60Coγ射线辐照预处理对甘薯热风干燥特性的影响.pdf

核 农 学 报2012， 26( 1) : 0080 0085 Journal of Nuclear Agricultural Sciences 收稿日期: 2011- 03- 11接受日期: 2011- 09- 30 基金项目: 江苏省农业科技自主创新资金( CX( 08) 146) 作者简介: 江 宁( 1983-) ， 男， 江苏南京人， 硕士， 主要从事农产品精深加工研究。Tel: 025- 84391570; E-mail: jn19831109 yahoo com cn 通讯作者: 刘春泉( 1959-) ， 男， 江苏如东人， 研究员， 主要从事农产品精深加工及产业化开发研究。Tel: 025- 84390613; E-mail: liuchunquan2009 163. com 文章编号: 1000- 8551( 2012) 01- 0080- 06 60 Co 射线辐照预处理对甘薯热风干燥特性的影响 江宁 1， 2 刘春泉 1， 2 李大婧 1， 2 刘霞 1 严启梅 1 ( 1. 江苏省农业科学院农产品加工研究所， 江苏 南京210014; 2. 国家农业科技华东( 江苏) 创新中心 农产品加工工程技术中心， 江苏 南京210014) 摘要:采用 60Co 射线对甘薯进行辐照预处理， 考察辐照、 热风温度和切片厚度对其干燥特性和表面温 度的影响， 同时对不同剂量辐照的甘薯样品进行了显微观察和水分活度测定。结果表明， 甘薯的干燥速 率和表面温度随着辐照剂量的升高而升高。当干基含水率为 150% 时， 辐照剂量为 0、 2、 5、 8 和 10kGy 的样品干 燥 速 率 分 别 为 1. 92、 1. 97、 2. 05、 2. 28 和 3. 12% /min， 表 面 温 度 分 别 为 48. 5 、 46. 3 、 44. 5 、 42. 2 和 41. 5 ; 热风温度越高， 切片越薄， 辐照后甘薯失水速率越大。热风温度为 85 的样 品比热风温度为 65 的样品干燥时间缩短 170min， 切片厚度为 3mm 的样品比切片厚度为 7mm 的样品 干燥时间缩短了 228min; 辐照后的甘薯细胞壁变薄出现断裂， 液泡破裂， 水分活度也随辐照剂量的升高 而增大。辐照剂量为 0、 2、 5、 8、 10kGy 的样品水分活度分别为 0. 92、 0. 945、 0. 958、 0. 969、 0. 979。辐照对 甘薯热风干燥速率表面温度和水分活度等有显著影响， 为进一步研究甘薯辐照与热风干燥结合加工工 艺提供理论基础。 关键词:辐照预处理;甘薯;热风干燥 INFLUENCE OF 60Co IRRADIATION PRE- TREATMENT ON CHARACTERISTICS OF HOT AIR DRYING SWEET POTATO SLICES JIANG Ning1，2LIU Chun-quan1， 2LI Da-jing1， 2LIU Xia1YAN Qi-mei1 ( 1. Institute of Processing Agriculture product，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Nanjing，Jiangsu210014; 2. The East China ( Jiangsu)Innovation Center of National Agricultural Science and Technology- The Engineering Technology Center of Processing Agriculture Product，Nanjing，Jiangsu210014) Abstract: The influences of irradiation，hot air temperature and thicknesses of the slices on the characters of dehydration and surface temperature of 60Co -rays irradiated sweet potato were investigated Meanwhile，microscopic observation and determination of water activity of irradiated sweet potato were conducted The results show that the drying rate and the surface temperature rised with the increasing of irradiation dose When the dry basis moisture content was 150% ， the drying rate of the samples were 1. 