基于氣味檢測的西芹莖熱風(fēng)微波耦合干燥控制

劉 旭 宋春芳,2

(1. 江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

西芹(ApiumgraveolensLinn.)是一種傘形科屬植物，營養(yǎng)價(jià)值高，富含蛋白質(zhì)、碳水化合物、礦物質(zhì)和維生素，因具有強(qiáng)烈的香氣被用作食品調(diào)味料[1]。由于西芹水分含量較高，儲存和運(yùn)輸過程中易發(fā)生變質(zhì)，而傳統(tǒng)方法干燥后西芹特有的風(fēng)味會受損，大大限制了其應(yīng)用范圍。

熱風(fēng)微波耦合干燥作為一種較新的干燥方法，將微波和熱風(fēng)同時(shí)作用于物料，由微波將物料內(nèi)部水分排到表面再由熱風(fēng)將表面水分蒸發(fā)，與傳統(tǒng)的熱風(fēng)干燥相比可以加快干燥速率。但固定微波功率干燥因升溫快容易造成物料焦糊導(dǎo)致干燥質(zhì)量較差，而在干燥過程中通過溫度控制微波功率可以有效避免此種情況的發(fā)生[2]。

Bindler等[3-4]利用GC-MS或電子鼻研究了不同干燥條件對各物料揮發(fā)性成分以及特征香氣的影響。Bi等[5]研究發(fā)現(xiàn)，熱風(fēng)干燥脫水處理會使哈密瓜樣品產(chǎn)生大量酮類物質(zhì)，并顯著改變其原有風(fēng)味。Kiani等[6]分析了電子鼻監(jiān)測薄荷葉干燥的有效性和可行性，干燥材料的最終質(zhì)量得到了有效改善，干燥時(shí)間減少且能源成本降低。

目前，有關(guān)西芹及西芹油的風(fēng)味物質(zhì)研究較多[7]，但尚未有關(guān)西芹干制品的風(fēng)味及干燥過程中西芹揮發(fā)性成分的檢測與控制和將電子鼻應(yīng)用于熱風(fēng)微波耦合干燥中實(shí)現(xiàn)在線氣味反饋控制的研究。研究擬基于干燥過程溫度、含水率、揮發(fā)性氣味的在線檢測，探索不同干燥方式下干燥過程的品質(zhì)和氣味變化規(guī)律，設(shè)計(jì)一種基于揮發(fā)性物質(zhì)檢測的復(fù)合控制策略，使干燥過程朝著保留更多風(fēng)味物質(zhì)的方向進(jìn)行，以得到高風(fēng)味西芹莖干制品。

1 材料及方法

1.1 材料與儀器設(shè)備

1.1.1 材料

新鮮西芹：選擇顏色和形狀均勻且直徑為(9.0±0.5) mm 的芹菜莖，將其切成厚度為(5.0±0.1) mm的薄片，測得西芹莖初始含水率為(95.19±0.15)%，市售。

1.1.2 儀器與設(shè)備

熱風(fēng)微波耦合干燥系統(tǒng)：主要由熱風(fēng)干燥單元、微波干燥單元、溫度檢測單元、含水率檢測單元、氣味檢測單元及PC控制單元組成(見圖1)，自行改裝；

圖1 試驗(yàn)設(shè)備原理圖[8]

熱風(fēng)槍：GD850型，廣東高迪電子電器廠；

微波爐：MM720KG1-PW型，廣州美的集團(tuán)；

光纖傳感器：Lumaprobe DP型，西安和其光電有限公司；

電子秤：ES5000型，天津市德安特傳感計(jì)數(shù)有限公司；

電子鼻：PEN3型，德國Airsense公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 固定溫度干燥 稱量5組試驗(yàn)材料，每組(20.0±0.5) g，選擇一組作為新鮮樣品標(biāo)準(zhǔn)樣，其他4組于50，60，70，80 ℃下采用熱風(fēng)微波耦合恒溫干燥，當(dāng)濕基含水率降至10%時(shí)，停止干燥。每次干燥過程中實(shí)時(shí)測量并記錄電子鼻響應(yīng)值、含水率、溫度變化。

