杏子熱風干燥收縮特性和色澤變化研究

王慶惠，李忠新，閆圣坤，阿布里孜

(新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

杏子熱風干燥收縮特性和色澤變化研究

王慶惠，李忠新，閆圣坤，阿布里孜

(新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

【目的】為提高杏子干燥品質及市場競爭力，【方法】本文將熱風技術應用于杏子的干燥，研究不同干燥溫度和風速對杏子干燥收縮特性及色澤的影響。【結果】在熱風干燥過程中，杏子干燥收縮率隨干燥溫度或風速的增加均呈現先增加后減小的趨勢；在干燥溫度為50 ℃，風速為6 m/s時，杏子的干燥收縮率達到最大值45.25 %；考慮收縮計算的杏子水分有效擴散系數隨干基含水率的減少呈先增加后減小的變化趨勢，與不考慮收縮相比其值小一個數量級；杏子收縮活化能為20.67 kJ/mol；溫度對干燥后杏子的色澤變化有重要影響，隨著干燥溫度的增加，a*值和b*值逐漸增加，而L*值逐漸減小，但風速對L*、a*和b*值的影響不大。【結論】該研究對杏子干燥后體積的留存及色澤變化的規律性提供了理論參考。

熱風；杏子；干燥；收縮；色澤

【研究意義】杏是薔薇科杏屬杏種植物的果實，在中國已有3000多年的栽培史。我國是杏的生產大國，據統計，2014年僅新疆省杏樹的種植面積13.24×104hm2，產量128.16×104t，分別占全疆水果種植總面積和總產量的14.9 %及13.9 %[1]。杏果實嬌嫩，極易損失，常溫下一般只能存放7 d 左右[2]，杏子成熟期主要集中在6月下旬至7月中旬，大批量鮮杏集中上市，給杏子的鮮食鮮銷帶來極大困難。制干是目前鮮杏銷售的主要渠道[3]。杏是熱敏性水果。在干燥過程中，杏子的收縮及色澤等外觀品質是消費者購買的首選因素，這也成為決定市場競爭力的關鍵因素。探討杏子干燥時的收縮特性及色澤變化的規律性對優化杏子干燥工藝，改善杏子干燥后的感官品相具有重要意義。【前人研究進展】在杏子干燥技術方面前人已將氣體射流沖擊干燥技術[4]、太陽能干燥技術[5]、低溫干燥技術[6]等運用于杏子的干燥，但在實際推廣使用范圍最廣的還是熱風干燥技術[7]。【本研究切入點】本文采用熱風干燥技術，研究不同干燥溫度和風速對杏子干燥的收縮特性、有效水分擴散系數、干燥活化能及色澤的影響變化規律。【擬解決的關鍵問題】本文以新疆主栽杏子品種賽買提為研究對象，建立不同干燥條件下杏子的體積收縮率隨干燥時間及干基含水率變化的數學模型，這是實現杏子干燥加工過程中體積收縮率實時監測與優化干燥工藝的關鍵所在，也是本文所要解決的關鍵科學問題。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用的原料是新鮮的杏子(品種賽買提)，購于新疆九鼎農貿批發市場。杏子平均長軸直徑36.62 mm、短軸直徑34.31 mm，單果重24.56 g/個，去核后的濕基含水率為80.58 %±0.42 %(真空干燥箱內70 ℃干燥24 h)(AOAC)[8],試驗前將杏子放在紙箱內并置于(5±1) ℃的冰箱內保存。

1.2 試驗設備

內循環熱風干燥試驗裝置(新疆農業科學院農業機械化研究所)，YP型電子稱(上海精科天平，10 g)，DZF-6020 型真空干燥箱(河南兄弟儀器設備有限公司)，SMY-2000型色差計(北京盛名揚科技開發責任有限公司)。

1.3 試驗方法

取出冰箱內的杏子，挑選表面無損傷且大小、色澤及成熟度基本一致的杏子，清洗、擦除表面水分、在室溫下放入塑料袋中密封8～12 h，人工將杏子沿騎縫線切成大小幾乎相同的兩瓣，取出杏核，將杏子切分面向上，單層均勻地依次擺放在托盤上。在不同干燥溫度和風速條件下進行試驗，每隔2 h 測定樣品重量及體積變化，直至杏子濕基含水率降到15 %時停止試驗。根據前期預試驗的結果，試驗設計如表1所示。每組試驗重復3次。

