不同預處理下無核厚皮葡萄熱泵式分段干燥特性及品質比較

張波 姬長英 徐偉悅 蔣思杰 宋鎮 程慧

摘要：為解決無核厚皮葡萄干燥時間長、干制品生產量低、能耗高等問題，利用熱泵干燥技術，在不同溫濕度階段變化的干燥工藝下，研究比較了無核厚皮葡萄在不同預處理（切成兩半和正常狀態）條件下的干燥特性、品質指標及干燥模型。結果表明：在45℃、55℃、60℃、65℃階段升溫和對應相對濕度分別為60%、40%、20%、10%工藝下，半切處理的葡萄干燥產品綜合品質指標最優，其色澤L*值為39.52，α*值7.22，6*值為9.12，復水比0.33，感官評分8.4分，硬度值0.42N，維生素C含量4.4 mg/kg。利用8種常用干燥模型對半切處理的厚皮葡萄干燥過程數據進行擬合比較，發現Page模型最適合描述半切厚皮葡萄干燥的過程。

關鍵詞：熱泵干燥;分段干燥;葡萄;半切;品質;干燥模型

中圖分類號：S375

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（2018）05-1144-09

中國是世界葡萄種植面積最廣和產量最高的國家，葡萄營養價值豐富、酸甜可口，含有人體所需的十多種氨基酸及多種果酸，是世界四大水果之一。中國厚皮葡萄主要有巨峰、夏黑、早黑寶等品種，其中巨峰為主栽品種之一，果實穗大，粒大，果肉軟甜、多汁，皮、肉易分離，產量較其他品種高。目前，市場上葡萄干主要以薄皮品種葡萄干為主，雖然巨峰葡萄干在市場也有銷售，但其價格比前者高且市場占有份額極少，主要是因為巨峰葡萄比其他葡萄品種果實皮厚，干制時間較長，導致成本增加。然而巨峰葡萄產量高卻極易變質，從縮短干燥時間角度出發，研究其干燥方法對其產業的發展具有重要意義。

傳統的葡萄干制方法主要是自然風干和熱風干燥。自然風干費時費力，不利于葡萄的大批量干制生產;熱風干燥雖然可以大批量生產，但能耗高，熱效率均較低（約為30%～ 60%），烘干溫度過高且不易控制，而果蔬干燥工藝往往要求干燥溫度不得超過65℃。熱泵干燥作為一項較新的干燥技術，不僅高效節能，成本相對較低，對環境無污染，可實現干燥介質的溫度、濕度、氣流速度等準確獨立的控制，而且能提高干燥后產品的質量，因此，研究葡萄的熱泵干燥技術具有一定的應用意義。

王強等采用自然晾曬、烘箱干燥和熱風對流3種干燥方法對新鮮無核紫葡萄進行干燥，研究了不同干燥方式和溫度下的干燥特性和動力學模型。康彥等發現P arabolic模型更適合描述無核白葡萄的熱風干燥特性。Thakur等對波爾萊特葡萄進行自然風干，采取3種預處理方式，即正常葡萄、切成兩半、磨損表皮，發現切成兩半的葡萄干燥耗時最短。Doymaz用蘇丹無核小葡萄在烘箱中進行55℃、65℃、75℃的干燥試驗，發現預處理液和溫度是影響干燥速率的重要因素。前人對葡萄干燥的研究大多是在恒溫條件下尋求最適工藝，并沒有進行分段工藝的探索研究。而分段控制干燥過程中的試驗因素，如溫度、濕度等，能加快干燥速度，提高干燥品質，降低能耗。分段干燥技術在荸薺片、金銀花、榴蓮蜜等果蔬干燥中已取得成功應用。因此進行葡萄的分段干燥工藝研究十分必要。

本研究將無核厚皮葡萄進行不同的預處理，即切成兩半和正常狀態，進行分階段變溫變濕干燥工藝的比較試驗，研究不同試驗條件下兩組葡萄的干燥特性和干燥后樣品的品質變化，確定較優的工藝參數，為工廠化葡萄干制提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設備及儀器