92，1. 97，2. 05，2. 28，3. 12% /min while the irradiation dose were 0，2，5，8， 10kGy，and the surface temperature were 48. 5 ，46. 3 ，44. 5 ，42. 2 ，41. 5 ，respectively With higher air temperature and thinner of the sweet potato slices，the dehydration of the irradiated sweet potato slices were faster The drying speed of sweet potato slices at 85 was 170min faster than that of 65 The drying speed of 7mm sweet potato slices was 228min faster than that of 3mm sample The cell wall and the vacuole of the sweet potato slices were broken after irradiation，and its water activity increased with the inorease is radiation dose The water activity of the irradiated 08 1 期 60Co 射线辐照预处理对甘薯热风干燥特性的影响 samples were 0. 92，0. 945，0. 958，0. 969，0. 979 with the irradiation doses of 0，2，5，8，10kGy，respectively The hot air drying rate，surface temperature and water activity of sweet potato are significantly impacted by irradiation The conclusion provids a theoretical foundation for further processing techonology of combined radiation and hot air drying sweet potato Key words: irradiation pre-treatment;sweet potato;hot air drying 甘薯营养丰富， 并具有预防结肠直肠癌和心血管 疾病、 增强机体免疫力以及降低血脂 4等多种保健功 效 1 4。我国是世界上最大的甘薯生产国， 种植面积 达 9000 万亩， 总产量近 1. 26 亿吨 5。大力发展甘薯 深加工， 增加其经济附加值， 具有重要的意义。传统的 热风干燥法生产量大， 设备成本低， 简单易操作， 是最 常见的甘薯深加工方式。但这种方法干燥时间长、 效 率低、 能耗高 6。农产品经一定剂量的60 Co 射线辐 照后， 其内部组织结构发生变化， 物料的干燥特性也可 能随之改变 7 9， 并最终影响物料的干燥速率和干制 品品质。王俊等对辐照后苹果 10、 马铃薯11、 胡萝 卜 12、 稻谷13和小麦14的干燥特性进行研究， 发现辐 照对苹果、 马铃薯、 胡萝卜、 稻谷和小麦的干燥速率与 表面温度等均有较显著的影响。本研究将 60Co 射线 辐照作为甘薯热风干燥预处理技术， 旨在考察辐照对 其干燥特性的影响， 为进一步工艺研究打下理论基础。 1材料与方法 1. 1原料 甘薯品种为苏薯 11 号， 由江苏省农业科学院粮食 作物研究所提供。挑选新鲜无霉烂的甘薯， 清洗、 去 皮， 根据甘薯加工工艺中常选择的切片厚度， 兼顾样品 间的整 齐 可 比 性， 将 甘 薯 分 别 切 成 厚 度 为 3、 5 和 7mm， 面积为 4cm 4cm 的片状， 待辐照处理。 1. 2仪器与设备 DHG- 9073 型电热恒温鼓风干燥箱， 上海杰韦弗 实业有限公司; MP3002 型电子天平， 上海恒平科学仪 器有限公司; Lab swift-aw 型水分活度仪， 瑞士华嘉( 香 港) 有限公司; TES- 1307 型记忆式温度表， 泰世电子 ( 苏州) 有限公司; TEM- 100CX 型透射电镜， TEOL( 日 本) 电子有限公司。 