溫度對明星杏干燥動力學及品質影響規律研究

過利敏，肖 波，孟伊娜，張 健，張 平，霍錦雙

(1.新疆農業科學院農產品貯藏加工研究所，烏魯木齊 830091；2.中國科學院理化技術研究所，北京 100190)

0 引 言

【研究意義】我國新疆地區杏樹資源豐富，種植面積和產量均居全國各省(區)之首[1, 2]。新鮮杏果采收時間集中，果實含水率較高，易腐且運距長，嚴重限制了杏的鮮食鮮銷，超過95%的鮮杏只能在產區干制加工[3]，且主要集中在南疆地區。明星杏具有個大、肉厚、中晚熟等特點，是新疆和田地區主栽制干杏品種[4]。目前果農多采用傳統露天攤曬制干，產品衛生質量問題突出。加強明星杏熱風干燥技術及其最優工藝參數的研究，提高杏干產品質量，形成規模化加工，是解決以上問題的有效途徑。【前人研究進展】新疆杏的機械制干目前主要可分為兩大類：太陽能制干和普通熱風制干[5]。現有杏的干燥研究主要集中于新疆賽買提杏[6-9]、庫買提杏[10]、小白杏[11-14]和索克亞格勒克[9]等品種，對于明星杏干燥關注較少[1, 15]；且集中于太陽能干燥，太陽能干燥存在間歇性、易受天氣影響的缺點，干燥時間仍然偏長[6, 16]。杏果干燥過程中除了水分含量變化外，還會伴隨發生風味、色澤等一系列品質變化，了解杏的干燥特性和品質變化規律是干燥機械設計和操作規程制定的重要前提[17]。【本研究切入點】熱風干燥對天氣等環境因素要求不高，干燥溫度可控，但對干燥操作要求較高，干燥參數的設置不當容易造成嚴重的產品品質退化，導致明星杏色澤變差、風味流失嚴重、產品香感官品質不及傳統攤曬制干產品。研究溫度對明星杏干燥動力學及品質影響規律。【擬解決的關鍵問題】高含水率植物物料的干燥過程中，物料中水分傳輸主要為內部過程控制，受溫度影響最為顯著[18-20]。以干燥溫度為主要影響因素，通過明星杏干燥實驗、色澤變化測定、感官指標綜合評價等方法，建立明星杏的熱風干燥動力學模型，提出明星杏的優化干燥溫度。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 樣品來源

新鮮的明星杏，選購于新疆烏魯木齊水果批發市場。選擇外觀形狀完整、大小基本一致的杏果，暫存于4℃冷庫中保存備用，測得10個杏果的平均質量為(32.6±1.5) g，厚度為(1.26±0.01) cm。

1.1.2 主要儀器

101型電熱鼓風干燥箱；TD型電子分析天平；CR-10型全自動測色色差計；DZF-6020型真空干燥箱；UV-2600型紫外-可見分光光度計。

1.2 方 法

1.2.1 操作要點

挑選無傷、大小基本一致的杏果，沿騎縫線一分為二切成兩瓣，果肉保持完整，剖面朝上平攤于不銹鋼平盤中，單層擺放，水平送風。

1.2.2 干燥

每盤裝載量為500 g，干燥溫度分別為40、50、60和70℃；干燥過程中將物料分為稱重物料和抽樣物料，同時放入給定溫度的干燥箱中，每2～4 h稱重1次，同時抽樣測10個杏片的色度。每個處理每個時間點均進行3次平行試驗，計算平均值及標準差。當含水量(w/w)在18%以下時，抽樣并密封包裝后放置于陰涼處保存，用于感官評價的測定。

1.2.3 干基含水率的測定

參照國標GB5009.3-2016減壓干燥法測定。隨機稱取12瓣新鮮明星杏杏片，將其打碎成勻漿混合，取3個鋁制稱量皿和直徑為1.5 cm玻璃棒。各稱取3 g勻漿和石英砂充分混勻放入干燥箱45℃鼓風干燥4 h后取出。再放入55℃真空干燥箱內，抽真空為50 kPa，每隔2 h待恢復常壓后，置于干燥器中0.5 h后稱重一次。重復以上步驟直至前后兩次質量差不超過2 mg，即為恒重。計算公式如下：

Mt=(mt-mg)/(mg-mb)×100.

