徐 庚,王慶惠,馬月虹,郭 輝,楊忠強(qiáng),謝知軒
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,烏魯木齊 830091)
【研究意義】恰瑪古,學(xué)名蕪菁(BrassicarapaL.),又名蔓菁,主要種植區(qū)域在我國新疆和西藏地區(qū)。恰瑪古除富含鈣、鐵、鉀、鋅等有益健康的堿性礦物元素及有機(jī)生物堿外,還含有蛋白質(zhì)、粗纖維、亞油酸、類黃酮、多糖、皂甙、十九種氨基酸[1-3]等多種物質(zhì),是一種堪比人參的藥食同源[4]的植物。恰瑪古長置久放之后會(huì)導(dǎo)致水分及營養(yǎng)成分的流失,新鮮恰瑪古向外運(yùn)輸成本高,因此要向外擴(kuò)大市場,就需要對恰瑪古進(jìn)行加工。加工之后的恰瑪古食用、攜帶以及與其他食物搭配也較為方便,且加工之后的恰瑪古較之未加工的恰瑪古儲(chǔ)存期變長,營養(yǎng)成分流失減緩?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前,國內(nèi)外對于恰瑪古成分研究較多,主要集中在多糖[4]、黃酮[5]、皂苷[6]等成分的提取以及醫(yī)用方面[7-8]。恰瑪古至今在食品加工方面僅限于鮮食、制備飲料[9]、醬菜[10]和恰瑪古粉(恰瑪古片劑[11]),加工途徑較少,市場占有率低。高琦等[12]通過真空冷凍、變溫壓差膨化干燥、紅外干燥、熱風(fēng)干燥四種不同的干燥方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比,真空冷凍的干燥方式對于各成分、整體體積保持最好,變溫壓差膨化干燥和熱風(fēng)干燥的復(fù)水比較高,綜合考慮,變溫壓差膨化干燥工藝較優(yōu)。孟伊娜等[13]以熱風(fēng)干燥、微波真空干燥和聯(lián)合干燥三種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)熱風(fēng)干燥+微波真空干燥+變溫壓差膨化干燥的聯(lián)合的干燥工藝較優(yōu),其組織、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和空腔較好,較高程度的保持了恰瑪古原有的外觀、色澤以及口感。溫度對于干燥速度有顯著影響,是由于溫度越高,內(nèi)部溫度梯度越大,熱流密度增加,干燥介質(zhì)與物料之間的溫度差變大,傳熱速率提高;同時(shí)溫度的升高會(huì)降低干燥介質(zhì)的相對濕度,使其蒸汽壓差變大,提高傳質(zhì)速率[14-16];傳熱和傳質(zhì)速率的增加會(huì)有效的縮短干燥持續(xù)時(shí)間。相比于未處理和氯化鈉預(yù)處理,熱燙處理顯著地增加恰瑪古切片的干燥速率,是由于熱燙處理破壞了恰瑪古切片內(nèi)部的組織,從而降低干燥過程中切片內(nèi)部的水分?jǐn)U散阻力,因此熱燙處理可以顯著提高切片的干燥速率?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前對于恰瑪古加工研究報(bào)道較少,對干制加工脆片產(chǎn)品方面報(bào)道也少。雖然對恰瑪古加工利用方面報(bào)道日益增多,但較少對加工方法、物料進(jìn)行深入研究,對恰瑪古熱風(fēng)干燥進(jìn)行單因素試驗(yàn)不足以反映出各因素綜合作用時(shí)對恰瑪古干燥速率、品質(zhì)及能耗的影響,研究在以往經(jīng)驗(yàn)工藝的基礎(chǔ)上通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)不同的干燥工藝,得出一個(gè)較優(yōu)的恰瑪古熱風(fēng)干燥工藝?!緮M解決的關(guān)鍵問題】近年來熱風(fēng)干燥技術(shù)在新疆快速應(yīng)用,熱風(fēng)干燥技術(shù)得到了發(fā)展[14-15]。利用熱風(fēng)干燥設(shè)備,根據(jù)干燥溫度、切片厚度和不同預(yù)處理方式3個(gè)重要的因素設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)。研究不同制干工藝對恰瑪古制干特性的影響,確定較優(yōu)的熱風(fēng)干燥工藝,為恰瑪古加工利用提供技術(shù)參考。
