番木瓜中短波紅外干燥特性

高 鶴，易建勇，畢金峰,*，劉 璇，鄧放明，吳昕燁

（1.中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193；2.湖南農業大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128）

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番木瓜中短波紅外干燥特性

高 鶴1,2，易建勇1，畢金峰1,*，劉 璇1，鄧放明2，吳昕燁1

（1.中國農業科學院農產品加工研究所，農業部農產品加工綜合性重點實驗室，北京 100193；2.湖南農業大學食品科學技術學院，湖南 長沙 410128）

摘 要：本實驗探討不同干燥溫度（60、70、80、90 ℃）和不同紅外功率（675、1 125、1 575、2 025 W）下番木瓜中短波紅外干燥特性。結果表明：干燥溫度對番木瓜干燥速率的影響較大，紅外功率對番木瓜干燥速率影響較小；干燥溫度和紅外功率越高耗時越短，番木瓜中短波紅外干燥主要為降速過程。利用3 種數學模型對番木瓜中短波紅外干燥實驗數據進行擬合發現，Henderson and Pabis模型是番木瓜中短波紅外干燥過程的最適模型，模型預測值與實驗值較為一致，能夠較好地描述番木瓜中短波紅外干燥過程。番木瓜中短波紅外干燥的水分有效擴散系數隨干燥溫度和紅外功率的增大而增大；不同干燥溫度和紅外功率下番木瓜中短波紅外干燥的水分有效擴散系數（Deff）變化范圍分別為11.14×10?10～29.11×10?10、14.29×10?10～17.22×10?10m2/s。根據阿倫尼烏斯方程計算出番木瓜中短波紅外干燥的活化能為32.13 kJ/mol。

關鍵詞：紅外干燥；干燥特性；番木瓜；水分有效擴散系數；活化能

番木瓜（Carica Papaya Linn）俗稱木瓜、滿山柚、樹冬瓜、萬壽果，屬于番木瓜科番木瓜屬，為多年生常綠草本植物，原產于墨西哥南部和中美洲地區，在中國已有300多年的種植歷史，廣東、海南、廣西等省均有栽培。番木瓜富含糖類、黃酮類、木瓜蛋白酶、萜類化合物、色素、生物堿等多種成分，具有抗腫瘤、抗癌、免疫調節、美容等功效[1-3]。但是，番木瓜屬于呼吸躍變型果實，采后在病蟲害、周圍環境等因素的作用下，容易發生軟化后熟和發病腐爛等現象，從而失去食用價值和商品價值[4]。

干燥是一種傳統的食品貯藏技術，可去除果蔬中的水分，抑制物料內部微生物活動，延長食品的貨架期，減少貯運費用，增加產品的附加值[5]。目前國內番木瓜干燥以傳統日曬干燥和熱風干燥為主，對微波真空干燥[6]、熱泵干燥[7]、真空冷凍干燥[7]以及超聲波滲透脫水[8]報道較少，有待進一步加強對番木瓜干燥加工的研究。紅外輻射干燥作為目前新型的農產品干燥加工方法，因其具有節能、高效、干燥均勻等特點，而在近些年干制品加工中得到快速的應用[9]。中短波紅外干燥（med- and short- wave infrared radiation drying，IR）是一種新興果蔬紅外輻射干燥加工技術，紅外輻射波長范圍為0.75～4 μm，具有波長短、穿透力強、加熱快等特點，已經成功應用于蘋果片[10]、胡蘿卜[11]以及茄子[12]的干燥加工中。但目前國內外對于番木瓜的中短波紅外干燥方面的研究還未見報道。本實驗探究不同干燥溫度和紅外功率對番木瓜中短波紅外干燥特性的影響，并探討干燥過程中水分有效擴散系數（effective moisture diffusion coeffi cient，Deff）的變化，以期為番木瓜中短波紅外干燥提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料

番木瓜購于北京市上地小營果品批發市場，產地海南三亞，品種為大白。選擇形狀、大小相似，質量約為（1.0±0.1） kg，表皮顏色由綠轉黃，表面完整無損，硬熟狀態果實。

1.2儀器與設備

FA-200切片機 廣東省南海市德豐電熱設備廠；DHG-9203電熱恒溫干燥箱 上海一恒科技有限公司；中短波紅外干燥箱 江蘇泰州圣泰科紅外科技有限公司；AUW220電子天平 日本Shimadzu公司。

