王宏慧，張明玉，任亞敏

(漯河食品職業(yè)學院，河南 漯河 462300)

瑪咖(Lepidiummeyenii)屬十字花科、獨行菜屬1年生或2年生草本植物[1]，其根莖為可食用部分，呈小圓蘿卜狀[2]?，斂Ш喾N營養(yǎng)成分，同時具有抗疲勞、抗衰老以及增強免疫力等生理功能，是一種理想的健康食品[3]。采摘后的新鮮瑪咖含水量極高(濕基含水率在80%左右)，自然狀態(tài)下貯藏容易腐爛變質(zhì)且產(chǎn)生危害消費者生命健康的物質(zhì)[4]。因此，對新鮮瑪咖進行脫水處理十分必要。

自然晾干以及熱風干燥是我國瑪咖干制品的主要加工方式[3-7]。自然晾干得到的產(chǎn)品，瑪卡酰胺總量保存率較高、外觀較好，但這種方式加工時間長(33 d才能達到安全含水率)，產(chǎn)品顏色衰退嚴重，維生素C、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分損失率高；相對于自然晾干，熱風干燥能夠縮短瑪咖干燥的時間(60 ℃條件下17 h達到安全含水率)，且產(chǎn)品顏色較優(yōu)，營養(yǎng)成分損失較低[3]。熱泵干燥是指利用熱泵除濕原理在干燥系統(tǒng)中增加熱空氣去濕循環(huán)操作，從而調(diào)控干燥環(huán)境溫濕度，重復利用干燥過程中殘留熱量的一種節(jié)能脫水技術(shù)，其具有能量利用率高、產(chǎn)品品質(zhì)好、操作條件寬泛等優(yōu)點[5]。熱泵干燥低溫(5～40 ℃)操作控制的干燥技術(shù)叫作熱泵式冷風干燥，簡稱冷風干燥[8]。物料在進行冷風干燥時所處干燥環(huán)境溫度較低，能夠有效保留產(chǎn)品的營養(yǎng)物質(zhì)，這種干燥方式特別適合于熱敏性食品的脫水處理[9-10]。目前尚未見將冷風干燥應用于高水分瑪咖干燥的報道。

干燥動力學模型是描述物料干燥行為的一個重要手段[10]。通過構(gòu)建干燥物料動力學模型，能夠從理論角度解釋物料干燥過程中各干燥行為的內(nèi)在原因，同時干燥動力學模型在干燥結(jié)果預測方面也有著一定的作用，對其在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)上的推廣具有重要意義[11]。感官評價是干燥產(chǎn)品質(zhì)量保證體系中的重要組成部分[5]。但在傳統(tǒng)的感官評價中，人的感知始終是模糊的，評價者通過語言描述來表達自身對產(chǎn)品的態(tài)度，這種評價方式具有極強的不確定性，為了克服這一不確定性，Zhang等[12]提出了一個用于食品綜合排序和新產(chǎn)品開發(fā)的模糊綜合評價模型，根據(jù)這一模型可預測食品品質(zhì)的高低。

基于此，以瑪咖為原料，采用冷風干燥技術(shù)對瑪咖進行干燥，研究了干燥溫度和進口風速對瑪咖冷風干燥行為和干制品感官評價的影響，以期為瑪咖冷風干燥技術(shù)提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

供試瑪咖(色型：黃色)購于云南省麗江市玉龍雪山當?shù)禺a(chǎn)區(qū)，平均濕基含水率為78.53%。

儀器：YCFZD-2A型冷風干燥機(杭州歐易電器有限公司)、DHG-9023A型化驗室用小型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海善志儀器設備有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 將所購瑪咖去除莖葉，清洗干凈后瀝干，挑選樣品并切成厚度約為5 mm、長軸約為13 cm、短軸約為4 cm的橢圓形切片，用于冷風干燥試驗。每組試驗物料質(zhì)量為2 kg，瑪咖冷風干燥試驗設計如下，試驗(1)：固定進口風速為2 m/s，改變干燥溫度為20、30、40 ℃；試驗(2)：固定干燥溫度為30 ℃，改變進口風速為1、2、3 m/s。干燥進程中，每隔2 h取出干燥物料進行稱量，直至物料濕基含水率低于5%[12]，結(jié)束干燥過程。每組干燥試驗重復3次。

