溫度對(duì)明星杏干燥動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)影響規(guī)律研究

過(guò)利敏，肖 波，孟伊娜，張 健，張 平，霍錦雙

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，烏魯木齊 830091；2.中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190)

0 引 言

【研究意義】我國(guó)新疆地區(qū)杏樹(shù)資源豐富，種植面積和產(chǎn)量均居全國(guó)各省(區(qū))之首[1, 2]。新鮮杏果采收時(shí)間集中，果實(shí)含水率較高，易腐且運(yùn)距長(zhǎng)，嚴(yán)重限制了杏的鮮食鮮銷，超過(guò)95%的鮮杏只能在產(chǎn)區(qū)干制加工[3]，且主要集中在南疆地區(qū)。明星杏具有個(gè)大、肉厚、中晚熟等特點(diǎn)，是新疆和田地區(qū)主栽制干杏品種[4]。目前果農(nóng)多采用傳統(tǒng)露天攤曬制干，產(chǎn)品衛(wèi)生質(zhì)量問(wèn)題突出。加強(qiáng)明星杏熱風(fēng)干燥技術(shù)及其最優(yōu)工藝參數(shù)的研究，提高杏干產(chǎn)品質(zhì)量，形成規(guī)?；庸?，是解決以上問(wèn)題的有效途徑?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】新疆杏的機(jī)械制干目前主要可分為兩大類：太陽(yáng)能制干和普通熱風(fēng)制干[5]?，F(xiàn)有杏的干燥研究主要集中于新疆賽買提杏[6-9]、庫(kù)買提杏[10]、小白杏[11-14]和索克亞格勒克[9]等品種，對(duì)于明星杏干燥關(guān)注較少[1, 15]；且集中于太陽(yáng)能干燥，太陽(yáng)能干燥存在間歇性、易受天氣影響的缺點(diǎn)，干燥時(shí)間仍然偏長(zhǎng)[6, 16]。杏果干燥過(guò)程中除了水分含量變化外，還會(huì)伴隨發(fā)生風(fēng)味、色澤等一系列品質(zhì)變化，了解杏的干燥特性和品質(zhì)變化規(guī)律是干燥機(jī)械設(shè)計(jì)和操作規(guī)程制定的重要前提[17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】熱風(fēng)干燥對(duì)天氣等環(huán)境因素要求不高，干燥溫度可控，但對(duì)干燥操作要求較高，干燥參數(shù)的設(shè)置不當(dāng)容易造成嚴(yán)重的產(chǎn)品品質(zhì)退化，導(dǎo)致明星杏色澤變差、風(fēng)味流失嚴(yán)重、產(chǎn)品香感官品質(zhì)不及傳統(tǒng)攤曬制干產(chǎn)品。研究溫度對(duì)明星杏干燥動(dòng)力學(xué)及品質(zhì)影響規(guī)律?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】高含水率植物物料的干燥過(guò)程中，物料中水分傳輸主要為內(nèi)部過(guò)程控制，受溫度影響最為顯著[18-20]。以干燥溫度為主要影響因素，通過(guò)明星杏干燥實(shí)驗(yàn)、色澤變化測(cè)定、感官指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)等方法，建立明星杏的熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型，提出明星杏的優(yōu)化干燥溫度。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 樣品來(lái)源

新鮮的明星杏，選購(gòu)于新疆烏魯木齊水果批發(fā)市場(chǎng)。選擇外觀形狀完整、大小基本一致的杏果，暫存于4℃冷庫(kù)中保存?zhèn)溆?，測(cè)得10個(gè)杏果的平均質(zhì)量為(32.6±1.5) g，厚度為(1.26±0.01) cm。

1.1.2 主要儀器

101型電熱鼓風(fēng)干燥箱；TD型電子分析天平；CR-10型全自動(dòng)測(cè)色色差計(jì)；DZF-6020型真空干燥箱；UV-2600型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)。

1.2 方 法

1.2.1 操作要點(diǎn)

