蘇煌杰,劉明鑫,劉斌雄,姚昱錕,方 婷

(福建農(nóng)林大學食品科學學院,福建福州 350007)

竹筍(bamboo shoots),又稱閩筍或筍,是竹的嫩芽莖,有春筍、冬筍以及毛筍等多種類型。近年來,竹筍被加工成各種形式的產(chǎn)品,如竹筍粉、竹筍固體飲料等[1]。竹筍含有的脂肪與淀粉量較低,卻含有豐富的胡蘿卜素、膳食纖維以及蛋白質(zhì)等多種營養(yǎng)物質(zhì),竹筍中也都含有人體所需的17種氨基酸[2],營養(yǎng)價值極高。竹筍具有改善腸道微生態(tài)、降壓降脂等保健功能[3-4]。對竹筍進行貯藏保存是很有必要的,干燥是竹筍加工中最為常見的一種方式,鮮筍經(jīng)干燥處理后,除去了大部分的水分,水分活度降低,在某種程度上抑制了微生物的生長和繁殖活動,其所含酶的活性也被抑制,能夠更好地保存竹筍。

目前,傳統(tǒng)的干燥方法多采用熱風干燥,但熱風干燥的時間長、耗能多、產(chǎn)品褐變嚴重、品質(zhì)差[5-6]。與熱風干燥相比,真空干燥可以延長竹筍的保存時間,同時提高竹筍的貯藏品質(zhì)[7],過熱蒸汽干燥不僅安全、熱效率高、節(jié)能,而且具有干燥速度快、殺菌快速、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點[8-10]。早期過熱蒸汽與真空干燥聯(lián)合技術主要用在木材的干燥上[11],目前,此技術已在土豆、海參中得到應用[12-13],但未見過熱蒸汽與真空干燥技術在竹筍中應用的報道。

本文以竹筍為原料,采用響應面法對竹筍的聯(lián)合干燥工藝進行優(yōu)化,探討不同水平的蒸汽溫度、轉(zhuǎn)換時間、真空溫度對竹筍干燥品質(zhì)的影響,優(yōu)化竹筍過熱蒸汽干燥與真空干燥工藝參數(shù),為工廠化竹筍過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥提供一定的理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

竹筍 購自福州市永輝超市;試驗用水 均為蒸餾水。

過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥設備 福建農(nóng)林大學(自制),設備操作及原理:打開電源,蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽進入過熱蒸汽干燥腔體中,達到一定溫度后送入竹筍于載物網(wǎng)盤上進行干燥,去除一部分水分,過熱蒸汽腔體中的蒸汽通過壓力調(diào)節(jié)閥進入真空干燥腔體中的換熱器上,將經(jīng)過過熱蒸汽干燥后的竹筍置于換熱器上,進一步干燥,利用過熱蒸汽尾氣給換熱器提供熱源,達到對竹筍進行干燥的目的;XMTA智能數(shù)字顯示溫度控制器 浙江上通儀表有限公司;DK-S24電熱恒溫水浴鍋 上海精宏實驗設備有限公司;KK28F58TI冰箱 北京西門子有限公司;FA1004A電子天平 上海精天電子儀器有限公司;ADCL系列全自動色彩色差計 上海精宏實驗設備有限公司;YF2-2超微粉碎機 浙江瑞安市永歷制藥機械有限公司。

圖1 過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥設備示意圖Fig.1 Sketch map of the superheated steam combined with vacuum drying equipment注:1:蒸汽發(fā)生器;2:截止閥;3:閘閥;4:風機;5:加熱器;6:載物網(wǎng)盤;7:承載傳感器;8:溫度控制器;9:壓力表(或真空度表);10:過熱蒸汽干燥箱;11:壓力調(diào)節(jié)閥;12:真空泵;13:載物盤;14:換熱器;15:真空干燥箱;16:冷凝水收集器;17:放水龍頭;18:減壓閥。

1.2 實驗方法

1.2.1 竹筍過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥工藝流程 鮮竹筍→預處理→過熱蒸汽干燥→真空干燥→成品。

