李星儀,路風(fēng)銀,劉愛平,謝永康,鄭志安
(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心,河南 鄭州 450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,河南 鄭州 450002;3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083)
山藥富含氨基酸、碳水化合物、礦物質(zhì)和多種維生素,是一種藥食同源的農(nóng)產(chǎn)品,其浸出物及所含尿囊素有重要的藥用價值[1-3]。但新鮮山藥不易保存,容易氧化褐變,因此,山藥塊一般以干制品形式售賣[4]。傳統(tǒng)的山藥干燥方法主要是自然晾曬法,但該種方法干燥時間長,山藥易褐變,外觀品質(zhì)較差[5-6]。部分農(nóng)戶為了防止山藥發(fā)生褐變反應(yīng),對山藥進行熏硫處理,然后再利用煤炭、木材等燃燒后的氣體進行干燥。此種護色與干燥方法雖然可以有效防止山藥褐變,但是會導(dǎo)致干后的山藥硫化物含量超標(biāo)[7]。隨著國家對食品安全的重視程度增強以及農(nóng)村地區(qū)環(huán)保政策的推進,燃煤、燃油等熱風(fēng)烘房被清潔能源機械化干燥裝備代替。目前,工業(yè)化生產(chǎn)使用最為廣泛的干燥設(shè)備是電加熱式熱風(fēng)干燥機與空氣源熱泵干燥裝置[8],這兩類干燥機均以熱風(fēng)為干燥介質(zhì)。
熱風(fēng)干燥裝備具有裝載量大、設(shè)備操作簡單、控制方法便捷等特點,適合用于山藥片的工業(yè)化生產(chǎn)[9]。但是熱風(fēng)干燥的傳熱效率低,能源利用率較低,能耗高[10-11]。諸多學(xué)者以提高傳熱與傳質(zhì)系數(shù),降低熱風(fēng)干燥設(shè)備運行能耗為目標(biāo),進行干燥室內(nèi)溫度、介質(zhì)相對濕度與風(fēng)速的研究,研究表明,通過調(diào)控干燥過程中介質(zhì)的相對濕度,使干燥室內(nèi)初期維持較高相對濕度,可提高干燥介質(zhì)焓值,促進物料溫度迅速上升[12-13],進而提高干燥速率,縮短干燥時間。通過提高干燥介質(zhì)相對濕度,降低空氣中氧氣濃度,抑制熱敏性物料干燥過程中的氧化反應(yīng)[12]。在保持相對濕度階段,可以減少干燥室外冷空氣的進入,回收利用干燥室內(nèi)濕熱空氣,降低重新加熱冷空氣與排濕風(fēng)扇運行的能耗,從而降低整體干燥過程中的能耗[14-15]。此類基于溫濕度控制的熱風(fēng)干燥技術(shù)已應(yīng)用于胡蘿卜[10]、山藥片[14]、枸杞[16]等果蔬物料的干燥研究中,效果良好,不僅能夠提高干燥速率還能改善產(chǎn)品的品質(zhì),如降低收縮與色澤變化程度,提高復(fù)水比等[16-18]。該種技術(shù)對于厚度在一定范圍的物料有提高內(nèi)部溫度的優(yōu)勢[2],但是有研究表明,過高的相對濕度對物料的有效成分以及外觀品質(zhì)均存在負面影響[19]。關(guān)于山藥干燥的研究多集中于溫度、厚度、干燥方式對其干燥特性、干燥能耗、藥用成分的影響,尚未見山藥片在熱風(fēng)干燥過程中相對濕度與山藥片厚度的匹配關(guān)系,以及相對濕度、厚度對其藥用成分影響的研究報道。在保證干燥品質(zhì)的前提下,為了進一步降低干燥能耗,應(yīng)充分利用干燥室內(nèi)的濕熱空氣。為此,采用基于溫濕度控制的熱風(fēng)干燥技術(shù)對山藥片進行干燥,研究相對濕度、山藥片厚度等條件對山藥片干燥特性、能耗的影響,確定相對濕度與山藥片厚度的匹配關(guān)系;測定相對濕度、山藥片厚度對山藥片品質(zhì)(浸出物、色澤、復(fù)水比、復(fù)水后的質(zhì)構(gòu)、尿囊素含量)的影響,并對干燥效果進行綜合評價,旨在為工業(yè)化生產(chǎn)山藥片作為中藥飲片、食品奠定基礎(chǔ)。
