畢海丹，崔旭海，于濱

1(棗莊學院 生命科學學院，山東 棗莊，277160) 2(齊魯工業(yè)大學 食品科學與工程學院，山東 濟南，250353)

預(yù)處理方法對生姜熱風干燥動力學和品質(zhì)的影響

畢海丹1，崔旭海1，于濱2*

1(棗莊學院 生命科學學院，山東 棗莊，277160) 2(齊魯工業(yè)大學 食品科學與工程學院，山東 濟南，250353)

為研究預(yù)處理方法對生姜的熱風干燥動力學影響，文中分別對生姜進行冷凍-融化、檸檬酸浸泡和沸水漂燙預(yù)處理，然后在熱風溫度50、60、70℃，風速1 m/s的條件下干燥。在干燥過程測定生姜水分比及干燥速率的變化情況，建立生姜干燥的動力學模型，并對干燥生姜的品質(zhì)進行分析。研究結(jié)果表明：預(yù)處理方法改變了生姜的初始水分比。生姜的干燥屬于降速干燥過程。冷凍-融化明顯提高了生姜的干燥速率，沸水漂燙卻延緩了生姜的干燥時間，而檸檬酸浸泡對生姜干燥過程影響相對較小。通過比較相關(guān)系數(shù)(R2)、卡方(χ2)和標準誤差(RMSE)，Midilli模型能夠很好地描述生姜在不同預(yù)處理方法與熱風溫度條件下的干燥過程，且模型預(yù)測的干燥特性曲線與試驗所得的數(shù)據(jù)一致性好。預(yù)處理方法與熱風溫度對干燥生姜的色差影響顯著，而僅有冷凍-融化顯著降低了干燥生姜的姜酚含量。根據(jù)能耗與品質(zhì)要求，選擇合適的預(yù)處理方法對于生姜干燥是十分必要的。

生姜；預(yù)處理；干燥；動力學；品質(zhì)

生姜(又名黃姜)屬多年生草本單子葉種子植物，食用器官為有刺激性香味的根莖[1]。生姜含有姜酚、黃酮、姜精油、蛋白酶等活性成分，因而具有防治心血管疾病、抗氧化、抗凝血、抗腫瘤等多種生物活性[2]。新鮮生姜貯存過程中易霉爛、皺皮、干癟、變質(zhì)，不易長期保存[3]。將生姜干制成姜片、姜粉，可以解決生姜的儲運問題，同時豐富生姜制品市場，使得食用更加方便。隨著方便食品消費量的增加，姜片、姜粉等加工品需求量不斷增加。生姜的干燥可以采用日照、對流、微波、遠紅外等干燥方法進行。張鐘研究了多種干燥方法對姜粉品質(zhì)的影響，認為遠紅外干燥較適合生姜的干燥方法[4]。而AN認為，微波與對流的聯(lián)合干燥對于生姜活性成分的保持與降低干燥能耗非常適合[5]。不同干燥方法對抗氧化成分與揮發(fā)性成分有明顯影響，發(fā)現(xiàn)微波干燥有利于生姜揮發(fā)性成分的保持，而冷凍干燥有利于抗氧化物質(zhì)的保持[6]。生姜的干燥受制于設(shè)備、成本等因素，目前仍然以熱風對流干燥為主。JNYANA研究熱風干燥對生姜干制品品質(zhì)的影響，以提高熱能的利用效率[7]。果蔬的干制效果受熱風溫度、樣品厚度、風速等多種因素的影響，為了提高干燥效率及產(chǎn)品品質(zhì)，除了控制干燥條件外，還可進行干燥前的預(yù)處理[8-9]，或在干燥過程中對樣品進行噴淋處理[10]。而目前關(guān)于預(yù)處理方法對生姜干燥品質(zhì)、效率等影響的研究鮮有報道，因此本研究分別采用果蔬加工中常見的冷凍-融化、沸水漂燙、檸檬酸鈉浸泡3種方法對生姜進行預(yù)處理，并分析在不同的預(yù)處理條件下，生姜的干燥過程與動力學方程的變化。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

生姜，10月份采摘的成熟萊蕪大姜。檸檬酸(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；Folin-Ciocalteu試劑，上海如吉生物科技發(fā)展有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

ALC-210.4型賽多利斯電子天平，北京賽多利斯儀器系列有限公司；游標卡尺，上海量具刃具廠有限公司；DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏試驗設(shè)備有限公司；BCD-231WDBB型冰箱，青島海爾集團；CQX3593分光測色儀，美國HunterLab公司；TU-1810分光光度計，北京譜析通用儀器有限責任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 生姜的預(yù)處理