所采用的設(shè)備為熱風(fēng)干燥設(shè)備(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所)。其它儀器與設(shè)備:YP-5002型電子天平(余姚市金諾天平儀器有限公司,0.01 g);DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司);SMY-2000型色差計(jì)(北京盛名揚(yáng)科技開發(fā)責(zé)任有限公司);BXG-11/300型果蔬保鮮庫。
恰瑪古原料購于新疆烏魯木齊市九鼎市場,原料無嚴(yán)重破損、無病變,購買后放在2~4℃條件下的冷庫中冷藏備用。恰瑪古的平均初始濕基含水率為92.43%±1.2%(恒溫干燥箱,24 h)。
1.2.1 清理與切片
從冷庫中取出冷藏的鮮恰瑪古,在常溫下放置12 h,進(jìn)行清洗和切片,在預(yù)處理之后去除表面水分(放置于通風(fēng)處瀝干)。開啟設(shè)備電源,設(shè)置預(yù)期的干燥工藝,設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱,當(dāng)設(shè)備的干燥室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),將恰瑪古按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行擺盤(單層依次均勻擺放)、測重,快速放入設(shè)備,試驗(yàn)開始。
1.2.2 前期預(yù)處理
將恰瑪古切為三種不同的厚度分別為3、5、7 mm,分為三部分:一部分不做任何處理;一部分90℃的熱水2 min的熱燙處理;另一部分選取0.6%氯化鈉溶液浸泡2 h。
1.2.3 正交試驗(yàn)
將熱風(fēng)溫度、切片厚度和不同的前期預(yù)處理作為正交試驗(yàn)的三個(gè)影響恰瑪古外觀品質(zhì)的因素,每個(gè)因素均設(shè)有三個(gè)水平。其中,干燥溫度分別設(shè)定為55、60和65℃;切片厚度分別為3、5和7 mm;前期預(yù)處理分別為a(未處理)、b(90℃,2 min熱燙處理[16])和c(0.6%氯化鈉溶液浸泡2 h)。正交試驗(yàn)的指標(biāo)分別為干燥的持續(xù)時(shí)間、切片的色澤、感官評分以及電能損耗,根據(jù)試驗(yàn)需要選擇L9(34)正交試驗(yàn)表[17]。表1
干燥過程中,每1 h時(shí)測一次物料的重量,之后迅速將物料放回繼續(xù)進(jìn)行熱風(fēng)干燥。當(dāng)濕基含水率降到13%以下或質(zhì)量變化小于0.02 g/h時(shí)停止試驗(yàn),取出冷卻后放入保鮮袋中貯存,然后進(jìn)入下一組試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)三次。
表1 正交試驗(yàn)因素與水平
Table 1 Factors and levels orthogonal test
水平LevelA溫度Temperature(℃)B切片厚度Slicethickness(mm)C預(yù)處理Preprocessing1553a(未處理)2605b(熱燙)3657c(氯化鈉)
1.2.4 干燥指標(biāo)計(jì)算
1.2.4.1 干燥持續(xù)時(shí)間
干燥持續(xù)時(shí)間:通過測量質(zhì)量變化小于0.02 g/h(或當(dāng)濕基含水率降到13%以下)時(shí),結(jié)束干燥,記錄不同干燥工藝所持續(xù)的時(shí)間。
1.2.4.2 恰瑪古的色澤
通過CIELAB表色系統(tǒng)(也稱為L*、a*、b*表色系),利用色差計(jì)對干燥完成的每組樣品進(jìn)行測樣,測量恰瑪古的L*、a*、b*。L*(亮度)表示黑白,0為黑色,100為白色;a*(紅綠值)正值時(shí)為紅,負(fù)值為綠;b*(黃藍(lán)值)正值時(shí)為黃,負(fù)值時(shí)為藍(lán)色,0為中性色。其中,L*、a*、b*值中,L*值對于恰瑪古的色澤影響較大,所以本次試驗(yàn)主要選取L*值作為研究對象??磪?shù)L*的變化情況,算出每組樣品中L*的平均值,最后比較各組樣品參數(shù)的L*平均值。當(dāng)參數(shù)L*>0時(shí),L*值越大,恰瑪古切片的亮度越高,色澤越好。
