胡蘿卜熱風(fēng)干燥特性及其品質(zhì)的研究

聶 波，張國(guó)治，王安建，李順?lè)?/p>

（1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省農(nóng)科院 農(nóng)副產(chǎn)品加工研究所，河南 鄭州 450002）

0 引言

胡蘿卜是一種質(zhì)脆味美、營(yíng)養(yǎng)豐富的蔬菜，在世界各地廣泛種植.胡蘿卜不僅能夠提供豐富的可轉(zhuǎn)化為維生素A 的胡蘿卜素，還具有增強(qiáng)免疫力、抗癌、防癌、抗衰老等功效[1].然而，胡蘿卜類蔬菜含水量較高，非常容易因?yàn)槲⑸锖兔傅淖饔枚l(fā)生腐爛變質(zhì).根據(jù)相關(guān)部門(mén)估算，果蔬在流通環(huán)節(jié)中腐損率高達(dá)20%～30%，每年要損失1 000多億元[2].因此對(duì)胡蘿卜進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸な鞘直匾?，其中干制是最常用的保存果蔬品質(zhì)的方法之一.果蔬干燥之后，在較低的水分活度下，不僅微生物等難以快速繁殖，而且能夠抑制酶的活性，同時(shí)較好地保持產(chǎn)品的品質(zhì)，便于長(zhǎng)期保存和運(yùn)輸.目前胡蘿卜干燥主要有熱風(fēng)干燥、微波真空干燥、真空冷凍干燥等，其中熱風(fēng)干燥由于具有成本低、周期短、效率較高等優(yōu)勢(shì)，使用比較廣泛[3-14].目前對(duì)胡蘿卜熱風(fēng)干燥的研究主要集中在對(duì)熱風(fēng)溫度、切片厚度、風(fēng)速等干燥特性上[15-16]，而對(duì)干燥后胡蘿卜色澤及胡蘿卜素含量的變化鮮有報(bào)道.

因此，筆者首先對(duì)不同溫度下胡蘿卜的熱風(fēng)干燥特性進(jìn)行研究，得到最佳干燥模型，然后對(duì)不同干燥條件下胡蘿卜的色澤和胡蘿卜素含量的變化進(jìn)行研究，明確干燥條件對(duì)胡蘿卜色澤和胡蘿卜素含量的影響，以期為胡蘿卜干燥提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用胡蘿卜購(gòu)于蔬菜批發(fā)市場(chǎng)，測(cè)定胡蘿卜平均含水率為86.7%.

1.2 試劑與儀器

試劑：氯仿、乙醇等，均為國(guó)產(chǎn)分析純.

儀器：GZX-9240MBE 型電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；UV-1800 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：島津（蘇州）有限公司；H2050R型臺(tái)式高速冷凍離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司；color flex ez 45/0 型分光測(cè)色儀：山特電子（國(guó)際）有限公司；WT30002N 型電子天平：常州萬(wàn)泰天平儀器有限公司；TG328A(S)型分析天平：上海精密科學(xué)儀器有限公司；YG-350 型切丁機(jī)：興化市宇工脫水機(jī)械有限公司.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 胡蘿卜熱風(fēng)干燥特性研究

將胡蘿卜切成5 mm 的小丁，準(zhǔn)確稱取200 g胡蘿卜丁，均勻攤在網(wǎng)狀托盤(pán)上，編號(hào)，分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃的熱風(fēng)干燥箱（風(fēng)速0.6 m/s）中進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗(yàn).每隔30 min 測(cè)定其質(zhì)量，直至含水率到13%[17]以下，停止干燥，放入干燥箱中備用.

1.3.2 胡蘿卜素含量測(cè)定

將不同干燥條件下得到的胡蘿卜粉碎，按1∶10加入體積比為2∶1 的無(wú)水乙醇和氯仿提取液，充分混勻后提取30 min，10 000 r/m 離心10 min，沉淀后再提取2 次，合并上清液，并定容.分別測(cè)定波長(zhǎng)440 nm 處的吸光度.以每克胡蘿卜在440 nm處的吸光度值表示胡蘿卜素含量(mg/g)，其中A 為吸光度值，V 為上清液總體積（mL），W 為胡蘿卜的質(zhì)量(g).

1.3.3 胡蘿卜色澤測(cè)定

把干燥后的胡蘿卜粉碎，新鮮胡蘿卜磨碎，各取5 g，放在分光測(cè)色儀上，重復(fù)測(cè)量3 次，并取平均值.