1.2.2 復(fù)合控制干燥 基于固定溫度的揮發(fā)性物質(zhì)變化規(guī)律，設(shè)計(jì)復(fù)合控制策略。干燥開始前，先讀取10個(gè)傳感器的值，若所有傳感器表面足夠清潔(響應(yīng)值≤2)則進(jìn)行干燥，否則清洗直至達(dá)到要求。傳感器2響應(yīng)值被用于判斷是否發(fā)生焦糊，若傳感器2的響應(yīng)值>5(Sensor 2>5)則暫停干燥以降溫。使用模糊邏輯控制結(jié)合比例積分微分(PID)控制，將傳感器7和傳感器9的響應(yīng)值作為輸入對溫度進(jìn)行調(diào)控，如果干燥過程中傳感器7和傳感器9響應(yīng)值均在設(shè)定范圍內(nèi)(Sensor 7≤8，Sensor 9≤7)，則保持當(dāng)前溫度值進(jìn)行干燥，否則進(jìn)行升溫或者降溫使傳感器恢復(fù)至設(shè)定狀態(tài)，此時(shí)完成一次控溫的調(diào)節(jié)，以此保證加工過程中萜烯類物質(zhì)及芳香化合物含量較高的基礎(chǔ)上提升干燥品質(zhì)并加快干燥速率，循環(huán)至西芹莖濕基含水率<10%時(shí)干燥結(jié)束，其具體控制策略見圖2。

圖2 控制策略流程圖

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 電子鼻數(shù)據(jù) 電子鼻采樣使用頂空吸氣法，測定條件：傳感器清洗60 s、歸零10 s、采樣60 s，進(jìn)樣氣流300 mL/min。完成一次檢測后進(jìn)行清零和標(biāo)準(zhǔn)化，響應(yīng)值恢復(fù)至初始值開始下一次采樣。采用Winmuster處理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。電子鼻傳感器具體型號及敏感氣體類型見表1，響應(yīng)值越高說明其對應(yīng)的敏感氣體類型含量越高。

表1 電子鼻10個(gè)傳感器具體參數(shù)

1.3.2 揮發(fā)性物質(zhì)成分 采用頂空固相微萃取結(jié)合GC-MS分析方法[9]。

1.3.3 含水率及干燥速率 按GB 5009.3—2016執(zhí)行，并按式(1)、式(2)分別計(jì)算西芹莖干基含水率和濕基含水率[10]。

(1)

(2)

式中：

wd——西芹莖干基含水率，%；

ww——西芹莖濕基含水率，%；

mt——西芹莖的實(shí)時(shí)重量，g；

ms——西芹莖的干物質(zhì)重量，g。

按式(3)計(jì)算西芹莖的干燥速率(Dr)[11]。

(3)

式中：

t1、t2——干燥時(shí)間，min；

wd1、wd2——t1、t2時(shí)刻對應(yīng)的干基含水率，%；

Dr——t1—t2的干燥速率，%/min。

1.3.4 復(fù)水性 參照Artnaseaw等[12-13]的方法并修改，取10 g西芹莖干制品浸入75 ℃水中10 min，以質(zhì)量比的形式測量復(fù)水率，用吸水紙擦干西芹莖表面水分，稱量復(fù)水前后西芹莖質(zhì)量，按式(4)計(jì)算西芹莖復(fù)水率。

(4)

式中：

Rr——西芹莖復(fù)水率；

Mh——復(fù)水后樣品重量，g；

Mi——復(fù)水前樣品初始重量，g。

1.3.5 體積收縮率 采用排水法，并按式(5)計(jì)算體積收縮率。

(5)

式中：

Sh——體積收縮率；

V0——西芹莖初始體積，cm3；

V——西芹莖干燥后體積，cm3。

1.3.6 色差值 使用便攜式色差儀直接讀取，按式(6)計(jì)算色差值。

(6)

