橘皮的干燥特性研究與品質(zhì)的研究

牛坡,張艮,王攀,謝英杰,劉恩澤,肖武松,岳瑞曉

1(重慶三峽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,重慶,404020)2(四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院,四川 成都,610066) 3(重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站,重慶,404020)

柑橘是我國主要的經(jīng)濟(jì)作物,距今已有4 000多年的種植歷史,種植面積和產(chǎn)量均居世界前列[1]。柑橘鮮嫩多汁、營養(yǎng)豐富,具有較高的食用價(jià)值[2];同時(shí),橘皮含有豐富的營養(yǎng)成分和活性物質(zhì),如果膠、膳食纖維、維生素、精油和黃酮類化合物等,具有理氣化痰、健胃除濕、降低血壓等功能,是常見的一種中藥材[3-4]。但柑橘作為一種“藥食同源”的水果,常作為新鮮水果食用,橘皮則被當(dāng)作生活垃圾直接處理,浪費(fèi)了橘皮的藥用價(jià)值[5]。

橘皮質(zhì)量占整個(gè)柑橘的25%～40%,但新鮮橘皮含水量高、不易貯存,如何對(duì)橘皮進(jìn)行干燥處理,延長橘皮的貯存期,是實(shí)現(xiàn)橘皮藥用價(jià)值的主要途徑,也是橘皮加工的重要環(huán)節(jié)[6-8]。橘皮常用的干燥方式可以分為自然風(fēng)干和機(jī)械烘干。自然風(fēng)干成本低,但風(fēng)干時(shí)間長且質(zhì)量無法保障,如遇陰雨天,會(huì)導(dǎo)致橘皮發(fā)霉,且灰塵、昆蟲和沙石容易混跡到橘皮中,影響橘皮的質(zhì)量[9]。機(jī)械烘干具有速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn),能夠有效克服天氣及自然原因?qū)е碌拈倨べ|(zhì)量問題。目前,橘皮機(jī)械烘干方式包括紅外、微波、真空微波、冷凍干燥等,許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究,并取得了顯著成果。熱風(fēng)干燥指以熱空氣作為干燥媒介,與物料進(jìn)行濕熱交換,由于物料表面的水分蒸發(fā),導(dǎo)致物料表面與內(nèi)部之間產(chǎn)生水分濃度差異,進(jìn)而引發(fā)內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散,達(dá)到干燥的目的[10],具有成本低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)[11-12]。真空干燥是一種綠色干燥方式,其工作原理是邊抽真空邊加熱,從而加速水分的蒸發(fā),縮短干燥時(shí)間。該方式可以在低溫下進(jìn)行,有效防止高溫對(duì)營養(yǎng)成分的破壞[13-14]。遠(yuǎn)紅外干燥是指干燥過程中將物料吸收的紅外線通過共振產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為物料干燥所需的熱能,從而使物料中的水分從內(nèi)部遷移至外部,達(dá)到干燥的目的[15],具有能量損失較小、能效高的優(yōu)點(diǎn)[16]。同時(shí),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為目前應(yīng)用最為廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之一,其本質(zhì)是一種多層前饋淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),能夠通過自主訓(xùn)練與學(xué)習(xí)進(jìn)行各神經(jīng)元之間的權(quán)值、閾值的不斷迭代,修復(fù)并完善擬合過程中網(wǎng)絡(luò)本身的精確性,直至達(dá)到最優(yōu)解[17]。

目前,關(guān)于橘皮干燥的研究多集中在干燥工藝方面,對(duì)于不同干燥條件下橘皮的干燥特性及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水分比預(yù)測(cè)的研究報(bào)道還相對(duì)較少?；诖?本文選取不同干燥溫度(50、60、70、90 ℃)及不同干燥方法(遠(yuǎn)紅外干燥、熱風(fēng)干燥、真空干燥)作為研究變量,探究橘皮干燥的最佳工藝數(shù)學(xué)模型,并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橘皮水分進(jìn)行預(yù)測(cè),以期為橘皮及其他類似作物的干燥提供理論參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