1.3方法

1.3.1 中短波紅外干燥番木瓜

根據預實驗的結果，選用干燥溫度為60、70、80、90 ℃，紅外功率為675、1 125、1 575、2 025 W，進行番木瓜中短波紅外干燥實驗，測定物料的質量變化。實驗前，將原料去皮、去籽，用切片機將物料橫切為扇形片狀，厚度8 mm，經105 ℃恒溫干燥法測定原料的初始含水量為（7.50±0.02） g/g（以干質量計，下同）。選擇形狀、大小相似的番木瓜片單層平鋪到托盤上，待設備達到設定溫度后放入。前1 h每隔5 min用電子天平對樣品進行一次稱量，第2小時每隔10 min稱量一次，之后每隔30 min稱量一次直到含水率達到0.1 g/g為止，干燥結束。每次實驗重復3 次，取平均值。

1.3.2 水分比及干燥速率計算方法

水分比（moisture ratio，MR）指在一定干燥條件下樣品的剩余水分比例，按下式計算[10]。

式中：M0為初始含水量/（g/g）；Me為干燥到平衡時的含水量/（g/g）；Mt為任意t時刻的含水量/（g/g）。由于M0和Mt遠大于Me，公式（1）可簡化為公式（2）。

干燥速率（drying rate，DR）按公式（3）計算[10]。

式中：Mt1和Mt2分別為干燥到t1和t2時番木瓜的含水量/（g/g）；t1和t2為干燥時間/min。

1.3.3 模型分析

選用3 種較為常見的數學模型對番木瓜中短波紅外干燥數據進行擬和，數學模型名稱及模型表達式如表1所示[13-15]。

表1　果蔬薄層干燥的數學模型Table 1 Thin layer drying models for vegetables and fruits

利用決定系數（R2）、均方根誤差（root-meansquare error，RMSE）、誤差平方和（error sum of square，SSE）和離差平方和（χ2）4 個參數對模型擬合結果進行評價，其中決定系數R2是評價模型擬合結果的主要參數。R2越大、RMSE、SSE和χ2越小，則擬合度越好。具體計算公式如下[14-16]：

式中：MRexp,i和MRpre,i分別為第i個數據點的實驗所得MR和模型預測所得MR；N為實驗數據點的個數；n為模型中參數的個數。

1.3.4 水分有效擴散系數

在降速階段，可以利用菲克第二定律來描述樣品的干燥特性[17]。Crank假設干燥過程中水分遷移主要是利用水分擴散進行，水分有效擴散和干燥溫度都恒定，并忽略樣品體積收縮變化的情況下，提出了公式（8）[15]。

式中：Deff為物料的水分有效擴散系數/（m2/s）；L為物料厚度的一半/m；t為干燥時間/s；n為考慮的組數。

1.3.5 活化能

通過阿倫尼烏斯公式（Arrhenius equation）可以表示物料在干燥過程中水分有效擴散系數和干燥溫度之間的關系，如公式（9）所示[13]。

式中：D0為物料中的擴散基數/（m2/s）；Ea為樣品的干燥活化能/（kJ/mol）；T為絕對溫度/K；R為氣體摩爾常數8.314 J/（mol·K）。

1.4數據分析

采用Origin8.0軟件繪圖并進行多元非線性回歸擬和，用SPSS19.0軟件進行數據分析。

2　結果與分析

2.1番木瓜干燥特性

圖1　不同溫度條件下番木瓜中短波紅外干燥特性曲線Fig.1 Drying curves of papaya in middle- and short-wave infrared radiation drying at different temperatures

由圖1可知，番木瓜的含水量隨著干燥時間的延長而減少，其中溫度越高干燥所需時間越短，水分降低越快。干燥溫度分別為60、70、80、90 ℃條件下，番木瓜的干燥時間分別為470、320、200、140 min，其中90 ℃的干燥時間明顯短于其他條件下的干燥時間。

由圖2可知，番木瓜中短波紅外干燥過程屬于降速干燥過程，隨著物料含水量的降低，干燥速率逐漸減小。干燥溫度越高，番木瓜干燥速率越大。相同的情況也出現在對新鮮和滲透處理后藍莓的紅外干燥特性研究中[14]。

圖2　不同溫度條件下番木瓜中短波紅外干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curves of papaya in middle- and short-wave infrared radiation drying at different temperatures

圖3　不同功率條件下番木瓜紅外干燥特性曲線Fig.3 Drying curves of papaya in middle- and short-wave infrared radiation drying at different powers

圖4　不同功率條件下番木瓜紅外干燥速率曲線Fig.4 Drying rate curves of papaya in middle- and short-wave infrared radiation drying at different powers

由圖3可知，番木瓜的含水量隨著干燥時間的延長而減少，功率越小則干燥所需時間越長。紅外功率為675、1 125、1 575、2 025 W時，對應的干燥時間分別為470、350、320、290 min。由圖4可知，紅外功率越大，干燥速率越大，但各功率之間差異較小。