1.4 試驗參數的計算方法

1.4.1 體積測量 杏子干燥過程中體積的測量采用固體置換法[9]。選取直徑0.2 mm的玻璃珠，分別計算出燒杯的容積和玻璃珠的密度，利用體積置換的方法，求出被測杏子樣本的體積。

(1)

(2)

(3)

其中,V1：燒杯的容積，mL；W1：燒杯內裝滿水后的總重量，g；W：燒杯的重量，g；ρ1：水的密度，1.0 g/cm3；ρ2：玻璃珠的密度，g/cm3；W2：燒杯內裝滿玻璃珠后的總重量，g；V2：杏子樣本的容積，mL；W3：燒杯內放入樣本并用玻璃珠填滿后的總重量，g；W4：樣本的重量，g。

1.4.2 收縮曲線 體積相對收縮率S(簡稱體積收縮率或收縮率)是表征物料體積收縮程度的重要指標。體積相對收縮率越小表示干燥時收縮掉的體積越大，體積相對收縮率可按式(4)進行計算：

(4)

其中，Vt:任意t時刻杏子樣本的體積，mL；V0:杏子樣本的初始體積，mL。杏子干燥在t時刻時水分比MR計算公式為：

(5)

其中,M0、Me和Mt：杏子的初始干基含水率、干燥到平衡時的干基含水率和干燥到t時刻的干基含水率，g/g。

1.4.3 水分有效擴散系數 杏子在任意時刻水分有效擴散系數Deff可以由公式(6)進行計算[10-11]：

(6)

(7)

其中，R：杏子的等量半徑，m；t：干燥時間，s。

表1 試驗設計及試驗參數

1.4.4 收縮活化能 杏子的收縮活化能可利用阿倫尼烏斯方程進行計算[12]：

(8)

(9)

其中，f：體積收縮系數，常數；A：物料的擴散基數，為定值；Ea：物料的收縮活化能，J/mol；R：摩爾氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T：物料的干燥溫度， ℃。

1.4.5 色澤的測定 采用CIELAB表色系統(亦稱L*a*b*表色系)，以儀器白板色澤為標準，測量物料的L*、a*，和b*值。L*為明亮度，變化范圍為0(黑色)～100(白色)；a*為綠紅值，變化范圍為-60(純綠色)～+60(純紅色)；b*為藍黃值，變化范圍為-60(純藍色)～+60(純黃色)。其中，L*值越大，物料干燥后的顏色越好。

2 結果與分析

2.1 溫度對杏子干燥收縮特性的影響

將風速固定在6 m/s進行不同干燥溫度條件下杏子的干燥收縮試驗，試驗結果如圖1所示。由圖1可以看出：隨著干燥的進行，杏子的收縮率逐漸降低，也就是說杏子在整個干燥過程中體積不斷縮小。當干燥溫度為45、50、55和60 ℃時，杏子水分含量降到貯藏要求水分時的收縮率分別為44.74 %、45.25 %、40.32 %和37.41 %，其中50 ℃的收縮率比60 ℃的收縮率增加了7.84 %，杏子干燥的收縮率隨干燥溫度的增加呈現先增加后減小的趨勢，在50 ℃的收縮率達到最大。這可能是因為：對于杏子而言，整個溫度處于45 ℃時，較低的干燥溫度導致干燥速度較慢，杏子持續收縮的時間較長，當杏子達到貯藏要求水分時，其收縮率的值已超過了50 ℃的值；而當干燥溫度達到50 ℃時，杏子干燥速度適中，在干燥后期杏子水分外擴散遠遠超過內擴散，杏子表面過度干燥形成硬殼，阻礙了水分的收縮，因而得到較大的收縮率[13]；進一步提高干燥溫度后，杏子內部與干燥介質間的飽和蒸汽壓也隨之增加，由于杏子屬于含水率較高的果品，在較高的干燥溫度下，物料較軟的組織往往會被壓破，造成固體骨架變形，加速了體積的收縮。

