種翠娟，劉云宏，朱文學(xué)，羅 磊

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

干燥溫度及氧氣含量對(duì)胡蘿卜氣調(diào)干燥特性的影響

種翠娟，劉云宏*，朱文學(xué)，羅 磊

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023）

為探討干燥溫度及氧氣含量對(duì)胡蘿卜氣調(diào)干燥特性的影響，進(jìn)行氮?dú)鈿庹{(diào)熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：提高干燥溫度可顯著縮短干燥時(shí)間；當(dāng)氧氣含量由20.9%降至5%，對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)維持不變，而對(duì)流傳熱系數(shù)約增大0.5%；胡蘿卜素含量隨著氧氣含量及干燥溫度的下降而升高，氧氣含量低至5%可有效減緩干燥過(guò)程中胡蘿卜素的氧化降解；在40～60 ℃區(qū)間，5%及10%氧氣含量條件下的總色差（ΔE）值要明顯低于15%及20.9%氧氣含量條件下的ΔE值，表明低氧氣調(diào)熱風(fēng)干燥可有效保護(hù)產(chǎn)品色澤。因此，采用氣調(diào)干燥技術(shù)有利于獲得高品質(zhì)的胡蘿卜干燥產(chǎn)品。

氣調(diào)干燥；胡蘿卜；干燥特性

熱風(fēng)干燥是果蔬干燥加工最常用的方法之一，具有操作簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。但熱風(fēng)干燥容易導(dǎo)致產(chǎn)品有效成分損失及色澤褐變，而干燥介質(zhì)中的氧氣是導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)下降的主要因素之一[2]。以胡蘿卜熱風(fēng)干燥為例，在干燥過(guò)程中，胡蘿卜素極易發(fā)生氧化降解[3-4]。采用惰性氣體代替部分空氣以降低干燥介質(zhì)中氧氣含量，理論上可減弱甚至抑制氧氣參與的氧化反應(yīng)及酶促褐變等化學(xué)過(guò)程，從而有效保護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量。因此，氣調(diào)干燥技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

O’Neill等[2]利用氮?dú)饣蚨趸即娉Ｒ?guī)空氣進(jìn)行氣調(diào)干燥，結(jié)果表明氣調(diào)干燥可在一定程度上減少干燥時(shí)間，并能有效抑制色澤褐變。Hawlader等[5-6]采用惰氣代替部分空氣的研究表明氣調(diào)干燥可有效保護(hù)胡蘿卜素、VC等有效成分，同時(shí)可提高有效水分?jǐn)U散系數(shù)。Doungpon等[7]對(duì)幾種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合精度進(jìn)行比較，構(gòu)建了氣調(diào)干燥谷物的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。國(guó)內(nèi)也有一些農(nóng)產(chǎn)品的氣調(diào)干燥研究[8-10]，主要集中在福建農(nóng)林大學(xué)。相關(guān)研究認(rèn)為，通過(guò)降低干燥介質(zhì)的氧氣含量，可顯著提高產(chǎn)品的干燥品質(zhì)。

目前已有關(guān)于胡蘿卜氣調(diào)干燥的研究報(bào)道，Ramesh等[11]以經(jīng)過(guò)漂燙及未漂燙的胡蘿卜為原料，對(duì)氮?dú)飧稍锖统Ｒ?guī)熱風(fēng)干燥進(jìn)行了比較。結(jié)果表明采用惰氣作為干燥介質(zhì)可有效提高胡蘿卜中胡蘿卜素及VC含量，同時(shí)在一定程度上提高干燥速率。國(guó)內(nèi)的林啟訓(xùn)等[12]以氮?dú)?、二氧化碳和空氣為干燥介質(zhì)，進(jìn)行了胡蘿卜干燥研究，結(jié)果表明降低干燥室內(nèi)氣體的氧氣含量，可維持較佳的糖酸比及顯著提高VC保存率。朱志偉等[13]利用熱風(fēng)干燥裝置和氣調(diào)干燥裝置分別進(jìn)行蘿卜絲的熱風(fēng)干燥和氣調(diào)干燥實(shí)驗(yàn)，并建立了VC保存率的數(shù)學(xué)模型。