選取萬州區(qū)常見的柑橘橘皮作為研究對(duì)象。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9076A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海浦東榮豐科學(xué)儀器有限公司;DZF-6030真空干燥箱,上海舍巖儀器有限公司;DHG-9023A遠(yuǎn)紅外干燥箱,吳江市永聯(lián)機(jī)械設(shè)備廠;電子天平,上海贊維衡器有限公司;TL-PRO質(zhì)構(gòu)儀,北京盈盛恒泰科技公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 橘皮樣品前處理

選取顏色、成熟度基本一致,質(zhì)量在150 g左右新鮮成熟的柑橘為試驗(yàn)原料,清洗,擦干,切成8塊,手工去皮。橘皮初始含水量為72.87 g/100 g(初始水分測(cè)量方法參照國標(biāo)GB/T 5009.3—2016 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》),橘皮的厚度在5 mm左右。

1.3.2 橘皮干燥實(shí)驗(yàn)方案

取30.00 g橘皮均勻地鋪在熱風(fēng)、真空和遠(yuǎn)紅外干燥箱的加熱板上,分別在不同溫度下(30、50、70、90 ℃)烘干,每20 min稱取一次橘皮的質(zhì)量,當(dāng)橘皮水分含量達(dá)到0.05 g/g d.w.、且質(zhì)量穩(wěn)定的時(shí)候停止干燥,為保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性,每組試驗(yàn)做3組,重復(fù)3次。

1.3.3 干燥動(dòng)力學(xué)

橘皮的干燥動(dòng)力學(xué)是基于橘皮在熱能的作用下而引起的質(zhì)量的減小,可用干燥曲線和干燥速率曲線表示。干燥曲線為水分比與干燥時(shí)間之間的關(guān)系,干燥速率曲線則為干燥速率與干燥時(shí)間之間的關(guān)系[18-19],初始含水量與橘皮干燥前后的質(zhì)量減少有關(guān)。橘皮干燥過程中水分變化采用干基含水率(Md,%)表示,計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

式中:mw,t時(shí)刻橘皮的質(zhì)量,g;md,橘皮干燥至恒重時(shí)的質(zhì)量(絕干質(zhì)量),g。

水分比(moisture ratio, MR)計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

式中:MR,水分比;M0,初始干基含水率,g/g;Mt,t時(shí)刻干基含水率,g/g。

干燥速率(drying rate, DR)計(jì)算如公式(3)所示:

(3)

式中:DR,干燥速率,g/(g·min);M1、M2,t1、t2時(shí)刻樣品的干基含水率,g/g。

水分有效擴(kuò)散系數(shù)(Deff,m2/min)是衡量物料在干燥過程中脫水能力的指標(biāo),計(jì)算如公式(4)所示:

(4)

式中:T,干燥時(shí)長,min;L,樣品厚度一半,m。

活化能計(jì)算如公式(5)所示:

(5)

式中:Ea干燥過程的活化能,kJ/mol;D0,前因子,m2/min;T,絕對(duì)溫度,K;R,摩爾氣體常數(shù),J/(mol·K)。

1.3.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種模擬大腦神經(jīng)聯(lián)系處理信息的數(shù)學(xué)模型,由輸入層,隱含層、輸出層和各層神經(jīng)元連接而成。通過確定各層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)數(shù),即可建立橘皮熱風(fēng)、真空、遠(yuǎn)紅外干燥的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

1.3.4.1 輸入層和輸出層節(jié)點(diǎn)的確定

輸入層和輸出層節(jié)點(diǎn)的確定,選擇溫度、干燥時(shí)間、干燥方式作為輸入層節(jié)點(diǎn),將干燥方式的水分比作為輸出層節(jié)點(diǎn),輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3,輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。輸入和輸出數(shù)據(jù)按照公式(6)進(jìn)行歸一化處理:

(6)

式中:xnorm,歸一化后的數(shù)據(jù)值;xi,原始數(shù)據(jù)值;xmax、xmin,原始數(shù)據(jù)中最大和最小值。

1.3.4.2 隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定

理論證實(shí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不限制隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的情況下,只需一個(gè)隱含層就可實(shí)現(xiàn)輸入到輸出的非線性映射,因此采用單隱含層,節(jié)點(diǎn)數(shù)可以按照經(jīng)驗(yàn)公式(7)確定:

(7)

式中:L,隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);m,輸入節(jié)點(diǎn)數(shù);n,輸出節(jié)點(diǎn)數(shù);c,介于1～10的常數(shù)。

本文中m、n分別是3和1,根據(jù)公式(7)可知本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)L為3～13。通過對(duì)不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,根據(jù)其訓(xùn)練結(jié)果優(yōu)劣進(jìn)一步確定最優(yōu)的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

1.3.5 干燥數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

選取5種常用的干燥數(shù)學(xué)模型來描述不同干燥條件下橘皮的干燥曲線,詳見表1。

表1 干燥數(shù)學(xué)模型Table 1 Mathematical model of drying

采用Origin軟件根據(jù)上述5種干燥動(dòng)力學(xué)模型對(duì)水分比變化曲線進(jìn)行擬合求值,獲得干燥速率常數(shù)k及待定系數(shù)a、b、n。通過決定系數(shù)(R2),卡方值(χ2)、均方根誤差(root mean squared error,RMSE)判定模型擬合度,當(dāng)χ2和RMSE越小、R2越接近1,模型擬合效果就越好。R2、χ2、RMSE計(jì)算如公式(8)～公式(10)所示:

(8)

(9)

(10)

式中:MRpre,i,第i個(gè)試驗(yàn)預(yù)測(cè)水分比;MRexp,i,第i個(gè)試驗(yàn)水分比;N,試驗(yàn)個(gè)數(shù)。

1.3.6 橘皮品質(zhì)的測(cè)定

1.3.6.1 復(fù)水率的測(cè)定

復(fù)水率(reconstitution rate,RR)是衡量橘皮干燥程度的一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn),復(fù)水率計(jì)算如公式(11)所示:

(11)

式中:mr為干燥橘皮復(fù)水后的質(zhì)量(g);md為干燥橘皮質(zhì)量(g)。

1.3.6.2 質(zhì)構(gòu)的測(cè)定

采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)橘皮進(jìn)行脆度與硬度的測(cè)定,樣品斷裂所需最大力為硬度(單位為N),力越大,硬度越大,反之硬度越小。每個(gè)樣品重復(fù)10次,取平均值。

1.3.6.3 橘皮感官評(píng)價(jià)

陳皮與橘皮具有相似的理化性質(zhì),參考T/CAI 013—2022 《新會(huì)陳皮感官評(píng)定方法》。整個(gè)審評(píng)過程由30個(gè)審評(píng)員獨(dú)立完成。審評(píng)人員在不了解橘皮的來源的情況下進(jìn)行盲評(píng),根據(jù)審評(píng)知識(shí)與品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),按滋味、色澤、湯色、香氣進(jìn)行審評(píng),感官評(píng)價(jià)表如表2所示。

表2 橘皮感官評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation standard of orange peel

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用軟件Excel 2019處理數(shù)據(jù)、利用Origin、Graphpad繪制試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化曲線,并進(jìn)行非線性擬合分析、MATLAB進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)、SPSS進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥溫度對(duì)橘皮干燥特性的影響

不同干燥溫度橘皮干燥特性曲線分別如圖1～圖3所示。

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖1 熱風(fēng)干燥特性曲線Fig.1 Characteristic curve of hot air drying

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖2 真空干燥特性曲線Fig.2 Vacuum drying characteristic curve

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖3 遠(yuǎn)紅外干燥特性曲線Fig.3 Far infrared drying characteristic curve