在鄭州市當(dāng)?shù)厥袌鲑徺I新鮮鐵棍山藥,選擇無機械損傷、無病蟲害、無腐爛的山藥放入(4±1)℃冰箱中保存。用快速水分測定儀(WL-02X,深圳冠亞水分儀科技有限公司)測得山藥的初始濕基含水率為(72.58±1.22)%。
利用基于溫濕度控制的熱風(fēng)干燥技術(shù)(45±0.5)℃對不同厚度(3、6、9 mm)的山藥片進行干燥,探究不同相對濕度(20%、30%、40%,控制閾值±4%)下山藥片干燥動力學(xué)和山藥片品質(zhì)(色澤、復(fù)水比、質(zhì)構(gòu)、浸出物),每次干燥裝載量為(800±1.19)g,干燥室內(nèi)風(fēng)速為3.2~4.2 m/s,干燥至濕基含水率低于10%。試驗方案如表1所示。
表1 山藥片干燥試驗方案Tab.1 Experiment scheme of yam slices drying
基于溫濕度控制的熱風(fēng)干燥機(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心自制)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。設(shè)備運行前,通過觸摸屏設(shè)置設(shè)備運行溫度與相對濕度,干燥程序啟動后,冷空氣經(jīng)加熱通道中的電加熱管加熱,由離心風(fēng)機吹入干燥室中,干燥室內(nèi)布置有溫濕度傳感器(SHT35,瑞士Sensirion 公司,測量誤差為±1.5%),當(dāng)實際相對濕度高于設(shè)定相對濕度時,排濕風(fēng)扇打開。低于設(shè)定相對濕度時,排濕風(fēng)扇關(guān)閉,濕熱空氣在干燥室內(nèi)部經(jīng)擾流風(fēng)機擾動,在干燥室內(nèi)部與加熱通道內(nèi)循環(huán)。物料內(nèi)部溫度使用插入式溫度傳感器(BCL3016P,東莞市不凡電子有限公司,測量誤差為±0.3 ℃)測量,物料質(zhì)量由稱質(zhì)量傳感器(SP4MC3MR 型,德國Hottinger Baldwin Measurements 公司,測量誤差為±0.16%)測量。
圖1 基于溫濕度控制的熱風(fēng)干燥機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hot air dryer based on temperature and humidity control
1.4.1 干燥室內(nèi)環(huán)境與物料內(nèi)部溫度變化 干燥室內(nèi)相對濕度由干燥室內(nèi)的溫濕度傳感器采集(每4 s 記錄一次)。設(shè)備上的3 個插入式溫度傳感器用于采集物料內(nèi)部溫度,并求取平均值獲得物料內(nèi)部溫度,數(shù)據(jù)自動存儲于U盤中。
1.4.2 水分比、干燥速率與比能耗計算 山藥干燥過程中水分比(Moisture ratio,MR)的計算方法:
式中,M0是山藥的初始干基含水率(g/g);Mt是干燥進行至t分鐘時山藥的干基含水率(g/g)。
山藥片干燥過程中的干燥速率(Drying rate,DR)計算如下:
式中,Mt1與Mt2為干燥至t1與t2時刻的干基含水率(g/g)。
比能耗(Specific energy consumption,SEC)指山藥干燥時去除單位質(zhì)量水分所消耗的能量。
式中,E為干燥過程中的總能耗(kW·h);M為干燥過程中減少水分的質(zhì)量(kg)。