熱泵式果蔬烘干機由徐州市海濤制冷設備有限公司生產，型號IAD-060，尺寸5.0 mX 2.3 mX2.5m，循環風溫度范圍15-65℃，精度為+2℃，具有2套電加熱輔助系統，相對濕度控制精度為+3%，循環風流量4000 m3/h。恒溫水浴箱，常州市金壇文華儀器有限公司產品。電子分析天平，精度0.0001g，上海菁海儀器有限公司產品。101-A電熱恒溫鼓風干燥箱，上海錦昱科學儀器有限公司產品。DZ-320D智能真空保鮮機，東莞市益健包裝有限公司產品。JFSD-100粉碎機，上海嘉定糧油儀器有限公司產品。HP-200精密色差儀，上海漢譜光電科技有限公司產品。TMS-PRO食品物性分析儀，北京福德泰和科技有限公司產品。

1.2 試驗材料

試驗葡萄原料為無核厚皮葡萄，品種巨峰，購買于南京市浦口區向陽橋農貿批發市場，平均直徑24.5 mm，置于6～8℃冰箱中冷藏保鮮。采用103oC直接干燥法測定的葡萄含水率為83.7%（濕基）。

1.3 試驗方法

選取大小均勻、成熟度和色澤相近、顆粒飽滿的葡萄，去除雜質和莖柄，清水洗凈，瀝干后進行半切預處理。取一部分葡萄單層均勻地鋪在網狀托盤上，作為正常葡萄進行試驗;另取一部分葡萄進行半切處理，挑選組織完好、無破損的半切葡萄，單層均勻地鋪在網狀托盤上進行試驗。啟動熱泵干燥機，待干燥室溫度、濕度達到設定值時，通過觸屏控制面板設定分階段干燥的溫度、濕度值和相應時間。為保證相對濕度能達到初始預設值，事先在干燥室里放置盛有蒸餾水的托盤。葡萄樣品稱質量后立即放入干燥室，每隔2h測量1次質量，當葡萄的濕基含水率降到15%時，停止試驗。試驗重復3次。

根據前期試驗結果以及參照文獻、，選擇干燥溫度為45℃、55℃和65℃。再根據無核厚皮葡萄初始含水率及葡萄干制品含水率要求，將干燥室內的相對濕度劃分為60%、40%、20%和10%。

在45℃、55℃和65℃的單因素預試驗中，分析各溫度下的干燥特性曲線，發現半切處理葡萄水分比急劇下降區間主要在前6～8h內，其后由于已接近平衡含水率，水分比變化極為緩慢。因此半切處理中選擇在前6h內劃分相對濕度60%、40%、20%的分段區間，6h后為使葡萄盡快干燥，相對濕度設置為最低值10%。正常葡萄表皮較厚，水分蒸發緩慢，水分比持續下降的周期較長，主要分布在前30—35h內，在干燥速率曲線的前14—16h內水分比變化斜率明顯大于其他區間，因此對于正常葡萄選擇在前14h內劃分相對濕度60%、40%、20%的分段區間，其他區間將相對濕度設置成最低值10%。

在固定相對濕度的預試驗中，發現干燥過程中高濕條件下時間不宜持續過長，否則會導致葡萄表皮開裂，影響產品外觀品質。綜合考慮干燥特性曲線和葡萄表皮開裂因素，半切處理的葡萄干燥過程中相對濕度60%設定時長為2h.相對濕度40%設定時長2h，相對濕度10%～40%設置一個時長為2h的相對濕度20%的降濕緩沖區：正常處理的葡萄干燥過程中相對濕度60%設定時長為6h，相對濕度40%設定時長6h，相對濕度10%～40%設置一個時長為2h的相對濕度20%的降濕緩沖區。具體試驗方案見表l。表1中，試驗1、2、3均是使干燥室內溫度保持不變，降低干燥室內的相對濕度。在溫度不變的條件下，增加干燥室內相對濕度，可使干燥介質中的焓值增加，使葡萄快速升溫。因此在干燥前期，選用較大的相對濕度，有利于能耗的降低，但較大的相對濕度會使葡萄內部水分擴散變得緩慢，且物料溫度容易過高，從而影響葡萄干制品的最終品質，所以高濕階段時間不宜設置太長。隨著干燥的進行，逐漸降低干燥室內的相對濕度，使得葡萄與干燥介質間存在濕度梯度，有利于葡萄內部水分蒸發，縮短干燥時間。同時葡萄內部水分逐漸蒸發，可減少葡萄內部營養物質損失。

