黑麦又称为“益寿麦”、“蛋白麦”,其蛋白质、维生素、矿物质(磷、钙、铁、硒)等的含量均高于普通小麦[1]。此外,还含有花苷类、黑色素类、黄酮类等多种功能性成分,营养丰富,具有调节人体心肌功能、防抗癌、降血糖、降血脂、增强机体免疫力、延缓机体衰老等功能[2]。
挂面是我国传统面食,普通挂面主要以小麦粉为原料,产量大,销售范围广,但其原料单一,且在加工过程中维生素、蛋白质、膳食纤维等营养物质会大量流失。随着生活水平的提升,人们对面食的营养均衡需求日益提高,普通挂面已经不能满足人们对其口味和营养的需求。用黑麦粉制作挂面,既充分利用了其营养价值和保健功能,又丰富了挂面的品种和营养,具有广阔的发展前景。
干燥是挂面加工中一道重要的工序,目前常见的挂面干燥方式是自然干燥和热风干燥,都存在产品质量不稳定、干燥用时长、能耗高等问题。相比之下,微波干燥是利用物料吸收微波后,内外同时升温,形成较小的温度差,有利于内部水分向外扩散,具有干燥速度快、干燥时间短、产品质量高、能耗低的优点[3]。但连续微波加热会使样品内外温度在短时间内快速提高,产生局部过热和焦化现象。微波间歇干燥可以防止物料持续升温,弥补上述不足。唐小闲等[4]对比了微波间歇干燥和热风干燥方法对马蹄淀粉品质的影响,得出经微波间歇干燥的马蹄淀粉在微观结构和性能上优于热风干燥的马蹄淀粉。覃焱婷等[5]研究微波间歇干燥处理月柿果片时发现,微波功率越大,L*、a*、b*值越小,硬度、弹性、咀嚼性越高,果片的组织结构收缩塌陷越明显,较低微波功率得到月柿干制品品质较佳。徐一凡等[6]研究表明微波间歇干燥能使山核桃干燥时间缩短,贮藏特性提升。周思云等[7]对微波间歇干燥芋圆的工艺进行了优化,得出最佳工艺参数为芋圆直径0.8 cm、微波功率350 W、间歇比2.0,得到的干燥芋圆的品质最优。张黎骅等[8]通过试验得出高山野山药片微波间歇干燥过程大致包括加速、恒速和降速阶段,加热时间为7 s时产品色泽最好。文静等[9]通过试验得出苹果片微波间歇干燥过程属于降速干燥,增大干燥功率、减小切片厚度、延长加热时间可以显著缩短干燥时间、提高干燥效率,Weibull模型能很好地描述苹果片微波间歇干燥规律。
目前,关于农产品微波间歇干燥的研究已有不少,但对挂面微波间歇干燥工艺及其动力学研究未见报道。基于此,本文采用微波间歇干燥处理黑麦挂面,研究不同微波功率、装载量、面条厚度对黑麦挂面干燥特性的影响,建立黑麦挂面微波间歇干燥动力学模型,并对制作出的黑麦挂面进行品质评价,为挂面微波间歇干燥工艺研究及应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
黑全麦面粉(蛋白质含量为12.8%,湿面筋含量27.12%,吸水率67.7%,稳定时间3.3 min,峰值黏度759.1 BU,崩解值102.3 BU),新乡良润全谷物食品有限公司,符合LS/T 3202—1993《面条用小麦粉》相关指标;ASM-DA1000和面机,北美电器有限公司;MT-50面条机,青州市亿佰利机械厂;JQ0TD2WDB1微波炉,广东格兰仕集团有限公司;游标卡尺(0.01),天津市圣德五金工具贸易有限公司;RM200QC色差仪,美国X-Rite有限公司;TA touch质构仪,上海保圣实业发展有限公司。
1.2 试验方法
1.2.1 黑麦挂面的制作
将称好的黑麦面粉(500 g)倒入和面机料桶中,加入饮用水(180 g)搅拌成均匀的松散面团。将面团放入盆中用保鲜膜封好,室温下放置15 min,用面条机辊压成光滑的面带,切成3 mm宽的面条,封装备用。准备若干个31 cm×22 cm×18 cm的塑料筐,四面镂空,在每个塑料框的上方固定3根相同的细木条,制成若干个便于移动的干燥架,备用。
1.2.2 黑麦挂面微波干燥试验设计
