孫新怡,徐海軍,朱禮強,孫旭蕊,孫清瑞,朱成成,隋世有,金麗梅
(1.黑龍江八一農墾大學食品學院,大慶 163319;2.內蒙古伊利實業(yè)集團股份有限公司)
青椒為雙子葉茄科植物,果實略帶甜味,果肉厚實,水分充足,在日常飲食中深受人們的喜愛[1-2]。青椒含有豐富的類胡蘿卜素、維生素C 等物質[3-4],其中類胡蘿卜素作為維生素A 原和抗氧化劑,可預防多種慢性疾病并調節(jié)人體免疫力;維生素C 能夠促進傷口愈合,防止牙齦出血,對貧血起輔助作用。另外,青椒也是酚類和類黃酮類物質的極好來源。但是青椒本身含水率較高(濕基含量90%~94%),屬于易腐爛蔬菜,在貯藏、運輸和銷售等環(huán)節(jié)容易感染真菌疾病,還會出現(xiàn)采后問題,損害其自身價值[5-6]。青椒多數(shù)以日常烹飪的方式進行加工,而深加工工藝較少。因此,開發(fā)青椒干燥制品,有利于降低貯運費用并改善其口感和風味,為進一步提高青椒的利用價值以及休閑食品的開發(fā)等都具有重要意義。
熱風干燥具有速度快、操作便利、成本低等優(yōu)點,普遍應用于干制品加工中[7-9]。其中洞道干燥中熱空氣和物料接觸面積大,干燥制品保持較好形狀,色澤保留度較高,但長時間干燥會產生焦糊、變色,造成營養(yǎng)物質的流失[10]。為解決單一熱風干燥的缺點,近年來,開發(fā)了多種不同的聯(lián)合干燥方法[11-12],但是由于青椒果肉厚實,真空干燥仍需要克服水分子從內部擴散到表面的阻力,干燥速率慢[13]。微波干燥雖然干燥時間短,但容易引起物料表面過熱,使物料發(fā)生部分膨化,導致顏色和形狀發(fā)生改變,大大降低產品品質[14]。遠紅外干燥憑借“共振”現(xiàn)象使物料升溫,且對熱敏物質破壞不大,但是對于果實較厚的青椒而言,遠紅外技術的穿透距離較短只有幾毫米,不能實現(xiàn)完全干燥[15]。
相比于其他干燥方法,流化床干燥具有傳熱效果好、干燥速度快等優(yōu)點,可有效避免產品的局部過熱,還能起到殺菌效果[16-17],將其與洞道干燥相結合后大大提高干燥效率,降低能耗,提升產品品質,在果蔬干燥領域具有較好的應用前景。目前,利用洞道與流化床組合干燥的研究對象主要有甘藍絲、香菇和黃桃等[18-20]。
研究擬采用洞道和流化組合的方式對青椒進行干燥,控制由洞道向流化干燥的含水率轉換點,并優(yōu)化干燥工藝條件,制備出一種天然綠色、健康營養(yǎng)的青椒干制品,并為進一步工業(yè)化應用提供參考。
新鮮青椒:選自北京華聯(lián)生活超市;碳酸氫鈉:天津市紅巖化學試劑廠;2,6-二氯酚靛酚鈉:成都市科龍化工試劑廠;丙酮、草酸、抗壞血酸:天津市大茂化學試劑廠;鹽酸:哈爾濱試劑化工廠;乙醇:天津市富宇精細化工有限公司;碳酸鈣:天津市河東區(qū)紅巖試劑廠;試劑均為分析純。
LHC-3 流化床干燥操作演示實驗裝置:天津大學化工基礎實驗中心;DHG-9415A 型恒溫鼓風干燥箱:上海一恒科技有限公司;HH-1 數(shù)顯恒溫水浴鍋:江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;洞道干燥實驗裝置:天津大學化工基礎實驗中心;722S 分光光度計:上海天普分析儀器有限公司。
1.2.1 青椒的洞道干燥
選取新鮮青椒洗凈,去籽、切片后,將90 ℃燙漂70 s[8],涼水冷卻放入洞道干燥機中干燥,確定干球溫度為65 ℃,風速0.85 m·s-1,干燥室截面積為0.03 m2。研究不同青椒切片寬度(1、2、4、6、8 mm)對干基含水率和干燥速率的影響,每間隔5 min 翻轉青椒并記錄一次質量,計算干基含水率并繪制干燥曲線和干燥速率曲線,確定不同厚度青椒由恒速轉變?yōu)榻邓贂r的含水率轉換點。
1.2.2 青椒的流化干燥
將洞道干燥到轉換點含水率的青椒放入流化干燥室內進行干燥,至干基含水率0.11 g·g-1時為干燥終點[21],控制切片寬度、熱風溫度和風速,繪制干燥曲線。通過單因素實驗考察切片寬度(1、2、4、6、8 mm)、熱風溫度(30、40、50、60、70 ℃)、風速(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m·s-1)對青椒干基含水率、復水比、Vc 保留率和葉綠素保留率的影響。在單因素實驗的基礎上進行正交試驗,對流化干燥實驗參數(shù)進行優(yōu)化,確定最佳工藝流程。
