切片厚度對檸檬片熱風干燥特性及相關品質的影響研究

葛 帥，徐海山，丁勝華，王蓉蓉

（1.湖南農業大學 食品科技學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省農業科學院 農產品加工研究所，湖南 長沙 410125）

檸檬（Citrus limon） 屬蕓香科柑橘屬常綠小喬木[1]，富含果膠、有機酸、酚類物質、維生素，以及Ca，Mg，Fe，P，Zn等多種微量元素，具有殺菌、美容、潤喉、提神、降低膽固醇、預防壞血病和心腦血管動脈硬化等多種功效[2-4]。新鮮檸檬味極酸，一般不生食，且由于含水量較高（約為85%） 不耐貯藏，通常將其加工成飲料或干制品以延長貨架期[5]。其中，檸檬片由于其食用方便、輕便易攜帶、價格實惠等特點，已越來越受消費者的喜愛。目前，國內外關于檸檬片干燥的研究主要集中在熱風干燥[6]、遠紅外干燥[7]、真空冷凍干燥[8-9]等方面，研究內容大多是圍繞干燥工藝的優化及干燥模型的建立。然而，切片厚度作為影響檸檬片干燥的重要因素之一[1，10]，關于其對干燥特性及相關品質影響的研究仍然較少。因此，試驗以新鮮檸檬為原料，研究切片厚度對檸檬片熱風干燥特性及相關品質的影響，包括干基含水量、水分比、干燥速率、水分有效擴散系數、復水比、收縮比等，以確定適合檸檬片熱風干燥的最佳切片厚度，為檸檬片熱風干燥的商業化和規?；l展提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 主要材料

新鮮的尤力克黃檸檬（產地四川），購于湖南農業大學東之源超市，要求挑選成熟度一致、大小均一、無機械損傷和病蟲害的果實，并置于4℃下備用。

1.2 主要儀器與設備

DHZ-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司產品；CF16RXII型高速冷凍離心機，日本日立公司產品；W201D型恒溫水浴鍋，上海申順生物科技有限公司產品；AUY-220型電子分析天平，日本島津公司產品。

1.3 工藝流程

挑選分級→清洗→風干→切片（2，3，4 mm） →熱風干燥（60℃）→稱質量（含水量低至10%）→指標測定。

1.4 測定方法

1.4.1 初始含水率測定

采用GB 5009.3—2010測定檸檬片的水分。

1.4.2 干基含水量計算

式中：Mi——i時刻干燥檸檬片的質量，g；

M0——檸檬片初始鮮質量，g；

0.13 ——檸檬的干物質含量。

1.4.3 干燥速率計算

式中：mt——物料在t時刻的質量，g；

mt-i——物料在t-i時刻的質量，g。

1.4.4 水分比計算

式中：Wt——t時刻物料含水率（干基），%；

W0——物料初始含水率（干基），%；

Me——物料干燥平衡含水率（干基），%。

由于檸檬的平衡含水率較小，此處水分比采用簡化的水分比[11-12]，即

1.4.5 水分有效擴散系數計算

式中：L——檸檬片厚度，mm；

ln MR——時間t的函數。

有效擴散系數Deff的大小取決于ln MR對時間t作圖所得的斜率得斜率可算出有效擴散系數Deff。

1.4.6 復水比測定

參考徐海山等人[13]的方法分別在室溫和75℃下進行測定，計算公式如下：

式中：me——復水后質量，g；

m0——復水前質量，g；

Xr——復水比。

1.4.7 收縮比的計算

式中：m0——裝載某一刻度正己烷與量筒的質量，g；

m1——將物料放入量筒后用正己烷補充到同一刻度的總質量，g；

m物——待測物的質量，g。

在測定前先按照上述公式對不同厚度的鮮樣進行測定，干燥試驗后再對干樣進行測定，收縮比即為V干樣/V鮮樣。

1.5 數據分析

運用Origin 8.0軟件處理數據、作圖并分析各處理的差異顯著性；每個處理重復3次，數據結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 切片厚度對檸檬片熱風干燥特性的影響

