槟榔预处理及热风干燥工艺条件优化 娄 正1,刘 清1,*,郭 晶2,师建芳1,赵玉强1,高学敏1 (1.农业部规划设计研究院农产品加工工程研究所,北京 100125;2.沈阳农业大学工程学院,辽宁 沈阳 110866)
摘 要:为了探索槟榔的优良加工工艺,研究采用不同水煮时间(10、20、30 min)和水煮温度(80、90、100 ℃)预处理工艺后槟榔的干燥特性和干燥后长径比变化情况;并研究不同干燥温度(50、55、60、65 ℃)和装载质量(16、24、32、40 kg/m2)条件下的干燥特性。结果表明:不同水煮时间对槟榔干燥后水分比的变化影响不显著;不同水煮温度对槟榔干燥后水分比的变化影响较显著。不同水煮时间和水煮温度条件下槟榔干燥后的长径比变化差异显著,长径比随着水煮时间的延长而降低,随着水煮温度的升高而升高。较优的水煮预处理工艺为:水煮时间10 min、水煮温度100 ℃。干燥温度和装载质量对槟榔干燥的含水率变化有显著影响,且干燥速率随着干燥温度的升高而增大,随着装载质量的增加而减少。槟榔的热风干燥没有恒速干燥阶段,只有降速干燥阶段。较优的热风干燥工艺为:干燥温度60 ℃、装载质量24 kg/m2。 关键词:热风;干燥;槟榔;预处理
Pretreatment and Hot Air Drying of Betel Nuts
LOU Zheng1, LIU Qing1,*, GUO Jing2, SHI Jian-fang1, ZHAO Yu-qiang1, GAO Xue-min1 (1. Institute of Agro-Products Processing Engineering, Chinese Academy of Agricultural Engineering, Beijing 100125, China; 2. College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)
Abstract: This study explored the effects of different boiling periods (10, 20 and 30 min) and temperatures (80, 90 and 100 ℃) Key words: hot air; drying; betel nut; pretreatment 中图分类号:S375 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)16-0046-06 doi:10.7506/spkx1002-6630-201416009 槟榔,又名宾门、青仔等,是棕榈科植物槟榔树的果实[1]。槟榔的果实是仅次于烟草、酒精和咖啡因的世界上第4种被广泛使用的嗜好品,目前全世界约有六亿人食用槟榔[2-3]。咀嚼槟榔是一种传统习俗,在世界范围内有着两千多年的历史,并延续至今。槟榔在我国同样深受广大消费者的喜爱,被誉为“中国的绿箭口香糖”[4-5]。除此之外,槟榔还有着丰富的药用价值[6-8],是我国著名的四大南药之一[9-11]。目前槟榔仅次于天然橡胶是海南省第二大热带经济作物,已成为海南经济支柱产业之一。因此,探索优良的槟榔加工工艺具有重要意义[12]。 槟榔采摘后除少量鲜食外,绝大多数须经过干燥才能长期存放和加工,干燥是槟榔初级加工中最主要最关键的步骤或方式之一,干燥工艺直接决定着槟榔产品的质量。槟榔在干燥前,一般需要进行蒸煮预处理,预处理也是槟榔加工中重要的环节[13-14]。蒸煮可以软化槟榔,不经蒸煮的槟榔干制后硬度大,不利于加工和咀嚼;蒸煮可以破坏槟榔木质结构,使水分在后续的烘干过程中快速逸出,缩短烘干时间;蒸煮可以达到杀菌灭酶的部分功效[15-16]。因此,为了提高槟榔干制的品质、缩短干制时间,研究优良的槟榔干燥工艺势在必行。本实验研究了水煮时间、水煮温度、干燥温度和装载质量对槟榔干燥的影响,研究槟榔的热风干燥曲线和槟榔干燥前后的长径比变化,以考察不同的预处理和干燥工艺对槟榔干燥和长径比的影响,为优化槟榔的热风干燥工艺提供技术依据。 1 材料与方法 1.1 材料 所用原料为新鲜的槟榔,购买自海南省万宁北纬十八槟榔产销专业合作社。