選擇新鮮、無腐爛的姜塊，手工削去外皮并切片，厚度控制為(3.0 ± 0.1) mm，并利用工具制成直徑為20 mm的圓形姜片。冷凍-融化：姜片在-18 ℃冰箱放置12 h，干燥前在室溫下(22 ℃)充分融化；檸檬酸浸泡：姜片在5 g/L的檸檬酸溶液中室溫下(22 ℃)浸泡30 min，浸泡后用濾紙充分吸干表面水分；沸水漂燙：姜片在沸水浴中漂燙3 min，沸水浴后降至室溫(22 ℃)，用濾紙吸干表面水分；未進行處理的姜片作為對照。

1.3.2 預(yù)處理對生姜品質(zhì)的影響

1.3.2.1 干燥后生姜的顏色變化

(1)

1.3.2.2 干燥后生姜姜酚含量的變化

準確稱取干燥后的姜片5 g，加入少量體積分數(shù)80%甲醇，利用勻漿機打成漿狀物，然后超聲浸提30 min，10 000 g條件下離心15 min，收集上清液，殘渣超聲溶解3次，合并上清液至容量瓶中并定容?？偡雍坎捎肍olin-Ciocalteu比色法進行測定[11]。

1.3.3 水分比及干燥速率的測定

生姜初始含水率采用105 ℃恒溫干燥法，利用公式(2)計算。

(2)

式中：M為干基含水率，%；m0為含水樣品質(zhì)量，g；m1為絕干樣品質(zhì)量，g。

干燥過程中生姜水分比(MR)利用式(3)計算。

(3)

由于熱風干燥過程溫度較高，生姜的平衡含水率Me值很小，則干基含水率可根據(jù)式(4)近似計算：

(4)

式中：Mt為樣品t時刻干基含水率，%；Me為干燥平衡時干基含水率，%；M0為初始干基含水率，%。

生姜干燥過程干燥速率按照式(5)計算。

(5)

式中：DR為干燥速率，%/min；Δt為時間差，min；Mt+Δt和Mt為姜片在t+Δt與t時刻的干基含水率，%。

1.3.2 生姜的干燥

經(jīng)不同預(yù)處理的生姜分別在50、60、70 ℃進行熱風干燥，風速控制為1 m/s，記錄干燥過程中生姜的重量變化。50 ℃時，每隔15 min稱量1次；60 ℃時，每隔12 min稱量1次；70 ℃時，每隔10 min稱量1次。當水分比(MR)低于0.1時，結(jié)束干燥過程，重復(fù)3次，取平均值。

1.3.4 動力學模型

依據(jù)文獻報道的果蔬干燥動力學模型(表1)，對生姜熱風干燥過程，進行數(shù)據(jù)擬合驗證，用相關(guān)系數(shù)(R2)、卡方(χ2)、標準誤差(RMSE)評價模型的適用性，計算公式分別為：

(6)

(7)

(8)

式中：MRexp,i和MRpre,i分別為第i 個數(shù)據(jù)點的試驗測定MR與模型預(yù)測MR；N為試驗數(shù)據(jù)點的個數(shù)；n為各模型中參數(shù)的個數(shù)。

表1 描述生姜干燥的動力學模型

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.5軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析及非線性擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理對生姜熱風干燥特性的影響

本文比較了不同處理方法對生姜的干燥過程的影響，結(jié)果如圖1、圖2所示。生姜的水分比變化曲線符合一般食品干燥特性曲線[18]。在初始階段水分快速蒸發(fā)，隨著加熱時間延長，水分蒸發(fā)速率逐漸降低，而在干燥后期，水分蒸發(fā)速率變化較小，水分比變化曲線趨于平緩，這主要與游離水含量降低及表面硬結(jié)有關(guān)[19]。隨著加熱溫度的增加，生姜干燥速率不斷增加，達到干燥平衡所需時間不斷降低，這與其他食品材料干燥過程是相似的[20]。

在干燥過程中，不同預(yù)處理的生姜初始水分比是不一致的，冷凍-融化生姜初始水分比有所降低，這是由于冷凍形成的冰晶破壞細胞結(jié)構(gòu)，細胞內(nèi)水分在融化過程中游離出來[21]。沸水漂燙對于生姜的初始水分比沒有明顯影響。而檸檬酸浸泡增加了生姜初始的水分比，這可能與檸檬酸能夠提高滲透壓有關(guān)[22]。沸水漂燙生姜的水分比在初始階段與其他處理條件下干燥生姜的水分比是相似的，在50～70℃條件下，干燥時間分別為135、108、90 min后，水分比變化曲線明顯趨于平緩，有別于其他處理方法，水分比降至0.1所需要的時間分別為480、372、290 min。沸水漂燙生姜干燥時間延長，可能與加熱過程中，細胞壁水分擴散通道被堵塞，影響了水分擴散通道，從而降低了干燥速率，但詳細的機理還有待于進一步研究。檸檬酸浸泡的生姜水分比變化曲線與未處理的是基本重合的。50～70 ℃條件下，使得檸檬酸浸泡生姜水分比低于0.1所需要的時間分別為270、252、200 min。冷凍-融化生姜在干燥過程中，并未出現(xiàn)明顯的水分比趨于的平緩階段，不同溫度條件下，水分比降至0.1所需要的時間分別為240、180、150 min，這可能是由于冷凍處理過程中形成的冰晶對細胞壁具有破壞作用，使得其在后期干燥過程中，細胞內(nèi)部水分自由的擴散，從而起到加速干燥的效果[21]。生姜干燥過程不同水分比條件下干燥速率的變化情況如圖2所示。