1.2.4.3 感官評分
選取具有一定干制品品嘗經(jīng)驗(yàn)的9人專家組對干燥后恰瑪古的口感、組織形態(tài)(主要看其卷曲率以及表面平整度)、色澤和氣味進(jìn)行感官評分;然后取其平均值作為評判的標(biāo)準(zhǔn)。表2
表2 感官評分標(biāo)準(zhǔn)
Table 2 Sensory grading standard
指標(biāo)Index評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Evaluationcriterion滿分Fullmarks口感具有一定脆感3組織形態(tài)無裂縫3色澤恰瑪古干呈白色、無褐變2氣味具有恰瑪古特有的香味2
1.2.4.4 能耗
分別記錄每組開始與結(jié)束時(shí)電表的數(shù)值,計(jì)算出其差值,即為干燥該組試驗(yàn)所損耗的電能。表3
試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算采用SPSS 17.0軟件以及Excel處理。
表3 正交試驗(yàn)結(jié)果
Table 3 The results of orthogonal test
試驗(yàn)方案Testscheme試驗(yàn)指標(biāo)Testindex試驗(yàn)號(hào)TestnumberA溫度Testnumber(℃)B切片厚度Slicethickness(mm)C預(yù)處理PreprocessingD干燥持續(xù)時(shí)間Dryingduration(h)切片亮度Slicebrightness感官評分Sensorygrading耗電量Powerconsumption(kw/h)11(55)1(3)1(a)11289.248.69.9212(5)2(b)21477.286.611.6313(7)3(c)31689.497.313.242(60)123976.697.78.8522311388.388.212.7623121788.146.816.673(65)132984.958.314.7832131283.467.419.6933211475.285.522.8
研究表明,溫度對應(yīng)的F值為5.276;切片厚度所對應(yīng)的F值為30.97,F(xiàn)>F0.05=19;不同的預(yù)處理對應(yīng)的F=1.855;有95%的把握判斷不同切片厚度對恰瑪古的干燥持續(xù)時(shí)間有高度顯著的影響,干燥溫度以及不同的預(yù)處理對干燥持續(xù)時(shí)間有一定程度的影響。切片厚度所對應(yīng)的極差值最大,溫度所對應(yīng)的極差值其次,空白列D所對應(yīng)的極差值最小,不同的預(yù)處理方式所對應(yīng)的極差和空白列D所對應(yīng)的極差相差較小。切片厚度對于干燥持續(xù)時(shí)間最大,不同的預(yù)處理方式對于干燥持續(xù)時(shí)間的影響較小。對于干燥持續(xù)時(shí)間有影響作用因素的主次順序?yàn)锽AC,其因素水平較優(yōu)的組合為A3B1C2。表4,表5
在相同溫度、不同切片厚度和不同預(yù)處理的情況下,樣品質(zhì)量隨著干燥時(shí)間的變化,幾條曲線在不斷靠近,最后幾近重合;從9組試驗(yàn)樣品質(zhì)量隨干燥時(shí)間的變化曲線可以看出,相同溫度的條件下,變化曲線的斜率不同,不同的切片厚度和不同的預(yù)處理對于干燥持續(xù)時(shí)間有一定的影響,其中熱燙處理相對于其他兩種處理方式,干燥持續(xù)時(shí)間更短;在不同溫度條件下,樣品質(zhì)量隨干燥時(shí)間的變化曲線斜率的差別較大,溫度對于恰瑪古干燥速率有顯著的影響。圖1
表4 不同干燥因素下干燥持續(xù)時(shí)的方差
Table 4 Variance analysis of the influence of different drying factors on the drying duration
方差來源Sourceofvariance偏差平方和Sumofsquaresofdeviations自由度Freedom(f)均方和Meansquaresum方差Variance(F)顯著性Saliency溫度Temperature8.22224.1115.279?切片厚度Slicethickness48.222224.11130.97???預(yù)處理Preprocessing2.88921.4441.855?誤差Error1.55720.779總和Sum60.898
