黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥工艺.pdf

第 28 卷第 21 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.212012年11月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringNov.2012265黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥工艺李大婧1,2,3，刘霞1,3，江宁1,3，刘春泉1,3（1.江苏省农业科学院农产品加工研究所，南京 210014；2.东北林业大学林学院，哈尔滨 150040；3.国家农业科技华东（江苏）创新中心农产品加工工程技术研究中心，南京 210014）摘要：为提高黑毛豆仁膨化产品的品质，采用微波联合气流膨化干燥工艺。考察不同单位质量微波功率对黑毛豆仁干燥特性的影响，探讨联合干燥过程转换点含水率、膨化温度、停滞时间、压力差、抽空干燥时间对黑毛豆仁膨化产品的含水率、硬度、脆度和色泽的影响。结果表明：当单位质量微波功率为 5 W/g 时，黑毛豆仁的干燥速率较快，干燥时间较短；联合干燥转换点含水率、膨化温度、抽空干燥时间对膨化产品的品质影响显著，而膨化压力差、停滞时间对膨化产品品质影响较小。确定黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥适宜的工艺参数：单位质量微波功率 5 W/g，转换点含水率 31%，压力差 0.124 MPa，膨化温度 100，停滞时间 10 min，抽空干燥时间 90 min。研究结果可为黑毛豆仁干制品的产业化生产提供技术参考。关键词：干燥，工艺，微波，气流膨化，黑毛豆仁doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.21.037中图分类号：TS255.3文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-21-0265-07李大婧，刘霞，江宁，等.黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥工艺J.农业工程学报，2012，28(21)：265271.Li Dajing,Liu Xia,Jiang Ning,et al.Combined drying technology of black edamame using microwave and explosionpuffingJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(21):265271.(in Chinese with English abstract)0引言毛豆（Glycine Max L.Merr.）营养丰富，富含蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质和多种维生素1，具有柔软香甜的口感和特殊的豆香味，深受消费者喜爱。与普通毛豆相比，黑毛豆仁的种皮富含花色苷，具有抗氧化、抗肿瘤、保护心脑血管等多种作用2-3。然而新鲜毛豆含水量很高，极易失水萎蔫或腐烂变质，难以长期贮存，在销售和运输中损耗很大4。目前，中国的毛豆仁主要用于鲜食或加工速冻产品5，产品附加值不高。因此，急需大力发展毛豆仁加工业，丰富毛豆仁加工产品种类。微波是穿透力强的电磁波，它直接作用于物料的内部，使水等极性分子随微波的频率作同步旋转，物料瞬间产生摩擦热，导致其表面和内部同时升温，使大量水分子从物料逸出，达到物料干燥的效果6。微波干燥加热速度快，能很好地保持果蔬收稿日期：2012-04-01修订日期：2012-10-17基金项目：江苏省农业科技自主创新资金项目（CX(11)2067）作者简介：李大婧（1976），女，副研究员，博士，研究方向为农产品加工与综合利用。南京江苏省农业科学院农产品加工研究所，210014。Email：通信作者：刘春泉（1959），男，研究员，硕士，研究方向为农产品精深加工及产业化开发。南京江苏省农业科学院农产品加工研究所，210014。Email：的营养成分和风味，已用于干燥胡萝卜7-9、花生10、玫瑰花11、薄荷叶12、大蒜13、怀山药14、洋葱15、罗非鱼16等。气流膨化干燥是一种新型果蔬干燥技术，它克服了真空低温油炸干燥等的缺点，生产的产品绿色天然、营养丰富、口感酥脆。