胡蘿卜薄片紅外干燥光學特性研究

劉玉輝 李騰訓 王相友 魏忠彩

(山東理工大學農業工程與食品科學學院， 淄博 255049)

0 引言

紅外輻射加熱具有能量利用率高、干燥速率快、加熱均勻、熱慣性小等優點[1]，在果蔬干燥領域應用越來越廣泛[2]。目前，利用紅外輻射對果蔬干燥的研究主要集中在提升干燥效率、降低能耗和提高干制品品質等方面[3-15]，這些研究主要從宏觀上探索如何利用紅外光能優化果蔬干制品的品質和提高對紅外輻射能的利用率，而對紅外線與果蔬組織之間光學作用機理的研究較少，沒有從微觀上對紅外線在物料中的反射、散射和吸收特征進行深入細致的分析，故無法從根本上揭示紅外輻射干燥的內在機理。

紅外輻射干燥是紅外輻射能最終轉化為物料的內能、并在物料內部進行傳遞與耗散的過程[16]。果蔬結構復雜，所含物質種類繁雜多樣，很難通過構建數學模型的方式對紅外線在果蔬中的傳遞特性進行準確的描述，對光與物料進行的干涉與衍射、偏振與色散等作用機理和作用效果也很難進行精準測量。本文基于紅外線對果蔬的微觀作用機理，研究分析紅外輻射能轉化為果蔬內能的機制。

胡蘿卜含水率高、所含成分復雜，對不同波長的光具有不同的折光率，且其中所含種類繁多的原子以及復雜多變的化學鍵，對不同波段紅外線的吸收以及紅外線在物料中傳輸過程的阻尼狀態，都具有復雜的形式[17]。本文選用胡蘿卜為研究對象，通過測量與分析胡蘿卜干燥過程中的外觀品質、質構特征、光譜特性、超微結構、能耗、可溶性固形物含量以及含水率的變化規律，分析各指標與紅外線之間的作用特性和關聯性，從而探索紅外線在物料中的傳播規律和光學機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

紅森胡蘿卜，購自山東省淄博市農貿市場，新鮮，品質優良。

YHG-500-BS型遠紅外恒溫干燥箱，上海躍進醫療器械廠；DHG-0246A型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗儀器設備有限公司；TP-114型電子天平(量程220 g，精度0.1 mg)，丹佛儀器北京有限公司；物料盤若干；樣品厚度可調節刀具；鑷子；手套；打孔器；與試驗樣品直徑一致的模具；Quanta250型掃描電子顯微鏡，FEI香港有限公司；JEOL-1200EX型透射電子顯微鏡，日本JEOL公司；LKB-V型切片機，瑞典LKB公司；FW100型高速萬能粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司；TGL-20M型高速冷凍離心機，湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司；TA.XT2i/50型質構儀，英國Stable Micro System公司；Labspec 4型全光譜儀(光譜范圍350～2 500 nm；400～1 000 nm，分辨率3 nm；1 000～2 500 nm，分辨率6 nm；IRIS-L50型鹵素燈(50 W石英鹵素燈，可調光，光源可變高及角度)；計算機等部件)，美國ASD公司。

1.2 試驗設計與方法

1.2.1濕基含水率

胡蘿卜薄片的切割、紅外干燥和濕基含水率測定方法均參照文獻[18]。

1.2.2全光譜成像數據的采集與標定

開機，預熱30 min，打開R3軟件，確認聯網；打開“Control”菜單的“Spectrum Save”選項，設置參數；打開“Control”菜單的“Adjust Configuration”選項，設置參數；將光譜儀探頭對準白板，點擊“OPT”圖標優化光譜儀的積分時間，點擊“WR”圖標，儀器會自動重新采集暗電流，幾秒鐘之后界面上顯示一條反射率為1的平直線，按空格鍵存儲當前的光譜曲線。把光譜儀光纖探頭瞄準胡蘿卜樣品的數據采集部位，此時界面上顯示的就是被采集部位相對反射率光譜線，按空格鍵存儲當前的光譜曲線。

