效碧亮,效碧彩,劉曉風(fēng)

1(蘭州信息科技學(xué)院 材料與化工工程學(xué)院，甘肅 蘭州，730030)2(蘭州理工大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州，730000)

近些年，我國(guó)蘋果種植面積已超過(guò)200萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量達(dá)4 000萬(wàn)t以上，推動(dòng)了我國(guó)果業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。然而，蘋果含水量高，貯藏期易被微生物污染，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)、貨架期及其銷售。蘋果干制品因其耐貯藏、風(fēng)味獨(dú)特、便于攜帶、低脂以及營(yíng)養(yǎng)豐富等特點(diǎn)深受消費(fèi)者的喜愛(ài)，需求呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因此，隨著市場(chǎng)對(duì)多元化水果休閑食品、健康食品需求提升以及貿(mào)易順差擴(kuò)大，安全、營(yíng)養(yǎng)、可口的蘋果干生產(chǎn)工藝改善十分必要。

目前常用的干燥方法包括熱風(fēng)干燥、真空冷凍干燥[1]、紅外干燥[2]、太陽(yáng)能低溫吸附干燥[3]、氣體流射干燥[4]、微波間歇干燥[5]、冰溫真空干燥[6]等，其中，熱風(fēng)干燥盡管存在品相一般、能耗相對(duì)較高等缺點(diǎn)，但依然是經(jīng)濟(jì)適用的蘋果干制備方法，在行業(yè)中被普遍采用。因此，改進(jìn)傳統(tǒng)熱風(fēng)技術(shù)，提高蘋果干產(chǎn)品質(zhì)量和干燥效率，控制危險(xiǎn)因子[7]，是該領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

一些研究報(bào)道表明，熱風(fēng)干燥過(guò)程中控制熱介質(zhì)濕度可顯著提高干燥速率和產(chǎn)品質(zhì)量[8-9]。JU等[10]分別研究了干燥介質(zhì)恒濕與階段降濕2種干燥方式對(duì)山藥片干燥特性和干燥品質(zhì)的影響，以及對(duì)胡蘿卜片[8]干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)在山藥片的干燥過(guò)程中，與恒濕40%相比，初期相對(duì)濕度40%保持15 min后連續(xù)排濕制得山藥較好，達(dá)到了預(yù)期效果，干燥時(shí)間縮短了25%；在胡蘿卜片的干燥過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)相對(duì)濕度50%保持30 min后降至20%干至終了，其干燥時(shí)間比恒濕20%縮短了18.5%。有學(xué)者[11-12]分別研究了階段雙段控濕對(duì)紅棗干燥特性和香菇干燥品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，提高雙段控濕階段的濕度有利于提高紅棗和香菇干燥速率，以及香菇外觀品質(zhì)的保持。另外，關(guān)于相對(duì)濕度對(duì)意大利面品質(zhì)[9]、胡蘿卜中胡蘿卜素[13]、香蕉褐變指數(shù)[14]的影響報(bào)道，均得出以上類似結(jié)果，即相對(duì)濕度對(duì)干燥特性或品質(zhì)均有不同程度的影響。

鑒于尚無(wú)關(guān)于雙段控濕改善蘋果干干燥效率、干燥品質(zhì)及其干燥工藝的研究報(bào)道，本文擬利用多參數(shù)干燥試驗(yàn)新設(shè)備，對(duì)比研究恒濕和雙段控濕干燥對(duì)干燥特性和品質(zhì)的影響，提出最優(yōu)改進(jìn)工藝，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

天水紅富士蘋果，由指定的試驗(yàn)基地專供，平均直徑約8～9 cm，濕基含水率約為(85±1.0)%，試驗(yàn)前于紙箱內(nèi)10 ℃放置，每一批樣品1周內(nèi)使用完畢。

試劑：葡萄糖標(biāo)品、L-抗壞血酸標(biāo)品、5-羥甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural，5-HMF)標(biāo)品，上海索萊寶生物科技有限公司；硫酸銅、偏磷酸、2,6-二氯靛酚鈉、三氯乙酸(trichloroacetic acid，TCA)、硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)、NaOH(均為分析純)，天津富裕精細(xì)化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備

