盧映潔 任廣躍,2 段 續(xù),2 張樂(lè)道,2 凌錚錚

(1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2. 糧食儲(chǔ)藏安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽(yáng) 471023)

目前，中國(guó)對(duì)剛收獲的花生常用的干燥方法除自然晾曬外，還采用熱風(fēng)、熱泵、微波等機(jī)械干燥方法[1-3]，極大提高了干燥效率，但快速干燥的均勻性較差，干燥品質(zhì)無(wú)法得到保障。帶殼鮮花生本身為復(fù)雜的多孔雙層結(jié)構(gòu)，且在干燥過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生收縮，故不考慮結(jié)構(gòu)變化和收縮情況，難以有針對(duì)性地對(duì)帶殼鮮花生進(jìn)行機(jī)械干燥。

大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品屬于可變形的植物基多孔介質(zhì)[4]，在干燥過(guò)程中會(huì)有一定的體積收縮，而收縮變形是影響其干燥品質(zhì)與效率的重要因素之一。Seerangurayar等[5]對(duì)比了3種太陽(yáng)能干燥方式對(duì)大棗收縮率的影響，通過(guò)顯微結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流太陽(yáng)能干燥的組織變形最小，干燥效果最優(yōu)。白竣文等[6]研究了大野芋薄層干燥特性，發(fā)現(xiàn)干燥溫度和切片厚度均對(duì)大野芋收縮率有顯著影響，采用較低的干燥溫度和較厚的切片厚度能夠提高收縮率，減少收縮。Aprajeeta等[7]指出在62 ℃干燥條件下，馬鈴薯片的收縮率隨含水率呈線性變化，其徑向尺寸減小約35%，且收縮會(huì)隨熱量和質(zhì)量的同時(shí)傳遞而發(fā)生變化。李建歡等[8]發(fā)現(xiàn)在熱風(fēng)干燥過(guò)程中，澳洲堅(jiān)果的果殼收縮量由內(nèi)至外逐漸增大，收縮不均勻，且收縮量隨含水率的降低呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。Sagar等[9]對(duì)果蔬對(duì)流干燥收縮模型的研究進(jìn)行了綜述，對(duì)比分析了不同果蔬材料的收縮模型。陳良元等[10]研究表明，切片茄子的體積收縮影響干燥傳質(zhì)過(guò)程，收縮導(dǎo)致水分?jǐn)U散內(nèi)部阻力增大，在未考慮干燥收縮對(duì)動(dòng)力學(xué)影響時(shí)，水分有效擴(kuò)散系數(shù)會(huì)被明顯高估。物料收縮與其干燥過(guò)程中熱質(zhì)傳遞及應(yīng)力應(yīng)變機(jī)制密切相關(guān)[11]，引入收縮模型并分析其在干燥過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化可對(duì)干燥機(jī)理進(jìn)行更深入的探討。然而，關(guān)于收縮對(duì)帶殼鮮花生干燥特性影響的研究未見(jiàn)報(bào)道。

試驗(yàn)擬采用熱風(fēng)干燥對(duì)帶殼鮮花生進(jìn)行研究，考察不同溫度(40，50，60 ℃)對(duì)帶殼鮮花生干燥收縮特性的影響，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，采用掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)等從微觀結(jié)構(gòu)、空隙量、內(nèi)部溫度等干燥收縮特性分析干燥過(guò)程中收縮對(duì)帶殼鮮花生的影響，以期為規(guī)?；刂聘稍镏贫ê侠淼母稍锕に嚭推焚|(zhì)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

帶殼鮮花生：購(gòu)于河南洛陽(yáng)丹尼斯超市;

