熱風干燥過程中果蔬片脆性變化規律

武旭瑤 馬有川 黃文英 馬 鑫 吳中華,2

(1. 天津科技大學機械工程學院，天津 300222；2. 天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津 300222)

果蔬干制品是一種方便即食、口感酥脆、營養豐富、綠色健康、便于攜帶的果蔬休閑食品，越來越受消費者的喜愛[1]。干制是果蔬干制品的主要加工方法，包括熱風干燥、真空干燥、自然晾曬、擠壓膨化和冷凍干燥等方式[2-3]；其中熱風干燥是工業生產中使用最普遍的干燥方法，具有成本低、操作簡單等優點，在馬鈴薯、葡萄、香蕉等果蔬的干燥加工中得到了廣泛應用[4-8]。脆性是衡量果蔬脆片質構品質的一個重要指標，是指食品在口腔中的器官(牙齒等)的擠壓作用下破碎過程的內心感受，包括牙齒咬合食品的觸感(力學)和食品破裂時聲音感受(聲學)[9]。脆性的儀器分析方法包括力學方法和聲學方法[10]，目前國內外對于果蔬干制品質構的研究主要采用力學測量方法，即測定物料在機械壓縮或剪切過程中的力學變化，并采用物料的最大斷裂距離、力—位移曲線峰個數、斜率等反映物料脆性[10-14]。例如，Jia等[13]采用柿片斷裂時的力、斷裂時間和斷裂能量來表示脆性。類似的，Zhang等[14]采用斷裂時間表示馬鈴薯片的脆性。近年來，有研究采用聲學方法對物料脆度進行檢測[15-17]，聲學方法是通過分析物料被壓縮至破裂時發出的聲音信號來對物料脆性進行反映[18]。目前聲學信號測量主要采用麥克風和聲壓計，但其采樣頻率和靈敏度低，用于測量果蔬干制品破裂發出的短促聲音時易丟失信號。

材料受力產生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出能量的現象稱為聲發射，聲發射技術則是采用電子技術、計算機技術以及信號處理手段將聲音信號進行量化的技術，可更直觀全面地反映試樣結構變化的聲音信號特征[19-20]。相對麥克風和聲壓計(幾十到幾百赫茲)，聲發射傳感器采樣頻率可達2 MHz，更適合分析食品破裂時發出的短促聲音。胥慧麗等[21]利用自建的食品脆性力學和聲學綜合檢測裝置，對馬鈴薯片產品的脆性進行了力學和聲學的測量，發現可通過聲波能量信號的峰值與最大應力對馬鈴薯片產品的脆性進行量化分級；試驗結果表明采用將力學與聲發射結合的測量方法，可以更全面和準確地分析果蔬干制品的脆性。但僅限于干燥后馬鈴薯產品的脆性，對干燥過程中果蔬脆性的變化情況還未開展。

研究擬基于實驗室搭建的食品脆性力學和聲學檢測裝置，以新鮮馬鈴薯片和香蕉片為試驗物料，通過測量80 ℃熱風干燥中不同時刻樣品的脆性表征參數(應力和聲發射能量值)，結合含水率和密度參數來揭示熱風干燥過程果蔬片的脆性變化規律，以優化干燥工藝和調控果蔬片的干燥過程，并從脆性角度確定最佳的干燥終了時間。

1 材料及方法

1.1 試驗材料

新鮮馬鈴薯和香蕉購于當地的大潤發超市，挑選形狀規整、大小適中、表皮光滑、表面沒有芽根和任何損傷的新鮮土豆，于0 ℃的冰箱中貯藏備用。試驗時將馬鈴薯清洗、去皮后用果蔬切片機和標準切圓模具切成厚度為3 mm、直徑為40 mm的圓形薄片。馬鈴薯片初始含水率為83.17%左右。香蕉于每次試驗前購買，選用外表色澤青黃、氣味清香、直徑在35 mm左右的新鮮香蕉，去皮后用標準尺刀切成厚度為3 mm的圓形薄片。香蕉片的初始含水率為79.39%左右。

