袁越錦,洪 晨,徐英英,王 棟,張 曼,荊雪松
(陜西科技大學 機電工程學院,陜西 西安 710021)
胡蘿卜素有“小人參”之稱,具有很高的營養(yǎng)價值和保健功能,在我國南北多地均有種植。干制是一種最常見的胡蘿卜加工技術,可延長保存期,減少產(chǎn)后損失,并提高其附加值。近年來,將2種或2種以上的干燥方式相組合的復合干燥技術受到了業(yè)界的廣泛關注。有研究者選取復水比、色澤等典型品質(zhì)參數(shù)作為研究指標,針對板棗、香蕉、銀耳等物料的熱風真空組合干燥工藝開展試驗研究。一般來說,復水比越高,說明物料內(nèi)部的細胞破壞越??;色差越小,說明色澤保留越好,干燥品質(zhì)越高。上述研究均發(fā)現(xiàn),熱風真空干燥相較于熱風干燥能獲得更好的復水比與色澤,并且比真空干燥時間短,效率高。然而,目前國內(nèi)關于胡蘿卜熱風真空組合干燥的研究還相對較少。
燙漂是一種干燥前的關鍵預處理步驟,具有滅酶、護色等作用,因此色澤是反映燙漂效果的一項重要指標。近年來,國內(nèi)外對干燥前燙漂預處理的研究越來越深入。王娟等對比了沸水、蒸汽、微波加熱、超聲波輔助這4種燙漂預處理方式對花椰菜干制品復水、色澤和各營養(yǎng)成分等的影響,篩選出適合花椰菜干燥前的預處理方式,并發(fā)現(xiàn)各處理方式均能縮短干燥時間。Ren等研究了超聲波和熱燙2種預處理方式對洋蔥干制品生物活性物質(zhì)保留率的影響。Gamboa-Santos等對不同燙漂預處理方式下胡蘿卜干制品的維生素C(V)含量和感官特性進行評估,并根據(jù)V的熱敏性得出不同燙漂方式對胡蘿卜的熱損傷程度。
傳統(tǒng)的熱水蒸煮或利用化學試劑燙漂的方法都存在明顯不足:熱水蒸煮耗時長,營養(yǎng)物質(zhì)損失大,水消耗量大;而化學試劑產(chǎn)生的藥品殘留不僅污染水體,還可能會對人體健康造成威脅。蒸汽燙漂作為一種新型的燙漂預處理方式,在一定程度上克服了熱水燙漂引起的營養(yǎng)物質(zhì)流失,能避免化學試劑污染,但裝載量小且不均勻。另一種新型燙漂技術——真空脈動蒸汽燙漂,將真空脈動技術應用于燙漂預處理中,提高了燙漂的均勻性和生產(chǎn)效率。巨浩羽等研究了真空-蒸汽脈動燙漂預處理對百合干燥特性的影響,發(fā)現(xiàn)該預處理方式可使酶失活并能提高細胞間的通透性,百合的干燥速率和干燥品質(zhì)因此得到提升。
本研究基于熱風真空組合干燥技術,對胡蘿卜真空脈動蒸汽燙漂的預處理工藝進行優(yōu)化研究,試驗內(nèi)容包括單因素試驗和四元二次回歸正交試驗,并基于試驗結果優(yōu)化工藝參數(shù),以期得到綜合品質(zhì)較高的胡蘿卜干制品。研究成果也可為其他果蔬干燥前預處理新技術的應用提供借鑒與指導。
供試胡蘿卜品種為超級紅芯,初始濕基含水率約為85.5%,于0~5 ℃環(huán)境保存。
主要儀器設備包括:真空脈動蒸汽燙漂設備(自建),設備原理與結構詳見參考文獻[14];SFY-60型紅外線快速水分測定儀,深圳市冠亞電子科技有限公司;3nh-YS3060型分光測色儀,深圳市三恩時科技有限公司;DZF-6032型真空干燥箱、DHG-9070A型電熱鼓風干燥箱,上海一恒科學儀器有限公司;JY5002型電子天平(精度為0.000 1 g),上海舜宇恒平科學儀器有限公司。
用清水清洗新鮮胡蘿卜,去皮之后切片(厚度5 mm)。取新鮮胡蘿卜片樣品,測定其初始濕基含水率和V含量。
燙漂罐體預熱完成后進行真空脈動蒸汽燙漂,設定好燙漂的溫度、真空度、時間和循環(huán)次數(shù)。其中,燙漂真空度為停止抽真空時加工環(huán)境所達到的真空程度;燙漂溫度為燙漂罐內(nèi)通入蒸汽后到達的溫度,試驗過程中在燙漂真空度下保持約5 s后通入蒸汽,燙漂罐體內(nèi)達到設定溫度后停止通蒸汽;燙漂時間為蒸汽進入罐體達到設定的燙漂溫度后直至燙漂完成所用的時間,若循環(huán)多次,則為每次到達燙漂溫度后至再次抽真空的時間總和;一次抽真空并通入蒸汽保持一段時間為一個燙漂循環(huán),循環(huán)次數(shù)即為整個燙漂過程中所進行的燙漂循環(huán)次數(shù)。