该技术适应性广，已用于膨化干燥苹果17、哈密瓜18、冷泡茶19、菠萝20、甘薯21、马铃薯22-23等。毛豆仁干燥方面的研究仅有胡庆国报道了热风联合真空微波干燥毛豆仁24，但微波干燥易产生焦糊现象，产品品质较难控制。刘霞等曾采用热风干燥、微波干燥、热风气流膨化干燥、微波气流膨化干燥、冷冻干燥 5 种不同的方式干燥黑毛豆仁，发现微波气流膨化干燥的黑毛豆仁产品品质良好，维生素 C 和花色苷保留率高、口感酥脆、无焦糊现象，可作为最佳干燥方式25。此外，在前期的研究中确定了黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥适宜的预处理方式26，尚未见黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥工艺方面的研究报道。本文主要通过分析不同单位质量微波功率条件下黑毛豆仁干燥特性，研究转换点含水率、压力差、膨化温度、停滞时间和抽空干燥时间等工艺参数对黑毛豆仁脆粒产品的含水率、硬度、脆度和色泽的影响，以确定黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥的工艺条件，旨在为黑毛豆仁联合干燥技术的应用和产业化推广提供技术依据。农业工程学报2012 年2661材料与方法1.1试验材料黑毛豆：新大粒 1 号毛豆，2010 年 10 月中旬采摘于江苏省农科院六合动物科学基地，选取籽粒饱满、成熟期一致、无病虫害的豆荚备用（籽粒含水率 71.99%）。1.2仪器与设备MVD1 型微波真空干燥设备（南京孝马机电设备厂）；QDPH5 型电加热式气流膨化设备（天津市勤德新材料科技有限公司）；DHG9073B5型电热恒温鼓风干燥箱（上海新苗医疗器械制造有限公司）；FW100 高速万能粉碎机（天津市泰斯特仪器有限公司）；DHG9070 型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；QTS 型质构仪（英国 CNS Farnell 公司）；WSCS 型色差仪（上海精密科学仪器有限公司）。1.3试验方法1.3.1黑毛豆的前处理黑毛豆去荚清洗烫漂冷却浸渍冷冻试验待用将去荚后的黑毛豆仁清洗干净，沸水烫漂150 s，放入质量分数2%4%NaCl溶液浸渍6 h26，置于（271）左右的冰箱中冷冻后，进行下面的联合干燥试验。1.3.2黑毛豆仁的微波干燥试验将冷冻的黑毛豆仁单层均匀平铺于微波干燥设备的物料盒中，在一定的单位质量微波功率下进行微波预干燥，干燥过程中定时记录物料质量，直到干基含水率10%为止，确定出适宜的单位质量微波功率。探讨单位质量微波功率与黑毛豆仁失水速率之间的关系。干燥速率公式为mVt式中，V 为干燥速率，g/s；m 为固定时间段黑毛豆仁的质量变化量，g；t 为固定时间间隔，s。微波干燥属于辐射干燥，影响干燥的重要因素有微波功率、物料种类等。单位质量微波功率为微波功率与干燥初始物料质量的比值，对黑毛豆仁的干燥效果影响较大，是微波干燥过程重要的工艺参数8-10。因此，本试验主要考察不同单位质量微波功率对黑毛豆仁干燥特性的影响。1.3.3微波联合气流膨化干燥试验设计将冷冻的黑毛豆仁单层均匀平铺于微波干燥设备的物料盒中，在一定的单位质量微波功率条件下微波干燥不同时间，获得不同的联合干燥转换点含水率，在 4密闭容器中均湿 24 h。然后将均湿后的黑毛豆仁放入气流膨化罐内，真空罐内压力为 0.098 MPa，通过空气压缩机调节罐内的压力至膨化所需压力，在不同的膨化温度下停滞不同时间，开启泄压阀，原料瞬间膨胀并被抽真空，达到一定的抽空干燥时间后，将干燥后的黑毛豆仁取出在密闭容器冷却至室温，最后进行充氮包装。主要考察联合干燥转换点含水率、停滞时间、膨化压力差、膨化温度和抽空干燥时间工艺参数对黑毛豆仁膨化产品含水率、硬度值、脆度值和 L 值、a*值、b*值品质指标的影响。1.4测定指标与方法1.4.1含水率的测定方法参照 GB/T 5009.3-200127中食品水分测定方法。1.4.2色泽的测定方法采用色差计测定。L*0 表示黑色，L*100 表示白色；a*为“+”值表示偏红，“”值表示偏绿，值越大表示偏向越严重；b*值为“+”表示被测物偏黄，“”值表示被测物偏蓝，值越大表示偏向越严重。1.4.3质构的测定方法用 QTS 型质构仪测定，测试条件如下：探头型号为 P/5N 圆柱型探头；操作模式为下压过程中测量力；测前速度为 3.0 mm/s；测试速度为 1.0 mm/s；测后返回速度为 3.0 mm/s；测试距离为 5 mm。