但目前關(guān)于不同氧氣含量對(duì)胡蘿卜干燥特性的深入研究分析報(bào)道較少，有關(guān)氣調(diào)干燥參數(shù)對(duì)產(chǎn)品胡蘿卜素及色澤影響規(guī)律的探討也較少。本研究擬利用自行研制的氣調(diào)-熱泵干燥裝置，以胡蘿卜為研究對(duì)象，通過(guò)充入氮?dú)鈦?lái)調(diào)節(jié)干燥介質(zhì)中氧氣含量，進(jìn)行氣調(diào)熱泵干燥研究。探討干燥溫度及氧氣含量對(duì)干燥特性的影響，分析干燥參數(shù)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)主要指標(biāo)如胡蘿卜素含量及色澤的影響，以驗(yàn)證氣調(diào)干燥提高胡蘿卜干燥速率及產(chǎn)品品質(zhì)的可行性，為揭示不同氧氣含量環(huán) 境下胡蘿卜氣調(diào)熱泵干燥機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮胡蘿卜：購(gòu)買于河南省洛陽(yáng)市丹尼斯超市。樣品干基含水率采用105 ℃烘箱法測(cè)量，新鮮胡蘿卜含水率平均值為8.46 g/g（干基）。

甲醇（色譜純）、乙酸乙酯（色譜純） 美國(guó)Fisher公司；胡蘿卜素標(biāo)準(zhǔn)品 美國(guó)Sigma公司；純水。

1.2 儀器與設(shè)備

MP4000B型電子秤（精度0.01 g） 上海第二天平廠；202型恒溫干燥箱 北京永光明醫(yī)療儀器廠；HP1100型高效液相色譜儀 美國(guó)Agilent公司；C18色譜柱 美國(guó)Deerfield公司；Datacolor100型色差儀 美國(guó)Datacolor公司。

GHRH-20型氣調(diào)-熱泵干燥裝置如圖1所示，由廣東省業(yè)機(jī)械研究所與河南科技大學(xué)聯(lián)合研制，主體由熱泵系統(tǒng)及熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)組成。熱泵系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、內(nèi)部冷凝器、外部冷凝器及膨脹閥等，循環(huán)介質(zhì)為R22制冷劑。熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)包括干燥倉(cāng)、主風(fēng)機(jī)、輔助風(fēng)機(jī)、除濕風(fēng)機(jī)、輔助加熱器、氮?dú)鈨?chǔ)罐及物料推車等。干燥過(guò)程中溫度和濕度的調(diào)節(jié)通過(guò)熱泵除濕加熱系統(tǒng)完成，利用氧氣傳感器檢測(cè)干燥室內(nèi)氧氣含量，通過(guò)調(diào)節(jié)N2進(jìn)氣量有效控制干燥室內(nèi)氧氣含量，完成不同氧氣水平干燥。此外，電氣控制系統(tǒng)根據(jù)干燥加工工藝要求可編輯干燥曲線，自動(dòng)完成全過(guò)程干燥、升溫、降溫、排濕等操作，并自動(dòng)記錄干燥溫度、濕度等參數(shù)。

圖1 氣調(diào)熱風(fēng)干燥裝置Fig.1 Modified atmosphere dryer

1.3 方法

用切片機(jī)將胡蘿卜切成厚5 mm的薄片，再用直徑為30 mm的模具得到直徑30 mm、厚度5 mm的試樣，每次實(shí)驗(yàn)取樣500 g。采用氮?dú)獬淙敫稍锵湔{(diào)節(jié)氧氣含量。開啟氣調(diào)干燥裝置，通過(guò)控制面板設(shè)定所需溫度及氧氣含量等參數(shù)。待干燥系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定參數(shù)并穩(wěn)定后，將胡蘿卜片平鋪于物料盤后立即放入干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)。每隔30 min將物料迅速取出稱質(zhì)量，直至連續(xù)兩次稱質(zhì)量讀數(shù)不變時(shí)，干燥結(jié)束。

干燥過(guò)程中胡蘿卜含水率（M）利用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：m為物料質(zhì)量/g；md為物料中的干物料質(zhì)量/g；M為物料含水率/（g/g干基）。

1.4 混合氣體物性參數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)混合氣體物性參數(shù)的計(jì)算公式[14]，如式（2）～（5）所示，可得不同含量混合氣體的物性參數(shù)值，氣體在不同溫度下的物性參數(shù)值如表1所示。

式中：ρ為氣體密度/（kg/m3）；λ為氣體熱導(dǎo)率/（W/（m·℃））；μ為氣體黏度/（Pa·s）；yi為氣體體積分?jǐn)?shù)/%；M為氣體相對(duì)分子質(zhì)量。