燙漂完成,待物料冷卻后進行熱風真空組合干燥,干燥時每隔30 min取樣1次,測定物料含水率,待濕基含水率降至10%以下時干燥結束。隨機取樣,測定干燥后胡蘿卜的V含量、復水比和色差值。試驗重復3次,取平均值。
選取的試驗因素包括燙漂真空度、燙漂溫度、燙漂時間、循環(huán)次數(shù),測定指標為含水率、V含量、復水比、色差。
在熱風溫度60 ℃、中間轉(zhuǎn)換點含水率45%、真空度0.08 MPa、真空溫度60 ℃的組合干燥條件下進行真空脈動蒸汽燙漂單因素試驗和四元二次回歸正交試驗。
單因素試驗設計如下:確定燙漂溫度、燙漂時間、循環(huán)次數(shù)分別為110 ℃、2 min、2次,考查不同燙漂真空度(0、0.04、0.08 MPa)對胡蘿卜熱風真空組合干燥效果的影響;確定燙漂真空度、燙漂時間、循環(huán)次數(shù)分別為0.04 MPa、2 min、2次,考查不同燙漂溫度(100、110、120 ℃)對胡蘿卜熱風真空組合干燥效果的影響;確定燙漂真空度、燙漂溫度、循環(huán)次數(shù)分別為0.04 MPa、110 ℃、2次,考查不同燙漂時間(1、2、3 min)對胡蘿卜熱風真空組合干燥效果的影響;確定燙漂真空度、燙漂溫度、燙漂時間分別為0.04 MPa、110 ℃、2 min,考查不同循環(huán)次數(shù)(1、2、3次)對胡蘿卜熱風真空組合干燥效果的影響。上述單因素試驗中,均以未經(jīng)燙漂的作為對照(CK)。
參照文獻[16],選定試驗因素及其不同水平,四元二次回歸正交試驗的各因素及其水平編碼見表1。試驗重復3次。
1.4.1 含水率
利用SFY-60型紅外線快速水分測定儀測定含水率,多次測量取顯示值的平均值。濕基含水率的計算公式為
(1)
式(1)中:為濕基含水率,%;為樣品的實時質(zhì)量,g;為絕干質(zhì)量,g。
1.4.2 V含量
V具有熱敏性,溫度對其影響顯著;因此,特選擇V含量來判斷燙漂過程中的熱損傷程度。采用2,6-二氯酚靛酚滴定法測定胡蘿卜樣品中的V含量。
1.4.3 復水比
復水比是衡量干制品品質(zhì)的一項重要指標。將干燥的胡蘿卜片稱重后放置在20 ℃、400 mL的蒸餾水中,6 h后取出,用濾紙吸干物料表面的水分并再次稱重。復水比的計算公式為
(2)
式(2)中:為干制品復水比,g·g;為復水前的質(zhì)量,g;為復水后的質(zhì)量,g。
1.4.4 色差
采用3nh-YS3060型分光測色儀測定樣品的顏色讀數(shù),色差值的計算公式為
(3)
式(3)中:Δ為色差值,、、為新鮮樣品的顏色讀數(shù),、、為干燥后樣品的顏色讀數(shù)。
利用Microsoft Office Excel 2010、Origin 2017軟件整理數(shù)據(jù),繪制干燥特性曲線,分析單因素試驗結果?;贒esign-Expert 8.0.6.1軟件,應用中心組合試驗設計(CCD)響應面分析法對正交試驗結果進行分析,并優(yōu)化真空脈動蒸汽燙漂的工藝參數(shù)。
表1 四元二次回歸正交試驗因素水平編碼表
分別按照4個單因素試驗設計,進行真空脈動蒸汽燙漂預處理,燙漂完成后進行熱風真空組合干燥,測定胡蘿卜片干燥后的V含量、復水比和色差,繪制干燥特性曲線。
2.1.1 不同燙漂條件對干燥特性曲線的影響
比較燙漂與未經(jīng)燙漂(CK)的胡蘿卜干燥曲線(圖1)發(fā)現(xiàn),燙漂工藝總體上可以縮短干燥時間,提高干燥速率。