2.1.1 干基含水量和水分比

切片厚度對檸檬片干基含水量 （a） 和水分比（b） 的影響見圖1。

圖1 切片厚度對檸檬片干基含水量（a） 和水分比（b） 的影響

圖1 （a） 反映了切片厚度對檸檬片干基含水量的影響。不同切片厚度的檸檬片干基含水量變化趨勢相同，都隨干燥時間的增加而逐漸降低。干基含水量在干燥前期下降最快，隨后下降緩慢直至不變，這與Akpinar E等人[14]的研究結果相似。這是由于干燥前期失去的主要是自由水，切片表面水分受熱后迅速蒸發，且由于切片表面水分不斷被空氣帶走，導致檸檬片表面空氣和熱風之間形成濕度差，同時檸檬片內部與表面也會形成濕度差，所以內部水分不斷向外部擴散，干基含水量下降迅速[15]。而在干燥后期以失去結合水為主，且由于檸檬片發生收縮，結構破壞，導致水分難以向外擴散，干基含水量下降緩慢[16]。切片厚度是影響檸檬片干燥過程中干基含水量變化的重要因素，切片厚度越大，檸檬片內部傳熱傳質阻力越大[1]，所需的干燥時間越長。其中，相比于其他處理組的檸檬片，當切片厚度為2 mm時，其所需的干燥時間最短，達到干燥終點的時間僅需要190 min，而4 mm檸檬片熱風干燥需要的時間約為720 min，二者相差3倍左右。這主要是由于切片厚度的增大導致傳熱阻力增加，使傳熱速率降低，干燥所需時間增加，這與黃艷斌等人[1]的研究結果一致。

圖1（b） 反映的是切片厚度對檸檬片水分比的影響。如圖所示，各處理組水分比的變化趨勢相同，即隨干燥時間的增加水分比逐漸降低。同干基含水量的變化一致，在干燥前期，檸檬片水分比下降的速率最快，隨后下降緩慢趨于平緩。相比于其他處理組，切片厚度為2 mm的檸檬片水分比降低到終點所需的時間最短，隨著切片厚度的增加，水分比降低所需的時間逐漸增加，這主要是由于物料厚度引起水分遷移距離發生變化，從而導致單位體積有效干燥面積發生改變[17]。因此，檸檬片干燥特性受切片厚度的影響較大，厚度越薄，干燥曲線越陡，所需的干燥時間越短[6]。

2.1.2 干燥速率

切片厚度對檸檬片干燥速率的影響見圖2。

圖2 切片厚度對檸檬片干燥速率的影響

檸檬片干燥過程是一個降速階段，干燥過程中隨著干基含水量的降低，干燥速率也逐漸下降。王蓉蓉等人[6]和黃艷斌等人[1]也得出相同的規律，干燥過程分為恒速階段和降速階段，恒速階段時間短，降速階段時間長，整個干燥過程表現為隨著干基含水量減少，干燥速率逐漸下降的降速過程。切片厚度是影響檸檬片干燥速率的重要因素，切片厚度越薄，比表面積越大，水分蒸發得越快，干燥速率越快。另外，水分遷移距離越小，與干燥介質的相對接觸面積也越大，干燥速率越快，達到干燥終點所需的時間最短[18-19]。