干燥設(shè)備購(gòu)自長(zhǎng)春吉大科學(xué)儀器設(shè)備有限公司，主要由風(fēng)量供給系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-空氣導(dǎo)流裝置；2-實(shí)驗(yàn)臺(tái)外殼；3-實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)膽； 4-物料倉(cāng)；5-傳感器倉(cāng)；6-電動(dòng)密封閥；7-軸流風(fēng)機(jī)； 8-排濕風(fēng)扇；9-實(shí)驗(yàn)臺(tái)側(cè)板；10-空氣加濕器；11-電熱裝置圖1 薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖Fig.1 Multiparameter-controlled thin-layer dryer used to dry apple slices

干燥介質(zhì)穿過(guò)物料層后，尾氣經(jīng)高性能軸流風(fēng)機(jī)引出，通過(guò)頂部錐形導(dǎo)流板和試驗(yàn)臺(tái)外腔均勻返回底部，再次加濕、除濕或加熱后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)腔，對(duì)物料進(jìn)行循環(huán)干燥，溫度傳感器和溫濕度傳感器布置于內(nèi)腔物料盤底部中心位置，溫度傳感器由北京昆侖中大傳感器技術(shù)有限公司生產(chǎn)(型號(hào)KZW/P-430A)，溫濕度傳感器由瑞士羅卓尼可生產(chǎn)(型號(hào)：HC2A-S3)。

DHG-9425A恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科技有限公司；UV5100B紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司；DZF-6020真空干燥箱，寧波江南儀器廠；NS800分光測(cè)色儀，深圳市三恩時(shí)科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

隨機(jī)取一定量蘋果，去皮后沿果芯平均分為4份，每塊被橫向切成3 mm薄片后均勻混合，稱取一部分蒸燙1.6 min后置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)干燥，試樣被干至含水量約為(3±0.5)%(濕基)時(shí)結(jié)束干燥，干燥過(guò)程中每隔30 min測(cè)定物料溫度并稱重，稱重在30 s內(nèi)完成。干樣用粉碎機(jī)打成粉末，過(guò)60目篩，用于理化指標(biāo)測(cè)定。剩余鮮切片用于鮮樣理化指標(biāo)測(cè)定。

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)[11-14]，主要研究了介質(zhì)濕度、預(yù)處理蒸燙時(shí)間、介質(zhì)溫度、介質(zhì)速率對(duì)蘋果片干燥特性和干燥品質(zhì)的影響規(guī)律，選擇具有安全隱患[14]的5-HMF、受熱敏感的維生素C、影響品相的總色差ΔE*值衡量產(chǎn)品的品質(zhì)。首先研究雙段控濕對(duì)干燥特性及干燥品質(zhì)的影響，以恒濕20%、蒸燙時(shí)間1.6 min、熱介質(zhì)溫度60 ℃、熱介質(zhì)速率0.7 m/s為對(duì)照，確定雙段控濕較優(yōu)濕度；然后研究雙段控濕工藝參數(shù)蒸燙時(shí)間、介質(zhì)溫度和介質(zhì)流速對(duì)蘋果片干燥特性和干燥品質(zhì)的影響，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1；最后采用正交試驗(yàn)優(yōu)化蘋果片雙段控濕的干燥工藝，并以恒濕20%為對(duì)照，比較優(yōu)化工藝參數(shù)下干燥速率和干燥品質(zhì)，正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2。

表1 單因素干燥特性的試驗(yàn)Table 1 Design of single factor test for drying characteristic

表2 正交試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and level of orthogonal test

1.4 干燥特性

蘋果制干過(guò)程任意t時(shí)刻干基含水率與物料初始干基含水率之比為水分比(moisture ratio，MR)，計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：M0,蘋果初始干基含水率，%；Mt,蘋果在t時(shí)刻的干基含水率，%。

干燥速率(drying rate，DR)計(jì)算如公式(2)所示：

(2)

式中：DR,蘋果干燥過(guò)程中t1和t2之間物料降水率，%/h；Mt1和Mt2分別為t1和t2時(shí)刻的干基含水率，%。

干基含水率(Mt)計(jì)算如公式(3)所示：

(3)

式中：mt,干燥過(guò)程任意t時(shí)刻物料總質(zhì)量，g；G,干物質(zhì)質(zhì)量，g。

水分有效擴(kuò)散系數(shù)采用公式(4)計(jì)算[15]：

(4)