圖1 樣品重量隨干燥時(shí)間的變化
Fig. 1 Curve of sample weight with drying time
溫度對于干燥速度有顯著影響,是由于溫度越高,內(nèi)部溫度梯度越大,熱流密度增加,干燥介質(zhì)與物料之間的溫度差變大,傳熱速率提高;同時(shí)溫度的升高會(huì)降低干燥介質(zhì)的相對濕度,使其蒸汽壓差變大,提高傳質(zhì)速率[18-20];傳熱和傳質(zhì)速率的增加會(huì)有效的縮短干燥持續(xù)時(shí)間。相比于未處理和氯化鈉預(yù)處理,熱燙處理顯著地增加恰瑪古切片的干燥速率,是由于熱燙處理破壞了恰瑪古切片內(nèi)部的組織,降低干燥過程中切片內(nèi)部的水分?jǐn)U散阻力,熱燙處理可以顯著提高切片的干燥速率。
表5 不同干燥因素下對干燥持續(xù)時(shí)間的極差
Table 5 Range analysis of the influence of different drying factors on the drying duration
試驗(yàn)結(jié)果ExperimentalresultABCDK142304139K239393740K335473837Qj150.3331543.33314981496.667Sj8.22248.2222.8891.556極差R71731主→次Primary→secondaryBAC最優(yōu)組合OptimalcombinationA3B1C2
研究表明,溫度對應(yīng)的F=14.245,F(xiàn)>F0.1=9,切片厚度對應(yīng)的F=1.228,不同預(yù)處理方式對應(yīng)的F=121.174,F(xiàn)>F0.05,有90%的把握判斷溫度對恰瑪古的色澤有較高程度影響,有99%的把握判斷不同的預(yù)處理對恰瑪古的色澤有較高程度影響。不同預(yù)處理方式所對應(yīng)的極差值最大,切片厚度所對應(yīng)的極差值比D空白列所對應(yīng)的極差值小,切片厚度對恰瑪古的亮度影響較小。氯化鈉對于恰瑪古有一定的護(hù)色(保護(hù)組織)作用,而高溫、長時(shí)間的熱燙會(huì)使恰瑪古發(fā)生褐變。溫度越高,恰瑪古的組織越容易被破壞,當(dāng)組織被破壞后,組織內(nèi)部會(huì)被大量的氧氣侵入,進(jìn)而打破組織內(nèi)部氧化還原反應(yīng)之間的動(dòng)態(tài)平衡,于是發(fā)生氧化產(chǎn)物的積累和進(jìn)一步聚合氧化,從而發(fā)生褐變[21],使得恰瑪古的L*、a*、b*值降低,影響恰瑪古干燥后產(chǎn)品的色澤。對切片亮度有影響作用的因素的主次順序?yàn)镃AB,因素水平較優(yōu)的組合為A1B3C3。表6,表7
表6 不同干燥因素下恰瑪古色澤的方差
Table 6 Variance analysis of the influence of different drying factors on the color
方差來源Sourceofvariance偏差平方和Sumofsquaresofdeviations自由度Freedom(f)均方和Meansquaresum方差Variance(F)顯著性Saliency溫度Temperature27.806213.90314.245??切片厚度Slicethickness2.39821.1991.228?預(yù)處理Preprocessing236.5322118.266121.174???誤差Error1.95120.976總和Sum268.6888
表7 不同干燥因素下恰瑪古色澤的極差
Table 7 Range analysis of the influence of different drying factors on the color
實(shí)驗(yàn)結(jié)果ExperimentalresultABCDK1256.01250.88260.84252.9K2253.21249.12229.25250.37K3243.69252.91262.82249.64Qj63013.74762988.33963222.47462987.892Sj27.8062.398236.5331.951極差RRange12.322.0333.573.26主→次Primary→secondaryCAB最優(yōu)組合OptimalcombinationA1B3C3