表1 氣體物性參數(shù)Table1 Physical parameters of gases

1.5 胡蘿卜素含量的測(cè)定

干燥產(chǎn)品中胡蘿卜素的提取與檢測(cè)采用文獻(xiàn)[15]中的高效液相色譜（high performance liquid chromatography，HPLC）法。HPLC檢測(cè)的有關(guān)參數(shù)為：C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱溫25 ℃，流動(dòng)相為甲醇-乙酸乙酯（85∶15，V/V），流速1 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)450 nm。所有檢測(cè)均重復(fù)3 次，可得新鮮胡蘿卜中胡蘿卜素含量為46.2 mg/100 g干基。

1.6 色差值的測(cè)定

干燥產(chǎn)品的色度值利用色差儀檢測(cè)。對(duì)每個(gè)待測(cè)樣品，選取表面5 個(gè)不同點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，求平均值可得亮度（L*）值、紅綠值（a*）值及黃藍(lán)（b*）值。色澤變化采用公式（6）計(jì)算。

式中：下標(biāo)0表示新鮮胡蘿卜的讀數(shù)。

總色差ΔE的計(jì)算見(jiàn)公式（7）。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理與分析采用Origin 8.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥參數(shù)對(duì)干燥特性的影響

圖2 不同干燥溫度對(duì)胡蘿卜氣調(diào)干燥曲線的影響Fig.2 Modified atmosphere drying curves of carrot slices at different drying temperatures

在氧氣含量5%及風(fēng)速1 m/s的條件下，調(diào)節(jié)干燥介質(zhì)溫度40、50 ℃及60 ℃，研究干燥介質(zhì)溫度對(duì)胡蘿卜氣調(diào)干燥特性的影響，干燥曲線如圖2所示。當(dāng)干燥溫度為40、50 ℃及60 ℃時(shí)，所需干燥時(shí)間分別為600、390 min及340 min。低氧干燥介質(zhì)的溫度升高，可增大干燥介質(zhì)與物料之間的溫度梯度，從而促進(jìn)水分的擴(kuò)散及蒸發(fā)，縮短干燥時(shí)間。另外，干燥溫度升高會(huì)降低干燥介質(zhì)的相對(duì)濕度，從而增加介質(zhì)與物料之間的蒸汽壓差，同樣有利于提高質(zhì)量傳遞速率。比較低氧氣調(diào)干燥和常規(guī)熱風(fēng)干燥，可知兩種干燥環(huán)境下干燥溫度對(duì)干燥速率具有相同的影響趨勢(shì)[16-18]。

固定干燥溫度60 ℃及風(fēng)速1 m/s，調(diào)節(jié)干燥介質(zhì)中氧氣含量為5%、10%、15%及20.9%（表示采用常規(guī)空氣干燥），研究氧氣含量對(duì)干燥特性的影響，結(jié)果如圖3所示。干燥時(shí)間隨著氧氣含量的降低而減少，但變化不明顯。當(dāng)氧氣含量由20.9%降至5%時(shí)，干燥時(shí)間約縮短6%。

圖3 不同氧氣含量對(duì)胡蘿卜氣調(diào)干燥曲線的影響Fig.3 Modified atmosphere drying curves of carrot slices with different oxygen contents

氧氣含量不同會(huì)導(dǎo)致干燥介質(zhì)的物性參數(shù)變化，物性參數(shù)決定了干燥過(guò)程中對(duì)流傳熱系數(shù)（hT）及對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)（hM）的大小，而對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)的大小又影響干燥的質(zhì)熱傳遞過(guò)程。目前關(guān)于傳熱傳質(zhì)系數(shù)[19]的定量計(jì)算及分析常采用公式（8）和（9），通過(guò)公式計(jì)算的傳熱傳質(zhì)系數(shù)理論值與實(shí)驗(yàn)值具有較好的吻合性，本研究也利用此式計(jì)算氣調(diào)干燥過(guò)程中的對(duì)流傳熱傳質(zhì)系數(shù)。

圖4 氧氣含量及干燥溫度對(duì)對(duì)流傳熱系數(shù)的影響Fig.4 Effects of oxygen content and drying temperature on heat transfer coefficient

圖5 氧氣含量及干燥溫度對(duì)對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.5 Effects of oxygen content and drying temperature on mass transfer coefficient