2.2 風速對杏子干燥收縮特性的影響

將干燥溫度固定在50 ℃進行不同干燥風速條件下杏子的干燥收縮試驗如圖2所示，與干燥溫度對杏子收縮特性影響相同，隨著干燥的進行，杏子的收縮率也逐漸降低。當干燥風速為3、6和9 m/s時，杏子水分含量降到貯藏要求水分時的收縮率分別為45.03 %、45.25 % 和41.02 %，其中6 m/s的收縮率比9 m/s的收縮率增加了4.23 %，杏子干燥的收縮率隨干燥風速的增加也呈現先增加后減小的趨勢，在6 m/s時收縮率達到最大。這可能是因為風速越低，干燥介質中熱空氣流動的速度越慢，單位時間內杏子表面與周圍介質進行能量交換的數量越少，延長了干燥時間，杏子緩慢的收縮最終超過了6 m/s的收縮率；當干燥風速達到6 m/s時，杏子的干燥速度適中，隨著杏子內部水分的不斷蒸發，干燥后期杏子表面形成硬殼，阻礙了水分的收縮，因而得到較大的收縮率；進一步提高干燥風速后，加大了干燥介質與杏子內部間的濕度梯度，導致了較大體積的收縮。

杜志龍[14]進行杏子氣體射流沖擊干燥收縮率的試驗后發現，在風速為8.1 m/s時杏子干燥收縮率出現了拐點，婁正[15]進行紅棗氣體射流沖擊干燥收縮率的試驗后發現，在風速為9 m/s時紅棗干燥收縮率也出現了拐點，這可能是由于物料的品種，干燥方式以及是否采用預處理方式間的差異導致。Ratti[16]研究也發現干燥溫度和風速是影響物料收縮特性的主要因素。因此，合理的選擇干燥溫度及風速對物料干燥后體積的優化具有重要意義。

2.3 杏子的水分有效擴散系數

水分有效擴散系數是衡量物料干燥過程中水分遷移速度快慢的一個重要指標。收縮是物料干燥過程中的重要表現形式之一。杏子在干燥過程中的水分有效擴散系數可以由費克第二定律進行計算。

圖1 干燥溫度對杏子收縮特性的影響Fig.1 Effects of air temperatures on apricot shrinkage

圖2 干燥風速對杏子收縮特性的影響Fig.2 Effects of air velocities on apricot shrinkage

圖3 水分有效擴散系數與干基含水率關系Fig.3 Relation of moisture effective diffusivity and moisture content in dry basis

干燥溫度或風速越高，杏子的水分有效擴散系數也越大(圖3)，也就是說干燥溫度或風速越高，杏子干燥過程中水分遷移速度越快。同時水分有效擴散系數隨著干基含水率的減少呈現先增加后減小的變化趨勢，說明杏子在干燥前期水分遷移速度較快，干燥后期水分遷移速度逐漸減慢。水分有效擴散系數的這一結論與Azzouz等[17]研究葡萄干燥的結論一致，而與肖紅偉[4]不考慮收縮時計算的杏子水分有效擴散系數值(8.346×10-10～13.846×10-10m2/s)相比，其值小一個數量級，這可能是因為考慮收縮時物料遷移的距離是不斷減小的，而非一個定值所致。

2.4 杏子收縮活化能

收縮活化能的大小與物料收縮難易程度呈正比。由公式(8)可知體積收縮系數的自然對數lnf與1/(T+ 273.15)呈線性關系，繪制線性關系圖(圖4)，其斜率k=-2.4811×103=-Ea/R，求杏子收縮活化能Ea= 20.67 kJ/mol。與干燥活化能30.62 kJ/mol[4]相比，杏子收縮活化能低于干燥活化能，也就是說杏子在水分開始遷移前，其體積已經發生了收縮。同時也與紅棗收縮活化能12.81 kJ/mol[15]相比，杏子收縮活化能值相對較大，說明杏子發生體積收縮變化所需要的啟動能量較大，在同樣的條件下，杏子更難發生收縮變化。