1. 3试验方法 1. 3. 1辐照采用60Co 射线对样品进行辐照预处 理。辐照在南京辐照中心进行， 辐射源活度为 15. 9 PBq， 设置辐照剂量分别为 0、 2、 5、 8、 10kGy， 剂量率为 0. 9kGy/h。辐照处理后立即进行热风干燥。 1. 3. 2热风干燥热风干燥通过热风干燥箱。在保 证甘薯干燥后的色泽、 滋味和香气等感官质量的基础 上， 通过预试验， 确定甘薯热风干燥温度分别为 65 、 75 和 85 ， 热风风速恒为 0. 8m/s。干燥过程中定时 记录物料质量并换算成含水率， 直至达到安全贮藏含 水率 10% 以下， 用电子天平测定质量， 用温度表测定 甘薯片的表面温度。 1. 3. 3甘薯片初始水分含量测定按国家标准 GB /T 5009. 3 2003 进行测定 15。 1. 3. 4水分含量计算按照下式计算不同时刻的甘 薯含水率 16: WT= ( GT Gg) /GT= GT G0( 1 W0) GT 100% 式中， GT: T 时刻甘薯片质量， g; Gg: 甘薯片干重， g; G0: 甘薯片初始质量， g; W0: 甘薯片初始含水率， % ; WT: 甘薯片 T 时刻含水率， % 。 1. 3. 5干燥速率计算按照下式计算不同时刻的甘 薯片含水率: R = dm/dt 式中， R: 干燥速率， g/min; dm: 失去水分的质量， g; dt: 失去水分所需时间， min。 1. 3. 6水分活度测定采用水份活度仪测量不同辐 照剂量下试验样品的水分活度。 1. 3. 7电镜观察采用透射电镜对不同剂量辐照的 甘薯预处理， 并经热风干燥后的样品进行显微观察。 取材: 将样品切分成 1mm 1mm 2mm 的长方体小 块; 戊 二 醛 固 定:在 2. 5% 浓 度 戊 二 醛 的 PBS ( 0. 1mol/L，pH7. 4 )溶 液 中 固 定 4h，然 后 用 PBS ( 0. 1mol/L，pH7. 4) 漂洗液漂洗 3 次， 每次 15min; 锇酸固定: 用 1% 锇酸固定液固定 2. 5h， 然后用 PBS ( 0. 1mol/L，pH7. 4) 漂洗液漂洗 3 次， 每次 15min ; 酒精梯度脱水: 依次用 50% 、 70% 、 80% 、 90% 酒精各 脱水 1 次， 每次 10min， 最后用 100% 酒精脱水 2 次， 每 次 5min ; 包埋: 纯丙酮 + 包埋液( V V = 2 1) 在室温 下放置 3. 5h， 后纯丙酮 + 包埋液( V V = 1 2) 在室温 下放置 8h， 最后使用纯包埋液， 在 37 烘箱内放置 2. 5h; 固化: 在 37 烘箱内放置 8h， 后在 45 烘箱 内放置 12h， 最后在 60 烘箱内放置 24h; 超薄切 片: 用超薄切片机切片至 50 60nm; 染色: 利用 3% 18 核农学报26 卷 醋酸铀 枸橼酸铅进行双染色; 电镜观察: 利用透射 电镜观察并且拍照。 1. 4统计分析 采用 EXCEL 2003 对试验数据进行绘图分析。 2结果与分析 2. 1辐照对甘薯失水特性的影响 在切片厚度 5mm， 热风干燥温度 75 条件下， 不 同剂量辐照对甘薯含水率和干燥速率的影响如图 1、 2 所示。从图 1 可知， 与未辐照样品相比， 经过一定剂量 辐照处理后， 甘薯失水量在相同时间内有所增加， 且剂 量越大， 失去的水分也越多， 达到安全贮藏含水率时所 需的干燥时间越短。由图 2 可知， 随着剂量的增加， 相 同含水率时甘薯片的脱水速率增加， 在干燥初期， 当干 基含水率为 150% 时， 样品辐照剂量为 0、 2、 5、 8、 10kGy 的干燥速率分别为 1. 92% /min、 1. 97% /min、 2. 05% / min、 2. 28% /min、 3. 12% /min。在干燥后期， 不同剂量 辐照的甘薯干燥速率趋于平衡。 图 1不同剂量辐照后甘薯含水率随时间的变化曲线 Fig 1Curves of moisture content against time after different doses of irradiation 图 2不同剂量辐照下甘薯干燥速率随含水率的变化曲线 Fig 2Curves of drying rate against moisture content after different doses of irradiation 2. 2甘薯切片厚度对辐照样品含水率及干燥速率的 影响 在热风干燥温度为 75 ， 辐照剂量为 5kGy 条件 下， 不同切片厚度对甘薯含水率和干燥速率的影响如 图 3、 图 4 所示。