電熱鼓風(fēng)干燥箱：101型，北京科偉永興儀器有限公司；

掃描電鏡：TM3030plus型，日立高新技術(shù)公司；

電子天平：A.2003N型，上海佑科儀器儀表有限公司；

數(shù)控筆式溫度計(jì)：KT300型，歐達(dá)時(shí)科技(香港)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 原料預(yù)處理 在試驗(yàn)前挑選大小均勻成熟飽滿(mǎn)的花生，清除雜質(zhì)、泥沙，用自封袋封裝于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩２捎肎B 5009.3—2016測(cè)定帶殼鮮花生、鮮花生殼、鮮花生仁的初始干基含水率分別為0.736，0.931，0.545 g/g。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)定溫度(40,50,60 ℃)，預(yù)熱30 min，將帶殼鮮花生在網(wǎng)狀托盤(pán)(25 cm×25 cm，篩孔直徑為5 mm)上平鋪一層(約500 g)。因風(fēng)速(≤2 m/s)對(duì)帶殼鮮花生體積收縮的影響不顯著，故僅考慮熱風(fēng)干燥溫度對(duì)帶殼鮮花生熱風(fēng)干燥收縮特性的影響。取兩盤(pán)花生同步進(jìn)行干燥，一盤(pán)每隔1 h測(cè)定樣品的質(zhì)量，快速測(cè)量后放回，另一盤(pán)每隔1 h取30個(gè)樣品進(jìn)行留樣保存，此盤(pán)取出的樣品不再放回。干燥至安全水分(10%)停止試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.2.3 干基含水率和水分比的計(jì)算 帶殼鮮花生的干基含水率和水分比分別按式(1)、(2)計(jì)算：

(1)

式中：

X——干基含水率，g/g；

mt——t時(shí)刻物料的質(zhì)量，g；

m——物料干燥至恒重時(shí)的質(zhì)量，g。

(2)

式中：

MR——水分比；

Xo——初始干基含水率，g/g；

Xt——t時(shí)刻干基含水率，g/g；

Xe——平衡時(shí)刻干基含水率，g/g。

1.2.4 SEM分析 在帶殼花生下半部分飽滿(mǎn)處進(jìn)行取樣，固定于樣品臺(tái)，利用SEM檢測(cè)干燥處理后的花生殼、花生仁表面的微觀結(jié)構(gòu)，電鏡放大倍數(shù)200倍。

1.2.5 空隙量的測(cè)定 為更好地反映帶殼鮮花生在熱風(fēng)干燥過(guò)程中的收縮變化，采用注水法測(cè)定殼內(nèi)空隙。在帶殼花生的頂端開(kāi)一小裂縫，用5 mL針頭注射器吸取蒸餾水，緩慢注入花生殼內(nèi)，直至水溢出花生殼，記錄注水量，記為空隙量(cm3)。每組試驗(yàn)取20個(gè)樣品測(cè)量，結(jié)果取平均值。

1.2.6 內(nèi)部溫度的測(cè)定 為反映帶殼鮮花生的花生殼與花生仁之間的收縮差異，對(duì)帶殼鮮花生內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量。采用筆式溫度計(jì)對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，記錄讀數(shù)。每組試驗(yàn)取5個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果取平均值。

1.2.7 收縮比與收縮速率的計(jì)算 采用排沙法測(cè)體積[12]，分別按式(3)、(4)計(jì)算樣品體積相對(duì)收縮比和收縮速率。

(3)

式中：

SR——收縮比；

Vt——任意t時(shí)刻的體積，m3；

V0——初始體積，m3。

(4)

式中：

W——收縮速率，h-1；

SRt——t時(shí)刻收縮比；

SRt+Δt——t+Δt時(shí)刻收縮比；

Δt——時(shí)間間隔，h。

1.2.8 收縮模型的選擇 在理想的收縮條件下，物料體積的減少等于除去液體的體積，因此常用收縮比與水分比的函數(shù)來(lái)擬合收縮[13-15]。試驗(yàn)根據(jù)花生的自身特性，選取以下4種收縮模型(見(jiàn)表1)。

表1 4種常見(jiàn)收縮模型?Table 1 Four common contracting model

?k1～k5分別表示模型常數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.5對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性/非線性擬合，并分析其擬合度；使用DPS 7.05對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)帶殼鮮花生熱風(fēng)干燥收縮特性的影響

從圖1(a)可知，隨著熱風(fēng)干燥溫度升高，花生殼的收縮比逐漸減小，當(dāng)干燥溫度為40，50，60 ℃時(shí)，其干燥至平衡時(shí)的收縮比分別為0.857，0.819，0.777。溫度提高20 ℃，收縮比減小8.0%。由圖1(b)可知，帶殼鮮花生熱風(fēng)干燥的體積收縮速率具有短暫的升速階段，然后進(jìn)入降速階段，最后基本為恒速階段。水分是支撐花生殼組織飽滿(mǎn)的重要物質(zhì)，干燥前期，帶殼鮮花生主要為自由水的減少，大部分熱量傳遞給花生中的水分，以提高花生中水分的蒸發(fā)溫度，隨著花生殼中水分溫度的逐漸升高，花生殼水分蒸發(fā)量逐漸增大，形成水分梯度，內(nèi)部擴(kuò)散速率也逐漸加快，水分遷移速度快，體積變化明顯，收縮速率高。隨著干燥的進(jìn)行，后期內(nèi)部主要為結(jié)合水，而結(jié)合水不易散失，收縮速率自然降低。隨著溫度的升高，收縮速率曲線越陡峭，由于干燥溫度是影響干燥效果的主要因素[18]。干燥溫度越高，水分流失越快，收縮越明顯，速率越快。

