梁海斌 ，韓四海 ，郭金英 ，黃蓓蓓

（1.河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南洛陽 471000；2.三門峽市食品藥品檢驗(yàn)檢測中心，河南三門峽 472000；3.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與景觀學(xué)院，河南三門峽 472000）

0 引言

新鮮果蔬含水率在70%～95%，果蔬脫水通過降低水分活度，能夠抑制微生物的生存繁殖，從而使產(chǎn)品具有良好的保藏性［1-2］。傳統(tǒng)果蔬干燥大多采用自然晾曬、熱風(fēng)干燥和微波干燥等，分別存在周期長、能耗高、品質(zhì)差和商品率低等缺點(diǎn)［3-4］。隨著國家碳中和、碳達(dá)峰政策加強(qiáng)，新型太陽能果蔬干燥技術(shù)日益成為農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域重要的現(xiàn)實(shí)需求。劉陽明等采用連接單片機(jī)或PLC控制電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)太陽能追光裝置［5-6］。雙層太陽能集熱器的太陽能板只能沿某條軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，無法進(jìn)行萬向旋轉(zhuǎn)，并且采用電氣部件容易發(fā)生故障問題［7-8］。目前，波動(dòng)和無法獲得太陽輻照是太陽能干燥器面臨的主要挑戰(zhàn)，主要解決技術(shù)有輔助泵蓄能、相變儲(chǔ)熱和太陽能電池等［9-11］。追光型-光伏干燥箱具有機(jī)械追光裝置，能根據(jù)太陽方位變化自動(dòng)調(diào)節(jié)集光板姿態(tài)（追光），以有效獲得穩(wěn)定充足太陽能，并具儲(chǔ)能及換氣速率變頻調(diào)節(jié)的干燥設(shè)備。

本文利用追光型-光伏干燥箱對(duì)木耳、香菇、大棗、柿子和核桃等果蔬進(jìn)行干燥試驗(yàn)，以溫度、濕度和換氣速度為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，優(yōu)化干燥工藝，并對(duì)果蔬干燥特性和品質(zhì)進(jìn)行分析，以期為設(shè)計(jì)開發(fā)節(jié)能環(huán)保的太陽能干燥設(shè)備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

木耳、香菇、大棗、柿子和核桃（三門峽市農(nóng)貿(mào)市場）；石油醚、無水乙醇、硫酸銅、硫酸鉀、氫氧化鈉、碳酸氫鈉、氫氧化鉀、硫酸、鹽酸、偏磷酸、草酸、苯酚、2，6-二氯靛酚、葡萄糖、抗壞血酸、硼酸、甲基紅、溴甲酚綠、酚酞（分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

追光型-光伏干燥箱，由河南科技大學(xué)和三門峽市食品藥品檢驗(yàn)檢測中心聯(lián)合研制；SH10A型快速水分測定儀（上海恒平科學(xué)儀器有限公司）；Protmex型專業(yè)數(shù)字風(fēng)速計(jì)風(fēng)速儀（深圳菲比斯科技有限公司）；DSR-TH-UA型溫濕度記錄儀（佐格微系統(tǒng)有限公司）；S1020A3型高拍儀（深圳市軒好韻電子有限公司）；Universal TA型質(zhì)構(gòu)儀（上海騰拔儀器科技有限公司）；SRJX-4-9型箱式電阻爐（湖北英山國營無線電元件廠）；CPA225D型電子分析天平（賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 樣品處理

柿子：選取金黃略帶紅色，萼尖薄黃，果重在170～200 g，硬度適中的澠池甜柿［12］，剔除病蟲害、果面缺陷、軟爛的柿子。在5%氯化鈉水溶液中浸泡1 h后，用純水洗凈瀝干，去皮后備用。

大棗：選取色澤深紅、果實(shí)飽滿、肉質(zhì)肥厚，直徑>32 mm的靈寶大棗，雜質(zhì)<0.5%，剔除蟲果、病果、傷果，以防侵染其它熟果腐爛［13］。在沸水中熱燙5～10 min，立即冷卻并瀝干備用。

