牛坡,張艮,王攀,謝英杰,劉恩澤,肖武松,岳瑞曉

1(重慶三峽學院 機械工程學院,重慶,404020)2(四川省農(nóng)業(yè)機械科學研究院,四川 成都,610066) 3(重慶市農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣總站,重慶,404020)

柑橘是我國主要的經(jīng)濟作物,距今已有4 000多年的種植歷史,種植面積和產(chǎn)量均居世界前列[1]。柑橘鮮嫩多汁、營養(yǎng)豐富,具有較高的食用價值[2];同時,橘皮含有豐富的營養(yǎng)成分和活性物質(zhì),如果膠、膳食纖維、維生素、精油和黃酮類化合物等,具有理氣化痰、健胃除濕、降低血壓等功能,是常見的一種中藥材[3-4]。但柑橘作為一種“藥食同源”的水果,常作為新鮮水果食用,橘皮則被當作生活垃圾直接處理,浪費了橘皮的藥用價值[5]。

橘皮質(zhì)量占整個柑橘的25%～40%,但新鮮橘皮含水量高、不易貯存,如何對橘皮進行干燥處理,延長橘皮的貯存期,是實現(xiàn)橘皮藥用價值的主要途徑,也是橘皮加工的重要環(huán)節(jié)[6-8]。橘皮常用的干燥方式可以分為自然風干和機械烘干。自然風干成本低,但風干時間長且質(zhì)量無法保障,如遇陰雨天,會導致橘皮發(fā)霉,且灰塵、昆蟲和沙石容易混跡到橘皮中,影響橘皮的質(zhì)量[9]。機械烘干具有速度快、效率高的優(yōu)點,能夠有效克服天氣及自然原因?qū)е碌拈倨べ|(zhì)量問題。目前,橘皮機械烘干方式包括紅外、微波、真空微波、冷凍干燥等,許多學者對此進行了深入研究,并取得了顯著成果。熱風干燥指以熱空氣作為干燥媒介,與物料進行濕熱交換,由于物料表面的水分蒸發(fā),導致物料表面與內(nèi)部之間產(chǎn)生水分濃度差異,進而引發(fā)內(nèi)部水分向表面擴散,達到干燥的目的[10],具有成本低、管理方便等優(yōu)點[11-12]。真空干燥是一種綠色干燥方式,其工作原理是邊抽真空邊加熱,從而加速水分的蒸發(fā),縮短干燥時間。該方式可以在低溫下進行,有效防止高溫對營養(yǎng)成分的破壞[13-14]。遠紅外干燥是指干燥過程中將物料吸收的紅外線通過共振產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為物料干燥所需的熱能,從而使物料中的水分從內(nèi)部遷移至外部,達到干燥的目的[15],具有能量損失較小、能效高的優(yōu)點[16]。同時,BP神經(jīng)網(wǎng)絡作為目前應用最為廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡之一,其本質(zhì)是一種多層前饋淺層神經(jīng)網(wǎng)絡,能夠通過自主訓練與學習進行各神經(jīng)元之間的權(quán)值、閾值的不斷迭代,修復并完善擬合過程中網(wǎng)絡本身的精確性,直至達到最優(yōu)解[17]。

目前,關(guān)于橘皮干燥的研究多集中在干燥工藝方面,對于不同干燥條件下橘皮的干燥特性及BP神經(jīng)網(wǎng)絡水分比預測的研究報道還相對較少?；诖?本文選取不同干燥溫度(50、60、70、90 ℃)及不同干燥方法(遠紅外干燥、熱風干燥、真空干燥)作為研究變量,探究橘皮干燥的最佳工藝數(shù)學模型,并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對橘皮水分進行預測,以期為橘皮及其他類似作物的干燥提供理論參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

選取萬州區(qū)常見的柑橘橘皮作為研究對象。

1.2 儀器與設備

DHG-9076A電熱恒溫鼓風干燥箱,上海浦東榮豐科學儀器有限公司;DZF-6030真空干燥箱,上海舍巖儀器有限公司;DHG-9023A遠紅外干燥箱,吳江市永聯(lián)機械設備廠;電子天平,上海贊維衡器有限公司;TL-PRO質(zhì)構(gòu)儀,北京盈盛恒泰科技公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 橘皮樣品前處理