在單因素試驗設計范圍內(nèi),燙漂真空度最高時,所用的干燥時間最短,相比其他處理可節(jié)省20~30 min。這是因為,真空度越高,燙漂罐體內(nèi)冷空氣排除得越充分,通入的高溫蒸汽可對胡蘿卜充分燙漂,相應地,干燥時間縮短。這一結論與巨浩羽等研究真空蒸汽脈動燙漂對百合干燥特性影響的結果一致。
當其他燙漂條件相同時,燙漂溫度越高,所需的干燥時間越短。原因可能在于,燙漂溫度越高,蒸汽與物料間的溫差越大,傳熱推動力越大,達到最終含水量所需的時間便越短。
對比不同燙漂時間下的干燥曲線可知,過長的燙漂時間并不能使干燥時間縮短,相反會增加達到一定含水量的干燥時間。這可能是因為蒸汽時間過長,會使得胡蘿卜內(nèi)部的一些可溶性物質(zhì)逸出至物料表面,對水分的向外擴散形成一定的阻力,從而延長干燥時間。
當燙漂循環(huán)次數(shù)不同時,循環(huán)3次時的干燥時間最短,相比其他2個水平可省時1 h左右,當循環(huán)次數(shù)為1次或2次時,所需的干燥時間基本相同。這可能是因為,循環(huán)次數(shù)過少并不能改變物料表面細胞的通透性,從而影響水分的向外遷移。雖然巨浩羽等提到,干燥時間隨循環(huán)次數(shù)的增加先減小后增大,但其最短干燥時間同樣發(fā)生在循環(huán)3次時,這一點與本研究并不矛盾。
2.1.2 不同燙漂條件對V含量的影響
新鮮胡蘿卜的V含量為193.6 mg·kg。不同燙漂條件下,干制品的V含量均下降,但影響程度不同(圖2)。隨著燙漂真空度和循環(huán)次數(shù)增加,V保留量也有所增加,但燙漂溫度和燙漂時間的增加導致V含量進一步降低。抽真空的操作使得試驗環(huán)境中的空氣排出,因此,燙漂真空度的增加在一定程度上有助于抑制V氧化,從而使得干制品得以保留更多的V。循環(huán)次數(shù)增加導致的V含量上升,可能與其多次隔絕空氣,及傳熱狀況的變化等有關。由于V具有熱敏性,因此燙漂溫度和燙漂時間的增加會對其造成一定的破壞,且高溫時間越長,破壞程度越大。
圖1 不同燙漂真空度(a)、燙漂溫度(b)、燙漂時間(c)、循環(huán)次數(shù)(d)下的干燥曲線Fig.1 Drying curves under different blanching vacuum degrees (a), blanching temperature (b), blanching time (c) and cycle times (d)
水平1對應的燙漂真空度、燙漂溫度、燙漂時間、循環(huán)次數(shù)分別為0、100 ℃、1 min、1次;水平2對應的燙漂真空度、燙漂溫度、燙漂時間、循環(huán)次數(shù)分別為0.04 MPa、110 ℃、2 min、2次;水平3對應的燙漂真空度、燙漂溫度、燙漂時間、循環(huán)次數(shù)分別為0.08 MPa、120 ℃、3 min、3次。圖3~4同。The corresponding blanching vacuum degree, blanching temperature, blanching time, and cycle times are 0, 100 ℃, 1 min, 1 time, respectively, to level 1, 0.04 MPa, 110 ℃, 2 min, 2 times, respectively, to level 2, and 0.08 MPa, 120 ℃, 3 min, 3 times, respectively, to level 3.The same as in Fig. 3 and Fig. 4.圖2 不同燙漂條件下的VC含量Fig.2 VC content under different blanching conditions