由水分比曲線可知,在不同干燥溫度下,3種干燥方式將橘皮干燥至安全含水率所需時(shí)間趨勢(shì)相同,均為90 ℃<70 ℃<50 ℃<30 ℃。熱風(fēng)干燥達(dá)終點(diǎn)時(shí),所用的時(shí)間分別是120、180、400和920 min;真空干燥30 ℃所用時(shí)間最長,為1 540 min,90 ℃所需的時(shí)間最短,為160 min;遠(yuǎn)紅外干燥的時(shí)間分別是1 600、760、320和180 min。由此可知,干燥溫度與干燥時(shí)間呈負(fù)相關(guān):即溫度設(shè)置越高,水分流失所需時(shí)間越短,且在同一階段,由于溫度增加會(huì)導(dǎo)致水分在橘皮表面氣化過程加快,內(nèi)部與表面的溫度差加大,從而導(dǎo)致內(nèi)部壓力梯度增大,加快橘皮內(nèi)部的水分向表面遷移。溫度較高的試驗(yàn)流失的水分均大于溫度較低的試驗(yàn),干燥溫度越高,橘皮達(dá)到相同的干燥程度所需時(shí)間越短,遵循菲克定律[20-21]。因此,無論哪種干燥方式,溫度越高,水分下降越快,所用時(shí)間越短。由干燥速率曲線可知,3種干燥方式的平均干燥速率在90 ℃時(shí)最大,分別是0.046 43、0.025 50、0.027 30 g/(g·min),隨著溫度的降低,干燥速率逐漸減小,在30 ℃時(shí)干燥速率達(dá)到最小。橘皮干燥過程可分為升速階段和降速階段,前20 min內(nèi),3種干燥方式的干燥速率達(dá)到最大值,這是因?yàn)殚倨ぶ械乃挚煞譃樽杂伤徒Y(jié)合水,自由水具有普通水的理化性質(zhì),干燥開始時(shí),在熱能的作用下,自由水被快速蒸

發(fā)出來,橘皮的質(zhì)量在短時(shí)間內(nèi)大幅度降低。之后,剩余的自由水和結(jié)合水會(huì)隨著時(shí)間的延長而緩慢地蒸發(fā),溫度越高,蒸發(fā)速度越快,這是由于隨著溫度的升高,水分子在干燥介質(zhì)中得到的內(nèi)能也會(huì)增加,并轉(zhuǎn)化為更多的動(dòng)能,從而加速擴(kuò)散速度,溫度越高,干燥速率越快。

2.2 不同干燥方式對(duì)橘皮干燥特性的影響

橘皮在30、50、70、90 ℃溫度下干燥的干燥特性曲線如圖4～圖7所示。

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖4 90 ℃干燥特性曲線Fig.4 Drying characteristic curve at 90 ℃

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖5 70 ℃干燥特性曲線Fig.5 Drying characteristic curve at 70 ℃

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖6 50 ℃干燥特性曲線Fig.6 Drying characteristic curve at 50 ℃

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖7 30 ℃干燥特性曲線Fig.7 Drying characteristic curve at 30 ℃

由水分比曲線圖可知,當(dāng)溫度相同時(shí),熱風(fēng)干燥所用的時(shí)間最短,是因?yàn)闊犸L(fēng)干燥是以熱空氣作為干燥的熱源,剛開始時(shí),熱空氣作用于橘皮的表面,待橘皮表面的水分揮發(fā)至一定的程度,熱量從橘皮表面緩慢地向橘皮內(nèi)部擴(kuò)散完成傳熱,橘皮內(nèi)的小分子快速碰撞,運(yùn)動(dòng)激烈,水分從橘皮內(nèi)部向橘皮表面擴(kuò)散直至蒸發(fā)。真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥2種干燥方式與熱風(fēng)干燥相比,缺少熱風(fēng)的作用,熱風(fēng)能使干燥箱中的空氣干燥,加速橘皮的水分流失,因此,橘皮干燥至終點(diǎn)時(shí)熱風(fēng)干燥所用時(shí)間明顯小于真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥。由干燥速率曲線圖可知,3種干燥方式橘皮水分含量下降主要發(fā)生在降速階段,但熱風(fēng)干燥的干燥速率下降趨勢(shì)明顯快于真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥,即熱風(fēng)干燥干燥速率明顯大于真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥;真空干燥與遠(yuǎn)紅外干燥燥速率相差不大。同一溫度,真空干燥、遠(yuǎn)紅外干燥干燥完成時(shí),平均干燥速率數(shù)值接近,分別為0.014 5、0.014 3 (90 ℃);0.008 0、0.008 0 (70 ℃);0.003 4、0.003 5 (50 ℃);0.001 6、0.001 6 g/(g·min)(30 ℃),具有相似的干燥特性。

