干燥方法對濕法魔芋精粉理化性質(zhì)的影響

衛(wèi)永華,張 東,相 輝,張志健,*

(1.陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西漢中 723000;2.陜西省黑色有機食品工程研究中心,陜西漢中 723000)

干燥方法對濕法魔芋精粉理化性質(zhì)的影響

衛(wèi)永華1,2,張 東1,相 輝1,張志健1,2,*

(1.陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西漢中 723000;2.陜西省黑色有機食品工程研究中心,陜西漢中 723000)

本研究以濕法魔芋精粉干燥產(chǎn)品的色澤、孔隙率、堆積密度、溶脹速度、黏度和微觀結(jié)構(gòu)為考察對象,比較分析了熱風(fēng)干燥、真空加熱干燥和微波干燥三種方法對濕法魔芋精粉理化性質(zhì)的影響,并對相關(guān)機理進行探討。結(jié)果表明:三種干燥方法對本研究所考察的魔芋精粉理化性質(zhì)都有顯著的影響(p<0.05)。與微波干燥和熱風(fēng)干燥相比,真空加熱干燥所得魔芋精粉顆粒顏色潔白,孔隙率最高,內(nèi)部形成的微孔數(shù)量眾多,且細小均勻,使得魔芋精粉溶脹速率最高,溶膠的黏度最大(34500 mPa·s),溶脹性優(yōu)于其他兩種方式干燥的產(chǎn)品,較適用于魔芋濕精粉的干燥。

干燥方法,濕法魔芋精粉,溶脹性

魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan,KGM)是魔芋精粉的主要化學(xué)成分(≥75%,w/w),其吸水溶脹后(可以吸收相當于自身體積80～100倍的水)可以形成高粘度的溶膠[1]。作為食品被人體攝入后,KGM不僅能夠減肥,還能起到降低膽固醇,調(diào)節(jié)人體代謝和增強免疫力的保健效果。此外,吸水溶脹后的KGM溶膠還能表現(xiàn)出膠凝、增稠、成膜、懸浮等功能特性[2-6]。因此,魔芋精粉被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、紡織、石油等領(lǐng)域[7]。

干燥是濕法魔芋精粉生產(chǎn)中的一個必要環(huán)節(jié)。熱風(fēng)干燥、微波干燥和真空加熱干燥是食品工業(yè)中比較常用的三種干燥方式。這三種方式干燥機理不同,干燥物料內(nèi)部表現(xiàn)出的組織結(jié)構(gòu)形態(tài)也不同,從而使得產(chǎn)品的理化特性表現(xiàn)一定的差異[8-10]。而目前國內(nèi)有關(guān)干燥方式對濕法魔芋精粉理化性質(zhì)影響的研究尚未見報道。本研究以精粉的孔隙率、堆積密度、色澤、微觀結(jié)構(gòu)、黏度和溶脹速率為指標,探討了熱風(fēng)、微波和真空加熱三種干燥方法對魔芋精粉理化性質(zhì)的影響,并對相關(guān)原因進行分析,以期為濕法魔芋精粉干燥提供合適的技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本實驗所用魔芋濕精粉樣品采用課題組開發(fā)的“無硫魔芋濕法綜合加工技術(shù)”制備,即將去皮魔芋切丁,加適量酸性酒精進行多次粉碎、漿渣分離制得。

3,5-二硝基水楊酸、乙醇、硫酸、氫氧化鈉、葡糖糖、酒石酸鉀和苯酚等試劑均為分析純。

ALC-210.4型電子天平 德國賽多利斯集團;GL-20B型離心機 上海安亭科學(xué)儀器廠;FZG-4型真空干燥箱 南京百方機械設(shè)備有限公司;PhenomTM Pure飛納臺式掃描電鏡 復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司;101A型電熱鼓風(fēng)干燥箱 吳江華飛電熱設(shè)備有限公司;ORW08S-3H微波科學(xué)實驗爐 南京澳潤波科技有限公司;HB43-S水分測定儀 美國梅特勒-托利多;SNB-1旋轉(zhuǎn)黏度計 上海平軒科學(xué)儀器有限公司;D2010W電動攪拌器 上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 魔芋濕精粉樣品成分分析 魔芋濕精粉樣品中葡甘聚糖、灰分和SO2的含量按照GB/T 18104-2000進行測定;濕分(即水分和乙醇)的含量按照GB/T 5009.3-2010測定。

1.2.2 干燥方法 熱風(fēng)干燥:將濕法魔芋精粉放置于70 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)進行干燥實驗,風(fēng)速為1.5 m/s,當精粉含水量低于15%時,結(jié)束干燥,樣品晾涼后用食品塑料袋密封備用[11]。

