西兰花(Brassica oleracea L.var.italica Plenck)属十字花科蔬菜,也被称为花椰菜或甘蓝花[1]。西兰花的食用部分主要是脆嫩的花茎及紧密群集成球状的花蕾,含有丰富的营养价值(包括矿物质、维生素、蛋白质、碳水化合物等)、抗癌(西兰花富含的萝卜硫素是迄今为止在植物源食品中抗癌功能最强的天然物质)等药用价值。新鲜西兰花在采摘后仍保持着活跃的代谢,常温下容易失水,同时受到微生物的侵染,导致西兰花萎蔫、发霉、腐败和变质[2-4],造成资源浪费。干燥是一种有效保持营养物质、延长货架期、利于运输和贮存的前处理方式[5]。

不同干燥方式对物料产生不同影响。应用于果蔬干燥的机械烘干方式包括远红外干燥[6]、热风干燥[7]、真空干燥[8]、微波干燥[9]、气体射流冲击干燥[10]等。远红外干燥是利用红外辐射干燥物料,可穿透物料内部,受热均匀,具有干燥品质好、效率高等优点;热风干燥是在恒定温度的热风条件下干燥物料,具有干燥速率高、设备简单等优点;真空干燥由于是使物料在负压状态下干燥,可有效减缓干燥过程中物料发生氧化、褐变等化学变化,能较好地保持原有特性,具有绿色、环保等优点[11-12]。SUN等[13]利用远红外干燥方式对西兰花的干燥动力学、微观结构、水分迁移和品质特性进行探讨;王宏达等[14]采用热风干燥对西兰花干燥特性以及品质进行了分析;VEGA-GALEZ等[15]采用真空干燥对西兰花粉及其抗氧化剂的生物活性成分及神经保护和抗菌性能进行了综合评价。但是,目前关于同时利用不同干燥条件对西兰花进行脱水处理,以了解对其干燥特性、理化性质的影响以及差异性比较的研究却鲜有报道。

因此,本研究首先对比西兰花在远红外干燥、热风干燥和真空干燥不同温度(60、65、70、75、80 ℃)下干燥效率的差异,随后探讨其干燥特性并利用5种半理论模型和3种经验模型构建干燥模型,最后研究干燥条件对西兰花理化性质的影响,以期为西兰花的加工、贮藏提供参考价值。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

西兰花原材料购于重庆市万州区,选取成熟度、大小一致、表面无损伤、颜色鲜亮的新鲜西兰花,实验前置于4 ℃的冰箱中保存。将西兰花花球部分清洗后切为直径1 cm,根茎为1 cm。新鲜西兰花初始含水率为(85.69±0.26)%(通过直接干燥法测得)。

1.2 仪器与设备

DHG-9023A远红外干燥箱,吴江市永联机械设备厂;DHG-9076A热风干燥箱,上海浦东荣丰科学仪器有限公司;DZF-6030真空干燥箱,上海舍岩仪器有限公司;BJ-800A粉碎机,德清炊乐科技有限公司;PS2010色差仪,深圳市三恩时科技有限公司;TG16G离心机,河南新发现科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 西兰花干燥处理

远红外干燥、热风干燥和真空干燥的温度分别为60、65、70、75、80 ℃,预热30 min后开始干燥实验。取经过前处理的西兰花60 g,平铺于干燥盘中进行3种方式干燥,每组3个对照实验。通过在不同时间点测量西兰花质量的方法探究水分含量的变化。0～0.5 h每10 min测定一次质量;0.5～1 h每15 min测定一次质量;1～2 h每30 min测定一次质量;随后每隔1 h测定一次质量,当干燥至水分含量<10%时停止实验。干燥后的西兰花粉碎后过60目筛子,贮存于4 ℃温度的冰箱中,待后续理化性质实验分析。

1.3.2 干燥动力学

不同干燥条件下西兰花的干基含水率(M)、水分比(MR)、有效水分扩散系数(Deff)、干燥活化能(Ea)、焓变(ΔH)、吉布斯自由能变化(ΔG)和熵变(ΔS)的计算分别如公式(1)～公式(8)所示:

(1)

式中:mt,t时刻西兰花根茎的质量,g;m,西兰花根茎干燥至水分含量为10%以下时的质量(绝干质量),g。

(2)

式中:M0,初始干基含水率,g/g;Mt,t时刻干基含水率,g/g。

(3)

式中:T,干燥时长,min;L,样品厚度一半,m。

(4)

式中:D0,前因子,m2/min;T,绝对温度,K;R,摩尔气体常数,J/mol·K。

(5)

ΔH=Ea-RT

(6)

(7)

(8)

式中:A,指数前常数,min-1;T,绝对温度,K;R,摩尔气体常数,J/mol·K;kB,玻尔兹曼常数;h,普朗克常数;k,反应速率常数,min-1。

采用决定系数(R2),卡方值(χ2)、均方根误差(root mean square error,RMSE)评估干燥动力学拟合结果,其计算分别公式(9)～公式(11)所示。

(9)

(10)

(11)

式中:MRpre,i,第i个实验预测水分比;MRexp,i,第i个实验水分比;N,实验数量。

1.3.3 理化性质测定

1.3.3.1 色泽测定

采用色差仪对西兰花色泽进行测量,不同部位测3次,取平均值。色差值的计算如公式(12)所示:

(12)

式中:ΔE,西兰花干燥前后的色差值; L*、a*、b*,干燥完成时西兰花的亮度、红绿值、黄蓝值;L0、a0、b0,新鲜西兰花的亮度、红绿值、黄蓝值。

1.3.3.2 复水性测定

参考毕金峰等[16]的方法。准确称取1 g样品于20 mL蒸馏水中,在25 ℃温度下静置1 h于5 000 r/min离心25 min,测量沉淀物的质量为复水的质量。复水比的计算入公式(13)所示:

(13)

式中:RR为复水比;mr为干燥西兰花复水后的质量,g;md为干燥西兰花质量,g。

1.3.3.3 膨胀力测定

参考李子煜等[17]的方法测定西兰花粉膨胀力,计算入公式(14)所示:

膨胀力

(14)

式中:m,西兰花质量,g;V1,自然堆积时的体积,mL;V2,吸水膨胀后西兰花的体积,mL。

1.4 数据处理

采用Origin 2022、SPSS 2019等软件做数据处理、绘图、相关性分析等工作。

2 结果与分析

2.1 不同干燥条件对西兰花干燥特性的影响

不同干燥条件对西兰花干燥特性的影响不同,新鲜西兰花水分比随干燥时间变化曲线如图1所示。

由图1可知,不同干燥条件的水分比随干燥的进行逐渐变小。研究发现,远红外干燥和热风干燥中西兰花在60、65、70、75、80 ℃所需干燥时间相同,分别为540、480、420、360、300 min,远远小于真空干燥所需的时间,这是因为远红外线可产生强烈的热效应,当用于干燥时,可深入西兰花内部,与其水分子发生强烈的共振,加快水分子运动,干燥速率加快[18];热风干燥以高温热风为干燥介质,加快外界空气与西兰花内部的对流循环,进行湿热交换,干燥速率加快[19]。同时,温度对干燥也具有显著的影响,温度越高,水分比下降越快,这与马靖松等[20]的研究结果相似。

2.2 不同干燥条件对西兰花Deff、Ea及热力学影响

不同干燥条件下西兰花Deff、Ea及热力学参数如表1所示。

Deff的大小可反映干燥过程中水分迁移的能力,与干燥速率呈正相关[21-22]。如表2所示,随着3种干燥方式温度的升高,西兰花Deff增加,干燥速率加快,与2.1节结论中结果保持一致;lnDeff与1/T的线性关系,可计算西兰花的活化能。Ea越小,西兰花脱去1 mol水分所需的能量越低,易与干燥[23]。在3种干燥方式中,真空干燥(Ea=17.75 kJ/mol)>热风干燥(Ea=10.64 kJ/mol)>远红外干燥(Ea=9.94 kJ/mol),因此,远红外干燥西兰花效率最高。