挑選無(wú)傷、大小基本一致的杏果，沿騎縫線一分為二切成兩瓣，果肉保持完整，剖面朝上平攤于不銹鋼平盤中，單層擺放，水平送風(fēng)。

1.2.2 干燥

每盤裝載量為500 g，干燥溫度分別為40、50、60和70℃；干燥過(guò)程中將物料分為稱重物料和抽樣物料，同時(shí)放入給定溫度的干燥箱中，每2～4 h稱重1次，同時(shí)抽樣測(cè)10個(gè)杏片的色度。每個(gè)處理每個(gè)時(shí)間點(diǎn)均進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，計(jì)算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)含水量(w/w)在18%以下時(shí)，抽樣并密封包裝后放置于陰涼處保存，用于感官評(píng)價(jià)的測(cè)定。

1.2.3 干基含水率的測(cè)定

參照國(guó)標(biāo)GB5009.3-2016減壓干燥法測(cè)定。隨機(jī)稱取12瓣新鮮明星杏杏片，將其打碎成勻漿混合，取3個(gè)鋁制稱量皿和直徑為1.5 cm玻璃棒。各稱取3 g勻漿和石英砂充分混勻放入干燥箱45℃鼓風(fēng)干燥4 h后取出。再放入55℃真空干燥箱內(nèi)，抽真空為50 kPa，每隔2 h待恢復(fù)常壓后，置于干燥器中0.5 h后稱重一次。重復(fù)以上步驟直至前后兩次質(zhì)量差不超過(guò)2 mg，即為恒重。計(jì)算公式如下：

Mt=(mt-mg)/(mg-mb)×100.

(1)

式中，Mt-干基含水率，g/g；mt-稱量皿和試樣t時(shí)刻的質(zhì)量，g；mg-稱量皿和試樣干燥后的質(zhì)量，g；mb-稱量皿的質(zhì)量，g；t等于0時(shí)，為初始干基含水率M0。

1.2.4 干燥速率的測(cè)定

干燥速率DR是物料在干燥過(guò)程中每小時(shí)蒸發(fā)的水分量，其計(jì)算公式如下：

DR=dMt/dt=M△t/t=(Mt+△t-Mt)/△t.

(2)

式中，DR-干燥速率，g/(g·h)；M△t-相鄰時(shí)間點(diǎn)物料干基含水率的變化量，g；△t-兩次測(cè)量的時(shí)間間隔，h。

1.2.5 干燥動(dòng)力學(xué)模型

利用測(cè)得的鮮杏含水率，根據(jù)干燥過(guò)程中物料重量變化計(jì)算出干燥過(guò)程中物料含水率的變化，以時(shí)間為自變量繪制相應(yīng)的干燥曲線，明確明星杏各干燥階段情況。利用干燥曲線外推獲得其在給定干燥條件下的平衡含水率。為得到描述明星杏干燥過(guò)程的最佳動(dòng)力學(xué)模型，研究采用以下3種最常用的干燥動(dòng)力學(xué)方程來(lái)擬合獲得的干燥數(shù)據(jù)[21, 22]：

單項(xiàng)擴(kuò)散方程：

(3)

指數(shù)方程：

MR=exp(-Kt).

(4)

Page 方程：

MR=exp(-KtN).

(5)

上述方程中：MR為水分比；M為物料平均含水率；M0為物料初始含水率；Me為在給定熱風(fēng)溫度、相對(duì)濕度的情況下的平衡含水率，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)干燥法外推獲得，認(rèn)為物料重量變化很小時(shí)或不變時(shí)的含水率即為物料的平衡含水率；K為干燥動(dòng)力學(xué)參數(shù)；A、N為參數(shù)。

1.2.6 色度的測(cè)定

杏干顏色變化采用CR-10型色差計(jì)測(cè)定，采用反射模式測(cè)定樣品的L、a、b值，重復(fù)10次并計(jì)算總色差△E。其中L表示亮度，L值越小，表明產(chǎn)品亮度越低；a>0表示紅值、a<0表示綠值；b>0表示黃值、b<0表示藍(lán)值?！鱁表示總色差，見(jiàn)式6，反映色澤的總體變化，△E越大表示顏色變化越大。