1.4.3 尿囊素含量測定 參照孟建升等[1]的方法進行對照溶液制備:精密稱量5 mg 尿囊素標(biāo)準(zhǔn)品(北京索萊寶科技有限公司,HPLC≥98%)置于50 mL 容量瓶中,定容,并超聲處理使標(biāo)準(zhǔn)品充分溶解。配制質(zhì)量濃度為0~416 μg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)樣品建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。
參照孟建升等[1]的方法進行山藥中尿囊素的提?。簩⒉煌稍飾l件處理的山藥片用破碎機粉碎,并用孔徑為425 μm 的篩篩取粉末,將(1.00±0.04)g山藥粉置于50 mL 容量瓶中,純凈水定容后置于30 ℃環(huán)境中超聲30 min,之后在轉(zhuǎn)速為9 000 r/min的離心機中離心10 min,抽取上清液過0.22 μm 濾膜,等待測試。
參照廖曉玲等[20]的色譜條件:采用Phenomenex Luna C18(250 mm×4.6 mm,5 μm)色譜柱,流動相為1∶9的甲醇-水溶液,流動相速度為0.5 mL/min,檢測光譜波長為224 nm,每次進樣量10 μL,測試時間15 min[3]。
固定資產(chǎn)投資項目中往往研制一些具有技術(shù)先進性、代表性、前瞻性的非標(biāo)設(shè)備,這就導(dǎo)致設(shè)備建設(shè)方案具有不確定性,項目建設(shè)技術(shù)難度高,存在著一定的技術(shù)和經(jīng)濟風(fēng)險。
所用標(biāo)準(zhǔn)曲線:y=5.218 4x+37.843 0(R2=0.999 8)。1.4.4 浸出物含量測定 利用冷浸法測量山藥水溶性浸出物含量[21]。將山藥打粉并用孔徑為425 μm的篩進行篩分,每次取(4.00±0.07)g 山藥粉末置于燒杯中,加入100 mL 超純水并混合均勻,在搖床上放置6 h,再靜置18 h,取上清液過濾,并將20 mL 濾液倒入潔凈坩堝內(nèi),在105 ℃烘箱中干燥至質(zhì)量不再變化,冷卻至室溫并獲取質(zhì)量。浸出物含量計算公式如下:
式中,m0為山藥粉質(zhì)量(g);m1為潔凈坩堝質(zhì)量(g);m2為干燥至質(zhì)量不再變化時坩堝的質(zhì)量(g)。1.4.5 色澤測定 利用計算機視覺系統(tǒng)(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)副產(chǎn)品加工研究中心自制)測量山藥色澤。該系統(tǒng)由CN-T6240 便攜式LED 攝影燈箱(廣東南光影視器材有限公司,色溫6500K)、工業(yè)相機(德國Basler,Aca2500-14-gc)、工業(yè)定焦鏡頭(日本Computar,1208-C)組成。對干燥前、后的山藥均進行圖像采集,采集圖像時山藥放置在黑色背景布上,位于鏡頭正下方,距鏡頭23 cm。利用MATLAB(2017b)對樣本進行圖像處理,獲取樣品L(亮度)、a(紅/綠)和b(黃/藍)值,色差計算公式如下:
式中,ΔE為干燥前后山藥片的色差;L0、a0和b0分別為新鮮山藥片的亮度、紅/綠和黃/藍值,L、a和b分別為干燥后山藥片的亮度、紅/綠和黃/藍值。
1.4.6 復(fù)水比測定 每次稱?。?.00±0.08)g 的山藥片,放入100 mL 70 ℃的去離子水中30 min,取出并瀝干20 min 后測量質(zhì)量,復(fù)水比(Rehydration ratio,RR)按照公式(6)計算。
式中,md與mw分別為山藥片復(fù)水前與復(fù)水后的質(zhì)量(g)。
1.4.7 綜合評價 首先對評價指標(biāo)進行歸一化處理。其中正向指標(biāo)(尿囊素含量、浸出物、復(fù)水比)和負向指標(biāo)(干燥時間、比能耗、色差)的歸一化計算公式如下:
式中,yz與yf分別為正向指標(biāo)與負向指標(biāo)歸一化的結(jié)果,xi為該指標(biāo)測量值,xmax為該指標(biāo)最大值,xmin為該指標(biāo)最小值。
在保證正向指標(biāo)越高的前提下,盡量使負向指標(biāo)更低,對上述6個指標(biāo)進行加權(quán)分配,獲取綜合得分。山藥是藥食同源的產(chǎn)品,若其干制品作為中藥飲片售賣,首先考慮其外觀品質(zhì),再考慮商品藥用價值以及營養(yǎng)成分。依據(jù)優(yōu)先考慮外觀品質(zhì)再考慮其藥用成分的原則,各指標(biāo)間的權(quán)重分布:尿囊素含量(0.16)、浸出物(0.16)、復(fù)水比(0.16)、干燥時間(0.16)、比能耗(0.16)、色差(0.20)。
干燥室內(nèi)溫度恒定(45 ℃),9 mm 厚山藥片所對應(yīng)的干燥室內(nèi)相對濕度變化如圖2a 所示。相對濕度設(shè)定范圍越高,干燥室內(nèi)相對濕度可保持在該范圍的時間越短,其余2 種厚度的山藥片的相對濕度變化規(guī)律與9 mm 厚的山藥片相同。相對濕度設(shè)定為20%時,干燥開始之后50 min 出現(xiàn)排濕風(fēng)扇一直開啟的狀態(tài)。這是因為山藥初始含水率高,水分蒸發(fā)量大,目標(biāo)相對濕度過低,出現(xiàn)了難以達到目標(biāo)相對濕度下限(16%)的現(xiàn)象。干燥室內(nèi)相對濕度設(shè)定值相同(30%),不同切片厚度下干燥室內(nèi)濕度變化曲線如圖2b 所示。從圖2b 可以看出,干燥初期,干燥機排濕風(fēng)機開啟以達到目標(biāo)濕度范圍。干燥后期,物料水分減少,干燥室內(nèi)濕度無法達到目標(biāo)濕度,排濕風(fēng)機關(guān)閉。切片厚度3、6、9 mm 時,干燥室內(nèi)目標(biāo)濕度維持時間分別為50、100、130 min左右。隨著切片厚度的增長,干燥室內(nèi)目標(biāo)濕度維持時間越久,可能是切片越厚,山藥片水分減少越慢,相對濕度變化越慢,從而導(dǎo)致目標(biāo)濕度維持時間越久[15]。相對濕度20%、40%時,不同厚度下干燥室內(nèi)相對濕度變化趨勢與相對濕度30%時的變化趨勢相同。
圖2 干燥室內(nèi)相對濕度變化Fig.2 Relative humidity changes in the drying room
相同厚度的山藥片在不同相對濕度下內(nèi)部溫度變化如圖3a 所示,在干燥200 min,相對濕度為40%組的內(nèi)部溫度高于其他組,隨著干燥時間的延長,不同組的山藥片內(nèi)部溫度均趨近于45 ℃。不同厚度的山藥片內(nèi)部溫度變化如圖3b所示,相同相對濕度下,干燥150 min 內(nèi),厚度為6 mm 的山藥片升溫最快,9 mm 山藥片次之,3 mm 山藥片最慢。但是隨著干燥時間的延長,3 mm山藥片溫度最先接近干燥室內(nèi)溫度,6 mm 山藥片次之,9 mm 山藥片最慢。上述結(jié)果說明,相同厚度時,保持較高的相對濕度可以使物料內(nèi)部迅速升溫。雖然保持較高的相對濕度可以使一定厚度的物料內(nèi)部快速升溫,但是切片厚度大于6 mm 時,傳熱路徑更長,熱量由山藥片外部向內(nèi)部傳遞更慢,反而使物料內(nèi)部溫度升高緩慢,所以山藥切片厚度應(yīng)保持6 mm 左右,不可過厚。
圖3 干燥過程中山藥片內(nèi)部溫度變化Fig.3 The inner temperature changes of yam slices during drying