2.1.3 不同燙漂條件對復水比的影響
復水比隨燙漂真空度、燙漂溫度、燙漂時間的增大而增大(圖3)。這可能是因為:燙漂真空度的增大有利于快速對物料進行燙漂,真空度越高,內(nèi)部冷空氣和低溫蒸汽排除得越充分,燙漂也就越充分;同時,燙漂溫度與燙漂時間的增加有助于提升傳熱速率和傳熱時間。但是,循環(huán)次數(shù)越多,抽真空越頻繁,可能會在一定程度上影響蒸氣與物料間的傳熱;因此,復水比隨循環(huán)次數(shù)的增加先變大后變小,但總體變化不大??偟膩砜?,真空脈動蒸汽燙漂預處理仍然有利于胡蘿卜干制品的復水。
圖3 不同燙漂條件下的復水比Fig.3 Rehydration ratio under different blanching conditions
2.1.4 不同燙漂條件對色澤的影響
色差值越小,說明燙漂護色效果越好。當燙漂真空度最大或燙漂溫度最低時,色澤保留較好(圖4)。真空度越大,越有利于減少氧化反應,因而燙漂真空度最大時,色差值最小。胡蘿卜的主導顏色為紅色,溫度過高時,美拉德反應加劇,紅色色素降解較大,值升高,因而色差增大。循環(huán)次數(shù)越多,抽真空越頻繁,會影響蒸汽與物料間的傳熱,進而影響滅酶效果,使色差變大。燙漂時間最短時色差最大,可能是因為燙漂時間短,尚不能使酶完全滅活,因而在干燥過程中容易發(fā)生酶促褐變。
2.2.1 試驗結果
將胡蘿卜片蒸汽燙漂四元二次回歸正交試驗的結果整理于表2??梢钥闯?,胡蘿卜片復水比的結果基本在同一水平,而V含量、色差的數(shù)值間存在一定的差別。
圖4 不同燙漂條件下的色差值Fig.4 Color difference under different blanching conditions
利用Design-Expert 8.0.6.1軟件對四元二次回歸正交試驗的數(shù)據(jù)進行分析,分別建立V含量()、復水比()、色差()與燙漂真空度()、燙漂溫度()、燙漂時間()、循環(huán)次數(shù)()的回歸模型:
(4)
(5)
(6)
2.2.2 V含量的響應面分析
經(jīng)檢驗,式(4)模型的值小于0.000 1,為0.955 1,模型顯著,失擬項不顯著,說明該模型擬合度良好,能夠用于預測V含量與各因素的關系。對各因素進行顯著性分析,燙漂真空度和循環(huán)次數(shù)的值小于0.000 1,燙漂溫度、燙漂時間的值小于0.01,說明這4項因素對V含量的影響均達顯著水平。每次固定2因素做零水平處理,考查各因素間的交互作用對V含量的影響(圖5)。根據(jù)等高線圖和3D響應面圖,結合顯著性分析,可知、、的交互作用對V含量的影響顯著(<0.000 1),表現(xiàn)為響應面的坡度較陡,響應值變化較大,等高線呈橢圓形;而其他交互作用不顯著,表現(xiàn)為響應曲面較平滑,響應值變化較小,等高線接近圓形。此外,根據(jù)檢驗判定,各因素的貢獻率從高到低依次為燙漂真空度>循環(huán)次數(shù)>燙漂溫度>燙漂時間。
表2 四元二次回歸正交試驗方案與結果
2.2.3 復水比的響應面分析
經(jīng)檢驗,式(5)模型的值小于0.000 1,為0.990 6,模型顯著,失擬項不顯著,說明該模型擬合度良好,能夠用于預測復水比與各因素的關系。對各因素進行顯著性分析,燙漂真空度、循環(huán)次數(shù)、燙漂溫度、燙漂時間的值均小于0.000 1,對復水比的影響均達顯著水平。每次固定2因素做零水平處理,考查各因素間的交互作用對復水比的影響(圖6)。根據(jù)等高線圖和3D響應面圖,結合顯著性分析,可知、、、的交互作用對復水比的影響顯著(<0.05),而其他交互作用不顯著。此外,根據(jù)檢驗判定,各因素的貢獻率從高到低依次為燙漂溫度>燙漂時間>燙漂真空度>循環(huán)次數(shù)。