(6)

1.2.7 感官綜合評(píng)價(jià)

當(dāng)杏片水分降至安全水分以下(≤18%)，取出編號(hào)后于陰涼處密封過(guò)夜再轉(zhuǎn)入4℃保存?zhèn)溆谩２捎锰鸲?、色澤、酸度、香氣和硬度五個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)明星杏的品質(zhì)。用于擺放杏干樣品的盒子要求外觀一致。評(píng)價(jià)人員共選9位，要求生活習(xí)慣較好、無(wú)特別飲食偏好。在評(píng)價(jià)前需要掌握與香氣相關(guān)的描述詞，如4個(gè)頻次最高的描述詞(A典型濃郁、B較濃郁、C基本無(wú)香味、D后熟味)，然后給各氣味指標(biāo)的強(qiáng)度打分：強(qiáng)度分為十級(jí)(0～9)，等級(jí)越高表示強(qiáng)度越高，氣味越濃。采用雷達(dá)圖展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，用Excel2016軟件對(duì)干燥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做曲線圖，并對(duì)干燥動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行回歸擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對(duì)明星杏熱風(fēng)干燥特性的影響

水分含量對(duì)明星杏干感官品質(zhì)及儲(chǔ)藏穩(wěn)定性均有十分重要的影響。不同干燥溫度的干燥曲線和干燥速率曲線顯示，4個(gè)風(fēng)溫梯度下明星杏含水率和干燥速率的干燥曲線。風(fēng)溫越高，干燥速率越大，相同時(shí)間干燥物料的干基含水率就越低，所用的干燥時(shí)間也越短。明星杏片達(dá)到干燥終點(diǎn)時(shí)，70℃的干燥時(shí)間是60℃的1.7倍，并且兩者干燥曲線差距較大，這可能是由于風(fēng)溫越高，傳熱推動(dòng)力溫度差越大，當(dāng)溫度達(dá)到物料內(nèi)部傳質(zhì)的臨界值，干燥過(guò)程中的果實(shí)與外界熱交換、水分?jǐn)U散的速率發(fā)生了躍遷，因此，出現(xiàn)較大差異。但是溫度過(guò)高，干燥過(guò)程能耗較大。一般選擇干燥溫度50～60℃較適宜。圖1

圖1 不同溫度下明星杏含水率和干燥速率變化
Fig.1 Effect of temperatures on water content and drying rate of star apricot

2.2 干燥動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果

2.2.1 參數(shù)擬合

用經(jīng)過(guò)線性化處理后的3種干燥動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的各含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同溫度下各參數(shù)的值。表1

表1 各方程參數(shù)的擬合值
Table 1 Fitting value of each equation parameter

TMR=Aexp(-Kt)MR=exp(-Kt)MR=exp(-KtN)AKR2KR2KNR2401395702003888309368370034121091791600163841155216097375501516971007449809660100652110945449002913111971080978684601342820008559609815700775570969811003320112238570965367016744680153255092934501334280908060039756113509220954573

各模型決定系數(shù)R2的對(duì)比圖，總體上可以認(rèn)為Page方程的擬合優(yōu)度較好。圖2

根據(jù)表1中各參數(shù)值隨溫度的變化規(guī)律，假設(shè)方程(1)中A為常數(shù)，取平均值，K為熱風(fēng)溫度的線性函數(shù)，單項(xiàng)擴(kuò)散方程為：

MR=1.482 491exp[-(0.003 542T-0.106 76)t].

(7)

式中:T為溫度，℃；t為溫度，h。

假設(shè)方程(2)中，K為熱風(fēng)溫度的線性函數(shù)，指數(shù)方程為：

MR=exp[-(0.003 103T-0.093 068)t].

(8)

式中:T為溫度，℃；t為溫度，h。

假設(shè)方程(3)中，K和N為熱風(fēng)溫度的線性函數(shù)，Page方程為：

MR=exp[-(0.000 742T-0.011 184)t0.006 139 T+0.894 149].