不同厚度與相對濕度下山藥片的干燥時間如表2所示,切片厚度相同時,不同相對濕度下山藥片干燥時間無顯著性差異(P>0.05)。相對濕度相同時,切片越薄,干燥時間越短,切片厚度對干燥時間有顯著性影響(P<0.05)。不同切片厚度下,山藥片水分比變化與干燥速率變化曲線如圖4所示。從圖4b 可以看出,厚度為3、6、9 mm 的山藥片均呈降速干燥,厚度越薄,其初始的干燥速率越高,最終的干燥時間越短。
圖4 不同厚度山藥片干燥特性與干燥速率曲線Fig.4 Drying characteristics and drying rate curres of different thickness yam slices
表2 山藥片干燥時間、比能耗與品質(zhì)結(jié)果Tab.2 Drying time,SEC,and quality results of yam slices
不同厚度與相對濕度下山藥片的比能耗如表2所示,切片厚度相同時,不同相對濕度下山藥片比能耗無顯著性差異(P>0.05)。相對濕度相同時,切片越薄,干燥比能耗越低,切片厚度對干燥比能耗存在顯著性影響(P<0.05)。如圖5 所示,干燥時間越長,比能耗越高,其相關(guān)性系數(shù)為0.97,說明在干燥溫度相同時,縮短干燥時間才可以有效降低比能耗,為進一步研究干燥過程中相對濕度的控制方法,降低干燥能耗,建議記錄排濕風(fēng)機與加熱管的實時運行功率與總能耗,對比不同相對濕度控制方法下排濕風(fēng)機能耗與余熱回收效率。
圖5 山藥片各指標(biāo)間相關(guān)性系數(shù)矩陣Fig.5 Correlation coefficient matrix of various indicators of yam slices
尿囊素是山藥的一種重要藥用成分,不同相對濕度與切片厚度下山藥片的尿囊素含量如表2 所示,當(dāng)干燥室內(nèi)相對濕度設(shè)定值相同時,厚度對山藥片尿囊素含量有顯著性影響(P<0.05),當(dāng)相對濕度為30%與40%時,3 mm 的山藥片尿囊素略高于6 mm的山藥片。當(dāng)切片厚度相同時,相對濕度僅對切片厚度為3 mm 的山藥片尿囊素含量存在顯著性影響(P<0.05)。通過圖5尿囊素含量和干燥時間之間的相關(guān)性系數(shù)可知,干燥時間與尿囊素含量間的相關(guān)性較低。說明尿囊素較為穩(wěn)定,在相同溫度下對山藥進行干燥時,可以忽略山藥片的厚度與干燥室內(nèi)相對濕度對尿囊素含量的影響。
從表2 可知,相對濕度對山藥片浸出物含量存在顯著性影響(P<0.05),相同厚度時,相對濕度越高,浸出物含量越低。說明為了獲取更多的浸出物,山藥片需要在較低相對濕度環(huán)境干燥。厚度對山藥片浸出物含量存在顯著性影響(P<0.05),相對濕度為20%與30%時,山藥片越薄,浸出物含量越高,相對濕度為40%時,3、6 mm 山藥片的浸出物含量無顯著性差異(P>0.05),但是高于9 mm山藥片的浸出物含量。說明切片厚度過厚對干后的山藥片浸出物含量有負面影響。
不同相對濕度與切片厚度下色差如表2 所示,相同相對濕度時,3、6、9 mm的山藥片色差均無顯著性差異(P>0.05),不同相對濕度下,僅3 mm 山藥片的色差存在顯著性差異(P<0.05),6、9 mm 的山藥片色差無顯著性差異(P>0.05)。這可能是因為干燥溫度一致,導(dǎo)致山藥中的酶活性較為一致,所以山藥在干燥過程中因酶促褐變引起的色差較為接近,無顯著性差異(P>0.05)。
從表2 可以看出,相對濕度對山藥片的復(fù)水比存在顯著性影響(P<0.05),3、6、9 mm 的山藥片,均在相對濕度為30%時復(fù)水比較高。切片厚度對山藥片的復(fù)水比存在顯著性影響(P<0.05),不同相對濕度下,均呈現(xiàn)9 mm 山藥片的復(fù)水比較低的現(xiàn)象。說明了相對濕度過高或者切片厚度過厚對山藥片復(fù)水比存在負面影響,這可能是高的相對濕度與較厚的切片厚度導(dǎo)致干燥時間延長,使山藥細胞有充分的時間進行收縮,孔隙率更低,導(dǎo)致干后的山藥片復(fù)水性能差[22-23]。