2.2干燥模型的擬合

利用不同干燥模型對番木瓜中短波紅外干燥過程進行擬合，結果如表2所示。所有模型的R2均≥0.995 1，SSE均≤0.009 2，RMSE均≤0.020 9，χ2均≤0.000 5，表明實驗所選用的模型適合描述番木瓜中短波紅外干燥過程。其中Henderson and Pabis模型有最大平均R2值（0.997 9），最小平均SSE值（0.004 5）、平均RMSE值（0.012 8）和χ2值（0.000 2），表明Henderson and Pabis模型可以更好地描述番木瓜中短波紅外干燥過程中的水分變化。因此，Henderson and Pabis模型是3 個模型中最適合描述番木瓜中短波紅外干燥過程的模型。

表2　番木瓜薄層干燥模型擬合結果Table 2 Fitted results of thin-layer drying models for papaya

圖5　不同干燥條件下實測值與Henderson and Pabis模型預測值的比較Fig.5 Comparison of experimental data and and data using Henderson and Pabis models at different drying conditions

如圖5所示，在不同中短波紅外干燥條件下Henderson and Pabis模型的實測值和預測值較為相近，表明該模型可以較好地預測番木瓜中短波紅外干燥過程中水分變化規律。

2.3Henderson and Pabis模型參數的求解

為了更好地理解番木瓜中短波紅外干燥過程中干燥溫度和紅外功率對水分的影響，利用Origin8.0軟件對Henderson and Pabis模型中的參數a、k的數值進行回歸分析，得到的干燥溫度、紅外功率與參數a、k之間的關系式如下：

式中：a、k為模型參數；T為干燥溫度/℃；P為紅外功率/W；t為干燥時間/min。

代入Henderson and Pabis模型得到下式：

2.4Henderson and Pabis模型驗證

選擇在中短波紅外干燥溫度為70 ℃，紅外功率為1 575 W的條件下進行Henderson and Pabis模型的驗證。比較實測值與模型預測值，結果見圖6。實測MR值與預測MR值基本一致，R2為0.999 2。因此，在實驗范圍內Henderson and Pabis模型更適合表達番木瓜中短波紅外干燥過程中的水分變化規律。

圖6　Henderson and Pabis模型驗證實測值與預測值的比較Fig.6 Comparison of experimental data and and data using Henderson and Pabis models at selected conditions

2.5番木瓜中短波紅外干燥水分有效擴散系數

圖7　不同干燥條件下水分有效擴散系數隨含水量的變化曲線Fig.7 Curves of effective moisture diffusion coefficient as a function of moisture content for middle-and short-wave infrared radiation drying at different drying conditions

由圖7可知，隨著番木瓜含水量的降低，水分有效擴散系數逐漸增大。當含水量降到0.3 g/g左右時，水分有效擴散系數均出現明顯的減小。造成這一現象的原因可能是干燥過程中水分不斷遷移、物料體積收縮以及物料表面硬化等因素綜合作用，使得樣品干燥到一定程度時水分的遷移受到抑制，水分有效擴散系數開始不斷減少。在實驗條件范圍內，不同干燥溫度和紅外功率條件下，番木瓜片中短波紅外干燥的水分有效擴散系數分別為0.585 46×10?10～9.873 13×10?10、0.266 83×10?10～6.737 99×10?10m2/s。干燥溫度和紅外功率對水分有效擴散系數均有影響，其中干燥溫度對于水分有效擴散系數影響更顯著（P＜0.05）。

2.6含水量對番木瓜中短波紅外干燥有效擴散系數的影響

可以用三次方程表示水分有效擴散系數和含水量之間的關系[18]。

式中：Deff為水分有效擴散系數/（m2/s）；MR為水分比；A、B、C、D為公式參數/（m2/s）。

根據圖7中出現水分有效擴散系數變化的趨勢，將整個干燥加工過程以水分有效擴散系數最高值為分段點，將其分成兩個階段（第1階段為增大階段、第2階段為減小階段），并對各階段以及整體進行分析。不同干燥條件下番木瓜中短波紅外干燥回歸系數和決定系數（R2）的結果如表3所示，進行分階段分析后各個部分的決定系數（R2）均在0.98以上，說明方程可以很好地描述番木瓜片中短波紅外干燥過程中，水分有效擴散系數與含水量之間的關系。但不分階段分析的總體決定系數，均要低于分階段分析的決定系數。

表3　不同干燥條件下番木瓜中短波紅外干燥方程回歸系數和決定系數Table 3 Regression coefficients and determination coefficients for papaya under different drying conditions

