter setting

1.3.2 帶殼鮮花生熱風-紅外分段組合干燥單因素試驗

通過預試驗及相關報道[20-21]的研究發現,熱風-紅外分段組合干燥中最重要的工藝參數是確定熱風干燥后物料含水率,即2種干燥方法在何時轉換(轉換含水率)。其次,干燥溫度也會影響帶殼鮮花生干燥時間和品質[14]。因此選取干燥溫度和轉換含水率2個因素作為組合試驗的單因素。每次試驗取花生(130.00±5.00)g,薄層均勻攤開。具體步驟為：a)設置干燥溫度為50 ℃,將帶殼鮮花生置于熱風干燥箱中,分別干燥至不同的干基含水率(15%、20%、25%、30%、35%),然后轉用紅外干燥;b)將帶殼鮮花生置于不同溫度(40、50、60、70 ℃)的熱風干燥箱中,干燥至干基含水率為30%。然后,轉用紅外干燥(紅外干燥溫度與熱風干燥溫度相同)至目標干基含水率為7%～8%。

1.4 分析測定方法

1.4.1 初始含水率測定

根據GB/T 144891—2008《油料水分及揮發物含量測定》測定帶殼鮮花生的初始干基含水率[22]。

1.4.2 含水率測定

干基含水率計算如公式(1)所示：

(1)

式中：Wt為干燥時間t時帶殼鮮花生的干基含水率,%;Mt為干燥時間t時帶殼鮮花生的質量,g;Mg為帶殼鮮花生絕干時的質量,g。

1.4.3 干燥速率的測定

干燥速率計算如公式(2)所示：

(2)

式中：U為干燥時間t時帶殼鮮花生的干燥速率,%/h;Δt為2次取樣間隔時間,h。

1.4.4 總能耗的計算

總能耗計算如公式(3)所示：

Q=P1t1+P2t2

(3)

式中：Q為帶殼鮮花生干燥過程的總能耗,kW·h;P1、P2分別為熱風干燥設備、紅外干燥設備的功率,kW;t1、t2分別為熱風段、紅外段的干燥時間,h。

1.4.5 微觀結構觀察

參照相關研究[23],取干燥后花生仁樣品(厚度約1 mm),黏在載物臺雙面導電膠上,放大200倍觀察干燥后花生的微觀結構。

1.4.6 硬度特性的測定

由于花生樣品具有不規則的特點,因此選擇穿刺試驗以方便有效地表現其硬度特性。穿刺試驗參考盧映潔等[24]的試驗方法。參數如下：探頭類型P/2 mm,測前速率0.8 mm/s,測試速率0.5 mm/s,測后速率0.8 mm/s,壓縮程度40%,觸發感應力10 g。

1.4.7 色澤的測定

使用色差計對色度進行測定,結果采用L*值(明/暗)、a*值(紅/綠)、b*值(黃/藍)和色差ΔE值表示。每組樣品測定3次,ΔE計算如公式(4)所示：

(4)

式中：L*、a*和b*為物料干燥后的色度值;L0、a0和b0為新鮮樣品的色度值;ΔE為干燥后物料與干燥前物料之間的色度差異,其值越小表示色澤保留越好。

1.4.8 脂肪酸的測定

采用GC-MS儀對花生中的脂肪酸進行測定。參考陳拾旸等[25]的方法,并作出修改：樣品脂肪酸甲酯化修改為：取200 mg油樣,移入10 mL具塞試管中,加入0.8 mL、2 mol/L氫氧化鉀-甲醇溶液,超聲處理10 min,加入4.0 mL正己烷,漩渦振蕩2 min后靜置片刻,加入0.5 g無水硫酸鈉,混勻,靜置分層取上層液,過0.22 μm濾膜,準備進樣。色譜條件修改為：進樣口溫度230 ℃;進樣量1 μL;分流比100∶1。質譜條件修改為：傳輸線溫度280 ℃;離子源溫度240 ℃。