将西兰花视为一个热力学系统,ΔH表示干燥过程中西兰花吸收的能量、ΔG可判断西兰花干燥过程的自发性质、ΔS可反映西兰花干燥系统中分子的混乱程度。不同干燥方式下,西兰花干燥过程中,温度升高,ΔH、ΔS减小,ΔG增大。ΔH>0、ΔG>0表明干燥过程是非自发,西兰花必须从介质中吸收热能才能实现干燥;ΔS减小,表明温度越高,系统有序度增加[21,24]。

2.3 不同干燥条件西兰花的数学模型的建立

以干燥实验为基础,建立数学模型可准确描述西兰花干燥过程中水分散失规律,是西兰花加工品质控制的关键因素之一[24-25]。本文选取8种干燥数学模型,包括5种半经验模型和3种经验模型用于西兰花干燥过程中水分比的拟合,数学模型如表2所示。

薄层干燥数学模型评价指标R2、χ2和RMSE拟合结果如图2所示。

八种薄层干燥数学模型中,Asymptotic、Weibull和Geometric数学模型拟合失败;真空干燥条件下,Henderson and Pabis数学模型拟合失败。由图2可知,从R2看,不同干燥方式下5种数学模型的决定系数的平均值均高于0.98,其中经验模型Wang and Singh模型的决定系数最大,均高于0.99,拟合程度极高;从χ2具体值看,3种干燥方式不同温度的χ2均小于另外4种数学模型;RMSE值结果相同。综上,Wang and Singh模型较半经验模型Page、Henderson and Pabis、Lewis和Modified Page更适宜描述该干燥行为,该模型也是描述熟化红薯热风干燥特性的最佳数学模型[26]。

2.4 不同干燥条件对西兰花色泽的影响

以新鲜西兰花为参比,研究了不同干燥条件下的西兰花色泽参数,结果如表3、图3所示,不同干燥条件对西兰花的色差ΔE以及L*、a*、b*值的影响都较为显著(P<0.05)。L*值表示西兰花亮暗,越大色泽越亮;a*值表示西兰花红绿,正值代表偏红,负值代表偏绿;b*值表示西兰花黄蓝,正值越高,物料越黄,负值绝对值越大,物料越蓝;ΔE值表示西兰花干燥前后的色差值[27]。

由表3可知,远红外干燥处理组中L*值先增大后减小,a*值和b*值增大,L*值越大品质越好,a*值、b*值越大品质越差,温度升高褐变反应越激烈,品质越差[28]。远红外干燥、热风干燥不同温度处理组的L*值均大于真空干燥组,可能是因为前面2组干燥时间远小于真空干燥组,干燥时间越长,积累的能量越多促使酶加速西兰花色泽组成成分的分解,导致其L*值最小[29]。由图3可知,真空干燥的ΔE值均小于远红外干燥和热风干燥,真空干燥60 ℃干燥条件对西兰花色泽影响最小,与新鲜西兰花色泽最接近,可能是因为真空低氧状态,可有效减缓色素褐变[30]。综上,干燥过程中干燥温度、干燥时间和干燥方式都是影响西兰花色泽的重要因素。

2.5 不同干燥条件对西兰花复水比、膨胀力的影响

复水比是衡量西兰花干制品品质的重要指标之一,可评价干燥后西兰花内部结构的破坏程度,不同干燥条件西兰花的复水比如表4所示。由于西兰花中含有较高的膳食纤维,膳食纤维中部分含有亲水基团的物质具有一定的吸水特性,表现为具有一定的膨胀力。因此,膨胀力也是评价西兰花干制品品质的重要指标[17,31]。不同干燥条件对西兰花膨胀力的影响如表4所示。

