漂燙預處理對洋蔥片熱風干燥特性影響

苑 亞,張振濤,楊魯偉,王瑞祥,魏 娟,肖 波

(1.北京建筑大學 北京市SEB工程技術中心，北京 100044；2.中國科學院 理化技術研究所，北京 100190)

0 引言

洋蔥(Allium cepa L.)是我國主要的農產品之一，具有較高的營養價值和藥用價值[1]。干燥處理可以有效地延長洋蔥的儲存時間，減少了質量和體積，降低儲藏和運輸成本[2]。預處理可以提高干燥速率[3-4]及干燥品質[5-6]、降低干燥能耗和干燥成本?？祻┑萚7]研究了碳酸鉀和橄欖油混合液浸泡對無核白葡萄干燥特性的影響，預處理顯著提高了干燥速率和物料有效水分擴散系數。郭婷等[8]報道了凍融預處理對甘薯干燥特性具有重要影響，凍融預處理顯著提高干燥速率，降低干燥周期。滕竹竹等[9]提出了漂燙預處理顯著提高了茄子的熱風干燥速率，降低干燥周期。

為提高干燥效率、保證干燥質量，描述干燥過程物料干燥特性的數學模型具有重要意義。關于洋蔥片的熱風干燥特性研究已被大量報道[10-12]，但關于預處理對洋蔥片熱風干燥特性的研究文獻相對較少。Sarsavadia[13]等建立了描述鹽水(5% NaCl)預處理洋蔥片熱風干燥特性的數學模型。諸愛士[14]研究了漂燙預處理洋蔥丁干燥特性，但尚未研究漂燙條件對干燥特性影響以及沒有分析漂燙預處理提高干燥速率的機理。王正民等[15]研究了漂燙預處理對洋蔥片干燥過程的影響，但是缺乏漂燙洋蔥片的干燥數學模型、水分有效擴散系數的研究，以及漂燙預處理提高干燥速率的機理。

本文研究了漂燙預處理對洋蔥片的熱風干燥特性影響，研究了漂燙溫度、漂燙時間和熱風溫度對洋蔥片熱風干燥過程的影響規律，并與未處理、鹽水預處理做了對比，建立了描述漂燙預處理洋蔥片干燥特性的Page模型和待定系數k、n與試驗因素之間的關系式，且計算了有效擴散系數。

1 試驗與方法

1.1 材料

新鮮的白洋蔥，購于北京市五道口卜蜂蓮花超市。

1.2 儀器

DHG-9023A型電熱恒溫鼓風干燥箱范圍(北京北方利輝試驗儀器設備有限公司)；SB-202A型電子天平(盛博電子衡器有限公司)；CFXB20-902B型漂燙設備(廣東省湛江市家用電器工業有限公司)；PT3002型電子溫度計(美德時儀器儀表有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 漂燙預處理

將大小均勻、無損傷、新鮮的白洋蔥剝去外層薄皮，清洗后橫切片，洋蔥片的厚度為5 mm(工業加工一般為3～6mm[16])，選取直徑約為60～100mm、厚度為5mm、40g的洋蔥片作為試驗材料。干燥前洋蔥片漂燙預處理將準備好的試驗材料放在紗網內，在設定溫度的水浴中進行漂燙預處理，一定漂燙時間后，用紗網取出洋蔥片，用濾紙除去其表面的水，并對漂燙預處理后洋蔥片的質量進行稱重，研究漂燙預處理對洋蔥片的影響。

1.3.2 干燥試驗設計

為研究漂燙預處理對洋蔥片的熱風干燥特性的影響，本文選取漂燙溫度、漂燙時間和熱風溫度作為試驗因素，分別對洋蔥片進行熱風干燥試驗。每次試驗，按照試驗方案表(見表1)將單層洋蔥片均勻地平攤在120mm180mm網狀物料盤上，然后將物料盤放入設定好溫度的干燥箱(恒風速1.5m/s)，物料盤位于干燥箱中心位置。試驗開始后，每隔10min對樣本進行稱重一次，為減少稱重對干燥過程的影響，在稱重前關閉干燥箱風機，稱重時間約為10～15s，當連續兩次稱重相差小于0.01g試驗結束。在每組試驗結束后，對干燥的樣本進行溫度為105℃熱風干燥，干燥時間為24h，得到洋蔥片的干基質量。