采取微波间歇干燥的方式,将黑麦挂面悬挂于木架上,放入微波炉,设定微波功率进行干燥,每干燥30 s,取出冷却3.5 min,同时称重1次,如此循环干燥至干基含水率10%左右停止干燥。设定装载量为100 g,面条厚度为1 mm,微波功率分别为320 W、400 W、480 W,考察微波功率对黑麦挂面微波间歇干燥特性的影响;设定微波功率为400 W,面条厚度为1 mm,装载量分别为50 g、100 g、150 g,考察装载量对黑麦挂面微波间歇干燥特性的影响;设定微波功率为400 W,装载量为100 g,面条厚度分别为0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm,考察面条厚度对黑麦挂面微波间歇干燥特性的影响。
1.3 黑麦挂面微波干燥参数测定
1.3.1 干基含水率的计算
黑麦挂面干基含水率的测定按公式(1)计算[10]:
(1)
式中:Wt,t时刻黑麦挂面干基含水率,%;mt,t时刻黑麦挂面质量,g;mg,干燥至恒重时黑麦挂面质量,g。
1.3.2 干燥速率的计算
黑麦挂面干燥速率的测定按照公式(2)计算[11];
(2)
式中:DR,黑麦挂面干燥速率,g/(g·min);Wt,t时刻黑麦挂面干基含水量,g/g;Wt+Δt,t+Δt时刻黑麦挂面干基含水量,g/g。
1.3.3 水分比的计算
水分比的测定按照公式(3)计算[12]:
(3)
式中:MR,水分比;Wt,t时刻黑麦挂面干基含水率,%;W0,黑麦挂面初始干基含水率,%。
1.3.4 有效水分扩散系数的计算
假设所有黑麦挂面样品的初始水分分布均相同,根据Fick第二扩散方程,有效水分扩散系数Deff可根据公式(4)进行计算[13]:
(4)
将公式(4)两边取对数得到公式(5)。
(5)
式中:Deff,有效水分扩散系数,m2/s;L,黑麦面条的厚度,m;t,干燥时间,s。
根据黑麦挂面干燥实验结果求lnMR-t 的直线方程,得出此方程的斜率k,带入公式(6)计算出有效水分扩散系数Deff。
(6)
1.3.5 干燥动力学模型
选用国内外常用的5种干燥动力学模型如表1所示[10],对黑麦挂面微波干燥过程水分比MR和干燥时间进行拟合。模型拟合优度评价参数选取决定系数R2、卡方χ2和均方根误差(root mean square error,RMSE),R2越大,χ2和RMSE越小,则模型拟合度越好。评价参数计算公式见(7)～(9)。
(7)
(8)
(9)
表1 5种干燥动力学模型
Table 1 Five kinetic model of drying
序号模型名称模型方程1LewisMR=exp(-kt)2PageMR=exp(-ktn)3LogarithmicMR=nexp(-kt)+a4ModifiedMR=exp[-(kt)n]5Wang and SinghMR=1+nt+at2
式中:MRpre,i,模型预测MR值;MRexp,i,实测MR值;N,实测数据个数;n,模型中参数数量。
1.4 黑麦挂面产品质量测定
1.4.1 色泽测定
黑麦挂面色泽采用色差仪测定,将黑麦挂面磨成粉,均匀平整地铺在石英皿底部,打开色差仪用白板校正,分别测量L*值、a*值和b*值。每个样品选5个不同位置测定取平均值。
1.4.2 抗弯曲特性测定
选用TA/SFR探头,取厚度相同的挂面,截成长度15 cm,垂直固定于探头和下支撑件中间,探头以0.2 mm/s下移,挂面发生轴向压缩弯曲直至折断[14]。每份样品重复10次,结果取其平均值。
1.4.3 熟断条率及蒸煮损失率
熟断条率和蒸煮损失率测定按照GB/T 40636—2021《挂面》进行。
1.4.4 质构特性
煮后黑麦挂面质构特性测定参考何瑾璇等[15]的方法,稍有变动。选用TA/36柱形探头,测前速度为3.00 mm/s,测中速度为1.00 mm/s,测后速度为3.00 mm/s,触发力10.0 gf,压缩程度为50%,2次压缩之间间隔为5 s,测得硬度、弹性、黏聚性、恢复性,胶着性和咀嚼性。
1.5 数据处理
利用SPSS 20软件对黑麦挂面微波间歇干燥数据进行分析处理及模型拟合,用Origin 8.0软件进行制图。
2 结果与分析
2.1 黑麦挂面微波间歇干燥特性
2.1.1 不同微波功率对黑麦挂面微波干燥特性的影响