選取顏色、成熟度基本一致,質(zhì)量在150 g左右新鮮成熟的柑橘為試驗原料,清洗,擦干,切成8塊,手工去皮。橘皮初始含水量為72.87 g/100 g(初始水分測量方法參照國標GB/T 5009.3—2016 《食品安全國家標準 食品中水分的測定》),橘皮的厚度在5 mm左右。

1.3.2 橘皮干燥實驗方案

取30.00 g橘皮均勻地鋪在熱風、真空和遠紅外干燥箱的加熱板上,分別在不同溫度下(30、50、70、90 ℃)烘干,每20 min稱取一次橘皮的質(zhì)量,當橘皮水分含量達到0.05 g/g d.w.、且質(zhì)量穩(wěn)定的時候停止干燥,為保證實驗的嚴謹性,每組試驗做3組,重復3次。

1.3.3 干燥動力學

橘皮的干燥動力學是基于橘皮在熱能的作用下而引起的質(zhì)量的減小,可用干燥曲線和干燥速率曲線表示。干燥曲線為水分比與干燥時間之間的關(guān)系,干燥速率曲線則為干燥速率與干燥時間之間的關(guān)系[18-19],初始含水量與橘皮干燥前后的質(zhì)量減少有關(guān)。橘皮干燥過程中水分變化采用干基含水率(Md,%)表示,計算如公式(1)所示:

(1)

式中:mw,t時刻橘皮的質(zhì)量,g;md,橘皮干燥至恒重時的質(zhì)量(絕干質(zhì)量),g。

水分比(moisture ratio, MR)計算如公式(2)所示:

(2)

式中:MR,水分比;M0,初始干基含水率,g/g;Mt,t時刻干基含水率,g/g。

干燥速率(drying rate, DR)計算如公式(3)所示:

(3)

式中:DR,干燥速率,g/(g·min);M1、M2,t1、t2時刻樣品的干基含水率,g/g。

水分有效擴散系數(shù)(Deff,m2/min)是衡量物料在干燥過程中脫水能力的指標,計算如公式(4)所示:

(4)

式中:T,干燥時長,min;L,樣品厚度一半,m。

活化能計算如公式(5)所示:

(5)

式中:Ea干燥過程的活化能,kJ/mol;D0,前因子,m2/min;T,絕對溫度,K;R,摩爾氣體常數(shù),J/(mol·K)。

1.3.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型

BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型是一種模擬大腦神經(jīng)聯(lián)系處理信息的數(shù)學模型,由輸入層,隱含層、輸出層和各層神經(jīng)元連接而成。通過確定各層神經(jīng)元節(jié)點數(shù),即可建立橘皮熱風、真空、遠紅外干燥的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

1.3.4.1 輸入層和輸出層節(jié)點的確定

輸入層和輸出層節(jié)點的確定,選擇溫度、干燥時間、干燥方式作為輸入層節(jié)點,將干燥方式的水分比作為輸出層節(jié)點,輸入層節(jié)點數(shù)為3,輸出層節(jié)點數(shù)為1。輸入和輸出數(shù)據(jù)按照公式(6)進行歸一化處理:

(6)

式中:xnorm,歸一化后的數(shù)據(jù)值;xi,原始數(shù)據(jù)值;xmax、xmin,原始數(shù)據(jù)中最大和最小值。

1.3.4.2 隱含層節(jié)點數(shù)的確定

理論證實BP神經(jīng)網(wǎng)絡在不限制隱含層節(jié)點數(shù)的情況下,只需一個隱含層就可實現(xiàn)輸入到輸出的非線性映射,因此采用單隱含層,節(jié)點數(shù)可以按照經(jīng)驗公式(7)確定:

(7)

式中:L,隱含層節(jié)點個數(shù);m,輸入節(jié)點數(shù);n,輸出節(jié)點數(shù);c,介于1～10的常數(shù)。

本文中m、n分別是3和1,根據(jù)公式(7)可知本文神經(jīng)網(wǎng)絡的隱含層節(jié)點數(shù)L為3～13。通過對不同隱含層節(jié)點數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練,根據(jù)其訓練結(jié)果優(yōu)劣進一步確定最優(yōu)的隱含層節(jié)點數(shù)。