由表4可知,不同干燥处理对西兰花的复水比、膨胀力的影响是显著的(P<0.05),且具有显著的差异。其中,3种干燥方式不同温度下,热风干燥65 ℃西兰花复水比和膨胀力最大,为8.82±0.11、(10.33±0.34) mL/g;热风干燥80 ℃西兰花复水比、膨胀力最小,为6.98±0.2、(7.77±0.12) mL/g。随着温度的升高,复水比和膨胀力大多呈现先增大后减小的趋势,这是因为温度是决定西兰花干燥速率与品质的关键因素,干燥温度较高可促进西兰花水分蒸发,形成较大气孔,复水比和膨胀力增大;相反,温度过高,致使西兰花内部细胞结构发生了不可逆的破坏,复水比、膨胀力降低[32],不同条件干燥处理对西兰花复水比和膨胀力的影响是相同的。

3 结论

本研究结果表明,远红外干燥、热风干燥、真空干燥下不同温度处理,对西兰花干燥特性及理化性质影响具有显著差异。从干燥速率看,远红外干燥和热风干燥方式下将西兰花干燥至终点时所需时间远短于真空干燥,且温度越高干燥速率越大。Deff、Ea和热力学参数看,温度与Deff成正比、与Ea成反比,同一温度不同干燥方式的Deff和Ea不同,远红外干燥(Deff=1.58×10-8 m2/min)>热风干燥(Deff=0.82×10-8 m2/min)>真空干燥(Deff=0.65×10-8 m2/min);真空干燥(Ea=17.75 kJ/mol)>热风干燥(Ea=10.64 kJ/mol)>远红外干燥(Ea=9.94 kJ/mol),且干燥西兰花是一个从介质吸收能量实现脱水的非自发过程。从数学模型看,Wang and Singh经验模型是描述西兰花干燥的最佳数学模型。从理化性质看,干燥方式、干燥温度和干燥时间是影响西兰花色泽、复水比和膨胀力的关键因素。

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Effects of drying conditions on drying characteristics and physicochemical properties of broccoli

ZHANG Gen1, NIU Po1*, LAI Yushu1, YU Yun1, WANG Pan2*,CAO Zhonghua3, ZHOU Lang1

1(School of Mechanical Engineering, Chongqing Three Gorges University, Chongqing 404020, China)

2(Sichuan Agricultural Machinery Science Research Institute, Chengdu 610066, China)3(Chongqing Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 404020, China)

ABSTRACT Broccoli, known for its anti-cancer properties and rich nutrient content, was subjected to far-infrared drying, hot air drying, and vacuum drying in this study.The impact of different temperatures (60, 65, 70, 75, 80 ℃) on the drying characteristics, as well as the physical and chemical properties of broccoli, was investigated.Results revealed that far-infrared and hot-air drying methods required less time and had a faster drying rate compared to vacuum drying.The drying process of broccoli is energy-absorbing and non-spontaneous, with higher temperatures leading to a greater effective diffusion coefficient of water, lower activation energy, and easier drying.The Wang and Singh empirical model was found to be the most suitable mathematical model for describing the drying process of broccoli.Additionally, drying conditions have a notable influence on the color of broccoli, with vacuum drying showing better color protection effects.The rehydration ratio (8.82±0.11) and expansion force (10.33±0.34) were highest when hot air drying at 65 ℃, while the rehydration ratio for broccoli dried at 80 ℃ (6.98±0.2) and expansion force (7.77±0.12) were the lowest.This study provides a reference value for the processing and storage of broccoli.

Key words drying conditions;broccoli;drying characteristics;physicochemical properties

DOI：10.13995/j.cnki.11-1802/ts.039775

引用格式：张艮,牛坡,赖于树,等.干燥条件对西兰花干燥特性及理化性质的影响[J].食品与发酵工业,2025,51(6):257-263.ZHANG Gen, NIU Po, LAI Yushu, et al.Effects of drying conditions on drying characteristics and physicochemical properties of broccoli[J].Food and Fermentation Industries,2025,51(6):257-263.

第一作者：硕士研究生(牛坡副教授和王攀高级农艺师为共同通信作者,E-mail:niupo205@163.com)

基金项目：重庆三峡学院高层次人才科研启动费(2014/0903341)

收稿日期：2024-05-06,改回日期:2024-05-15