預處理:挑選同一批次且個頭大小相近、無病蟲害的新鮮竹筍,用自來水沖洗干凈,瀝干水,剔除根部(較老)和尖部(較嫩),以保持筍所利用部分水分含量等參數(shù)的均一性,切成厚度為4 mm的薄片。

1.2.2 單因素實驗

1.2.2.1 過熱蒸汽溫度對竹筍干燥的影響 當轉(zhuǎn)換時間為30 min,真空溫度為75 ℃時,分別在110、115、120、125、130 ℃的不同蒸汽溫度條件下對竹筍進行干燥,干燥至干基含水率≤13%,確定竹筍過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥的最佳蒸汽溫度。

1.2.2.2 轉(zhuǎn)換時間對竹筍干燥的影響 當過熱蒸汽溫度120 ℃,真空溫度為75 ℃時,分別在20、30、40、50、60 min的不同轉(zhuǎn)換時間條件下對竹筍進行干燥,干燥至干基含水率≤13%,確定竹筍過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥的最佳轉(zhuǎn)換時間。

1.2.2.3 真空溫度對竹筍干燥的影響 當過熱蒸汽溫度120 ℃,轉(zhuǎn)換時間為30 min,時,分別在70、75、80、85、90 ℃的不同真空溫度條件下對竹筍進行干燥,干燥至干基含水率≤13%,確定竹筍過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥的最佳真空溫度。

1.2.3 響應面設計 本試驗設計采用響應面中心組合設計理論,以前期單因素實驗的基礎上所取的過熱蒸汽干燥轉(zhuǎn)換時間、蒸汽溫度和真空溫度為自變量,以復水比、L*值為因變量建立三因素三水平的中心組合實驗,如下表1所示。

表1 三因素水平編碼表Table 1 Codes and levels of three factors

1.2.4 復水比的測定 稱取適量過熱蒸汽干燥后的竹筍樣品,加入樣品干重200倍的蒸餾水于燒杯中,將燒杯置于40 ℃的水浴鍋中進行保溫,讓竹筍干樣品連續(xù)復水30 min后,將其從燒杯中取出瀝干水分,并用濾紙吸去竹筍表面的水分,然后稱重,取三次平行試驗的平均值作為最終數(shù)據(jù)。竹筍復水比的計算公式如下:

式中,R:竹筍的復水比;M:竹筍干樣品復水后的質(zhì)量,g;m:竹筍干制品復水前的質(zhì)量,g。

1.2.5 色澤的測定 本實驗采用ADCL系列全自動色差計測定竹筍的色澤,以L*值作為色澤的參考指標。具體操作步驟為:打開全自動色差計的電源,黑白校準后,將粉碎后的竹筍粉末倒入測量皿中進行測定,結果取三組平行試驗的平均值。

1.2.6 能耗對比試驗及單位能耗的計算 將切片厚度為4 mm的兩份等重竹筍,分別利用熱風干燥和過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥兩種方法對竹筍進行干燥,干燥至干基含水率≤13%,試驗開始和結束時分別用電子天平測定竹筍的重量,用秒表測定干燥時間,整個干燥系統(tǒng)單獨接一個電子式有功電能表,干燥過程消耗的電量通過觀察萬用電表獲得,試驗重復三次,取平均值。并計算單位能耗,單位能耗是每蒸發(fā)竹筍一個單位質(zhì)量水分所耗電能,以所有工作電機額定輸入功率及每組試驗總加熱時間計算[14]。單位能耗的計算公式如下:

式中:N:單位能耗,kJ/kg;w:所有工作電機額定輸入功率,kW;T:總干燥時間,s;G:去除水分的重量,g。

1.3 數(shù)據(jù)分析

將試驗所得到的數(shù)據(jù),運用Design Expert 8.0.6軟件進行分析,所有實驗分析重復3次,結果取平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 蒸汽溫度對L*值和復水比的影響 從圖2可知,不同的過熱蒸汽溫度對過熱蒸汽干燥竹筍片的色澤和復水比都有影響。隨著過熱蒸汽溫度的升高,竹筍片的復水比先增大后減小,當過熱蒸汽溫度為120 ℃時,L*值和復水比均取得最大值。分析其原因:當過熱蒸汽溫度低于120 ℃時,竹筍干燥速度相對較緩慢,隨著蒸汽溫度的增加,干燥速度變快,干燥時間也隨之縮短,即在高溫的處理時間較少,筍片結構相對被破壞程度較低,因此隨溫度的升高,竹筍的復水比逐漸升高。當蒸汽溫度超過120 ℃時,干燥反應劇烈,筍片表面水分迅速蒸發(fā),筍片水分遷移速度遠遠不及筍片表面水分蒸發(fā)速度,因此使筍片表面急速變干皺縮。使筍片的結構破壞較為嚴重,且隨溫度的增加破壞程度也增大,即復水比隨溫度的增加而降低。綜上所述,蒸汽溫度取115～125 ℃為宜。

圖2 不同蒸汽溫度對竹筍L*值和復水比的影響Fig.2 Effect of different steam temperatures on L* value and rehydration ratio of bamboo shoots

2.1.2 轉(zhuǎn)換時間對L*值和復水比的影響 從圖3可知,隨著轉(zhuǎn)換時間的增加,L*值和復水比都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,當轉(zhuǎn)換時間為30 min時,L*值和復水比都達到最大。分析其原因:當轉(zhuǎn)換時間低于30 min時,竹筍的干燥效果不明顯,竹筍含水量較高,褐變程度小,筍片內(nèi)部結構完好,隨著轉(zhuǎn)換時間的增加,褐變程度加深,筍片色澤越黃,當溫度超過30 min后,竹筍長時間處在高溫高濕的狀態(tài),會出現(xiàn)軟爛現(xiàn)象,這對竹筍的組織和結構產(chǎn)生嚴重的破壞,因此復水比會出現(xiàn)下降,L*值并沒有出現(xiàn)太大變化可能是由于褐變反應以達到完全反應的狀態(tài)。綜上所述,轉(zhuǎn)換時間選擇30～50 min最為合適。

圖3 不同轉(zhuǎn)換時間對竹筍L*值和復水比的影響Fig.3 Effect of different conversion time on L* value and rehydration ratio of bamboo shoots

圖4 不同真空溫度對竹筍L*值和復水比的影響Fig.4 Effect of different vacuum temperatures on L* value and rehydration ratio of bamboo shoots

2.1.3 真空溫度對L*值和復水比的影響 從圖4可知,隨著真空溫度的不斷增加,曲線都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在真空溫度為75 ℃時,L*值和復水比達到最大值,表明其亮度較其他溫度處理下的筍片較大;當真空溫度小于75 ℃時,L*值隨溫度的增加而變大,是由于溫度較低竹筍切片后本身存在褐變,且當溫度增加時,竹筍干燥時間縮短,褐變時間也減少,竹筍的干燥速度慢,表面的蒸發(fā)速率較慢,竹筍表面不至于迅速緊實皺縮,內(nèi)部水分向表面遷移的阻礙相對較少,減少了部分竹筍組織結構的破壞,復水比因而有所上升。當溫度高于75 ℃時,L*值隨溫度的升高而下降,溫度高有利于竹筍在干燥前期對酶的鈍化,使竹筍在前期的干燥時間里褐變程度較小,色澤變化差異小。溫度升高,干燥速率隨之上升,干燥時間縮短,因此竹筍在真空狀態(tài)下的時間短。但在竹筍片干燥的過程中,干燥溫度越高,物料表面水分散失越快,從而竹筍表面先收縮變緊,阻礙內(nèi)部水分向表面遷移,從而使竹筍內(nèi)部溫度逐漸上升,導致竹筍內(nèi)部部分細胞因溫度過高而被破壞,且溫度越高竹筍結構被破壞的程度越大,因此復水率也呈下降的趨勢。綜上所述,真空溫度選擇70～80 ℃最為合適。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Analysis of variance of the regression equation

2.2 響應面模型的建立及分析結果

在不同的條件下對竹筍進行過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥試驗,然后分別測定竹筍的復水比、L*值,結果見表2。將試驗結果運用Design Expert 8.0.6軟件,剔除不顯著項后,對其進行回歸分析,得到竹筍復水比、色澤二次回歸方程如下:

復水比R1=6.20-0.43A-0.36B-0.058C+0.18AC+0.065BC-0.62A2-0.68B2-0.54C2

L*值R2=90.52-7.34A-8.46B-2.25C-5.50AB+2.46BC-10.05A2-8.07B2-12.97C2

表2 響應面試驗設計及結果Table 2 Design and results of the response surface experiment

對于上述各回歸模型進行方差分析,并對模型系數(shù)進行顯著性檢驗(表3)。由各模型方差分析結果顯示,復水比、L*值2個模型P值均小于0.01,故上述2個模型均極顯著;各模型失擬項P值分別為0.0744和0.0781,均不顯著(P>0.05);同時各模型的R2均接近1,表明實驗數(shù)據(jù)與回歸數(shù)學模型擬合性良好[15],能夠用上述模型較好地預測各指標的實際值。

各模型回歸系數(shù)顯著性檢驗結果見表4。由表4可知,蒸汽溫度、轉(zhuǎn)換時間對復水比的影響均極顯著，真空溫度對復水比的影響顯著，蒸汽溫度和真空溫度的交互作用對復水比的影響極顯著，轉(zhuǎn)換時間和真空溫度的交互作用對復水比的影響顯著，蒸氣溫度的二次項、轉(zhuǎn)換時間的二次項、真空溫度的二次項對復水比的影響均極顯著；蒸汽溫度、轉(zhuǎn)換時間、真空溫度對L*值的影響均極顯著，蒸汽溫度和轉(zhuǎn)換時間的交互作用對L*值的影響極顯著，轉(zhuǎn)換時間和真空溫度的交互作用對L*值的影響極顯著，蒸氣溫度的二次項、轉(zhuǎn)換時間的二次項、真空溫度的二次項對L*值的影響均極顯著。

2.3 響應曲面分析結果

根據(jù)各模型分析各因素交互作用對響應值的顯著性,分別對回歸方程繪制對應的響應面分析圖,探究各因素對復水比、竹筍色澤的交互作用。

2.3.1 竹筍復水比響應面分析 圖4為過熱蒸汽溫度、轉(zhuǎn)換時間、真空溫度對竹筍復水比的影響。從圖中可知，蒸汽溫度和轉(zhuǎn)換時間對復水比的影響較為顯著，表現(xiàn)為曲線更加陡峭，真空溫度次之，表現(xiàn)為曲線平緩。在同一蒸汽溫度和真空度下,復水比隨著轉(zhuǎn)換時間的增加先增大后減小,在同一蒸汽溫度和轉(zhuǎn)換時間下,復水比隨著真空溫度的增加先增大后減小,在同一轉(zhuǎn)換時間和真空度下,復水比隨著蒸汽溫度的增加先增大后減小,其原因是蒸汽溫度的繼續(xù)增加,干燥反應更為劇烈。此時,由于溫度升高而提升了干燥速度,同時,由于竹筍表面干燥緊縮甚至局部出現(xiàn)烤焦狀態(tài),從而在干燥后期阻礙了竹筍內(nèi)部水分的向外遷移,從而也使干燥時間縮短的較少。干燥時間雖有所縮短,但由于溫度過高,竹筍表面的蒸發(fā)速度過快,使竹筍表面局部出現(xiàn)烤焦的狀態(tài),破壞了竹筍的組織結構,反而降低了竹筍的復水比。

表4 不同試驗因素回歸系數(shù)的檢驗Table 4 Testing of the significance of the regression coefficients associated with different experimental factors

注:**表示該指標在0.01水平上極顯著,*表示該指標在0.05水平上顯著。

圖4 三因素交互作用對竹筍復水比影響的響應曲面Fig.4 Effect of interaction of three factors on the response surface plot of rehydration ratio of bamboo shoots

圖5 三因素對竹筍色澤L*值的響應曲面Fig.5 Effect of interaction of three factors on the response surface plot of the color of bamboo shoots