不同氧氣含量及干燥溫度的對(duì)流傳熱系數(shù)及傳質(zhì)系數(shù)值如圖4、5所示，隨著溫度的升高，對(duì)流傳熱系數(shù)和對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)均有所增大，這有利于氣調(diào)干燥中質(zhì)熱傳遞過(guò)程的進(jìn)行，也與前述溫度升高有利于縮短干燥時(shí)間的結(jié)果吻合。隨著氧氣含量的降低，對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)基本保持不變，而對(duì)流傳熱系數(shù)增加0.5%，說(shuō)明在氣調(diào)干燥過(guò)程中充入氮?dú)饨档脱鯕夂?，改變了干燥介質(zhì)的物性參數(shù)，但物性參數(shù)的變化對(duì)傳熱過(guò)程有一定積極作用，而對(duì)傳質(zhì)過(guò)程影響較小。在相同溫度下，和常規(guī)空氣相比，5%氧氣含量的干燥介質(zhì)的密度約下降2%，熱導(dǎo)率維持不變，比熱約提高1.8%，黏度約降低2.5%。雖然密度下降不利于傳熱過(guò)程，但比熱的提高及黏度的下降則有利于提高干燥介質(zhì)的傳熱能力及降低介質(zhì)與物料間的傳熱邊界層，從而有利于傳熱過(guò)程。以上物性變化對(duì)傳熱過(guò)程的耦合影響，導(dǎo)致降低氧氣含量可一定程度地提高傳熱速率，最終縮短干燥時(shí)間。Ramesh等[11]結(jié)合干燥曲線及傳熱傳質(zhì)方程，同樣得出降低氧氣含量可提高干燥的傳熱系數(shù)及傳質(zhì)系數(shù)的結(jié)論。Doungporn等[7]也認(rèn)為降低氧氣含量對(duì)提高蘋果、胡蘿卜等高濕度物料的干燥速率有正面作用。

2.2 干燥參數(shù)對(duì)胡蘿卜素含量的影響

圖6 氧氣含量及干燥溫度對(duì)胡蘿卜素含量的影響Fig.6 Effects of oxygen content and drying temperature on carotenoid content

胡蘿卜素是決定胡蘿卜干燥產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)，在干燥過(guò)程中應(yīng)盡可能地提高胡蘿卜素保持率。不同干燥溫度及氧氣含量下胡蘿卜干燥產(chǎn)品中胡蘿卜素含量如圖6所示。隨著干燥溫度及氧氣含量的降低，胡蘿卜素含量明顯提高。在新鮮胡蘿卜中，胡蘿卜素比較穩(wěn)定地存在于細(xì)胞組織中。然而，熱風(fēng)干燥過(guò)程中，由于胡蘿卜素的氧化反應(yīng)及其分子中共軛雙鍵的破壞，胡蘿卜素變得不穩(wěn)定，造成其大量損失[20-21]。當(dāng)氧氣含量分別為20.9%、15%、10%和5%時(shí)，干燥溫度從40 ℃升至60 ℃，產(chǎn)品中胡蘿卜素含量分別降低了33%、27%、24%及20%，說(shuō)明無(wú)論是在常規(guī)熱風(fēng)干燥還是在低氧熱風(fēng)干燥中，提高干燥溫度均導(dǎo)致胡蘿卜素的氧化與降解，從而明顯降低胡蘿卜素含量。Malchev等[22]也報(bào)道胡蘿卜素保持率隨著干燥溫度的升高而降低。當(dāng)干燥溫度為40、50 ℃及60 ℃時(shí)，在5%氧氣含量條件下干燥的胡蘿卜素含量分別比在20.9%氧氣含量下胡蘿卜素含量提高54%、80%及72%，說(shuō)明降低氧氣含量可有效減緩干燥過(guò)程中胡蘿卜素的氧化降解，從而顯著提高胡蘿卜素的保持率。經(jīng)計(jì)算，常壓下1 m3的常規(guī)空氣中含有約5.64×1024個(gè)氧分子，而充入氮?dú)夂螅w積1 m3、氧氣含量5%的干燥介質(zhì)中含有約1.35×1024個(gè)氧分子。在同樣的干燥條件下，低氧干燥環(huán)境中明顯減少的氧分子數(shù)量降低了氧分子與物料中胡蘿卜素的接觸幾率，減緩胡蘿卜素的氧化反應(yīng)進(jìn)程，最終實(shí)現(xiàn)保護(hù)胡蘿卜中有效成分的目的。Ramesh等[11]通過(guò)比較胡蘿卜和紅辣椒的惰氣干燥及熱風(fēng)干燥，同樣得出降低干燥介質(zhì)中氧氣含量可有效阻止胡蘿卜素氧化、提高胡蘿卜素保持率的結(jié)論。

