鐵棍山藥熱泵與熱風干燥工藝優化

龔 麗，龍成樹，張林泉，劉 軍，鐘 宏， 劉清化※

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣州 510630；2.華南農業大學 食品學院，廣州 510600）

0 引言

山藥又名淮山或懷山藥，是百合目一年或多年生藤本植物，其塊莖營養豐富，蛋白質和直鏈淀粉含量高、脂肪含量低，是藥食兩用之品，特別適合于體質虛弱或脾肺腎三臟虛損不足的中老年人食用[1-5]。山藥的形態、成分及營養價值隨品種和產地不同而有差異，其中河南溫縣的鐵棍山藥形若鐵棍、色褐間紅、營養豐富，被稱為山藥之極品，被國家相關部門批準為“地理標志產品”[6-10]。除了新鮮食用之外，干片是常見的山藥藥品和食物基料形態。雖然有關于山藥片的真空冷凍干燥等高新干燥技術的工藝研究，但目前生產中仍采用熱風干燥或自然晾曬方式加工，存在產品品質不穩定、能耗高、污染嚴重和硫含量超標等問題[11-13]。

熱泵干燥技術是節能優質的干燥技術，可提供潔凈少氧的工作環境且不受外界氣候影響，在我國高附加值的水產品和臘味肉制品等加工領域應用較為廣泛[14-20]，近年也有在檸檬和陽春山藥等農產品干燥加工工藝方面的研究報導[13，20-22]，但沒有關于鐵棍山藥的熱泵干燥研究報導。

本文以河南溫縣的鐵棍山藥為研究對象，采用熱泵和熱風干燥技術進行對比干燥實驗研究，并優化工藝參數，以期為山藥節能優質干燥提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

河南省焦作市溫縣鐵棍山藥（以下簡稱鐵棍山藥）。

1.2 實驗儀器與設備

熱泵干燥實驗裝置、熱風干燥實驗裝置、電子天平、MA150C-000230V1水分測定儀、DC-P3型全自動測色色差計、尼康D3100單反相機。

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程：

原料→清洗→去皮→切片→浸清水→（熱燙）→瀝水→放入篩網盤（單層）→干燥（每隔0.5 h稱重一次）→成品（含水量在8%以下）。

1.3.2 熱燙處理對鐵棍山藥干燥效果的影響

按1.3.1工藝流程，將切片厚度為6 mm的山藥片經熱燙（沸水20 s、60 s、空白）后，進行60℃熱泵干燥。

1.3.3 干燥溫度對鐵棍山藥干燥效果的影響

按1.3.1工藝流程，將切片厚度為6 mm山藥片（不進行熱燙處理），分別進行熱風45℃、60℃和75℃以及熱泵40℃、50℃、60℃干燥。

1.3.4 物料厚度對鐵棍山藥干燥效果的影響

按1.3.1工藝流程，將切片厚度分別為3 mm、6 mm、9 mm的山藥片（不進行熱燙處理），進行60℃熱風和熱泵干燥。

1.3.5 感官評定

感官評定見表1。

表1 感官評分表Tab.1 Sensory score sheeth

1.3.6 色差值測定

將干燥成品磨成粉狀，用色差計測定L、a、b、Yi，并計算出ΔL、ΔE和dYi。其中，L代表明暗，ΔL正值，代表樣品比標準偏亮，負值代表偏暗；a代表紅綠，Δa正值，代表樣品比標準偏紅，負值代表偏綠；b代表黃藍，Δb正值，代表樣品比標準偏黃，負值代表偏藍；Yi代表黃度，dYi值越大表明顏色與黃色越接近；ΔE值越大表明被測物顏色與標準白板色差越大。其計算公式如下：

式中 L標為標準白板明度；L樣為樣品明度；Δa、Δb為色度差；Yi標為標準白板黃度；Yi樣為樣品黃度。

2 實驗結果與分析

2.1 鐵棍山藥熱泵干燥實驗結果

2.1.1 熱燙處理對鐵棍山藥熱泵干燥效果的影響

1）熱燙處理干燥曲線，見圖1—2。

圖1 熱燙處理對鐵棍山藥干燥速度的影響Fig.1 The effect of blanching treatment on the drying speed of dioscorea opposita thunb

圖2 熱燙處理對鐵棍山藥干燥速率的影響Fig.2 The effect of blanching treatment on the drying rate of dioscorea opposita thunb

