苑 亞,張振濤,楊魯偉,王瑞祥,魏 娟,肖 波

(1.北京建筑大學(xué) 北京市SEB工程技術(shù)中心，北京 100044；2.中國(guó)科學(xué)院 理化技術(shù)研究所，北京 100190)

0 引言

洋蔥(Allium cepa L.)是我國(guó)主要的農(nóng)產(chǎn)品之一，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和藥用價(jià)值[1]。干燥處理可以有效地延長(zhǎng)洋蔥的儲(chǔ)存時(shí)間，減少了質(zhì)量和體積，降低儲(chǔ)藏和運(yùn)輸成本[2]。預(yù)處理可以提高干燥速率[3-4]及干燥品質(zhì)[5-6]、降低干燥能耗和干燥成本?？祻┑萚7]研究了碳酸鉀和橄欖油混合液浸泡對(duì)無(wú)核白葡萄干燥特性的影響，預(yù)處理顯著提高了干燥速率和物料有效水分?jǐn)U散系數(shù)。郭婷等[8]報(bào)道了凍融預(yù)處理對(duì)甘薯干燥特性具有重要影響，凍融預(yù)處理顯著提高干燥速率，降低干燥周期。滕竹竹等[9]提出了漂燙預(yù)處理顯著提高了茄子的熱風(fēng)干燥速率，降低干燥周期。

為提高干燥效率、保證干燥質(zhì)量，描述干燥過(guò)程物料干燥特性的數(shù)學(xué)模型具有重要意義。關(guān)于洋蔥片的熱風(fēng)干燥特性研究已被大量報(bào)道[10-12]，但關(guān)于預(yù)處理對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥特性的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少。Sarsavadia[13]等建立了描述鹽水(5% NaCl)預(yù)處理洋蔥片熱風(fēng)干燥特性的數(shù)學(xué)模型。諸愛(ài)士[14]研究了漂燙預(yù)處理洋蔥丁干燥特性，但尚未研究漂燙條件對(duì)干燥特性影響以及沒(méi)有分析漂燙預(yù)處理提高干燥速率的機(jī)理。王正民等[15]研究了漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片干燥過(guò)程的影響，但是缺乏漂燙洋蔥片的干燥數(shù)學(xué)模型、水分有效擴(kuò)散系數(shù)的研究，以及漂燙預(yù)處理提高干燥速率的機(jī)理。

本文研究了漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片的熱風(fēng)干燥特性影響，研究了漂燙溫度、漂燙時(shí)間和熱風(fēng)溫度對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥過(guò)程的影響規(guī)律，并與未處理、鹽水預(yù)處理做了對(duì)比，建立了描述漂燙預(yù)處理洋蔥片干燥特性的Page模型和待定系數(shù)k、n與試驗(yàn)因素之間的關(guān)系式，且計(jì)算了有效擴(kuò)散系數(shù)。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 材料

新鮮的白洋蔥，購(gòu)于北京市五道口卜蜂蓮花超市。

1.2 儀器

DHG-9023A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱范圍(北京北方利輝試驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司)；SB-202A型電子天平(盛博電子衡器有限公司)；CFXB20-902B型漂燙設(shè)備(廣東省湛江市家用電器工業(yè)有限公司)；PT3002型電子溫度計(jì)(美德時(shí)儀器儀表有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 漂燙預(yù)處理

將大小均勻、無(wú)損傷、新鮮的白洋蔥剝?nèi)ネ鈱颖∑?，清洗后橫切片，洋蔥片的厚度為5 mm(工業(yè)加工一般為3～6mm[16])，選取直徑約為60～100mm、厚度為5mm、40g的洋蔥片作為試驗(yàn)材料。干燥前洋蔥片漂燙預(yù)處理將準(zhǔn)備好的試驗(yàn)材料放在紗網(wǎng)內(nèi)，在設(shè)定溫度的水浴中進(jìn)行漂燙預(yù)處理，一定漂燙時(shí)間后，用紗網(wǎng)取出洋蔥片，用濾紙除去其表面的水，并對(duì)漂燙預(yù)處理后洋蔥片的質(zhì)量進(jìn)行稱重，研究漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片的影響。

1.3.2 干燥試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片的熱風(fēng)干燥特性的影響，本文選取漂燙溫度、漂燙時(shí)間和熱風(fēng)溫度作為試驗(yàn)因素，分別對(duì)洋蔥片進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗(yàn)。每次試驗(yàn)，按照試驗(yàn)方案表(見(jiàn)表1)將單層洋蔥片均勻地平攤在120mm180mm網(wǎng)狀物料盤上，然后將物料盤放入設(shè)定好溫度的干燥箱(恒風(fēng)速1.5m/s)，物料盤位于干燥箱中心位置。試驗(yàn)開(kāi)始后，每隔10min對(duì)樣本進(jìn)行稱重一次，為減少稱重對(duì)干燥過(guò)程的影響，在稱重前關(guān)閉干燥箱風(fēng)機(jī)，稱重時(shí)間約為10～15s，當(dāng)連續(xù)兩次稱重相差小于0.01g試驗(yàn)結(jié)束。在每組試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)干燥的樣本進(jìn)行溫度為105℃熱風(fēng)干燥，干燥時(shí)間為24h，得到洋蔥片的干基質(zhì)量。