1.2.2 新鮮瑪咖含水率的測定 采用GB 5009.3—2010的方法測定物料初始濕基含水率[13]。

1.2.3 瑪咖濕基含水率的計算 瑪咖干燥過程中的濕基含水率計算如式(1)所示[14]：

(1)

式中，ωt、ω0為干燥t時刻以及新鮮瑪咖的濕基含水率(%)；mt、m0分別為干燥t時刻和新鮮瑪咖的質(zhì)量(g)。

1.2.4 瑪咖干燥曲線的Weibull分布函數(shù)擬合 瑪咖干燥水分比(MR)的計算公式如式(2)所示[15]：

(2)

式中，X0、Xe、Xt分別為新鮮瑪咖的干基含水率、干燥結(jié)束時瑪咖的干基含水率、干燥t時刻瑪咖干基含水率，單位均為g/g。

干燥結(jié)束時瑪咖含水率極低，相對于新鮮瑪咖含水率以及干燥過程中瑪咖的含水率，其值可近似為0。因此(2)式可簡化為(3)式[16]計算瑪咖干燥水分比：

(3)

Weibull分布函數(shù)中待定參數(shù)(尺度參數(shù)和形狀參數(shù))與水分比之間的函數(shù)關系可采用式(4)表達[17-20]：

(4)

式中，α、β為Weibull分布函數(shù)的2個待定參數(shù)，分別代表尺度參數(shù)、形狀參數(shù)；t為干燥時間(h)。

式(4)中水分比可通過式(3)求得，以式(4)為模型函數(shù)，借助Data Fit 9軟件對各干燥條件下水分比隨時間變化的數(shù)據(jù)進行擬合即可求得各干燥條件下Weibull分布函數(shù)中的待定參數(shù)。

選用決定系數(shù)(R2)和卡方檢驗值(χ2)來表示函數(shù)的擬合精度，其計算方法參考文獻[18]。

1.2.5 有效水分擴散系數(shù)的計算 根據(jù)Fick第二擴散定律的解析，瑪咖干燥過程中的水分比與有效水分擴散系數(shù)之間的函數(shù)關系按式(5)表達[21]：

(5)

式中，Deff為有效水分擴散系數(shù)(m2/s)；L為物料厚度的1/2(m)；t為時間(s)。

對式(5)兩邊進行同時取自然對數(shù)的數(shù)學轉(zhuǎn)化即可得到有效水分擴散系數(shù)的計算公式(6)[22]：

(6)

式中水分比可通過式(3)求得，以lnMR為縱坐標，t為橫坐標作圖，得到直線的斜率即可計算出物料干燥過程中的有效水分擴散系數(shù)。

1.2.6 基于模糊數(shù)學推理法的產(chǎn)品感官評定 感官評定參考段續(xù)等[14]的方法，試驗中模糊數(shù)學推理采取Zhang等[12]的方法，采用層次分析法得到模糊數(shù)學的權(quán)重集：X={顏色，外觀，質(zhì)地，風味，整體接受程度}={0.26，0.18，0.12，0.16，0.28}。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Origin Pro 9.0以及Data Fit 9對試驗所得各項數(shù)據(jù)進行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥條件對瑪咖冷風干燥特性的影響

由圖1可知,不同干燥條件下瑪咖冷風干燥耗時最長為22 h，耗時最短為12 h。當固定進口風速(2 m/s)而改變干燥溫度時，瑪咖冷風干燥耗時最少(12 h)，較最長耗時(22 h)減少10 h，減幅45.45%；當固定干燥溫度(30 ℃)而改變進口風速時，瑪咖冷風干燥耗時最少(16 h)，較最長耗時最多(22 h)減少6 h，減幅27.27%。這說明增加干燥溫度和進口風速均能提升瑪咖冷風干燥效率，降低其干燥耗時，這是因為增加干燥溫度強化了瑪咖冷風干燥過程中的熱傳遞行為，從而加快干燥速率，而增大進口風速加快了物料表面水分與干燥介質(zhì)(空氣)的交換速率，從而強化干燥傳質(zhì)行為，降低干燥耗時。從圖1還可以看到，相對于進口風速，干燥溫度對瑪咖冷風干燥耗時的影響更大。任廣躍等[9]在進行香椿芽冷風干燥時同樣得到了干燥溫度對物料冷風干燥速率影響較大的結(jié)論。