1.2.3超微結構觀察與測定

胡蘿卜的微觀結構觀察與測定參照文獻[19]。

1.2.4可溶性固形物含量測定

取2.5 g胡蘿卜切碎加入5 mL離心管中，放入冷凍研磨機以2 000 r/min研磨10 min(12個樣可以同時磨)，將鋼珠取出，倒入3 mL離心管，用石英砂配平，以8 000 r/min離心5 min，用吸管吸取上層懸浮液滴于手持折光儀鏡片上，用手持折光儀讀數并記錄。

1.2.5質構測定

取干燥時間1.5 h無翻動的橫切樣品，用直徑10 mm的打孔器在胡蘿卜的髓部和皮層部打孔，形成圓柱體小丁，采用TA.XT2i/50型質構儀，HDP/BSK型探頭，設置探頭測試前、測試中、測試后的速度分別為2.0、1.0、1.0 mm/s，記錄測試過程中的時間-應力曲線。對樣品進行全質構分析，觸發力5 kg，每組試樣重復測定5次。胡蘿卜的硬度用第1次壓縮變形30%的峰值力(N)表示[20]。

1.2.6干燥能耗

將胡蘿卜橫向切成厚度3.5 mm的薄片，取樣550 g，用紅外輻射加熱系統(物料表面溫度分別為50、55、60、65、70、75、80、85℃，輻照距離30 cm，功率1 200 W)對物料進行干燥。每隔30 min(含水率降至20%后，每隔15 min)取樣一次并稱量，再將所取樣品置于105℃熱風恒溫箱內，干燥至濕基含水率降至8.7%時，停止試驗。每個試驗重復3次。

胡蘿卜單位能耗表征每蒸發胡蘿卜內單位質量的水分需要消耗的電能[21]，計算公式為

(1)

式中N——干燥能耗，MJ/kg

W——額定輸入功率，kW

t——干燥時間，h

G——去除水分的質量，kg

2 結果與分析

2.1 干制品的外觀品質

圖1為在干燥溫度60℃條件下物料在試驗過程中的外觀品質。

由圖1a可以看出，在干燥過程中，每隔0.5 h對物料翻動1次，干物料平整、舒展，皺縮度低，未經翻動的樣品髓部向上突出，皮層部向下突出。由圖1b可以看出，熱風干燥的物料褐變不明顯，紅外干燥的物料褐變度較高，且髓部的褐變度高于皮層部。由圖1c可以看出，干物料的褐色在復水后褪去，說明褐變產物溶于水。由圖1d可以看出，干燥過程中，物料髓部逐漸向上突出，皮層部逐漸向下凹陷，說明在同一時間點上，髓部下表面含水率下降快，收縮應力高于上表面，皮層部恰好相反，上表面含水率下降快，收縮應力高于下表面，在兩表面不均衡應力的作用下，薄片發生扭曲變形。干燥時間為4 h時，出現明顯褐變現象，測定此時物料的濕基含水率約為20%，具有典型的美拉德反應特征[22]。

2.2 干燥過程中物料的質構特征

取干燥時間1.5 h無翻動的物料，對髓部和皮層部分別做3組重復的全質構分析(TPA)試驗，得表1所示數據。在TPA各項指標中，與含水率相關的硬度指標存在顯著性差異。由于新鮮果蔬中含水率越高，硬度越大[8]，因此，在干燥時間為1.5 h時，髓部上表面的含水率高于下表面，皮層部下表面的含水率高于上表面。

表1 紅外干燥1.5 h時胡蘿卜樣品的TPA指標Tab.1 TPA index of carrot sample after infrared drying for 1.5 h

2.3 光譜特征

對樣品進行全光譜數據采集，得到圖2所示的反射率圖譜。

由圖2a可知，在含水率相同的條件下，髓部對任意波段光的反射率都低于皮層部，說明髓部和皮層部表面結構的差異對光反射率的影響比較明顯；在相同部位，含水率越高，物料表面對任意波段光的反射率越低；物料對600～1 200 nm波段比對1 800～2 500 nm波段光的反射率高，說明短波光與長波光在物料表面的作用機理存在差異。由圖2b可以看出，無論是髓部還是皮層部，橫切樣品在相同區域對光的反射率都高于縱切樣品；無論是采用橫切方式還是縱切方式，髓部對光的反射率都低于皮層部。