1.4.9 花生蛋白結構的測定

參考嚴永紅等[26]的方法提取花生蛋白,其中提取花生蛋白原料為提油后的花生粕,以料液比1∶10溶于去離子水中,加入NaOH溶液調節pH后,室溫40 r/min磁力攪拌2 h。

花生蛋白結構采用傅立葉變換中遠紅外光譜法(Fourier transform infrared,FT-IR)：同李響等[27]的方法。

1.5 數據統計與分析

使用OMNIC 8.2軟件及Peakkit 4.0軟件對紅外譜圖進行處理;使用SPSS 25.0對數據進行處理分析,繪圖采用Origin 2018軟件。

2 結果與分析

2.1 不同干燥方法對帶殼鮮花生干燥特性的影響

不同干燥方法處理帶殼鮮花生的干燥曲線如圖1所示。其中,紅外干燥所需時間最短,為5.5 h;熱風干燥所需時間最長,為16 h;熱風-紅外分段組合干燥所需時間介于兩者之間,為6 h,較熱風干燥時間節約62.5%。圖中,熱風干燥后期干燥速率迅速減小,致使之后所耗時間約占總干燥時間的一半。這是因為熱風干燥熱量傳遞方向與水分遷移方向相反,同時干燥后期花生仁表面產生了硬化結殼現象,堵塞水分遷移孔隙通道,導致水分難以向外擴散遷移[28]。對比熱風干燥而言,紅外干燥后期無明顯的緩慢干燥階段,是因為紅外具有較強的穿透性,利用紅外線頻率加速物料內部分子振動,使物料內部摩擦產熱而使水分蒸發[29]。因此,選擇在熱風干燥速率明顯降低前,轉換為紅外干燥,可縮短干燥時間。

圖1 帶殼鮮花生在3種干燥方式下的干燥曲線

按公式(3)計算不同干燥方法干燥帶殼鮮花生的總耗能,如表2所示。

表2 不同干燥方式的總耗能Table 2 Total energy consumption of different drying methods

由表2可知,相同初始含水率、相同干燥溫度的條件下,熱風干燥總耗能32.8 kW·h,紅外干燥總耗能6.6 kW·h,熱風-紅外分段組合干燥總耗能9.75 kW·h。總耗能方面,熱風-紅外分段組合干燥較熱風干燥節省能源70.27%。在當前全世界能源較為短缺的大背景下,熱風-紅外分段組合干燥符合資源友好型社會要求。此外,DHG-9140A電熱鼓風干燥箱的功率為2 050 W,XMT-G5000紅外輻射干燥箱的功率為1 200 W,前者近后者功率的2倍。因此,在一定范圍內,縮短熱風干燥時間可減少總能耗,節約能源。

2.2 不同熱風-紅外分段組合干燥條件對帶殼鮮花生干燥特性的影響

2.2.1 轉換含水率對干燥特性的影響

不同轉換含水率下,熱風-紅外分段組合干燥帶殼鮮花生的干燥曲線如圖2所示。干燥溫度50 ℃,轉換含水率為15%、20%、25%、30%、35%條件下干燥花生至目標含水率,分別用時為8、7.5、7、6.5、6 h。圖2中顯示干燥時間隨轉換含水率的增加而縮短,轉換含水率15%下所用干燥時間比35%的干燥時間延長了33.3%。這是因為熱風可迅速帶走帶殼鮮花生表面的水分,但隨著干燥的進行,在熱風干燥后期出現硬化結殼現象,從而導致水分難以向外遷移[28];而紅外線穿透性強,所產生的輻射作用可加速帶殼鮮花生內部分子振動,從而促進水分蒸發[29]。因此提高轉換含水率,可縮短干燥時間,比較預試驗干燥所得花生品質,選取轉換含水率30%而進行后續試驗探究。

