張 鑫，任元元?，孟資寬，鄒 育，周澤林，張星燦，王擁軍

（四川省食品發(fā)酵研究工業(yè)設計院，四川 成都 611130）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L）目前是僅次于小麥、水稻、玉米、大豆的世界第五大主要糧食作物。根據(jù)國家統(tǒng)計局網(wǎng)站數(shù)據(jù)顯示，我國2018年播種面積達4 785.07千公頃，馬鈴薯產(chǎn)量達到1 798.37萬噸位居世界第一，約占世界馬鈴薯總產(chǎn)量的 1/4。2015年國家農業(yè)部提出了“馬鈴薯主食化”發(fā)展戰(zhàn)略，并隨后發(fā)布了《關于推進馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的指導意見》，提出要對馬鈴薯進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，中國的馬鈴薯產(chǎn)業(yè)進入一個快速發(fā)展階段。馬鈴薯非油炸擠出方便面作為馬鈴薯加工產(chǎn)業(yè)鏈中的重要一環(huán)，在此背景下成為了當前的一個研究熱點[1-3]。目前，對于馬鈴薯方便面的研究主要集中在原料配比，品質改良等方面，而干燥作為其加工工藝中的最后一道工序，研究還較少。干燥是面條生產(chǎn)的重要工藝之一，也是控制生產(chǎn)成本的主要工藝單元[4]。熱風干燥技術由于具有易操作、成本低、適合大規(guī)模批量生產(chǎn)等優(yōu)點，適應我國國情，因此應用最為廣泛。研究表明，不同原料的產(chǎn)品其熱風干燥特性不盡相同[5-9]。為了解馬鈴薯非油炸擠出方便面的熱風干燥特性，本課題探究了不同干燥溫度對馬鈴薯非油炸擠出方便面熱風干燥的影響，并計算得出不同直徑方便面的水分有效擴散系數(shù)Deff和擴散活化能Ea，選擇適合干燥的動力學模型，以期為進一步優(yōu)化馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥過程中的工藝參數(shù)及干燥設備選型提供一定的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯全粉：甘肅華農食品有限公司；高筋小麥粉：河北金沙河面粉有限公司；食用鹽：四川樂山聯(lián)豐鹽化有限責任公司；小麥蛋白：江蘇豐園生物科技有限公司；β-環(huán)狀糊精：江蘇宿遷東裕達商貿有限公司。

1.2 儀器與設備

非油炸擠出方便面生產(chǎn)線：盛昌達機械有限公司；DHG-9030電熱恒溫鼓風干燥箱：上海博訊實業(yè)有限公司；ZHM-400真空和面機：濰坊格瑞食品機械制造有限公司；ME-104E電子天平：梅特勒-托利多有限公司。

1.3 方法

1.3.1 馬鈴薯方便面制作工藝

參考楊建[1]等的方法，略有改動。小麥粉與馬鈴薯全粉以6∶4的比例倒入真空和面機混合，攪拌均勻后，進行二次擠壓熟化成型（一次擠壓溫度100 ℃；二次擠壓成型溫度60 ℃，其中二次擠出模板分別選用方便面生產(chǎn)中普遍采用的0.7、1、1.2 mm孔徑），再經(jīng)過切分、蒸煮糊化、干燥包裝等工序，工藝流程圖如圖1所示。

1.3.2 馬鈴薯方便面的干燥

取大小均勻的方便面（初始水份約為37%），在干燥溫度 40、50、60、70 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中進行干燥，每隔30 min取樣測定樣品質量，直到方便面水分含量小于14%，按GB 17400—2015（食品安全國家標準 方便面）執(zhí)行。

1.3.3 干燥特性指標的測定

方便面干基水分含量的測定參考 GB 5009.3—2016[10]，計算如式（1）所示。

式中：Ct為 t時刻樣品的干基水分含量/(g/g)；mt為t時刻樣品的質量/g；m為樣品干燥后的質量/g。

水分比（MR）表示干燥條件下，t時刻樣品的干基水分含量與初始樣品干基水分含量的比值，用來反映物料干燥速率的快慢，按式（2）計算[6]：

式中：Ct為 t時刻樣品的干基水分含量；C0為初始時刻樣品的干基水分含量；Ce為干燥平衡時刻樣品的干基水分含量；Ce為干燥平衡時間的干基水分含量。

方便面干燥速率按式（3）計算[6]：

式中：DR為干燥速率；C1和C2分別為干燥到t1和t2時刻的干基水分含量。

1.3.4 有效水分擴散系數(shù)的計算

通過測定物料的干燥曲線，結合Fick方程和Arrhenius方程進行計算有效水分擴散系數(shù)（Deff）[8]，在理想狀態(tài)下Fick方程經(jīng)簡化后如式（4）所示，為線性方程；以lnMR縱坐標，時間t為橫坐標作圖，擬合直線方程，得到斜率 K0，用式（5）計算Deff。