核桃：選取果實(shí)充分成熟的新鮮盧氏山核桃，去皮、洗凈后，放在通風(fēng)處晾干。挑選色澤自然黃白色，大小均勻，直徑為1.95～2.15 cm，果實(shí)飽滿，無空籽、癟籽，半粒籽率<1%，無破損、畸形和霉變果［14］，備用。

香菇：選取形態(tài)自然，菌蓋色澤呈褐色且圓整，規(guī)格為4～6 cm，雜質(zhì)<0.5%的新鮮盧氏香菇［15］。在沸水中進(jìn)行漂燙處理后，瀝干水分備用。

木耳：選取盧氏黑木耳，耳面黑褐色，朵片完整，耳片厚度1～2 mm，大小2 cm，雜質(zhì)<0.3%，剔除拳耳、流耳、蟲蛀、霉?fàn)€木耳［16］。

1.2.2 太陽能干燥

將物料裝盤平鋪直入干燥箱，每4 h記錄1次干基含水量。柿子、大棗、香菇、木耳、核桃的干基含水量分別降低至 0.4，0.2，0.2，0.2，0.06 g/g以下，停止干燥。

1.2.3 感官測定

感官指標(biāo)分別按GB/T 20456—2006《柿子產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)》、GB/T 22741—2008《地理標(biāo)志產(chǎn)品 靈寶大棗》、GB/T 38581—2020《香菇》、GB/T 23395—2009《地理標(biāo)志產(chǎn)品 盧氏黑木耳》和GB/T 24307—2009《山核桃產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)》測定。

1.2.4 干基含水量、水分含量、干燥曲線及干燥速率

在果蔬干燥過程中，每4 h取出干燥樣品，用快速水分測定儀分別讀取其初始質(zhì)量和干燥后質(zhì)量，計(jì)算干基含水量Md、水分M0，然后繪制干基含水量—時(shí)間曲線；干燥速率DR為物料干基含水量隨時(shí)間的變化率，作干燥速率—干基含水量曲線。

式中 m0——干燥前的質(zhì)量，g；

m1——干燥后的質(zhì)量，g；

m1，i——4 h 前的干基；

m1，i+1——4 h 后的干基。

1.2.5 復(fù)水率的計(jì)算

隨機(jī)挑選干燥后的果蔬物料，稱量其質(zhì)量，然后將其浸漬在20 ℃的純水中復(fù)水，按下式計(jì)算復(fù)水率RR。

式中 m2——干物質(zhì)的質(zhì)量，g；

m3——吸水后的質(zhì)量，g。

1.2.6 硬度

1.2.7 收縮比

在干燥過程中，隨機(jī)取出3個(gè)干燥樣品，對(duì)其橫截面進(jìn)行拍照記錄，按下式計(jì)算收縮比SR。

式中 A0——干燥前橫截面面積，mm2；

At——干燥后橫截面面積，mm2。

1.2.8 組分測定

總糖、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、灰分測定分別按GB/T 15672—2009《食用菌中總糖含量的測定》、GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》第一法、GB 5009.6—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》第一法、GB/T 5009.10—2003《植物類食品中粗纖維的測定》和GB 5009.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測定》第一法。酸價(jià)和過氧化值測定分別按GB/T 5009.37—2003《食用植物油衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的分析方法》、GB 5009.229—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中酸價(jià)的測定》、GB 5009.227—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中過氧化值的測定》?？偹岚碐B/T 12456—2008《食品中總酸的測定》。維生素C按GB 5009.86—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中抗壞血酸的測定》第三法。

1.2.9 工藝優(yōu)化

采用DPS2006軟件對(duì)果蔬干燥品質(zhì)的綜合分?jǐn)?shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，并對(duì)影響干燥的因素進(jìn)行二次正交組合旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)并進(jìn)行回歸分析、極差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽能輻照度與干燥箱內(nèi)環(huán)境