由圖2(a)可知，隨著熱風(fēng)干燥溫度的升高，花生仁的收縮比逐漸減小，當(dāng)干燥溫度為40，50，60 ℃時(shí)，其干燥至平衡時(shí)的收縮比分別為0.695，0.659，0.624。溫度升高20 ℃，收縮比減小7.1%，說(shuō)明溫度越高，花生仁的收縮程度越大。由圖2(b)可知，花生仁的收縮速率曲線呈先升高再降低的趨勢(shì)，且溫度越高，收縮越快。可能是在干燥前期，花生殼作為保護(hù)屏障，阻擋熱量進(jìn)入殼內(nèi)，殼內(nèi)溫度較低;隨著干燥的進(jìn)行，殼內(nèi)溫度逐漸升高，導(dǎo)致含水量較高的花生仁水分散失加快，組織收縮明顯。在干燥后期，花生殼內(nèi)溫度穩(wěn)定，花生仁水分含量也較低，組織結(jié)構(gòu)收縮程度小，收縮速率變緩。

圖1 不同溫度下帶殼鮮花生花生殼的收縮曲線及收縮速率曲線

Figure 1 Contraction curve and contraction rate curve of peanut shell of fresh shelled peanuts under different temperatures

對(duì)比花生仁與花生殼的收縮曲線和收縮速率曲線可知，相同條件下，花生仁的收縮比比花生殼的收縮更加明顯，說(shuō)明花生殼與花生仁的收縮非同步進(jìn)行?；ㄉ鷼じ稍锍跗谟休^為劇烈的收縮，中后期持續(xù)緩慢收縮，但花生仁在干燥初期收縮速率緩慢，干燥中期收縮劇烈，可能是熱風(fēng)干燥時(shí)，花生殼先于花生仁接觸到高溫環(huán)境，先失水收縮，待花生殼失去一部分水分后，花生仁才發(fā)生收縮?；ㄉ鷼づc花生仁絕干時(shí)干基含水率分別為0.931，0.545 g/g，花生殼的干基含水率高于花生仁，收縮程度卻不及花生仁，可能是由于花生仁較厚，可發(fā)生形變的范圍大；花生殼主要成分為粗纖維素(65.7%～79.3%)和半纖維素(10.1%)[19]，干物質(zhì)重量輕，通道大，可包容的水分較多，有良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而干燥使得通道中的水分散失，結(jié)構(gòu)更為致密，但并不會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的坍塌，故不易發(fā)生形變，而花生仁中主要成分為脂肪(44%～45%)、蛋白質(zhì)(24%～36%)[20]等，細(xì)胞中的水分散失后，無(wú)交聯(lián)的網(wǎng)狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)作為支撐，容易發(fā)生形變。針對(duì)干燥過(guò)程中花生殼優(yōu)先花生仁干燥且收縮比小于花生仁的情況，可以考慮變溫干燥或聯(lián)合干燥提高干燥效率，改善干燥品質(zhì)。

圖2 不同溫度下帶殼鮮花生花生仁的收縮曲線及收縮速率曲線

Figure 2 Contraction curve and contraction rate curve of peanut kernel of fresh shelled peanuts under different temperatures

2.2 溫度對(duì)帶殼鮮花生空隙量的影響

由圖3可知，同一溫度下，隨著干燥的進(jìn)行，花生殼與花生仁之間的空隙逐漸增大，為二者共同收縮所致。干燥初期，花生殼為主要收縮對(duì)象，且是花生殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的收縮，空隙量較?。浑S著干燥進(jìn)行，花生仁開(kāi)始收縮且收縮較為嚴(yán)重，空隙量快速增大。另外，花生殼與花生仁之間出現(xiàn)的空隙可能會(huì)形成內(nèi)外壓力梯度差，并增加花生仁水分遷移路徑，從而影響干燥效率。在40，50，60 ℃干燥至終點(diǎn)時(shí)，其空隙量分別為0.93，1.05，1.25 cm3。干燥溫度越高，空隙量越大且空隙量的曲線越陡，表明溫度對(duì)空隙量的影響較為顯著。從側(cè)面反映溫度能引起收縮，溫度越高，收縮越嚴(yán)重，產(chǎn)生的空隙越大。