圖2 不同轉換含水率下的干燥曲線

2.2.2 干燥溫度對干燥特性的影響

不同干燥溫度下帶殼鮮花生的干燥曲線如圖3所示。干燥溫度為40、50、60、70 ℃,轉換含水率為30%的條件下,干燥時間隨溫度的升高而縮短,干燥至目標含水率,分別用時12、6.5、4.5、4 h。干燥溫度70 ℃所用干燥時間比40 ℃縮短了200%。因為熱風溫度增高,可加速水分子運動,從而加快帶殼鮮花生表面水分遷移,縮短熱風段干燥時間;紅外溫度增高,其輻射能力增強,傳遞給物料的熱量越多,傳熱傳質動力增加,水分遷移及蒸發速度越快,有助于減少紅外段干燥時間[30]。從圖3可以看出,60 ℃與70 ℃干燥總時長相近,結合后續試驗結果,通過比較干燥后花生品質,推薦實際生產中,選擇干燥溫度不超過50 ℃,以減小能耗的同時,保證花生品質。

圖3 不同溫度下的干燥曲線

2.3 不同熱風-紅外分段組合干燥條件對帶殼鮮花生品質的影響

2.3.1 干燥條件對微觀結構的影響

不同轉換含水率條件下帶殼鮮花生的微觀結構如圖4所示。干燥初期,花生仁的細胞結構飽滿且排列較規則,有明顯的網狀結構,網孔邊界清晰。干燥初期,熱風干燥使花生內部組織收縮變形,結構緊密,但空腔較淺。隨著干燥的進行,物料表面產生硬化現象[28],阻礙水分向外遷移,干燥速率減慢。當干基含水率為15%時,細胞已經開始破裂,表面出現顆粒狀結構。干燥后期,紅外輻射引起花生內部分子強烈振動,水分蒸發加快,孔隙數增多[29],顆粒狀結構增多。因花生是含油率較高的一種油料作物,顆粒狀結構為溢出的油脂[24]。不同溫度條件下帶殼鮮花生的微觀結構如圖5所示。干燥前期,隨著干燥溫度升高,干燥至相同含水率所需時間縮短,70 ℃較40 ℃,花生仁的細胞結構更飽滿,排列更規則,網孔邊界更清晰,更有利于水分遷移,因此70 ℃干燥速率大于40 ℃。干燥后期,干燥溫度的升高加劇分子振動,水分蒸發速度增快,花生內部孔隙數量增多,且細胞結構變化加快。同時花生內部孔隙數量增多有利于水分散失,因此干燥后期采用紅外干燥代替熱風干燥提升快干燥速率。

A～E分別為轉換含水率15%、20%、25%、30%、35%;1為干燥轉換點;2為干燥終點圖4 不同HAD-IRD轉換含水率對花生仁微觀結構的影響

F～I分別為干燥溫度40、50、60、70 ℃;1為干燥轉換點;2為干燥終點圖5 不同HAD-IRD干燥溫度對花生仁微觀結構的影響

2.3.2 干燥條件對色澤的影響

不同干燥條件對帶殼鮮花生色澤的影響如圖6所示。與新鮮樣品相比,所有干燥后樣品的色澤均發生變化;與單一熱風干燥及單一紅外干燥樣品對比,熱風-紅外分段組合干燥后樣品色澤更接近新鮮樣品。相較于新鮮樣品,轉換含水率不同時,a*值無顯著性差異(P>0.05),干燥后L*、b*值較新鮮樣品有差異,ΔE值有顯著性差異(P<0.05)。其中轉換含水率30%的色差值ΔE最小,顏色較新鮮樣品最為接近。干燥溫度不同時,隨著溫度的升高,L*值先減小后增大,a*及b*值不斷增大。L*的先減小后增大可歸因于美拉德反應的發生。隨著溫度升高,美拉德反應加速[31],L*值減小,色澤變暗;同時溫度越高,酶促褐變受到的抑制越強,L*值增大。而花生中富含蛋白質及淀粉,在一定條件下,淀粉可轉化為還原糖,引起美拉德反應的發生,產生紅棕色物質[32],數據上表現為a*值增大。b*值的增大可能是因為氧化反應的發生,隨著溫度的升高,氧化反應速度增快。其中干燥溫度50 ℃的色差值ΔE最小,顏色較新鮮樣品最為接近。相較于熱風干燥及紅外干燥樣品,熱風-紅外分段組合干燥樣品的L*、a*及b*值均明顯低于二者樣品。因為熱風干燥時間較長,美拉德反應及氧化反應更完全,而紅外干燥形成的高溫高濕環境也會使美拉德反應增強,從而導致樣品色澤變暗。