式中：Deff為有效水分擴散系數(shù)；L為方便面厚度的一半；t為干燥時間。

1.3.5 活化能的計算

物料Deff和干燥溫度的關系可以用Arrhenius方程表示：

式中，Ea是干燥活化能；D0是擴散常數(shù)（m2/s）；R是氣體狀態(tài)常數(shù)，值為8.314 J/(mol·k)；T是熱風干燥溫度（℃）。

將式（6）線性轉化如下：

將 lnDeff與 1/(T+273)進行作圖后線性擬合，根據(jù)得到的擬合方程的斜率為Ea/R，計算干燥活化能Ea[11]。

1.3.6 方便面干燥動力學模型的選擇

食品干燥是一個復雜過程，為確定方便面干燥動力學變化規(guī)律，本研究選用5種常見的經(jīng)典干燥模型方程分別描述方便面的干燥曲線[11-15]，所選干燥模型如表1所示。

表1 5種經(jīng)典薄層干燥數(shù)學模型Table 1 Five thin layer drying classical mathematical models

用決定系數(shù)R2，均方根誤差RMSE 2個參數(shù)對方便面干燥的5種數(shù)學模型進行評價，R2越大，RMSE越小，說明模型擬合效果越好，其計算公式分別為：

式中，MRexp,i為任意時刻試驗值；MRpre,j為任意時刻預測值；n為觀測值的個數(shù)；Z為模型待定系數(shù)的個數(shù)。

1.3.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用origin 2018c和spss軟件進行作圖和干燥動力學模型擬合分析。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯非油炸擠出方便面熱風干燥特性

2.1.1 干燥溫度對馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥曲線的影響

圖 2（a）（b）為直徑 0.7 mm方便面干燥曲線圖，干燥曲線常用于描述物料的含水率隨時間變化的趨勢。由圖2可知，不同溫度下馬鈴薯非油炸擠出方便面的干基含水量均隨干燥時間延長而逐漸下降；馬鈴薯非油炸擠出方便面熱風溫度越高，干基含水量降低越快。隨著干燥溫度的提高，馬鈴薯非油炸擠出方便面表面的水分蒸發(fā)速度也在上升，干燥環(huán)境中的相對濕度降低，加大了干燥介質與馬鈴薯非油炸擠出方便面的濕度差，導致馬鈴薯非油炸擠出方便面表面水分向干燥介質的擴散動力增加，縮短干燥時間。但是由圖2（a）可見，60 ℃和70 ℃的干燥曲線基本趨于一致，其原因可能是因為當溫度超過60 ℃后，馬鈴薯非油炸擠出方便面外部水分蒸發(fā)速度較快，而內部水分遷移速度較慢，減緩了干燥速度，同時出現(xiàn)方便面表面干燥過度，面條上有細小裂紋的現(xiàn)象。因此在一定范圍內增加干燥溫度可以有效提高熱風干燥效率，縮短干燥時間。

圖2 不同干燥溫度下馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥曲線（a）和干燥曲線（b）Fig.2 Drying curves (a) and drying rate curves (b) of potato non-fried extruded instant noodles at different temperature

2.1.2 干燥溫度對馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥速率的影響

熱風干燥的溫度對干燥速率和馬鈴薯非油炸擠出方便面的品質有重要的影響，不同干燥溫度下馬鈴薯非油炸擠出方便面的干燥速率曲線如圖3所示。從圖 3可知，熱風溫度越高，馬鈴薯非油炸擠出方便面的干燥速率越大，干基含水量下降的也越快；隨著熱風干燥進行，馬鈴薯非油炸擠出方便面干基含水量逐漸減低，干燥速率也隨之下降。在干燥的初始階段，干燥速率處于最大值，然后呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，因此整個干燥過程可以看成是降速干燥。干燥溫度越高，降速階段越明顯。經(jīng)過蒸煮糊化工藝后的方便面含有較多的自由水，在干燥開始時，其表面自由水迅速蒸發(fā)，因此干燥速率在開始時最高。隨著干燥過程的進行，馬鈴薯非油炸擠出方便面內部水分擴散代替表層水分蒸發(fā)，成為影響干燥速率的主要因素；由于馬鈴薯非油炸擠出方便面是經(jīng)二次螺旋擠壓成型，內部結構較緊密，內部水分擴散速度遠低于表層水分的擴散速度，因此造成干燥速率不斷降低。在一定范圍內干燥溫度越高，馬鈴薯非油炸擠出方便面表層水分蒸發(fā)速度越快，馬鈴薯非油炸擠出方便面外部與內部的水分梯度越大，方便面水分向外部空間擴散的速度越快。當干燥溫度超過 60 ℃后，干燥速率增長放緩甚至下降，其原因可能是當干燥溫度過高，馬鈴薯非油炸擠出方便面外部水分干燥過快造成面餅收縮過度，導致內部結構更加緊密從而不利于內部水分向外擴散，面餅切分后存在外部干燥過度，而內部水分含量還較高的現(xiàn)象，減緩了干燥速率。

圖3 干燥溫度對馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥速率的影響Fig.3 Effect of drying temperature on drying rate of potato non fried extruded instant noodles