圖2 不同預(yù)處理生姜干燥速率變化曲線Fig.2 Drying rate curves of ginger processed by different treatments

從圖2中可以看出，在不同的預(yù)處理條件及加熱溫度條件下，生姜的干燥速率都是不斷下降的，只有冷凍-融化的生姜在70 ℃條件下的初始干燥階段，其干燥過程接近于恒速干燥過程，這可能是冷凍-融化生姜質(zhì)地疏松，自由水相對豐富有關(guān)?？傮w而言，可以認為生姜干燥過程只存在降速干燥階段，不存在恒速干燥階段，且在干燥一定時間后，其干燥速率接近于零。從圖2可以看出，冷凍-融化生姜的干燥速率是最快的，而沸水漂燙生姜的干燥速率是最慢的，檸檬酸浸泡生姜的干燥速率與未處理生姜相似，這與生姜水分比變化趨勢是一致的。

2.2 生姜熱風干燥的數(shù)學模型

2.2.1 生姜干燥動力學模型選擇

從2.1生姜的干燥特性試驗結(jié)果可知，預(yù)處理方法對生姜干燥特性的影響最顯著。運用表1中的6種模型對不同預(yù)處理生姜干燥試驗的數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果見表2。R2越大，χ2和RMSE越小，模型擬合程度越高。在所有情況下，R2都高于0.943 01，χ2和RSME分別低于0.001 83、0.002 11，但6個模型的擬合程度存在差異，綜合R2、χ2、RMSE的大小，可以得出Henderson模型擬合效果最差，而Midilli模型的擬合效果最好，雖然未處理生姜60 ℃、檸檬酸浸泡生姜70 ℃處理樣品數(shù)據(jù)適于采用Verma模型來擬合，但其擬合的R2、χ2、RMSE數(shù)值較Midilli模型擬合數(shù)據(jù)相差不大，因此最適合的生姜熱風干燥數(shù)學模型是Midilli模型。Midilli模型適合生姜在不同溫度、不同預(yù)處理方法下的熱風干燥動力學的模擬，具有較為廣泛的應(yīng)用范圍，這與MURTHY等的研究結(jié)果是一致的[23]，但THORAT認為two-term模型能更好地描述生姜的干燥過程[24]，這種差異可能與原料及干燥條件有關(guān)。

表2 生姜熱風干燥數(shù)學模型擬合結(jié)果

2.2.2 Midilli模型的確定

利用Midilli模型對各預(yù)處理條件的熱風干燥曲線進行擬合，計算出各預(yù)處理方法的動力學方程參數(shù)如表3所示。從表3可以看出，不同預(yù)處理方法與溫度影響了生姜的熱風干燥動力學模型的參數(shù)。在不同的溫度條件下，各預(yù)處理方法的參數(shù)變化沒有明顯的變化規(guī)律，種翠娟利用Page模型描述了胡蘿卜薄層干燥過程[25]，并發(fā)現(xiàn)模型參數(shù)與干燥溫度、風速、厚度等存在線性關(guān)系，而本文結(jié)果卻不存在這種關(guān)系，這可能與干燥物料及采用的模型不同有關(guān)。

為進一步驗證所選的模型的通用性，需選取建模以外的試驗值與模型預(yù)測值進行比較。因此將不同預(yù)處理的生姜分別在50、60、70 ℃，風速為1m/s的條件下進行干燥，在25、55、85、115 min處，測定樣品的MR，從而驗證所選模型正確性。由表3可知，在不同預(yù)處理方法及熱風溫度條件下，用于驗證的試驗值與預(yù)測值最大相對誤差僅為4.78%，這表明試驗所建立模型能較好的預(yù)測不同熱風溫度和預(yù)處理條件下生姜的干燥時間與MR之間的關(guān)系。因此，可以依據(jù)所建立的動力學模型來推算生姜達到目標含水率所需的干燥時間，同時通過優(yōu)化干燥工藝和過程控制，從而實現(xiàn)降低干燥過程能源消耗的目的。Midilli模型雖然能很好的描述加熱時間與水分比的關(guān)系，但是本試驗中仍無法建立在不同溫度條件下均適用的通用模型，使得其應(yīng)用范圍受到限制。