硬度值等于曲线中力的峰值，即样品断裂所需要的最大力，数值越大，表明产品越硬，单位为 N；脆度值为曲线中应力达到峰值时横坐标值，即样品断裂所需要的时间，值越小，表明脆度高产品越脆，单位为 s。1.5统计分析单因素试验指标的差异采用 SPSS 17.0 统计软件中 ANOVA 方差分析，由 Tukey 分析均值差异的显著性，显著水平 p0.05。2结果与分析2.1单位质量微波功率对黑毛豆仁干燥特性的影响每次投料量为 280 g，分别考察不同单位质量微波功率 3、5、7W/g对黑毛豆仁干燥特性的影响。由图 1a 可知，单位质量微波功率对黑毛豆仁干燥效果的影响较大。随着单位质量微波功率的增大，黑毛豆仁的干燥速率越快，干燥时间也越短。当单位质量微波功率为 3 W/g 时，微波功率较小，去除单位质量水分所能吸收的微波能减少，故干燥时间最长。当单位质量微波功率为 7 W/g 时，黑毛豆仁的干燥速率最快，干燥时间最短，但单位质量微波第 21 期李大婧等：黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥工艺267功率为 5 与7 W/g 时，两者的干燥曲线差别不大，基于节能角度，单位质量微波功率为 5 W/g 较合适。由图 1b 可以看出，当单位质量微波功率为 3 W/g时，黑毛豆仁的干燥过程分为升速、恒速和降速 3个阶段。但单位质量微波功率为 5 和7 W/g时，黑毛豆仁的干燥过程未出现明显的恒速阶段，而是前段升速，后段降速，这是因为采用较高的单位质量微波功率处理时，在升速阶段黑毛豆仁的大部分水分已被除去，其剩余的水分已不能维持最大干燥速率，故未出现恒速阶段28-29。在同一含水率下，单位质量微波功率越大，其失水速率越大。图 1不同单位质量微波功率下黑毛豆仁的微波干燥和失水速率曲线Fig.1Curves of microwave drying and dehydrating rate of black edmame at different microwave power per unit mass2.2转换点含水率对膨化产品品质的影响在单位质量微波功率为 5 W/g 条件下，通过调节微波干燥时间获得联合干燥中的转换点含水率，然后在膨化压力差 0.124 MPa、膨化温度 100、停滞时间 10 min、抽空干燥时间 90 min 条件下进行气流膨化干燥，对产品取样分析，结果见表 1。表 1转换点含水率对膨化产品品质的影响Table 1Effect of water content after pre-drying on quality ofpuffed product转换点含水率/%微波干燥时间/s产品含水率/%硬度/N脆度/sL*值a*值b*值474608.940.09e71.435.65c3.330.02b73.350.27c0.920.09a36.210.35a395106.740.18d57.734.04b2.110.27a72.720.39b0.860.08a35.820.25a315903.180.06c44.876.44a1.710.50a72.750.16b1.160.13b37.060.20b236702.090.09b46.614.27ab1.750.66a72.900.38bc2.030.11c37.000.26b157501.770.11a45.542.41ab1.200.36a69.940.35a5.230.18d38.580.16c注：同列数据不同上标字母表示在 0.05 水平差异显著，下同。由表 1 可见，不同的转换点含水率对产品的含水率、质构和色泽影响显著。随着微波干燥后黑毛豆仁转换点含水率的降低，膨化产品的含水率显著性降低。产品的硬度也随之降低，脆度则随之升高，当转换点含水率在 15%31%时，硬度和脆度变化不大。产品 L*值逐渐降低、a*值逐渐增加、b*值逐渐增加，即产品的总体色泽变暗。Varnalis 等研究认为前期干燥马铃薯表面形成的部分干燥层对后期气流膨化是否能成功和产品膨化后形状的保持是一个十分重要的条件30。如果前期干燥时间过长，转换点含水率过低，物料内部水份散失过多，在后期气流膨化发生的时候，没有足够的水汽化并带动物料膨化，且随着微波干燥时间延长，物料褐变严重；反之，如果前期干燥时间不够，转换点含水率过高，没有形成一定厚度的部分干燥层，不利于膨化产品外形的固定和保持，严重影响产品的质构。由此可见，选择合适的转换点含水率尤为重要。综合以上分析，本试验选取微波干燥 590 s 转换点含水率 31%较为适宜，此条件下得到的黑毛豆仁膨化产品硬度最小、脆度较好、色泽良好。