真空加熱干燥:將濕法魔芋精粉放置于真空干燥箱中,真空度為0.1 MPa,溫度為70 ℃條件干燥,當精粉含水量低于15%時,結(jié)束干燥,樣品晾涼后用食品塑料袋密封備用[12]。

微波干燥:將濕法魔芋精粉平鋪于微波科學(xué)實驗爐的玻璃轉(zhuǎn)盤上,在頻率2450 MHz、輸出功率800 W條件下干燥。當精粉含水量低于15%時,結(jié)束干燥,樣品晾涼后用食品塑料袋密封備用[13]。

1.2.3 孔隙率測定 先采用置換法測定魔芋精粉真實密度,再根據(jù)真實密度和堆積密度之間的關(guān)系式計算精粉的孔隙率。置換介質(zhì)為20 ℃無水乙醇。具體操作如下:

ρp=W2ρ乙/(W1+W2-W3)

孔隙率ε的計算公式如下:

ε=(1-ρb/ρp)×100

ρb=(W2-W1)/V

式中:V為式中V為振實魔芋精粉體積,即容量瓶容積10 mL。

1.2.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察 將干燥后的魔芋精粉顆粒直接固定與載物臺上,置于PhenomTM Pure臺式掃描電鏡掃描觀察。掃描分辨率 8 μm,旋轉(zhuǎn)角度 360°,電壓5 kV,放大倍數(shù)9000。

1.2.6 色澤的測定 用樣品杯裝滿精粉顆粒樣品,尺子刮平,用SMY-2000SF色差儀測定L*、a*和b*三個亨特色空間參數(shù)。其中,L值表示樣品的亮度,取值范圍0～100,L=0表示樣品為黑色,L=100表示樣品為白色;a值表示從紅色到綠色的色澤,其中a=100表示樣品為紅色,a=-80表示樣品為綠色;b值表示從藍色到黃色的色澤,其中b=100表示樣品為黃色,b=-80表示樣品為藍色[16-17]。

1.2.7 黏度與溶脹時間的測定 量取500 mL的蒸餾水注入500 mL燒杯中,然后將燒杯放入水浴鍋,使蒸餾水保持30 ℃恒溫,用直流調(diào)速攪拌器攪拌,轉(zhuǎn)速為150 r/min。稱取5.00 g魔芋精粉緩緩加入燒杯,攪拌1 h后,用4號轉(zhuǎn)子以12 r/min的轉(zhuǎn)速進行黏度測定。測定后繼續(xù)在水浴鍋中攪拌,其后每間隔10 min中重復(fù)測定一次,直至黏度計讀數(shù)達到最大值并明顯開始下降為止。最大黏度值即為該樣品的黏度,測得最大黏度值時的攪拌時間則為樣品在30 ℃下的溶脹時間[18]。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 每個實驗重復(fù)3次,結(jié)果用平均值±標準誤差表示。實驗數(shù)據(jù)采用SPSS18.0數(shù)據(jù)分析軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 魔芋濕精粉樣品成分分析

魔芋濕精粉樣品的測定結(jié)果如表1所示。

表1 魔芋濕法精粉樣品成分分析

由表1可知,魔芋葡甘聚糖是魔芋濕精粉樣品中的主要成分,其次為濕分(即水和乙醇)。濕分約占樣品總重的40%,為了方便產(chǎn)品的運輸和貯藏,在生產(chǎn)過程中必須予以脫除。

2.2 干燥方法對魔芋精粉孔隙率的影響

干燥方法對魔芋精粉孔隙率的影響如圖1所示。

從圖1可知,不同干燥方法對魔芋精粉顆粒的孔隙率有顯著的影響(p<0.05),其中真空加熱干燥樣品的孔隙率最大,微波干燥樣品孔隙率次之,熱風(fēng)干燥樣品的孔隙率最小。