將公式(4)兩端取自然對(duì)數(shù)得公式(5):

(5)

由公式(5)可以看出，lnMR與時(shí)間t呈線性關(guān)系，有效水分?jǐn)U散系數(shù)(Deff)可由其斜率求出。

1.5 品質(zhì)特性

1.5.1 維生素C含量測(cè)定

采用GB 5009.86—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中抗壞血酸》第三法2,6-二氯靛酚滴定法測(cè)定。

1.5.2 5-HMF含量測(cè)定

參考文獻(xiàn)[16]的方法，取各實(shí)驗(yàn)組1.00 g樣品現(xiàn)磨粉末，加入20 mL 90%乙醇溶液，置于冰上研磨1 min，4 ℃、5 100 r/min離心1 min，收集合并上清液，避光、置于冰箱中保存待用。

樣液5-HMF含量測(cè)定：取上清液2 mL，依次加入TCA 2 mL，TBA 2 mL，搖勻，置于40 ℃水浴鍋中，反應(yīng)50 min，取出冷卻后，在443 nm處測(cè)定吸光值。

1.5.3 色度差的測(cè)定

采用分光測(cè)色儀進(jìn)行色差的測(cè)定，以鮮蘋果為對(duì)照，將干樣粉碎后測(cè)定，每組實(shí)驗(yàn)平均測(cè)定3次，取其平均值。通過(guò)明亮度L*，紅綠值a*和藍(lán)黃值b*綜合評(píng)價(jià)差異值ΔE*。計(jì)算如公式(6)所示[17]：

(6)

1.5.4 綜合評(píng)價(jià)方法

總得分計(jì)算參考喬宏柱等[18]的方法，蘋果干指標(biāo)綜合考慮安全、市場(chǎng)品質(zhì)需求、營(yíng)養(yǎng)、干燥效率進(jìn)行權(quán)重分配。各指標(biāo)權(quán)重依次為：5-HMF含量占15%，維生素C含量占25%，ΔE*值占25%，水分有效擴(kuò)散系數(shù)占35%。

各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算如下：

5-HMF含量得分：含量最小值為滿分15分，各試驗(yàn)組5-HMF含量得分=15(5-HMF含量最小值/各組試驗(yàn)5-HMF含量)；

維生素C含量得分：含量最大值為滿分25分，各試驗(yàn)組維生素C含量得分=25(各組試驗(yàn)維生素C含量/維生素C含量最大值)；

水分有效擴(kuò)散系數(shù)得分計(jì)算方法同維生素C含量得分；

ΔE*值得分計(jì)算方法同5-HMF含量得分。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel處理干燥特性、干燥品質(zhì)和正交試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，多重比較和方差分析運(yùn)用SPSS軟件，干燥速率曲線和干燥模型擬合使用Origin 8.0繪制和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙段控濕工藝下蘋果片干燥特性

2.1.1 雙段控濕對(duì)蘋果片干燥特性的影響

雙段控濕第一階段介質(zhì)濕度分別為10%、20%、30%、40%和50%保持30 min，第二階段為20%干至終了。其中，以20%恒濕為對(duì)照，不同雙段控濕條件下的干燥特性變化如圖2所示。在干燥初期，適宜的介質(zhì)濕度有助于縮短干燥時(shí)間，在10%、20%、30%、40%和50%介質(zhì)濕度下，干燥所需時(shí)間分別為210、180、150、180、150 min，在30%和50%下干燥時(shí)間最短，較恒濕20%縮短了16.66%，10%下干燥時(shí)間最長(zhǎng)，需210 min；干燥時(shí)間隨著介質(zhì)濕度的增大出現(xiàn)波動(dòng)，50%與30%下所需時(shí)間相當(dāng)，由圖2-b顯示，干燥初期后段，50%下的干燥速率下降程度較為緩慢，且在干基含水率為300%時(shí)50%下的干燥速率最高，從而縮短了整體干燥時(shí)間。可能因干燥初期，物料外層大量的自由水向外蒸發(fā)，不僅需要干燥環(huán)境與物料表面間存在有利的蒸汽壓差，同時(shí)需要較高的溫度，30%較20%利于物料升溫，較50%利于增大蒸汽壓差，故干燥速率最大，干燥初期后段，物料表面的多孔組織因失水過(guò)多出現(xiàn)收縮和堵塞，影響內(nèi)部水分遷移，而50%的較高相對(duì)濕度不僅利于物料的快速升溫，也利于保持物料表面多孔組織，促進(jìn)水分蒸發(fā)，故在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了最高干燥速率，有效縮短了干燥時(shí)間；40%的相對(duì)濕度，在干燥初期，可能既不及30%利于增大水分揮發(fā)所需蒸氣壓，又不及50%利于物料升溫，所以干燥時(shí)間出現(xiàn)延長(zhǎng)。