1.4 干燥參數的計算

無核厚皮葡萄的水分比（Moisture ratio，MR）的計算公式如下：

MR=（Mt-Me）/（Mo-Me）（1）

式中，MR為水分比（%），Mt為葡萄在任意t時刻的干基含水率，Mo為葡萄的初始干基含水率Me為葡萄干燥到平衡時的干基含水率。

干燥速率（Drying rate，DR）的計算公式：

DR=（Mt1-Mt2）/（t2 -tl） （2）

式中，DR為干燥過程中在￡，時刻和￡：時刻之間的干燥速率[g（g·h）]，Mt1和Mt2分別為干燥過程中時間為t1和t2時葡萄的干基含水率。

干基含水率計算公式：

Mt=（Wt-W）/W （3）

式中，Mt為干基含水率，Wt為葡萄在任意t時刻的總質量，w為干物質質量。

1.5 理化指標的測定

1.5.1 色澤用HP-200精密色差儀測量5組干燥后葡萄樣品表面的L*、α*、b*值，每組測量5次。

1.5.2 復水比 取5組真空包裝的干燥葡萄樣品，稱取10 g，放入盛有100 ml 70℃蒸餾水的燒杯中，在恒溫水浴鍋中放置20 min后取出，放在干凈濾紙上，用吸水紙除去表面水分，稱質量，測量5次。計算公式如下：

復水比=（M2-M1）/M1 （4）

式中，M1為復水前葡萄樣品質量，M2為復水后質量。

1.5.3 硬度取5組干燥后葡萄樣品，用TMS-PRO食品物性分析儀測定硬度，重復測定5次。測定參數設定：探頭為P/2針狀探頭，穿透距離15mm，測定前探頭下降速度2.0mm/s，測定中速度0.5mm/s，測定后速度5.0mm/s。以第1次穿透樣品時所需最大力表示硬度，單位為N。

1.5.4 感官指標 參照葡萄干評價標準，對葡萄干口感、氣味、組織形態和色澤4個指標進行評價，滿分10分。

1.5.5 維生素C含量 采用2.6-=氯靛酚滴定法測定葡萄干燥樣品維生素C含量。

1.6 干燥模型的擬合比較

選用8種常用農產品干燥模型（表2），對厚皮葡萄干燥試驗數據進行擬合，通過比較分析確定最適合描述無核厚皮葡萄烘干過程中水分變化的干燥模型方程。

1.7 數據分析

試驗測得的數據主要采用Excel和Matlab軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 溫濕度變化對無核厚皮葡萄干燥速率的影響

半切厚皮葡萄的干燥特性曲線（圖1）顯示，在前6～8 h內水分比急劇下降，干燥至10 h時水分比已接近平衡含水量，之后變化極為緩慢。比較45℃、55℃、65℃3條水分比曲線發現，因濕度變化相同，溫度的升高加快了水分比的變化，顯著縮短整個干燥過程的時間。在變溫變濕條件下干燥時間和水分比變化皆優于45℃、55℃工藝下的參數，但并不優于65℃干燥條件下的參數。