KGM主要位于魔芋的異細胞中,而魔芋精粉實際上是將異細胞與魔芋中其他成分(如纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)等物質(zhì))進行分離所得顆粒狀產(chǎn)品。魔芋濕精粉顆粒脫水干燥時,KGM失水收縮,但受KGM分子內(nèi)氫鍵、空間位阻、水分分布均勻性和存在形式(結(jié)合水或游離水)的影響,導(dǎo)致魔芋精粉顆粒脫水干燥時不同部位的收縮程度不同,形成大小和數(shù)量不同微孔。這一變化情況與脫水干燥時的操作溫度和壓強有直接關(guān)系。真空加熱干燥時,由于干燥環(huán)境中氣壓小,水的沸點低,使大量水分在異細胞內(nèi)汽化,細胞內(nèi)壓和內(nèi)外壓差增大,蒸汽沖出細胞,從而形成數(shù)量眾多的微孔。熱風(fēng)干燥時,水分主要在魔芋精粉顆粒表面汽化,細胞內(nèi)部的水分在水分梯度作用下向外轉(zhuǎn)移,逐步完成干燥過程。因此,熱風(fēng)干燥所得精粉顆粒的結(jié)構(gòu)較為致密,且孔隙率極低[17]。微波干燥內(nèi)外同時加熱,加熱速度較快,有利于異細胞內(nèi)水分的汽化,促進水分向外轉(zhuǎn)移[19-20]。但微波干燥過程中溫度不宜控制(尤其在干燥后期,顆粒內(nèi)部溫度較高)[17,21],表面殘留的淀粉和蛋白質(zhì)易受熱糊化和變性,所形成的淀粉溶膠和蛋白質(zhì)凝膠分布于細胞表面,脫水后形成薄膜,阻礙細胞內(nèi)水分向外轉(zhuǎn)移;與此同時,細胞內(nèi)的水分不斷受熱汽化,導(dǎo)致細胞內(nèi)壓力和內(nèi)外壓差逐步增大。在兩方面因素的作用下,魔芋精粉顆粒最終發(fā)生“爆裂”,產(chǎn)生一定的膨化效應(yīng)[22],使其孔隙率大于熱風(fēng)干燥樣品,但小于真空加熱干燥樣品。

圖1 干燥方法對魔芋精粉孔隙率的影響Fig.1 Effect of dry methods on porosityof wet-processing konjac powder注:圖中所標示字母不同時表示樣品指標有顯著差異(p<0.05);圖2同。

2.3 干燥方法對魔芋精粉堆積密度的影響

干燥方法對魔芋精粉堆積密度的影響如圖2所示。

圖2 干燥方法對魔芋精粉堆積密度的影響Fig.2 Effect of dry methods on packing densityof wet-processing konjac powder

從圖2可以看出,魔芋精粉顆粒的堆積密度因干燥方式而異。其中,真空加熱干燥樣品的堆積密度最小,熱風(fēng)干燥樣品的堆積密度最大。

堆積密度是裝入容器內(nèi)物料的質(zhì)量與其填充體積之比。物料的填充體積不僅包括物料本身所占有體積,還包括物料內(nèi)部孔隙所占有體積[23]。因此,魔芋精粉的堆積密度不僅與精粉的真實密度(精粉質(zhì)量與其本身所占體積之比)有關(guān),還與精粉顆粒內(nèi)部孔隙的大小有關(guān)?？諝饷芏冗h小于魔芋精粉密度,所以對單位質(zhì)量的魔芋精粉來說,顆粒內(nèi)部孔隙越大,則其堆積密度越小,從而使得不同干燥方式所得魔芋精粉的堆積密度大小與孔隙率呈負相關(guān)。

2.4 干燥方法對魔芋精粉微觀結(jié)構(gòu)的影響

干燥方法對魔芋精粉微觀結(jié)構(gòu)的影響如圖3所示。

圖3 干燥方法對魔芋精粉微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of dry methods on microscopic structureof wet-processing konjac powder different methods

從圖3可以看出,經(jīng)不同方法干燥的魔芋精粉樣品的微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的差異。真空加熱干燥的魔芋精粉較好地保持產(chǎn)品原有組織結(jié)構(gòu),其表面具有均勻、細小的微孔,這極利于精粉顆粒的吸水溶脹;熱風(fēng)干燥的精粉樣品表面雖然也具有多孔的特點,但微孔大小不一。這可能與細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻?qū)е虏煌课皇湛s程度出現(xiàn)差異有關(guān);而對微波干燥的精粉顆粒而言,其表面微孔極少,但存在清晰可見的裂紋(如圖中箭頭所示),這可能是干燥后期高溫引發(fā)的顆粒 “爆裂”所致。

2.5 干燥方法對魔芋精粉色澤的影響

干燥方法對魔芋精粉色澤的影響如表2所示。

表2 不同干燥方法對濕法魔芋精粉色澤的影響

注:
注:同一列中,所標示字母不同時表示樣品指標有顯著差異(p<0.05)。

色澤是評價魔芋精粉產(chǎn)品的一個重要指標,優(yōu)質(zhì)的魔芋精粉要求具有潔白的顏色[18]。從表2可以看出,魔芋精品干燥產(chǎn)品的亮度L*與濕精粉原料沒有明顯差異;熱風(fēng)干燥使得魔芋精粉的a*顯著高于其干燥方法產(chǎn)品和濕精粉原料;魔芋精粉干燥產(chǎn)品的紅度b*明顯高于濕精粉原料,而對不同干燥方法來說,熱風(fēng)干燥產(chǎn)品的b*又顯著高于真空加熱干燥和微波干燥,這可能是魔芋精粉顆粒表面殘留的淀粉和蛋白質(zhì)等成分在高溫下發(fā)生褐變的緣故。因此,從魔芋精粉產(chǎn)品的色澤來看,真空加熱干燥和微波干燥都有利于使魔芋精粉呈現(xiàn)良好的色澤。