由圖2-b顯示，不同階段雙段控濕對(duì)蘋果干燥速率有顯著影響。干燥初期，當(dāng)物料干基含水率為600%時(shí)，干燥速率隨著介質(zhì)濕度由10%增大到50%呈先上升后下降趨勢(shì)，30%時(shí)最大；當(dāng)物料干基含水率由500%降至50%整個(gè)干燥階段，介質(zhì)濕度30%、40%、50%下干燥速率高于10%、20%。由此說(shuō)明，干燥初期適當(dāng)增大介質(zhì)濕度，有利于蘋果片干燥速率的提高，這一結(jié)果與巨浩羽等[19]研究干燥介質(zhì)相對(duì)濕度對(duì)胡蘿卜干燥特性和熱質(zhì)傳遞特性的研究結(jié)果相一致。

a-干燥曲線；b-干燥速率曲線；c-溫度曲線圖2 不同干燥相對(duì)濕度階段雙段控濕的蘋果片干燥特性曲線與溫度曲線Fig.2 Drying characteristic curve and temperature curve of apple slices under different relative humidity during the two-stage RH-controlled drying process

2.1.2 介質(zhì)溫度對(duì)蘋果片干燥特性的影響

在熱風(fēng)干燥過(guò)程中，介質(zhì)溫度是一個(gè)非常重要的影響因素，是促進(jìn)水分蒸發(fā)的主要?jiǎng)恿χ?，不同介質(zhì)溫度對(duì)蘋果片干燥特性的影響如圖3所示。在適宜的雙段控濕條件下，試驗(yàn)范圍內(nèi)的不同溫度下所需干燥時(shí)間總體顯著縮短，當(dāng)介質(zhì)溫度分別為55、60、65、70、80 ℃時(shí)，所需干燥時(shí)間依次為150、120、120、90、60 min，其中65、70、80 ℃下干燥時(shí)間較55 ℃縮短了20%、40%和60%，而60 ℃與65 ℃間無(wú)差異。

a-干燥曲線；b-干燥速率曲線；c-溫度曲線圖3 不同介質(zhì)溫度下蘋果片干燥特性曲線和溫度曲線Fig.3 Drying characteristic curve and temperature curve of apple slices under different air temperatures during the two-stage RH-controlled drying process

由圖3-b可知，整個(gè)干燥過(guò)程中，其他干燥溫度下的干燥速率呈典型的降速干燥，而在60 ℃干燥溫度下，干燥初期出現(xiàn)了明顯的緩慢降速階段。因這一階段的出現(xiàn)，與65 ℃相比，當(dāng)物料干基含水率介于300%～500%時(shí)，60 ℃下的干燥速率由干燥初期較低轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高，且在300%時(shí)出現(xiàn)最大值，從而縮短了干燥時(shí)間，達(dá)到65 ℃下的干燥效率。說(shuō)明在雙段控濕條件下，介質(zhì)溫度60 ℃利于蘋果片表面多孔組織的保持和延緩表面硬殼的形成，以促進(jìn)內(nèi)部水分遷移。由圖3-c可知，在整個(gè)干燥過(guò)程中，介質(zhì)溫度越高，物料升溫速率越快，最終溫度越高，介質(zhì)溫度越低，干燥中后期升溫幅度越小，接近于恒溫的干燥段越長(zhǎng)。

