過利敏，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.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190)

0 引 言

【研究意義】我國新疆地區(qū)杏樹資源豐富，種植面積和產(chǎn)量均居全國各省(區(qū))之首[1, 2]。新鮮杏果采收時間集中，果實含水率較高，易腐且運距長，嚴重限制了杏的鮮食鮮銷，超過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)。明星杏具有個大、肉厚、中晚熟等特點，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)量問題突出。加強明星杏熱風(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)?；庸ぃ墙鉀Q以上問題的有效途徑?！厩叭搜芯窟M展】新疆杏的機械制干目前主要可分為兩大類：太陽能制干和普通熱風(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]、庫買提杏[10]、小白杏[11-14]和索克亞格勒克[9]等品種，對于明星杏干燥關(guān)注較少[1, 15]；且集中于太陽能干燥，太陽能干燥存在間歇性、易受天氣影響的缺點，干燥時間仍然偏長[6, 16]。杏果干燥過程中除了水分含量變化外，還會伴隨發(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)律是干燥機械設(shè)計和操作規(guī)程制定的重要前提[17]?！颈狙芯壳腥朦c】熱風(fēng)干燥對天氣等環(huán)境因素要求不高，干燥溫度可控，但對干燥操作要求較高，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。研究溫度對明星杏干燥動力學(xué)及品質(zhì)影響規(guī)律。【擬解決的關(guān)鍵問題】高含水率植物物料的干燥過程中，物料中水分傳輸主要為內(nèi)部過程控制，受溫度影響最為顯著[18-20]。以干燥溫度為主要影響因素，通過明星杏干燥實驗、色澤變化測定、感官指標綜合評價等方法，建立明星杏的熱風(fēng)干燥動力學(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 樣品來源

新鮮的明星杏，選購于新疆烏魯木齊水果批發(fā)市場。選擇外觀形狀完整、大小基本一致的杏果，暫存于4℃冷庫中保存?zhèn)溆?，測得10個杏果的平均質(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型全自動測色色差計；DZF-6020型真空干燥箱；UV-2600型紫外-可見分光光度計。

1.2 方 法

1.2.1 操作要點

挑選無傷、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℃；干燥過程中將物料分為稱重物料和抽樣物料，同時放入給定溫度的干燥箱中，每2～4 h稱重1次，同時抽樣測10個杏片的色度。每個處理每個時間點均進行3次平行試驗，計算平均值及標準差。當(dāng)含水量(w/w)在18%以下時，抽樣并密封包裝后放置于陰涼處保存，用于感官評價的測定。

1.2.3 干基含水率的測定

參照國標GB5009.3-2016減壓干燥法測定。隨機稱取12瓣新鮮明星杏杏片，將其打碎成勻漿混合，取3個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2 mg，即為恒重。計算公式如下：

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，為初始干基含水率M0。

1.2.4 干燥速率的測定

干燥速率DR是物料在干燥過程中每小時蒸發(fā)的水分量，其計算公式如下：

DR=dMt/dt=M△t/t=(Mt+△t-Mt)/△t.

(2)

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

1.2.5 干燥動力學(xué)模型

利用測得的鮮杏含水率，根據(jù)干燥過程中物料重量變化計算出干燥過程中物料含水率的變化，以時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程的最佳動力學(xué)模型，研究采用以下3種最常用的干燥動力學(xué)方程來擬合獲得的干燥數(shù)據(jù)[21, 22]：

單項擴散方程：

(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、相對濕度的情況下的平衡含水率，實驗中通過干燥法外推獲得，認為物料重量變化很小時或不變時的含水率即為物料的平衡含水率；K為干燥動力學(xué)參數(shù)；A、N為參數(shù)。

1.2.6 色度的測定

杏干顏色變化采用CR-10型色差計測定，采用反射模式測定樣品的L、a、b值，重復(fù)10次并計算總色差△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表示藍值?！鱁表示總色差，見式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 感官綜合評價

當(dāng)杏片水分降至安全水分以下(≤18%)，取出編號后于陰涼處密封過夜再轉(zhuǎn)入4℃保存?zhèn)溆?。采用甜度、色澤、酸度、香氣和硬度五個指標綜合評價明星杏的品質(zhì)。用于擺放杏干樣品的盒子要求外觀一致。評價人員共選9位，要求生活習(xí)慣較好、無特別飲食偏好。在評價前需要掌握與香氣相關(guān)的描述詞，如4個頻次最高的描述詞(A典型濃郁、B較濃郁、C基本無香味、D后熟味)，然后給各氣味指標的強度打分：強度分為十級(0～9)，等級越高表示強度越高，氣味越濃。采用雷達圖展現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組實驗重復(fù)3次，用Excel2016軟件對干燥實驗數(shù)據(jù)做曲線圖，并對干燥動力學(xué)模型進行回歸擬合分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥溫度對明星杏熱風(fēng)干燥特性的影響