式中：

ΔE——色差值；

L——亮度值；

a——紅綠值；

b——黃藍(lán)值。

1.3.7 能耗 使用多功能電度表直接測量。

1.3.8 感官評定 參照Li等[14]的方法。選取10名經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)的食品專業(yè)人員，于室溫及熒光燈下對西芹莖干后的色澤、形態(tài)和香味進(jìn)行評定打分，各項(xiàng)指標(biāo)最高分10分，8～10分為滿意，7～8分為良好，5～6分為合格，3～4分為較差，1～2分為不滿意。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用IBM SPSS Statistics 26及Origin 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 揮發(fā)性物質(zhì)變化

2.1.1 恒溫干燥 由圖3可知，傳感器1、3、4、8、10的響應(yīng)值均趨近1，表明干燥過程中未產(chǎn)生或產(chǎn)生極少的與傳感器相對應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。傳感器2對應(yīng)的氮氧化合物總是在發(fā)生焦糊和美拉德反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生，而焦糊和美拉德反應(yīng)總會影響干制品的風(fēng)味及口感，干燥過程中應(yīng)盡量避免此現(xiàn)象的發(fā)生，因此選定傳感器2作為判斷是否發(fā)生焦糊和美拉德反應(yīng)的標(biāo)志應(yīng)用于下階段的復(fù)合控制中。

圖3 固定溫度干燥傳感器響應(yīng)值雷達(dá)圖

恒溫干燥過程中，傳感器7(硫化物、萜烯類)和傳感器9(有機(jī)硫化物、芳香化合物)的響應(yīng)值最為顯著，且揮發(fā)性成分含量均與溫度呈正比，溫度的升高促進(jìn)了西芹莖中揮發(fā)性成分的散失。當(dāng)干燥溫度為80 ℃時(shí)，傳感器7和傳感器9的響應(yīng)值分別達(dá)到了15.338和11.895，表明萜烯和硫化物是西芹主要的揮發(fā)性成分，且兩個(gè)傳感器對應(yīng)化合物含量變化在西芹莖切片干燥過程中較易被監(jiān)測。干燥溫度越高，西芹莖的風(fēng)味損耗越大，反之降溫能夠保留更多的揮發(fā)性物質(zhì)。故選擇傳感器2、7、9用于復(fù)合控制。

2.1.2 復(fù)合控制干燥 由圖4可知，傳感器7、9的最大響應(yīng)值分別為10.454，8.070，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固定溫度干燥的最大值(16.098，13.884)，說明萜烯類物質(zhì)、芳香化合物類物質(zhì)的揮發(fā)得到了有效抑制。干燥過程中傳感器7的響應(yīng)值在8上下波動，傳感器9的響應(yīng)值在7附近，對應(yīng)物質(zhì)揮發(fā)量均保持在一定范圍內(nèi)，但干燥后期復(fù)合控制下的傳感器9的響應(yīng)值高于恒溫干燥，造成了一定的揮發(fā)性物質(zhì)損失，其原因可能是干燥后期為了加快干燥速率提升了干燥溫度，而升溫則會增加揮發(fā)物質(zhì)的散失。

圖4 干燥過程中傳感器7和傳感器9的響應(yīng)值變化

2.1.3 GC-MS分析 由表2可知，烯烴類和酯類物質(zhì)是新鮮樣揮發(fā)性物質(zhì)中成分含量最高的兩種物質(zhì)，可以將其作為西芹風(fēng)味物質(zhì)典型成分。不同干燥方式對烯烴類和酯類含量產(chǎn)生不同程度的影響，其中復(fù)合控制得到的干制品的烯烴類和酯類含量均高于恒溫干燥的。酯類物質(zhì)隨干燥溫度升高含量降低，而烯烴類物質(zhì)變化略復(fù)雜(先降低后升高)，其原因可能是新鮮西芹中原有的烯烴類物質(zhì)揮發(fā)后，溫度的升高促成了新的烯烴類物質(zhì)的生成，與Kwasnica等[15]的結(jié)論一致。綜上，復(fù)合控制保留的揮發(fā)性物質(zhì)更多，干制品保留的風(fēng)味也更好。

表2 不同干燥方式下各類揮發(fā)性物質(zhì)含量?