槟榔平均初始湿基含水率为81.81%(105 ℃烘干法测定)。将新鲜槟榔放于纸箱中并将其置于(5±1)℃的冰箱中保存。 1.2 仪器与设备 SJT-40W热风烘箱 韩国E-brain干燥设备公司;HDS-D180B-D多功能电热烘干机 辽宁海帝升机械有限公司;DJ-20002电子天平 福州华志科学仪器有限公司;48897水浴锅 北京市永光明医疗仪器有限公司;544电热恒温鼓风干燥箱 上海锦昱科学仪器有限公司。 1.3 方法 1.3.1 原料处理 从冰箱中取出保存的槟榔,等待其温度达到室温。选取直径大小相差不大,无腐烂霉变,颗粒饱满的槟榔作为实验物料。先将槟榔进行水煮预处理,之后擦干槟榔表面水分凉至室温。将槟榔摆放在物料托盘上,然后将槟榔采用不同的装载质量和干燥温度进行干燥实验,每隔数小时测定样品的质量变化。每组实验重复3次。 1.3.2 不同水煮预处理条件对槟榔干燥和干燥后长径比的影响 选择不同的水煮时间10、20、30 min进行实验,其中水煮温度为100 ℃;选择不同的水煮温度80、90、100 ℃进行实验,其中水煮时间为10 min。将经过预处理后的槟榔进行干燥,装载质量为16 kg/m2,干燥温度为55 ℃。考察槟榔的干燥曲线和槟榔干燥后的长径比变化。 1.3.3 干燥温度对槟榔干燥的影响 选择干燥温度分别为50、55、60、65 ℃,干燥时装载质量为16 kg/m2。其中预处理条件为水煮温度100 ℃、水煮10 min。 1.3.4 装载质量对槟榔干燥的影响 选择装载质量分别为16、24、32、40 kg/m2。为了更加深入地了解装载质量对槟榔干燥的影响,在不同的干燥温度55 ℃和60 ℃条件下分别进行了实验。其中预处理条件为水煮温度100 ℃、水煮10 min。 1.4 相关参数计算 在槟榔干燥过程中,每隔2 h测定槟榔的质量,通过计算得出槟榔的干基含水率Mt(moisture content in dry base)、干燥水分比(moisture ratio,MR)和干燥速率(drying rate,DR)在不同预处理、装载质量和干燥温度条件下随干燥时间t的变化情况,并绘制出MR-t曲线、DR-Mt曲线。 任意干燥时刻t时的干基含水率Mt采用式(1)计算: (1) 式中:Wt为在任意干燥t时刻的物料质量/g;G为物料的干物质质量/g。 任意干燥时刻t时的干燥水分比MR采用式(2)计算: (2) 式中:M0为槟榔的初始干基含水率/(g/g);Me为槟榔干燥到平衡时的干基含水率/(g/g);Mt为槟榔在任意干燥t时刻的干基含水率/(g/g)。 任意干燥时刻t时的干燥速率DR采用式(3)计算: (3) 式中:Mt1为t1时刻的槟榔干基含水率/(g/g);Mt2为t2时刻的槟榔干基含水率/(g/g)。 由于槟榔的平衡干基含水率Me远小于M0和Mt,式(3)可以简化为式(4): (4) 槟榔干燥之前和之后分别测量槟榔的长度L和直径D,通过计算得出槟榔的长径比K,用式(5)表示: (5) 为了消除槟榔原料初始大小不同对槟榔长径比的影响,分析时使用槟榔的修正长径比K’,用式(6)计算: (6) 式中:Kt为t时刻的槟榔长径比;K0为槟榔的初始长径比。 2 结果与分析 2.1 水煮预处理对槟榔干燥的影响 将新鲜槟榔分别进行10、20、30 min的不同水煮时间预处理。预处理后使用干燥温度55 ℃、装载质量16 kg/m2进行干燥。根据干燥实验结果,绘制不同水煮时间条件下水分比曲线和干燥速率曲线,其中水煮温度为100 ℃,结果如图1所示。将新鲜槟榔分别进行80、90、100 ℃的不同水煮温度预处理。预处理后使用干燥温度55 ℃、装载质量16 kg/m2进行干燥。根据干燥实验结果,绘制不同水煮温度条件下水分比曲线和干燥速率曲线,其中水煮时间为10min,结果如图2所示。
a.水分比曲线;b.干燥速率曲线。 图 1 不同水煮时间条件下槟榔干燥曲线 Fig.1 Drying curves of betel nuts under different boiling periods
