香葱催化式红外干燥特性及品质研究

赵兴，吴本刚，马海乐，刘潇

（江苏大学食品与生物工程学院，江苏镇江 212013）

香葱，百合科、葱属植物，矩圆状卵形，叶为中空的圆筒状，向顶端渐尖，深绿色，质地柔嫩，味清香。香葱具有较高的营养价值和功效，如，香葱内的蒜辣素能刺激机体消化液的分泌，同时可抑制癌细胞的生长[1]，而其所含的大蒜素则具有杀菌、消毒的作用[2]。脱水干燥是香葱加工的一个重要方式，香葱干燥脱水后主要用于调味品行业。脱水香葱也是我国重要的创汇脱水蔬菜之一[3]。

目前传统的香葱干燥技术为热风干燥，此方法由于成本低，易操作的特点[4]，广泛应用于脱水蔬菜生产企业中。热风干燥以热空气为干燥介质，以自然或强制对流循环的方式与物料进行湿热交换，物料表面上的水分通过表面的气孔向干燥介质扩散，由于物料表面汽化，使物料内部和表面之间产生水分梯度差，物料内部的水分因此以汽态或液态的形式向表面迁移。然而，热风干燥存在干燥时间长、能耗高，品质低等问题[5]，急需一种新的高效干燥技术。

红外辐射加热技术是一种新的食品加工技术，被广泛应用于农产品的漂烫[6]和干燥领域[7]。Baysal[8]等研究了微波和红外干燥对胡萝卜和大蒜品质的影响，通过对比红外干燥对色泽和复水性的影响，得出红外干燥产品的复水性要好。Afzal等[9]人研究远红外联合对流干燥大麦，结论较单独对流干燥，远红外联合缩短60%的干燥时间。XIE L[10]研究了远红外辐射加热辅助脉冲真空干燥（FIR-PVD）枸杞，干燥时间短，干枸杞的颜色参数与新鲜浆果的颜色参数相似。王洪彩[11]对比了热风和中短波红外两种方式干燥香菇的品质，得出中短波红外干燥的香菇的感官品质和化学品质均优于热风干燥后的香菇。

催化式红外(CIR)设备是由天然气或液化气在催化剂的作用下与氧气发生的氧化反应产生，波长在远红外波长之间，具有升温速度快、干燥速率高、能耗低[5]等优点。目前关于香葱红外干燥特性和品质的研究鲜有报道，因此，本文将催化式红外干燥技术应用于香葱的干燥，探讨不同温度下催化式红外干燥香葱的干燥特性及品质，为香葱的催化式红外干燥特性和品质研究提供数据支持和理论依据。

1 材料与方法

1.1 原料

香葱(水分含量约 91%)，从当地农贸市场同一批购进，储藏在冰箱中(温度4±1 ℃)。试验前，将香葱从冷藏室中取出，放至室温待用。选择颜色鲜艳，结构规整，无机械损伤的部分，清洗，切成长度为1 cm的块状。

1.2 主要仪器设备

图1 催化式红外设备Fig.1 CIR (catalytic infrared) dehydrator

BAS2202S天平，Sartorius公司(哥廷根，德国)；TM350+手持式红外测温仪，Tecmen电子有限公司(香港，中国)；HH-S2数显恒温水浴锅，金坛市医疗仪器厂(金坛，江苏，中国)；色差仪NH310深圳三恩驰科技有限公司(深圳，中国)；催化式红外干燥机，镇江美博红外科技有限公司(镇江，江苏，中国)。

本研究用的催化式红外设备由催化式红外发生器（30×60 cm）和处理室（100×100×60 cm）组成。使用前先将催化式红外发生器预热15 min，然后通过气体控制阀通入液化气后点火，试验过程通气阀气压控制在1.5 kPa，工作时催化式红外发生器的表面温度可达到（395±5）℃。

1.3 实验方法与测定指标

1.3.1 试验设计

前期通过预实验调整红外发生器的辐照距离，用手持红外测温仪测定香葱表面温度，选取红外的辐照距离分别为25 cm、15 cm、8 cm、4 cm，对应的温度分别为60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃。取30 g切好的香葱单层平铺在托盘上，打开催化式红外干燥设备，当红外设备达到预设温度并且稳定后，将托盘放入设备中，在不同的温度条件下进行干燥。每隔一分钟，记录干燥过程中香葱的重量，当香葱湿基含水率达到8%时干燥结束。每次实验重复3次，取平均值。为保证实验过程中温度恒定，通过调整托盘和红外发生器的距离来实现。