在挂面厚度为1 mm,装载量为100 g条件下,不同微波功率(320、400、480 W)对黑麦挂面干燥特性的影响如图1所示。由图1-a可知,不同功率下,黑麦挂面的干基含水率随着干燥时间的延长而逐渐减小,呈现逐渐下降的趋势。微波功率越大,黑麦挂面干燥曲线越陡峭,达到干燥终点(干基含水率10.0%左右)所用时间越短。320 W、400 W和480 W的微波功率下,干燥黑麦挂面所用时间分别为180 min、132 min和96 min。由图1-b可知,不同微波功率下,黑麦挂面的干燥速率总体上呈现逐渐下降趋势,表现为降速干燥;同时微波功率越大,黑麦挂面干燥速率越高,微波干燥曲线越陡峭。微波功率的增大,使黑麦挂面吸收的微波能越大,加速挂面表面水分的迁移,从而缩短干燥时间,提高干燥速率[16]。
a-干基含水率变化曲线;b-干燥速率曲线
图1 不同微波功率下黑麦挂面干燥特性曲线
Fig.1 Drying characteristics curves of rye noodles under different microwave power
2.1.2 装载量对黑麦挂面微波干燥特性的影响
在黑麦挂面厚度为1 mm,微波功率为400 W条件下,不同装载量(50、100、150 g)对黑麦挂面干燥特性的影响如图2所示。由图2-a可知,不同装载量下,黑麦挂面的干基含水率随着干燥时间的延长而逐渐减小,呈现逐渐下降的趋势。装载量越小,黑麦挂面干燥曲线越陡峭,达到干燥终点(干基含水率10.0%左右)所用时间越短。在装载量分别为50 g、100 g和150 g时,黑麦挂面干燥时间分别为76 min、132 min和168 min。由图2-b可知,不同装载量下,黑麦挂面的干燥速率总体上呈现逐渐下降趋势,表现为降速干燥;同时装载量越小,黑麦挂面微波干燥曲线越陡峭,干燥速率越高。减小装载量,相当于增大了单位物料所得到的微波能,因此使得物料热量产生速度及水分蒸发速度加快,干燥时间缩短,干燥速率增大[17]。
a-干基含水率变化曲线;b-干燥速率曲线
图2 不同装载量下黑麦挂面干燥特性曲线
Fig.2 Drying characteristics curves of rye noodles under different loading
2.1.3 挂面厚度对黑麦挂面微波干燥特性的影响
在微波功率为400 W,装载量为100 g条件下,不同黑麦挂面厚度(0.8、1.0、1.2 mm)对黑麦挂面干燥特性的影响如图3所示。由图3-a可知,随着干燥时间的延长,不同厚度的黑麦挂面干基含水率逐渐减小,呈现逐渐下降的趋势。挂面厚度越小,黑麦挂面干燥曲线越陡峭,达到干燥终点(干基含水率10.0%左右)所用时间越短。在厚度分别为0.8 mm、1.00 mm和1.2 mm时,黑麦挂面干燥时间分别为96 min、132 min 和176 min。由图3-b可知,不同厚度下,黑麦挂面的干燥速率总体上呈现逐渐下降趋势,表现为降速干燥;同时厚度越小,黑麦挂面微波干燥曲线越陡峭,干燥速率越高。厚度的减小,使得内部水分向外迁移的路径缩短,热量内外传递的距离减小,水分和热量的传递速度加快,干燥速率提高[18]。
a-干基含水率变化曲线;b-干燥速率曲线
图3 不同挂面厚度下黑麦挂面干燥特性曲线
Fig.3 Drying characteristics curves of rye noodles under different thickness
2.2 有效水分扩散系数
不同干燥条件下,黑麦挂面微波间歇干燥有效水分扩散系数如表2所示。不同干燥条件下,黑麦挂面微波间歇干燥过程中有效水分扩散系数在1.180 39×10-11～2.967 02×10-11m2/s,这个结果与武亮[19]研究的挂面、INAZU等[20]研究的乌冬面和 WAANANEN等[21]研究的意大利面条的有效水分扩散系数处于同一数量级。其中功率为400 W、装载量为50 g、厚度为1 mm条件下的有效水分扩散系数最高,为2.967 02×10-11m2/s。整体来看,微波功率越高、挂面越厚、装载量越小,挂面的有效水分扩散系数越大。这一结论与吴钊龙等[22]研究黄精片微波间歇干燥的结果一致。由此可见,在黑麦挂面微波间歇干燥时,适当提高微波功率和挂面厚度、减少装载量可以有效提高其有效水分扩散系数。
表2 不同干燥条件下黑麦挂面有效水分扩散系数