表3 Midilli模型擬合方程參數(shù)及模型驗證

2.3 預(yù)處理對生姜的品質(zhì)的影響

對經(jīng)過不同預(yù)處理的生姜進行品質(zhì)分析，從而確定預(yù)處理方法對干燥生姜品質(zhì)的影響，結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，隨著熱風溫度的升高，干燥生姜是色差不斷升高，各種預(yù)處理方法間差異顯著，因此認為熱風溫度顯著影響著干燥生姜的色澤。不同預(yù)處理方法對于色差影響也是較為顯著的，冷凍-融化處理的生姜色差變化最為明顯，這與冷凍-融化過程中酶的釋放與可溶性固形物聚集到生姜表面影響表面光學性質(zhì)有關(guān)。而沸水漂燙與檸檬酸浸泡處理生姜的色差相對未處理樣品變化較小，這主要是由于二者抑制了酶促褐變作用的發(fā)生[26]，沸水漂燙生姜的色差相對檸檬酸浸泡生姜的色較高，這可能與其加熱時間長有關(guān)。隨著熱風溫度的升高，姜酚含量呈現(xiàn)不斷下降趨勢，但總體而言，姜酚含量變化不顯著，這可能是由于在50～70 ℃內(nèi)，姜酚的熱穩(wěn)定性較好，受熱風溫度影響較小[27]。不同預(yù)處理方法中，僅有冷凍-融化顯著的降低了姜酚的含量，這主要是因為冷凍-融化過程中，姜酚類物質(zhì)會伴隨其他可溶性固形物如有機酸、礦物質(zhì)等流出，因此含量有所降低。

表4 預(yù)處理對生姜品質(zhì)的影響

注：數(shù)據(jù)為平均值±標準差，n=3。同列標有不同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)；同行標有不同大寫字母者表示組間差異顯著 (P<0. 05)。

3 結(jié)論

(1)預(yù)處理方法與熱風溫度對生姜的干燥過程影響明顯。熱風溫度越高，干燥速率越快，干燥用時越短。生姜干燥曲線以降速干燥階段為主。冷凍-融化處理加速了生姜的干燥過程，而沸水漂燙處理使生姜的干燥時間明顯延長，檸檬酸浸泡處理對生姜的干燥過程無明顯影響。

(2)利用已報道的主要干燥模型對生姜的干燥過程進行了擬合，通過對比模型適用性評價參數(shù)，確定Midilli模型可以在不同預(yù)處理方法與熱風溫度條件下描述生姜干燥過程。

(3)預(yù)處理方法與熱風溫度對生姜干燥后的色差影響顯著，熱風溫度越高，色差變化越顯著。檸檬酸浸泡與沸水漂燙能不同程度的抑制色差的變化，而冷凍-融化處理促進的生姜干燥后顏色的變化。預(yù)處理方法與熱風溫度對生姜干燥后姜酚含量影響較小，僅有冷凍-融化處理導致生姜干燥后姜酚含量的降低。

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Pretreatment methods on drying kinetics and the quality of ginger

BI Hai-dan1, CUI Xu-hai1, YU Bin2*

1(College of Life Sciences, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160, China) 2(College of Food Science and Engineering, Qilu University of Technology, Jinan 250353, China)

The effect of pretreatments and hot wind temperature on the drying kinetics of ginger was investigated in this study. Ginger were pretreated by freeze-thawing, hot water blanching and soaking in citric acid and drying in a hot air oven at temperatures of 50, 60 and 70 ℃ at air velocity of 1 m/s. Moisture ratio and drying rate of samples were recorded to determine best model to predict the drying kinetics, and the quality of dried ginger. The moisture ration of ginger was significantly affected by pretreatments at the initial time. Freeze-thawing changed the drying rate of ginger, while hot water blanching significantly prolonged the drying time of ginger. There was no obvious difference between samples soaked in sodium citrate and untreated ones. Six layer drying models (Henderson, Logarithmic, Page, Verma, Wang and Midilli) were fitted to the experimental data and selection was done based on model with highest correlation coefficient (R2), and lowest reduced chi-square (χ2) and root mean square error (RMSE) respectively. The Midilli model was found to be the best mathematical model for describing the drying of ginger and the predicted drying characteristic curves fitted well with results obtained. Color difference of dry ginger was significantly affected by pretreatments and hot wind temperature. Freeze-thawing significantly reduced the total gingerol content of dry ginger. According to the energy consumption and quality request, the selection of appropriate pretreatment is very important for ginger drying.

ginger; pretreatments; drying; kinetics; quality

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201701024

碩士，講師(于濱副教授為通訊作者，E-mail:yubin107@126.com)。

2016-05-06，改回日期：2016-06-21