(9)

式中T為溫度，℃；t為溫度，h。

圖2 各公式擬合結(jié)果的決定系數(shù)R2對(duì)比

2.2.2 擬合結(jié)果

研究表明，三個(gè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況表明，單項(xiàng)擴(kuò)散方程的預(yù)測(cè)值在干燥開(kāi)始階段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的差距，隨著干燥的進(jìn)行與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得越來(lái)越好，這是單項(xiàng)擴(kuò)散方程的典型特征。單項(xiàng)擴(kuò)散方程為描述物料內(nèi)部水分?jǐn)U散傳輸方程在給定狄利克雷邊界條件下解析解的第一項(xiàng)，忽略了對(duì)流傳質(zhì)邊界層的影響，忽略了高階項(xiàng)的影響，因此，在干燥初始階段有較大誤差，隨著干燥過(guò)程進(jìn)行，邊界層和高階項(xiàng)的影響越來(lái)越來(lái)小，單項(xiàng)擴(kuò)散方程越來(lái)越準(zhǔn)確[19]。模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，可見(jiàn)Page模型的預(yù)測(cè)效果最好。因此，對(duì)于明星杏薄層干燥過(guò)程，適合采用Page模型描述溫度的影響。表2

干燥時(shí)熱風(fēng)溫度對(duì)干燥時(shí)間有顯著影響。熱風(fēng)溫度從40℃增加到70℃時(shí)，干燥時(shí)間從100 h左右減少到30 h左右。杏干的大部分干燥過(guò)程中，物料失水速率由物料內(nèi)部水分傳輸過(guò)程控制，熱風(fēng)溫度升高，物料內(nèi)部的溫度也會(huì)升高，內(nèi)部水分傳輸會(huì)加快(假設(shè)物料內(nèi)部水分傳輸為液態(tài)擴(kuò)散，則擴(kuò)散系數(shù)隨溫度升高而升高)，進(jìn)而干燥速率增大，干燥時(shí)間縮短。因此，實(shí)際杏干的制干生產(chǎn)中，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提，可適當(dāng)提高熱風(fēng)溫度以縮短干燥時(shí)間。圖3

圖3 模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

Fig.3Comparisonofmodelpredictionsandexperimentalresults

表2 模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(S.E.)
Table 2 Model predictions and experimental results standard deviation (S.E.)

T(℃)MR=Aexp(-Kt)MR=exp(-Kt)MR=exp(-KtN)400140640056190049035001206200638500283860012240106970052770013058009775005484

2.3 熱風(fēng)溫度對(duì)杏干顏色影響

干燥溫度是影響明星杏干果顏色指標(biāo)的重要因素。研究表明，干燥前后杏干顏色的差值隨熱風(fēng)溫度的變化情況，可以看出隨著溫度的升高，杏干顏色變化越大，但是50和60℃之間的差異較小。干燥過(guò)程使得明星杏顏色的紅值增加，黃值減少，亮度降低；并且隨著溫度增加，增加和減小的幅度都呈增大的趨勢(shì)。杏的干燥過(guò)程應(yīng)盡量提高紅值、黃值，維持其亮度[14]，可見(jiàn)熱風(fēng)干燥過(guò)程中杏的色澤品質(zhì)存在下降，干燥溫度越高下降越大。因此，在后續(xù)的研究中應(yīng)研究控制L、a、b值變化的干燥參數(shù)操作機(jī)制，優(yōu)化杏干的品質(zhì)。圖4

2.4熱風(fēng)溫度對(duì)杏干感官品質(zhì)指標(biāo)影響的綜合評(píng)價(jià)

獲得的感官指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示，圖5為溫度對(duì)感官品質(zhì)指標(biāo)影響的綜合評(píng)價(jià)。