从图 3 可以看出， 干燥到安全储藏含 水率时， 厚度为 7mm 的样品需要 415min， 而厚度为 3mm 的样品需要 187min， 干燥时间缩短了 228min。切 片厚度越大达到安全储藏含水率 10% 所需干燥时间 越长。从图 4 可知， 在同一含水率下， 辐照样品的切片 厚度越小， 失水速率越大， 尤其在干燥初期， 干燥速率 迅速增大， 干燥后期各切片厚度的甘薯干燥速率趋于 平衡。 图 3不同切片厚度下甘薯含水率随时间的变化曲线 Fig 3Curves of moisture content against time under different thickness of the slices 图 4不同切片厚度下甘薯干燥速率随含水率的变化曲线 Fig 4Curves of drying rate against moisture content under different thickness of the slices 2. 3热风温度对辐照样品含水率及干燥速率的影响 在甘薯切片厚度为 5mm， 辐照剂量为 5kGy 条件 下， 不同热风温度对含水率和干燥速率的影响如图 5、 图 6 所示。图 5 显示， 热风温度对辐照甘薯的失水特 性有显著影响， 干燥到安全储藏含水率时， 热风温度为 65 的样品需要 380min， 而热风温度为 85 的样品需 要 210min， 干燥时间缩短 170min。热风温度增加越高 28 1 期 60Co 射线辐照预处理对甘薯热风干燥特性的影响 达到安全储藏含水率所需干燥时间越少。从图 6 可以 看出， 同一含水率下， 热风温度越高， 失水速率越大。 干燥后期不同热风温度的甘薯干燥速率趋于平衡。 图 5不同热风温度下甘薯含水率随时间的变化曲线 Fig 5Curves of moisture content against time at different temperature 图 6不同热风温度下甘薯脱水速率随时间的变化曲线 Fig 6Curves of drying rate against time at different temperature 2. 4辐照对甘薯表面温度的影响 在切片厚度为 5mm， 热风温度为 75 条件下， 不 同剂量辐照的甘薯表面温度随时间以及含水率的变化 如图 7、 图 8 所示。从图 7 可知， 在同一时刻， 辐照剂 量越大， 表面温度越高。表面温度在干燥初期和干燥 箱内热风温度相差较大， 随着干燥时间的延长， 甘薯表 面温度越来越接近热风温度。由图 8 可知， 在同一含 水率下， 辐照剂量越高， 达到相同含水率时， 甘薯表面 温度越低， 当干基含水率为 150% 时， 样品辐照剂量为 0、 2、 5、 8、 10kGy 的表面温度分别为 48. 5 、 46. 3 、 44. 5 、 42. 2 和 41. 5 。 2. 5辐照对甘薯细胞结构的影响 图 9 为不同剂量辐照样品表层细胞的显微观察。 从图 9 A 可见， 未辐照样品细胞壁厚实， 线粒体结构 完整， 一些小液泡以及大量细胞基质紧贴在细胞壁内 壁上。图 9 B 中， 经 2kGy 剂量辐照后， 甘薯细胞壁 开始变薄， 线粒体结构不再完整， 且紧贴细胞壁内壁处 图 7不同剂量辐照下甘薯表面温度随时间的变化曲线 Fig 7Curves of surface temperature against time after different dose of irradiation 图 8不同剂量辐照下甘薯表面温度随含水率 的变化曲线 Fig 8Curves of surface temperature against the moisture content after different dose of irradiation 的细胞基质变得稀少。5kGy 剂量下( 图 9 C) ， 细胞 的结构改变更明显， 细胞壁变得更薄、 更稀松， 线粒体 膜破裂， 且细胞内的细胞基质稀松地分布在细胞内， 而 未紧贴细胞壁。图 9 D、 E 中， 经 8 和 10kGy 辐照后， 甘薯细胞结构破坏更严重， 线粒体和细胞基质均有明 显的膨胀和破裂， 液泡破裂， 内容物在细胞内自由分 散。 2. 6辐照对甘薯水分活度的影响 图 10 为甘薯经过不同剂量 60 Co 射线照射后水 分活度的变化。从图中可以看出， 甘薯经辐照后水分 活度变大， 且随着辐照剂量的增加， 水分活度也增加。 剂量为 0、 2、 5、 8、 10kGy 的辐照样品水分活度分别为 1. 92、 1. 97、 2. 05、 2. 28 和 3. 12% /min。 