2.6 干燥方法對魔芋精粉黏度和溶脹時間的影響

干燥方法對魔芋精粉黏度和溶脹時間的影響如圖4所示。

圖4 干燥方法對魔芋精粉黏度和溶脹時間的影響Fig.4 Effect of dry methods on viscosity andswelling time of wet-processing konjac powder

從圖4可以看出,真空加熱干燥魔芋精粉的黏度最大(34500 mPa·s),而溶脹時間最短(110 min);微波干燥樣品的黏度最小(26860 mPa·s)而溶脹時間最長(140 min),熱風(fēng)干燥樣品介于兩者之間(30850 mPa·s,130 min)。

魔芋精粉的溶脹是一個KGM與水分子通過氫鍵、分子偶極、瞬間偶極等作用形成大分子溶膠的過程[24]。魔芋精粉的溶脹性能高低不僅取決于KGM分子的組成,即極性成分的含量和極性大小等,而且與影響顆粒復(fù)水能力的組織結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系[23],如孔隙率(密度)大小、孔隙的結(jié)構(gòu)(貫穿型、半封閉型和封閉型)以及孔隙大小等。一般來說,在組成穩(wěn)定的情況下,物質(zhì)孔隙率越大,密度越小,物質(zhì)比表面積越大,水分在物質(zhì)內(nèi)部遷移的歷程越短,則其吸水溶脹速度越大,時間越短。真空加熱干燥的精粉顆粒細胞組織結(jié)構(gòu)保持較好,表面和內(nèi)部有大量的孔隙,顆粒吸水速度快[25],使KGM溶脹速度快,且具有較高的黏度;熱風(fēng)干燥樣品因干燥過程收縮程度比較大,組織結(jié)構(gòu)致密,使產(chǎn)品的復(fù)水比較困難,從而使得精粉顆粒溶脹速率和黏度均低于真空加熱干燥產(chǎn)品[23,26]。微波干燥的精粉產(chǎn)品有較高的孔隙率,但卻表現(xiàn)出較低的溶脹速率和黏度較低。這可能與微波干燥過程中顆粒內(nèi)部溫度較高,造成細胞組織以及KGM發(fā)生不可逆的破壞有關(guān)[23,27]。

3 結(jié)論

真空加熱干燥、熱風(fēng)干燥和微波干燥三種干燥方法對魔芋精粉的色澤、堆積密度、孔隙率、溶脹速率和黏度都有明顯的影響(p<0.05)。其中真空加熱干燥魔芋精粉顆粒顏色潔白,孔隙率最高,內(nèi)部形成的微孔數(shù)量眾多,且細小均勻,使得魔芋精粉溶脹速率高,溶膠的黏度大(34500 mPa·s),優(yōu)于其他兩種方式干燥產(chǎn)品的溶脹性,較適用于魔芋濕精粉的干燥。

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Effect of drying methods on physicochemical properties of wet-processing konjac powder

WEI Yong-hua1,2,ZHANG Dong1,XIANG Hui1,ZHANG Zhi-jian1,2,*

(1.The School of Biological Science & Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,China;2.Shaanxi Engineering Research Center for Black & Organic Foods,Hanzhong 723000,China)

The indexes of wet-processing konjac powder dried by hot-air,vacuum-heating and microwave drying including color,porosity,packing density,swelling rate,viscosity and microstructure were determined respectively in order to investigate effect of drying methods on physicochemical properties of wet-processing konjac powder in this paper. The results showed that differences of physicochemical properties were significant for konjac powder dried by different method(p<0.05). The konjac powder dried by vacuum-heating drying was white color,and had the highest swelling rate and viscosity(34500 mPa·s)owing to more homogeneous and finer porosity by comparison to those dried by hot-air drying and microwave drying. Thus,vacuum-heating drying could be a recommendable method for wet-processing konjac production.

drying method;wet-processing konjac powder;physicochemical properties

2014-10-27

衛(wèi)永華(1983-)，男，博士，副教授，主要從事食品科學(xué)與加工研究, E-mail:weiyonghua1983@126.com。

*通訊作者:張志健(1961-) ，男，本科，教授，研究方向:食品科學(xué)與資源開發(fā)， E-mail:zzj071030@126.com。

2013年度陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目(2013JC01)。

TS205.1

B

1002-0306(2015)15-0248-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.043