傳統干燥工藝條件下葡萄制干特性及干燥模型研究

謝 輝，張 雯，韓守安，王 敏，鐘海霞，伊卜拉伊木江·努爾麥麥提，潘明啟，陸勝祖

(1.新疆農業科學院園藝作物研究所，烏魯木齊 830091；2.新疆農業大學食品科學與藥學學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國葡萄干的主產區，年產量約為15×104～18×104t，占全國葡萄干總產量的95%以上，世界葡萄干產量排名第三，是新疆林果業的支柱產業[1-3]。新疆葡萄干的制干工藝主要以晾干和曬干兩種傳統工藝為主，其中晾干方式是新疆綠色葡萄干的主要生產工藝，曬干方式是新疆紅褐色葡萄干的主要生產方式[4-7]，研究傳統干燥工藝，對葡萄制干特性及干燥模型的影響具有重要的意義。【前人研究進展】新疆葡萄制干流傳下來的主要制干工藝為晾干和曬干，一種為綠色葡萄干，一種為紅褐色葡萄干[8]。前人關于葡萄制干進行了大量的研究，但是研究主要集中在不同制干工藝對葡萄成干速度[9,10]、葡萄干品質[11，12]及風味[13，14]等方面的影響。關于干燥工藝對物料制干特性及干燥模型的研究在紅棗[15]、荔枝[16]、杏干[17]及蔬菜[18]上進行了研究。研究發現干燥模型能夠較好的闡釋以上干果干制過程中水分散失規律、干燥速率、水分散失速率和活化能，為干燥工藝的改進提供實踐數據和理論指導。【本研究切入點】有關傳統干燥工藝對葡萄制干特性及干燥模型的研究較少。研究針對新疆葡萄干生產中的主要傳統工藝晾干、曬干進行研究，分析兩種制干方式對葡萄制干特性、干燥模型及有效水分擴散系數的影響。【擬解決的關鍵問題】研究不同制干工藝對葡萄制干特性的影響，分析傳統制干工藝干燥條件下葡萄果實內的干燥特性及失水規律，建立干燥動力學模型，分析葡萄干燥期間的水分變化規律，為葡萄干燥工藝的改進提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

無核白雞心葡萄，可溶性固形物含量23.6%。無核白雞心葡萄購買與鄯善縣園藝場，總計購買鮮葡萄500 kg。測定無核白雞心葡萄果粒的基本參數，單粒重4.65 g，縱橫徑分別為27.18 mm、17.02 mm，干燥半徑8.5 mm。新疆農業科學院園藝所惠普園藝科技有限公司生產的促干劑。千分之一天平、路格L95-4型號溫、濕度記錄儀。

1.2 方 法

1.2.1 溫度測定

采用路格L95-4型號溫度記錄儀放置在各個制干環境中，每個制干環境放置3臺儀器，最后取平均值。

1.2.2 含水量測定

取200 g無核白雞心葡萄干于制干環境中，每天采用百分之一天平測定其重量變化情況，然后計算葡萄干剩余的含水量。

1.2.3 干燥參數的計算[19]

干基含水率(Wt)計算公式為：

(1)

式中：Wt代表葡萄果實干基含水率，單位g/g；md代表葡萄干物質的質量，單位為g；mt為任意t時刻葡萄的質量，單位為g。

水分比(MR)公式：

(2)

注：MR為水分比，Mt-樣品任意時刻葡萄果實的干基含水率，單位為g/g，Me-葡萄干的平衡干基含水率，單位為g/g；M0-葡萄的初始干基含水率，單位為g/g。

干燥速率公式：

(3)

式中：Ui為i時刻試驗葡萄果實的干燥速率，單位為g/(g·min)，Mi為i時刻試驗葡萄果實干基含水率，單位為g/g。

有效水分擴散系數(Deff)計算公式：

(4)

式中：Deff為葡萄的有效水分擴散系數，單位為m2/s；L為物料厚度，單位為米(m)；t為干燥時間，單位為小時(h)。

1.2.4 葡萄干干燥模型的建立

物料(葡萄)干燥過程是一個非常復雜的熱量傳遞過程，涉及多種物理現象[20]，研究選用4個常見的干燥動力學數學模型進行擬合[21]。采用薄層干燥常用的4種數學模型對葡萄果實制干過程中水分比的筆畫進行擬合。葡萄果實的干燥過程主要以降速階段為主，葡萄制干過程中有效水分擴散系數采用Fick第二定律公式計算。表1