1.3.5 干燥數(shù)學模型的構(gòu)建

選取5種常用的干燥數(shù)學模型來描述不同干燥條件下橘皮的干燥曲線,詳見表1。

表1 干燥數(shù)學模型Table 1 Mathematical model of drying

采用Origin軟件根據(jù)上述5種干燥動力學模型對水分比變化曲線進行擬合求值,獲得干燥速率常數(shù)k及待定系數(shù)a、b、n。通過決定系數(shù)(R2),卡方值(χ2)、均方根誤差(root mean squared error,RMSE)判定模型擬合度,當χ2和RMSE越小、R2越接近1,模型擬合效果就越好。R2、χ2、RMSE計算如公式(8)～公式(10)所示:

(8)

(9)

(10)

式中:MRpre,i,第i個試驗預測水分比;MRexp,i,第i個試驗水分比;N,試驗個數(shù)。

1.3.6 橘皮品質(zhì)的測定

1.3.6.1 復水率的測定

復水率(reconstitution rate,RR)是衡量橘皮干燥程度的一個重要的標準,復水率計算如公式(11)所示:

(11)

式中:mr為干燥橘皮復水后的質(zhì)量(g);md為干燥橘皮質(zhì)量(g)。

1.3.6.2 質(zhì)構(gòu)的測定

采用質(zhì)構(gòu)儀對橘皮進行脆度與硬度的測定,樣品斷裂所需最大力為硬度(單位為N),力越大,硬度越大,反之硬度越小。每個樣品重復10次,取平均值。

1.3.6.3 橘皮感官評價

陳皮與橘皮具有相似的理化性質(zhì),參考T/CAI 013—2022 《新會陳皮感官評定方法》。整個審評過程由30個審評員獨立完成。審評人員在不了解橘皮的來源的情況下進行盲評,根據(jù)審評知識與品質(zhì)標準,按滋味、色澤、湯色、香氣進行審評,感官評價表如表2所示。

表2 橘皮感官評價標準Table 2 Sensory evaluation standard of orange peel

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用軟件Excel 2019處理數(shù)據(jù)、利用Origin、Graphpad繪制試驗數(shù)據(jù)變化曲線,并進行非線性擬合分析、MATLAB進行BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型預測、SPSS進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干燥溫度對橘皮干燥特性的影響

不同干燥溫度橘皮干燥特性曲線分別如圖1～圖3所示。

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖1 熱風干燥特性曲線Fig.1 Characteristic curve of hot air drying

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖2 真空干燥特性曲線Fig.2 Vacuum drying characteristic curve

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖3 遠紅外干燥特性曲線Fig.3 Far infrared drying characteristic curve

由水分比曲線可知,在不同干燥溫度下,3種干燥方式將橘皮干燥至安全含水率所需時間趨勢相同,均為90 ℃<70 ℃<50 ℃<30 ℃。熱風干燥達終點時,所用的時間分別是120、180、400和920 min;真空干燥30 ℃所用時間最長,為1 540 min,90 ℃所需的時間最短,為160 min;遠紅外干燥的時間分別是1 600、760、320和180 min。由此可知,干燥溫度與干燥時間呈負相關(guān):即溫度設置越高,水分流失所需時間越短,且在同一階段,由于溫度增加會導致水分在橘皮表面氣化過程加快,內(nèi)部與表面的溫度差加大,從而導致內(nèi)部壓力梯度增大,加快橘皮內(nèi)部的水分向表面遷移。溫度較高的試驗流失的水分均大于溫度較低的試驗,干燥溫度越高,橘皮達到相同的干燥程度所需時間越短,遵循菲克定律[20-21]。因此,無論哪種干燥方式,溫度越高,水分下降越快,所用時間越短。由干燥速率曲線可知,3種干燥方式的平均干燥速率在90 ℃時最大,分別是0.046 43、0.025 50、0.027 30 g/(g·min),隨著溫度的降低,干燥速率逐漸減小,在30 ℃時干燥速率達到最小。橘皮干燥過程可分為升速階段和降速階段,前20 min內(nèi),3種干燥方式的干燥速率達到最大值,這是因為橘皮中的水分可分為自由水和結(jié)合水,自由水具有普通水的理化性質(zhì),干燥開始時,在熱能的作用下,自由水被快速蒸

發(fā)出來,橘皮的質(zhì)量在短時間內(nèi)大幅度降低。之后,剩余的自由水和結(jié)合水會隨著時間的延長而緩慢地蒸發(fā),溫度越高,蒸發(fā)速度越快,這是由于隨著溫度的升高,水分子在干燥介質(zhì)中得到的內(nèi)能也會增加,并轉(zhuǎn)化為更多的動能,從而加速擴散速度,溫度越高,干燥速率越快。