1.3.1 含水率的測定
青椒含水率測定參照GB/T 5009.3-2016 的方法[22],通過105 ℃的干燥箱測定青椒樣品的初始含水率及絕干物料質量。計算干基含水率Mt、干燥速率DR。
式中:mt為t 時刻樣品質量,g;md為樣品的絕干質量,g。
式中:Mt1和Mt2分別為樣品干燥到t1和t2時的干基含水率,g·g-1。
1.3.2 復水比的測定
稱取一定量干燥后的樣品放入準備好的燒杯中,加入樣品體積20 倍的蒸餾水,在常溫條件下浸漬2 h 后取出,利用濾紙去除多余的蒸餾水,稱量,計算復水比MR[23]。
式中:mt為樣品復水后瀝干質量,g;m0為樣品復水前質量,g。
1.3.3 Vc 保留率的測定
Vc 的測定采用2,6-二氯靛酚法,計算Vc 保留率Q[24]。
式中:YQ為干燥后青椒的Vc 含量,mg·100 g-1;XQ為青椒的初始Vc 含量,mg·100 g-1。
1.3.4 葉綠素保留率的測定
葉綠素的測定采用GB/T 22182—2008,計算總葉綠素保留率C[25]。
式中:Yc為干燥后青椒葉綠素含量,mg·g-1;Xc為青椒初始葉綠素含量,mg·g-1。
1.3.5 綜合加權評分法
利用熵權法確定指標的客觀權重系數(shù)[26],求得復水比、Vc 保留率和葉綠素保留率的客觀權重分別為0.43、0.27 和0.30。從權重角度優(yōu)先考慮復水比,其次為Vc 保留率和葉綠素保留率。計算綜合加權評分值yj。
式中:j 為實驗序號,1~9;MRj為第j 號實驗的復水比;MRjmax為復水比最大值;Cj為第j 號實驗的葉綠素保留率;Cjmax為葉綠素保留率最大值;Qj為第j 號實驗的Vc 保留率;Qjmax為Vc 保留率最大值。
采用Origin 2019 對數(shù)據(jù)進行處理。
青椒切片寬度為1、2、4、6、8 mm 時的青椒干燥曲線和干燥速率曲線,如圖1 所示。
圖1 青椒不同切片寬度對洞道干燥速率的影響Fig.1 Effect of different slice width of green pepper on tunnel drying rate
由圖1(a)可知,青椒洞道干燥過程中,由于青椒切片寬度為1、2、4、6、8 mm,其干基含水率從初始的17.23 g·g-1降至0.012 g·g-1左右,所需時間從140 min 延長到330 min。青椒切片寬度越薄,其失水則越快,干燥的時間則越短,這是由于干燥過程中青椒中的水分從內部傳遞到表面并且被蒸發(fā),切片厚度越小,水分傳遞的阻力越小,蒸發(fā)也會變快;反之亦是如此[27]。
由圖1(b)可知,一個完整的干燥過程大致可包括三個部分,即加速→恒速→降速干燥階段。在干燥早期,青椒內部自由水分含量高,水分先從較大的毛細管中排到表面,表面水分汽化較快,青椒干燥速率持續(xù)增加,達到最大值。隨著干燥時間的延長,青椒含水率隨著表面水分的汽化在不斷下降,青椒中的水分從較小的毛細管中排到表面,然而濕球溫度基本維持不變,溫度差和飽和蒸氣壓差保持恒定,傳熱和傳質驅動力不變,干燥速率在最大值處上下波動,此時為恒速干燥階段。在干燥后期,青椒外部水分汽化嚴重,與持水部位緊密結合的水分被除去,內部水分向外轉移的速率低于汽化速率,導致水分加速流失,蒸汽壓平衡被打破,傳質驅動力快速減小,干燥速率大幅度降低,接近于零時停止。結合圖1(a)和(b)可以得出,降速階段干燥速率急劇下降,因此將恒速轉為降速時所對應的臨界含水率作為洞道干燥向流化床干燥轉換的轉換點,由于切片寬度不同,轉換點含水率也各不相同,切片寬度1、2、4、6、8 mm 所對應的轉換點干基含水率分別為1.04、1.07、1.17、1.25、1.57 g·g-1。
2.2.1 切片寬度的確定
設置流化溫度50 ℃、風速1.5 m·s-1時,研究青椒切片寬度分別為1、2、4、6、8 mm,對流化干燥曲線和青椒品質的影響,結果見圖2。