圖1和圖2表明：隨著干燥時間延長，山藥水分含量迅速下降，但熱燙與未熱燙差異不顯著；在升速和降速干燥階段干燥速率曲線接近重合，說明熱燙對干燥速率影響不明顯。

2）熱燙處理對鐵棍山藥感官的影響，見圖3。

圖3和表2表明：鐵棍山藥經過熱燙處理后干燥，顏色輕微變黃，干燥有卷邊現象，而未熱燙處理組保持自然白色、感觀評分較高。綜上，鐵棍山藥干燥前不需要采取熱燙處理。

2.1.2 干燥溫度對鐵棍山藥熱泵干燥效果的影響

1）不同干燥溫度干燥曲線對比，見圖4—5。

圖3 不同熱燙處理鐵棍山藥熱泵干燥干品照片Fig.3 Photos of dioscorea opposita thunb after drying at different blanching treatment

表2 不同熱燙處理后熱泵干燥的鐵棍山藥感官評分表Tab.2 Sensory evaluation value of dioscorea opposita thunb with different blanching treatment

圖4 鐵棍山藥不同溫度熱泵干燥曲線Fig.4 The heat pump drying curve of dioscorea opposita thunb under different temperature

圖5 鐵棍山藥不同溫度熱泵干燥速率曲線Fig.5 The heat pump drying rate curve of dioscorea opposita thunb under different temperature

圖4和圖5表明：干燥溫度越高干燥速度越快，60℃干燥僅需3 h，而40℃需7 h以上；不同溫度干燥速率曲線趨勢基本相同，干燥開始短時間內干燥速率即達到峰值且恒速干燥階段不明顯，60℃峰值較大，40℃峰值最小。

2）熱泵干燥溫度對鐵棍山藥感官的影響，見圖6。

圖6和表3表明：鐵棍山藥在經過熱泵干燥后，表面總體平整，外觀品質好，感官評分都較高，但40℃和50℃組有一定程度變黃。

3）熱泵干燥溫度對鐵棍山藥色差的影響，見表4。

圖6 不同溫度熱泵干燥的鐵棍山藥照片Fig.6 Photos of dioscorea opposita thunb after drying at different dry temperature

表3 不同溫度熱泵干燥的鐵棍山藥感官評分表Tab.3 Sensory evaluation value of dioscorea opposita thunb with different heat pump drying temperature

表4 不同溫度熱泵干燥的鐵棍山藥色差值Tab.4 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different heat pump drying temperature

表4表明：60℃組ΔL值最大、ΔE值和dYi值最小，說明其亮度最高，褐變程度最小。綜上，熱泵干燥溫度選擇60℃較好。

2.1.3 厚度對鐵棍山藥熱泵干燥效果的影響

1）不同厚度鐵棍山藥熱泵干燥曲線，見圖7—8。

圖7 不同厚度鐵棍山藥熱泵干燥曲線Fig.7 The heat pump drying curve of dioscorea opposita thunb under different thickness

圖7表明：厚度對干燥速度影響顯著，厚度越薄干燥越快。由圖8知不同厚度干燥速率差異明顯，3 mm組干燥最快恒速段不明顯，9 mm較6 mm組恒速階段長。

圖8 不同厚度鐵棍山藥熱泵干燥速率曲線Fig.8 The heat pump drying rate curve of dioscorea opposita thunb under different thickness

2）厚度對鐵棍山藥感官的影響，見圖9和表5。

圖9 不同厚度鐵棍山藥熱泵干燥照片Fig.9 Photos of dioscorea opposita thunb after drying at different thickness

表5 不同厚度鐵棍山藥熱泵干燥感官評分表Tab.5 Sensory evaluation value of dioscorea opposita thunb with different slice thickness

圖9和表5表明：3 mm和9 mm組褐變較明顯，且3 mm組較脆易碎、9 mm組很硬，6 mm組硬度、脆度適中，外觀品質最好。

3）厚度對鐵棍山藥色差的影響，見表6。

表6 不同厚度的鐵棍山藥色差值Tab.6 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different slice thickness

表6數據表明，6 mm組ΔL值最大、ΔE值最小、黃度dYi值很小，說明其亮度最大、色差值較小、幾乎沒有發黃現象，因此，切片厚度選擇6 mm最佳。

2.2 鐵棍山藥熱風干燥實驗結果

2.2.1 干燥溫度對鐵棍山藥熱風干燥效果的影響

1）鐵棍山藥熱風干燥曲線，見圖10—11。

圖10和圖11是未經熱燙處理、切片厚度為6 mm鐵棍山藥熱風干燥曲線和干燥速率曲線。由圖可知：干燥溫度越高山藥干燥越快，75℃需4 h，而45℃需10 h；不同溫度組干燥速率曲線略有不同，75℃組干燥速率最大出現峰值快，恒速階段和降速階段明顯；60℃組干燥速率曲線趨勢與75℃組相近，但峰值出現較晚；45℃組干燥速率明顯較60℃和75℃組慢，且峰值出現晚、恒速段較長，降速段的下降速度也比較緩慢。