2.1.3 蒸燙時(shí)間對(duì)蘋果片干燥特性的影響

在果蔬干燥中，熱燙的主要目的是使酶失活，預(yù)防酶促褐變，但也可破壞細(xì)胞膜和改變細(xì)胞壁中果膠的結(jié)構(gòu)以及增大細(xì)胞內(nèi)外滲透性以提高干燥速率[20]。不同蒸燙時(shí)間對(duì)蘋果片干燥特性的影響如圖4所示，蒸燙時(shí)間對(duì)干燥特性有極顯著影響(P<0.01)，蒸燙時(shí)間分別在1.0、1.3、1.6、2.0、2.3 min水平下，所需干燥時(shí)間為150、150、120、90、150 min，隨蒸燙時(shí)間延長(zhǎng)所需干燥時(shí)間逐漸縮短，在2.0 min下出現(xiàn)最短時(shí)間，較1.0 min縮短了44.44%；繼續(xù)延長(zhǎng)蒸燙時(shí)間到2.3 min，干燥時(shí)間又增大，較2.0 min延長(zhǎng)了60%。

由圖4-b可知，在整個(gè)干燥過(guò)程中，隨著預(yù)處理熱蒸燙時(shí)間的增大，干燥速率隨之出現(xiàn)先增大后降低的結(jié)果，在蒸燙時(shí)間為2.0 min時(shí)，干燥速率最快。由此可見(jiàn)，在雙段控濕條件下，適宜的預(yù)處理蒸燙時(shí)間能顯著提高蘋果片干燥速率，此結(jié)果與ANDO等[20]研究結(jié)果一致。然而，長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)崽幚砜赡軙?huì)使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)在變性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步聚合凝結(jié)，從而減小細(xì)胞的滲透性，導(dǎo)致干燥速率降低，所以當(dāng)蒸燙時(shí)間為2.3 min時(shí)，干燥速率有所下降。

由圖4-c可知，蒸燙時(shí)間對(duì)物料升溫有顯著的影響，適宜的蒸燙時(shí)間有利于物料升溫，在2.0 min時(shí)，干燥初期物料升溫速率最快，干燥中后期也顯著高于其他水平。因適度的蒸燙可通過(guò)破壞物料細(xì)胞膜、改變細(xì)胞壁果膠物質(zhì)結(jié)構(gòu)提高其熱傳遞效果。過(guò)長(zhǎng)的蒸燙時(shí)間，會(huì)使物料內(nèi)變性的物質(zhì)纏繞凝聚，抑制熱能地良好傳遞。在雙段控濕條件下，預(yù)處理熱蒸燙2.0 min有利于縮短干燥時(shí)間，提高干燥效率。

a-干燥曲線；b-干燥速率曲線；c-溫度曲線圖4 不同蒸燙時(shí)間下蘋果片干燥特性曲線和溫度曲線Fig.4 Drying characteristic curve and temperature curve of apple slices under different blanching times during the two-stage RH-controlled drying process

2.1.4 介質(zhì)速率對(duì)蘋果片干燥特性的影響

在切片厚度3 mm，飄燙時(shí)間2 min，介質(zhì)溫度60 ℃，介質(zhì)濕度第一階段50%保持30 min，第二階段20%的條件下，不同熱風(fēng)速率下的干燥特性曲線和溫度曲線如圖5所示。由圖5-a可知，介質(zhì)速率對(duì)蘋果片干燥時(shí)間和水分比降低速率有極顯著影響(P<0.01)。熱風(fēng)速率分別在0.3、0.5、0.7、0.8、0.9 m/s下，所需干燥時(shí)間為180、120、90、60、90 min，介質(zhì)流速在0.8 m/s下所需干燥時(shí)間最短，僅需60 min，較低介質(zhì)流速0.3 m/s縮短了66.67%。隨著風(fēng)速的增大，排濕速率增大，可有效縮短干燥時(shí)間，但當(dāng)介質(zhì)速率為0.9 m/s時(shí)，干燥時(shí)間又呈增大趨勢(shì)，這一結(jié)果與李國(guó)鵬等[21]研究的持續(xù)排濕條件下雞腿菇干燥時(shí)間隨熱風(fēng)速率1.1 m/s增大到1.5 m/s而減少的結(jié)果不完全一致，可能與排濕方式、干燥物料和試驗(yàn)風(fēng)速范圍等有關(guān)。在雙段控濕條件下，介質(zhì)速率最適水平為0.8 m/s。