圖2 不同切片寬度對青椒流化干燥的影響Fig.2 Effects of different slice widths on fluidization drying of green pepper
由圖2(a)可知,在不同切片寬度下干基含水率的變化趨勢基本一致,皆是由快至緩,最后趨于平穩(wěn),且隨著切片寬度的增加,干基含水率達到平穩(wěn)所需的時間也就越長。這是由于在流化干燥中,物料越薄,與熱空氣接觸的表面積越大,其內部產生的能量越容易使水分向表面遷移,因此干燥至相同的干基含水率,所需時間越短。但是切片寬度過薄或過厚都不利于提高青椒的干燥,當青椒絲太薄,則得到的干制品蜷曲的越嚴重,品質越差,這可能是因為青椒片水分流失過快,內部未能及時供應到青椒表面和邊緣[28];而青椒切片過厚,熱風無法透過青椒,且無法產生空氣相對濕度差,此時青椒表面的水分不能很好的去除,青椒表面與熱空氣間也未存在對流傳質[29-30]。所以在保證青椒絲品質允許的條件下,適當選擇青椒切片寬度。
由圖1(a)洞道干燥曲線和圖2(a)流化干燥曲線對比可知,流化干燥所需干燥時間少于洞道干燥。這是由于流化干燥受熱更均勻,青椒表面溫度與內部溫差較大,物料容易脫水,致使床層發(fā)生改變,即由固定床變?yōu)榱骰?,傳質效果增加,干燥時間減少。
由圖2(b)可知,隨著切片寬度的增加,復水比、Vc 保留率和葉綠素保留率趨勢大致相同,都是呈現(xiàn)先升高后下降趨勢,當切片寬度為4 mm 時,青椒片內部細胞組織損傷小,Vc 和葉綠素保留率高,干燥后復原能力強,青椒品質最佳,此時復水比為7.74,Vc保留率為55.24%,葉綠素保留率為39.23%。青椒切片過厚,水分運動的路徑越長,脫水速率越慢,物料內部結構被破壞的程度越大,組織細胞持續(xù)損傷時間大大延長,導致Vc 和葉綠素損失嚴重,同時復水困難,復水效果差[29]。綜合考慮,選擇青椒切片厚度為2~6 mm 進行正交優(yōu)化實驗。
2.2.2 流化溫度的確定
流化溫度分別為30、40、50、60、70 ℃,對干燥曲線和青椒品質的影響,如圖3 所示。
圖3 不同流化溫度對青椒的影響Fig.3 Effects of different fluidization temperatures on green pepper
從圖3(a)中可知,在30~70 ℃區(qū)間內,隨著溫度的不斷升高,其青椒的干基含水率明顯減少,同時大大縮短了干燥所用的時長。在30 ℃條件下對青椒片干燥至終點所用時間最長,為55 min;而70 ℃條件下對青椒片進行干燥處理所用時間最短,為30 min。這是由于干燥介質內部水分蒸汽壓隨著干燥溫度的升高而升高,使得干燥過程氣固之間產生了更大的傳質、傳熱驅動力,水分子運動加快,水分擴散的效率也顯著提高。但是溫度在70 ℃時,能明顯觀察到青椒表面出現(xiàn)焦化,這可能是由于干燥溫度過高,導致青椒表面水分擴散速度明顯高于內部水分向外部擴散速度,青椒表面出現(xiàn)僵硬并逐漸發(fā)生焦化現(xiàn)象,嚴重影響青椒品質。
由圖3(b)可以看出,青椒復水比和葉綠素保留率隨著流化溫度的升高,呈現(xiàn)下降趨勢,溫度為30 ℃時數(shù)值最大,復水比為8.25,葉綠素保留率為44.73%。Vc 保留率隨著溫度升高呈現(xiàn)先升高后下降趨勢,溫度50 ℃時保留率最高為53.66%。但是隨著溫度的升高,青椒品質明顯變差,Vc 和葉綠素損失嚴重,青椒內部的組織結構破環(huán)嚴重,導致吸水能力喪失,復水效果變差。綜合考慮,選擇青椒干燥溫度為40~60 ℃進行正交試驗。
2.2.3 風速的確定
風速分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m·s-1時對干燥曲線和青椒品質的影響,如圖4 所示。
圖4 不同風速對青椒的影響Fig.4 Effects of different wind speeds on green pepper