2.3 溫度對(duì)帶殼鮮花生內(nèi)部溫度的影響

由圖4可知，隨著干基含水率的降低，帶殼鮮花生內(nèi)部溫度逐漸升高，干燥溫度越高，內(nèi)部升溫速度越快。在40，50，60 ℃干燥至終點(diǎn)時(shí)，其內(nèi)部溫度分別為33.8，41.8，45.5 ℃。在較高干燥溫度下，內(nèi)部溫度基本呈直線上升趨勢(shì)。結(jié)合圖2可知，花生仁的收縮主要發(fā)生在干基含水率為0.4 g/g左右，表明花生殼對(duì)花生仁有保護(hù)作用，能減緩熱傳遞，殼外溫度遠(yuǎn)大于殼內(nèi)溫度，故花生殼先于花生仁收縮。在60 ℃干燥至終點(diǎn)時(shí)，內(nèi)部溫度仍有上升趨勢(shì)，說(shuō)明花生殼的保護(hù)作用較強(qiáng)，在干燥時(shí)間范圍內(nèi)外部溫度不能完全穿過(guò)花生殼加熱花生仁，從而影響干燥效率。因此，在保證花生仁收縮不明顯的前提下，可以采取前期高溫后期低溫的變溫干燥或不同干燥方式的聯(lián)合干燥來(lái)優(yōu)化帶殼鮮花生的干燥工藝。

圖3 不同溫度下帶殼鮮花生空隙量的變化Figure 3 Changes of void volume of fresh shelled peanuts under different temperatures

圖4 不同溫度下帶殼鮮花生內(nèi)部溫度的變化Figure 4 Changes of internal temperature of fresh shelled peanuts under different temperatures

2.4 溫度對(duì)帶殼鮮花生微觀結(jié)構(gòu)的影響

在干燥過(guò)程中，花生殼與花生仁內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。為確定熱風(fēng)干燥在不同溫度下對(duì)花生內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，使用SEM對(duì)不同溫度干燥處理過(guò)程中的花生殼與花生仁的表面進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5、6所示。

由圖5可知，對(duì)比相同溫度下不同干基含水率的微觀結(jié)構(gòu)，花生殼表面最初為排列規(guī)律的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔邊界清晰，排列相對(duì)規(guī)則。隨著干燥的進(jìn)行，花生仁的蜂窩狀結(jié)構(gòu)快速變形，結(jié)構(gòu)排列雜亂，疏水通道變窄，從而導(dǎo)致內(nèi)部花生仁的水分不易擴(kuò)散至外界，影響干燥效率。對(duì)比不同溫度下相同干基含水率的帶殼鮮花生的孔隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)較高的干燥溫度能加快水分散失，高溫使得花生殼在干燥前期網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)嚴(yán)重收縮，而40 ℃時(shí)花生殼的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變化較為緩慢。干燥至平衡時(shí)，60 ℃的結(jié)構(gòu)比40 ℃ 的結(jié)構(gòu)變形更為劇烈。從側(cè)面反映了干燥溫度越高，花生殼的體積收縮越明顯。由圖6可知，新鮮花生仁的表面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出飽滿(mǎn)蓬松、似“玉米?！钡臉?gòu)造。隨著干燥的進(jìn)行，花生仁表面結(jié)構(gòu)逐漸收縮變形，排列雜亂，細(xì)胞壁出現(xiàn)褶皺、收縮、卷曲現(xiàn)象，說(shuō)明花生仁的細(xì)胞內(nèi)主要為水分，當(dāng)水分逐漸遷移后，剩下的大部分物質(zhì)為脂肪和蛋白質(zhì)，兩種物質(zhì)導(dǎo)致花生仁比花生殼的收縮更為明顯，與圖2結(jié)果一致。且干燥溫度的升高使花生仁的細(xì)胞脫水速度加快，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化明顯，收縮加快。

圖5 不同溫度下帶殼鮮花生花生殼的SEM圖Figure 5 SEM of peanut shells of fresh shelled peanuts under different temperatures

圖6 不同溫度下帶殼鮮花生花生仁的SEM圖Figure 6 SEM of peanut kernel of fresh shelled peanuts under different temperatures

結(jié)合圖5、6可知，干燥至0.4 g/g左右時(shí)，花生殼的微觀結(jié)構(gòu)幾乎完全變形，而此時(shí)對(duì)應(yīng)的花生仁表面結(jié)構(gòu)變形程度較為劇烈，說(shuō)明干燥至0.4 g/g左右時(shí)，可視為干燥中的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，花生殼大部分水分在干燥初期丟失，先于花生仁完成干燥。