第1、2階段以及整個干燥過程的平均有效擴散系數見表4。在實驗條件范圍內，番木瓜片中短波紅外干燥在不同干燥溫度和紅外功率條件下水分有效擴散系數分別為11.14×10?10～29.11×10?10、14.29×10?10～17.22× 10?10m2/s。其中在不同干燥溫度條件下，第1階段和第2階段有效擴散系數分別為10.87×10?10～26.83× 1 0?1 0、1 2 . 2 0×1 0?1 0～3 6 . 1 4×1 0?1 0m2/s；在不同紅外功率條件下，第1、2階段有效擴散系數依次為1 4 . 8 9×1 0?1 0～1 6 . 7 7×1 0?1 0、13.82×10?10～20.27×10?10m2/s，第2階段較第1階段有更明顯的影響。在兩個階段中，干燥溫度和紅外功率對有效擴散系數均有著影響，其中干燥溫度影響更為顯著。有效擴散系數隨著干燥溫度和紅外功率的升高而不斷增大。類似的結果也出現在對無籽葡萄[19]、葡萄副產物[20]以及土豆副產物[21]干燥的研究中。

表4　不同干燥條件下番木瓜中短波紅外干燥水分有效擴散系數Table 4 Moisture effective diffusion coefficients of papaya in middle-and short--wave infrared radiation drying under different drying conditions

2.7水分有效擴散系數與干燥參數的關系

為了解干燥溫度T和紅外功率P對番木瓜片中短波紅外干燥水分有效擴散系數Deff的影響，利用Origin8.0軟件對實驗數據進行回歸分析，得到干燥溫度T（℃）、紅外功率P（kW）與水分有效擴散系數Deff（10?10m2/s）的關系表達式。

經回歸分析得到R2值為1.000，說明水分有效擴散系數Deff可以用干燥溫度T和紅外功率P來表示。

2.8活化能計算結果

根據阿倫尼烏斯方程，計算出番木瓜片中短波紅外干燥第1階段、第2階段以及整體的活化能分別為31.19、36.13、32.13 kJ/mol。因此，可以看出中短波紅外干燥在第1階段中更容易去除水分。番木瓜中短波紅外干燥的活化能與其他果蔬[22-25]干燥的結果相近。

3　結 論

番木瓜中短波紅外干燥主要表現為降速干燥。干燥溫度和紅外功率對番木瓜中短波紅外干燥特性均有顯著影響（P＜0.05）。隨著干燥溫度和紅外功率的增大，干燥速率逐漸增大，干燥所需時間縮短。番木瓜中短波紅外干燥水分有效擴散系數隨著干燥溫度和紅外功率的增大而增大。番木瓜中短波紅外干燥的活化能為32.13 kJ/mol。

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Drying Characteristics of Papaya with Middle- and Short-Wave Infrared Radiation

GAO He1,2, YI Jianyong1, BI Jinfeng1,*, LIU Xuan1, DENG Fangming2, WU Xinye1
(1. Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-Products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; 2. College of Food Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

Abstract:The characteristics of infrared radiation drying for papaya at different drying temperatures (60, 70, 80 and 90 ℃) and powers (675, 1 125, 1 575 and 2 025 W) were discussed in this paper. The results showed that drying temperature had a signifi cant effect on the drying rate of papaya. The infl uence of infrared power on the drying rate of papaya was less. The drying time was reduced with an increase in either drying temperature or infrared power. Infrared drying of papaya slices mainly occurred in the falling rate drying period. According to the statistical results, the middle- and short-wave infrared radiation drying behavior of papaya slices were properly described by Henderson and Pabis model among three mathematical models that were used to fi t the experimental data. Better agreement between the and and experimental values was obtained using the selected model. The effective diffusion coeffi cient increased with increasing air temperature or infrared power. The effective moisture diffusion coeffi cient (Deff) ranged from 11.14 × 10-10–29.11 × 10-10m2/s at different drying temperatures and from 14.29 × 10-10-17.22 × 10-10m2/s at different infrared powers. The calculated activation energy of middle- and short-wave infrared radiation drying for papaya was 32.13 kJ/mol based on the Arrhenius equation.

Key words:infrared drying; drying characteristics; papaya; effective moisture diffusion coeffi cient; activation energy

doi:10.7506/spkx1002-6630-201507006

中圖分類號：TS255.4；TN219

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6630（2015）07-0030-06

*通信作者：畢金峰（1970—），男，研究員，博士，研究方向為果蔬精深加工與副產物綜合利用技術。E-mail：bijinfeng2010@163.com

作者簡介：高鶴（1990—），男，碩士研究生，研究方向為果蔬加工。E-mail：mustgh@sina.cn

基金項目：公益性行業（農業）科研專項（201303077）；新疆生產建設兵團科技支疆計劃項目（2013AB020）

收稿日期：2014-06-19