Table 2 Effective moisture diffusion coefficient of rye noodles under different drying conditions
干燥条件功率/W装载量/g挂面厚度/mmLnMR-t关系式Deff/(10-11 m2·s-1)R23201001lnMR=-0.006 99t-0.382 531.180 390.844 614001001lnMR=-0.010 21t-0.304 541.724 150.895 984801001lnMR=-0.014 09t-0.291 562.379 360.910 19400501lnMR=-0.017 57t-0.261 892.967 020.908 114001001lnMR=-0.010 21t-0.304 541.724 150.899 134001501lnMR=-0.007 60t-0.350 601.283 400.878 204001000.8lnMR=-0.014 29t-0.266 341.544 410.901 394001001lnMR=-0.010 21t-0.304 541.724 150.899 134001001.2lnMR=-0.007 65t-0.337 231.860 260.897 15
2.3 黑麦挂面微波干燥动力学模型研究
2.3.1 黑麦挂面微波干燥动力学模型拟合
将黑麦挂面微波干燥实验数据与5种干燥模型(表1)进行拟合,得出各模型参数及评价指标如表3所示。Lewis模型的决定系数R2在0.798 41～0.914 79、卡方 χ2在4.24×10-3～7.94×10-3和RMSE在0.065 12～0.089 13;Page模型和Modified模型的决定系数R2在0.961 36～0.984 89、卡方χ2在6.78×10-4～1.52×10-3和RMSE在0.026 04～0.039 02;Logarithmic模型的决定系数R2在0.997 45～0.999 75、卡方χ2在1.10×10-5～9.86×10-5和RMSE在0.003 32～0.009 93;Wang and Singh模型的决定系数R2在0.900 83～0.964 65、卡方χ2在1.72×10-3～3.91×10-3和RMSE在0.041 50～0.062 51。通过对比得出,Logarithmic模型的R2最大,χ2和RMSE最小,认为Logarithmic模型拟合度最好,能较好的描述黑麦挂面微波干燥时水分的变化过程,与张梦超[23]研究马铃薯热干面微波干燥阶段时得出的干燥模型相符。
表3 黑麦挂面干燥模型拟合结果
Table 3 Fitting results of drying model for rye noodles
干燥模型干燥条件模型参数功率/W装载量/g挂面厚度/mmknaR2χ2RMSELewis32010010.012 630.798 417.94×10-30.089 1340010010.016 250.876 205.39×10-30.073 4048010010.022 020.881 095.33×10-30.073 044005010.026 200.914 794.24×10-30.065 1240015010.013 050.819 317.06×10-30.084 054001000.80.021 530.907 094.45×10-30.066 734001001.20.012 860.823 976.80×10-30.082 46Page32010010.072 690.602 030.961 361.52×10-30.039 0240010010.067 400.655 280.978 319.44×10-40.030 7248010010.085 230.645 990.984 896.78×10-40.026 044005010.081 610.688 330.984 017.96×10-40.028 2140015010.071 650.608 780.973 671.03×10-30.032 104001000.80.070 580.690 060.978 