研究表明,溫度對應(yīng)的F=4.628;切片厚度對應(yīng)的F=43.628,F(xiàn)>F0.05= 19;不同的預(yù)處理對應(yīng)的F=144.44,F(xiàn)>F0.01=99.01;有95%的把握判斷切片厚度對恰瑪古的感官評價(jià)有較高程度影響,有99%的把握判斷不同預(yù)處理對恰瑪古的感官評價(jià)有高顯著度的影響。切片厚度和不同的預(yù)處理方式所對應(yīng)的極差值較大,溫度所對應(yīng)的極差值較小,溫度對恰瑪古干燥后產(chǎn)品感官評價(jià)的影響相對較小,其影響程度沒有切片厚度和不同的預(yù)處理方式對于感官評價(jià)的影響程度大。這是由于溫度、切片厚度及不同預(yù)處理3個(gè)因素中,切片厚度的脆性對恰瑪古的口感影響較大;溫度和預(yù)處理對恰瑪古組織形態(tài)的影響程度較低,切片厚度對其組織形態(tài)的影響程度較高;切片厚度對恰瑪古干燥的色澤影響較小,對恰瑪古本身特有的香氣有較大影響。切片厚度對感官評價(jià)的影響最高。對恰瑪古感官評價(jià)有影響作用的因素的主次順序?yàn)锽AC,因素水平較優(yōu)的組合為A2B1C3。表8,表9
表8 不同干燥因素下恰瑪古感官評價(jià)的方差
Table 8 Variance analysis of the influence of different drying factors on the degree of sensory evaluation
方差來源Sourceofvariance偏差平方和Sumofsquaresofdeviations自由度Freedom(f)均方和Meansquaresum方差Variance(F)顯著性Saliency溫度Temperature0.44220.2214.628?切片厚度Slicethickness4.16922.08443.628??預(yù)處理Preprocessing2.88921.444144.444???誤差Error0.09620.048總和Sum7.5968
表9 不同干燥因素下恰瑪古感官評價(jià)的極差
Table 9 Range analysis of the influence of different drying factors on the degree of sensory evaluation
實(shí)驗(yàn)結(jié)果ExperimentalresultABCDK122.524.622.822.3K222.722.219.821.7K321.219.623.822.4Qj490.327494.053492.773489.98Sj0.4424.1692.8890.096極差RRange1.5540.7主→次Primary→secondaryBCA最優(yōu)組合OptimalcombinationA2B1C3
研究表明,溫度對應(yīng)的F=39.067,F(xiàn)>F0.05=19;切片厚度F=24.78 ,F(xiàn)>F0.05;不同的預(yù)處理對應(yīng)的F=2.029;有95%的把握判斷溫度和切片厚度對恰瑪古的感官評價(jià)有較高程度影響,不同的預(yù)處理方式有一定的影響,但影響相比于溫度和切片厚度較低。溫度和切片厚度所對應(yīng)的極差值較大,不同的預(yù)處理方式和空白列所對應(yīng)的極差值相差不大,不同的預(yù)處處理方式對恰瑪古熱風(fēng)干燥有一定的影響,但是影響程度較低。溫度越高,平均耗電量越高;切片厚度越厚,干燥時(shí)間越長,耗電量越高;不同預(yù)處理,對于干燥持續(xù)時(shí)間影響較小,對于能耗的影響相對較小。對切片收縮程度有影響作用的因素的主次順序?yàn)锽AC,因素水平較優(yōu)的組合為A2B1C2。表10,表11
切片厚度對于干燥持續(xù)時(shí)間影響最大,是因?yàn)榍衅穸仍奖。锪纤謴膬?nèi)部到表面的距離越短,干燥所需時(shí)間越短,與前人研究研究熱風(fēng)干燥過程中的研究結(jié)論一致[22]。不同預(yù)處理方式對干燥持續(xù)時(shí)間有一定的影響,在一定程度上都能提高其干燥速率[23-25],縮短干燥持續(xù)時(shí)間,其中熱燙處理對干燥持續(xù)時(shí)間影響最大,苑亞等[16]也得出相同結(jié)論。