表1 干燥試驗(yàn)方案

1.4 干燥速率

干燥速率(Drying rate，DR)為[17]

(1)

式中DRt—t時(shí)刻洋蔥片的干燥速率[kg/(kg·min)]；

Xt+dt—t+dt時(shí)刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)；

Xt—t時(shí)刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)。

1.5 干燥模型

本次洋蔥片熱風(fēng)干燥試驗(yàn)屬于薄層干燥，三種常用的薄層干燥模型(見(jiàn)表2)被選取對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，選用相關(guān)系數(shù)R2、卡方χ2和均方根誤差RMSE來(lái)評(píng)判擬合結(jié)果的優(yōu)劣，數(shù)學(xué)表達(dá)式為[18]

(2)

(3)

(4)

式中MRpre,i—水分比預(yù)測(cè)值；

MRexp,i—水分比試驗(yàn)測(cè)定值；

MRe—水分比試驗(yàn)測(cè)定值的平均值；

N—數(shù)據(jù)數(shù)目；

n—模型參數(shù)個(gè)數(shù)。

表2 薄層干燥模型

1.6 有效擴(kuò)散系數(shù)

根據(jù)Fick第二定律，薄層洋蔥片內(nèi)水分可簡(jiǎn)化為[22]

(5)

式中Deff—有效擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；

L—洋蔥片的厚度(m)；

t—干燥時(shí)間(s)。

水分比(Moisture ratio，MR)為

(6)

式中Xt—t時(shí)刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)；

X0—初始時(shí)刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)；

Xe—洋蔥片的平衡干基含水率(kg/kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 洋蔥片熱風(fēng)干燥特性

2.1.1 漂燙預(yù)處理

洋蔥經(jīng)80℃熱水漂燙處理1min會(huì)發(fā)生不可逆膜損傷[23]。在70、80、90 ℃漂燙預(yù)處理1min，40 g洋蔥片分別下降到38.42、35.55、35.33g，可知隨著漂燙溫度的升高，洋蔥片的質(zhì)量變化率變大。果蔬組織中水分的90%存在于細(xì)胞中[24]，漂燙預(yù)處理造成洋蔥片失水，可能是由漂燙預(yù)處理?yè)p傷洋蔥片內(nèi)細(xì)胞組織，造成細(xì)胞內(nèi)的水分流失。

在65℃熱風(fēng)條件下，新鮮洋蔥片、鹽水預(yù)處理洋蔥片和漂燙預(yù)處理洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖1所示。相對(duì)與未處理和經(jīng)鹽水預(yù)處理，漂燙預(yù)處理顯著地增加了洋蔥片的干燥速率，可能是由于漂燙預(yù)處理?yè)p傷洋蔥片內(nèi)細(xì)胞組織，降低了干燥過(guò)程洋蔥片內(nèi)水分?jǐn)U散阻力。因此，漂燙預(yù)處理可以顯著提高洋蔥片的干燥速率。

(a) 干燥曲線

(b) 干燥速率曲線圖1 預(yù)處理對(duì)干燥過(guò)程影響Fig.1 Effect of pre-treatment on the drying characteristic

2.1.2 漂燙溫度對(duì)干燥特性的影響

在65℃熱風(fēng)條件下，經(jīng)70、80、90℃熱水漂燙預(yù)處理1min洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2所示。由圖2可知：經(jīng)70、80、90℃漂燙預(yù)處理洋蔥片的干燥過(guò)程處于降速干燥階段，隨著漂燙溫度的升高，干燥速率逐漸增加，干燥周期降低。

(a) 干燥曲線

(b) 干燥速率曲線圖2 漂燙溫度對(duì)干燥特性的影響Fig.2 Effect of blanched temperature on the drying characteristic

2.1.3 漂燙時(shí)間干燥特性的影響

在65 ℃熱風(fēng)條件下，經(jīng)90℃熱水漂燙預(yù)處理1、2、3min洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖3所示。由圖3可知：經(jīng)1、2、3min漂燙洋蔥片的干燥過(guò)程處于降速干燥階段；但隨著漂燙時(shí)間增加，干燥速率變化不顯著，這與文獻(xiàn)結(jié)論相悖[14]。