圖10 鐵棍山藥不同溫度熱風干燥曲線Fig.10 The hot drying curve of dioscorea opposita thunb under different temperature

圖11 鐵棍山藥不同溫度熱風干燥速率曲線Fig.11 The hot drying rate curve of dioscorea opposita thunb under different temperature

2）不同熱風干燥溫度對鐵棍山藥色差的影響，見表7。

表7 不同溫度熱風干燥的鐵棍山藥色差值Tab.7 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different hot drying temperature

由表7可知：75℃組ΔE值和dYi值最大、ΔL值最小，說明其褐變程度最大；45℃和60℃組ΔE值較小且差異不大；dYi值45℃組最小、60℃組居中。

綜上，綜合考慮品質和效率，熱風干燥采用60℃溫度進行。

2.2.2 厚度對鐵棍山藥熱風干燥效果的影響

1）不同厚度鐵棍山藥熱風干燥曲線，見圖12—13。

圖12 不同厚度鐵棍山藥60℃熱風干燥曲線Fig.12 The hot drying curve of dioscorea opposita thunb under different thickness

由圖12和圖13可知：物料厚度對干燥速度影響顯著，物料越薄干燥速率越大、干燥所需時間越短。其中，3 mm干燥只需3 h，6 mm約需5 h，而9 mm需7.5 h以上。

圖13 不同厚度鐵棍山藥60℃熱風干燥速率曲線Fig.13 The hot drying rate curve of dioscorea opposita thunb under different thickness

2）不同厚度對鐵棍山藥熱風干燥感官的影響，見圖14和表8。

圖14 不同厚度鐵棍山藥熱風60℃干燥成品照片Fig.14 Photos of dioscorea opposita thunb after hot drying at different thickness

表8 不同厚度鐵棍山藥熱風干燥成品感官評分表Tab.8 Sensory evaluation value of dioscorea opposita thunb with different slice thickness

由圖14和表8可知：6 mm組熱風干燥后外觀和品質相對較好，3 mm組次之，9 mm組發黑嚴重，外觀品質差。

3）不同厚度對鐵棍山藥熱風干燥色差的影響，見表9。

表9 不同厚度鐵棍山藥熱風干燥成品色差值Tab.9 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different slice thickness

由表9可知：6 mm組ΔL值最大、ΔE值最小，說明其亮度強，較白；9 mm組ΔL值最小、ΔE最大，但黃度值dYi最小，說明其外觀偏向于黑色而不發黃。

綜上，鐵棍山藥切片最優厚度為6 mm。

2.3 鐵棍山藥熱泵與熱風干燥工藝對比結果

2.3.1 熱泵與熱風干燥曲線對比

圖15 鐵棍山藥熱泵與熱風干燥曲線對比Fig.15 The hot drying curve of dioscorea opposita thunb with different dry method

圖16 鐵棍山藥熱泵與熱風干燥速率曲線對比Fig.16 The hot drying rate curve of dioscorea opposita thunb with different dry method

圖15和圖16為鐵棍山藥（切片厚度為6 mm）在60℃下熱泵及熱風干燥曲線/干燥速率曲線對比圖。由上圖可知：相同干燥溫度下熱泵比熱風干燥速度快，60℃熱泵干燥僅需3 h，而熱風約需5 h。熱泵干燥先達到峰值后經恒速階段到降速階段，其峰值較熱風干燥高。熱風干燥則先出現恒速階段后在約120 min時才出現峰值，隨后進入降速階段。

2.3.2 不同干燥方式對鐵棍山藥色差的影響

表10是不同干燥方式對山藥色差的影響，表明：ΔL值和ΔE值兩組相差不明顯，但熱風組黃度值dYi相對較大，說明其發黃現象較明顯。

表10 鐵棍山藥不同干燥方式所得成品色差值Tab.10 The color-difference of dioscorea opposita thunb with different dry method

3 結論

1）熱泵干燥和熱風干燥鐵棍山藥最佳工藝參數分別為：干燥溫度60℃、切片厚度6 mm、不經熱燙處理，干燥所需時間分別3 h和5 h。

2）熱泵干燥鐵棍山藥較熱風干燥所需時間短、產品外觀品質好，且符合國家節能環保政策要求，建議將熱泵干燥技術在鐵棍山藥干燥加工行業推廣使用。