張雪波
劉顯茜
鄒三全
趙振超
(昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,云南 昆明 650504)
哈密瓜為葫蘆科甜瓜屬蔓性草本植物,因味美香甜、多汁爽口,營(yíng)養(yǎng)豐富,藥用價(jià)值高[1-2],素來(lái)有“瓜中之王”的美稱(chēng)[3]。哈密瓜采收期集中、貨架期短且含水量高,受微生物影響易腐爛變質(zhì),不及時(shí)運(yùn)銷(xiāo)導(dǎo)致的腐爛損失量達(dá)20%~30%[3-5]。因此哈密瓜干燥技術(shù)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[6]。
干燥是果蔬加工應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一,通過(guò)降低水分含量、滅活微生物,減少空間和重量,從而節(jié)約運(yùn)輸和貯藏成本,延長(zhǎng)產(chǎn)品貨架期[7]。目前,哈密瓜常見(jiàn)的干燥方式有熱風(fēng)干燥[8]、真空干燥[9]、真空冷凍干燥[10-11]、變溫壓差膨化干燥[12-13]等。其中,真空干燥不適用于糊狀及高含水量物料的干燥[14];真空冷凍干燥能夠得到品質(zhì)較高的產(chǎn)品,但干燥過(guò)程冰晶的形成會(huì)對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部造成破壞且一次性投入大、能耗高、干制品價(jià)格昂貴,不適用于工廠的批量生產(chǎn)[15-17];變溫壓差膨化干燥能夠保持產(chǎn)品質(zhì)地酥脆,但設(shè)備成本較高[18];熱風(fēng)干燥具有干燥迅速、操作簡(jiǎn)單、成本低、一次性產(chǎn)出量大等特點(diǎn),且在連續(xù)化批量生產(chǎn)的情況下還能保持產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),是果蔬加工最為常用的干燥技術(shù)[19-20]。
哈密瓜含水量高、細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)疏松且有熱敏性[21],干燥前進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理(例如:熱燙、冷凍、浸漬等)可以有效避免加工過(guò)程中發(fā)生氧化褐變。溫馨等[22-23]研究了哈密瓜的預(yù)處理工藝;畢金峰等[24]研究了漂燙、冷凍和浸漬3種預(yù)處理方式對(duì)哈密瓜變溫壓差膨化干燥品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠癄C預(yù)處理有利于產(chǎn)品膨化度和色澤的提高;金敬紅等[25]研究發(fā)現(xiàn)微波干燥哈密瓜時(shí)檸檬酸的護(hù)色效果優(yōu)于壞血酸的;紀(jì)翠娟[26]研究發(fā)現(xiàn)漂燙2~3 min的哈密瓜果片顏色較好,膨化度較好;賈文婷等[27]表明60 s熱燙預(yù)處理能夠較好保持產(chǎn)品色澤,2.5%檸檬酸預(yù)處理能夠有效提升產(chǎn)品的膨化度和脆度。
文章擬以哈密瓜切片為研究對(duì)象,利用熱風(fēng)干燥技術(shù),對(duì)比分析不同預(yù)處理下哈密瓜干燥產(chǎn)品的色差,探究溫度、風(fēng)速和切片厚度對(duì)哈密瓜熱風(fēng)干燥的影響,并建立哈密瓜熱風(fēng)干燥動(dòng)力學(xué)模型,以期為哈密瓜熱風(fēng)干燥的中試加工工藝優(yōu)化及下游產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。
1.1.1 材料與試劑
哈密瓜:西州密25號(hào),去皮去籽后的哈密瓜初始濕基含水率約(91.00±0.15)%,市售;
無(wú)水檸檬酸:食品級(jí),陜西省西安森博生物試劑公司。
1.1.2 主要儀器設(shè)備
流化床干燥機(jī):Sherwood Tornado M501型,英國(guó)舍伍德科技有限公司;
