基于过氧化物酶和淀粉特性的红薯片带式催化红外干法烫漂组合干燥研究

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红薯属根茎类植物,含水量高,贮藏期短,容易发生腐烂。红薯干、红薯粉是红薯主要的加工产品。目前,红薯干燥方式主要以热风干燥为主。但热风干燥干燥时间长,导致干燥后产品品质差。催化式红外干燥与热风干燥相比,具有干燥效率快、干燥时间短、节约能源等优点。红薯的主要成分是淀粉,大多数研究针对干燥加工后红薯的色泽、质地、营养成分的变化,但对干燥加工后红薯中淀粉结构、功能特性的变化研究较少。干燥前进行烫漂预处理可以改善干燥红薯的产品品质。传统的烫漂方式存在水资源浪费、污染环境、营养成分严重流失的缺点,生产1吨红薯干制品需要消耗18-20吨热水(95℃以上)。新兴的干法烫漂技术(微波烫漂、催化式红外烫漂)因不使用水资源、减少营养成分流失而广受关注。与微波烫漂和电红外烫漂预处理相比,催化式红外烫漂直接利用天然气产生能量,具有加热均匀、节能、能量转化率高等优点。很多学者对小型设备的催化式红外烫漂研究较多,本文采用的带式催化红外设备延续其优势并加以传送带实现连续化规模。因此,需要探索一种既能达到绿色、环保、节水、高质目的,又能适用于工业化生产的带式催化红外“预处理+干燥”的加工工艺。本文利用带式催化红外设备对红薯片的烫漂预处理、干燥过程进行研究,最终获得一种既可以降低POD活性又可以提高干制品品质的绿色、环保、节水的带式催化红外“预处理+干燥”工艺。建立带式催化红外烫漂红薯片的POD钝化动力学模型、水分干燥动力学模型,并对“预处理+干燥”加工后红薯淀粉的结构、功能特性进行研究。研究的主要内容与结果如下:(1)研究带式催化红外烫漂工艺参数(切片厚度:3、5、7 mm、红外辐照距离:6、12、18 cm、传送带转速:0.7、0.35、0.25、0.1 m/min等)对红薯片的POD、水分减少、理化性质及微观结构的影响。并研究烫漂预处理方式对红薯片带式催化红外干燥特性和品质的影响。结果显示,烫漂预处理使红薯片组织结构破坏,导致红薯片颜色变化,红薯片的电解质泄漏、硬度降低,维生素C和总酚含量减少。与热水烫漂相比,带式催化红外烫漂灭活红薯片90%POD的同时,还脱去红薯片45.77-79.15%的水分。它能很好地保持细胞的结构,从而减少红薯片的电解质泄漏、维生素C和总酚含量的损失。最合适的带式催化红外烫漂工艺参数为:切片厚度为3 mm,红外辐照距离为12 cm,时间为13 min。该条件下,红薯片的颜色变化值ΔE(7.41)最低,维生素C保留率(75.16%)最高、β胡萝卜素保留率(133.49%)最高和总酚含量为1.03 mg/g。带式催化红外烫漂-带式催化红外干燥获得较短的干燥时间(60 min),较低的颜色变化值ΔE(19.47)、较低的硬度(3186.2 g)和较小的收缩率(5.17%),并且获得更完整的微观结构。最终获得合适红薯的绿色、环保、节水的带式催化红外“烫漂(切片厚度为3 mm、红外辐照距离为12 cm、时间为13 min)+干燥(红外辐照距离为18 cm、温度为60℃、时间为60 min)”组合工艺。(2)建立红薯片带式催化红外烫漂过程的POD钝化动力学、水分干燥动力学模型。采用一阶、分数转换和Weibull分布三种模型对红薯片烫漂过程POD灭活进行拟合,采用Lewis、Page和Midilli三种模型对红薯片烫漂过程干燥动力学进行拟合,并通过决定系数(R~2)、卡方检验(c~2)和均方根误差(RSME)获得最佳拟合效果。结果表明,Weibull分布模型有着更高的R~2、更小的c~2和RSME。Page模型有着更高的R~2、更小的RSME。得出结论,Weibull分布模型是最合适描述红薯片带式催化红外烫漂过程POD灭活的数学模型,Page模型是最合适描述红薯片带式催化红外烫漂过程水分变化情况的数学模型。通过动力学模型的建立,为红薯片带式催化红外烫漂终点的预测做出依据,保证红薯产品的质量。(3)研究带式催化红外干燥(BCIRD)、带式催化红外烫漂-带式催化红外干燥(BCIRB-BCIRD)和热水烫漂-带式催化红外干燥(WB-BCIRD)对红薯淀粉的影响。首先,通过扫描电子显微镜、光学显微镜、偏光显微镜、X-射线衍射、傅里叶红外光谱对红薯淀粉的结构特性进行研究,其次,对红薯淀粉的溶解度与膨胀力、透明度、吸水及吸油能力、冻融稳定性、热稳定性等功能特性进行研究。结果显示,1)加工后红薯淀粉的淀粉含量范围为29.78-34.50%,直链淀粉含量范围为23.22-43.46%,WB-BCIRD显著降低了红薯淀粉的淀粉含量和直链淀粉含量(p<0.05);2)X-射线衍射显示,加工后红薯淀粉呈A型晶体结构,WB-BCIRD红薯淀粉衍射峰的强度减弱,这可能是淀粉在热加工过程发生淀粉糊化和双螺旋运动,导致晶体结构的破坏。显微镜显示,BCIRD、BCIRB-BCIRD的红薯淀粉颗粒仍能保持完整的形态,但WB-BCIRD的红薯淀粉颗粒表面破裂甚至塌陷,偏光十字已经出现无定形图案,说明WB过程对红薯淀粉颗粒和晶体结构破坏更为严重。傅里叶红外光谱显示,加工后红薯淀粉的红外吸收峰位置没变,表明热加工不会改变红薯淀粉的化学基团,但WB-BCIRD红薯淀粉3400 cm-1附近的O-H伸缩振动呈现峰强升高的现象;3)加工后红薯淀粉的溶解度、吸水及吸油能力增加,冻融稳定性、透明度、热稳定性降低。但BCIRB-BCIRD红薯淀粉比WB-BCIRD红薯淀粉具有较低的溶解度、吸水及吸油能力,较高的冻融稳定性、透明度、热稳定性。得出结论,热加工改变了红薯淀粉的结构、结晶程度,从而影响了红薯淀粉功能特性,BCIRB-BCIRD能够较好地保持红薯淀粉的结构特性和功能特性,是一种可代替的红薯淀粉加工方法。综上所述,本研究建立的带式催化烫漂能够有效灭活红薯片POD活性的同时,保留了更多营养成分,节约了水资源。Weibull分布模型是最合适描述烫漂过程POD灭活的数学模型,Page模型是最合适描述烫漂过程水分变化的数学模型。带式催化红外烫漂-带式催化红外干燥既能缩短干燥时间、提高干制品品质,又能较好地保持红薯淀粉的结构特性和功能特性。最终提供了一种绿色、环保、节水的红薯片带式催化红外“烫漂(切片厚度为3 mm、红外辐照距离为12 cm、时间为13 min)+干燥(红外辐照距离为18 cm、温度为60℃、时间为60 min)”组合工艺。
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