a.水分比曲线;b.干燥速率曲线。 图 2 不同水煮温度条件下槟榔干燥曲线 Fig.2 Drying curves of betel nuts under different boiling temperatures 由图1a和图2a可以看出,槟榔的水分比随着干燥时间的延长而呈现降低的趋势,其中水煮时间越久含水率降低越快,经过水煮预处理和无处理的槟榔相比干燥曲线差异十分明显,水煮时间超过10 min之后差异不明显;水煮温度越高含水率降低越快,差异十分明显。娄正等[17]的研究结果也表明热水处理过的板栗其干燥时间明显缩短。将槟榔干燥相同的56 h后,水煮温度为100 ℃时水煮时间分别为10、20、30 min条件下,槟榔的湿基含水率分别降为29.40%、27.58%和26.68%;水煮时间为10 min时水煮温度分别为80、90、100 ℃条件下,槟榔的湿基含水率分别降为38.07%、32.55%和29.40%。可以看出在相同干燥时间的条件下,水煮时间的延长和水煮温度的升高可以加快槟榔的水分去除。 由图1b和图2b可以看出,槟榔干燥速率随着干基含水率的降低呈不断下降趋势,整个干燥过程没有恒速干燥阶段,始终处于降速干燥阶段。干燥速率下降时呈现出波动,这可能是因为槟榔表皮的糊化一定程度上抵消了烫漂对提高干燥速率的促进作用,干燥速率反而降低[18]。在相同干燥时间的条件下,槟榔水煮预处理时间越久,干燥速率越快。经过水煮预处理和无处理的槟榔相比干燥速率曲线差异十分明显,而水煮时间超过10 min之后差异不明显,这可能是因为水煮10 min已经基本达到了预处理的效果。在水煮时间相同的条件下,槟榔水煮温度越高干燥速率降低越快,差异较明显。干基含水率在1.0 g/g以下时,不同槟榔水煮时间下的干燥速率无明显差异。可以看出,有无水煮预处理的干燥曲线差异十分明显,水煮预处理可以明显加快干燥速率,缩短干燥时间。这可能是因为水煮处理可以软化木材的纤维结构,魏新莉等[19]的研究发现水煮时间对意杨压缩后的物理力学性能影响较大。 2.2 水煮预处理对槟榔长径比的影响
图 3 不同水煮时间条件下槟榔干燥后长径比曲线 Fig.3 Length/diameter ratio curves after drying of betel nuts under different boiling periods 目前槟榔加工商家普遍将槟榔干燥后的长径比作为槟榔干品质量的衡量标准之一,一般认为长径比越大越好。将新鲜槟榔分别进行10、20、30 min的不同水煮时间预处理。预处理后使用干燥温度55 ℃、装载质量16 kg/m2进行干燥。根据干燥实验结果,绘制不同水煮时间条件下修正长径比变化曲线,其中水煮温度为100 ℃,结果如图3所示。将新鲜槟榔分别进行80、90、100 ℃的不同水煮温度预处理。预处理后使用干燥温度55 ℃、装载质量16 kg/m2进行干燥。根据干燥实验结果,绘制不同水煮温度条件下修正长径比变化曲线,其中水煮时间为10 min,结果如图4所示。
图 4 不同水煮温度条件下槟榔干燥后长径比曲线 Fig.4 Length/diameter ratio curves after drying of betel nut under different boiling temperatures 由图3和图4可以看出,槟榔的长径比随着干燥时间的延长而呈现升高的趋势,其中水煮时间越久长径比升高越慢,差异较明显;水煮温度越高长径比升高越快,差异十分明显。将槟榔干燥相同的56 h后,水煮温度为100 ℃时水煮时间分别为10、20、30 min条件下,槟榔的修正长径比分别为1.66、1.65和1.57;水煮时间为10 min时水煮温度分别为80、90、100 ℃条件下,槟榔的修正长径比分别为1.51、1.52和1.66。可以看出在相同干燥时间的条件下,水煮时间的减少和水煮温度的提高可以增大槟榔干燥后的长径比,水煮时间越短和水煮温度越高干燥后的长径比越大[20]。 表 1 不同水煮时间对槟榔干燥后长径比的影响 (50 ℃) Table 1 Effect of boiling period on length/diameter ratio of betel nuts after drying (50 ℃)