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

由公式(7)可知,本文BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3～13,將81組試驗(yàn)數(shù)據(jù)共243個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù),對(duì)不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,其訓(xùn)練結(jié)如表2所示。由表3可知,節(jié)點(diǎn)數(shù)為7和9時(shí),R值最高,均為0.999 99,但節(jié)點(diǎn)數(shù)為10時(shí),R值最低,因此本文BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)選擇為9。輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3,隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為9,輸出層為1層,即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為3-9-1,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定Fig.8 Determination of neural network topology

圖9 有效擴(kuò)散系數(shù)與干燥方式之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between effective diffusion coefficient and drying

圖10 有效擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between effective diffusion coefficient and temperature

表3 不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的訓(xùn)練結(jié)果Table 3 Training results of different hidden layer nodes

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析,當(dāng)隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為9時(shí),對(duì)應(yīng)的MSE最小,為1.392 3×10-8,訓(xùn)練迭代數(shù)為6,網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度最快。結(jié)果表明,該條件下BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有高超的泛化能力。不同隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)訓(xùn)練結(jié)果如表3所示。

2.4 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)水分比曲線構(gòu)建5種干燥數(shù)學(xué)模型,其擬合結(jié)果見表4～表6。

表4 橘皮熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of mathematical model for hot air drying of orange peel

表5 橘皮真空干燥數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果Table 5 Fitting results of mathematical model of orange peel vacuum drying

表6 橘皮遠(yuǎn)紅外干燥數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果Table 6 Fitting results of far infrared drying mathematical model of orange peel

根據(jù)數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)指標(biāo)R2、χ2、RMSE可知,page模型和Henderson and Pabis模型擬合結(jié)果較好,決定系數(shù)平均值分別為0.996 992、0.996 942,χ2、RMSE相等。Newton、Modified Page模型的R2分別為0.984 842、0.988 392,χ2為0.187 371、0.199 392,RMSE為0.001 587、0.001 391。Wang and Singh模型的均方根太大,其數(shù)值均大于1×107,均方根越小,則說明模型擬合度越高,因此,該模型不適合描述橘皮干燥樣品中水分比的變化規(guī)律。綜上,Page擬合程度最高,該結(jié)果與張雪波等[22]哈密瓜切片熱風(fēng)干燥特性及數(shù)學(xué)模型的結(jié)果一致,可以說明,Page模型能很好地描述橘皮熱風(fēng)、真空、遠(yuǎn)紅外干燥的水分比的變化規(guī)律。

2.5 不同干燥條件橘皮有效水分?jǐn)U散系數(shù)、活化能

干燥過程是一個(gè)脫水的過程,伴隨著動(dòng)量、質(zhì)量和能量發(fā)生改變。在干燥過程中,當(dāng)物料從干燥介質(zhì)中吸收熱量后,熱量從外部傳向內(nèi)部;物料中的水分以蒸氣形式從表面擴(kuò)散到周圍介質(zhì)中去。達(dá)到臨界值后,干燥過程結(jié)束,物料內(nèi)部熱量以熱傳導(dǎo)的形式傳遞,水分則通過擴(kuò)散傳遞[23]。因此,可以采用Deff來表征干燥過程中水分遷移的平均速度。

由表7可知,橘皮的Deff會(huì)隨著干燥溫度和干燥方式的改變而改變,但溫度對(duì)橘皮的水分?jǐn)U散系數(shù)影響明顯大于干燥方式的改變。lnMR與時(shí)間t線性擬合決定系數(shù)R2在0.951 6～0.998 1,表明擬合結(jié)果較好,當(dāng)溫度為30～90 ℃時(shí),熱風(fēng)干燥的Deff最大為0.57×10-8～4.72×10-8m2/min,真空干燥的Deff為0.15×10-8～3.34×10-8m2/min,遠(yuǎn)紅外干燥為0.12×10-8～2.60×10-8m2/min。3種干燥方式,熱風(fēng)干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)越大;溫度越高,Deff值越大,黎斌等[24]研究溫度對(duì)花椒真空干燥動(dòng)力學(xué)特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。