甜度得分越高表示品質(zhì)越好，4種干燥條件下測(cè)得杏片的甜度都在適中范圍內(nèi)，其中40℃的甜度最高。從色澤上觀察，40、50、60℃下色澤變化不大，而70℃下變化較大，這與測(cè)得的色差變化一致。酸度結(jié)果顯示，酸度都適中，符合大眾的口味。其中40℃干燥時(shí)酸度最小，60℃時(shí)酸度最大，其余干燥條件酸度相近。從香氣角度來(lái)說(shuō)，60℃香氣最差，在40℃干燥條件下明星杏的香氣較其它3種干燥條件更為濃郁。從硬度方面來(lái)講，40℃硬度最小，其余各干燥方式下明星杏硬度適中。綜合考慮，50℃干燥下的明星杏感官上最優(yōu)。表3，圖5

圖4 干燥前后杏干顏色的差值隨溫度的變化
Fig.4 The color difference of apricot with the temperature changes before and after drying

表3 各干燥溫度下的感官品質(zhì)指標(biāo)
Table 3 Sensory quality indicators at different drying temperatures

干燥條件(℃)甜度硬度色澤酸度香氣合計(jì)404529553135195503749554629217602642555623203703355614429222

圖5 溫度對(duì)感官品質(zhì)指標(biāo)影響的綜合評(píng)價(jià)
Fig.5 The comprehensive evaluation on influences of temperature on the sensory quality indicators

3 討 論

研究了干燥過(guò)程最重要的參數(shù)之一“干燥溫度”對(duì)明星杏干燥過(guò)程和干燥品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，在最常用的三種薄層干燥模型中，Page模型適合用來(lái)描述溫度對(duì)明星杏薄層干燥過(guò)程的影響。熱風(fēng)溫度對(duì)干燥效率(干燥時(shí)間)的影響顯著。熱風(fēng)溫度從40℃增加到70℃時(shí)，干燥時(shí)間從100 h左右減少到30 h左右。杏干的制干生產(chǎn)實(shí)際中，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提，可適當(dāng)提高熱風(fēng)以縮短干燥時(shí)間。

品質(zhì)指標(biāo)的影響研究表明，總體上干燥溫度越高，品質(zhì)指標(biāo)劣化越嚴(yán)重，尤其是顏色和硬度指標(biāo)。為了保證品質(zhì)，干燥過(guò)程中應(yīng)盡量降低干燥溫度，但會(huì)嚴(yán)重影響干燥效率。因此，綜合考慮溫度對(duì)干燥時(shí)間和各品質(zhì)指標(biāo)的影響，可以認(rèn)為明星杏干燥的最優(yōu)溫度在干燥溫度的上下限范圍內(nèi)存在最優(yōu)值，實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)值為50℃。

研究沒(méi)有涉及到影響干燥過(guò)程的其他重要影響因素，如熱風(fēng)相對(duì)濕度和風(fēng)速，在后續(xù)的研究中應(yīng)綜合考慮這些因素的影響，對(duì)明星杏的干燥工藝進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

4 結(jié) 論

4.1 采用最常用的三種薄層干燥模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的各含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理和擬合，結(jié)果顯示，在明星杏薄層干燥過(guò)程，Page模型適宜用于描述溫度的影響，Page方程為：MR=exp[-(0.000 742T-0.011 184)t0.006 139 T+0.894 149]。

4.2 杏干感官品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，4種干燥條件下測(cè)得杏片的甜度、酸度和硬度都在適中范圍內(nèi)，其中40℃的甜度最高。干燥過(guò)程使得明星杏顏色的紅值增加，黃值減少，亮度降低，其中70℃下色澤變化較大，50和60℃的差異較小。40°C的明星杏香氣較其它3種干燥條件更為濃郁。50℃干燥下的明星杏感官上最優(yōu)。

4.3 在明星杏的熱風(fēng)干燥實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)溫越高，相同時(shí)間點(diǎn)物料的干基含水率就越低，所用的干燥時(shí)間也越短。明星杏片達(dá)到干燥終點(diǎn)時(shí)，70℃的干燥時(shí)間是60℃的1.7倍。綜合考慮溫度對(duì)干燥時(shí)間和各品質(zhì)指標(biāo)的影響，得出明星杏的熱風(fēng)干燥溫度最優(yōu)值為50℃。

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