歐姆加熱預(yù)處理對蘋果切片熱風(fēng)干燥特性的影響

楊興勝,丁辛亭,李星恕

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

0 引言

果蔬干燥脫水有利于阻礙微生物增長繁殖,抑制組織內(nèi)所含的酶的活性,推遲和減少以水為媒介的腐爛變質(zhì),從而提高產(chǎn)品的保存時間,且便于運輸和攜帶。熱風(fēng)干燥是一種高能量的果蔬干燥手段,減少干燥所需時間不僅可以提高效率、降低加工成本,還可以改善高溫對果蔬營養(yǎng)價值的損害[1]。

歐姆加熱利用食品本身所具有的電不良傳導(dǎo)性所產(chǎn)生的電阻來加熱食品,使食品不分液體、固體均可受熱一致[2]。歐姆加熱過程中,電場可以改變細(xì)胞膜的通透性,甚至破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),通透性的改變可以是可逆的,也可以不可逆,取決于外加電場強度、脈沖寬度和處理時間等[3]。歐姆加熱必定伴隨著果蔬溫度的升高,果蔬組織內(nèi)約90%的水分都在細(xì)胞內(nèi),提高溫度可以有效地破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),使得細(xì)胞內(nèi)液運輸至細(xì)胞間,改變了干燥過程中果蔬內(nèi)部水分的遷移方式[4-5]。因此,對果蔬進行歐姆加熱預(yù)處理提高細(xì)胞膜通透性,與滲透脫水、熱風(fēng)干燥、真空干燥等干燥技術(shù)結(jié)合,可以加快干燥速度[6-8]。

本文對蘋果試樣進行歐姆加熱預(yù)處理后熱風(fēng)干燥,研究歐姆加熱預(yù)處理的電場強度和溫度對蘋果干燥特性的影響,并進行干燥動力學(xué)分析。

1 材料與方法

1.1 蘋果試樣的制備

試樣材料為新鮮成熟、無損傷、大小相近的陜西楊凌紅富士蘋果。將蘋果清洗干凈后擦干放置在實驗室平衡12h,使溫度恢復(fù)為室溫20℃;然后,除去蘋果花萼、果皮和果核,將蘋果切成15mm×20mm×20mm的長方體試樣,并立即進行歐姆預(yù)處理試驗。

1.2 試樣系統(tǒng)與方法

歐姆加熱預(yù)處理系統(tǒng)由5kVA變頻電源(OYHS-9805P,深圳市歐陽華電源有限公司)、溫度采集系統(tǒng)和電腦組成。熱風(fēng)干燥裝置為熱泵干燥機(WRH-100TB1,廣東威而信實業(yè)有限公司),如圖1所示。將制備好的長方形蘋果試樣放入歐姆加熱裝置,裝置由上、下距離約20mm的平行導(dǎo)電極板構(gòu)成,使蘋果試樣表面與兩電極板充分接觸,在試樣中心插入熱電偶,并連接溫度采集系統(tǒng)(自行研發(fā))測量其內(nèi)部實時溫度。探究電場強度對蘋果干燥影響試驗時,調(diào)節(jié)變頻電源電場強度為60、80、100V/cm,頻率為50Hz,歐姆加熱至試樣溫度到50℃停止;探究溫度對蘋果干燥影響試驗時,調(diào)節(jié)變頻電源至電場強度為80V/cm,頻率為50Hz,分別處理試樣至40、50、60℃。將歐姆加熱預(yù)處理的蘋果試樣切片,厚度為3mm,放入提前預(yù)熱為50℃、20%相對濕度的熱泵干燥機內(nèi)的懸空網(wǎng)狀托盤內(nèi),調(diào)節(jié)干燥機為恒溫恒濕工作模式,每10min迅速取出測量試樣質(zhì)量并記錄,直到每次測量質(zhì)量差小于0.01g,認(rèn)為達(dá)到此干燥條件下的平衡質(zhì)量Me,停止干燥,每組試驗做3次。