1.4 干燥參數(shù)計(jì)算方法

干基含水率(Mt)計(jì)算公式：

其中:Wt是任意t 時(shí)刻物料干燥質(zhì)量，g；G 為干物料的質(zhì)量，g.

干燥速率（DR）計(jì)算公式：

其中：DR 是物料干燥速率，g·g-1·h-1；是ti時(shí)刻的物料干基含水率，%；是ti+1時(shí)刻的物料干基含水率，%；Δt 是ti+1和ti干燥時(shí)刻時(shí)間差，h.

水分比（MR）計(jì)算公式：

其中：M0是初始的物料干基含水率，%；Mt是任意干燥t 時(shí)刻的物料干基含水率，%；Me是干燥到平衡時(shí)的物料干基含水率，%.但是平衡時(shí)物料干基含水率Me遠(yuǎn)小于M0和Mt，因此計(jì)算公式(3)能夠簡(jiǎn)化成式(4)[18].

1.5 數(shù)據(jù)處理和模型分析

用Excel 2013 作圖，用Spss 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)胡蘿卜熱風(fēng)干燥特性的影響

由胡蘿卜熱風(fēng)溫度干燥曲線（圖1）和干燥速率曲線（圖2）可知，溫度對(duì)胡蘿卜干燥影響比較大，干燥溫度越高，到達(dá)安全含水量的時(shí)間越短，反之則越長(zhǎng).在60 ℃，干燥到干基含水率5.1%需要3.5 h，而在40 ℃，則需要5 h，后者是前者的1.4 倍.在干燥起始階段，熱風(fēng)干燥提供的熱量主要提高胡蘿卜溫度，溫度升高，干燥速率加快，達(dá)到同一干基含水率，高溫比低溫所需時(shí)間更短，之后高溫和低溫之間的差距越來(lái)越大.在干燥恒速階段，胡蘿卜內(nèi)部的水分向外部遷移的速率和表層的水分?jǐn)U散到周圍的速率基本一樣，因此加熱主要是用于水分的蒸發(fā).在干燥的降速階段，胡蘿卜內(nèi)部的水分向外部遷移的速率沒(méi)有表層的水分?jǐn)U散到周圍的速率快，因此干燥速率會(huì)降低，高溫干燥下干基含水率下降緩慢，曲線變得平坦，而低溫干燥條件下會(huì)出現(xiàn)延遲.

從干燥速率曲線（圖2）看出，60 ℃的干燥速率開(kāi)始大于50 ℃的干燥速率，但是后來(lái)又小于40 ℃的干燥速率，這是因?yàn)闇囟仍礁?，干燥時(shí)間越短，高溫干燥中的恒速過(guò)程變成了降速過(guò)程，此時(shí)低溫的干燥速率一直上升到恒速干燥過(guò)程，所以在一段時(shí)間后低溫干燥的速率高于高溫的干燥速率.

圖1 不同溫度的胡蘿卜干燥曲線Fig.1 Drying curve of carrot under different drying temperature

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

2.2.1 模型的選擇

根據(jù)文獻(xiàn)[19-25]，用以下3 種數(shù)學(xué)模型對(duì)胡蘿卜熱風(fēng)干燥進(jìn)行擬合.

(1)指數(shù)模型

式中：k 為模型參數(shù)，t 為時(shí)間.

(2)單項(xiàng)擴(kuò)散模型

式中：A 為模型參數(shù).

(3)Page 模型

式中：n 為模型參數(shù).

首先，對(duì)以上3 種常用的干燥模型進(jìn)行線性化處理，指數(shù)模型可看作Page 模型或者單項(xiàng)擴(kuò)散模型特殊的形式，因此僅討論P(yáng)age 模型和單擴(kuò)散模型.

對(duì)式(6)、(7)進(jìn)行線性化處理后分別為：

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（8）、（9），并作圖得-lnMR-t 曲線（圖3）和ln(-lnMR)-lnt 曲線（圖4）.由圖3 和圖4 可知，Page 模型具有較好的線性關(guān)系，因此更適用于擬合胡蘿卜熱風(fēng)干燥過(guò)程.

圖3 不同干燥溫度的-lnMR-t 曲線Fig.3 The-lnMR-t curve under different hot-air temperature

圖4 不同干燥溫度的ln(-lnMR)-lnt 曲線Fig.4 The ln(-lnMR)-lnt curve under different hotair temperature

2.2.2 模型的建立

通過(guò)對(duì)圖4 數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可知，不同溫度下Page 模型決定系數(shù)均在0.98 以上，說(shuō)明擬合度較好（表1）.