2.2 不同干燥方式對橘皮干燥特性的影響

橘皮在30、50、70、90 ℃溫度下干燥的干燥特性曲線如圖4～圖7所示。

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖4 90 ℃干燥特性曲線Fig.4 Drying characteristic curve at 90 ℃

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖5 70 ℃干燥特性曲線Fig.5 Drying characteristic curve at 70 ℃

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖6 50 ℃干燥特性曲線Fig.6 Drying characteristic curve at 50 ℃

a-水分比曲線圖;b-干燥速率曲線圖圖7 30 ℃干燥特性曲線Fig.7 Drying characteristic curve at 30 ℃

由水分比曲線圖可知,當溫度相同時,熱風干燥所用的時間最短,是因為熱風干燥是以熱空氣作為干燥的熱源,剛開始時,熱空氣作用于橘皮的表面,待橘皮表面的水分揮發(fā)至一定的程度,熱量從橘皮表面緩慢地向橘皮內(nèi)部擴散完成傳熱,橘皮內(nèi)的小分子快速碰撞,運動激烈,水分從橘皮內(nèi)部向橘皮表面擴散直至蒸發(fā)。真空干燥和遠紅外干燥2種干燥方式與熱風干燥相比,缺少熱風的作用,熱風能使干燥箱中的空氣干燥,加速橘皮的水分流失,因此,橘皮干燥至終點時熱風干燥所用時間明顯小于真空干燥和遠紅外干燥。由干燥速率曲線圖可知,3種干燥方式橘皮水分含量下降主要發(fā)生在降速階段,但熱風干燥的干燥速率下降趨勢明顯快于真空干燥和遠紅外干燥,即熱風干燥干燥速率明顯大于真空干燥和遠紅外干燥;真空干燥與遠紅外干燥燥速率相差不大。同一溫度,真空干燥、遠紅外干燥干燥完成時,平均干燥速率數(shù)值接近,分別為0.014 5、0.014 3 (90 ℃);0.008 0、0.008 0 (70 ℃);0.003 4、0.003 5 (50 ℃);0.001 6、0.001 6 g/(g·min)(30 ℃),具有相似的干燥特性。

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型建立

由公式(7)可知,本文BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型的隱含層節(jié)點數(shù)為3～13,將81組試驗數(shù)據(jù)共243個數(shù)據(jù)點作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練數(shù)據(jù),對不同隱含層節(jié)點數(shù)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練,其訓練結(jié)如表2所示。由表3可知,節(jié)點數(shù)為7和9時,R值最高,均為0.999 99,但節(jié)點數(shù)為10時,R值最低,因此本文BP神經(jīng)網(wǎng)絡的隱含層節(jié)點數(shù)選擇為9。輸入層節(jié)點數(shù)為3,隱含層節(jié)點數(shù)為9,輸出層為1層,即神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為3-9-1,神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)確定Fig.8 Determination of neural network topology

圖9 有效擴散系數(shù)與干燥方式之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between effective diffusion coefficient and drying

圖10 有效擴散系數(shù)與溫度之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between effective diffusion coefficient and temperature

表3 不同隱含層節(jié)點數(shù)的訓練結(jié)果Table 3 Training results of different hidden layer nodes

通過神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析,當隱含層節(jié)點數(shù)為9時,對應的MSE最小,為1.392 3×10-8,訓練迭代數(shù)為6,網(wǎng)絡訓練速度最快。結(jié)果表明,該條件下BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型具有高超的泛化能力。不同隱含層節(jié)點數(shù)訓練結(jié)果如表3所示。

2.4 數(shù)學模型的建立

根據(jù)水分比曲線構(gòu)建5種干燥數(shù)學模型,其擬合結(jié)果見表4～表6。

表4 橘皮熱風干燥數(shù)學模型擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of mathematical model for hot air drying of orange peel

表5 橘皮真空干燥數(shù)學模型擬合結(jié)果Table 5 Fitting results of mathematical model of orange peel vacuum drying

表6 橘皮遠紅外干燥數(shù)學模型擬合結(jié)果Table 6 Fitting results of far infrared drying mathematical model of orange peel