太陽能輻照度是影響果蔬干燥速率和品質(zhì)的重要因素。三門峽地區(qū)10月10日～15日晴天的有效輻射時(shí)間約10 h，有效輻照時(shí)間段為9：00～16：00；13：00 時(shí)太陽輻照度達(dá)到最大值約980 W/m2。日間太陽能輻照的波動(dòng)，影響果蔬的太陽能干燥作業(yè)。追光型-光伏干燥箱的集光板與果蔬烘干室采用球鉸式連接，隨太陽能輻照角度自動(dòng)調(diào)整到最佳姿態(tài)，并具有儲(chǔ)能輔助，箱體具有較好保溫效果，使干燥箱內(nèi)部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，克服太陽能輻照度大幅波動(dòng)造成的干燥果蔬返潮等局限。

2.2 果蔬干燥特性

選取豫西地區(qū)代表性的特色農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行干燥試驗(yàn)。所選的5種新鮮果蔬，包括漿果、核果、堅(jiān)果及食用菌等不同質(zhì)構(gòu)，初始含水率為30%～80%，涵蓋了低、中、高水分物料。初始干基含水量由高到低依次為木耳（4.21）、香菇（4.00）、大棗（2.03）、柿子（1.00）和核桃（0.33），分別在28，40，36，40，32 h 達(dá)到產(chǎn)品干燥質(zhì)量要求，如圖1所示。與自然晾曬相比，干燥時(shí)間分別縮短1，2，6，10，4 d。5種果蔬干燥曲線均為持續(xù)下降趨勢，未因太陽輻照度變化而產(chǎn)生波動(dòng)。

圖1 果蔬的干燥曲線Fig.1 The drying curve of fruits and vegetables

初始干燥速率差異較大，主要受初始干基含水量影響。如圖2所示，木耳和香菇初始干基含水量較高，初始干燥速率也較高，分別為0.31，0.17 g·g-1·h-1。

圖2 果蔬的干燥速率曲線Fig.2 The drying rate curve of fruits and vegetables

大棗和柿子干燥速率遠(yuǎn)低于木耳和香菇，除了干基含水量原因外，與它們果皮結(jié)構(gòu)在一定程度阻止內(nèi)部水分蒸發(fā)有關(guān)。核桃初始干基含水量最低，初始干燥速率也最低，僅為0.014 g·g-1·h-1。果蔬干燥主要是游離水及部分結(jié)合水的蒸發(fā)［17］。在干燥初期，外部水分?jǐn)U散較快；干燥至一半以后，干燥速率與內(nèi)部水分的轉(zhuǎn)移速率正相關(guān)［18］，果蔬內(nèi)部水分差值越大，干燥速度越大。此外，在干燥時(shí)，由于各部分存在一定的溫差，水分熱擴(kuò)散從其內(nèi)部溫度比較高的地方逐漸向內(nèi)部溫度比較低的地方進(jìn)行轉(zhuǎn)移，而太陽能干燥過程中所形成的內(nèi)外溫度差適中，熱擴(kuò)散的程度更明顯。

2.3 果蔬干燥品質(zhì)

香菇、木耳、大棗、柿子和核桃經(jīng)追光型太陽能干燥箱干燥后，感官、理化指標(biāo)均符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1所示。干燥后色澤、口味、氣味和形態(tài)具有該果蔬應(yīng)有的特征，而且沒有出現(xiàn)焦斑、異味、硬殼及破損等缺陷。香菇、木耳和大棗收縮比在正常值范圍，復(fù)水率理想；柿子的水分、肉色和質(zhì)地達(dá)到特級(jí)質(zhì)量等級(jí)；核桃干燥后水分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，酸價(jià)和過氧化值合格。果蔬干燥品質(zhì)主要受化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)、營養(yǎng)成分及干燥方式的影響，主要涉及褐變反應(yīng)、油脂氧化、變色和糊化，硬度增大，復(fù)水性變差，維生素和蛋白質(zhì)的流失［19-20］。試驗(yàn)結(jié)果表明追光型太陽能干燥箱干燥過程中，褐變、干縮、表面硬化及氧化反應(yīng)較弱；干燥前后總糖、總酸、維生素C、含油率、粗蛋白和粗脂肪等營養(yǎng)指標(biāo)無明顯差異；干燥品質(zhì)優(yōu)良。