2.3.2 竹筍色澤L*值的響應面分析 圖5為過熱蒸汽溫度、轉(zhuǎn)換時間、真空溫度對竹筍L*值的影響。從圖5中可知，蒸汽溫度、轉(zhuǎn)換時間、真空溫度對L*值的影響均顯著，表現(xiàn)為曲線均陡峭。在同一蒸汽溫度和真空度下,L*值隨著轉(zhuǎn)換時間的增加先增大后減小,在同一蒸汽溫度和轉(zhuǎn)換時間下,L*值隨著真空溫度的增加先增大后減小,在同一轉(zhuǎn)換時間和真空度下,L*值隨著蒸汽溫度的增加先增大后減小,其中,轉(zhuǎn)換時間和蒸汽溫度對引起竹筍色澤亮度變化的作用較大。其原因為在竹筍的過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥過程中,轉(zhuǎn)移時間較長即過熱蒸汽干燥時間較長或過熱蒸汽干燥溫度較高,由于過熱蒸汽干燥處于高溫狀態(tài),干燥速度快,過熱干燥時間長則竹筍含水量急劇下降,在高溫且竹筍水分含量低的情況下,竹筍極易于出現(xiàn)燒焦狀態(tài),導致色澤偏暗亮度下降即色澤L*值下降。

2.4 最佳工藝參數(shù)的確定及驗證

在實際的生產(chǎn)中,竹筍的復水比和色澤亮度在評定竹筍品質(zhì)均為重要參考指標,因此,通過Design Expert 8.0.6軟件對3個因素(A、B、C)進行優(yōu)化,使響應值R1和R2取得最大值,得到的最優(yōu)參數(shù)為:過熱蒸汽溫度119.10 ℃、轉(zhuǎn)換時間34.71、真空溫度為73.66 ℃,此條件下模型預測復水比為6.2488、色澤參數(shù)L*值為93.2323。為了檢驗模型預測的準確性,以最優(yōu)工藝參數(shù)進行3次重復實驗,根據(jù)實際情況進行修整后為:熱蒸汽溫度為119 ℃,轉(zhuǎn)換時間為35 min,真空溫度為74 ℃時,進行驗證試驗,結果取3次平行試驗平均值,得到竹筍的復水比為6.23±0.07,色澤參數(shù)L*值為92.83±0.23,同所得預測值較為相近,證明了竹筍過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥工藝優(yōu)化結果的可靠性以及統(tǒng)計學方法的有效性。

2.5 耗能對比實驗

用過熱蒸汽聯(lián)合真空干燥和熱風干燥工藝干燥至安全水分,重復3次操作,取其平均值進行對比,結果如表5所示。由表5可得,過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥所需的干燥時間會比熱風干燥節(jié)省4.5 h,約56.25%;蒸發(fā)1 kg水分所需的能量節(jié)約4649.5 kJ,約52.65%。原因在于:a.過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥充分利用了過熱蒸汽干燥速度快的優(yōu)點,使干燥時間大大縮短。b.過熱蒸汽不需要像熱風干燥需先對空氣進行加熱,將過熱蒸汽干燥中排出的蒸汽作為真空干燥的熱源,極大程度地減少了能量的浪費,使能量得到充分的利用。綜上所述,過熱蒸汽聯(lián)合真空干燥具有省時有節(jié)能的優(yōu)點,且在竹筍的干燥中能有效地運用。

表5 過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥與熱風干燥能耗對比表Table 5 Energy consumption comparison of superheated steam combined with vacuum drying and hot air drying

3 結論

本研究將響應面分析法引入到竹筍過熱蒸汽干燥與真空干燥技術的工藝優(yōu)化實驗中,確定了竹筍過熱蒸汽干燥與真空干燥的最佳工藝參數(shù):熱蒸汽溫度為119 ℃,轉(zhuǎn)換時間為35 min,真空溫度為74 ℃時,此條件下模型預測復水比為6.2488、色澤參數(shù)L*值為93.2323,實驗驗證得竹筍的復水比為6.23±0.07,色澤參數(shù)L*值為92.83±0.23,誤差值較小。該干燥方式對改善傳統(tǒng)干燥竹筍的品質(zhì)和降低生產(chǎn)能耗都具有重要意義,且該工藝參數(shù)可為竹筍過熱蒸汽與真空聯(lián)合干燥技術的工業(yè)化應用提供理論依據(jù)。