1.3.2 温度和水分测定

干燥过程中，使用手持式红外测温仪测定香葱的表面温度，多次测量，取平均值。

香葱的初始水分含量测定参照 GB/T 5497-1985用105 ℃恒重法测得。

1.3.3 颜色测定

图2 NH310色差仪Fig.2 NH310 colorimeter

实验中使用色差仪 NH310直接测量法检测香葱的表面颜色。检测时把托盘内的香葱等分为三部分，将色差仪的光孔垂直压在香葱表面上，轻压，读数。取每个部分的色差平均值记为香葱表面的色值，并用数值L*、a*和b*值表示。其中L*值表示亮度，a*值表示红色或绿色值，而b*值表示蓝色或黄色值。a*正值越大表示颜色越接近红色，a*负值越大，颜色越接近绿色；b*正值越大，颜色越接近黄色；b*负值越大，颜色越接近蓝色。下标0代表新鲜香葱的颜色值。颜色变化值ΔE通过公式(1)计算所得，ΔE值越大，表示干燥产品的颜色变化越大[12]。

式中：L0，a0，b0-新鲜对照组值；L*，a*，b*-实验检测值。

1.3.4 复水性测定

将实验结束后的香葱干制品放入室温 25 ℃[13]水中进行复水性试验，每隔20 min称重一次，测定其重量，直至达到平衡为止。复水比的计算公式(2)如下：

1.3.5 物料水分比和干燥速率[14]

物料水分比的计算公式(3)为：

式中 MR为水分含量/（g水分重量/g干物质重量），mt为物料在 t时刻的含水量/（g/g）。m0、me分别为物料的初始、平衡含水量/（g/g），由于 me相对于mt和m0很小，通常在工程应用中忽略不计，因此，物料水分比可采用简化式（4）如下所示：

干燥速率计算公式（5）如下：

式中：t1，t2为干燥时间，Mt1，Mt2分别为t1、t2时间时的水分比。

1.3.6 干燥动力学模型的建立

前人已经对干燥过程进行了研究，并总结出了一些常用的经验、半经验模型来描述物料干燥过程中的情况。本研究选择三种常见的干燥模型（表 1）来对催化式红外干燥香葱的干燥曲线进行模拟。

表1 果蔬薄层干燥的数学模型Table 1 Thin layer drying models for vegetables and fruits

模拟结果用决定系数（R2）、均方根误差（root-mean-square error，RMSE）、误差平方和（error sum of square，SSE）和离差平方和（χ2）4个参数对模型拟合结果进行评价。决定系数（R2）越大、RMSE、SSE和χ2越小，则拟合度越好。四个值计算公式（6～9）如下：

式中，MRpre,i为模型预测水分比，MRexp,i为试验测得水分比，MRexp为试验测水分比的平均值，N为试验测得数据组数，n是干燥常数的数目。

数据处理和分析采用SPSS 17.0统计分析软件。

1.3.7 水分有效扩散系数和活化能

水分有效扩散系数通过水分比的对数值与处理时间的关系式（10）来计算，干燥活化能值Ea（11）根据水分有效扩散系数Deff[18]计算。

式中，D0为系数，R表示气体常数[kJ/(mol·K)]，T是香葱处理温度的绝对温度值(K)。

1.3.8 维生素C含量

利用维生素C对紫外产生吸收和对碱不稳定的特点，采用文献[19]中的方法检测香葱的维生素C含量。

1.3.9 数据统计分析

采用17.0版SPSS数据统计分析软件对实验数据进行显著性分析，采用决定系数（R2）、均方根误差（root-mean-square error，RMSE）、误差平方和（error sum of square，SSE）和离差平方和（χ2）4个参数作为拟合度评价指标，决定系数R2越接近1，RMSE、SSE、χ2数值越小，表示模型拟合度越好：图表绘制用Excel 2010完成。

2 结果与分析

2.1 香葱催香化式红外干燥特性

由图3可知，香葱的含水量随着干燥时间的延长而减少，温度越高干燥时间越短，水分降低越快。当干燥温度分别在60、70、80、90 ℃条件下时，所需的干燥时间分别为30、20、17、10 min，其中70、80 ℃的干燥时间较为接近，MR的趋势变化也相近。代小梅[20]研究了热风在 60、70、80、90 ℃条件下干燥香葱的干燥特性，干燥时间分别是5.5 h、4 h、3.5 h、3 h。相比热风干燥，催化式红外干燥要节省90%以上的时间。