由表1 可以看出，在不同溫度下，干燥常數(shù)k和n 的值也不相同.所以，干燥常數(shù)k 和n 是關(guān)于溫度T 的函數(shù)，用一元二次式擬合方程中干燥常數(shù)，那么k 和n 可以用式(10)和(11)表示：

表1 線性回歸方程及參數(shù)Table 1 The fitting equation and parameters

式中：T 為溫度（℃）；a、b、c、d、e、f 為特定的模型系數(shù).

用Spss 19.0 對(duì)方程（10）和（11）中的干燥參數(shù)k 與n 進(jìn)行回歸，得到公式（12）和（13）：

所以胡蘿卜熱風(fēng)干燥回歸方程為：

2.2.3 干燥模型的驗(yàn)證

為了檢測(cè)擬合模型的準(zhǔn)確度，選取試驗(yàn)中1組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn).試驗(yàn)條件為熱風(fēng)干燥溫度為40 ℃，理論值和試驗(yàn)值的比較結(jié)果見(jiàn)圖5.從圖5可以看出，胡蘿卜熱風(fēng)干燥曲線和Page 模型曲線基本吻合，二者數(shù)值平均相對(duì)誤差為6.06%，所以Page 模型比較適合描述胡蘿卜熱風(fēng)干燥過(guò)程.

圖5 試驗(yàn)值和理論值比較Fig.5 Comparison of experimentally determined and predicted values

2.3 不同干燥溫度對(duì)胡蘿卜色澤的影響（表2）

胡蘿卜色度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2.其中，L* 值表示產(chǎn)品的白度，值越大，表示產(chǎn)品越白.a* 值表示產(chǎn)品的紅綠度，值越大，產(chǎn)品顏色越紅，越接近胡蘿卜原來(lái)的顏色，對(duì)于胡蘿卜的意義最大.b* 值表示產(chǎn)品的黃度，值越大，產(chǎn)品顏色越黃.由表2 可以看出，干燥溫度越低，產(chǎn)品越接近胡蘿卜原始的顏色，溫度越高，產(chǎn)品和胡蘿卜原始的顏色相差就越大，胡蘿卜越發(fā)白，產(chǎn)品越黃，褐變程度越高.在熱風(fēng)干燥的過(guò)程中，因?yàn)榇嬖谘鯕夂退?，比較容易產(chǎn)生褐變.再結(jié)合胡蘿卜不同溫度的干燥曲線（圖1），40 ℃干燥比50 ℃多1 h，60 ℃比50 ℃少0.5 h，干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，接觸氧氣太久，胡蘿卜色澤就會(huì)變差，因此50 ℃干燥的產(chǎn)品在紅色方面更加接近新鮮胡蘿卜.

表2 胡蘿卜色度測(cè)定結(jié)果Table 2 The result of the color test of carrot

2.4 不同干燥溫度對(duì)胡蘿卜中胡蘿卜素的影響

不同溫度下的胡蘿卜素含量見(jiàn)表3.由表3 可知，熱風(fēng)干燥溫度越高，胡蘿卜素含量越低，高溫會(huì)破壞胡蘿卜素.氧是影響胡蘿卜素含量的重要因素，但是熱風(fēng)干燥中胡蘿卜素?fù)p失的途徑以及機(jī)制目前還不確定[26].

表3 不同溫度下胡蘿卜素含量Table 3 The content of carotene under different temperature

3 結(jié)論

溫度對(duì)胡蘿卜熱風(fēng)干燥影響比較大，干燥溫度越高，達(dá)到安全含水率的時(shí)間就越短，效率越高.胡蘿卜熱風(fēng)干燥特性符合Page 方程，模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，二者數(shù)值平均相對(duì)誤差為6.06%，能夠較好地描述胡蘿卜熱風(fēng)干燥過(guò)程.

干燥溫度越高，胡蘿卜素?fù)p失越嚴(yán)重，褐變程度越大.此外，干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)破壞胡蘿卜色澤.和40 ℃干燥的產(chǎn)品相比，50 ℃干燥需要的時(shí)間較短，產(chǎn)品在顏色方面差異不顯著，色澤接近新鮮胡蘿卜.與60 ℃干燥的產(chǎn)品相比，50 ℃干燥的產(chǎn)品褐變程度低，胡蘿卜素含量較高.因此，胡蘿卜熱風(fēng)干燥的最佳溫度以50 ℃為宜.

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