2.1.3 有效擴散系數

切片厚度對檸檬片水分有效擴散系數的影響見圖3，切片厚度對檸檬片水分有效擴散系數的影響見表1。

圖3 切片厚度對檸檬片水分有效擴散系數的影響

表1 切片厚度對檸檬片水分有效擴散系數的影響

有效擴散系數反映了物料在干燥條件下的脫水能力[20]，切片厚度對檸檬片水分有效擴散系數的影響如表1所示。從表1中可看出，切片厚度是影響水分有效擴散系數變化的主要因素，當切片厚度為2 mm時，檸檬片水分有效擴散系數為1.527 78×10-9，高于其他處理組。且隨著厚度的增大，有效擴散系數呈減小的趨勢，3 mm和4 mm檸檬片有效擴散系數間差別不大。然而，關于切片厚度對果蔬有效擴散系數的影響在相關研究中得到了相反的結果，張賽等人[17]研究表明，香蕉切片厚度越大其有效擴散系數越高。產生這種結果的原因主要是由于干燥過程中果蔬表面發生硬化，水分傳輸阻力加大，導致切片厚度較薄的物料有效擴散系數較小。分析二者的差別表現切片厚度是造成差異的主要原因，在上述香蕉切片干燥試驗中，選取的切片厚度范圍分別為7.5～12.0 mm和1～2 cm，厚度相對較大，所以干燥過程中表面硬化的作用較為明顯。然而，綜合考慮檸檬片干燥特性及相關品質，試驗選取的切片厚度為2～4 mm，要明顯小于香蕉的切片厚度，所以表面硬化的影響相對較小。由此也可以看出，物料特性對于果蔬切片厚度的選擇具有重要影響，從而進一步影響干燥中的水分有效擴散系數。

2.2 切片厚度對檸檬片相關品質的影響

2.2.1 復水比

切片厚度對檸檬片復水比的影響見圖4，干制檸檬片在室溫和75℃下復水后效果見圖5。

圖4 切片厚度對檸檬片復水比的影響

圖5 干制檸檬片在室溫和75℃下復水后效果

復水比是衡量干制品品質的重要指標，反映了干制品恢復新鮮狀態的程度[13]。從圖4中可看出，不同溫度下各處理組的復水比變化趨勢一致，都隨復水時間的延長逐漸增加，且在復水前期復水比上升較快，隨著復水時間的延長，復水比上升減慢直至平緩。同室溫下相比，在75℃條件下檸檬片的復水時間明顯縮短，大約都在70 min內達到最大值，而室溫條件下各處理組達到復水比最大值所需的時間約為160 min。此外，切片厚度對于干制檸檬片復水比具有重要影響，切片厚度越小，復水效果越好。這是由于切片越薄，比面積越大，復水過程中切片表面與水接觸更充分，吸水效率提高，從而復水比升高[21]。當切片厚度為3 mm時，所需的復水時間較短，室溫和75℃復水條件下所需時間分別約為85 min和55 min，且通過圖5可看出，其能較好地保持檸檬片的完整性與色澤。因此，綜合復水時間和復水效果來看，切片厚度為3 mm在維持較高復水比的情況下也能較好地保持檸檬片的品質。

2.2.2 收縮比

切片厚度對檸檬片收縮比的影響見圖6。

圖6 切片厚度對檸檬片收縮比的影響

收縮比反映了檸檬片干制后的形態，干燥后物料形態的保留是衡量產品品質的重要指標，干燥前后體積變化越小，即收縮比越大，干制品品質越好[22]。從圖6可看出，隨切片厚度的增加，檸檬片的收縮比逐漸增加。尤其對于4 mm厚度的檸檬片，其收縮比可達到約0.26，顯著高于其他處理組。這主要是由于切片厚度越大，結構越穩定，干燥過程中組織結構破壞程度越小，導致干燥前后體積變化越小。對于厚度為2 mm的檸檬片，組織結構更為松軟，在干燥時結構極易發生形變，內孔容積收縮，幾乎全用來彌補組織間隙間水分的喪失[23]。因此，綜合干燥特性及收縮比的變化，切片厚度為3 mm時對檸檬片品質的保持效果最好。

3 結論

以新鮮檸檬為原料，探討不同切片厚度（2，3，4 mm）對檸檬片干燥特性及相關品質的影響，旨在確定檸檬片熱風干燥的最佳厚度，為干制檸檬片的加工提供理論基礎。結果表明，切片厚度是影響檸檬片干燥特性及相關品質的重要因素，隨切片厚度的增加，干燥速率降低，干燥時間延長，水分有效擴散系數減小。同其他處理組相比，切片厚度為3 mm時檸檬片在室溫和高溫（75℃）條件下的復水比都較高，復水時間較短，且復水后效果較好，同時組織結構變化較小、收縮比較高，能更好地保持干制檸檬片的品質。因此，綜合檸檬片干燥特性及相關品質，切片厚度為3 mm是適合檸檬片熱風干燥的最佳厚度。