當葡萄干基含水率降到約1.5g/g后，4種工藝的干燥速率均陡然下降，曲線斜率最大（圖1）。可見從干燥中期至干燥結束，干燥速率隨干基含水率變化明顯。當干基含水率從初始值降到1.5g/g，干燥速率下降緩慢。比較4條干燥速率曲線發現，45℃、55℃、65℃3條干燥速率曲線有著共同的特點，即干燥前期干燥速率緩慢下降，后期干燥速率急劇下降。在果蔬干燥前期，由于果蔬本身初始含水率較大而干燥速率高且變化不穩定，即果蔬內部水分向外蒸發擴散速度不斷變化，易使干燥后產品的內部結構不均勻和受到破壞，嚴重影響干制產品的品質。而在變溫變濕工藝下前期干燥過程中干燥速率下降十分緩慢，這對葡萄內部結構的破壞作用較小，因此變溫變濕工藝比其他3種恒溫變濕工藝更具有優勢。

正常無核厚皮葡萄干燥時間要比半切處理的葡萄長數倍（圖2）。在相同溫度條件下，45℃、55℃、65℃變濕干燥及變溫變濕干燥時間分別是半切處理的3.73、4.25、5.60和5.00倍。干燥時間過長的原因，一方面是由于果皮太厚，葡萄內部水分向外擴散阻力大，另一方面是隨著干燥時間推移，葡萄表皮變干變硬，使得水分向外擴散變得更加困難。由此可見，從表皮角度考慮解決無核厚皮葡萄的產品干制問題，是解決市場上一些厚皮葡萄干制品價格高、產量低的根本辦法之一。在正常葡萄干燥試驗中，隨著溫度的升高，水分比下降越明顯。

從總體看，隨著葡萄干基含水率的減少，正常葡萄的4種工藝干燥速率都是以干燥特性曲線斜率增大的趨勢緩慢下降，且干燥速率普遍較低（圖2）。干燥速率低、水分蒸發慢，雖然能使葡萄內部的營養物質損失減少，但增加了干燥時間和能耗，降低了干燥設備的使用壽命。

2.2 干燥工藝對厚皮葡萄干燥產品理化指標的影響

不同干燥工藝條件下無核厚皮葡萄干燥產品的品質指標測定結果（表3）表明，正常葡萄干燥樣品的感官評分隨干燥溫度的升高而降低，這是因為隨著溫度的增加，葡萄表面褐變逐漸明顯，表皮硬化現象逐漸嚴重，使干燥產品的口感和組織形態變差：變溫變濕工藝下葡萄干燥樣品感官評分最高，這是因為在前期采用較短時間的低溫高濕條件，增加干燥介質的焓值，再逐漸升高溫度，降低濕度，這樣有利于葡萄內水分的快速蒸發，減少了葡萄干物質損失和內部結構的破壞，因此口感、氣味和組織形態等品質指標較高。正常厚皮葡萄干燥樣品的L*值在45℃變濕、55℃變濕、65℃變濕3種工藝下變化不大，可見溫度的升高對厚皮葡萄干燥產品的L*值影響較小，變溫變濕工藝下的L*值優于其他3種工藝;45℃變濕工藝下α*值較理想，變溫變濕工藝次之;4種工藝的b*值接近。干燥溫度越高，Vc損失越大。變溫變濕工藝下Vc含量僅次于45℃變濕工藝下Vc含量，這是因為Vc穩定性差，在高溫環境中易降解。正常葡萄干燥樣品的復水比都非常小，這可能是因為干燥時間過長，使得葡萄內部組織結構發生了不可逆的破壞，在4種工藝中變溫變濕和65℃變濕較優。硬度值隨著溫度的增加而增大，變溫變濕工藝下硬度值較小，優于其他3種工藝。綜合考慮各種品質指標參數，4種工藝干燥的正常厚皮葡萄中，變溫變濕工藝干燥的樣品品質最好。

半切處理的葡萄干燥樣品感官評分同樣隨溫度的升高而降低，變溫變濕工藝的干燥樣品感官評分最高。L*值在45℃變濕、55℃變濕、65℃變濕3種工藝下差異不明顯，變溫變濕工藝下L*值優于其他3種工藝。α*值除65℃變濕工藝下略高外，其他3種工藝下數值都很接近。4種工藝的b*值皆為負值，且數值相近，說明半切處理的葡萄干燥后產品略偏藍色。4種工藝干燥樣品的復水比差異較小，其中變溫變濕和45℃變濕工藝的復水比略優。半切葡萄干燥樣品的硬度同樣隨著溫度的升高而變大，45℃變濕和變溫變濕工藝下硬度值較小。45℃變濕工藝下Vc含量最高，變溫變濕工藝干燥樣品的Vc含量次之。綜合考慮各種品質指標參數，變溫變濕工藝得到的半切厚皮葡萄干燥樣品品質最好。