3讨论 在热风干燥初期， 相同辐照时间内， 剂量高的辐照 38 核农学报26 卷 图 9不同剂量辐照后甘薯细胞组织结构图 Fig 9Cell structure of sweet potato after different doses of irradiation 样品含水率下降幅度也较大; 同一含水率下剂量高的 辐照样品失水速率较高。这是由于辐照使甘薯细胞内 液泡和细胞壁受到破坏， 液泡膜结构破裂， 细胞壁变 薄、 破裂， 细胞组织分散， 液泡和细胞质内流体( 以水 分为主) 流失; 同时， 辐照还使甘薯细胞组织的电导性 图 10辐照对甘薯水分活度的影响 Fig 10Effect of irradiation on water activity of sweet potato 增大， 组织透性加强 17。这些都直接引起甘薯水分活 性变大， 迁移能力大大增强， 从而导致干燥时失水速率 加快。 在热风干燥后期， 各组样品干燥速率较低且趋于 平衡， 这是由于辐照样品在干燥过程中， 随着细胞内的 水分不断向外迁移， 一些诸如淀粉类的干物质由于细 胞的破坏也随着水分不断向表层迁移， 使得表层变得 越来越致密， 阻碍了水分的散失。同时， 在干燥后期样 品中含水率较低， 水分扩散系数也越来越低， 二者的共 同影响使样品在干燥后期的水分扩散能力降低， 不同 剂量辐照样品失水速率都很低且相差不大， 从而使失 水特性曲线基本保持相同的走势。 在相同热风干燥条件下， 经过同一干燥时间， 辐照 剂量较高的样品表面温度要高于未辐照样品， 且辐照 剂量越高， 其表面温度也越高。这是由于甘薯经过辐 照以后， 细胞结构遭到破坏， 水分活度增大， 自由水变 多， 水分的迁移能力也随之增强， 根据能量守恒定律， 在吸收相同能量的情况下， 用于水分迁移蒸发消耗的 能量相对减少， 而用于升温的能量则相对增多， 故在相 同干燥时间下辐照剂量越高其表面温度也越高。 热风干燥过程中， 在相同含水率情况下， 辐照剂量 越高的样品表面温度越低。这是由于各组样品由初始 状态至相同含水率时， 失去的水分量相同， 高剂量辐照 处理的样品失水速率大， 干燥至同一含水率所需的时 间较短， 即总吸收能量较少， 且总吸收能量的减小幅度 大于高辐照剂量样品用于水分迁移蒸发能量的减小 量， 这样用于表面升温的能量也相对减少， 故在相同的 含水率时， 辐照剂量越高的样品表面温度越低。 4结论 ( 1) 辐照剂量越大， 甘薯细胞结构遭破坏越严重， 水分活度也随着辐照剂量的增加而增大。( 2) 甘薯切 48 Journal of Nuclear Agricultural Sciences 2012， 26( 1) : 0080 0085 片厚度越大， 干燥速率越低; 热风温度越高， 干燥速率 越高。( 3) 甘薯样品的表面温度受辐照的影响， 在同 一时刻， 辐照剂量越高表面温度越高。而在相同的含 水率条件下， 辐照剂量越高表面温度越低。 参考文献: 1蔡自建，龙 虎 甘薯营养研究及食品开发J 西南民族大学 学报，2005，35( 1) :103 106 2赵国华，李志孝，陈宗道 甘薯多糖 SPPS-I-Fr-II 组分的结构与 抗肿瘤活性J 中国粮油学报，2003，18( 3) :59 61 3阚建全，阎 磊，陈宗道，贺稚非，王光慈 甘薯糖蛋白的免疫调 节作用研究J 西南农业大学学报，2000，22( 3) :257 260 4李亚娜，阐健全 甘薯糖蛋白的分离纯化及其降血脂功能J 食品科学，2003，24( 1) :118 121 5张松树，刘兰服，冯 伟 甘薯良种栽培及加工关键技术M 北京:中国三峡出版社，2006:1 5 6刘春泉，江 宁，李大婧，金邦荃 热风与微波联合干制苏渝 303 甘薯干的研究J 核农学报，2009，23( 6) :1008 1013 7徐冠仁 核农学导论M 北京:原子能出版社，1995:241 261 8华粉妹 辐照大蒜生长点细胞超微结构及抑制发芽效果的研究 J 辐射研究与辐射工艺学报，1994，12( 1) : 44 46 9Sato Mitsuhiko，Sumie Yokoyama，Koshiba Tomokazu，et al - Irradiation damage to leaf vacuole membranes of Chelidonium majus J Environmental and Experimental Botany， 1995， 35( 1) :71 10王 俊，巢 炎，王剑平，傅俊杰 辐照苹果的干燥特性研究J 农业工程学报，2001，17( 3) :96 98 11王 俊，成 芳，巢 炎，傅俊杰 辐照土豆片热风干燥工艺的试验 研