a-轉換含水率;b-干燥溫度圖6 不同HAD-IRD干燥條件對花生仁色澤的影響

綜合色澤參數得出,熱風-紅外分段組合干燥更有利于保護花生色澤,轉換含水率及干燥溫度對色澤變化有影響,干燥溫度低于50 ℃有助于更好地保護花生色澤。

2.3.3 干燥條件對硬度的影響

花生作為重要的油料作物的一種,其硬度大小是影響后期加工的重要因素之一。干燥條件對花生仁硬度的影響如圖7所示。花生作為多孔介質物料,干燥過程中多孔介質自然呈現的程度也會影響硬度的大小。熱風干燥會產生硬化結殼現象,在花生表面形成干硬膜;紅外干燥過程,紅外輻射可穿透物料表層,使物料表面及表層的水分迅速蒸發,水分遷移蒸發后易產生孔隙[18],有利于疏松多孔結構的自然呈現,但長時間的紅外干燥易造成樣品表面的“結殼”現象[33]。隨著轉換含水率的增大,熱風干燥時間縮短,紅外干燥時間延長,硬度會逐漸減小。隨著干燥溫度的升高,水分蒸發速度加快,疏松多孔結構的呈現程度增大,花生硬度降低;但干燥溫度過高,會導致花生升溫過快而過度失水硬化,硬度增大。由于熱風干燥時間過長,其表面結殼現象較紅外-熱風分段組合干燥更加顯著,因此熱風干燥所得樣品硬度更高。

2.3.4 干燥條件對脂肪酸組成的影響

脂肪酸組成及含量是評價花生營養品質、油料價值及加工價值的重要指標。花生中的脂肪酸以不飽和脂肪酸為主,其中以油酸、亞油酸含量最多[34],具有抗氧化、降低膽固醇、降血脂、預防心腦血管疾病的作用。按照1.4.8節方法,所得結果如表3、表4所示。

表3 不同轉換含水率對脂肪酸組成的影響 單位：%

表4 不同溫度對脂肪酸組成的影響 單位：%

由表3、表4可知,花生仁中含量較高的脂肪酸有8種,分別是油酸、亞油酸、棕櫚酸、山崳酸、硬脂酸、花生酸、木焦油酸、花生一烯酸。與單一熱風干燥及單一紅外干燥相比,使用熱風-紅外分段組合干燥所得的花生仁脂肪酸含量較高,且差異顯著。其中,飽和脂肪酸(saturated fatty acid, SFA)含量變化不大,而單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acid, MUFA)、多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)含量變化較大,是因為不飽和脂肪酸中含有碳碳雙鍵,其穩定性遠遠低于飽和脂肪酸[35]。受干燥過程中溫度、濕度、氧氣等因素的影響,不飽和脂肪酸會發生一定程度的氧化。相較于熱風干燥,熱風-紅外分段組合干燥時間短,不飽和脂肪酸與氧氣反應時間短;相較于紅外干燥,前期物料快速升溫預熱,但排濕較慢,形成的高溫高濕的環境使不飽和脂肪酸更容易發生氧化[36]。因此熱風-紅外分段組合干燥所得花生仁的不飽和脂肪酸含量較高。但轉換含水率與干燥溫度不同時,花生仁脂肪酸含量無較大變化。因此,采用熱風-紅外分段組合干燥作為花生油生產的前處理方法時,不同干燥條件對不飽和脂肪酸含量的影響可忽略。