781.02×10-30.031 894001001.20.070 890.608 890.978 888.16×10-40.028 57Logarithmic32010010.028 980.763 950.247 780.999 033.83×10-50.006 1940010010.032 740.768 290.233 090.999 751.10×10-50.003 3248010010.046 330.757 910.232 780.999 263.32×10-50.005 764005010.048 830.781 640.218 490.999 641.80×10-50.004 2440015010.028 540.748 230.247 150.998 814.64×10-50.006 814001000.80.041 720.781 610.227 440.999 353.09×10-50.005 564001001.20.027 590.740 040.246 960.997 459.86×10-50.009 93Modified32010010.012 850.601 380.961 361.52×10-30.039 0240010010.016 310.654 690.978 319.44×10-40.030 7248010010.022 110.645 320.984 896.78×10-40.026 044005010.026 240.687 690.984 017.96×10-40.028 2140015010.013 170.608 240.973 671.03×10-30.032 104001000.80.021 460.689 130.978 781.02×10-30.031 894001001.20.012 950.608 450.978 888.16×10-40.028 57Wang and singh3201001-0.079 100.001 90.900 833.91×10-30.062 514001001-0.016 148.348 56×10-50.943 282.47×10-30.049 684801001-0.021 841.532 95×10-40.938 312.77×10-30.052 61400501-0.025 862.145 11×10-40.964 651.76×10-30.041 944001501-0.013 035.425 70×10-50.908 293.59×10-30.059 904001000.8-0.021 511.496 41×10-40.964 061.72×10-30.041 504001001.2-0.012 835.286 97×10-50.902 893.75×10-30.061 25
2.3.2 黑麦挂面微波干燥动力学模型参数的确定
Logarithmic模型方程为MR=n·exp(-kt)+a,其中参数k、n和a与微波功率、装载量和挂面厚度有关,因此可用公式(10)～(12)表示:
k=b0+b1x1+b2x2+b3x3
(10)
n=c0+c1x1+c2x2+c3x3
(11)
a=d0+d1x1+d2x2+d3x3
(12)
式中:x1,微波功率,W;x2,装载量,g;x3,挂面厚度,mm;b0～b3、c0～c3、d0～d3,待定系数。
根据Logarithmic模型拟合结果中k、n和a的值,用SPSS软件进行多元线性回归分析,得出:
k=0.048 63+0.000 108 4x1-0.000 202 9x2-0.035 325x3,R2=0.865
n=0.915 530 7-0.000 037 8x1-0.000 334 1x2-0.103 925x3,R2=0.928
a=0.196 281 4-0.000 093 8x1+0.000 286 6x2+0.048 8x3,R2=0.826
