低溫等離子體預(yù)處理對(duì)馬鈴薯薄層熱風(fēng)干燥特性的影響

李 帥，趙巖巖，曾英男，谷 雨

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林 吉林 132101；2.河南科技學(xué)院食品學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

馬鈴薯與麥、稻、玉米、高粱并稱世界五大糧食作物[1]，富含蛋白質(zhì)、維生素、碳水化合物及微量元素等多種營養(yǎng)物質(zhì)，是重要的糧食、蔬菜、飼料兼用食品原料和工業(yè)原料作物，是目前我國最有發(fā)展前景的高產(chǎn)經(jīng)濟(jì)作物之一[2]。新收獲的馬鈴薯含水率較高，呼吸作用旺盛，易腐敗變質(zhì)，嚴(yán)重影響馬鈴薯品質(zhì)，難于儲(chǔ)存[3]。干燥是馬鈴薯主要的加工方法之一，干燥可以減少馬鈴薯水分，延長儲(chǔ)藏期，增加附加值[2]。

薄層干燥是指干燥物料層表面完全暴露在相同環(huán)境條件下的一種氣流干燥[4]，是研究深床干燥的基礎(chǔ)，也是目前研究谷物干燥特性及確定工藝參數(shù)的基本試驗(yàn)方法[5]。熱風(fēng)干燥是通過熱空氣自然或強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)使被干燥物料表面水分汽化為水蒸氣，擴(kuò)散到空氣中的一種干燥方式[6?7]，是目前我國廣泛應(yīng)用的一種干燥技術(shù)，其操作簡單、設(shè)備成本低、應(yīng)用廣泛，但存在干燥效率低、干燥時(shí)間長及營養(yǎng)價(jià)值損失等缺點(diǎn)[8?11]。因此，研究開發(fā)新型高效的干燥技術(shù)具有重要意義。

等離子體表面處理技術(shù)是通過對(duì)氣體施加足夠的能量使之離化為等離子狀態(tài)。該技術(shù)具有工作效率高、環(huán)保和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在材料科學(xué)、食品工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12]。Bormashenko等[13?14]研究發(fā)現(xiàn)扁豆和小麥經(jīng)過冷等離子體處理后，表面接觸角顯著降低，潤濕性改變，易于吸收水分及營養(yǎng)物質(zhì)。Sera等[15]觀察到小麥和燕麥經(jīng)過等離子體處理后，等離子體中活性物質(zhì)可穿過種子內(nèi)部的多孔種皮，與種子細(xì)胞反應(yīng)，加速其幼根的生長。童家赟[16]研究發(fā)現(xiàn)空氣等離子體可改變穿心蓮種皮的通透性，在處理電壓為5.95 kV，處理時(shí)間為10 s的條件下，等離子體處理促進(jìn)了穿心蓮種子的萌發(fā)。Zhang等[17]研究發(fā)現(xiàn)冷等離子體預(yù)處理可在辣椒表面形成微孔，促進(jìn)水分?jǐn)U散，提高干燥速率。Zhou等[18]采用低溫等離子體處理枸杞，結(jié)果表明，等離子體預(yù)處理可有效縮短50%的干燥時(shí)間，同時(shí)使干枸杞的復(fù)水率提高了7%～16%。Shen[19]考察了等離子處理對(duì)淀粉顆粒的影響，研究發(fā)現(xiàn)等離子體處理對(duì)顆粒表面造成一定程度的刻蝕，顯著降低了淀粉的溶脹力和糊化粘度。Loureiro等[20]研究發(fā)現(xiàn)采用低溫等離子體預(yù)處理天竺葵有利于提高其干燥速率，減少干燥時(shí)間。Bao等[21]研究發(fā)現(xiàn)冷等離子體預(yù)處理可顯著改變棗片的表面形貌，將處理后的棗片后進(jìn)行熱風(fēng)干燥，其水分?jǐn)U散系數(shù)增大，干燥速度增加。

因此，本文將等離子體技術(shù)應(yīng)用于馬鈴薯干燥領(lǐng)域中，采用低溫等離子體對(duì)馬鈴薯預(yù)處理后進(jìn)行薄層熱風(fēng)干燥，研究了等離子體預(yù)處理功率、預(yù)處理時(shí)間和熱風(fēng)溫度對(duì)鮮切馬鈴薯干燥過程的影響，計(jì)算了馬鈴薯干燥過程的水分有效擴(kuò)散系數(shù)，考察低溫等離子體預(yù)處理對(duì)馬鈴薯熱風(fēng)干燥特性的影響。為馬鈴薯高效干燥預(yù)處理技術(shù)的研究提供新的參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