色差儀:SC-80C型,北京京儀康光光學(xué)儀器有限公司;
電子天平:JY20001max2000型,上海上天精密儀器有限公司;
風(fēng)速儀:PM6252B型,華誼儀表有限公司;
恒溫水浴鍋:HH-4型,上海析達(dá)儀器有限公司;
電冰箱:BCD-272WDG型,青島海爾股份有限公司。
1.2.1 切片制備 哈密瓜洗凈后去皮、去籽,切取中間果肉制成直徑30 mm,厚度分別為2,4,6,8,10 mm的圓形切片若干份。保鮮膜密封后于4 ℃貯藏備用。
1.2.2 預(yù)處理工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)
(1) 空白試驗(yàn):將哈密瓜切成4 mm厚的圓形切片,直接進(jìn)行熱風(fēng)(溫度60 ℃、風(fēng)速1.5 m/s)制干。
(2) 漂燙:將哈密瓜切成4 mm厚的圓形切片,于95 ℃ 熱水中分別漂燙0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 min后迅速取出于室溫中靜置5 min,濾紙拭干表面水分后進(jìn)行熱風(fēng)制干。
(3) 浸漬:將4 mm厚的新鮮哈密瓜切片分別置于0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%的檸檬酸溶液中浸泡0.5 h,離子水洗2~3次后靜置5 min,濾紙拭干表面水分后進(jìn)行制干。
1.2.3 熱風(fēng)干燥單因素試驗(yàn) 取經(jīng)最佳預(yù)處理后的哈密瓜切片于流化床中進(jìn)行熱風(fēng)干燥至濕基含水率低于15%(通過(guò)企業(yè)調(diào)研,此時(shí)產(chǎn)品貯藏期、適口性、品質(zhì)最佳),3次平行試驗(yàn)。
(1) 熱風(fēng)溫度:固定熱風(fēng)速度1.5 m/s,哈密瓜切片厚度4 mm,考察熱風(fēng)溫度分別為35,45,55,65,75 ℃下哈密瓜切片熱風(fēng)干燥的水分比及干燥速率的變化。
(2) 熱風(fēng)速度:固定熱風(fēng)溫度55 ℃,哈密瓜切片厚度4 mm,考察熱風(fēng)速度分別為0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 m/s下哈密瓜切片熱風(fēng)干燥的水分比及干燥速率的變化。
(3) 切片厚度:固定熱風(fēng)溫度55 ℃,熱風(fēng)速度2.0 m/s,考察哈密瓜切片厚度分別為2,4,6,8,10 mm下哈密瓜切片熱風(fēng)干燥的水分比及干燥速率的變化。
1.3.1 水分質(zhì)量比 熱風(fēng)干燥過(guò)程中,按式(1)計(jì)算哈密瓜切片水分比。
(1)
式中:
MR——水分質(zhì)量比;
Mt、Me、M0——t時(shí)刻、平衡時(shí)刻和初始時(shí)刻的干基含水率,kg/kg。
1.3.2 干燥速率 干燥速率表示樣品在干燥過(guò)程中的失水快慢,定義為:
(2)
式中:
DR——干燥速率,kg/(kg·h);
Mt+dt、Mt——t+dt和t時(shí)刻的干基含水率,kg/kg。
1.3.3 有效擴(kuò)散系數(shù) 有效擴(kuò)散系數(shù)反映物料在一定干燥條件下的脫水能力,以Fick第二定律為理論基礎(chǔ)對(duì)其擴(kuò)散偏微分方程進(jìn)行數(shù)值求解并加以分析。對(duì)于板型物料的數(shù)值解按(3)式計(jì)算。
(3)
式中:
L——樣品的半厚度,m;
Deff——有效擴(kuò)散系數(shù),m2/s。
對(duì)式(3)取對(duì)數(shù)得:
(4)
1.3.4 活化能 按式(5)計(jì)算活化能。
(5)
式中:
Ea——活化能,kJ/mol;
R——?dú)怏w狀態(tài)常數(shù),為8.314 J/(mol·K);
T——熱風(fēng)干燥溫度,℃;
D0——阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程的指數(shù)前因子,m2/s。
將式(5)線性化取對(duì)數(shù)形式:
(6)
1.3.5 色澤測(cè)定 參照Wang等[22]的方法,并按式(7)計(jì)算色差ΔE。