表7 不同干燥條件橘皮有效水分?jǐn)U散系數(shù)Table 7 Effective water diffusion coefficient of orange peel under different drying conditions

橘皮有效擴(kuò)散系數(shù)與不同干燥條件之間的關(guān)系如圖 9 和圖 10 所示。干燥活化能Ea表示物料在蒸發(fā)1 mol水時(shí)需要的啟動(dòng)能量,其值越大表示其越難干燥,并且能通過干燥活化能估算出干燥能耗[22]。由水分有效擴(kuò)散公式,將lnDeff-1/T進(jìn)行線性擬合,計(jì)算出熱風(fēng)干燥的平均活化能是2.35 kJ/mol(R2=0.977 2),真空干燥3.31 kJ/mol(R2=0.963 3),遠(yuǎn)紅外干燥3.35 kJ/mol (R2=0.954 6),熱風(fēng)干燥的活化能最小,即在同一溫度下,橘皮最容易被干燥,與前面的結(jié)果保持一致。不同干燥溫度的平均活化能分別是3.00 kJ/mol(R2=0.999 9)、3.98 kJ/mol(R2=0.992 6)、6.86 kJ/mol (R2=0.998 75)、17.66 kJ/mol(R2=0.999 6),隨著溫度的降低,干燥活化能逐漸增大,活化分子所占的百分?jǐn)?shù)就越小,反應(yīng)速率越慢。

2.6 不同干燥條件對(duì)橘皮品質(zhì)的影響

2.6.1 不同干燥條件對(duì)橘皮復(fù)水性的影響

不同干燥條件對(duì)橘皮復(fù)水比的影響如圖11所示。

圖11 不同干燥條件對(duì)橘皮復(fù)水比的影響Fig.11 Effect of different drying conditions on rehydration ratio of orange peel

由圖11可以看出,在不同干燥條件下所得的橘皮干制品復(fù)水比有顯著性差異。在熱風(fēng)干燥不同溫度下,復(fù)水比的均值分別為2.767、2.711、2.542、2.465;真空干燥為50 ℃的復(fù)水比最大,為2.442。遠(yuǎn)紅外干燥的復(fù)水比90 ℃最大,為2.602;30 ℃最小為2.131。綜上,熱風(fēng)的復(fù)水比是最大的,且在90 ℃時(shí),復(fù)水比是所有試驗(yàn)中最大的,這是因?yàn)闊犸L(fēng)干燥對(duì)橘皮的作用最大、且溫度增加對(duì)橘皮的作用增加,導(dǎo)致橘皮內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度較高,復(fù)水比更大,反之,真空干燥的復(fù)水率是最小的,橘皮在真空環(huán)境下被干燥,內(nèi)部結(jié)構(gòu)保存較好,復(fù)水過程中水分吸收量較小,復(fù)水比最低。

2.6.2 不同干燥條件對(duì)橘皮硬度的影響

硬度是評(píng)價(jià)橘皮干制品一個(gè)重要的指標(biāo),不同干燥條件對(duì)橘皮硬度的影響如圖12所示。

圖12 不同干燥條件對(duì)橘皮硬度的影響Fig.12 Effect of different drying conditions on the hardness of orange peel

由圖12可知,在同一種干燥方式下,橘皮硬度的大小為:90 ℃>70 ℃>50 ℃>30 ℃,表明溫度越高,橘皮中的水分揮發(fā)越多,橘皮表面越硬,硬度就越大,即溫度與橘皮表面的硬度成正相關(guān);當(dāng)溫度相同時(shí),熱風(fēng)干燥的硬度均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥,且真空干燥的脆度是最小的。橘皮硬度最大為干燥90 ℃時(shí),為291.5 N,最小為真空干燥30 ℃時(shí),其值為81.7 N。

2.6.3 橘皮感官評(píng)價(jià)