在變溫變濕工藝條件下，半切葡萄干燥樣品的感官評分高于正常葡萄干燥樣品，復水比半切處理組葡萄干燥樣品遠高于正常組，硬度、Vc含量及色澤L*、α*、b*值皆是半切處理組干燥樣品較優。由此可見，將無核厚皮葡萄切半后再進行干燥，不僅能提高產品的綜合品質指標，縮短干燥時間，降低生產成本，同時還可以解決厚皮葡萄的長期貯存問題。

2.3 無核厚皮葡萄干燥模型的確定與驗證

厚皮葡萄半切干燥樣品的干燥參數和綜合品質指標優于正常組，因此這里僅對半切試驗組按照表2的干燥模型進行擬合。通過比較分析各模型擬合方程的決定系數（R2）、殘差平方和（SSE）及均方根誤差（RMSE）值，確定最適合半切厚皮葡萄干燥過程的數學模型（表4）。R2值越大、殘差平方和（SSE）及均方根誤差（RMSE）值越小，則干燥模型越優。對各個溫濕度試驗條件下的8個干燥模型（表4）進行比較分析，發現在4組試驗條件下，Page模型R2最大、SSE和RMSE最小，說明Page模型擬合度優于其他7個干燥模型，更適合于描述半切厚皮葡萄在熱泵干燥過程中的水分變化規律，其R2范圍為0.9711-0.989 0，SSE范圍為0.01009～ 0.010 97，RMSE范圍為0.010 63～0.01998，這表明半切厚皮葡萄的干燥特性與Page模型最符合，與Doymaz的研究結果一致。

為驗證所選干燥模型的準確性，選取模型擬合外的試驗數據與模型預測值進行比較。選擇55℃變濕、65℃變濕和變溫變濕3組工藝進行半切葡萄干燥試驗，測量30 min、60 min、90 min、150 min時樣品的水分比（MR），與模型預測值對比驗證。結果（表5）表明，模型預測值和試驗值幾乎一致。在所選驗證試驗中，55℃變濕工藝的試驗值和模型預測值最大相對誤差為4.29%，65℃變濕工藝的試驗值和模型預測值最大相對誤差為4.28%，變溫變濕工藝的試驗值和模型預測值最大相對誤差為3.04%。說明試驗值和模型預測值有較高的擬合度，Page模型能準確地描述半切厚皮葡萄的干燥規律。

3 結論

分析比較半切無核厚皮葡萄和正常無核厚皮葡萄的干燥特性曲線，發現在同樣溫濕度干燥工藝條件下，半切組比正常組節省數倍干燥時間。因此，從表皮處理角度考慮無核厚皮葡萄的產品干制問題，可解決市場上一些厚皮品種葡萄干制品價格高、生產量低的問題。

對無核厚皮葡萄半切組和正常組的干燥產品品質指標進行比較分析，結果表明各組葡萄干燥樣品在變溫變濕工藝條件下的綜合品質指標最好，且半切厚皮葡萄干燥樣品的品質優于正常厚皮葡萄干燥樣品的品質，其色澤L*值為35.32，α*值7.22，b*值為6.12，復水比0.33，感官評分8.4分，硬度值0.42 N，維生素C含量4.4 mg/kg。因此，在厚皮葡萄的干燥生產中，若采用切半處理，可得到品質更優的產品，同時能耗更低，干燥時間更短。

通過分析8種干燥模型的R2、SSE和RMSE值，發現Page模型最符合半切厚皮葡萄的干燥特性，可較準確地預測無核厚皮葡萄干燥生產中含水率的變化，為干燥過程的優化和控制提供理論依據。