1.變頻電源 2.歐姆加熱裝置 3.溫度采集系統(tǒng) 4.PC 5.干燥機

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 水分比的計算

水分比可由下式計算[9],即

(1)

式中M0—蘋果的初始水分比(g/g);

Mt—t時刻蘋果的水分比(g/g);

Me—干燥平衡時蘋果的水分比(g/g)。

1.3.2 有效水分?jǐn)U散系數(shù)的計算

有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff-t的關(guān)系為[10-12]

(2)

在不同干燥條件下,擬合InMR-t的關(guān)系為y=kx+b,根據(jù)直線斜率k就可以計算蘋果組織有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff。

1.3.3 干燥速率常數(shù)的計算

果蔬干燥是一個復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程,為了更好地描述果蔬干燥過程中含水率隨時間的變化關(guān)系,中外學(xué)者通過對大量農(nóng)產(chǎn)品的試驗探究,總結(jié)出很多經(jīng)驗、半經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型來描述這一過程,如指數(shù)模型、單項擴散模型和Page方程模型等[10]。為了便于比較不同歐姆預(yù)處理條件下蘋果熱風(fēng)干燥速率,選用較為簡單的指數(shù)模型來描述蘋果試樣干燥過程中水分比隨時間的變化[13],即

MR=exp*(Kt)

(3)

式中K—干燥速率常數(shù)(min-1)。

1.3.4 干燥速率的計算

干燥速率DR的計算公式為[14]

(4)

式中MRt1—第i個測量點的水分比(%);

MRt2—第i+1個測量點的水分比(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 電場強度對蘋果干燥速率的影響

為了探究歐姆加熱預(yù)處理過程中電場強度對蘋果干燥速率的影響,在加熱溫度50℃、頻率為50Hz條件下,得到不同電場強度預(yù)處理條件下蘋果試樣水分比隨時間變化的曲線,如圖2所示。

圖2 不同電場強度條件下水分比隨時間變化

由圖2可以看出:電場強度越大,干燥過程中蘋果試樣失水速率越快。這是因為歐姆加熱預(yù)處理導(dǎo)致細(xì)胞膜的通透性提高[15],細(xì)胞內(nèi)的水分更容易透過細(xì)胞膜向外擴散,不同電場強度對細(xì)胞膜通透性影響程度不一樣,從而導(dǎo)致干燥速率不同[3]

不同電場強度條件下干燥速率隨時間變化的曲線如圖3所示。

圖3 不同電場強度條件下干燥速率隨時間變化

由圖3可以看出:在干燥前40min,電場強度越大,干燥速率越快;但干燥約80min以后,電場強度越小,干燥速率越快。其中,未處理的對照組試驗干燥速率最快,這是因為未經(jīng)歐姆加熱預(yù)處理的蘋果細(xì)胞膜通透性較低,在干燥最后階段其內(nèi)部含水量高于經(jīng)歐姆加熱處理過的試樣,因此在最后階段失水較快。

2.2 加熱溫度對蘋果干燥速率的影響

為了探究歐姆加熱預(yù)處理過程中溫度對蘋果干燥速率的影響,在電場強度為80V/cm、頻率為50Hz條件下,得到不同溫度的預(yù)處理條件下蘋果試樣水分比隨時間變化的曲線,如圖4所示。

圖4 不同處理溫度條件下水分比隨時間變化

由圖4可以看出:歐姆加熱預(yù)處理溫度越高,蘋果試樣失水速率越快。這是由于隨著溫度升高,細(xì)胞膜通透性變大,蘋果試樣內(nèi)自由水的含量增加導(dǎo)致[16]。同時,還可以看出:在60℃時,干燥速率相較于40℃和50℃顯著提升,可能是因為60℃蘋果細(xì)胞急劇破裂所致[10]。

