謝 輝，張 雯，韓守安，王 敏，鐘海霞，伊卜拉伊木江·努爾麥麥提，潘明啟，陸勝祖

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國(guó)葡萄干的主產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)量約為15×104～18×104t，占全國(guó)葡萄干總產(chǎn)量的95%以上，世界葡萄干產(chǎn)量排名第三，是新疆林果業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)[1-3]。新疆葡萄干的制干工藝主要以晾干和曬干兩種傳統(tǒng)工藝為主，其中晾干方式是新疆綠色葡萄干的主要生產(chǎn)工藝，曬干方式是新疆紅褐色葡萄干的主要生產(chǎn)方式[4-7]，研究傳統(tǒng)干燥工藝，對(duì)葡萄制干特性及干燥模型的影響具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】新疆葡萄制干流傳下來(lái)的主要制干工藝為晾干和曬干，一種為綠色葡萄干，一種為紅褐色葡萄干[8]。前人關(guān)于葡萄制干進(jìn)行了大量的研究，但是研究主要集中在不同制干工藝對(duì)葡萄成干速度[9,10]、葡萄干品質(zhì)[11，12]及風(fēng)味[13，14]等方面的影響。關(guān)于干燥工藝對(duì)物料制干特性及干燥模型的研究在紅棗[15]、荔枝[16]、杏干[17]及蔬菜[18]上進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)干燥模型能夠較好的闡釋以上干果干制過(guò)程中水分散失規(guī)律、干燥速率、水分散失速率和活化能，為干燥工藝的改進(jìn)提供實(shí)踐數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】有關(guān)傳統(tǒng)干燥工藝對(duì)葡萄制干特性及干燥模型的研究較少。研究針對(duì)新疆葡萄干生產(chǎn)中的主要傳統(tǒng)工藝晾干、曬干進(jìn)行研究，分析兩種制干方式對(duì)葡萄制干特性、干燥模型及有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】研究不同制干工藝對(duì)葡萄制干特性的影響，分析傳統(tǒng)制干工藝干燥條件下葡萄果實(shí)內(nèi)的干燥特性及失水規(guī)律，建立干燥動(dòng)力學(xué)模型，分析葡萄干燥期間的水分變化規(guī)律，為葡萄干燥工藝的改進(jìn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

無(wú)核白雞心葡萄，可溶性固形物含量23.6%。無(wú)核白雞心葡萄購(gòu)買與鄯善縣園藝場(chǎng)，總計(jì)購(gòu)買鮮葡萄500 kg。測(cè)定無(wú)核白雞心葡萄果粒的基本參數(shù)，單粒重4.65 g，縱橫徑分別為27.18 mm、17.02 mm，干燥半徑8.5 mm。新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所惠普?qǐng)@藝科技有限公司生產(chǎn)的促干劑。千分之一天平、路格L95-4型號(hào)溫、濕度記錄儀。

1.2 方 法

1.2.1 溫度測(cè)定

采用路格L95-4型號(hào)溫度記錄儀放置在各個(gè)制干環(huán)境中，每個(gè)制干環(huán)境放置3臺(tái)儀器，最后取平均值。

1.2.2 含水量測(cè)定

取200 g無(wú)核白雞心葡萄干于制干環(huán)境中，每天采用百分之一天平測(cè)定其重量變化情況，然后計(jì)算葡萄干剩余的含水量。

1.2.3 干燥參數(shù)的計(jì)算[19]

干基含水率(Wt)計(jì)算公式為：

(1)

式中：Wt代表葡萄果實(shí)干基含水率，單位g/g；md代表葡萄干物質(zhì)的質(zhì)量，單位為g；mt為任意t時(shí)刻葡萄的質(zhì)量，單位為g。

水分比(MR)公式：

(2)

注：MR為水分比，Mt-樣品任意時(shí)刻葡萄果實(shí)的干基含水率，單位為g/g，Me-葡萄干的平衡干基含水率，單位為g/g；M0-葡萄的初始干基含水率，單位為g/g。

干燥速率公式：

(3)

式中：Ui為i時(shí)刻試驗(yàn)葡萄果實(shí)的干燥速率，單位為g/(g·min)，Mi為i時(shí)刻試驗(yàn)葡萄果實(shí)干基含水率，單位為g/g。

有效水分?jǐn)U散系數(shù)(Deff)計(jì)算公式：

(4)

式中：Deff為葡萄的有效水分?jǐn)U散系數(shù)，單位為m2/s；L為物料厚度，單位為米(m)；t為干燥時(shí)間，單位為小時(shí)(h)。

1.2.4 葡萄干干燥模型的建立

物料(葡萄)干燥過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的熱量傳遞過(guò)程，涉及多種物理現(xiàn)象[20]，研究選用4個(gè)常見(jiàn)的干燥動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬合[21]。采用薄層干燥常用的4種數(shù)學(xué)模型對(duì)葡萄果實(shí)制干過(guò)程中水分比的筆畫進(jìn)行擬合。葡萄果實(shí)的干燥過(guò)程主要以降速階段為主，葡萄制干過(guò)程中有效水分?jǐn)U散系數(shù)采用Fick第二定律公式計(jì)算。表1