表 2 不同水煮时间对槟榔干燥后长径比的方差分析(50 ℃) Table 2 Analysis of variance for length/diameter ratio of betel nuts after drying under different boiling periods (50 ℃)
为了进一步深入了解水煮预处理对槟榔干燥后长径比的影响,将槟榔在100 ℃的水煮温度条件下,进行不同水煮时间3、6、9、12 min预处理,并采用50 ℃和55 ℃分别进行干燥。50 ℃和55 ℃干燥后槟榔的长径比数据及方差分析见表1~4。 表 3 不同水煮时间对槟榔干燥后长径比的影响(55 ℃) Table 3 Effect of boiling period on length/diameter ratio of
表 4 不同水煮时间对槟榔干燥后长径比的方差分析(55 ℃) Table 4 Analysis of variance for length/diameter ratio of betel nuts after drying under different boiling periods (55 ℃)
由表1可知,在50 ℃干燥条件下,经过100 ℃不同水煮时间处理的槟榔,干燥后的平均长径比随水煮时间的延长而呈现先增加后减小的趋势,其中经9 min水煮干燥后的槟榔长径比最大。如表2实验结果方差分析显示,在显著性水平为0.05的条件下,干燥温度为50 ℃时水煮时间对槟榔长径比有显著的影响,改变水煮时间可以有效改变槟榔长径比。由表3可知,在55 ℃干燥条件下,经过100 ℃不同水煮时间处理的槟榔,干燥后的平均长径比随水煮时间的延长而呈现出逐渐减小的趋势,其中经3 min水煮干燥后的槟榔长径比最大。如表4 2.3 干燥温度对槟榔干燥的影响 将新鲜槟榔分别采用不同的干燥温度50、55、60、65 ℃进行干燥。水煮预处理工艺为水煮温度100 ℃、水煮时间10 min。根据干燥实验结果,绘制不同干燥温度条件下水分比曲线和干燥速率曲线,如图5所示,干燥时装载质量为16 kg/m2。
a.水分比曲线;b.干燥速率曲线。 图 5 不同干燥温度条件下槟榔干燥曲线 Fig.5 Drying curves of betel nuts under different drying temperatures 由图5a可以看出,槟榔的水分比随着干燥时间的延长而呈现降低的趋势,其中干燥温度越高含水率降低越快,不同温度间差异十分明显。将槟榔干燥相同的88 h后,槟榔的湿基含水率分别降为46.72%、17.91%、12.99%和9.63%。可以看出在相同干燥时间的条件下,干燥温度的升高可以加快槟榔水分的去除,减少干燥时间。干燥温度为50 ℃条件下槟榔的水分去除极其缓慢,曲线明显不同于其他条件;60 ℃和65 ℃条件下干燥曲线相差不大。 由图5b可以看出,槟榔干燥速率随着干基含水率的降低呈不断下降趋势,整个干燥过程没有出现明显的恒速干燥阶段,始终处于降速干燥阶段。这说明内部水分扩散是槟榔干燥的主导因素,这与大多数生物物料的干燥特性相类似[21-22]。这可能是因为槟榔在干燥过程中其水分蒸发的界面随着干燥过程的进行不断向内部迁移,水分迁移的距离不断增加,进而导致干燥速率的逐渐降低[23]。在相同干燥时间条件下,干燥温度越高,槟榔干燥速率越大,降低越快,不同干燥温度下的干燥速率差别十分明显。槟榔干基含水率在1.0 g/g以下时,不同干燥温度条件下干燥速率差别不大。 2.4 装载质量对槟榔干燥的影响 将新鲜槟榔分别采用不同的装载质量16、24、32、40 kg/m2进行干燥。水煮预处理工艺为水煮温度100 ℃、水煮时间10 min。根据干燥实验结果,绘制不同装载质量条件下水分比曲线和干燥速率曲线。其中不同干燥温度55 ℃和60 ℃的结果分别如图6和图7所示。
a.水分比曲线;b.干燥速率曲线。 图 6 不同装载质量条件下槟榔干燥曲线(55℃) Fig.6 Drying curves of betel nuts under different loading weights (55 ℃)