2.1.4 風(fēng)溫對(duì)洋蔥片熱風(fēng)干燥特性的影響

在55、60、65℃熱風(fēng)條件下，經(jīng)90 ℃熱水漂燙預(yù)處理1min的洋蔥片干燥曲線和干燥速率曲線如圖4所示。

(a) 干燥曲線

(b) 干燥速率曲線圖3 漂燙時(shí)間對(duì)干燥特性的影響Fig.3 Effect of blanched time on the drying characteristic

(a) 干燥曲線

(b) 干燥速率曲線圖4 風(fēng)溫對(duì)干燥特性的影響Fig.4 Effect of air temperature on the drying characteristic

由圖4可知：在55、60、65℃熱風(fēng)條件下洋蔥片的干燥過(guò)程處于降速干燥階段；隨著熱風(fēng)溫度的升高，干燥速率逐漸增加，干燥周期降低。

2.2 干燥模型的建立與分析

2.2.1 干燥模型的確定

本文選取3種典型的薄層干燥模型進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如表3所示。在不同的干燥條件下，Page模型的擬合度最優(yōu)，其R2最大，x2、RMSE最小。因此，Page模型能夠準(zhǔn)確地描述漂燙洋蔥片的干燥特性。

2.2.2 干燥模型的修正

由表3可知：Page模型參數(shù)k、n均隨試驗(yàn)條件的不同而改變；因此，k、n值是漂燙溫度、漂燙時(shí)間和熱風(fēng)進(jìn)行溫度的函數(shù)。參數(shù)k、n可表示為[25]

k=ak+bkT1+ckT2+dkT3

(7)

n=an+bnT1+cnT2+dnT3

(8)

式中ak、bk、ck、dk、an、bn、cn、dn—試驗(yàn)相關(guān)的常數(shù)；

k，n—Page模型的待定系數(shù)；

T1—漂燙溫度(℃)；

T2—熱風(fēng)溫度(℃)；

T3—漂燙時(shí)間(min)。

對(duì)上式進(jìn)行線性回歸，分別求出各模型的常數(shù)，則有

(9)

(10)

待定系數(shù)k、n的回歸方差分析如表4、表5所示。

其F值分別為176.93(>F0.01(3,3))，14.49(>F0.05(3,3))。因此，k、n與漂燙溫度、漂燙時(shí)間、熱風(fēng)溫度之間具有顯著的線性關(guān)系。復(fù)相關(guān)系數(shù)R分別為0.997 2(>Rmin=0.983)，0.967 2(>Rmin=0.950)，因此建立的k、n的線性回歸方與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較優(yōu)。

表3 干燥模型擬合結(jié)果

表4 k的回歸方差分析

表5 n的回歸方差分析

2.2.3 干燥模型驗(yàn)證

根據(jù)式(9)和式(10)，得到描述漂燙洋蔥片干燥特性的修正Page模型

將修正Page模型計(jì)算的理論值與試驗(yàn)值對(duì)比，如圖5所示。

(a) 漂燙溫度

(b) 漂燙時(shí)間

(c) 熱風(fēng)溫度圖5 理論值與試驗(yàn)值Fig.5 Theoretical value and experimental value

由圖5可知：在不同的干燥條件下，修正Page模型可很好預(yù)測(cè)漂燙洋蔥片熱風(fēng)干燥試驗(yàn)過(guò)程。

2.3 有效擴(kuò)散系數(shù)

繪制ln(MR)與干燥時(shí)間t的曲線，并對(duì)其進(jìn)行線性擬合，通過(guò)擬合直線斜率得出不同干燥條件下洋蔥片的有效擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果如表6所示。有效擴(kuò)散系數(shù)為1.045 7×10-9～2.104 9×10-9m2/s，與相關(guān)文獻(xiàn)[26]報(bào)道的食品干燥過(guò)程的有效擴(kuò)散系數(shù)在1×10-11～1×10-9m2/s范圍內(nèi)一致。

表6 有效擴(kuò)散系數(shù)

3 結(jié)論

1)研究了漂燙預(yù)處理對(duì)洋蔥片的干燥特性影響。薄層洋蔥片熱風(fēng)干燥處于降速干燥階段，最優(yōu)漂燙預(yù)處理工藝為90℃、1min。

2)隨著漂燙溫度和熱風(fēng)溫度升高，干燥速率逐漸增加。漂燙時(shí)間的增加對(duì)干燥速率的影響不顯著。相對(duì)于鹽水預(yù)處理和未處理，漂燙預(yù)處理可以顯著提高干燥速率，降低干燥周期。

3)Page模型描述漂燙洋蔥片的熱風(fēng)干燥特性最優(yōu)，修正Page模型可很好預(yù)測(cè)漂燙洋蔥片熱風(fēng)干燥特性。有效擴(kuò)散系數(shù)Deff的變化范圍為1.045 7×10-9～2.104 9×10-9m2/s。

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AbstractID:1003-188X(2018)05-0241-EA