2.5 帶殼鮮花生熱風(fēng)干燥體積收縮模型的建立

對(duì)50 ℃條件下帶殼花生與花生仁熱風(fēng)干燥的收縮比進(jìn)行分析，選取4個(gè)收縮模型(表1)用Origin 8.5對(duì)其進(jìn)行非線性擬合，得出相應(yīng)的R2(相關(guān)系數(shù))、RSS(殘差平方和)、X2和模型系數(shù)，見(jiàn)表2。R2越大，RSS及X2越小，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果越好。通過(guò)對(duì)比分析4種模型的R2、X2、RSS可知，在50 ℃條件下，花生殼的Quadratic模型R2最大，為0.990 1，X2為3.375 1×10-5，RSS為1.350 0×10-4，數(shù)值較小，且Quadratic模型的表達(dá)式更為簡(jiǎn)便，故選擇Quadratic模型作為花生殼的最優(yōu)收縮模型；花生仁的Vazquez模型R2值最大，為0.967 5，X2為0.002 3，RSS為0.004 5，數(shù)值較小，故選擇Vazquez模型為花生仁的最佳收縮模型。兩種模型能較為準(zhǔn)確地反映帶殼鮮花生在熱風(fēng)干燥過(guò)程中的體積收縮特性，為帶殼鮮花生的熱風(fēng)干燥規(guī)?；刂铺峁├碚撘罁?jù)。

2.6 帶殼鮮花生熱風(fēng)干燥體積收縮模型的驗(yàn)證

選取不同干燥溫度(40，50，60 ℃)條件下的試驗(yàn)值和最終模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證比較，結(jié)果如圖7、8所示。

由圖7可知，試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的吻合程度較高，說(shuō)明模型的擬合程度較好。對(duì)不同溫度下試驗(yàn)值與Quadratic模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，40，50，60 ℃條件下的花生殼試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值相關(guān)性分別為0.99，0.83，0.99(P<0.01)，說(shuō)明不同溫度下試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值都呈極顯著的正相關(guān)。結(jié)果表明試驗(yàn)所建立的模型準(zhǔn)確可靠，能夠預(yù)測(cè)花生殼在干燥過(guò)程中收縮比隨水分比的變化規(guī)律。

表2 各干燥收縮模型的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 2 Statistical analysis results of each dry contraction model

圖7 不同溫度下花生殼試驗(yàn)值與Quadratic模型預(yù)測(cè)值比較

Figure 7 Comparison between test values at different air temperatures and predicted values of Quadratic model

圖8 不同溫度下花生仁試驗(yàn)值與Vazquez模型預(yù)測(cè)值比較

Figure 8 Comparison between test values at different air temperatures and predicted values of Vazquez model

由圖8可知，試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的吻合程度較高，說(shuō)明模型的擬合程度較好。對(duì)不同溫度下試驗(yàn)值與Vazquez模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，40，50，60 ℃條件下的花生仁試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值相關(guān)性分別為0.97，0.95，0.94(P<0.01)，說(shuō)明不同溫度下試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值都呈極顯著的正相關(guān)。結(jié)果表明試驗(yàn)所建立的模型準(zhǔn)確可靠，能夠預(yù)測(cè)花生仁在干燥過(guò)程中收縮比隨水分比的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，較高的干燥溫度會(huì)對(duì)帶殼鮮花生的干燥品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。選取較低的干燥溫度，干燥進(jìn)程緩慢，殼內(nèi)溫度變化幅度小，花生殼與花生仁的微觀結(jié)構(gòu)變化程度小，能減小帶殼鮮花生的收縮，保證花生的干燥品質(zhì)?；ㄉ鷼は扔诨ㄉ适湛s，但收縮程度不及花生仁，可能是花生殼纖維結(jié)構(gòu)的收縮不及花生仁細(xì)胞結(jié)構(gòu)的收縮?；ㄉ鷼づc花生仁之間的空隙隨著干燥的進(jìn)行而逐漸增大，可能會(huì)形成內(nèi)外壓力梯度差并增加花生仁水分遷移路徑，且為了減少收縮，可以考慮變溫干燥或聯(lián)合干燥工藝。

對(duì)不同收縮模型分析表明，花生殼采用Quadratic收縮模型擬合程度較高，花生仁采用Vazquez模型擬合程度較高，兩者能很好地反映帶殼鮮花生熱風(fēng)干燥過(guò)程中體積收縮的變化。因此，該研究結(jié)果能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)帶殼鮮花生熱風(fēng)干燥過(guò)程中干燥特性的變化規(guī)律，進(jìn)一步保證帶殼鮮花生的干燥品質(zhì)。