1.2 主要儀器設備

電熱鼓風干燥箱：DL-101-3BS型，天津市中環實驗電爐有限公司；

果蔬智能熱風干燥箱：SY-5型，北京華珍烘烤設備工程有限公司；

食品脆性力學和聲學檢測裝置(如圖1所示)：實驗室自制；

全信息聲發射信號分析儀：DS5-8B型，中國北京軟導時代科技有限公司；

質構儀：CT3型，美國博勒飛公司；

場發射掃描電子顯微鏡：Sigma300型，德國卡爾蔡司公司。

1. AE監測分析系統 2. 聲發射儀 3. 聲發射探頭 4. 質構儀探頭 5. 質構儀 6. 數據采集系統

1.3 試驗方法

1.3.1 脆性 將切好的馬鈴薯片，置于鐵絲網盤中編號，單層平鋪在果蔬智能熱風干燥箱的同一層內，干燥溫度設置為80 ℃。每隔30 min取出10個樣本，待樣本溫度達到室溫時，利用實驗室搭建的食品脆性力學和聲學檢測裝置測量脆性，操作方法及參數設置見文獻[21]。與馬鈴薯片相同，將切好的香蕉片，重復以上步驟，對每個時間段內香蕉片的脆性重復10次測量。

1.3.2 密度 參考劉勇等[22]的方法，采用電子天平加密度組件測定馬鈴薯片以及香蕉片的密度。

1.3.3 微觀結構 利用Sigma300型場發射掃描電子顯微鏡對干燥完成，含水率降到5%左右的果蔬片樣品進行微觀結構掃描，操作步驟：開啟氣瓶氣閥，按壓設備啟動按鈕；打開樣品室將需要鍍膜的樣品放在樣品臺上，關閉樣品室，點擊開始按鈕；鍍膜結束后取出樣品，關設備，關氣瓶樣品。選取放大倍數為100倍進行分析討論。

1.4 數據處理

應用Origin 2020軟件將質構儀采集到的力學參數與聲發射儀器采集到的聲學參數進行統計和繪圖。

2 結果與分析

2.1 熱風干燥過程中馬鈴薯片脆性變化

2.1.1 單個時刻馬鈴薯片脆性的聲學和力學分析 以于80 ℃干燥90 min的馬鈴薯片樣品為例，利用食品脆性力學和聲學檢測裝置采集到的馬鈴薯片在壓縮過程中的聲音信號的全波形圖如圖2所示。由圖2可知，CH1通道(對照組)測量環境聲音，沒有出現明顯的聲脈沖信號；CH2通道測量樣品破碎發出的聲音，可發現明顯的聲發射脈沖信號。對照CH1和CH2兩通道測量結果，發現聲發射信號是馬鈴薯片在壓縮過程中產生的，即果蔬脆片在機械壓縮過程中，其發出的多次短促聲發射信號可被測定并表征[22]。

圖2 馬鈴薯片聲發射全波形圖

馬鈴薯片樣品機械壓縮至破裂過程中，質構儀采集到的應力與壓縮時間關系如圖3所示，隨著壓縮時間的增加，應力的變化趨勢為先增大后急劇減小，并且在應力逐漸增大的過程中出現了多個中間波峰，說明馬鈴薯片發生多次小破裂；應力達到峰值后急劇減小，說明馬鈴薯片發生整體性破裂[21]。

圖3 馬鈴薯片應力與壓縮時間的關系曲線

圖4為圖2和圖3合并得到的馬鈴薯片樣品在機械壓縮時應力和聲發射能量圖，合并處理包括：當質構儀探頭接觸到物料時開始采集聲發射信號，將應力和聲發射信號時刻同步；對圖3中單位時間聲發射信號能量進行累加。由圖4可以看出，在壓縮初始階段(0～0.3 s)，無聲發射能量出現；當壓縮到0.3 s時，馬鈴薯片受到的應力增大，出現聲發射能量信號；在0.3～0.5 s時，聲發射信號比較密集，說明在此時間段內，馬鈴薯片出現了明顯的斷裂現象。此外，聲發射能量信號最大值對應了應力的最大峰值，說明馬鈴薯片應力變化和聲發射信號之間存在著對應關系。圖4中，馬鈴薯片最大應力為10 N，最大聲發射能量為11.9 mVms。