綜合評分結(jié)果如表3所示,相對濕度為20%,厚度為3 mm 時綜合評分最高,相對濕度為40%時,厚度為9 mm 時綜合評分最低。經(jīng)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),干燥時間、切片厚度、浸出物含量與綜合評分間相關(guān)性系數(shù)分別為-0.84、-0.91、0.73,其余指標(biāo)與綜合評分結(jié)果間關(guān)系不明顯。說明切片越薄,干燥時間越短,其綜合評分越高。在高相對濕度環(huán)境下,干燥室排濕速率緩慢,增長了干燥時間,干燥品質(zhì)下降,此類現(xiàn)象在西洋參干燥中也有出現(xiàn)[24]。實際生產(chǎn)中,物料裝載量較大,干燥室內(nèi)水分蒸發(fā)量大,不能快速將相對濕度降低至20%以下,為了保證干燥室內(nèi)快速升溫,不能一直開啟排濕風(fēng)機,但是為了縮短干燥時間,需要進行分階段快速降低干燥室內(nèi)相對濕度。建議繼續(xù)探究相對濕度保持時間對山藥片干燥特性、品質(zhì)等影響。
表3 干燥后的山藥片綜合評分結(jié)果Tab.3 Comprehensive scoring results of dried yam slices
本研究采用切片厚度為3、6、9 mm 的山藥片,設(shè)定相對濕度為20%、30%、40%,當(dāng)切片厚度為6 mm時,保持較高的相對濕度可以實現(xiàn)在干燥初期100 min 內(nèi)物料內(nèi)部快速升溫的效果,此現(xiàn)象與山藥[10]、香菇[15]、西洋參[24]的研究結(jié)果一致。相同切片厚度下,相對濕度對山藥片的干燥時間無顯著性影響(P>0.05),山藥片厚度越薄、相對濕度越低,干燥時間越短,比能耗越低,并未出現(xiàn)如巨浩羽等[17,24]研究中干燥室內(nèi)相對濕度越高,比能耗越低的現(xiàn)象。建議記錄排濕風(fēng)機與加熱管的實時運行功率與總能耗,對比不同相對濕度控制方法下排濕風(fēng)機能耗與余熱回收效率,探索相對濕度對能耗的影響。
山藥片厚度對山藥片尿囊素含量、浸出物含量存在顯著性影響(P<0.05);尿囊素性質(zhì)穩(wěn)定不易分解[25],干燥溫度相同,不同相對濕度下含量無顯著性差異(P>0.05)。相同厚度時,相對濕度越高,浸出物含量越低。相對濕度較高時,對山藥片尿囊素、浸出物含量均存在負面影響,建議繼續(xù)探究山藥是否適合高溫高濕燙漂、蒸制。相對濕度與切片厚度對山藥色差影響較小(P>0.05),因為新鮮山藥褐變主要是酶促褐變引起的。研究表明,pH 值、溫度對山藥黏液中的酶活性影響較大[22]。當(dāng)前干燥溫度一致,導(dǎo)致山藥中的酶活性較為一致,山藥在干燥過程中色差較為接近,無顯著性差異。相對濕度對山藥片復(fù)水比有顯著性影響(P<0.05),3、6、9 mm 的山藥片,均在相對濕度為30%時復(fù)水比較高。較低的相對濕度可能引起物料表面結(jié)殼[17],水分難以進入山藥片內(nèi)部。較高的相對濕度導(dǎo)致干燥時間的延長,細胞收縮程度更多,物料孔隙率較低,引起復(fù)水比低[15]。
干燥時間、切片厚度、浸出物含量與綜合評分間相關(guān)性系數(shù)分別為-0.84、-0.91、0.73,說明切片越薄,干燥時間越短,其綜合評分越高。相對濕度為20%、厚度為3 mm 時綜合評分最高,相對濕度為40%、厚度為9 mm時綜合評分最低。實際生產(chǎn)中干燥室內(nèi)相對濕度難以快速降低至20%以下,建議干燥初期相對濕度設(shè)定為30%或40%,切片厚度為3 mm進行山藥片干燥。