從圖4(a)可以看出,在0.5~2.5 m·s-1區(qū)間內,隨著風速的不斷升高,青椒的干基含水率明顯減少,同時大大縮短了干燥所用的時長。風速在0.5 m·s-1時,其干燥至終點所需時間最長,為50 min;而風速在2.5 m·s-1時,干燥所用時間最短,僅用25 min。這是因為加大風速,物料中水分子運動活躍,從而加快了樣品的干燥速度。當風速超過1.5 m·s-1后,青椒表面水分蒸發(fā)的速度不會隨著風速的增加而顯著增大,干基含水率下降幅度也較小,干燥效果不明顯,這是由于青椒表面和空氣中的水分被不斷增大的空氣流量帶走,但是更大的空氣流動實際上會冷卻物料,降低產品表面的溫度,從而導致水分擴散率降低,所以風速增加到一定程度后,無法快速提升青椒的干燥速率[29]。
風速對青椒品質的影響由圖4(b)可知,隨著風速的增加,青椒復水比、Vc 保留率和葉綠素保留率都隨著風量的增大而減小,但風速對復水比影響較小,風速為1 m·s-1時復水比和Vc 保留率最高,分別為7.68 和54.78%,葉綠素含量在風速1.5 m·s-1時最大,為38.91%。但隨著風速不斷加大,青椒表面蒸發(fā)速率和內部水分遷移速率差距越大,物料內部結構破壞越嚴重,影響青椒品質。綜合考慮,選用風速為1.0~2.0 m·s-1進行正交試驗。
在上述單因素的實驗基礎上,選用L9(33)正交設計表進行流化干燥正交試驗,其中以流化溫度、風速、切片寬度為因素,復水比、Vc 保留率和葉綠素保留率為評價指標。正交試驗因素水平表見表1,試驗結果及方差分析見表2 和表3。
表1 流化干燥正交試驗因素水平表Table 1 Fluidized drying orthogonal experiment factor level table
表2 流化干燥正交試驗結果表Table 2 Orthogonal test table of fluidized drying
表3 試驗結果方差分析Table 3 Analysis of variance of test results
由于復水比、Vc 和葉綠素保留率三個指標的綜合評分越大越好,由表2 和表3 可知,青椒干燥綜合效果最佳的組合為A2B3C1,即切片寬度4 mm,流化溫度60 ℃,風速1.0 m·s-1,各因素對干燥綜合效果的影響為A>C>B,即切片寬度影響最為顯著(P=0.016<0.05),風速次之(P=0.039<0.05),流化溫度影響較?。≒=0.054>0.05),最佳干燥組合對應正交試驗第六組,將青椒片干燥至終點后測定此時產品的復水比為7.82、Vc 保留率為56.02%、葉綠素保留率為35.98%,綜合評分達最高值97.14。文獻[8]中單純使用熱風干燥過程時,青椒的復水比為4.00,Vc 和葉綠素保留率分別為43.68%和33.56%,表明本工藝開發(fā)的流化與洞道組合干燥工藝對于提高干燥速率和青椒品質具有一定的優(yōu)勢。
為了進一步驗證研究工藝優(yōu)化的可靠性和合理性,按上述優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行驗證實驗,即控制青椒切片寬度為4 mm,洞道干燥至干基含水率為1.17 g·g-1后轉入流化干燥裝置中,設置風速1.05 m·s-1,干燥溫度60 ℃。測得青椒復水比為7.86±0.19、Vc 保留率為55.38±0.36%、葉綠素保留率為35.40±1.53%,綜合評分96.59±0.55,與正交實驗結果A2B3C1相接近。
采取洞道和流化組合方式對青椒干燥工藝進行優(yōu)化,得到結論如下:
(1)在切片寬度4 mm,熱風溫度65 ℃,風速0.85 m·s-1條件下對青椒進行洞道干燥,由洞道轉為流化干燥時的干基含水率轉換點為1.17 g·g-1。
(2)流化干燥過程中,確定影響青椒干燥品質的因素次序為切片寬度>風速>流化溫度,流化干燥的最優(yōu)工藝參數(shù)為切片寬度4 mm,熱風溫度60 ℃,風速1 m·s-1,此時青椒的復水比為7.86,Vc 保留率55.38%,葉綠素保留率35.40%,且此工藝條件下青椒口感好、品質佳。
研究開發(fā)的干燥工藝將為青椒干制品的規(guī)模化生產提供技術參考。此外,在干燥過程中發(fā)現(xiàn)青椒顏色逐漸變暗,且葉綠素損失較為嚴重。因此,下一步研究重點在于提高其護色處理技術。