由圖5-b所示，不同熱風(fēng)速率下干燥速率曲線變化趨勢(shì)有明顯的差異，干燥速率隨介質(zhì)速率由0.3 m/s增大到0.9 m/s，呈現(xiàn)出先快速增大后減小趨勢(shì)，在0.8 m/s時(shí)最大；<0.7 m/s時(shí)，干燥速率曲線出現(xiàn)了恒速階段，且風(fēng)速越小，恒速段越長(zhǎng)；≥0.7 m/s時(shí)，無(wú)恒速階段，曲線坡度較大，其中0.7 m/s與0.9 m/s之間的速率曲線無(wú)顯著差異。

由圖5-c可知，整個(gè)干燥過(guò)程中，雙段控濕50%保持30 min調(diào)至20%干至終了條件下，介質(zhì)速率為0.3～0.8 m/s時(shí)，物料溫度隨之增大而增大，原因是風(fēng)速越大，傳熱系數(shù)越大[12]；但當(dāng)其繼續(xù)增至0.9 m/s時(shí)，物料溫度并未隨之進(jìn)一步升高，且低于0.8 m/s下物料溫度，說(shuō)明介質(zhì)流速過(guò)大并不利于雙段控濕干燥的物料升溫，主要因介質(zhì)流速過(guò)快，物料表面蒸發(fā)水分越多，帶走熱量越多，從而影響物料升溫。綜上所述，在雙段控濕干燥條件下，蘋果干燥介質(zhì)速率的最適水平為0.8 m/s。

a-干燥曲線；b-干燥速率曲線；c-溫度曲線圖5 不同熱風(fēng)速率下蘋果片干燥特性曲線與溫度曲線Fig.5 Drying characteristic curve and temperature curve of apple slices under different hot-air velocities during the two-stage RH-controlled drying

2.2 不同雙段控濕干燥工藝參數(shù)下蘋果片品質(zhì)特性

2.2.1 不同雙段控濕對(duì)蘋果片品質(zhì)特性的影響

不同雙段控濕對(duì)蘋果片不同品質(zhì)特性的影響如表3所示。第一階段相對(duì)濕度變化對(duì)蘋果片品相、維生素C含量、5-HMF含量均有顯著的影響(P<0.05)。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨第一階段熱介質(zhì)濕度增加，ΔE*值呈先降低后增大趨勢(shì)，ΔE*值出現(xiàn)了最小值，為(10.84±0.94)，相應(yīng)最適濕度為30%，較恒濕20%降低了39.71%；而維生素C含量與5-HMF含量與之呈正相關(guān)，未出現(xiàn)最適濕度水平。5-HMF生成反應(yīng)為糖的脫水反應(yīng)，反應(yīng)體系中高水分會(huì)抑制5-HMF的生成[22]，因此，在干燥過(guò)程中后期，物料含水量不斷減少的情況下，適當(dāng)增大相對(duì)濕度有利于控制5-HMF。然而在干燥初期，物料本身含水量大，5-HMF生成量較少，增大介質(zhì)濕度對(duì)其影響并不顯著。綜合考慮，選擇雙段控濕條件為30%(30 min)-20%干至終了為理想水平，此時(shí)產(chǎn)品最好，維生素C含量較高，為(137.15±2.24)mg/100 g，5-HMF含量最低，為(9.88±0.35) mg/100 g。

表3 不同干燥介質(zhì)雙段控濕下的蘋果片品質(zhì)特性Table 3 Quality characteristics of apple slices under different RH levels during the two-stage RH-controlled drying process

2.2.2 干燥介質(zhì)溫度對(duì)蘋果片品質(zhì)特性的影響

不同介質(zhì)溫度對(duì)蘋果片干燥品質(zhì)特性的影響如表4所示。熱介質(zhì)溫度對(duì)蘋果片品質(zhì)指標(biāo)ΔE*值、維生素C含量、5-HMF含量均有顯著的影響(P<0.05)，隨干燥溫度由55 ℃升至80 ℃，各品質(zhì)指標(biāo)均出現(xiàn)了極值，分別為ΔE*值(8.52±0.94)、維生素C含量(157.72±2.15)、5-HMF含量(7.14±0.56)，對(duì)應(yīng)最適溫度分別為65、70、60 ℃，可見(jiàn)最適溫度均在60～70 ℃。在較低干燥溫度下，干燥時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，產(chǎn)品氧化褐變程度增大，導(dǎo)致產(chǎn)品品相下降、維生素C含量流失，生成5-HMF；在過(guò)高的干燥溫度下，會(huì)導(dǎo)致成色美拉德反應(yīng)、維生素C氧化反應(yīng)和糖生成5-HMF反應(yīng)[23]加劇。因此，蘋果片在雙段控濕條件下干燥，選擇適宜的介質(zhì)溫度有利于產(chǎn)品品相控制，營(yíng)養(yǎng)保留和危害因子的控制。