2.3膨化压力差对膨化产品品质的影响取转换点含水率为 31%的黑毛豆仁，在膨化温度 100、停滞时间 10 min，抽空干燥时间 90 min条件下进行气流膨化干燥，考察不同膨化压力差对膨化产品品质的影响，结果见表 2。表 2膨化压力差对膨化产品品质的影响Table 2Effect of pressure difference on quality of puffedproduct膨化压力差/MPa产品含水率/%硬度/N脆度/sL*值a*值b*值0.1243.390.08a46.436.39a1.650.28a73.090.67a1.680.09a37.510.47a0.1743.500.10a43.784.13a1.480.35a73.770.17a1.840.09a37.280.17a0.2243.330.05a44.351.10a1.600.27a73.210.44a1.750.19a37.140.34a农业工程学报2012 年268从表 2 可以看出，随着膨化压力差的增加，膨化产品的含水率、硬度、脆度和色泽的变化不大，无显著性差异。可见，膨化压力差的大小对膨化产品的品质影响不大。前期的微波干燥也具有膨化的作用，在气流膨化干燥时，膨化压力差设为 0.124MPa 即可，能够节约生产成本。2.4膨化温度对膨化产品品质的影响取转换点含水率为 31%的黑毛豆仁，在膨化压力差 0.124 MPa、停滞时间 10 min、抽空干燥时间90 min 条件下进行气流膨化干燥，考察不同膨化温度对产品品质的影响，结果见表 3。表 3膨化温度对膨化产品品质的影响Table 3Effect of puffing temperature on quality of puffedproduct膨化温度/产品含水率/%硬度/N脆度/sL*值a*值b*值8010.030.15e81.282.70c3.200.21c73.240.67c0.960.05a36.920.36a907.110.06d55.546.39b2.480.72bc73.540.30cd1.380.11b36.830.32a1003.220.18c42.803.46a1.550.28ab73.960.40d1.770.07c37.480.20b1102.070.10b33.954.28a1.400.44ab70.370.34b6.250.12d38.600.28c1201.070.04a35.751.49a1.090.23a65.120.26a14.960.19e39.870.38d表 3 显示，随着膨化温度的升高，膨化产品的含水率显著降低。当膨化温度在 80100间，硬度显著降低，但当膨化温度高于 110时，硬度的变化不显著。脆度随温度的提高而逐渐升高，但温度高于 100时其值变化不大。产品的 L*值随着膨化温度的升高显著降低，产品的色泽变暗；a*值显著性升高，产品由绿色变为红色的趋势明显；b*值逐渐升高，产品由黄变蓝的趋势增加。膨化温度过低，黑毛豆仁内部水分不易发生汽化，最终产品会因含水率过高而回软，产品的质构差；膨化温度过高，不仅会造成能源的浪费，且高温会使产品发生褐变，影响品质。综上分析，膨化温度为100较佳，产品的含水率已降至 5%以下，硬度和脆度良好。2.5停滞时间对膨化产品品质的影响取转换点含水率为 31%的黑毛豆仁，在膨化压力差 0.124 MPa、膨化温度 100、抽空干燥时间90 min 条件下，考察不同停滞时间对膨化产品品质的影响，结果见表 4。从表 4 可以看出，随着停滞时间的延长，产品的含水率逐渐降低，硬度开始逐渐降低。当停滞时间超过 10 min 时，含水率和硬度变化不大。脆度随停滞时间的延长变化不显著，略微呈先升高后降低的趋势，当停滞时间为 10 min 时，产品的脆度较佳些。L*值呈逐渐降低的趋势，但降低幅度不大；当停滞时间超过 15 min 时，a*值显著增加；停滞时间在 015 min b*变化不显著；产品色泽随着停滞时间的延长而变暗。经过停滞后，物料内外的温度可以达到一致，有利于水分的散失，提高产品的品质，但停滞时间过长，产品的色泽变差，不利于产品品质的提高。综上分析，停滞时间为 10 min 的处理较合适。