研究資料表明：水對980 nm波長光譜的吸收能力較其它物質敏感，對1 100、1 380、1 870 nm波長附近紅外線有更高的吸收率系數[23]。從圖2的反射率譜線可以看出，物料在950、1 200、1 400、1 800 nm附近的近紅外波段存在吸收峰，這幾個吸收峰的位置與水的吸收特征譜線具有較高的吻合度，因此可以認為胡蘿卜內部成分對紅外輻射吸收占主導作用的是水分。

2.4 超微結構

若研究物料與紅外線的作用機制，需對物料的超微結構進行分析。在表面溫度60℃條件下經紅外干燥后的物料髓部和皮層部的掃描電子顯微鏡圖像(SEM)和鮮物料透射電子顯微鏡(TEM)圖像分別如圖3、4所示。

由圖3可以看出，相對于皮層部，髓部干樣品孔隙壁平整度高，孔隙排列規則，結構松散，孔隙內部空間大，閉合孔隙數量少；髓部孔隙更好地保留了原生態的空間架構，孔隙形狀大致呈方管或圓管狀直通狀態，孔隙迂曲度低，孔隙尺寸和比面都比較大，通透度高；與橫切樣品相比，縱切樣品的表面平整，結構致密，僅在髓部有少量孔隙，皮層部孔隙結構不明顯。

由圖4可以看出，髓部細胞內細胞器較少且發育不完全，整個細胞膜內空間幾乎被液泡占滿，細胞器被細胞膜和液泡膜限定于緊鄰細胞壁的狹小區域內，細胞在總體上呈水球形態；皮層部細胞內細胞器清晰可見，細胞器占空比較大，呈顆粒狀，較小顆粒的直徑約為0.1 μm，較大顆粒物直徑在1 μm以上，細胞呈水球中摻雜大量雜質的形態。

2.5 可溶性固形物含量

盡管細胞結構復雜，內容物對光線的折射系數差異影響較大，不易對其進行精準測量，但水溶液所含溶質的濃度會影響溶液的折光率[24]，由于胡蘿卜所含物質除水外，主要是蛋白質、淀粉、葡萄糖、纖維素及其它碳水化合物，無機鹽類物質含量較少，所以，胡蘿卜中水溶液的溶質主要是以可溶性糖類為主的固形物。對新鮮胡蘿卜的髓部和皮層部所含可溶性固形物質量分數進行測量，結果如表2所示。

表2 髓部和皮層部可溶性固形物質量分數Tab.2 Mass fraction of soluble solids in medulla and cortex %

由表2中可溶性固形物質量分數差異可以看出，新鮮胡蘿卜髓部的可溶性固形物質量分數低于皮層部，說明髓部的水溶液濃度低于皮層部。這與髓部細胞內液泡體積較大和細胞器數量較少、體積較小的特點相吻合。由于濃度高的液體具有較高的折光率，因此，皮層部比髓部對紅外線的折光能力強。

2.6 干燥溫度對單位能耗的影響

在功率、輻照距離和物料質量均相同的情況下，分別在表面絕對溫度為323.15、328.15、333.15、338.15、343.15、348.15、353.15、358.15 K條件下對物料進行紅外干燥，運用式(1)進行運算，得到表3所示的單位能耗與干燥溫度的關系。

表3 單位能耗與干燥溫度的關系Tab.3 Relationship between unit energy consumption and drying temperature

由表3可以看出，干燥溫度越高，單位能耗越低，二者存在負相關關系。同時，干燥溫度越高，差異越明顯，說明隨著干燥溫度升高，干燥箱體溫度升高吸收的能量、干燥箱向外部環境散失的能量均增大，致使測量誤差隨溫度升高而增大。

由黑體輻射的光譜輻射出射度公式[25]可知光譜輻射出射度峰值與絕對溫度的5次方成正比，公式為

Mbλm=BT5

(2)