2.3.5 干燥條件對蛋白二級結構的影響

花生除了油用價值外,其蛋白質含量也很高,占20%～28%,并且所含必需氨基酸與動物蛋白質非常接近,且不含膽固醇。與其他植物源蛋白相比,花生蛋白的消化性較高,其有效利用率高達98%,易于人體的消化吸收[37],其中賴氨酸有效利用率高達98.8%。與大豆蛋白中賴氨酸的有效利用率78%[38]相比,花生蛋白要高出20%。為探究干燥條件對花生蛋白質二級結構的影響,按照1.4.9節方法提取花生中的蛋白質,并利用FT-IR測定其二級結構相對含量,結果如圖8所示。

a-轉換含水率;b-溫度圖8 不同HAD-IRD干燥條件下花生蛋白FT-IR譜圖

表5 不同轉換含水率對蛋白二級結構相對含量的影響Table 5 Effects of different converted moisture content on relative content of protein secondary structure

表6 不同溫度對蛋白二級結構相對含量的影響Table 6 Effects of different temperatures on relative content of protein secondary structure

由表5可知,隨著轉換含水率的升高,β-折疊相對含量增多,β-轉角相對含量減少,而無規結構、α-螺旋相對含量無顯著差異。這是由于隨著轉換含水率的升高,干燥時間縮短,花生蛋白發生變性但未形成聚集體。轉換含水率為15%時,干燥時間最長,花生蛋白結構被破壞得最強,導致β-折疊轉化為β-轉角最多,因此其β-折疊含量最少。與單獨熱風干燥相比,熱風-紅外分段組合干燥所得花生蛋白β-折疊、無規結構相對含量明顯較低,α-螺旋含量無明顯差異、β-轉角含量明顯較高,這可能與花生干燥時長有關;與單一紅外干燥相比,熱風-紅外分段組合干燥也表現出相同的結果,這與紅外線較強的穿透性有關。干燥過程中的高溫會破壞花生蛋白的結構,使氫鍵斷裂,分子間作用被破壞,β-折疊向β-轉角轉化[40],然而過長的干燥時間或高溫高濕的環境都會使得疏水性殘基和反應基團的暴露,導致聚集反應的發生,從而β-轉角結構含量減少,β-折疊結構含量增多。

由表6可知,隨著干燥溫度的升高,β-折疊相對含量呈現先降低后升高的趨勢,β-轉角含量呈現先升高后降低的趨勢;無規卷曲含量由40 ℃的14.89%降低到70 ℃的13.97%;α-螺旋含量由40 ℃的14.33%升高到70 ℃的15.60%。其原因是：干燥溫度升高導致花生蛋白二級結構部分被破壞,氫鍵斷裂,β-折疊轉變為β-轉角,而蛋白分子變性重新聚集,逐漸形成聚集體[27],β-折疊、α-螺旋含量增加,無規結構、β-轉角含量減少。

3 結論

與單一熱風干燥及單一紅外干燥相比：熱風-紅外分段組合干燥時間較熱風干燥縮短62.5%,干燥能耗減少了70.27%,與紅外干燥接近;花生仁色澤及硬度更接近新鮮花生;不飽和脂肪酸含量顯著提高(P<0.05);干燥時間及高溫導致花生蛋白氫鍵斷裂,蛋白分子變性重新聚集,逐漸形成聚集體,從而導致花生蛋白二級結構相對含量有變化。研究得出熱風-紅外分段組合干燥方法較單一熱風干燥及單一紅外干燥更適用于帶殼鮮花生的干燥。

采用熱風-紅外分段組合干燥,相同條件下,轉換含水率和干燥溫度越高,帶殼鮮花生干燥越快。轉換含水率和干燥溫度對色澤變化有影響,但影響較小。干燥后花生硬度隨轉換含水率和干燥溫度的升高而減小。應用于實際生產中,干燥溫度最高不超過50 ℃,可減小能耗,節約資源,且有助于保護花生色澤。干燥條件的變化對脂肪酸含量影響不顯著。轉換含水率的提高顯著提高β-折疊的相對含量,有助于花生蛋白性質的穩定,干燥溫度對二級結構相對含量影響不顯著(P>0.05)。