表 4停滞时间对膨化产品品质的影响Table 4Effect of dwell time on quality of puffed product停滞时间/min产品含水率/%硬度/N脆度/sL*值a*值b*值08.910.35c68.144.43b2.260.21a73.790.29c1.420.24a37.060.56a57.560.20b52.214.02a2.010.25a73.150.32b1.630.27a37.130.51a103.600.09a43.993.96a1.700.21a73.570.28bc1.510.14a37.180.19a153.390.13a44.895.09a1.770.25a73.040.37b2.050.14b37.380.33a203.160.11a45.862.91a1.820.12a72.080.46a3.590.27c38.130.36b2.6抽空干燥时间对膨化产品品质的影响取转换点含水率为 31%的黑毛豆仁，在膨化压力差 0.124 MPa，膨化温度 100，停滞时间 10 min的条件下，考察不同抽空干燥时间对膨化产品品质的影响，结果见表 5。表 5抽空干燥时间对膨化产品品质的影响Table 5Effect of vacuum drying time on quality of puffedproduct抽空干燥时间/min产品含水率/%硬度/N脆度/sL*值a*值b*值306.950.17c67.675.30c2.410.41b73.990.55b2.250.21ab37.320.18a606.500.11b57.351.55bc1.590.32ab73.080.48a2.300.29ab36.980.41a903.320.07a45.433.85a1.610.16ab73.360.68ab2.140.16a37.060.34a1203.190.05a46.815.20ab1.360.43a73.690.24ab2.550.12bc37.520.67a1503.020.12a48.874.95ab1.450.25a73.180.23a2.630.08c37.280.26a由表 5 可知，随着抽空干燥时间的增加，膨化产品的含水率开始显著下降，但含水率降到一定程度后，水分的转移较困难，抽空干燥时间超过90 min后，含水率变化不再显著。硬度呈先降低后略升高的趋势，当抽空干燥时间为 90 min 时，硬度最小。脆度无明显的规律性。L*、a*值的变化较小，不同处理的 b*值差异不显著。综上分析，确定抽空干燥时间为 90 min 的处理对产品的硬度、脆度和色泽均较好。第 21 期李大婧等：黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥工艺2693结论1）不同单位质量微波功率对黑毛豆仁干燥特性影响较大，随着预干燥时单位质量微波功率的增加，黑毛豆仁的干燥速率越快，干燥时间也越短。2）联合干燥转换点含水率、膨化温度、抽空干燥时间对膨化产品的品质影响显著，而膨化压力差、停滞时间对膨化产品品质影响较小。3）确定了黑毛豆仁微波联合气流膨化干燥适宜的工艺参数：单位质量微波功率 5 W/g，转换点含水率 31%，压力差 0.124 MPa，膨化温度 100，停滞时间 10 min，抽空干燥时间 90 min。参考文献1张圣平.菜用大豆荚果可溶性糖变化规律的研究D.济南：山东农业大学，2002：14.Zhang Shengping.Study on the changes of soluble sugarcontent in vegetable soybean podD.Jinan:ShandongAgricultural University,2002:14.(in Chinese withEnglish abstract)2Astadi I R,Astuti M,Santoso U,et al.In vitroantioxidant activity of anthocyanins of black soybeanseed coat in human low density lipoprotein(LDL)J.Food Chemistry,2009,112(3):659663.3Inagaki S,Morimura S,Shigematsu T,et al.Apoptosisinduction by vinegar produced from boiled extract ofblack soybeans in human monoblastic leukemia U937cells:Difference in sensitivity to cell toxicity comparedto normal lymphocytesJ.Food Science and 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