式中Mbλm——輻射出射度峰值，W/(m2·μm)

B——常數，取1.286 7×10-11W/(m2·μm·K5)

T——絕對溫度，K

由表3可以得出，紅外干燥的單位能耗與物料表面絕對溫度的5次方呈線性負相關，在50～85℃范圍內，溫度越高，干燥速率越快，單位能耗越低，與式(2)相吻合。

3 理論分析與討論

3.1 散射的影響

根據胡蘿卜細胞的結構特點，將細胞及細胞內顆粒物均抽象為球形模型，將紅外光場分解為入射場、散射場和球內場，則散射問題可以歸結為散射體(細胞及細胞內顆粒狀物質)對入射光的衍射、入射光在散射體表面的反射以及光線進入散射體內部形成的折射3部分[24]。

當入射光波長與散射體直徑相近時，滿足米氏散射條件。根據米氏散射理論，散射光強與入射光強、散射體的關系[26-27]為

(3)

式中I(θ)——散射光強，cd

I0——入射光強，cd

S1(θ)、S2(θ)——散射光的振幅函數

θ——散射角，rad

r——光源與散射體的距離，μm

λ——入射光波長，μm

從式(3)可以看出，米氏散射的散射強度與頻率的2次方成正比，前向散射光強度高于后向，后向散射光強度高于側向，方向性特征明顯[28-29]；入射光波長越小,散射光能量越集中分布在散射角較小的范圍內，相對折射率的變化對散射光分布的影響不大，不同半徑散射體的散射光強的分布差異較大[24]。

由圖4可知，盡管胡蘿卜細胞大小不等，但總體上細胞直徑在10 μm左右，細胞內大顆粒物的尺寸在1 μm左右。當入射光波長位于100～1 000 nm之間時，盡管在胡蘿卜皮層部的散射具有較強的前向性，但后向的強度同樣不容忽視，而該波段光線在照射髓部時，由于缺少散射必需的顆粒物作散射體，因此，該波段光線在髓部的米氏散射較弱，這是圖2a光譜曲線上皮層部比髓部在100～1 000 nm波段反射率高的主要原因。

當入射光波長達到甚至超過顆粒物直徑的10倍時，由于顆粒物的直徑遠小于波長，散射體內的球內場在相位上與球外場的區別可以忽略，光波通過散射顆粒所需要的時間積累可以忽略，散射微粒形成電偶極子，振蕩頻率與入射光相同，所發射子波即為散射波，此時，米氏散射可近似為瑞利散射，近似散射光強分布[24]為

(4)

式中a——細胞器顆粒半徑，μm

m——細胞器顆粒與細胞質液體之間的相對折射率

由式(4)可以看出，瑞利散射光強的角分布特征對所有大小和折射率的顆粒都相同，前向散射與后向散射呈對稱性；散射光強與顆粒粒徑的6次方成正比；散射光強與入射波長4次方成反比。

對照圖4可知，波長在1～10 μm范圍內的紅外線在物料中會存在米氏散射，波長在10～100 μm范圍內的紅外線在物料中主要表現為瑞利散射。由于皮層部顆粒物數量多，因此，波長在1～10 μm之間的光在皮層部的瑞利散射比髓部明顯，表現為圖2a光譜曲線上皮層部比髓部對1 μm以上波段光反射率高。

由于瑞利散射在不同方向上均有散射光線，因此，在垂直于光的傳播方向上的散射光仍然具有較強的能量。因此，兩種散射方式相比，發生在長波段的瑞利散射作用效果更明顯，表現為散射光的大部分散射能量最終會被皮層部上表面附近的物料吸收，轉化為該部位物料的內能，皮層部上層獲得的能量高于下層。當上層水分與物料分離的速率高于下層水分向上傳遞的速率時，下層含水率就會高于上層，表現為表1中皮層部下表面硬度高于上表面。

由于髓部顆粒物含量較少，兩種散射的影響都較弱，紅外線在髓部表現出更強的穿透性。在水分遷移過程中，當上層水的散失量與下層水的輸入量之差小于下層水向上的遷移量時，下層的含水率就低于上層，此時表現為上表面的硬度高于下表面。