圖1 不同干燥條件下瑪咖冷風干燥曲線

從表1可見，瑪咖冷風干燥Weibull分布函數(shù)的擬合方程R2介于0.991 2～0.999 1，χ2處于10-4水平，說明Weibull分布函數(shù)能夠準確擬合瑪咖冷風干燥過程中水分比隨時間變化的曲線。Weibull分布函數(shù)中的尺度參數(shù)α能夠反映物料干燥初期的干燥快慢程度，不同干燥條件下瑪咖冷風干燥的尺度參數(shù)α介于4.115 2～8.713 5；改變干燥溫度和進口風速，瑪咖冷風干燥尺度參數(shù)α的最小值比最大值分別降低了52.77%和30.42%,說明干燥溫度對瑪咖冷風干燥初期的干燥速度影響更大。Weibull分布函數(shù)中的形狀參數(shù)β與干燥過程中物料水分遷移過程有關，瑪咖在冷風干燥過程中的形狀參數(shù)β介于0.400 3～0.815 1?？梢姡斂Ю滹L干燥過程主要受其內(nèi)部水分向外遷移的控制，整個干燥過程處于降速階段。通過Weibull分布函數(shù)的擬合得到與圖1分析相同的結(jié)論，這說明Weibull分布函數(shù)能夠作為瑪咖冷風干燥動力學模型，進而表征瑪咖冷風干燥機制。Weibull分布函數(shù)尺度參數(shù)α和形狀參數(shù)β與干燥溫度和進口風速之間的數(shù)學模型采用逐步回歸分析方法確定，其結(jié)果如式(7)—(8)所示：

α=22.842 3-0.877 5X2-0.224 0X12+

0.010 8X22(R2=0.964 2)

(7)

β=-0.329 5+0.290 4X1+0.020 7X2-

0.061 9X12(R2=0.979 3)

(8)

式中，X1、X2分別為進口風速(m/s)、干燥溫度(℃)。

表1 不同干燥條件下瑪咖冷風干燥Weibull分布函數(shù)擬合參數(shù)及精度

不同干燥條件下瑪咖冷風干燥過程中l(wèi)nMR隨時間的變化情況見圖2，不同干燥條件下瑪咖lnMR與時間之間的線性擬合R2介于0.921 2～0.982 3，表現(xiàn)出了較好的擬合。不同干燥條件下瑪咖冷風干燥過程中有效水分擴散系數(shù)結(jié)果如圖3所示?，斂Ю滹L干燥有效水分擴散系數(shù)Deff在5.21×10-10～9.32×10-10m2/s；增加干燥溫度和進口風速均能夠增加瑪咖冷風干燥過程中有效水分擴散系數(shù)，但改變干燥溫度對其有效水分擴散系數(shù)影響更高，固定進口風速2 m/s，干燥溫度為30 ℃時較20 ℃時有效水分擴散系數(shù)增加78.89%，這一結(jié)果進一步證明了干燥溫度對瑪咖冷風干燥耗時的影響更大這一結(jié)論。

圖2 不同干燥條件下瑪咖冷風干燥過程中l(wèi)nMR隨時間變化關系

a、b、c、d、e分別代表干燥條件為(2 m/s,20 ℃)、(2 m/s,30 ℃)、(2 m/s,40 ℃)、(1 m/s,30 ℃)、(3 m/s,30 ℃)圖3 不同干燥條件對瑪咖干燥過程中有效水分擴散系數(shù)的影響

2.2 不同干燥條件對瑪咖品質(zhì)特征的影響

感官評價是干燥產(chǎn)品質(zhì)量保證體系中重要的組成部分，采用模糊數(shù)學法對不同干燥條件下瑪咖冷風干燥干制品進行感官評價以表征其品質(zhì)特征。不同干燥溫度和進口風速下的瑪咖產(chǎn)品感官評價的模糊矩陣RN(RN中的數(shù)字為表2中各評語統(tǒng)計人數(shù)同總?cè)藬?shù)的比值，a、b、c、d、e分別代表干燥條件(2 m/s,20 ℃)、(2 m/s,30 ℃)、(2 m/s,40 ℃)、(1 m/s,30 ℃)、(3 m/s,30 ℃)為：

最終模糊矩陣輸出結(jié)果YN為：

Ya=X?Ra={0.26,0.18,0.12,0.16,0.28}?