表4 不同干燥介質(zhì)溫度下的蘋果片品質(zhì)特性Table 4 Quality characteristic of apple slices under different air temperatures during the two-stage RH-controlled drying process

2.2.3 預(yù)處理蒸燙時(shí)間對(duì)蘋果片品質(zhì)特性的影響

預(yù)處理熱燙被廣泛應(yīng)用于果蔬干燥過(guò)程中，主要預(yù)防酶促褐變，改善產(chǎn)品品質(zhì)。不同蒸燙時(shí)間對(duì)雙段控濕制干蘋果片品質(zhì)的影響見(jiàn)表5，隨蒸燙時(shí)間的增大，產(chǎn)品ΔE*值、維生素C含量均出現(xiàn)了極值，而5-HMF含量隨之增大呈下降趨勢(shì)，這一結(jié)果與周康寧等[24]研究熱燙有助于5-HMF含量降低相一致。當(dāng)蒸燙時(shí)間較短時(shí)，蘋果中酶滅活效果不徹底，且干燥速率會(huì)降低，在干燥過(guò)程中均不利于果蔬品相的保持，并且較低速率導(dǎo)致的干燥時(shí)間長(zhǎng)也不利于維生素C成分的保留；當(dāng)蒸燙時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)嚴(yán)重破壞呈色物質(zhì)和抗壞血酸，導(dǎo)致產(chǎn)品品相差營(yíng)養(yǎng)成分損失大。蒸燙時(shí)間2 min時(shí)，ΔE*值和維生素C含量均出現(xiàn)極值，分別為(13.56±0.77)、(105.69±3.16) mg/100 g，5-HMF含量相對(duì)較低，為(10.59±0.55)mg/100 g，因此，選擇蒸燙時(shí)間2 min較適宜。

表5 不同預(yù)處理蒸燙時(shí)間下的蘋果片品質(zhì)特性Table 5 Quality characteristic of apple slices under different steaming times during the two-stage RH-controlled drying process

2.2.4 介質(zhì)速率對(duì)蘋果片品質(zhì)特性的影響

由表6可知，介質(zhì)速率的改變不僅對(duì)蘋果片雙段控濕干燥速率有極顯著影響，同時(shí)對(duì)制干產(chǎn)品品質(zhì)也有顯著影響(P<0.05)。隨著介質(zhì)流速的增大，蘋果干ΔE*值、維生素C含量和5-HMF含量也出現(xiàn)了極值，分別為(5.50±0.97)、(152.03±2.36)、(5.35±0.68) mg/100 g，對(duì)應(yīng)最適介質(zhì)流速為0.7、0.7、0.8 m/s，各指標(biāo)最適干燥速率為0.7～0.8 m/s。當(dāng)介質(zhì)流速較小時(shí)，排濕效率低，物料干燥速率緩慢，延長(zhǎng)了干燥時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間干燥是導(dǎo)致熱風(fēng)干燥產(chǎn)品品質(zhì)下降的主要原因之一，不僅會(huì)破壞蘋果片原有的良好品相和降低維生素C的含量，同時(shí)會(huì)促進(jìn)5-HMF含量的增大；當(dāng)熱風(fēng)速率過(guò)大時(shí)，干燥系統(tǒng)中氧分量隨之增大，干燥速率隨之降低(依據(jù)干燥特性結(jié)果)，不僅會(huì)促進(jìn)氧化反應(yīng)導(dǎo)致品相變差，維生素C含量下降，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致5-HMF生成量增大。因此，選擇適宜的干燥速率有利于提高蘋果片的品質(zhì)，保留營(yíng)養(yǎng)成分和控制5-HMF的生成。

表6 不同介質(zhì)速率下的蘋果片品質(zhì)特性Table 6 Quality characteristic of apple slices under different hot-air velocities during the two-stage RH-controlled drying process