(1)

式中，Mt-干基含水率，g/g；mt-稱量皿和試樣t時刻的質量，g；mg-稱量皿和試樣干燥后的質量，g；mb-稱量皿的質量，g；t等于0時，為初始干基含水率M0。

1.2.4 干燥速率的測定

干燥速率DR是物料在干燥過程中每小時蒸發的水分量，其計算公式如下：

DR=dMt/dt=M△t/t=(Mt+△t-Mt)/△t.

(2)

式中，DR-干燥速率，g/(g·h)；M△t-相鄰時間點物料干基含水率的變化量，g；△t-兩次測量的時間間隔，h。

1.2.5 干燥動力學模型

利用測得的鮮杏含水率，根據干燥過程中物料重量變化計算出干燥過程中物料含水率的變化，以時間為自變量繪制相應的干燥曲線，明確明星杏各干燥階段情況。利用干燥曲線外推獲得其在給定干燥條件下的平衡含水率。為得到描述明星杏干燥過程的最佳動力學模型，研究采用以下3種最常用的干燥動力學方程來擬合獲得的干燥數據[21, 22]：

單項擴散方程：

(3)

指數方程：

MR=exp(-Kt).

(4)

Page 方程：

MR=exp(-KtN).

(5)

上述方程中：MR為水分比；M為物料平均含水率；M0為物料初始含水率；Me為在給定熱風溫度、相對濕度的情況下的平衡含水率，實驗中通過干燥法外推獲得，認為物料重量變化很小時或不變時的含水率即為物料的平衡含水率；K為干燥動力學參數；A、N為參數。

1.2.6 色度的測定

杏干顏色變化采用CR-10型色差計測定，采用反射模式測定樣品的L、a、b值，重復10次并計算總色差△E。其中L表示亮度，L值越小，表明產品亮度越低；a>0表示紅值、a<0表示綠值；b>0表示黃值、b<0表示藍值。△E表示總色差，見式6，反映色澤的總體變化，△E越大表示顏色變化越大。

(6)

1.2.7 感官綜合評價

當杏片水分降至安全水分以下(≤18%)，取出編號后于陰涼處密封過夜再轉入4℃保存備用。采用甜度、色澤、酸度、香氣和硬度五個指標綜合評價明星杏的品質。用于擺放杏干樣品的盒子要求外觀一致。評價人員共選9位，要求生活習慣較好、無特別飲食偏好。在評價前需要掌握與香氣相關的描述詞，如4個頻次最高的描述詞(A典型濃郁、B較濃郁、C基本無香味、D后熟味)，然后給各氣味指標的強度打分：強度分為十級(0～9)，等級越高表示強度越高，氣味越濃。采用雷達圖展現實驗數據[12]。

1.3 數據處理

每組實驗重復3次，用Excel2016軟件對干燥實驗數據做曲線圖，并對干燥動力學模型進行回歸擬合分析。

2 結果與分析

2.1 干燥溫度對明星杏熱風干燥特性的影響

水分含量對明星杏干感官品質及儲藏穩定性均有十分重要的影響。不同干燥溫度的干燥曲線和干燥速率曲線顯示，4個風溫梯度下明星杏含水率和干燥速率的干燥曲線。風溫越高，干燥速率越大，相同時間干燥物料的干基含水率就越低，所用的干燥時間也越短。明星杏片達到干燥終點時，70℃的干燥時間是60℃的1.7倍，并且兩者干燥曲線差距較大，這可能是由于風溫越高，傳熱推動力溫度差越大，當溫度達到物料內部傳質的臨界值，干燥過程中的果實與外界熱交換、水分擴散的速率發生了躍遷，因此，出現較大差異。但是溫度過高，干燥過程能耗較大。一般選擇干燥溫度50～60℃較適宜。圖1