表1 用于干燥曲線分析的數(shù)學(xué)模型
Table 1 Mathematical models for drying curves

編號(hào)Number模型名稱Model Name模型Model1NewtonMR=exp(-kt)2PageMR=exp(-ktn)3Simplified Fick’s diffusionMR=aexp(-ctL2)4Wang and SinghMR=1+at+bt2

將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合回歸分析，并用決定系數(shù)R2、卡方檢驗(yàn)值λ2和均方根誤差RMSE來(lái)評(píng)價(jià)模型擬合的適用性，其表達(dá)式如下[21]：

(5)

(6)

R2值越大、χ2和RMSE越小，說(shuō)明模型的擬合性越好。

在傳統(tǒng)干燥工藝條件下，葡萄果實(shí)半徑為0.85 cm條件下進(jìn)行干燥試驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2007、 Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、模型擬合和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 傳統(tǒng)制干工藝條件下環(huán)境變化

研究表明，曬干制干工藝的最高溫度高于晾干工藝，曬干制干工藝中的最低溫度低于晾干制干工藝中的最低溫度，曬干工藝中的最高溫度68.2℃，晾干工藝的最高溫度36.8℃；曬干工藝中的最低溫度8.8℃，晾干工藝中的最低溫度12.3℃。曬干工藝中溫度差達(dá)到59.4℃，是晾干工藝的2.48倍。晾干工藝中的最高濕度低于曬干工藝中的最高濕度，晾干工藝中的最低濕度高于曬干工藝中的最低濕度。圖1，圖2

圖1 傳統(tǒng)制干工藝條件下制干環(huán)境中最高、最低溫度變化
Fig.1 Changes in the highest and lowest temperature in a dry environment under traditional drying process conditions

圖2 傳統(tǒng)制干工藝條件下制干環(huán)境中最高、最低濕度變化
Fig.2 Changes in the highest and lowest humidity in a dry environment under traditional drying process conditions

2.2 傳統(tǒng)工藝條件下葡萄果實(shí)的干燥特性

研究表明，兩種制干工藝的干燥特性具有一定的差異，曬干制干工藝條件下葡萄果實(shí)的干燥速率高于晾干葡萄果實(shí)的干燥速率。曬干工藝制干所需時(shí)間180 h，晾干工藝制干所需時(shí)間380 h。干燥初期，由于葡萄果實(shí)組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞，水分向外擴(kuò)散速率較快，兩種制干工藝的干基含水率下降明顯，曬干工藝的干基含水率高于晾干工藝的干基含水率，是由于曬干環(huán)境中的溫度明顯高于晾干環(huán)境中的溫度引起的。制干后期兩種傳統(tǒng)制干工藝條件下的干燥速率區(qū)別不明顯，主要是由于制干后期外界氣溫下降，曬干環(huán)境中的溫度顯著下降；隨著葡萄果實(shí)內(nèi)水分含量的下降，葡萄果實(shí)表面硬化，導(dǎo)致水分?jǐn)U散速率減慢，干燥速率降低。圖3

圖3 傳統(tǒng)工藝條件下葡萄干燥曲線及干燥速率曲線

Fig.3Grapedryingcurveanddryingratecurveundertraditionalprocessconditions

2.3 葡萄薄層干燥動(dòng)力學(xué)模型

2.3.1 葡萄干燥動(dòng)力學(xué)模型的擬合

研究采用了薄層干燥常用的4種數(shù)學(xué)模型對(duì)葡萄果實(shí)制干過(guò)程中水分比的變化進(jìn)行了擬合。計(jì)算葡萄的水分比MR，用Origin 9.0軟件對(duì)表1中的4個(gè)干燥模型進(jìn)行擬合，模型中干燥時(shí)間t的單位為小時(shí)(h)。傳統(tǒng)制干工藝條件下，4個(gè)模型的常數(shù)及R2、χ2和RMSE等擬合檢驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表2。篩選出的4個(gè)模型均可以模擬葡萄制干過(guò)程中的水分變化情況，通過(guò)對(duì)R2值的比較，page模型擬合結(jié)果最好，R2的均值達(dá)到了0.998 20，χ2值的結(jié)果為0.000 885，RSME平均值的結(jié)果為0.001 55。表2

表2 傳統(tǒng)干燥工藝條件下葡萄果實(shí)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果
Table 2 Statistical results of drying models for grape fruit under the different drying conditions