供試材料為大西洋馬鈴薯 購買于吉林省吉林市大潤發(fā)超市，體積基本一致、無機(jī)械損傷、青綠和腐爛。鮮馬鈴薯的平均含水率為3.48 g/g（干基），4 ℃貯存。

JA 10002電子天平 上海精天電子儀器有限公司；DHG-9125A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司；Tseto410-2多功能風(fēng)速儀 德圖儀器國際貿(mào)易有限公司；JM 20溫度傳感器 今明儀器有限公司；HZK-110分析天平 福州華志科學(xué)儀器有限公司；SY-DT02S低溫等離子體處理儀 蘇州等離子體科技有限公司（圖1）；多參數(shù)調(diào)控谷物薄層干燥試驗(yàn)臺(tái) 長春吉大科學(xué)儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 操作步驟 將馬鈴薯去皮切?。?0 mm×10 mm×10 mm），洗去表面淀粉，過篩濾掉較小顆粒，瀝水后取900 g置于低溫等離子處理儀中進(jìn)行等離子體預(yù)處理，將處理后的馬鈴薯丁分3組，放入薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，在相對(duì)濕度55%±5%，介質(zhì)表觀風(fēng)速1.0 m/s的條件下進(jìn)行熱風(fēng)干燥，結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取等離子體預(yù)處理時(shí)間（20、30、40、50、60 s）；等離子體預(yù)處理功率（100、200、300、400、500 W）；干燥溫度（50、70、90 ℃）對(duì)馬鈴薯干燥速率的影響。當(dāng)對(duì)其中一個(gè)因素進(jìn)行研究時(shí)，其余各因素分別固定為干燥溫度70 ℃、等離子體預(yù)處理功率300 W、等離子體預(yù)處理時(shí)間30 s。

1.2.2 含水率的測定 取潔凈鋁制稱量瓶干燥至恒重。稱取2～10 g試樣，放入稱量瓶中，加蓋，精密稱量后，置101～105 ℃干燥箱中，干燥2 h，冷卻稱重。再放入101～105 ℃干燥箱中干燥1 h左右，取出，冷卻0.5 h稱量[22]。

1.2.3 干基含水率的計(jì)算 不同干燥時(shí)間的馬鈴薯的干基含水率按式（1）計(jì)算[23]。

式中：mt為t時(shí)刻馬鈴薯質(zhì)量，g；mg為馬鈴薯干物質(zhì)質(zhì)量，g；m0為馬鈴薯初始質(zhì)量，g；W0為馬鈴薯的初始干基含水率，g/g。

1.2.4 干燥速率（Drying rate，DR）的計(jì)算 干燥速率能反映出干燥時(shí)間、干燥水分含量和干燥速率之間的關(guān)系，是研究物料干燥特性的一個(gè)重要參數(shù)，按式（2）計(jì)算[24]。

式中：Mt1為t1時(shí)刻的干基含水率，g/g；Mt2為t2時(shí)刻的干基含水率，g/g。

1.2.5 水分有效擴(kuò)散系數(shù)（Effective moisture diffusivity，Deff）的計(jì)算 干燥過程中物料的水分?jǐn)U散包含毛細(xì)管流動(dòng)、克努森流動(dòng)、分子擴(kuò)散、水動(dòng)力流動(dòng)或表面擴(kuò)散現(xiàn)象[25]。水分在物料中的擴(kuò)散和傳遞速率的大小，一般用水分有效擴(kuò)散系數(shù)來表示。在干燥過程中擴(kuò)散系數(shù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的量，可以通過簡化的菲克（Fick）第二定律計(jì)算得到。假設(shè)物料中的水分遷移以擴(kuò)散為主，初始水分分布均勻且水分?jǐn)U散系數(shù)在整個(gè)干燥過程中恒定，其水分?jǐn)U散系數(shù)按式（3）計(jì)算[26?28]。

式中：MR為水分比；M0為初始干基含水率，%；Mt為t時(shí)刻物料的干基含水率，%；Me為物料平衡干基含水率，%；L為薄層干燥物料厚度，m；D為擴(kuò)散系數(shù)，m2·s?1；n為正整數(shù)；t為干燥時(shí)間，s。