2.5 不同干燥條件對杏子色澤的影響

如圖5所示，干燥溫度對干燥后杏子的色澤有重要影響，當干燥溫度由45 ℃增加到60 ℃時，綠紅值a*由8.132變化到11.303，藍黃值b*由23.481變化到27.315，明亮度L*卻由51.322變化到42.808，a*與b*值隨干燥溫度的增加而逐漸增加，L*值隨干燥溫度的增加而逐漸減小；但當干燥風速由3 m/s變化到 9 m/s時，綠紅值a*由9.284變化到9.801，藍黃值b*由23.620變化到24.881，明亮度L*卻由49.722變化到46.616，風速對L*、a*和b*的值影響卻不大。這主要是因為杏子中含有多酚氧化酶[18]，干燥過程中，在氧氣和水的共同作用下發生酶促褐變，使干燥后的杏干顏色變暗，L*值降低；此外，隨著干燥溫度的不斷升高，也加劇了杏子中糖類物質的分解，發生了Maillard反應，也使得杏子L*值降低。因此，為了得到較好的杏干色澤，干燥溫度不宜過高。張京芳等[19]在研究不同處理方式對控制杏酶褐變的影響時得出，將杏子在沸水中燙漂4 min可基本控制多酚氧化酶引起的酶褐變；田呈瑞等[20]在研究杏多酚氧化酶動力學時得出，SO2、抗壞血酸及L-半胱氨酸對杏子的多酚氧化酶活性均有抑制作用，且抑制程度隨濃度增加而增強。為獲得較好的杏子干制品色澤，可采用預處理的方式。

圖4 體積收縮系數與干燥溫度的關系Fig.4 Relation of volume shrinkage coefficient and drying temperatures

圖5 不同干燥條件對杏子色澤的影響Fig.5 Apricot colour value under different drying conditions

3 結 論

(1)在熱風干燥過程中，杏子干燥收縮率隨干燥溫度或風速的增加均呈現先增加后減小的趨勢。其中在干燥溫度為50 ℃，風速為6 m/s時，杏子的干燥收縮率達到最大值45.25 %。

(2)在不同干燥條件下，利用費克第二定律計算的杏子水分有效擴散系數隨干基含水率的減少呈現先增加后減小的變化趨勢。與不考慮收縮后計算的水分有效擴散系數值相比小一個數量級。

(3)利用阿倫尼烏斯方程計算的杏子收縮活化能為20.67 kJ/mol，杏子在水分開始遷移前，其體積已經發生了收縮。

(4)干燥溫度對干燥后杏子的色澤變化有重要影響，a*與b*值隨干燥溫度的增加而增加，L*值隨干燥溫度的增加而減小；風速對L*、a*和b*的值影響不大。

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Hot-airDryingShrinkageCharacteristicsandColorChangingofApricot

WANG Qing-hui, LI Zhong-xin, YAN Sheng-kun，A Bu-lizi

(Agricultural Mechanization Institute, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Xinjiang Urumqi 830091, China)

【Objective】The present study was conducted to improve the apricot drying quality and market competitiveness. 【Method】Hot-air was applied to drying apricot, and the effects of different drying temperatures and air velocities on the shrinkage characteristics and color change of drying apricot were investigated. 【Result】The shrinkage rate of apricot appeared to increase and then decrease with the increase of air temperature or air velocity; Its shrinkage rate reached the maximum of 45.25 % when the drying temperature was 50 ℃,and air velocities was 6 m/s; Considering its shrinkage characteristics, the moisture effective diffusivity coefficient of apricot appeared to increase and then decrease with the decrease of moisture content in dry basis, and the value of moisture effective diffusivity coefficient was smaller of a magnitude than that without considering shrinkage; The shrinkage activation energy of apricot was 20.67 kJ/mol; The drying temperature had a significant effect on the drying processing,a*andb*values appeared to increase with the increase of drying temperature, butL*values decrease; The air velocities had a little effect onL*,a*andb*values. 【Conclusion】This research provided a theoretical reference for shrinkage characteristics and color change of apricot using hot-air drying technology.

Hot-air；Apricot；Drying；Shrinkage；Color

1001-4829(2017)5-1189-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.5.035

2016-05-10

國家自然科學基金“杏子熱風干燥過程中品質變化及調控機理的研究”(31460397)

王慶惠(1980-)，女，山東梁山人，副研究員，博士，研究方向為農產品加工技術及裝備，E-mail：wangqh1201@126.com，Tel：13609978326。

S662.2

A

(責任編輯 陳 虹)