基于品质和能耗的杏鲍菇微波真空干燥工艺参数优化.pdf
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1、第 30 卷 第 3 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.3 2014 年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb.2014 277 基于品质和能耗的杏鲍菇微波真空干燥工艺参数优化 陈健凯1,2,林河通1,3,林艺芬1,3,李 辉1,4,王志艳1,3(1.福建农林大学食品科学学院,福州 350002;2.漳州职业技术学院食品与生物工程系,漳州 363000;3.福建农林大学农产品产后技术研究所,福州 350002;4.闽南师范大学生物科学与技术系,漳州 363000)摘 要:为了
2、提高杏鲍菇干制产品品质,降低干燥能耗,该文应用微波真空技术干燥杏鲍菇。采用三元二次回归旋转组合设计方法进行工艺参数优化试验,考察分析微波强度(X1)、物料厚度(X2)、腔体绝对压力(X3)因素对品质指标色差(Y1)、复水比(Y2)、氨基酸含量(Y3)和单位能耗(Y4)的影响及因子间交互作用对指标的影响;采用线性加权法,将多目标综合优化,确定干燥工艺的最优参数组合。结果表明:微波强度、物料厚度、腔体绝对压力对试验指标色差、复水比、氨基酸含量、单位能耗影响显著,物料厚度是影响色差的主要因素,物料厚度小于 2 cm 时,产品色泽较差;腔体绝对压力是影响复水比和氨基酸含量的主要因素,较小的腔体绝对压力
3、有利于产品复水和减少氨基酸损失;微波强度是影响单位能耗的主要因素,高的微波强度,能耗较高,高的微波强度与较小的腔体绝对压力组合时,干燥能耗更高;杏鲍菇微波真空干燥高品质低能耗的最优工艺参数组合为微波强度12.5 kW/kg、物料厚度 2.4 cm、腔体绝对压力 18 kPa,此条件下干燥的产品品质优良,色泽洁白,色差 L 为 78,复水性好,复水比为 1.58,氨基酸破坏少,其值为 473.1 mg/100 g,单位能耗较低,为 9.3 kJ/kg。关键词:食用菌;干燥;优化;杏鲍菇;微波真空干燥;品质;能耗;参数 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.03.03
4、7 中图分类号:TS255.3 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2014)-03-0277-08 陈健凯,林河通,林艺芬,等.基于品质和能耗的杏鲍菇微波真空干燥工艺参数优化J.农业工程学报,2014,30(3):277284.Chen Jiankai,Lin Hetong,Lin Yifen,et al.Optimized technology of Pleurotus eryngii by microwave-vacuum drying based on quality and energy consumptionJ.Transactions of the Chinese So
5、ciety of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(3):277284.(in Chinese with English abstract)0 引 言 杏鲍菇(Pleurotus eryngii),味道鲜美,营养丰富,蛋白质含量高1,是中国食用菌家族中的新宠,近几年,杏鲍菇产量剧增。由于杏鲍菇湿基含水率达 88%92%,采后保鲜加工成为杏鲍菇产业发展急待解决的问题,而干制是延长其货架供应期的重要措施之一。热风干燥是较常规的传统干制方法,其优点是物料处理量大,设备成本及操作费用低,但由于干燥时间长,干燥温度高,易
6、造成产品的品质差,能耗高。微波真空干燥技术结合真空干 收稿日期:2013-04-08 修订日期:2014-01-07 基金项目:国家科技支撑计划项目(2007BAD07B06)、福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划项目(闽教科200720 号)、福建省教育厅科技项目(JB10236)和福建省漳州市自然科学基金项目(ZZ2012J07)资助。作者简介:陈健凯(1969),女,广东潮阳人,副教授。研究方向为现代农产品加工技术。福建省漳州市马鞍山路 1 号,漳州职业技术学院食品与生物工程系,363000。Email: 通信作者:林河通(1967),男,福建安溪人,博士,教授,博士生导师,中国农业工程