圖4 馬鈴薯片應力與聲發射能量關系

2.1.2 熱風干燥過程中馬鈴薯片脆性變化規律 將干燥箱溫度設為80 ℃，每隔30 min取出馬鈴薯片樣品10個，并根據2.1.1的方法測量樣品的聲學和力學信號，得到不同干燥時刻馬鈴薯樣品能量、力與時間的關系圖，如圖5所示。

圖5 80 ℃干燥過程中力及AE能量

從圖5可以看出，在質構儀機械壓縮過程中，力呈先增大后急劇減少的趨勢；力增大過程中，存在多個力信號峰，且每個力信號峰下對應一個或者多個AE能量信號峰。隨著干燥時間的增加，馬鈴薯片樣品在機械壓縮過程中檢測到的AE能量信號峰數量增多，而且AE能量信號峰值增大。干燥過程中馬鈴薯脆性應力和聲學參數變化，與其內部質構密切相關。原因可能是隨著干燥的進行，馬鈴薯片內部的水分逐漸擴散，含水率逐漸降低到一定程度時，馬鈴薯片內部逐漸由充滿水分的細胞狀結構，變成具有蜂窩狀空隙結構，如圖6所示。馬鈴薯片斷口表面有很多淀粉顆粒，多數為圓形或者橢圓形，大小不一，排列緊密，并且表面附著一層纖維，纖維呈蜂窩狀排列。機械壓縮過程中，馬鈴薯片在整體斷裂出現最大力峰信號前，質構儀探頭需壓碎內部的蜂窩狀排列結構，因此采集到多個顯著的力峰和豐富的AE信號。

圖6 馬鈴薯片掃描電鏡下結構特征圖

圖7表示80 ℃干燥過程中，馬鈴薯的脆性參數，含水率和密度隨干燥時間變化，其中脆性參數—最大應力與聲發射能量從圖5中得到。從圖7可以看出，隨著干燥時間的增加，密度的變化趨勢為先增大后減??；干燥時間為150 min時，密度達到最大。原因是干燥時間增加，馬鈴薯出現明顯皺縮，體積減小導致密度增加，當干燥到一定時間時，體積及質量變化不再明顯，密度變化曲線比較平滑，含水率隨干燥時間增加而減小，干燥180 min后，含水率下降趨勢變緩。Rojo等[23]研究發現，薯片的機械強度與材料的固有性能和內部的結構有關；不同干燥時間的馬鈴薯片，其內部結構不同，導致機械強度和聲發射能量不同，與圖7中的試驗結果類似。

圖7中，聲發射信號能量在干燥45 min后才出現，此時含水率為80%左右；而后隨著干燥時間增加和含水率減小，聲發射信號能量逐漸增大。其原因是熱風干燥過程中，馬鈴薯從表面向內部逐漸脫水干燥，先在馬鈴薯表面形成干燥層(帶空隙的結構)，此時聲發射信號開始出現并比較弱；隨著干燥層向馬鈴薯內部延伸，聲發射能量逐漸增大。當馬鈴薯片含水率降低到一定程度后，干燥層保持不變，聲發射能量不再增加。當干燥到180 min時，馬鈴薯片的含水率降到了10.7%，此時的聲發射能量最大，為255.38 mVms；密度最低，為0.984；應力也處于最低狀態，為20.25 N；意味著此時馬鈴薯片，所需牙齒咬合力最小，但壓合過程中感受到的聲音大，感官上馬鈴薯片脆性較好。干燥到250 min時，馬鈴薯片脆性也較好，但此時含水率為5%，馬鈴薯過干，干燥時間也延長70 min(干燥時間增加近39%)。因此，從馬鈴薯脆性角度考慮，將干燥180 min作為干燥的終點較適當。由于研究目標為干燥過程馬鈴薯脆性變化，因此僅考慮了馬鈴薯脆性參數、含水率和密度等指標；生產實踐中，增加馬鈴薯片色澤、形狀、營養成分等指標，可更全面判斷干燥終點。從圖8可以看出，當含水率降到10%左右時，馬鈴薯片的能量和力值較為集中，且處于峰值階段。