根據(jù)數(shù)學模型評價指標R2、χ2、RMSE可知,page模型和Henderson and Pabis模型擬合結(jié)果較好,決定系數(shù)平均值分別為0.996 992、0.996 942,χ2、RMSE相等。Newton、Modified Page模型的R2分別為0.984 842、0.988 392,χ2為0.187 371、0.199 392,RMSE為0.001 587、0.001 391。Wang and Singh模型的均方根太大,其數(shù)值均大于1×107,均方根越小,則說明模型擬合度越高,因此,該模型不適合描述橘皮干燥樣品中水分比的變化規(guī)律。綜上,Page擬合程度最高,該結(jié)果與張雪波等[22]哈密瓜切片熱風干燥特性及數(shù)學模型的結(jié)果一致,可以說明,Page模型能很好地描述橘皮熱風、真空、遠紅外干燥的水分比的變化規(guī)律。

2.5 不同干燥條件橘皮有效水分擴散系數(shù)、活化能

干燥過程是一個脫水的過程,伴隨著動量、質(zhì)量和能量發(fā)生改變。在干燥過程中,當物料從干燥介質(zhì)中吸收熱量后,熱量從外部傳向內(nèi)部;物料中的水分以蒸氣形式從表面擴散到周圍介質(zhì)中去。達到臨界值后,干燥過程結(jié)束,物料內(nèi)部熱量以熱傳導的形式傳遞,水分則通過擴散傳遞[23]。因此,可以采用Deff來表征干燥過程中水分遷移的平均速度。

由表7可知,橘皮的Deff會隨著干燥溫度和干燥方式的改變而改變,但溫度對橘皮的水分擴散系數(shù)影響明顯大于干燥方式的改變。lnMR與時間t線性擬合決定系數(shù)R2在0.951 6～0.998 1,表明擬合結(jié)果較好,當溫度為30～90 ℃時,熱風干燥的Deff最大為0.57×10-8～4.72×10-8m2/min,真空干燥的Deff為0.15×10-8～3.34×10-8m2/min,遠紅外干燥為0.12×10-8～2.60×10-8m2/min。3種干燥方式,熱風干燥的水分有效擴散系數(shù)越大;溫度越高,Deff值越大,黎斌等[24]研究溫度對花椒真空干燥動力學特性時也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。

表7 不同干燥條件橘皮有效水分擴散系數(shù)Table 7 Effective water diffusion coefficient of orange peel under different drying conditions

橘皮有效擴散系數(shù)與不同干燥條件之間的關(guān)系如圖 9 和圖 10 所示。干燥活化能Ea表示物料在蒸發(fā)1 mol水時需要的啟動能量,其值越大表示其越難干燥,并且能通過干燥活化能估算出干燥能耗[22]。由水分有效擴散公式,將lnDeff-1/T進行線性擬合,計算出熱風干燥的平均活化能是2.35 kJ/mol(R2=0.977 2),真空干燥3.31 kJ/mol(R2=0.963 3),遠紅外干燥3.35 kJ/mol (R2=0.954 6),熱風干燥的活化能最小,即在同一溫度下,橘皮最容易被干燥,與前面的結(jié)果保持一致。不同干燥溫度的平均活化能分別是3.00 kJ/mol(R2=0.999 9)、3.98 kJ/mol(R2=0.992 6)、6.86 kJ/mol (R2=0.998 75)、17.66 kJ/mol(R2=0.999 6),隨著溫度的降低,干燥活化能逐漸增大,活化分子所占的百分數(shù)就越小,反應速率越慢。

2.6 不同干燥條件對橘皮品質(zhì)的影響

2.6.1 不同干燥條件對橘皮復水性的影響

不同干燥條件對橘皮復水比的影響如圖11所示。

圖11 不同干燥條件對橘皮復水比的影響Fig.11 Effect of different drying conditions on rehydration ratio of orange peel

由圖11可以看出,在不同干燥條件下所得的橘皮干制品復水比有顯著性差異。在熱風干燥不同溫度下,復水比的均值分別為2.767、2.711、2.542、2.465;真空干燥為50 ℃的復水比最大,為2.442。遠紅外干燥的復水比90 ℃最大,為2.602;30 ℃最小為2.131。綜上,熱風的復水比是最大的,且在90 ℃時,復水比是所有試驗中最大的,這是因為熱風干燥對橘皮的作用最大、且溫度增加對橘皮的作用增加,導致橘皮內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞程度較高,復水比更大,反之,真空干燥的復水率是最小的,橘皮在真空環(huán)境下被干燥,內(nèi)部結(jié)構(gòu)保存較好,復水過程中水分吸收量較小,復水比最低。