假定馬鈴薯中的水分遷移以擴(kuò)散為主，初始水分分布與水分?jǐn)U散系數(shù)在整個(gè)干燥過程中恒定，忽略收縮和表面的傳質(zhì)阻力，但恒定水分?jǐn)U散系數(shù)的假設(shè)忽略了結(jié)構(gòu)收縮對(duì)干燥過程中干燥特性的影響。因此，本文采用斜率法計(jì)算水分有效擴(kuò)散系數(shù)，通過測定值（dMR/dt）和理論值（dMR/dF0）之比獲得曲線斜率，按式（4）計(jì)算[29]。

式中：Deff為水分有效擴(kuò)散系數(shù)，m2·s?1；F0為傅里葉數(shù)，F(xiàn)0=Deff·t/r2；L為薄層干燥物料半徑，m。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 9.0和SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析，對(duì)其進(jìn)行雙變量的線性相關(guān)分析，P<0.05顯著線性相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子體預(yù)處理時(shí)間對(duì)馬鈴薯熱風(fēng)干燥特性的影響

由圖2可知，等離子體預(yù)處理可有效縮短馬鈴薯粒的干燥時(shí)間，隨著等離子體預(yù)處理時(shí)間的增加，干燥時(shí)間先減小后增大。對(duì)照組干燥時(shí)間為1.75 h，等離子體處理時(shí)間為30 s時(shí)，干燥時(shí)間最短為1.25 h，較對(duì)照組縮短了28.57%。過長時(shí)間的等離子體處理導(dǎo)致馬鈴薯表面細(xì)胞壁的破壞和細(xì)胞結(jié)構(gòu)坍塌，阻礙了內(nèi)部水分的擴(kuò)散。因此，較長的預(yù)處理時(shí)間并沒有進(jìn)一步縮短馬鈴薯的干燥時(shí)間。這與Zhang等[17]采用射頻等離子體處理青椒干燥的試驗(yàn)結(jié)果相一致。

由圖3可知，干燥前期干燥速率增大，后期干燥速率反而減小。同時(shí)，等離子處理組較對(duì)照組干燥速率大，等離子體處理時(shí)間為30 s時(shí)，干燥速率最大，而后隨著處理時(shí)間的延長，干燥速率逐漸降低。這是因?yàn)楦稍锴捌诟稍锼俾试娇?，表面結(jié)殼現(xiàn)象越嚴(yán)重，從而使干燥后期水分遷移的阻力越大，內(nèi)部水分來不及擴(kuò)散到馬鈴薯表面進(jìn)行汽化導(dǎo)致的[2]。

2.2 等離子體預(yù)處理功率對(duì)馬鈴薯熱風(fēng)干燥特性的影響

由圖4可知，等離子體預(yù)處理可有效縮短馬鈴薯的干燥時(shí)間，且隨著處理功率的增大干燥時(shí)間縮短。處理組干燥速率高于對(duì)照組，這是由于等離子體產(chǎn)生的高能粒子不斷轟擊馬鈴薯表面，對(duì)表面產(chǎn)生一定程度的刻蝕作用[30]。較高的等離子體預(yù)處理功率使得表面刻蝕程度加劇，使其變的凹凸不平，增大了表面積和表面自由能，降低了水分遷移的阻力，縮短了水分遷移的路徑，使水分更容易擴(kuò)散，從而縮短了干燥時(shí)間[31]。

由圖5可知，干燥速率隨著預(yù)處理時(shí)間的延長先增大后減小。同時(shí)，等離子處理組較對(duì)照組干燥速率大，等離子體處理功率越大，干燥時(shí)間越短。這是由于處理功率的增大，等離子體中高能粒子能量增大，轟擊玉米表面的粒子流量密度和活性基團(tuán)數(shù)量也隨之增加，各向異性反應(yīng)離子刻蝕增強(qiáng)，使馬鈴薯表面發(fā)生了更加強(qiáng)烈和密集的刻蝕效應(yīng)[30]。

2.3 干燥溫度對(duì)馬鈴薯熱風(fēng)干燥特性的影響

由圖6可知，當(dāng)干燥溫度為50 、70 和90 ℃時(shí)對(duì)照組馬鈴薯干燥時(shí)間分別為3.25、1.75和1.25 h；等離子體預(yù)處理組的干燥時(shí)間分別為2.5、1.25和1.25 h。與對(duì)照組相比，預(yù)處理組的干燥時(shí)間分別縮短了23.08%、28.57%和0。由此可見，等離子體預(yù)處理在馬鈴薯70 ℃時(shí)效果更為明顯，當(dāng)溫度達(dá)90 ℃處理效果不明顯。