(7)
幾種常被用來(lái)描述食品或農(nóng)產(chǎn)品的薄層干燥模型如表1所示。
表1 典型數(shù)學(xué)模型Tab1e 1 Typical mathematical model
對(duì)哈密瓜切片干燥特性曲線進(jìn)行擬合時(shí),使用決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(SRME)對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估。
(8)
(9)
式中:
N——觀察次數(shù);
Msimul——第i次水分質(zhì)量比的預(yù)測(cè)值;
MExp——第i次水分質(zhì)量比的試驗(yàn)測(cè)算值。
采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用Origin 2018軟件繪圖,并進(jìn)行非線性曲線擬合。
由表2可知,與新鮮切片相比,哈密瓜制干產(chǎn)品的L*值隨漂燙時(shí)間的增加而減小,而ΔE先減小后增大。這是由于漂燙時(shí)間不足,滅酶不充分導(dǎo)致產(chǎn)品褐變嚴(yán)重;漂燙過(guò)度,切片組織軟爛,產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)成分損失嚴(yán)重。與漂燙工藝不同,經(jīng)檸檬酸預(yù)處理后的干燥樣品的L*值均有所提升,干燥樣品更加透亮;且具有更小的ΔE值,顏色得到有效保護(hù)。同時(shí),當(dāng)檸檬酸從0.4%增加至0.5%時(shí),ΔE值從17.717 6增大至19.015 6,表明過(guò)度增加檸檬酸濃度,反而不利于得到更好的干燥產(chǎn)品,故0.4%檸檬酸為最佳的預(yù)處理工藝。
表2 預(yù)處理方式對(duì)哈密瓜切片熱風(fēng)干燥色澤的影響
2.2.1 熱風(fēng)溫度對(duì)哈密瓜切片熱風(fēng)干燥特性的影響 由圖1可知,溫度升高后哈密瓜切片內(nèi)水分子動(dòng)能增大、活躍度升高,切片表面水分快速揮發(fā),并與內(nèi)部形成較大的水分梯度,加速水分從內(nèi)部向外表面的傳質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程,縮短干燥時(shí)間。從干燥速率曲線可以看出,干燥前100 min內(nèi)干燥曲線急速下降,之后趨于平緩直至達(dá)到干燥平衡。這是由于干燥初始,切片內(nèi)部水分?jǐn)U散速率遠(yuǎn)大于表面水分揮發(fā)速率,干燥曲線急速下降;干燥持續(xù)進(jìn)行,切片含水率隨之減少,內(nèi)部水分?jǐn)U散速率逐漸減小,以至于不能滿足表面的揮發(fā)導(dǎo)致干燥速率降低,干燥曲線趨于平緩。哈密瓜切片干燥受溫度影響較為顯著且無(wú)恒速干燥階段,55~75 ℃時(shí)干燥速率曲線相近,干燥時(shí)長(zhǎng)相差不大,提升溫度不能明顯縮短干燥周期,為減少能耗,取55 ℃ 進(jìn)行熱風(fēng)干燥為宜。
圖1 不同熱風(fēng)溫度下的水分比和干燥速率曲線Figure 1 Water ratio curve and drying rate curve at different temperatures
2.2.2 熱風(fēng)速度對(duì)哈密瓜切片熱風(fēng)干燥特性的影響 由圖2可知,水分比隨熱風(fēng)風(fēng)速的增加呈緩慢減小的趨勢(shì),表明哈密瓜切片干燥受風(fēng)速影響并不顯著。當(dāng)熱風(fēng)速度為2.0 m/s時(shí),干燥速率雖有所提升,但干燥曲線前半段與2.5 m/s卻幾乎重合,此時(shí)繼續(xù)增大熱風(fēng)速度不能有效提高傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)熱風(fēng)速度為0.5~2.5 m/s時(shí),風(fēng)速為2.5 m/s可以有效縮短干燥時(shí)間,至干燥結(jié)束所需時(shí)間為150 min,與2.0 m/s相比卻僅縮短了15 min。綜合考慮,2.0 m/s是較為合理的熱風(fēng)速度。