图3 不同温度条件下香葱红外干燥特性曲线Fig.3 Drying curves of Chinese chives in infrared radiation drying at different temperatures

2.2 香葱催化式红外干燥干燥速率

图4 不同温度条件下香葱红外干燥速率曲线Fig.4 Drying rate curves of Chinese chives in infrared radiation drying at different temperatures

由图4可知，红外干燥过程中香葱在不同温度条件下干燥速率不同，90 ℃条件下属于降速干燥过程，随着干基含水率的减小而降低；在60、70、80 ℃条件下随干基含水率的降低呈先升后降的趋势。在干基含水率低于0.8 g/g时，70 ℃的干燥速率低于60 ℃，这是因为温度越高，干燥速率越快，香葱表面结壳变硬，阻碍了水分的扩散。陈凯[21]在研究红外干燥枸杞时，也出现了类似迹象。在干基含水率为5.2～7.0 g/g时，70 ℃的干燥速率高于80 ℃，这和红外辐射距离对香葱表面结构影响有关。张丽丽[22]研究了红外辐射距离对胡萝卜片表观密度和孔隙率的关系，辐射距离越近，表观密度越大，孔隙率越小，不利于水分的扩散。本实验采用的温度是通过调整辐射距离来控制，干燥前期，80 ℃因为辐射距离近，空隙小，表观密度大，不利于水分的扩散，出现干燥速率低于70 ℃的现象。张磊[23]研究了不同红外辐照距离干燥紫甘蓝和干基含水率的关系，也出现类似迹象。

表2 催化式红外干燥香葱的干燥时间和最大干燥速率Table 2 Drying time and max drying rate of Chinese chives processed under catalytic infrared

2.3 香葱干燥过程中的色泽变化和温度的关系

干燥过程中香葱表面的色泽变化是评价产品品质的一个重要指标，表3列出了人的视觉感官和色差值之间的关系。

表3 色差与观察感觉的关系[24]Table 3 Relationship between ΔE and people’s feeling

图5 不同温度条件下香葱表面颜色变化值L*Fig.5 Change of surface color (L*) of Chinese chives under different temperature conditions

由图5可知，在红外干燥香葱的过程中，亮度变化值L*呈先升后降的趋势，其中在60、90 ℃干燥后香葱的L*值低于初始值。图6中在70、80、90 ℃条件下，b*值也呈先升后降的趋势；60 ℃条件下b*值随干燥时间的延长而减小。图7中a*值在60、80、90 ℃条件下呈先降后升的趋势，70 ℃条件下a*值在初始值附近波动，变化小。由图8知，不同温度条件下ΔE都经历了先升后降再上升的过程，Wu[25]研究了催化式红外杀青胡萝卜过程中ΔE的变化，得到相似结论，这是因为在干燥后期，温度升高香葱表面发生炭化，L*值降低 a*值升高。60 ℃温度低，干燥时间长，干燥后期L*值、b*值降低，发生褐变反应，ΔE值增大。

图6 不同温度条件下香葱表面颜色变化值b*Fig.6 Change of surface color (b*) of Chinese chives under different temperature conditions

图7 不同温度条件下香葱表面颜色变化值a*Fig.7 Change of surface color (a*) of Chinese chives under different temperature conditions

图8 不同温度条件下香葱表面颜色变化值ΔEFig.8 Change of surface color (ΔE) of Chinese chives under different temperature conditions

2.4 干燥过程中色泽变化和湿基含水率的关系

由图9可知，在60、90 ℃条件下，当湿基含水率小于44%时，色泽开始变暗。图10中，在70、80、90 ℃条件下，湿基含水率为60%～70%时，a*值开始升高。图11中，b*值主要和干燥温度有关，在70、80、90 ℃条件下，湿基含水率大于80%时，b*值呈先升后降的趋势，湿基含水率为46%～68%时，b*值变化较小。综上可知，在红外干燥香葱过程中，湿基含水率和温度对L*、a*的数值变化关系紧密。

图9 颜色变化L*和湿基含水量关系Fig.9 Relationship between color change(L*) and moisture content

图10 颜色变化a*和湿基含水量的关系Fig.10 Relationship between color change(a*) and moisture content

图11 颜色变化b*和湿基含水量关系Fig.11 Relationship between color change(b*)and moisture content