表1 干燥試驗方案

1.4 干燥速率

干燥速率(Drying rate，DR)為[17]

(1)

式中DRt—t時刻洋蔥片的干燥速率[kg/(kg·min)]；

Xt+dt—t+dt時刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)；

Xt—t時刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)。

1.5 干燥模型

本次洋蔥片熱風干燥試驗屬于薄層干燥，三種常用的薄層干燥模型(見表2)被選取對洋蔥片熱風干燥數據進行擬合，選用相關系數R2、卡方χ2和均方根誤差RMSE來評判擬合結果的優劣，數學表達式為[18]

(2)

(3)

(4)

式中MRpre,i—水分比預測值；

MRexp,i—水分比試驗測定值；

MRe—水分比試驗測定值的平均值；

N—數據數目；

n—模型參數個數。

表2 薄層干燥模型

1.6 有效擴散系數

根據Fick第二定律，薄層洋蔥片內水分可簡化為[22]

(5)

式中Deff—有效擴散系數(m2/s)；

L—洋蔥片的厚度(m)；

t—干燥時間(s)。

水分比(Moisture ratio，MR)為

(6)

式中Xt—t時刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)；

X0—初始時刻洋蔥片的干基含水率(kg/kg)；

Xe—洋蔥片的平衡干基含水率(kg/kg)。

2 結果與分析

2.1 洋蔥片熱風干燥特性

2.1.1 漂燙預處理

洋蔥經80℃熱水漂燙處理1min會發生不可逆膜損傷[23]。在70、80、90 ℃漂燙預處理1min，40 g洋蔥片分別下降到38.42、35.55、35.33g，可知隨著漂燙溫度的升高，洋蔥片的質量變化率變大。果蔬組織中水分的90%存在于細胞中[24]，漂燙預處理造成洋蔥片失水，可能是由漂燙預處理損傷洋蔥片內細胞組織，造成細胞內的水分流失。

在65℃熱風條件下，新鮮洋蔥片、鹽水預處理洋蔥片和漂燙預處理洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖1所示。相對與未處理和經鹽水預處理，漂燙預處理顯著地增加了洋蔥片的干燥速率，可能是由于漂燙預處理損傷洋蔥片內細胞組織，降低了干燥過程洋蔥片內水分擴散阻力。因此，漂燙預處理可以顯著提高洋蔥片的干燥速率。

(a) 干燥曲線

(b) 干燥速率曲線圖1 預處理對干燥過程影響Fig.1 Effect of pre-treatment on the drying characteristic

2.1.2 漂燙溫度對干燥特性的影響

在65℃熱風條件下，經70、80、90℃熱水漂燙預處理1min洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2所示。由圖2可知：經70、80、90℃漂燙預處理洋蔥片的干燥過程處于降速干燥階段，隨著漂燙溫度的升高，干燥速率逐漸增加，干燥周期降低。

(a) 干燥曲線

(b) 干燥速率曲線圖2 漂燙溫度對干燥特性的影響Fig.2 Effect of blanched temperature on the drying characteristic

2.1.3 漂燙時間干燥特性的影響

在65 ℃熱風條件下，經90℃熱水漂燙預處理1、2、3min洋蔥片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖3所示。由圖3可知：經1、2、3min漂燙洋蔥片的干燥過程處于降速干燥階段；但隨著漂燙時間增加，干燥速率變化不顯著，這與文獻結論相悖[14]。

2.1.4 風溫對洋蔥片熱風干燥特性的影響

在55、60、65℃熱風條件下，經90 ℃熱水漂燙預處理1min的洋蔥片干燥曲線和干燥速率曲線如圖4所示。

(a) 干燥曲線

(b) 干燥速率曲線圖3 漂燙時間對干燥特性的影響Fig.3 Effect of blanched time on the drying characteristic