a.水分比曲线;b.干燥速率曲线。 图 7 不同装载质量条件下槟榔干燥曲线(60℃) Fig.7 Drying curves of betel nuts under different loading weights (60 ℃) 由图6a和图7a可以看出,槟榔的水分比随着干燥时间的延长而呈现降低的趋势,其中装载质量越小含水率降低越快,差异较明显。考虑到50 ℃条件下槟榔的干燥时间过长,试验选择55 ℃和60℃分别进行研究。将槟榔干燥相同的76 h后,干燥温度为55 ℃时装载质量分别为16、24、32、40 kg/m2条件下,槟榔的湿基含水率分别降为26.87%、36.21%、37.06%和39.94%;干燥温度为60 ℃时装载质量分别为16、24、32、40 kg/m2条件下,槟榔的湿基含水率分别降为16.61%、19.12%、21.55%和22.30%。可以看出在相同干燥时间的条件下,装载质量的增加可以减慢槟榔水分去除,会导致干燥时间的延长。干燥温度为60 ℃条件下不同装载厚度的槟榔干燥曲线差异相比55 ℃干燥时更加明显。 由图6b和图7b可以看出,槟榔干燥速率随着干基含水率的降低呈不断下降趋势,整个干燥过程没有恒速干燥阶段,只有降速阶段。在相同干燥时间条件下,槟榔装载质量越小,干燥速率降低越快,差异较明显,这可能是因为装载质量大导致热风穿透能力降低,减弱了水分的迁移动力[24-25]。在干燥温度相同的条件下,槟榔装载质量越大干燥速率降低越慢,差异较明显。干基含水率在1.0 g/g以下时,不同槟榔装载质量下的干燥速率差别不大。 3 结 论 3.1 水煮预处理是槟榔干燥前的重要步骤。无水煮和有水煮条件对干燥的影响差异显著,水煮预处理可以有效加快干燥的进程,而水煮时间超过10 min之后差异不显著;不同水煮温度对槟榔干燥后含水率的变化影响显著,水煮温度越高干燥速率降低越快。较优的水煮预处理工艺为:水煮时间10 min、水煮温度100 ℃。 3.2 水煮时间和水煮温度对槟榔干燥后的长径比变化影响显著,且随着水煮时间的延长而降低,随着水煮温度的升高而升高。在干燥温度较低时水煮时间对槟榔干燥后的长径比有显著影响,改变水煮时间可以有效改变槟榔长径比。 3.3 槟榔的热风干燥没有恒速干燥阶段,只有降速干燥阶段。干燥温度对槟榔的干燥有显著影响,且干燥速率随着干燥温度的升高而增大;装载质量对槟榔干燥的干燥时间有显著影响,且干燥速率随着装载质量的提高而减小。较优的热风干燥工艺为:干燥温度60 ℃、装载质量24 kg/m2。 参考文献: [1] 沈瑾, 孙洁, 高学敏, 等. 海南省槟榔产地初加工干燥设施及技术推广建议[J]. 农业工程技术: 农产品加工业, 2012(7): 43-45. [2] 许丹, 刘芳, 申衍豪, 等. 食用槟榔加工的安全风险评估研究进展[J]. 食品工业科技, 2012, 33(5): 388-390. [3] JARIMOPAS B, NIAMHOM S, TERDWONGWORAKUL A. Development and testing of a husking machine for dry betel nut (Aireca catechu Linn.)[J]. Biosystems Engineering, 2009, 102(1): 83-89. [4] 吴清波, 罗士数, 张海德. 响应面法优化超临界萃取槟榔碱工艺[J]. 食品科技, 2011, 36(9): 251-256. [5] 李岚, 邓学良, 李忠海, 等. 不同加热方式对槟榔油品质的影响[J]. 食品科技, 2012, 37(2): 188-191. [6] 牟肖男, 杨文强, 王文婧, 等. 槟榔的化学成分[J]. 暨南大学学报, 2014, 35(1): 56-60. [7] 陈峰, 刘涛, 李建军, 等. 槟榔的药用价值[J]. 中国热带医学, 2014, 14(2): 243-245. [8] 刘蕊, 郑俊豪. 烘干温度与实践对槟榔中槟榔碱含量的影响[J]. 现代农业科技, 2014(7): 291-292. [9] 高华北, 张花玲, 黄曦, 等. 槟榔加工作业对机体免疫功能的影响[J]. 