2.2 馬鈴薯非油炸擠出方便面干燥模型的擬合與建立

不同直徑、不同干燥溫度下馬鈴薯非油炸擠出方便面的熱風干燥曲線與表1中的5個經(jīng)典干燥數(shù)學模型進行非線性擬合，篩選出最適干燥模型，結果見表2。

由表2可以看出，五種模型的R2平均值依次為 Page＞Midilli＞Pabis＞Parabolic＞Newton，RMSE為 Page＜Midilli＜Pabis＜Parabolic＜Newton，其中Page、Midilli兩個模型的R2平均值均大于0.995，RMSE平均值均小于0.25*10-2，說明這兩個模型擬合程度較好。由于Page模型的R2最大，RMSE最小，擬合程度最高，同時參數(shù)少，有利于后期模型參數(shù)的求解[5]，因此確定選擇Page模型為馬鈴薯非油炸擠出方便面的熱風干燥模型。

表2 不同干燥溫度下5種干燥模型非線性回歸擬合結果Table 2 Nonlinear regression fitting results of five drying models under different drying temperatures

續(xù)表2

以溫度（T）和面條直徑（D）為變量，對各干燥條件下Page模型的參數(shù)k，n值進行偏最小二乘法（PLS）回歸擬合分析，擬合方程：k=a1+b1T+c1D+d1TD+e1T2+f1D2；n=a2+b2T+c2D+d2TD+e2T2+f2D2。擬合結果如下：

k=0.018 75-3.77×10-4T+1.86×10-4D-8.68×10-4TD+5.58×10-41T2+6.98×10-4D2

n=0.038 75+0.078 44T-0.876 9D+5.312×10-4TD-6.708×10-4T2+3.231×10-4D2

將k，n分別帶入page模型中，得到馬鈴薯非油炸擠出方便面的模型為MR=EXP{(0.018 75-3.77×10-4T+1.86×10-4D-8.68×10-4TD+5.58×10-41T2+6.98×10-4D2)}t0.03875+0.07844T-0.8769D+5.312×10-4TD-6.708×10-4T2+3.231×10-4D2

2.3 Page干燥模型的驗證

為了驗證模型的擬合程度，分別選擇直徑0.7 mm、干燥溫度45 ℃，直徑1 mm、干燥溫度55 ℃，以及直徑1.2 mm、干燥溫度65 ℃的實驗條件下測量水分比MR值與模型的預測值MR進行線性擬合，通過線性方程得到的決定系數(shù)來判斷預測值和實際值之間的差異，結果見圖 4。由圖4可以看出，Page模型的預測值與不同條件下的實驗值基本一致，擬合曲線決定系數(shù)R2均達到了0.992 1以上，RMSE均小于0.005，因此該模型擬合精度較高，可以用來作為馬鈴薯非油炸擠出方便面的干燥模型。

圖4 不同條件下page模型驗證圖（a）、驗證圖（b）和驗證圖（c）Fig.4 Page model validation diagram (a)、(b) and (c) in different conditions

2.4 水分有效擴散系數(shù)Deff和干燥活化能Ea

Deff和 Ea是衡量干燥過程中物料脫水能力的重要指標，越高的Deff代表物料的脫水能力越強，需要的水分擴散活化能越低。根據(jù)公式（6）計算出不同條件下的方便面Deff，結果見表3。由表3可知，不同直徑、不同干燥溫度下的 Deff不同，其數(shù)值在 0.463×10-9～1.845×10-9m2/s之間，水分有效擴散系數(shù) Deff隨著干燥溫度的升高而升高，隨著方便面直徑的增加而降低。干燥活化能Ea表示物料干燥過程中除去單位摩爾水分所需能量，主要由物料本身的結構、形狀和大小等性質決定，活化能越大，說明物料越難干燥。根據(jù)公式（7），以lnDeff和1/(T+273)作為坐標進行作圖，根據(jù)斜率計算出方便面的干燥活化能 Ea分別為65.314、55.265和47.904 kJ/mol，說明從方便面中去除1 mol水分所需的最低能量為 65.314 kJ、55.265 kJ和47.904 kJ，因此在不影響產(chǎn)品品質的前提下，適當減小面條直徑能夠有效減少干燥過程中的能量損耗。

表3 方便面水分有效擴散系數(shù)Deff和EaTable 3 Effective diffusion coefficient and Ea of instant noodle moisture

3 結論

馬鈴薯非油炸擠出方便面在不同干燥溫度下，熱風干燥曲線呈現(xiàn)基本相同的變化趨勢，整個干燥過程可看成降速干燥過程。干燥速率隨著溫度的升高而增快，通過選擇5種常見的薄層干燥數(shù)學模型進行擬合，結果顯示Page模型能較好地表達和預測方便面干燥的任意時刻（t）水分比（MR）隨干燥溫度（T）的變化情況，通過驗證模型的有效性，其R2達到0.999。方便面的有效水分擴散系數(shù) Deff在 0.463×10-9～1.945×10-9m2/s 之間；直徑為0.7、1、1.2 mm的方便面對應的干燥活化能Ea分別是47.904、55.265和65.314 kJ/mol，因此在不影響產(chǎn)品品質的前提下，適當?shù)臏p小面條直徑能夠有效減少干燥過程中的能量損失。