将k、n和a带入Logarithmic模型方程中,得到黑麦挂面微波干燥模型公式为:MR=(0.915 530 7-0.000 037 8x1-0.000 334 1x2-0.103 925x3)·exp[-(0.048 63+0.000 108 4x1-0.000 202 9x2-0.035 325x3)t]+(0.196 281 4-0.000 093 8x1+0.000 286 6x2+0.048 8x3)。
2.3.3 黑麦挂面微波干燥动力学模型验证
为检验Logarithmic模型公式的准确性,选取微波功率320 W、装载量100 g、面条厚度0.8 mm的试验数据进行验证,结果如图4所示。试验值与拟合值拟合较好,pearson相关系数为0.999,P<0.01相关性显著,说明Logarithmic模型能够较好的反映和预测黑麦挂面微波间歇干燥的过程。
图4 Logarithmic模型验证曲线
Fig.4 Verification curves of Logarithmic model
2.4 微波干燥黑麦挂面品质分析
在微波功率为400 W、装载量为100 g、面条厚度为1.0 mm的条件下制作黑麦挂面,进行色泽、抗弯曲特性、熟断条率、蒸煮损失率和质构特性测定,并和市售黑麦挂面(河南商丘柘城县农道农产品加工厂生产)进行比较。黑麦挂面测定结果如表4。
表4 黑麦挂面品质测定结果
Table 4 Quality determination results of rye noodles
样品L∗a∗b∗抗弯强度/g折断距离/mm熟断条率/%微波干燥黑麦挂面68.86±0.32b6.06±0.34a11.92±0.29a11.14±0.66a25.63±0.88a0市售黑麦挂面75.16±0.21a4.92±0.48b10.02±0.37b10.47±0.71a24.79±1.51a0样品蒸煮损失率/%硬度/gf弹性咀嚼性/gf胶着性回复性/gf微波干燥黑麦挂面7.70±0.56a1 550.37±14.10a0.908±0.022a954.06±36.42a1 050.19±30.75a0.229±0.016a市售黑麦挂面7.11+0.37a1 311.69±30.86b0.918±0.026a860.76±32.47b936.37±26.44b0.233±0.013a
注:图中不同小写字母代表差异显著。
由表4可知,相对于市售黑麦挂面,微波干燥黑麦挂面色泽更黑,且更偏红色和黄色,总体色泽更好;其抗弯强度更高,折断距离更大,且两者无差异,具有更好的抗弯曲特性。两种黑麦挂面熟断条率均为0,微波干燥黑麦挂面的蒸煮损失率为7.7%,略高于市售黑麦挂面,但两者无明显差异,且都在国标(GB/T 40636—2021)规定范围内。与市售黑麦挂面相比,微波干燥黑麦挂面在弹性和回复性上无显著差异,而且硬度、咀嚼性、胶着性更高,说明微波干燥黑麦挂面筋力更强,口感更劲道。
3 结论
试验表明,黑麦挂面微波间歇干燥过程主要是降速干燥,微波功率越大、装载量越小、挂面厚度越薄,干燥速度越快,干燥用时越短;在微波功率在320～480 W、装载量在50～150 g、面条厚度在0.8～1.2 mm时,黑麦挂面微波间歇干燥的有效水分扩散系数为1.180 39×10-11～ 2.967 02×10-11m2/s,且随着微波功率和挂面厚度的增加而增大,随着装载量的增加而减小;应用5种常见干燥模型对试验数据进行非线性拟合得出,Logarithmic模型最适合描述黑麦挂面微波间歇干燥过程的水分变化规律,并得到拟合方程为MR=(0.915 530 7-0.000 037 8x1-0.000 334 1x2-0.103 925x3)·exp[-(0.048 63+0.000 108 4x1-0.000 202 9x2-0.035 325x3)t]+(0.196 281 4-0.000 093 8x1+0.000 286 6x2+0.048 8x3),该模型可以准确的预测不同微波间歇干燥条件下,任意时刻黑麦挂面的含水率变化情况,为微波干燥技术在挂面生产中的应用提供理论依据。对微波干燥挂面进行品质评价得出,其色泽黑红发亮、具有良好的抗弯折断性、蒸煮品质和质构特性,口感劲道,具有商品价值。
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