圖1 不同溫度下明星杏含水率和干燥速率變化
Fig.1 Effect of temperatures on water content and drying rate of star apricot

2.2 干燥動力學模型擬合結果

2.2.1 參數擬合

用經過線性化處理后的3種干燥動力學模型，對實驗獲得的各含水率數據進行擬合，得到不同溫度下各參數的值。表1

表1 各方程參數的擬合值
Table 1 Fitting value of each equation parameter

TMR=Aexp(-Kt)MR=exp(-Kt)MR=exp(-KtN)AKR2KR2KNR2401395702003888309368370034121091791600163841155216097375501516971007449809660100652110945449002913111971080978684601342820008559609815700775570969811003320112238570965367016744680153255092934501334280908060039756113509220954573

各模型決定系數R2的對比圖，總體上可以認為Page方程的擬合優度較好。圖2

根據表1中各參數值隨溫度的變化規律，假設方程(1)中A為常數，取平均值，K為熱風溫度的線性函數，單項擴散方程為：

MR=1.482 491exp[-(0.003 542T-0.106 76)t].

(7)

式中:T為溫度，℃；t為溫度，h。

假設方程(2)中，K為熱風溫度的線性函數，指數方程為：

MR=exp[-(0.003 103T-0.093 068)t].

(8)

式中:T為溫度，℃；t為溫度，h。

假設方程(3)中，K和N為熱風溫度的線性函數，Page方程為：

MR=exp[-(0.000 742T-0.011 184)t0.006 139 T+0.894 149].

(9)

式中T為溫度，℃；t為溫度，h。

圖2 各公式擬合結果的決定系數R2對比

2.2.2 擬合結果

研究表明，三個模型的預測結果與實驗結果的對比情況表明，單項擴散方程的預測值在干燥開始階段與實驗結果有較大的差距，隨著干燥的進行與實驗結果吻合得越來越好，這是單項擴散方程的典型特征。單項擴散方程為描述物料內部水分擴散傳輸方程在給定狄利克雷邊界條件下解析解的第一項，忽略了對流傳質邊界層的影響，忽略了高階項的影響，因此，在干燥初始階段有較大誤差，隨著干燥過程進行，邊界層和高階項的影響越來越來小，單項擴散方程越來越準確[19]。模型預測值與實驗結果的標準偏差，可見Page模型的預測效果最好。因此，對于明星杏薄層干燥過程，適合采用Page模型描述溫度的影響。表2

干燥時熱風溫度對干燥時間有顯著影響。熱風溫度從40℃增加到70℃時，干燥時間從100 h左右減少到30 h左右。杏干的大部分干燥過程中，物料失水速率由物料內部水分傳輸過程控制，熱風溫度升高，物料內部的溫度也會升高，內部水分傳輸會加快(假設物料內部水分傳輸為液態擴散，則擴散系數隨溫度升高而升高)，進而干燥速率增大，干燥時間縮短。因此，實際杏干的制干生產中，在保證產品品質的前提，可適當提高熱風溫度以縮短干燥時間。圖3

圖3 模型預測結果與實驗結果的對比

Fig.3Comparisonofmodelpredictionsandexperimentalresults

表2 模型預測值與實驗結果的標準偏差(S.E.)
Table 2 Model predictions and experimental results standard deviation (S.E.)

T(℃)MR=Aexp(-Kt)MR=exp(-Kt)MR=exp(-KtN)400140640056190049035001206200638500283860012240106970052770013058009775005484

2.3 熱風溫度對杏干顏色影響

干燥溫度是影響明星杏干果顏色指標的重要因素。研究表明，干燥前后杏干顏色的差值隨熱風溫度的變化情況，可以看出隨著溫度的升高，杏干顏色變化越大，但是50和60℃之間的差異較小。干燥過程使得明星杏顏色的紅值增加，黃值減少，亮度降低；并且隨著溫度增加，增加和減小的幅度都呈增大的趨勢。杏的干燥過程應盡量提高紅值、黃值，維持其亮度[14]，可見熱風干燥過程中杏的色澤品質存在下降，干燥溫度越高下降越大。因此，在后續的研究中應研究控制L、a、b值變化的干燥參數操作機制，優化杏干的品質。圖4