(a) 干燥曲線

(b) 干燥速率曲線圖4 風溫對干燥特性的影響Fig.4 Effect of air temperature on the drying characteristic

由圖4可知：在55、60、65℃熱風條件下洋蔥片的干燥過程處于降速干燥階段；隨著熱風溫度的升高，干燥速率逐漸增加，干燥周期降低。

2.2 干燥模型的建立與分析

2.2.1 干燥模型的確定

本文選取3種典型的薄層干燥模型進行試驗數據的擬合結果如表3所示。在不同的干燥條件下，Page模型的擬合度最優，其R2最大，x2、RMSE最小。因此，Page模型能夠準確地描述漂燙洋蔥片的干燥特性。

2.2.2 干燥模型的修正

由表3可知：Page模型參數k、n均隨試驗條件的不同而改變；因此，k、n值是漂燙溫度、漂燙時間和熱風進行溫度的函數。參數k、n可表示為[25]

k=ak+bkT1+ckT2+dkT3

(7)

n=an+bnT1+cnT2+dnT3

(8)

式中ak、bk、ck、dk、an、bn、cn、dn—試驗相關的常數；

k，n—Page模型的待定系數；

T1—漂燙溫度(℃)；

T2—熱風溫度(℃)；

T3—漂燙時間(min)。

對上式進行線性回歸，分別求出各模型的常數，則有

(9)

(10)

待定系數k、n的回歸方差分析如表4、表5所示。

其F值分別為176.93(>F0.01(3,3))，14.49(>F0.05(3,3))。因此，k、n與漂燙溫度、漂燙時間、熱風溫度之間具有顯著的線性關系。復相關系數R分別為0.997 2(>Rmin=0.983)，0.967 2(>Rmin=0.950)，因此建立的k、n的線性回歸方與試驗數據擬合較優。

表3 干燥模型擬合結果

表4 k的回歸方差分析

表5 n的回歸方差分析

2.2.3 干燥模型驗證

根據式(9)和式(10)，得到描述漂燙洋蔥片干燥特性的修正Page模型

將修正Page模型計算的理論值與試驗值對比，如圖5所示。

(a) 漂燙溫度

(b) 漂燙時間

(c) 熱風溫度圖5 理論值與試驗值Fig.5 Theoretical value and experimental value

由圖5可知：在不同的干燥條件下，修正Page模型可很好預測漂燙洋蔥片熱風干燥試驗過程。

2.3 有效擴散系數

繪制ln(MR)與干燥時間t的曲線，并對其進行線性擬合，通過擬合直線斜率得出不同干燥條件下洋蔥片的有效擴散系數，結果如表6所示。有效擴散系數為1.045 7×10-9～2.104 9×10-9m2/s，與相關文獻[26]報道的食品干燥過程的有效擴散系數在1×10-11～1×10-9m2/s范圍內一致。

表6 有效擴散系數

3 結論

1)研究了漂燙預處理對洋蔥片的干燥特性影響。薄層洋蔥片熱風干燥處于降速干燥階段，最優漂燙預處理工藝為90℃、1min。

2)隨著漂燙溫度和熱風溫度升高，干燥速率逐漸增加。漂燙時間的增加對干燥速率的影響不顯著。相對于鹽水預處理和未處理，漂燙預處理可以顯著提高干燥速率，降低干燥周期。

3)Page模型描述漂燙洋蔥片的熱風干燥特性最優，修正Page模型可很好預測漂燙洋蔥片熱風干燥特性。有效擴散系數Deff的變化范圍為1.045 7×10-9～2.104 9×10-9m2/s。

參考文獻：

[1] Marta C M, Nieves C，Mar V. Biological properties of onions and garlic[J].Trends in Food Science & Technology, 2007,18: 609-625.

[2] Wankhade P K, Sapkal DR R S, Sapkal DR V S. Drying characteristics of okra slices on drying in hot air dryer[J].Procedia Engineering, 2013,51:371-374.