7、学会高级会员(E041200208S),研究方向为农产品加工及贮藏工程。福州市金山 福建农林大学食品科学学院,350002。Email: 燥和微波干燥的优势,是在真空条件下对物料进行微波加热而达到脱水目的,具有高效低温的特点2-6。国内外一些学者应用该技术对香蕉、苹果等果蔬的干制进行研究7-12,也有学者应用该技术对双孢菇、银耳等食用菌进行研究13-14,研究结果表明微波真空干燥技术能较好地保持产品的色泽和营养品质,有效降低能耗15。前人对杏鲍菇微波真空干燥已有初步研究,认为杏鲍菇适合微波真空干燥16,其干燥过程符合 Page 方程17。但有关微波真空干燥时兼顾产品品质和能耗的工艺参数优化研究
8、目前尚未见报道。本文采用三元二次回归旋转组合设计优化试验,探讨不同水平的微波强度、物料厚度、腔体绝对压力等微波真空干燥工艺参数对杏鲍菇干燥产品色差、复水比、氨基酸含量和单位能耗的影响,以期获得高品质、低能耗的杏鲍菇微波真空干燥工艺参数,为杏鲍菇干制提供科学依据和生产指导。1 材料与方法 1.1 仪器与设备 KL-4 型微波真空干燥机(广州凯棱工业用微波农业工程学报 2014 年 278 设备有限公司);DHG-9070A 型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司);GL-20G-II型冷冻离心机(上海安亭科学仪器厂);FW80 型高速万能粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司);ADCI 系列
9、全自动色差计(北京辰泰克仪器技术有限公司);BS224S 型电子天平(赛多利斯科学仪器(北京)有限公司);CP2102 型电子天平(奥豪斯仪器(上海)有限公司)。1.2 主要试剂 茚三酮、正丙醇、正丁醇、乙二醇、亮氨酸、抗坏血酸、乙酸、乙酸钠、95%乙醇,均为分析纯。1.3 试验方法 杏鲍菇,由福建省漳州市九湖食用菌研究所提供。选取菇体直径为 45 cm 的杏鲍菇,截去根部及尾部,留菇体约 12 cm 长度作为试验材料,沿菇长方向取材,根据试验要求切成不同厚度的圆片状。依据 GB/T 5009.3-2003 测定杏鲍菇的初始含水率。将切好的杏鲍菇平摊在微波盘上,接通微波真空干燥机电源,设置作业
10、参数,将盛放杏鲍菇的微波盘放入干燥腔中,抽真空达到设定值后开始微波加热干燥并同时计时。每个处理组干燥至物料湿基含水率 13%(安全含水率)时终止干燥,迅速放入真空干燥皿冷却后进行真空包装,包装后放置真空干燥皿,待测定指标时取用。每份试验处理组平行重复做 3 次,测定各自试验指标值,最后取其平均值。每组试验的物料质量决定于微波强度,如参数微波强度 8 kW/kg,微波功率取 2 kW 时,物料质量为 0.25 kg。1.3.1 指标测定 1)色差 色差计的 L 值表示物料色泽的明暗度。L=0 表示黑色,L=100 表示白色,L 值大,颜色白,褐变程度低,L 值小,颜色暗,褐变程度高。为避免不同杏
11、鲍菇产品以及同一产品不同部位褐变不均匀,本试验对每个处理组均抽取 10 个样品测试,每个产品取不同部位测试(每个样品测 8 处,上下两表面各测 4 处),每个处理组检测 80 次,最后取其平均值作为这个处理组的色差值。2)复水比的测定 产品复水性能用复水比表示,复水比为产品在复水一定时间后的质量与复水前质量之比,计算公式如下:RR=Mf/Mg 式中:RR为复水比;Mf为产品复水沥干后的质量,kg;Mg为复水前产品的质量,kg。试验时,将称好的一定质量的样品放入 40恒温的蒸馏水中,30 min 后,取出沥干 20 min,并用吸水纸拭干表面水分,称质量。每组进行 3 次平行试验,结果取平均值。
12、3)氨基酸含量测定 采用茚三酮显色法18测定样品中氨基酸总量。将样品粉碎,称取 1 g 干基质量进行检测。4)单位能耗的计算 单位能耗是指每蒸发杏鲍菇一个单位质量水分所耗电能,以电机额定输入功率及每组试验总加热时间计算,计算公式如下:N=WTG 式中:N为干燥能耗,kJ/kg;W为电机额定输入功率,kW;T为总干燥时间,s;G为去除水分的质量,kg。1.3.2 优化试验设计 前期的单因素试验,分别考察 3 个不同水平的微波强度、物料厚度、腔体绝对压力对试验指标的影响。在此基础上,确定本试验的 3 个试验因素微波强度X1、物料厚度X2、腔体绝对压力X3的水平范围,以色差Y1、复水比Y2、氨基酸Y