2.2 干燥速率與干燥特性

由圖5可知，西芹莖的濕基含水率隨干燥時(shí)間的增加而降低，溫度越高干燥所需時(shí)間越短，水分降低越快。當(dāng)干燥溫度為50，60，70，80 ℃時(shí)，干燥時(shí)間分別為144，88，63，40 min。一定溫度范圍內(nèi)，干燥溫度越高，物料和環(huán)境(熱風(fēng))之間的溫差越大，越有利于物料中水分的蒸發(fā)，干燥速率也越大。

圖5 西芹莖的干燥特性和干燥速率

不同干燥溫度下西芹莖干燥過程均以降速干燥階段為主，可能是因?yàn)楦稍锍跗跍囟容^高，西芹莖表面和內(nèi)部的水分快速蒸發(fā)，使干燥速率上升至峰值，隨著自由水含量降低以及其結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變形，干燥過程中傳熱傳質(zhì)受到阻礙，干燥速率逐漸下降直至干燥結(jié)束。復(fù)合控制下的濕基含水率和干燥速率均在干燥溫度為60～70 ℃的干燥曲線間波動。由于干燥過程中揮發(fā)性物質(zhì)含量變化導(dǎo)致不斷調(diào)控溫度，干燥速率呈4個(gè)變化階段：先上升后下降，再上升后下降，干燥初期迅速升溫提升干燥速率，在揮發(fā)性物質(zhì)含量急劇增加后降溫以保留更多的揮發(fā)性成分，干燥后期揮發(fā)性物質(zhì)散失減少再升溫加快干燥。說明可以在較大區(qū)間內(nèi)調(diào)控溫度，在保證干燥速率的同時(shí)降低傳感器的響應(yīng)值即減少揮發(fā)性物質(zhì)的散失。

2.3 干燥品質(zhì)

由表6可知，復(fù)合控制得到的西芹莖體積收縮率為(0.568±0.040)，低于4個(gè)恒溫干燥的。恒溫干燥80 ℃下得到的西芹莖的復(fù)水率最高為(2.29±0.09)，其原因可能是較高的溫度和最短的干燥時(shí)間改變了西芹莖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而促進(jìn)了復(fù)水[16]，復(fù)合控制得到的復(fù)水率為(2.038±0.140)，僅低于80 ℃恒溫干燥的。80 ℃恒溫干燥的能耗最少(0.633 kW·h)，其干燥溫度高干燥速率快從而干燥時(shí)間最短；復(fù)合控制的能耗(1.06 kW·h)略高于70 ℃恒溫干燥的(0.997 kW·h)，低于50 ℃和60 ℃恒溫干燥的。

表6 西芹莖的體積收縮率、復(fù)水率、能耗、色差與感官評價(jià)

復(fù)合控制得到的西芹莖色差為(16.313±1.745)，優(yōu)于4個(gè)恒溫干燥的，其原因可能是復(fù)合控制一定程度上抑制了干燥過程中的褐變和美拉德反應(yīng)[17]。復(fù)合控制得到的西芹莖感官評分最高為28.9，優(yōu)于其他干燥方式，原因是復(fù)合控制在抑制褐變的基礎(chǔ)上保留了西芹更多的揮發(fā)性物質(zhì)，在保證品質(zhì)的前提下相對縮短了干燥時(shí)間，得到了品質(zhì)更好的干制品。綜上，復(fù)合控制方式的干燥效果最優(yōu)，更適合生產(chǎn)高品質(zhì)西芹莖。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于氣味檢測的西芹莖熱風(fēng)微波耦合干燥系統(tǒng)。結(jié)果表明，相較于恒溫干燥，添加了在線氣味檢測的復(fù)合控制干燥顯著降低了電子鼻傳感器的響應(yīng)值，西芹特征氣味中含量最豐富的烯烴類和酯類物質(zhì)保留得最多，同時(shí)在干燥速率和干后品質(zhì)之間取得了良好的平衡，得到了色差和感官評價(jià)最優(yōu)的西芹莖。后續(xù)可根據(jù)復(fù)合控制中揮發(fā)性物質(zhì)變化規(guī)律將其簡化為不依賴于電子鼻的線性控溫干燥，使其更適用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。