圖2 不同熱風(fēng)速度下的水分比和干燥速率曲線Figure 2 Water ratio curve and drying rate curve at different wind speeds
2.2.3 切片厚度對(duì)熱風(fēng)干燥特性的影響 由圖3可知,哈密瓜切片受切片厚度影響較為顯著,當(dāng)切片厚度為10 mm 時(shí),干燥速率較小,干燥達(dá)到平衡用時(shí)較長(zhǎng);當(dāng)切片厚度為4 mm時(shí),干燥速率倍增,大大縮短了干燥周期。這是因?yàn)楹穸仍叫。锪蠁挝惑w積的表面積越大,與空氣接觸面越大,加快了傳熱效率;物料內(nèi)部水分遷移通道變短,傳質(zhì)擴(kuò)散阻力較小,更有利于切片內(nèi)部自由水的傳輸和揮發(fā),水分?jǐn)U散系數(shù)增大,進(jìn)而縮短干燥周期。哈密瓜切片厚度越小,干燥速率越快;但切片過(guò)薄,制干產(chǎn)品易碎、口感不佳,也不利于貯藏和運(yùn)輸。經(jīng)對(duì)比分析,熱風(fēng)干燥的切片厚度取6 mm為宜。
圖3 不同切片厚度下的水分比和干燥速率曲線Figure 3 Moisture ratio curve and drying rate curve at different thicknesses
由表3可知,當(dāng)熱風(fēng)速度為0.5~2.5 m/s時(shí),哈密瓜切片的水分?jǐn)U散系數(shù)僅提高了0.8×10-7m2/s,較熱風(fēng)溫度和切片厚度對(duì)水分?jǐn)U散系數(shù)的提升較小,與熱風(fēng)速度對(duì)干燥速率作用不顯著相吻合。一般食品原料干燥水分?jǐn)U散系數(shù)為10-12~10-8m2/s[28], Kumar等[29]對(duì)鮮切菠蘿塊質(zhì)構(gòu)降解后得到水分?jǐn)U散系數(shù)為1.91×10-8~2.3×10-7m2/s,效碧亮等[30]基于Weibull分布獲得百合熱風(fēng)薄層干燥水分?jǐn)U散系數(shù)為1.213×10-6~3.992×10-6m2/s,試驗(yàn)哈密瓜切片水分?jǐn)U散系數(shù)為1.134 8×10-7~4.908 0×10-7m2/s,介于二者之間且稍大于其他果蔬農(nóng)產(chǎn)品。這是由于水分?jǐn)U散系數(shù)不僅取決于物料的干燥方式和干燥條件,更與物料自身的品種和結(jié)構(gòu)有關(guān)。
表3 水分?jǐn)U散系數(shù)DeffTable 3 The parameters of effect moisture diffusivity
圖4為Deff與熱風(fēng)溫度的關(guān)系圖,線性方程的斜率即-Ea/R,計(jì)算得到哈密瓜切片熱風(fēng)干燥的活化能Ea=28.15 kJ/mol(R2=0.993 96),與文獻(xiàn)[31-32]的非常接近。說(shuō)明干燥過(guò)程中從哈密瓜切片中去除1 kg水分所需的最低能量為1 563 kJ,耗電約0.43 kW·h。
圖4 與熱風(fēng)溫度的關(guān)系Figure 4 Relationship between effective moisturediffusivity and hot-air temperature
2.5.1 干燥模型的擬合及選擇 將表1中9種干燥模型分別對(duì)熱風(fēng)溫度55 ℃、熱風(fēng)速度1.5 m/s下4 mm厚的哈密瓜干燥曲線進(jìn)行擬合和非線性回歸分析,擬合結(jié)果和參數(shù)見(jiàn)表4。由表4可知,所有模型R2≥0.98,SRME≤1.1。其中,Page模型的R2=0.998 3、SRME為0.108 6,符合最佳模型應(yīng)具備的最大R2值和最小SRME值。因此Page模型最適合用來(lái)描述哈密瓜切片的熱風(fēng)干燥。
表4 不同模型的擬合結(jié)果Table 4 Fit results for different models