13、3、单位能耗Y4为试验指标,采用三元二次回归旋转组合设计,对影响杏鲍菇微波真空干燥品质及能耗的工艺进行优化。各因素的水平设置及编码见表 1。表 1 试验因素水平及其编码表 Table 1 Experimental factors and levels 因素 Factor 编码 Code微波强度 X1 Microwave power density/(kWkg-1)物料厚度 X2 Material thickness/cm 腔体绝对压力X3 Absolute pressure chamber/kPa 1.682 16 3.5 41 1 13.57 2.89 34.92 0 10 2 26 1 6
14、.43 1.11 17.08 1.682 4 0.5 11 j 3.57 0.89 8.92 1.3.3 统计分析 采用 Design Expert 进行试验数据处理和响应面分析。2 结果与分析 2.1 试验设计及结果 试验按 1.3 方法进行,采用三元二次回归旋转组合设计,试验方案和结果见表 1、表 2。2.2 杏鲍菇干燥品质与能耗分析 利用软件对表 2 试验数据进行方差分析,结果如表 3。第 3 期 陈健凯等:基于品质和能耗的杏鲍菇微波真空干燥工艺参数优化 279 2.2.1 工艺参数对杏鲍菇干燥产品色差的影响 影响杏鲍菇干燥产品色差的主效因素为X2(物料厚度)X3(腔体绝对压力)X1(微
15、波强度)。物料厚度对杏鲍菇干燥产品色差的影响极显著(P0.01)(表 3)。物料过厚,微波能沿着厚度方向的衰减量增加,中心部分获得的微波能减少,同时内部水分扩散至物料表面路径长,这些都相对延长了干燥时间,导致褐变程度高,色泽较差;物料太薄,在微波真空干燥过程中容易引起焦化,表层组织硬化、结壳,使得后期水分扩散速度慢,干燥时间长19-20。表 2 试验设计及结果 Table 2 Experimental designs and results 序号 No 微波强度 X1 Microwave power density/(kWkg-1)物料厚度 X2 Material thickness/cm 腔
16、体绝对压力 X3Absolute pressure chamber/kPa 色差 Y1 Color 复水比 Y2 Rehydration ratio氨基酸质量分数 Y3 Amino acids/(mg(100g)-1)单位能耗 Y4 Unit energy consumption/(kJkg-1)1 1(13.57)1(2.89)1(34.92)73.63 0.78 339.49 9.76 2 1(13.57)1(2.89)1(17.08)78.53 1.23 466.82 10.94 3 1(13.57)1(1.11)1(34.92)50.89 0.94 400.25 9.78 4 1(13
17、.57)1(1.11)1(17.08)59.90 1.61 365.28 13.72 5 1(6.43)1(2.89)1(34.92)71.57 0.74 361.48 7.83 6 1(6.43)1(2.89)1(17.08)75.38 1.11 369.14 7.79 7 1(6.43)1(1.11)1(34.92)62.98 0.99 405.94 8.42 8 1(6.43)1(1.11)1(17.08)66.76 1.27 397.51 7.80 9 1.682(16)0(2)0(26)78.16 0.90 456.50 9.69 10 1.682(4)0(2)0(26)58.99
18、0.76 390.80 10.08 11 0(10)1.682(3.5)0(26)67.97 0.77 368.65 9.09 12 0(10)1.682(0.5)0(26)46.38 0.79 303.50 12.11 13 0(10)0(2)1.682(41)60.94 0.70 322.72 9.44 14 0(10)0(2)1.682(11)77.67 1.64 485.74 10.62 15 0(10)0(2)0(26)72.42 0.82 469.96 9.51 16 0(10)0(2)0(26)69.20 0.81 466.64 9.48 17 0(10)0(2)0(26)69.