表1 用于干燥曲線分析的數學模型
Table 1 Mathematical models for drying curves

編號Number模型名稱Model Name模型Model1NewtonMR=exp(-kt)2PageMR=exp(-ktn)3Simplified Fick’s diffusionMR=aexp(-ctL2)4Wang and SinghMR=1+at+bt2

將試驗得到的數據進行擬合回歸分析，并用決定系數R2、卡方檢驗值λ2和均方根誤差RMSE來評價模型擬合的適用性，其表達式如下[21]：

(5)

(6)

R2值越大、χ2和RMSE越小，說明模型的擬合性越好。

在傳統干燥工藝條件下，葡萄果實半徑為0.85 cm條件下進行干燥試驗，對模型進行驗證。

1.3 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2007、 Origin 9.0軟件進行數據處理、模型擬合和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 傳統制干工藝條件下環境變化

研究表明，曬干制干工藝的最高溫度高于晾干工藝，曬干制干工藝中的最低溫度低于晾干制干工藝中的最低溫度，曬干工藝中的最高溫度68.2℃，晾干工藝的最高溫度36.8℃；曬干工藝中的最低溫度8.8℃，晾干工藝中的最低溫度12.3℃。曬干工藝中溫度差達到59.4℃，是晾干工藝的2.48倍。晾干工藝中的最高濕度低于曬干工藝中的最高濕度，晾干工藝中的最低濕度高于曬干工藝中的最低濕度。圖1，圖2

圖1 傳統制干工藝條件下制干環境中最高、最低溫度變化
Fig.1 Changes in the highest and lowest temperature in a dry environment under traditional drying process conditions

圖2 傳統制干工藝條件下制干環境中最高、最低濕度變化
Fig.2 Changes in the highest and lowest humidity in a dry environment under traditional drying process conditions

2.2 傳統工藝條件下葡萄果實的干燥特性

研究表明，兩種制干工藝的干燥特性具有一定的差異，曬干制干工藝條件下葡萄果實的干燥速率高于晾干葡萄果實的干燥速率。曬干工藝制干所需時間180 h，晾干工藝制干所需時間380 h。干燥初期，由于葡萄果實組織細胞結構破壞，水分向外擴散速率較快，兩種制干工藝的干基含水率下降明顯，曬干工藝的干基含水率高于晾干工藝的干基含水率，是由于曬干環境中的溫度明顯高于晾干環境中的溫度引起的。制干后期兩種傳統制干工藝條件下的干燥速率區別不明顯，主要是由于制干后期外界氣溫下降，曬干環境中的溫度顯著下降；隨著葡萄果實內水分含量的下降，葡萄果實表面硬化，導致水分擴散速率減慢，干燥速率降低。圖3

圖3 傳統工藝條件下葡萄干燥曲線及干燥速率曲線

Fig.3Grapedryingcurveanddryingratecurveundertraditionalprocessconditions

2.3 葡萄薄層干燥動力學模型

2.3.1 葡萄干燥動力學模型的擬合

研究采用了薄層干燥常用的4種數學模型對葡萄果實制干過程中水分比的變化進行了擬合。計算葡萄的水分比MR，用Origin 9.0軟件對表1中的4個干燥模型進行擬合，模型中干燥時間t的單位為小時(h)。傳統制干工藝條件下，4個模型的常數及R2、χ2和RMSE等擬合檢驗指標結果見表2。篩選出的4個模型均可以模擬葡萄制干過程中的水分變化情況，通過對R2值的比較，page模型擬合結果最好，R2的均值達到了0.998 20，χ2值的結果為0.000 885，RSME平均值的結果為0.001 55。表2

表2 傳統干燥工藝條件下葡萄果實數據擬合結果
Table 2 Statistical results of drying models for grape fruit under the different drying conditions