水分含量對明星杏干感官品質(zhì)及儲藏穩(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，相同時間干燥物料的干基含水率就越低，所用的干燥時間也越短。明星杏片達到干燥終點時，70℃的干燥時間是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，傳熱推動力溫度差越大，當(dāng)溫度達到物料內(nèi)部傳質(zhì)的臨界值，干燥過程中的果實與外界熱交換、水分擴散的速率發(fā)生了躍遷，因此，出現(xiàn)較大差異。但是溫度過高，干燥過程能耗較大。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 干燥動力學(xué)模型擬合結(jié)果

2.2.1 參數(shù)擬合

用經(jīng)過線性化處理后的3種干燥動力學(xué)模型，對實驗獲得的各含水率數(shù)據(jù)進行擬合，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的對比圖，總體上可以認為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)，單項擴散方程為：

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對比

2.2.2 擬合結(jié)果

研究表明，三個模型的預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果的對比情況表明，單項擴散方程的預(yù)測值在干燥開始階段與實驗結(jié)果有較大的差距，隨著干燥的進行與實驗結(jié)果吻合得越來越好，這是單項擴散方程的典型特征。單項擴散方程為描述物料內(nèi)部水分擴散傳輸方程在給定狄利克雷邊界條件下解析解的第一項，忽略了對流傳質(zhì)邊界層的影響，忽略了高階項的影響，因此，在干燥初始階段有較大誤差，隨著干燥過程進行，邊界層和高階項的影響越來越來小，單項擴散方程越來越準確[19]。模型預(yù)測值與實驗結(jié)果的標準偏差，可見Page模型的預(yù)測效果最好。因此，對于明星杏薄層干燥過程，適合采用Page模型描述溫度的影響。表2

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

圖3 模型預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

Fig.3Comparisonofmodelpredictionsandexperimentalresults

表2 模型預(yù)測值與實驗結(jié)果的標準偏差(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)溫度對杏干顏色影響

干燥溫度是影響明星杏干果顏色指標的重要因素。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。杏的干燥過程應(yīng)盡量提高紅值、黃值，維持其亮度[14]，可見熱風(fēng)干燥過程中杏的色澤品質(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)操作機制，優(yōu)化杏干的品質(zhì)。圖4

2.4熱風(fēng)溫度對杏干感官品質(zhì)指標影響的綜合評價

獲得的感官指標數(shù)據(jù)如表3所示，圖5為溫度對感官品質(zhì)指標影響的綜合評價。

甜度得分越高表示品質(zhì)越好，4種干燥條件下測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℃干燥時酸度最小，60℃時酸度最大，其余干燥條件酸度相近。從香氣角度來說，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
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404529553135195503749554629217602642555623203703355614429222

圖5 溫度對感官品質(zhì)指標影響的綜合評價
Fig.5 The comprehensive evaluation on influences of temperature on the sensory quality indicators

3 討 論

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

品質(zhì)指標的影響研究表明，總體上干燥溫度越高，品質(zhì)指標劣化越嚴重，尤其是顏色和硬度指標。為了保證品質(zhì)，干燥過程中應(yīng)盡量降低干燥溫度，但會嚴重影響干燥效率。因此，綜合考慮溫度對干燥時間和各品質(zhì)指標的影響，可以認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，實驗中最優(yōu)值為50℃。

研究沒有涉及到影響干燥過程的其他重要影響因素，如熱風(fēng)相對濕度和風(fēng)速，在后續(xù)的研究中應(yīng)綜合考慮這些因素的影響，對明星杏的干燥工藝進行進一步的優(yōu)化。

4 結(jié) 論

4.1 采用最常用的三種薄層干燥模型，對實驗獲得的各含水率數(shù)據(jù)進行線性化處理和擬合，結(jié)果顯示，在明星杏薄層干燥過程，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)綜合評價結(jié)果顯示，4種干燥條件下測得杏片的甜度、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)干燥實驗中，風(fēng)溫越高，相同時間點物料的干基含水率就越低，所用的干燥時間也越短。明星杏片達到干燥終點時，70℃的干燥時間是60℃的1.7倍。綜合考慮溫度對干燥時間和各品質(zhì)指標的影響，得出明星杏的熱風(fēng)干燥溫度最優(yōu)值為50℃。

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