圖7 80 ℃干燥過程中馬鈴薯片脆性、密度與含水率的變化

圖8 80 ℃干燥過程中馬鈴薯片最大力、能量與含水率的關系

2.2 熱風干燥過程中香蕉片脆性變化規律

與馬鈴薯片干燥過程類似，將干燥溫度設為80 ℃，每隔30 min測量香蕉片干燥過程中的聲學和力學信號，得到各個時間段內能量、力與時間的關系如圖9所示。

圖9 80 ℃干燥過程中香蕉片脆性變化

從圖9可以看出，在機械壓縮過程中，香蕉片的最大力值和最大能量值隨干燥時間的變化趨勢與馬鈴薯片相似。但相對于馬鈴薯片，熱風干燥香蕉片的應力峰和聲發射能量峰更豐富。如圖10所示，香蕉片斷口表面出現較多數量孔洞，整體呈蜂窩狀結構，孔隙間排列有序；從單個的孔洞外觀來看，形狀比較規則、具有一定的壁厚，孔徑區別相差不大。機械壓縮過程中，香蕉片在整體斷裂出現最大力峰信號前，質構儀探頭需壓碎內部充滿空氣的蜂窩狀小孔洞或裂縫，因此采集到多個顯著的力峰和豐富的AE信號。

圖10 香蕉片掃描電鏡下結構特征圖

圖11為80 ℃干燥過程中，香蕉片的脆性參數，含水率和密度隨干燥時間變化；圖12為80 ℃干燥過程中香蕉片最大力、能量與含水率的關系。觀察圖12可以得出，當含水率降到10%左右時，香蕉片的能量和力值較為集中，且處于峰值階段。從圖11可以看出，干燥過程中香蕉片密度變化趨勢不具有明顯的規律性，可能是因為香蕉本身具有一定的黏性，干燥過程中質量減小，而體積變化無規律，導致密度出現不規則變化。當干燥時間為300 min時，密度達到最大，原因是干燥時間增加，香蕉體積出現明顯皺縮，而質量變化不大，導致密度增加。干燥150 min時，應力最大(可能是隨著干燥時間的增加在香蕉的表面形成了一層硬殼，造成應力升高)；干燥150～200 min時，應力值有一個下降過程，并在200 min后保持穩定。聲發射能量從干燥60 min后出現并快速增加，到240 min后增加變緩，在270 min時達到峰值后保持穩定。綜合干燥時長考慮，將干燥240 min作為干燥的最佳時間，此時香蕉片的含水率為8%，聲發射能量為122.58 mVms，應力為18.01 N，密度為0.936。

圖11 80 ℃干燥過程中脆性、密度與含水率的變化

圖12 80 ℃干燥過程中香蕉片最大力、能量與

從組成成分角度分析，馬鈴薯的主要組成成分為淀粉，占總成分的9%～20%；香蕉的淀粉成分為0.5%，主要組成成分纖維素含量為11.5%。馬鈴薯的初始淀粉含量高，最終形成的骨架比較密實，造成馬鈴薯片的硬度以及能量大于香蕉片，表現為硬脆性，而香蕉片表現為酥脆性。

3 結論

以新鮮馬鈴薯片和香蕉片為研究對象，利用質構儀以及聲發射儀組成的食品脆性力學與聲學檢測裝置，測量在熱風溫度為80 ℃時，干燥過程中的果蔬樣品脆性力學和聲學參數，結合樣品含水率和密度變化，揭示熱風干燥過程中果蔬脆性變化規律。結果表明：干燥過程中不同果蔬呈現不同脆性變化規律。干燥過程中馬鈴薯片分別出現兩次應力和聲發射能量峰值；香蕉片出現一次應力峰值，并且聲發射能量隨干燥時間不斷增加趨勢。干燥果蔬片脆性與內部質構存在緊密關聯，當樣品密度處于最低狀態，內部較疏松時，果蔬片的聲發射能量最高。結合馬鈴薯與香蕉片的應力、聲發射能量、密度和含水率變化，得出在80 ℃下，干燥180 min為馬鈴薯的最佳干燥時間，此時最大力為20.25 N，最大聲發射能量為255.38 mVms；干燥240 min為香蕉片的最佳干燥時間，此時脆性力學參數最大力為18.01 N，最大聲發射能量為122.58 mVms。

研究主要從力學和聲學特性方面研究果蔬干燥過程中脆性變化規律，并結合含水率變化優化干燥時間。后續將進一步研究干燥條件如干燥溫度、熱風風速等對果蔬脆性的影響，同時結合色澤、外形、營養成分保留值等參數優化干燥過程。