2.3 正交試驗(yàn)及工藝優(yōu)化

基于蘋果片熱風(fēng)雙段控濕干燥特性和品質(zhì)特性單因素試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化其最佳工藝參數(shù)，正交試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表8可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，各變量對(duì)蘋果干的綜合影響大小依次為：蒸燙時(shí)間>相對(duì)濕度>干燥溫度>熱風(fēng)速率。當(dāng)雙段控濕干燥工藝參數(shù)組合為：蒸燙時(shí)間2 min、第一階段相對(duì)濕度30%(30 min)，第二階段相對(duì)濕度20%干至終了、干燥溫度65 ℃、熱風(fēng)速率0.7 m/s條件下，獲得綜合評(píng)分最高(88.174)。通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)，與固定條件50%(30 min)-20%、蒸燙時(shí)間1.6 min、干燥溫度60 ℃、熱風(fēng)速率0.7 m/s進(jìn)行了比較，重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3次。結(jié)果顯示，除了水分?jǐn)U散系數(shù)無(wú)顯著差異之外，優(yōu)化工藝參數(shù)下制得產(chǎn)品各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)5-HMF含量、ΔE*值和維生素C含量均顯著優(yōu)于固定條件下干燥產(chǎn)品(表9)。

已有文獻(xiàn)報(bào)道HMF具有抗心肌缺血、抗氧化、改變血液流變性和神經(jīng)保護(hù)性[25]，但高劑量的5- HMF(>75 mg/kg)對(duì)人眼部、上呼吸道、皮膚和黏膜具有刺激性[26]等毒性作用。在最優(yōu)工藝參數(shù)下制得產(chǎn)品5-HMF含量小于75 mg/kg，危害因子得到較大控制；ΔE*值(9.397±0.62)，維生素C含量(121.951±3.07)mg/100 g，干燥時(shí)間僅需60 min，效率高。

表7 蘋果片雙段控濕制干正交試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Orthogonal test results of apple slices during the two-stage RH-controlled drying process

表8 正交試驗(yàn)極差分析Table 8 Range analysis of in orthogonal tests

表9 驗(yàn)證試驗(yàn)Table 9 The verification tests

3 結(jié)論

相較20%的恒濕干燥，雙段控濕30%(30 min)-20%和50%(30 min)-20%所需干燥時(shí)間縮短了16.66%，并且雙段控濕30%(30 min)-20%對(duì)品質(zhì)指標(biāo)ΔE*值、維生素C含量、5-HMF含量有良好影響。因此，此雙段控濕條件不僅利于提高蘋果片干燥速率，縮短干燥時(shí)間，同時(shí)也利于提高蘋果干品質(zhì)。

基于雙段控濕，試驗(yàn)因素介質(zhì)溫度、蒸燙時(shí)間、介質(zhì)流速對(duì)蘋果干燥特性和品質(zhì)特性均有顯著影響(P<0.05)；干燥前熱處理有利于抑制產(chǎn)品5-HMF的生成，因此，隨蒸燙時(shí)間延長(zhǎng)，5-HMF含量呈下降趨勢(shì)，而在介質(zhì)溫度、介質(zhì)流速的試驗(yàn)范圍內(nèi)出現(xiàn)了極值。

通過(guò)正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)因素對(duì)蘋果干燥綜合評(píng)分的影響大小為：蒸燙時(shí)間>相對(duì)濕度>干燥溫度>熱風(fēng)速率。獲得最優(yōu)參數(shù)組合為：階段濕度30%保持30 min后調(diào)至20%、蒸燙時(shí)間2 min、干燥溫度65 ℃、熱風(fēng)速率0.7 m/s。

采用優(yōu)化工藝制得蘋果干ΔE*值(9.397±0.62)、5-HMF含量(7.403±0.66)mg/100 g、維生素C含量(121.951±3.07)mg/100 g、水分?jǐn)U散系數(shù)1.267×10-6m2/s，干燥時(shí)間僅需60 min。與恒濕干燥20%相比，優(yōu)化工藝干燥時(shí)間縮短了(66.67±1.28)%，制干產(chǎn)品色差值ΔE*值和5-HMF含量分別降低了(47.74±0.58)%和(23.28±0.74)%，維生素C含量提高了(2.44±0.21)%。