對(duì)不同干燥條件處理的橘皮進(jìn)行感官評(píng)價(jià),最終得分如圖13所示。

圖13 橘皮的感官評(píng)價(jià)得分雷達(dá)圖Fig.13 Radar map of sensory evaluation score of orange peel

由圖13可知,感官評(píng)價(jià)得分前三名分別是熱風(fēng)干燥70 ℃、真空干燥70 ℃、遠(yuǎn)紅外干燥70 ℃。其中3種方式在90 ℃和30 ℃時(shí),色澤得分較低,是因?yàn)樵诟稍镞^程中,由于溫度過高,是橘皮表面脫水碳化,導(dǎo)致橘皮表面發(fā)黑,內(nèi)部發(fā)黃,當(dāng)橘皮在30 ℃時(shí),由于干燥過程時(shí)間較長,橘皮干燥受更多的因素影響,導(dǎo)致橘皮色澤不均勻,所以兩者的得分較低。70、50 ℃ 的干燥溫度、時(shí)間適中,橘皮的色澤、香氣、滋味、湯色得分較高,3種方式,都是在70 ℃時(shí)得分最高,為探究干燥方式和干燥溫度對(duì)橘皮感官評(píng)價(jià)的影響,以熱風(fēng)干燥和70 ℃為例,做進(jìn)一步分析,分析結(jié)果見圖14、圖15。由圖14、圖15可知,當(dāng)干燥方式相同時(shí),70 ℃對(duì)橘皮品質(zhì)影響更加顯著,30 ℃影響較小;當(dāng)溫度相同時(shí),干燥方式對(duì)橘皮品質(zhì)的影響大小為:熱風(fēng)干燥>真空干燥>遠(yuǎn)紅外干燥。

圖14 熱風(fēng)干燥下干燥溫度對(duì)感官評(píng)價(jià)的影響Fig.14 Effect of drying temperature on sensory evaluation under hot air dring

圖15 70 ℃下干燥方式對(duì)感官評(píng)價(jià)的影響Fig.15 Effect of drying methods on sensory evaluation at 70 ℃

3 結(jié)論

a)通過不同干燥溫度及不同干燥方式對(duì)橘皮干燥特性的影響的研究表明,隨著溫度的升高,干燥速率加快,將橘皮干燥至安全含水率(5% w.b.)所需的時(shí)間減少,在30 ℃時(shí),橘皮干燥的時(shí)間最長,90 ℃所需的時(shí)間最短;熱風(fēng)干燥的速率明顯快于真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥,真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥的水分比和干燥速率曲線保持一致,數(shù)值接近,具有相似的干燥特性。

b)通過Newton、Page、Modified Page、Henderson and Pabis和Wang and Singh,5種干燥數(shù)學(xué)模型對(duì)橘皮水分比曲線進(jìn)行擬合,Page模型相關(guān)系數(shù)為0.996 992,接近于1,是描述橘皮干燥的最佳模型。

c)運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)柑橘在30 ℃下熱風(fēng)干燥預(yù)測(cè),調(diào)節(jié)不用的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果表明跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持高度一致,其中隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為7、9時(shí)相關(guān)系數(shù)R為0.999 99,與試驗(yàn)結(jié)果保持高度一致,表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用于橘皮及類似作物干燥特性研究。

d)溫度與水分?jǐn)U散系數(shù)呈正比,溫度越高,水分有效擴(kuò)散系數(shù)越大,干燥方式對(duì)水分?jǐn)U散系數(shù)也有影響,熱風(fēng)干燥的水分有效擴(kuò)散系數(shù)明顯大于真空干燥和遠(yuǎn)紅外干燥?；罨茉酱?表明物料越難干燥。

e)不同干燥條件對(duì)橘皮品質(zhì)的影響具有明顯的差異,在熱風(fēng)干燥的干燥方式下,橘皮復(fù)水率最大;熱風(fēng)干燥90 ℃橘皮的硬度最大;熱風(fēng)干燥70 ℃感官評(píng)價(jià)得分最高,最低為真空干燥30 ℃。