表1 果蔬太陽能干燥前后理化指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of physical and chemical indexes of fruits and vegetables before and after solar drying

2.4 干燥品質(zhì)影響因素分析及工藝優(yōu)化

對(duì)干燥工藝進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)果蔬太陽能干燥三元二次回歸正交（1/2實(shí)施）試驗(yàn)：試驗(yàn)因素為溫度、濕度和換氣速度；因素水平為溫度A（40，50，60 ℃）、濕度B（40%，55%，65%）和換氣風(fēng)速C（4.0，7.0，12.0 m/s）；以果蔬干燥品質(zhì)綜合評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3。

表2 果蔬太陽能干燥試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of solar drying of fruits and vegetables

表3 果蔬干燥品質(zhì)綜合評(píng)分的極差分析Tab.3 Analysis of extreme deviation of comprehensive score of drying quality of fruits and vegetables

對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)柿子、核桃、大棗、香菇和木耳干燥品質(zhì)的綜合評(píng)分變量與各因素之間為Quadratic二次多項(xiàng)式回歸模型關(guān)系，得出各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)太陽能綜合干燥品質(zhì)的多元二次回歸方程式：

回歸方程 Y1，Y2，Y3，Y4，Y5的相關(guān)系數(shù) R2分別為 0.97，0.86，0.93，0.90，0.88，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果分別為高度顯著、顯著、高度顯著、顯著、顯著。說明所建立的二次回歸模型正確，可以對(duì)響應(yīng)值為86%～97%的變化情況進(jìn)行解釋，即可以對(duì)果蔬太陽能干燥的綜合品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測及分析。

由表3，對(duì)綜合評(píng)分進(jìn)行極差分析，柿子較優(yōu)組合為B2A2C2。核桃較優(yōu)組合為B2C2A2。大棗較優(yōu)組合為A2B2C2。香菇較優(yōu)組合為A2B3C2。香菇最佳干燥溫度與文獻(xiàn)報(bào)道［21］的香菇的最佳干燥溫度是55 ℃有所不同，這是由于不同干燥設(shè)備系統(tǒng)的影響。木耳較優(yōu)組合為B2A2C1。傳統(tǒng)木耳變溫?zé)犸L(fēng)干燥溫度為25 ℃～60 ℃，包括加速干燥和降速干燥2個(gè)階段，從而避免朵片粉碎［22］，木耳的太陽能干燥溫度與此一致，因此形態(tài)保持較好。

3 結(jié)語

采用追光型-光伏干燥箱成功進(jìn)行香菇、木耳、大棗、柿子和核桃等不同果蔬的干燥試驗(yàn)，建立一種節(jié)能環(huán)保的綠色干燥工藝。干燥箱的追光集熱結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部干燥工作環(huán)境較為穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)干燥，克服了自然晾曬中太陽能輻照度波動(dòng)大及干燥效率低等不足。所選用的幾種果蔬產(chǎn)品均獲得優(yōu)良的干燥品質(zhì)，能夠較好地滿足脫水果蔬農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量要求。通過優(yōu)化溫度、濕度和換氣速度等干燥條件，分別得到香菇、木耳、大棗、柿子和核桃最佳工藝條件。該干燥工藝還可以根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的不同，因地制宜，設(shè)計(jì)出不同的容量，在田間地頭實(shí)現(xiàn)果蔬干燥的工廠+農(nóng)戶模式，從而產(chǎn)生較好的規(guī)模效益。