2.3 干燥參數(shù)對(duì)產(chǎn)品色差的影響

胡蘿卜氣調(diào)干燥中，干燥溫度和氧氣含量對(duì)產(chǎn)品色差ΔE的影響如圖7所示。色澤是表征干燥產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，而干燥過(guò)程中色澤的變化通常是包括氧化反應(yīng)、酶促褐變或美拉德反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果[23]。由圖7可知，干燥溫度與氧氣含量的降低，均使產(chǎn)品具有更低的ΔE值，說(shuō)明在低溫、低氧環(huán)境下干燥有利于保護(hù)產(chǎn)品色澤。在5%氧氣含量條件下，ΔE值的大小為1.61～3.62之間，和新鮮胡蘿卜的差別很小，且在5%及10%氧氣含量下的ΔE值要明顯低于15%及20.9%氧氣含量下的ΔE值，表明低氧氣調(diào)干燥可有效防止產(chǎn)品色澤劣變，這與相關(guān)文獻(xiàn)中惰氣干燥可抑制產(chǎn)品褐變、保護(hù)產(chǎn)品色澤的結(jié)論相同[2,5]。

圖7 氧氣含量及干燥溫度對(duì)色差△E的影響Fig.7 Effects of oxygen content and drying temperature on color difference

在氣調(diào)干燥制品中，胡蘿卜素含量和色差值具有相反的變化規(guī)律，即隨著干燥溫度及氧氣含量的降低，胡蘿卜素含量升高，色差ΔE值降低，胡蘿卜素含量和ΔE值的相關(guān)系數(shù)為－0.825 3，兩者具有較強(qiáng)的相關(guān)性。在本實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)（氧氣含量5%～20.9%，溫度40～60 ℃），通過(guò)二元二次多項(xiàng)式擬合，可得由干燥溫度T及氧氣含量φ表示的胡蘿卜素含量C及色差ΔE值的數(shù)學(xué)模型如下：

3 結(jié) 論

通過(guò)自制的氣調(diào)-熱泵干燥裝置，進(jìn)行了胡蘿卜氣調(diào)干燥實(shí)驗(yàn)研究。干燥溫度由40 ℃升至60 ℃，干燥時(shí)間約縮短40%；氧氣含量由20.9%降至5%，干燥介質(zhì)傳熱系數(shù)約提高0.5%，傳質(zhì)系數(shù)保持不變，干燥時(shí)間約縮短6%。

無(wú)論是在常規(guī)熱風(fēng)干燥還是在低氧熱風(fēng)干燥中，降低干燥溫度均可提高胡蘿卜素含量。干燥溫度由40 ℃升至60 ℃，胡蘿卜素含量約降低20%；氧氣含量由20.9%降至5%，胡蘿卜素含量約升高70%。低氧氣調(diào)干燥可有效減緩干燥過(guò)程中胡蘿卜素的氧化降解。

降低干燥溫度及氧氣含量可減小產(chǎn)品色差值。干燥溫度由40 ℃升至60 ℃，ΔE約增大45%；氧氣含量由20.9%降至5%，ΔE約減小85%。低溫低氧氣調(diào)干燥的產(chǎn)品色差值要明顯低于常規(guī)熱風(fēng)干燥產(chǎn)品色差值，降低干燥溫度及干燥介質(zhì)中的氧氣含量可有效保護(hù)產(chǎn)品色澤。

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Effect of Drying Temperature and Oxygen Content on Modified Atmosphere Drying Characteristics of Carrots

CHONG Cui-juan, LIU Yun-hong*, ZHU Wen-xue, LUO Lei
(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

To investigate the effects of drying temperature and oxygen content on modified atmosphere-drying characteristics of carrots, a modified atmosphere dryer was used in this study, in which N2was used as a drying medium to replace partial air. The results showed that increasing drying temperature could shorten the drying time significantly. As the oxygen content decreased from 20.9% to 5%, the mass transfer coefficient remained the same, yet the heat transfer coefficient increased by about 0.5%; as drying temperature and oxygen content decreased, the carotenoid content increased, and the oxidative degradation of carotenoid could be restrained when the oxygen content of drying medium was as low as 5%. With the drying temperatures ranging from 40 to 60℃, the color difference values at 5% and 10% oxygen contents were obviously lower than that at 15% and 20.9% oxygen contents, which indicates that modified atmosphere drying at low oxygen content could preserve product color effectively. Therefore, the modified atmosphere drying of carrots is beneficial to obtain high quality of dried products.

modified atmosphere drying; carrot; drying characteristics

TQ28.673

A

1002-6630（2014）23-0020-05

10.7506/spkx1002-6630-201423004

2014-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31171723）；國(guó)家自然科學(xué)基金河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項(xiàng)目（U1404334）；河南省教育廳科技技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（12A210005；14B550005）

種翠娟（1986—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：905497479@qq.com

*通信作者：劉云宏（1975—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品干燥及貯藏。E-mail：beckybin@haust.edu.cn