2.2.4 色澤的響應面分析
經(jīng)檢驗,式(6)模型的值小于0.000 1,為0.959 5,模型顯著,失擬項不顯著,說明該模型擬合度良好,能夠用于預測色差值與各因素的關系。對各因素進行顯著性分析,燙漂真空度和燙漂溫度的值小于0.000 1,循環(huán)次數(shù)的值小于0.05,對色差值的影響均達顯著水平,而燙漂時間的值為0.503 3,對色差值的影響不顯著。每次固定2因素做零水平處理,考查各因素間的交互作用對色差值的影響(圖7)。根據(jù)等高線圖和3D響應面圖,結合顯著性分析,可知、的交互作用對色差值的影響顯著(<0.05),、的交互作用對色差值的影響極顯著(<0.01),而其他交互作用不顯著。此外,根據(jù)檢驗判定,各因素的貢獻率從高到低依次為燙漂溫度>燙漂真空度>循環(huán)次數(shù)>燙漂時間。
2.2.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證
為了得到真空脈動蒸汽燙漂的較優(yōu)工藝參數(shù),對V含量、復水比和色差值進行參數(shù)優(yōu)化,其目標函數(shù)為
A,燙漂真空度;B,燙漂溫度;C,燙漂時間;D,循環(huán)次數(shù)。下同。A, Blanching vacuum degree; B, Blanching temperature; C, Blanching time; D, Cycle times. The same as below.圖5 各因素的交互作用對VC含量的影響Fig.5 Effect of interaction of various factors on VC content
圖6 各因素的交互作用對復水比的影響Fig.6 Effect of interaction of various factors on rehydration ratio
圖7 各因素的交互作用對色差的影響Fig.7 Effect of interaction of various factors on color difference
(7)
約束條件為
(8)
利用Design-Expert 8.0.6.1軟件進一步分析得到優(yōu)化工藝條件:燙漂溫度111.09 ℃,燙漂真空度0.08 MPa,燙漂時間3 min,循環(huán)次數(shù)1.89次,模型預測在此條件下干制品的V含量為170.74 mg·kg,復水比為5.638 g·g,色差值為7.999。為進一步驗證回歸方程的準確性和有效性,考慮到實際操作的便利,將最優(yōu)的預測條件進行修正后對模型進行實際驗證,在燙漂溫度110 ℃、燙漂真空度0.08 MPa、燙漂時間3 min、循環(huán)次數(shù)2次的條件下進行驗證試驗,V含量為161.53 mg·kg,復水比為5.841 g·g,色差值為8.763,相對誤差分別為5.39%、3.60%、9.55%,最大誤差不超過10%,與預測值基本相符,表明響應面法得到的優(yōu)化工藝參數(shù)可靠。
本文基于熱風真空組合干燥,對胡蘿卜真空脈動蒸汽燙漂工藝進行單因素試驗和四元二次回歸正交試驗研究,最終優(yōu)化得到了胡蘿卜片真空脈動蒸汽燙漂的較理想工藝參數(shù)。
單因素試驗結果表明:胡蘿卜的干燥時間隨燙漂真空度和燙漂溫度的升高而縮短,但燙漂時間過長會增加干燥時間,循環(huán)次數(shù)為3次時,干燥時間最短。燙漂強度的增加會對V含量造成一定的破壞,但卻有利于胡蘿卜干制品的復水。
經(jīng)正交試驗,綜合考慮對V含量、復水比、色差的影響,優(yōu)化得到胡蘿卜蒸汽燙漂較理想的工藝參數(shù):燙漂溫度110 ℃,燙漂真空度0.08 MPa,燙漂時間3 min,循環(huán)次數(shù)2次。