2.4熱風溫度對杏干感官品質指標影響的綜合評價

獲得的感官指標數據如表3所示，圖5為溫度對感官品質指標影響的綜合評價。

甜度得分越高表示品質越好，4種干燥條件下測得杏片的甜度都在適中范圍內，其中40℃的甜度最高。從色澤上觀察，40、50、60℃下色澤變化不大，而70℃下變化較大，這與測得的色差變化一致。酸度結果顯示，酸度都適中，符合大眾的口味。其中40℃干燥時酸度最小，60℃時酸度最大，其余干燥條件酸度相近。從香氣角度來說，60℃香氣最差，在40℃干燥條件下明星杏的香氣較其它3種干燥條件更為濃郁。從硬度方面來講，40℃硬度最小，其余各干燥方式下明星杏硬度適中。綜合考慮，50℃干燥下的明星杏感官上最優。表3，圖5

圖4 干燥前后杏干顏色的差值隨溫度的變化
Fig.4 The color difference of apricot with the temperature changes before and after drying

表3 各干燥溫度下的感官品質指標
Table 3 Sensory quality indicators at different drying temperatures

干燥條件(℃)甜度硬度色澤酸度香氣合計404529553135195503749554629217602642555623203703355614429222

圖5 溫度對感官品質指標影響的綜合評價
Fig.5 The comprehensive evaluation on influences of temperature on the sensory quality indicators

3 討 論

研究了干燥過程最重要的參數之一“干燥溫度”對明星杏干燥過程和干燥品質的影響。結果表明，在最常用的三種薄層干燥模型中，Page模型適合用來描述溫度對明星杏薄層干燥過程的影響。熱風溫度對干燥效率(干燥時間)的影響顯著。熱風溫度從40℃增加到70℃時，干燥時間從100 h左右減少到30 h左右。杏干的制干生產實際中，在保證產品品質的前提，可適當提高熱風以縮短干燥時間。

品質指標的影響研究表明，總體上干燥溫度越高，品質指標劣化越嚴重，尤其是顏色和硬度指標。為了保證品質，干燥過程中應盡量降低干燥溫度，但會嚴重影響干燥效率。因此，綜合考慮溫度對干燥時間和各品質指標的影響，可以認為明星杏干燥的最優溫度在干燥溫度的上下限范圍內存在最優值，實驗中最優值為50℃。

研究沒有涉及到影響干燥過程的其他重要影響因素，如熱風相對濕度和風速，在后續的研究中應綜合考慮這些因素的影響，對明星杏的干燥工藝進行進一步的優化。

4 結 論

4.1 采用最常用的三種薄層干燥模型，對實驗獲得的各含水率數據進行線性化處理和擬合，結果顯示，在明星杏薄層干燥過程，Page模型適宜用于描述溫度的影響，Page方程為：MR=exp[-(0.000 742T-0.011 184)t0.006 139 T+0.894 149]。

4.2 杏干感官品質綜合評價結果顯示，4種干燥條件下測得杏片的甜度、酸度和硬度都在適中范圍內，其中40℃的甜度最高。干燥過程使得明星杏顏色的紅值增加，黃值減少，亮度降低，其中70℃下色澤變化較大，50和60℃的差異較小。40°C的明星杏香氣較其它3種干燥條件更為濃郁。50℃干燥下的明星杏感官上最優。

4.3 在明星杏的熱風干燥實驗中，風溫越高，相同時間點物料的干基含水率就越低，所用的干燥時間也越短。明星杏片達到干燥終點時，70℃的干燥時間是60℃的1.7倍。綜合考慮溫度對干燥時間和各品質指標的影響，得出明星杏的熱風干燥溫度最優值為50℃。

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