不同干燥工藝對恰瑪古的色澤都有一定的影響,閆圣坤等[26]在小白杏色澤的變化及其動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明,對色澤的變化影響主要是褐變,溫度越高,產(chǎn)品越容易發(fā)生褐變;其中切片厚度對色澤的影響最低,與試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。
表10 不同干燥因素下熱風(fēng)干燥耗電量度的方差
Table 10 Variance analysis of the influence of different drying factors on power consumption in hot air drying
方差來源Sourceofvariance偏差平方和Sumofsquaresofdeviations自由度Freedom(f)均方和Meansquaresum方差Variance(F)顯著性Saliency溫度Temperature97.147248.57339.067???切片厚度Slicethickness61.62230.8124.78???預(yù)處理Preprocessing5.04722.5232.029?誤差Error2.48721.243總和Sum166.38
表11 不同干燥因素下熱風(fēng)干燥耗電量的極差
Table 11 Range analysis of the influence of different drying factors on power consumption in hot air drying
實(shí)驗(yàn)結(jié)果ExperimentalresultABCDK134.733.446.145.4K258.143.943.242.9K357.152.640.641.6Qj1972.0371936.511879.9371877.377Sj97.14761.625.0472.487極差RRange22.419.25.53.8主→次Primary→secondaryABC最優(yōu)組合OptimalcombinationA2B3C1
不同干燥工藝對恰瑪古的感官評價(jià)都有一定的影響,張彩芳等[27]在不同切片方式對黃秋葵熱風(fēng)干燥特性的影響結(jié)果表明切片處理能夠改變消費(fèi)者對黃秋葵熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的接受程度,與此次試驗(yàn)得出的結(jié)論一致:不同的切片厚度,消費(fèi)者對恰瑪古熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的的感官評價(jià)不同。
不同預(yù)處理對于恰瑪古熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的感官評價(jià)有影響,這是由于不同預(yù)處理的方式對于恰瑪古的口感、色澤及其獨(dú)有的風(fēng)味有影響,從而影響恰瑪古產(chǎn)品的感官評價(jià)。
胡眾歡等[28]在甘藍(lán)型油菜籽薄層熱風(fēng)干燥的能耗分析與研究的結(jié)果表明:縮短干燥時(shí)間,能減少能量的消耗。與試驗(yàn)得出的結(jié)論一致:切片厚度以及不同預(yù)處理對能耗有一定的影響,這是由于切片厚度和預(yù)處理對其干燥時(shí)間有一定的影響,影響電量的損耗。
熱風(fēng)干燥具有技術(shù)成熟、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),根據(jù)恰瑪古不同的前期預(yù)處理、熱風(fēng)干燥設(shè)備不同的參數(shù)設(shè)置,設(shè)計(jì)并進(jìn)行正交試驗(yàn),對不同干燥工藝對應(yīng)的不同干燥持續(xù)時(shí)間、產(chǎn)品品質(zhì)以及能耗進(jìn)行正交試驗(yàn)研究,恰瑪古熱風(fēng)干燥較優(yōu)的工藝為:溫度55℃,切片厚度3mm,較優(yōu)的前期預(yù)處理方式為氯化鈉處理。干燥溫度越低,質(zhì)量越好;切片越薄,脆性越好;經(jīng)氯化鈉溶液浸泡,起到一定護(hù)色和保留原有風(fēng)味的作用。