19、03 0.79 479.52 9.56 18 0(10)0(2)0(26)71.66 0.81 459.89 9.45 19 0(10)0(2)0(26)70.01 0.77 468.97 9.65 20 0(10)0(2)0(26)70.56 0.79 480.72 9.60 表 3 回归系数显著性分析 Table 3 Significance analysis of regression coefficient P 值 系数值 Coefficient values 色差Y1 Color 复水比 Y2 Rehydration ratio 氨基酸 Y3 Amino acids/(mg(100g
20、)-1)单位能耗 Y4 Unit energy consumption/(kJkg-1)X1 0.3003 0.1609 0.2366 0.0198 X2 0.0004 0.0549 0.5252 0.0724 X3 0.0228 0.0001 0.0111 0.1572 X1X1 0.9704 0.3254 0.0926 0.9245 X2X2 0.0102 0.6371 0.0002 0.4783 X3X3 0.9225 0.0001 0.0232 0.9441 X1X2 0.0499 0.7153 0.2361 0.5257 X1X3 0.6644 0.2048 0.3258 0.046
21、9 X2X3 0.7788 0.7153 0.0160 0.5334 腔体绝对压力对杏鲍菇干燥产品色差的影响显著(P0.05)(表 3)。腔体绝对压力越小,真空度高,物料中水分的蒸发温度越低,料温较低,同时腔体内水汽能快速排出,这些因素使得干燥过程产品褐变减少,产品色泽越好21。由表 3 可知,X1(微波强度)与X2(物料厚度)的交互作用对杏鲍菇干燥产品的色差影响显著(P0.05)。当物料厚度小于 2 cm 时,取任一水平的微波强度值,色差L值均很低,产品的色泽均较差;物料厚度大于 2 cm 以上时,随着微波强度值越大,色差L值也越大,产品色泽越白,这是由于微波强度增大,干燥速度加快,缩短干燥
22、时间,减少干燥过程发生的褐变;物料厚度在 2.002.89 cm,微波强度在 11.7913.57 kW/kg 区间时,能获得较佳色泽的产品(图 1)。图 1 微波强度和物料厚度对杏鲍菇干燥产品色差的影响 Fig.1 Effects of microwave power density and material thickness on color of dried Pleurotus eryngii 2.2.2 工艺参数对杏鲍菇干燥产品复水比的影响 影响杏鲍菇干燥产品复水比的主效因素为X3(腔体绝对压力)X2(物料厚度)X1(微波强度)。腔体绝对压力对杏鲍菇干燥产品复水性能的影响农业工程学报
23、 2014 年 280 极显著(P0.0001)(表 3),腔体绝对压力小能获得复水性能较好的杏鲍菇干燥产品。腔体绝对压力小,水蒸发温度低,物料表面水分很快汽化,蒸发速度快,从而提高了内部水分的扩散速度,同时,真空度高使物料内外部蒸汽压差增大,增加了物料内部水分向外扩散的动力,在微波特有的加热方式下使内部水分快速蒸发,物料在脱水过程中组织结构形成一定的多孔性膨化效果,降低物料收缩,这些有利于提高产品的复原性能22。这与一些学者的研究结果一致,如 Jayaraman K S 等23发现干燥过程果蔬组织遭破坏从而降低其吸水性能,故复水性下降;McMinn W A M 等24认为干燥过程收缩越小,多
24、孔性越好,则复水性越好。腔体绝对压力小有利于提高杏鲍菇干燥产品的复水性能,但要根据设备的极限参数,如果接近或等于设备的极限值,真空腔体内的气体分子易被电场电离,从而出现气体击穿,甚至拉弧放电现象,这样不仅要消耗较多的微波能,而且会损坏部件并产生微波反射,缩短磁控管使用寿命2528。因素间的交互作用对产品的复水性影响均不显著,如表 3。2.2.3 工艺参数对杏鲍菇干燥产品氨基酸含量的影响 影响杏鲍菇干燥产品氨基酸含量的主效因素为X3(腔体绝对压力)X1(微波强度)X2(物料厚度)。腔体绝对压力对杏鲍菇干燥产品氨基酸含量的影响显著(P0.05),微波强度和物料厚度对杏鲍菇干燥产品氨基酸含量的影响不
25、显著(P0.05),但物料厚度的二次效应对杏鲍菇干燥产品氨基酸含量的影响极显著(P0.01)(表 3)。腔体绝对压力小,水分蒸发温度低,物料脱水过程料温较低,对杏鲍菇干燥产品氨基酸的破坏较小。X2(物料厚度)与X3(腔体绝对压力)的交互作用对杏鲍菇干燥产品氨基酸含量的影响显著(P0.05)(图 2)。图 2 物料厚度和腔体绝对压力对 杏鲍菇干燥产品氨基酸的影响 Fig.2 Effects of material thickness and chamber pressure on amino acid of dried Pleurotus eryngii 由图 2 可看出,当物料厚度小于 1.4
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