2.5.2 最適干燥模型及參數(shù)確定 表5為不同干燥條件下Page模型的擬合參數(shù)和檢驗(yàn)結(jié)果。由表5可知,干燥常數(shù)k值隨熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)速度的增大而增大,隨切片厚度的增大而減??;n值隨熱風(fēng)溫度的增大而增大,隨熱風(fēng)速度和切片厚度的增大而減小。利用Excel 2016軟件對(duì)干燥常數(shù)k、n進(jìn)行多元線性回歸分析,得到干燥常數(shù)k、n的回歸方程為:
表5 Page模型擬合參數(shù)和檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 The fitting parameters and test results of Page model
k=0.000 167T+0.004 278U-0.000 4D-0.006 02 (r=0.954 169),
(10)
n=0.002 926T-0.053 63U-0.038 59D+1.311 906 (r=0.953 464),
(11)
式中:
T——熱風(fēng)溫度,℃;
U——熱風(fēng)速度,m/s;
D——切片厚度,mm。
通過(guò)回歸分析,自變量熱風(fēng)溫度T、熱風(fēng)速度U及切片厚度D對(duì)應(yīng)的系數(shù)檢驗(yàn)值均<0.05,應(yīng)變量k、n回歸方程的P值分別為4.68E-006,5.07E-006,均<0.05,可以認(rèn)為干燥常數(shù)k、n與熱風(fēng)溫度T、熱風(fēng)速度U、切片厚度D的線性關(guān)系成立。從而得到哈密瓜切片熱風(fēng)干燥因素關(guān)于Page模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
MR=exp[-(0.000 167T+0.004 278U-0.00 04D-0.006 02)t(0.002 926T-0.053 63U-0.038 59D+1.311 906)]。
(12)
2.5.3 Page模型驗(yàn)證 以0.4%檸檬酸預(yù)處理后熱風(fēng)速度為1.5 m/s,切片厚度為4 mm,熱風(fēng)溫度分別為35,55,75 ℃進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),Page干燥模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖5。由圖5可知,3種不同的試驗(yàn)條件下預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值吻合程度較高,表明該數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確描述及預(yù)測(cè)哈密瓜切片熱風(fēng)干燥過(guò)程中的水分去除規(guī)律。
圖5 實(shí)測(cè)與Page模型預(yù)測(cè)水分比隨干燥時(shí)間的變化
對(duì)比不同的預(yù)處理工藝,發(fā)現(xiàn)檸檬酸處理后的哈密瓜干制產(chǎn)品色澤明顯優(yōu)于漂燙預(yù)處理,且0.4%檸檬酸是最佳的護(hù)色工藝。哈密瓜切片無(wú)恒速干燥階段,熱風(fēng)速度對(duì)干燥影響作用并不顯著。綜合考慮,熱風(fēng)溫度55 ℃、熱風(fēng)速度2.0 m/s、切片厚度6 mm是較為合理的熱風(fēng)干燥工藝。試驗(yàn)條件范圍內(nèi),哈密瓜切片的水分?jǐn)U散系數(shù)為1.134 8×10-7~4.908 0×10-7m2/s且稍大于果蔬等農(nóng)產(chǎn)品,活化能為28.15 kJ/mol。對(duì)比9種干燥模型,發(fā)現(xiàn)Page模型擬合精度最高,最適合用來(lái)描述哈密瓜的熱風(fēng)干燥過(guò)程,其干燥動(dòng)力學(xué)模型方程為MR=exp[-(0.000 167T+0.004 278U-0.000 4D-0.006 02)t(0.002 926T-0.053 63U-0.038 59D+1.311 906)]。關(guān)于復(fù)合護(hù)色預(yù)處理工藝的探討還有待進(jìn)一步研究。