模型Model處理Dispose干燥常數Drying constantR2χ2RSMEPage晾干K=3.089×10-4 n=0.026 90.998 820.001 450.001 45曬干K=0.003 81 n=0.073 240.997 580.000 320.001 65Newton晾干K=3.579×10-40.984 540.001 730.020 72曬干K=0.002 140.994 840.000 740.004 23Wang and singh晾干a=-0.006 41 b=3.447×10-70.997 840.000 240.002 65曬干a=-0.017 72 b=7.487×10-50.965 520.004 710.023 54Simplified Fick's diffusion晾干a=1.057 4 c=2.957×10-18 L=1.806×10-80.986 640.001490.01492曬干a=1.013 58 c=4.817×10-13 L=4.134×10-60.992 620.001 010.004 03

2.3.2 Page模型求解

Page模型適用于描述葡萄果實的干燥過程，模型中的n和k是干燥工藝和半徑(r)的函數，采用一元線性回歸的方法對n和k與干燥工藝和半徑進行分析：

當葡萄果實干燥半徑為0.85 cm時，

k=1.181 7T+0.003 4(R2=1)

n=1.180 3T+0.041 5(R2=1)

2.3.3 Page模型的驗證

試驗值與預測值擬合較好，說明采用Page模型可以很好的描述葡萄果實在傳統干燥工藝制干過程中水分變化的規律。圖4

2.4 有效水分擴散系數

研究表明，葡萄果實干燥過程中水分比MR的自然對數與干燥時間t呈線性關系。通過線性回歸計算出傳統干燥工藝條件下有效水分擴散系數Deff。兩種干燥工藝曬干、晾干條件時，晾干方式的有效水分擴散系數分別為6.468 75 E-9，曬干方式的有效水分擴散系數為2.036 25 E-8，由此說明，傳統工藝中曬干方式的有效水分擴散系數顯著高于晾干方式的有效水分擴散系數。表3

圖4 Page模型驗證
Fig.4 Validation of Page model表3 傳統干燥工藝條件下葡萄果實干燥有效水分擴散系數
Table 3 Effective moisture diffusivity of Grape fruit under tradition drying conditions

處理Dispose擬合公式Fitting formulaR2Deff(m2/s)晾干AirdryingInMR=-0.0115 t+0.255 20.9826.46875E-9曬干SundryingInMR=-0.0362+0.2870.976 32.03625E-8

3 討 論

晾干和曬干是新疆葡萄制干的傳統工藝，有著悠久的歷史。晾干方式是新疆綠色葡萄干的主要制干方式，在世界范圍內新疆是綠色葡萄干的主要生產區域，這與新疆吐魯番、哈密地區制干時期的環境條件及晾房結構和微環境具有密切關系[1，3，5]。但是，目前國內外沒有采用機械烘干工藝生產綠色葡萄干的成熟工藝，研究針對新疆綠色和紅褐色葡萄干制干工藝的制干環境及在相應制干環境下制干特性的差異進行了探討。同時，采用經典的干燥模型對傳統制干工藝進行了分析，Page模型是最適合用來描述傳統工藝對葡萄薄層干燥的過程。這與前人在杏干及其他干果的干燥過程中的研究結論一致[15-18，20]。

研究僅是針對兩種傳統工藝條件下無核白雞心葡萄干燥特性進行了分析，未對不同粒重、不同葡萄品種的干燥特性進行系統分析，在后續研究中將考慮這些因素對葡萄干燥特性的影響，為新疆葡萄干燥工藝的改進提供數據支撐。

4 結 論

葡萄果實采用傳統制干工藝制干，曬干工藝的干燥速率高于晾干工藝的干燥速率。Page干燥模型對葡萄的干燥失水過程擬合度最好，χ2和R2均值最小，分別為0.998 2、8.55×10-4和0.001 5，Page模型具有形式簡單，參數較少的優點，可以較好的模擬葡萄干燥過程中水分變化的情況，曬干工藝條件下葡萄果實的有效水分擴散系數為2.036×10-8，晾干工藝條件下葡萄果實的有效水分擴散系數為6.468×10-9，曬干工藝的有效水分擴散系數顯著高于晾干工藝的有效水分擴散系數。

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