對以上矩陣進行計算，于是得到：Ya1=(0.26∧0.7)∨(0.18∧0.6)∨(0.12∧0.5)∨(0.16∧0.8)∨(0.28∧0.7)=0.28，同理可得Ya2、Ya3、Ya4、Ya5的值。于是，Ya={Ya1,Ya2,Ya3,Ya4,Ya5}={0.28,0.20,0.10,0.10,0.10}，對Ya進行歸一化處理得Y’a={0.411 8，0.294 1，0.147 1，0.147 1，0.147 1}。采取同樣的方法可得到Y(jié)’b={0.276 6，0.212 8，0.297 9，0.212 8，0.212 8}、Y’c={0.142 9，0.171 4，0.285 7，0.400 0，0.371 4}、Y’d={0.272 1，0.291 7，0.208 3，0.208 3，0.104 2}、Y’e={0.227 3，0.227 3，0.227 3，0.318 2，0.295 5}。由此可見，不同干燥條件下瑪咖冷風干燥得到產(chǎn)品感官評價對應模糊矩陣歸一化輸出集中的峰值分別為0.411 8、0.297 9、0.400 0、0.291 7、0.318 2，與表2中對產(chǎn)品接受程度的評語順序相對應，得出不同干燥條件下瑪咖冷風干燥干制品接受程度評語分別為“非常喜歡”、“中立意見”、“不喜歡”、“喜歡”和“不喜歡”。這一結(jié)果說明瑪咖冷風干燥溫度或干燥風速過高會降低消費者對其干制品的接受程度。這可能是因為當干燥溫度過高時，會造成產(chǎn)品熱敏成分發(fā)生不良降解反應[9]；另一方面當干燥溫度或干燥風速過高會加快水分在物料內(nèi)部的遷移速度，導致因水分遷移產(chǎn)生的剪切應力加大，使得物料在干燥過程中發(fā)生收縮變形，造成產(chǎn)品質(zhì)地變差[17]。

表2 不同干燥條件下瑪咖干制品感官評定統(tǒng)計

3 結(jié)論與討論

通過對瑪咖進行冷風干燥研究發(fā)現(xiàn)，隨著進口風速和干燥溫度的增加，瑪咖冷風干燥耗時明顯降低，但相對于進口風速，干燥溫度對瑪咖冷風干燥耗時的影響更大；Weibull分布函數(shù)能夠作為瑪咖冷風干燥的動力學模型，進而表征瑪咖冷風干燥機制，瑪咖冷風干燥過程中其形狀參數(shù)β在0.400 3～0.815 1，瑪咖冷風干燥過程主要受其內(nèi)部水分向外遷移的控制，整個干燥過程處于降速階段；不同干燥條件下瑪咖冷風干燥有效水分擴散系數(shù)Deff為5.21×10-10～9.32×10-10m2/s，且受干燥溫度影響更大；瑪咖冷風干燥溫度過高或干燥風速過大會降低消費者對其干制品的接受程度。因此，將冷風干燥應用于瑪咖干制品生產(chǎn)中能夠降低干燥耗時(干燥溫度及干燥風速過低條件除外)，同時提升產(chǎn)品品質(zhì)。

本試驗從干燥耗時、干燥過程的動力學行為及干燥產(chǎn)品的感官評價方面對瑪咖冷風干燥進行了研究，相對于自然晾曬等傳統(tǒng)脫水方式，瑪咖冷風干燥降低了干燥耗時。但研究中發(fā)現(xiàn)，瑪咖冷風干燥過程中存在著物料水分分布不均勻，導致最終產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性不高的問題，在今后研究中可以考慮借助核磁共振技術(shù)對瑪咖冷風干燥過程中水分遷移軌跡進行深入捕捉，借助水分遷移規(guī)律，對瑪咖冷風干燥條件及干燥策略進行優(yōu)化研究。