[3] Doymaz l, Altiner P. Effect of pretreatment solution on drying and color characteristics of seedless grapes[J].Food Science and Biotechnology, 2012, 21(1): 43-49.

[4] 趙昆，趙士杰，滕竹竹.香菜熱風干燥的試驗研究[J].農機化研究，2016,38(5):250-254.

[5] 黃宗海,何新益,王佳蕊,等.預處理方式對胡蘿卜變溫壓差膨化干燥品質的影響[J].食品與機械,2011,27(1):124-126.

[6] 郭婷,鄧放明,何新益.預處理方式對甘薯變溫壓差膨化干燥產品品質的影響[J].食品與機械,2012,28(6):202-250.

[7] 康彥,關志強,李敏,等.預處理對無核白葡萄熱風干燥特性的影響[J].食品科學,2014,35(5):119-123.

[8] 郭婷,何新益,鄧放明.凍融甘薯熱風干燥特性與動力學研究[J].食品與機械,2013,29(3):8-11.

[9] 滕竹竹，趙士杰，杜文亮，等.茄子熱風干燥試驗研究[J].農機化研究，2016,38(7):245-249.

[10] 張勇,胡赤兵,寇明杰.五層網帶式洋蔥穿流干燥系統的設計[J].甘肅農業大學學報，2014(4):170-174.

[11] 姜苗,楊薇.洋蔥對流干燥特性及其神經網絡模型的建立[J].食品研究與開發,2013,34(5): 14-18.

[12] Figen K E, Gedik A. Kinetic modelling of quality deterioration in onions during drying and storage [J].Journal of Food Engineering, 2005,68:443-453.

[13] Sarsavadia P N, Sawhney R L，Pangavhane D R, at el. Drying behaviour of brined onion slices [J].Journal of Food Engineering, 1999,40: 219 -226.

[14] 諸愛士.洋蔥薄層脫水動力學研究[J].浙江科技學院學報,2006,18(1):31-34.

[15] 王正民,趙秋萍,李春雷,等.流化床熱風干燥洋蔥及護色工藝研究[J].應用化工,2013,42(5): 962-964.

[16] Rapusas R S, Driscoll R H，Srzednicki G S. Bulk density and resistance to airflow of sliced onions[J].Journal of Food Engineering, 1995,26:67-80.

[17] Muhammad K I K, Muhammad A, Akmal N, at el. Sustainable dehydration of onion slices through novel microwave hydro-diffusion gravity technique [J].Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2016,33: 327-332.

[18] Mitra J, Shrivastava S L, Rao P S. Vacuum dehydration kinetics of onion slices [J].food and bioproducts processing, 2011, 89: 1-9.

[19] 占丹，廖傳華.洋蔥真空干燥動力學研究[J].當代化工,2014,43(12):2535-2538.

[20] 諸愛士，夏凱．瓠瓜薄層熱風干燥動力學研究[J]．農業工程學報，2011，27(1)：365-369．

[21] Derya A, Mehmet M?.Study the effect of sun, oven and microwave drying on quality of onion slices [J].LWT- Food Science and Technology, 2010,43:1121-1127.

[22] 徐建國，張森旺，徐剛，等．蓮子薄層熱風干燥特性與水分變化規律[J].農業工程學報，2016，32(13)：303-309．

[23] 陳衛,田豐偉.果蔬微生物學[M].北京:中國輕工業出版社,2011,344-345.

[24] 劉玲霞,劉相東,常劍，等.果蔬干燥過程的水分跨膜傳輸模型構建[J].農業工程學報,2012,28(20):256-264.

[25] 賈清華,趙士杰,柴京富,等.枸杞熱風干燥特性及數學模型[J].農機化研究,2010,32(6):153-157.

[26] 賈敏,叢?；?薛長湖,等.鮑魚熱風干燥動力學及干燥過程數學模擬[J].食品工業科技,2012(3):72-80.

AbstractID:1003-188X(2018)05-0241-EA