中国热带医学, 2009, 9(2): 306-307. [10] 倪丹蓉, 吴宝祥, 丁伟娇. 不同加工方法对槟榔碱含量的影响[J]. 中国医药导报, 2007, 23(4): 97. [11] 陈瑞生, 陈相银, 张露露. 槟榔的炮制加工[J]. 首都医药, 2011(5): 51. [12] 朱莉, 张海德. 槟榔加工的现状及展望[J]. 农产品加工, 2011(8): 68-69. [13] 谢龙莲, 张慧坚, 方佳. 我国槟榔加工研究进展[J]. 广东农业科学, 2011(4): 96-98. [14] 张可喜, 符新, 王祝年, 等. 槟榔热风干燥工艺的研究[J]. 热带农业工程, 2006(1): 20-23. [15] 陈健, 孙爱东, 高雪娟, 等. 响应面分析法优化超声波提取槟榔原花青素工艺[J]. 食品科学, 2011, 32(4): 82-86. [16] 罗士数, 张海德, 朱莉, 等. 槟榔中槟榔碱的乙醇回流提取工艺研究[J]. 食品科学, 2010, 31(20): 106-110. [17] 娄正, 高振江, 肖红伟, 等. 板栗气体射流冲击干燥特性和工艺优化[J]. 农业工程学报, 2010, 26(11): 368-373. [18] XIAO Hongwei, LIN Hai, YAO Xuedong, et al. Effects of different pretreatments on drying kinetics and quality of sweet potato bars undergoing air impingement drying[J]. International Journal of Food Engineering, 2009, 5(5): 5. [19] 魏新莉, 向仕龙, 何华. 水热预处理对杨木压缩木物理力学性能的影响[J]. 木材工业, 2004, 18(3): 20-22. [20] 张绪坤, 苏志伟, 王学成, 等. 污泥过热蒸汽与热风薄层干燥的湿分扩散系数和活化能分析[J]. 农业工程学报, 2013, 29(22): 226-235. [21] ERTEKIN C, YALDIZ O. Drying of eggplant and selection of a suitable thin layer drying model[J]. Journal of Food Engineering, 2004, 63(3): 349-359. [22] MOHAPATRA D, RAO P S. A thin layer drying model of parboiled wheat[J]. Journal of Food Engineering, 2005, 66(4): 513-518. [23] PURLIS E, SALVADORI V O. A moving boundary problem in a food material undergoing volume change-simulation of bread baking[J]. Food Research International, 2010, 43(4): 949-958. [24] 师建芳, 吴辉煌, 娄正, 等. 豇豆隧道式热风干燥特性和模型[J]. 农业工程学报, 2013, 29(11): 232-240. [25] 张春江, 陶海腾, 吕飞杰, 等. 超临界CO2流体萃取槟榔中的槟榔碱[J]. 农业工程学报, 2008, 24(6): 250-253. 收稿日期:2013-12-11 基金项目:农业部规划设计研究院自选课题(CAAE201305);公益性行业(农业)科研专项(200903009) 作者简介:娄正(1984—),男,工程师,博士,研究方向为农产品加工技术和装备。E-mail:chris.lz@163.com *通信作者:刘清(1979—),女,高级工程师,博士,研究方向为农产品加工工艺和工程。E-mail:qingliu21@aliyun.com |
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