2.6.2 不同干燥條件對橘皮硬度的影響

硬度是評價橘皮干制品一個重要的指標,不同干燥條件對橘皮硬度的影響如圖12所示。

圖12 不同干燥條件對橘皮硬度的影響Fig.12 Effect of different drying conditions on the hardness of orange peel

由圖12可知,在同一種干燥方式下,橘皮硬度的大小為:90 ℃>70 ℃>50 ℃>30 ℃,表明溫度越高,橘皮中的水分揮發(fā)越多,橘皮表面越硬,硬度就越大,即溫度與橘皮表面的硬度成正相關(guān);當溫度相同時,熱風干燥的硬度均值遠遠大于真空干燥和遠紅外干燥,且真空干燥的脆度是最小的。橘皮硬度最大為干燥90 ℃時,為291.5 N,最小為真空干燥30 ℃時,其值為81.7 N。

2.6.3 橘皮感官評價

對不同干燥條件處理的橘皮進行感官評價,最終得分如圖13所示。

圖13 橘皮的感官評價得分雷達圖Fig.13 Radar map of sensory evaluation score of orange peel

由圖13可知,感官評價得分前三名分別是熱風干燥70 ℃、真空干燥70 ℃、遠紅外干燥70 ℃。其中3種方式在90 ℃和30 ℃時,色澤得分較低,是因為在干燥過程中,由于溫度過高,是橘皮表面脫水碳化,導致橘皮表面發(fā)黑,內(nèi)部發(fā)黃,當橘皮在30 ℃時,由于干燥過程時間較長,橘皮干燥受更多的因素影響,導致橘皮色澤不均勻,所以兩者的得分較低。70、50 ℃ 的干燥溫度、時間適中,橘皮的色澤、香氣、滋味、湯色得分較高,3種方式,都是在70 ℃時得分最高,為探究干燥方式和干燥溫度對橘皮感官評價的影響,以熱風干燥和70 ℃為例,做進一步分析,分析結(jié)果見圖14、圖15。由圖14、圖15可知,當干燥方式相同時,70 ℃對橘皮品質(zhì)影響更加顯著,30 ℃影響較小;當溫度相同時,干燥方式對橘皮品質(zhì)的影響大小為:熱風干燥>真空干燥>遠紅外干燥。

圖14 熱風干燥下干燥溫度對感官評價的影響Fig.14 Effect of drying temperature on sensory evaluation under hot air dring

圖15 70 ℃下干燥方式對感官評價的影響Fig.15 Effect of drying methods on sensory evaluation at 70 ℃

3 結(jié)論

a)通過不同干燥溫度及不同干燥方式對橘皮干燥特性的影響的研究表明,隨著溫度的升高,干燥速率加快,將橘皮干燥至安全含水率(5% w.b.)所需的時間減少,在30 ℃時,橘皮干燥的時間最長,90 ℃所需的時間最短;熱風干燥的速率明顯快于真空干燥和遠紅外干燥,真空干燥和遠紅外干燥的水分比和干燥速率曲線保持一致,數(shù)值接近,具有相似的干燥特性。

b)通過Newton、Page、Modified Page、Henderson and Pabis和Wang and Singh,5種干燥數(shù)學模型對橘皮水分比曲線進行擬合,Page模型相關(guān)系數(shù)為0.996 992,接近于1,是描述橘皮干燥的最佳模型。

c)運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對柑橘在30 ℃下熱風干燥預測,調(diào)節(jié)不用的隱含層節(jié)點數(shù)分別進行預測,結(jié)果表明跟實驗數(shù)據(jù)保持高度一致,其中隱含層節(jié)點數(shù)為7、9時相關(guān)系數(shù)R為0.999 99,與試驗結(jié)果保持高度一致,表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡可以用于橘皮及類似作物干燥特性研究。

d)溫度與水分擴散系數(shù)呈正比,溫度越高,水分有效擴散系數(shù)越大,干燥方式對水分擴散系數(shù)也有影響,熱風干燥的水分有效擴散系數(shù)明顯大于真空干燥和遠紅外干燥。活化能越大,表明物料越難干燥。

e)不同干燥條件對橘皮品質(zhì)的影響具有明顯的差異,在熱風干燥的干燥方式下,橘皮復水率最大;熱風干燥90 ℃橘皮的硬度最大;熱風干燥70 ℃感官評價得分最高,最低為真空干燥30 ℃。