由圖7可知，當(dāng)?shù)入x子體預(yù)處理時(shí)間和功率處于恒定時(shí)，隨著干燥溫度的升高，馬鈴薯干燥時(shí)間縮短。這是由于溫度越高，提供給馬鈴薯的能量越多，傳熱傳質(zhì)效率越高，加速了內(nèi)部水分子的運(yùn)動(dòng)速度，使水分子脫離馬鈴薯進(jìn)入到干燥介質(zhì)的速度加快，干燥的速率越大，干燥的時(shí)間也就越短[32]。干燥初期，馬鈴薯含水率較高，表面和干燥介質(zhì)之間蒸汽壓力梯度較大，且表面水分?jǐn)U散路徑短，脫離速度較快[33]。通過計(jì)算，可得熱風(fēng)溫度和干燥時(shí)間顯著線性相關(guān)。因此，表層水分先蒸發(fā)到干燥介質(zhì)中。隨著干燥的進(jìn)行，表層和干燥介質(zhì)之間的蒸汽壓力梯度不斷降低，水分轉(zhuǎn)為由內(nèi)部向表層遷移，遷移路徑增長，阻力增大，導(dǎo)致干燥速率變緩[34]。

2.4 各因素對(duì)水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響

由表1可知，不同等離子體預(yù)處理時(shí)間條件下，馬鈴薯熱風(fēng)干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)在5.905×10?11～9.425×10?11m2/s之間，且等離子體預(yù)處理后的馬鈴薯水分有效擴(kuò)散系數(shù)均高于對(duì)照組。隨著等離子體處理時(shí)間的延長，水分有效擴(kuò)散系數(shù)先增大后減小，這是由于在濕度與氣流速度相同的情況下，經(jīng)過等離子體對(duì)馬鈴薯表面刻蝕，表面水分蒸發(fā)加快，表層含水率降低，含水率梯度增大，水分?jǐn)U散速度加快[33]，這與Li等[35]采用低溫等離子體處理玉米籽粒試驗(yàn)結(jié)果相一致。

表1 等離子預(yù)處理對(duì)水分有效擴(kuò)散系數(shù)的影響Table 1 The effect of plasma pretreatment on the effective diffusion coefficient of water

不同等離子體預(yù)處理功率條件下，馬鈴薯熱風(fēng)干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)在5.905×10?11～11.868×10?11m2/s之間，隨著等離子體預(yù)處理功率的增加，水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大，這是由于等離子體預(yù)處理在馬鈴薯表面產(chǎn)生刻蝕，形成微孔，隨著等離子體預(yù)處理功率的增加，馬鈴薯表面破壞增大，凹陷與裂縫加深且更為密集。這與Thirumdas[32]研究結(jié)果相結(jié)一致，其采用射頻低溫等離子體預(yù)處理對(duì)印度香米表面進(jìn)行處理，通過掃描電子顯微鏡觀察處理后的香米表面，結(jié)果顯示處理后的香米表面產(chǎn)生裂縫和凹陷，使其吸水速度加快，烹飪時(shí)間縮短。

不同干燥溫度條件下，馬鈴薯熱風(fēng)干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)在3.785×10?11～9.530×10?11m2/s之間，馬鈴薯水分有效擴(kuò)散系數(shù)隨著干燥溫度的升高而增大，且70 ℃時(shí)，等離子體預(yù)處理后干燥效果最佳。這是由于干燥溫度升高，馬鈴薯內(nèi)部溫度梯度增大，水分子脫離馬鈴薯表面進(jìn)入到干燥介質(zhì)中的速度加快，水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大[33]。

3 結(jié)論

熱風(fēng)干燥過程中，不同等離子體預(yù)處理功率條件下，馬鈴薯的水分有效擴(kuò)散系數(shù)在5.905×10?11～11.868×10?11m2/s之間，隨著等離子體預(yù)處理功率的增加，水分有效擴(kuò)散系數(shù)增大；不同等離子體預(yù)處理時(shí)間條件下，水分有效擴(kuò)散系數(shù)在5.905×10?11～9.425×10?11m2/s之間，隨等離子體處理時(shí)間的延長，水分有效擴(kuò)散系數(shù)先增大后減?。徊煌稍餃囟葪l件下，水分有效擴(kuò)散系數(shù)在3.785×10?11～9.530×10?11m2/s之間，隨干燥溫度的升高而增大。因此，采用低溫等離子體技術(shù)對(duì)鮮切馬鈴薯進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的馬鈴薯熱風(fēng)干燥，有效提高了干燥速率，縮短了干燥時(shí)間。