2.5 建立红外干燥香葱的动力学模型

选取常用的三种不同干燥模型对香葱的红外干燥过程进行拟合，结果如表4所示。

所有模型的R2均≥0.9787，SSE均≤0.0433，RMSE均≤0.0465，χ2均≤0.0023，其中 Lewis、Page、Henderson and Pabis模型的R2值最小值分别为0.9787、0.9966、0.9883，SSE最大值分别为0.0433、0.0031、0.0303，最大RMSE值分别为0.0465、0.0171、0.0389，最大χ2值分别为0.0023、0.0003、0.0017，对比三个模型的数值，发现Page模型的R2，SSE、RMSE、χ2值均优于另两个模型，更能准确的描述催化式红外干燥香葱过程中的水分变化，故选取Page模型来作为本实验研究结果的动力学模型。

表4 香葱薄层干燥模型拟合结果Table 4 Fitted results of thin-layer drying models for Chinese chives

2.5.1 Page模型参数的求解

为了理解红外干燥香葱过程中模型中的参数k、n和干燥温度的关系，对模型中的参数k、n的数值进行线性分析，得到干燥温度与参数k、n之间的关系式：

k=4×10-3T-0.203，n=1.228-2×10-4T

式中：k、n为模型参数；T为干燥温度/℃。

代入Page模型得到下式：

MR=exp[(0.203-4×10-3T)×T1.228-2×10-4T]

2.5.2 Page模型验证

图12 Page模型验证实测值与预测值的比较Fig.12 Comparison of experimental data and predicted data using Page models at selected conditions

选择催化式红外干燥温度为 70 ℃条件下进行page模型的验证。比较实测值与模型预测值的相关性，结果如图12，预测值与试验值相比，R2为0.9995。因此，page模型方程非常适合表达试验范围内香葱催化式红外干燥的规律。

2.6 香葱催化式红外干燥过程中水分的有效扩散系数

香葱红外干燥过程中水分有效扩散系数在60～90 ℃内为 3.96～10.7×10-10m2/s，食品物料干燥过程中水分的有效扩散系数[26]在10-9～10-11m2/s范围内，本实验结果符合标准。由实验可知，温度越高，水分有效扩散系数越大，水分扩散越快，干燥时间也越短。Celmaar[27]在干燥葡萄副产物的研究中也得出干燥过程中水分的有效扩散系数随着温度的升高而增加的结论。

表5 不同处理条件下香葱的有效扩散系数和活化能Table 5 Effective moisture diffusivities and activation energies of Chinese chives processed under catalytic infrared

2.7 干燥产品的维生素C含量与复水比

在干燥产品中，产品的复水比是评价产品口感的一个重要指标，本研究以常温下干燥产品在水中的复水性进行了研究，实验结果表明在60、70、80、90 ℃下干燥后产品的复水比依次是5.5、6.51、4.36、4.33，其中在70 ℃干燥产品的复水比最好，达到6.51。这和红外辐射距离有关，张磊[23]研究了不同红外辐照距离干燥紫甘蓝的复水性，得出辐射距离11 cm时的复水性要高于辐射距离为3 cm和5 cm的复水性。

表6 不同处理条件下香葱的复水比和维生素C含量Table 6 Rehydration ratio and vitamin C content of Chinese chives processed under catalytic infrared

维生素C是热敏性物质，温度越高，Vc损失越多，剩余含量越低，表中在60 ℃条件下Vc含量低于70 ℃条件下Vc含量，是因为60 ℃条件下干燥时间长，导致Vc损失更多。Fang[28]研究了不同温度下热风干燥枣的品质，发现70 ℃热风干燥后枣的Vc含量要高于60 ℃，认为是干燥时间的延长导致了Vc含量的更大损失。Wu[25]研究了不同温度条件下催化式红外杀青胡萝卜的 Vc保留率，杀青结束后 95 ℃条件下Vc保留率要高于90 ℃Vc保留率，95 ℃杀青时间比90 ℃少3.5 min，与本实验结论类似。Chen[29]的研究结果与此相反，作者认为品种和干燥时间不同可能会导致不同的结果。

3 结论

香葱在红外干燥过程中的干燥速率随着温度的增加而增大，整个过程中干燥时间在30 min内，最低活化能为33.61 kJ/mol。干燥过程中色泽变化和湿基含水率、温度有关，不同湿基含水量和温度对L，a，b值的影响不同。综合考虑干燥后产品的Vc含量、色泽和复水性，选取干燥温度为70 ℃，得到的产品质量最好，Vc含量为4.90 mg/100 g，ΔE值为1.9，复水比可达6.51。