模型Model處理Dispose干燥常數(shù)Drying constantR2χ2RSMEPage晾干K=3.089×10-4 n=0.026 90.998 820.001 450.001 45曬干K=0.003 81 n=0.073 240.997 580.000 320.001 65Newton晾干K=3.579×10-40.984 540.001 730.020 72曬干K=0.002 140.994 840.000 740.004 23Wang and singh晾干a=-0.006 41 b=3.447×10-70.997 840.000 240.002 65曬干a=-0.017 72 b=7.487×10-50.965 520.004 710.023 54Simplified Fick's diffusion晾干a=1.057 4 c=2.957×10-18 L=1.806×10-80.986 640.001490.01492曬干a=1.013 58 c=4.817×10-13 L=4.134×10-60.992 620.001 010.004 03

2.3.2 Page模型求解

Page模型適用于描述葡萄果實(shí)的干燥過(guò)程，模型中的n和k是干燥工藝和半徑(r)的函數(shù)，采用一元線性回歸的方法對(duì)n和k與干燥工藝和半徑進(jìn)行分析：

當(dāng)葡萄果實(shí)干燥半徑為0.85 cm時(shí)，

k=1.181 7T+0.003 4(R2=1)

n=1.180 3T+0.041 5(R2=1)

2.3.3 Page模型的驗(yàn)證

試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值擬合較好，說(shuō)明采用Page模型可以很好的描述葡萄果實(shí)在傳統(tǒng)干燥工藝制干過(guò)程中水分變化的規(guī)律。圖4

2.4 有效水分?jǐn)U散系數(shù)

研究表明，葡萄果實(shí)干燥過(guò)程中水分比MR的自然對(duì)數(shù)與干燥時(shí)間t呈線性關(guān)系。通過(guò)線性回歸計(jì)算出傳統(tǒng)干燥工藝條件下有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff。兩種干燥工藝曬干、晾干條件時(shí)，晾干方式的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別為6.468 75 E-9，曬干方式的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為2.036 25 E-8，由此說(shuō)明，傳統(tǒng)工藝中曬干方式的有效水分?jǐn)U散系數(shù)顯著高于晾干方式的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。表3

圖4 Page模型驗(yàn)證
Fig.4 Validation of Page model表3 傳統(tǒng)干燥工藝條件下葡萄果實(shí)干燥有效水分?jǐn)U散系數(shù)
Table 3 Effective moisture diffusivity of Grape fruit under tradition drying conditions

處理Dispose擬合公式Fitting formulaR2Deff(m2/s)晾干AirdryingInMR=-0.0115 t+0.255 20.9826.46875E-9曬干SundryingInMR=-0.0362+0.2870.976 32.03625E-8

3 討 論

晾干和曬干是新疆葡萄制干的傳統(tǒng)工藝，有著悠久的歷史。晾干方式是新疆綠色葡萄干的主要制干方式，在世界范圍內(nèi)新疆是綠色葡萄干的主要生產(chǎn)區(qū)域，這與新疆吐魯番、哈密地區(qū)制干時(shí)期的環(huán)境條件及晾房結(jié)構(gòu)和微環(huán)境具有密切關(guān)系[1，3，5]。但是，目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有采用機(jī)械烘干工藝生產(chǎn)綠色葡萄干的成熟工藝，研究針對(duì)新疆綠色和紅褐色葡萄干制干工藝的制干環(huán)境及在相應(yīng)制干環(huán)境下制干特性的差異進(jìn)行了探討。同時(shí)，采用經(jīng)典的干燥模型對(duì)傳統(tǒng)制干工藝進(jìn)行了分析，Page模型是最適合用來(lái)描述傳統(tǒng)工藝對(duì)葡萄薄層干燥的過(guò)程。這與前人在杏干及其他干果的干燥過(guò)程中的研究結(jié)論一致[15-18，20]。

研究?jī)H是針對(duì)兩種傳統(tǒng)工藝條件下無(wú)核白雞心葡萄干燥特性進(jìn)行了分析，未對(duì)不同粒重、不同葡萄品種的干燥特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，在后續(xù)研究中將考慮這些因素對(duì)葡萄干燥特性的影響，為新疆葡萄干燥工藝的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

葡萄果實(shí)采用傳統(tǒng)制干工藝制干，曬干工藝的干燥速率高于晾干工藝的干燥速率。Page干燥模型對(duì)葡萄的干燥失水過(guò)程擬合度最好，χ2和R2均值最小，分別為0.998 2、8.55×10-4和0.001 5，Page模型具有形式簡(jiǎn)單，參數(shù)較少的優(yōu)點(diǎn)，可以較好的模擬葡萄干燥過(guò)程中水分變化的情況，曬干工藝條件下葡萄果實(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為2.036×10-8，晾干工藝條件下葡萄果實(shí)的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為6.468×10-9，曬干工藝的有效水分?jǐn)U散系數(shù)顯著高于晾干工藝的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。

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