不同加熱溫度條件下干燥速率隨時間變化的曲線如圖5所示。

圖5 不同處理溫度條件下干燥速率隨時間變化

由圖5可以看出:干燥前50min,加熱溫度越高,干燥速率越快;但90min以后,加熱溫度越低反而干燥速率越快。這一現(xiàn)象原因與電場處理類似,加熱溫度改變了細(xì)胞膜通透性,但到了干燥最后階段,歐姆加熱未處理過的蘋果試樣含水量高于處理過的蘋果試樣。

2.3 不同歐姆加熱處理條件對蘋果干燥速率常數(shù)的影響

為了描述歐姆加熱預(yù)處理對蘋果干燥速率的影響,計算了不同歐姆加熱電場強度下蘋果的干燥速率常數(shù),如表1所示。由表1可以看出:在加熱溫度為50℃時,電場強度越大,干燥速率常數(shù)也越大(60V/cm時,K=0.018 34;100V/cm時,K=0.021 71),蘋果整體干燥速率越快。在電場強度為80V/cm時,不同歐姆加熱溫度下蘋果的干燥速率常數(shù),如表2所示。加熱溫度越高,干燥速率常數(shù)也越大(40℃時,K=0.018 45;60℃時,K=0.021 91),表明加熱溫度越高,蘋果整體干燥速率越快。相比于對照組的干燥速率常數(shù)K=0.017 26,可以發(fā)現(xiàn):歐姆加熱的溫度和電場強度都可以提高蘋果干燥速率。

表1 不同歐姆加熱電場強度條件下蘋果干燥速率常數(shù)Table 1 Drying rate constants of apples under different ohmic heating pretreatment conditions

表2 不同歐姆加熱溫度條件下蘋果干燥速率常數(shù)

2.4 不同歐姆加熱處理條件對蘋果干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響

In(MR)歐姆加熱電場預(yù)處理通過改變蘋果試樣的組織結(jié)構(gòu)和水分特性相關(guān)參數(shù),進而提高蘋果試樣的干燥速率。為了研究歐姆加熱對蘋果組織水分遷移能力的影響,計算蘋果有效水分?jǐn)U散系數(shù),首先需要擬合不同歐姆加熱條件下InMR-t的關(guān)系,如圖6所示。由圖6可以看出,In(MR)與時間t基本呈線性關(guān)系。

圖6 不同歐姆加熱條件下In(MR)-t的變化

通過線性回歸計算擬合得到不同歐姆加熱處理電場強度和溫度條件下蘋果組織有效水分?jǐn)U散系數(shù),如表3和表4所示。由表3、表4可以看出:在熱風(fēng)干燥條件下(50℃、20%RH),蘋果的有效水分?jǐn)U散系數(shù)范圍為2.336×10-10～3.348×10-10m2/s,一般食物干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)介于10-9～10-11m2/s之間[17-18];隨著歐姆預(yù)處理過程中電場強度和溫度的提高,蘋果試樣熱風(fēng)干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)逐漸變大,表明歐姆加熱預(yù)處理時加大電場和溫度,有助于干燥過程中蘋果試樣內(nèi)水分的遷移能力的提升。這是由于歐姆加熱電場處理改變了細(xì)胞膜的通透性,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的水分更容易流出細(xì)胞并在組織內(nèi)部遷移。

表3 不同歐姆加熱預(yù)處理電場強度下蘋果組織有效水分?jǐn)U散系數(shù)

表4 不同歐姆加熱溫度條件下蘋果組織有效水分?jǐn)U散系數(shù)

3 結(jié)論

1)歐姆加熱預(yù)處理溫度越高,電場強度越大,蘋果切片的熱風(fēng)干燥速率越大,干燥速率常數(shù)為0.017 26～0.021 91。

2)歐姆加熱預(yù)處理溫度越高,電場強度越大,蘋果有效水分?jǐn)U散系數(shù)為2.336×10-10～3.348×10-10m2/s。