3.2 水對紅外線的吸收作用

3.2.1水的光譜吸收特征

由于新鮮胡蘿卜的濕基含水率高達89%～91%[30]，需要分析紅外線與水作用的機理，充分發揮水對紅外線的廣譜吸收作用，提高胡蘿卜干燥效率和提升干制品的品質。文獻[31]發現在3 900～3 600 cm-1(伸縮振動)和1 800～1 400 cm-1(彎曲振動)區間，水對垂直偏振光吸收較強，對水平偏振光吸收較弱。文獻[32-33]發現水和離子溶液在低頻范圍內的特征峰包括60 cm-1氫鍵彎曲、200 cm-1氫鍵伸縮和600 cm-1分子擺動，在液體狀況下這些氫鍵還以皮秒量級的速度不停地斷裂-形成，與此同時，水分子在液體狀態下還以皮秒量級的速度在旋轉，此外氫原子的量子效應也在其中發揮著作用。由圖5[25]可以看出，除去300～900 nm波段的光存在一個吸收低谷外，其余波段的光波均能夠被水強烈吸收。在水中大量氫鍵的作用下，水的比熱容較大，氣化熱值較高，物料在脫除自由水階段會吸收大量的能量而溫度保持相對穩定，因此，在干燥前期可采用較高的輻射功率，既能提高干燥速率，又可避免營養物質因溫度過高而被破壞。

3.2.2水的活性與美拉德反應

胡蘿卜中的水分子是以團簇的形式存在的，團簇的大小與水中溶解的溶質顆粒大小和分子極性有關。由表2可知，胡蘿卜所含可溶性固形物較多，胡蘿卜中的水分子與溶液中的有機溶質相互作用時，在數量龐大的弱氫鍵作用下，能夠形成活性較低的水化層結構，溶解的顆粒在表面不飽和鍵力或極性作用的影響下，吸引偶極水分子，使極性水分子在顆粒表面形成定向、密集、有序排列的水分子層[34-35]，這就極大地降低了水的活性。紅外線可以通過破壞水分子氫鍵的方式，減少水分間的締合力，使大的水分子團簇分解為小的水分子團簇[36]，提高水的活性。

影響美拉德反應的因素除去物料自身的因素之外，還有溫度、反應時間、水分活度和pH值、金屬離子和化學試劑等外界因子[37]。試驗發現，采用相同的物料，在相同的環境溫度、濕度、干燥溫度和干燥時間條件下，經紅外干燥的樣品，非酶褐變的程度高于熱風干燥，可見，造成美拉德反應加劇的主要原因是紅外輻射增加了水的活性。美拉德反應產物具有抗氧化活性，但是其抗氧化能力受多重因素的影響[38-39]，另外，盡管美拉德反應的產物有一定的營養價值，但目前對胡蘿卜干制品的利用均采用復水后再使用的方式，這就降低了褐變產物的利用率，同時美拉德反應消耗了物料中原有的營養成分，造成了營養流失，降低了胡蘿卜干制品的外觀品質。由于美拉德反應程度與溫度存在正相關關系[37]，因此，實際生產中，可以通過降低干燥溫度的方式對美拉德反應進行抑制。

3.2.3細胞組織結構對水的影響

胡蘿卜具有植物根的基本特征，如圖6所示，組織細胞沿植物生長方向伸長[40]，這種結構與圖3中呈現的橫切樣品孔隙數量多、深度大的特征相吻合。紅外線穿過橫切薄片的每層細胞時通過的距離要大于縱切薄片。因此，厚度相同的條件下，縱切薄片比橫切薄片層級數量多。層級數量的增加，既降低了紅外線與水直接作用的幾率，又降低了水的遷移能力。

文獻[18]研究發現，胡蘿卜在干燥失水過程中，細胞內容物會以固態顆粒物的形式附著于橫向的細胞壁上，阻塞該部位細胞壁上的孔隙，降低了細胞的橫向通透性，在失水過程中，細胞與鄰近細胞之間會發生一系列生物化學反應，形成縱向通透、橫向阻隔的網狀空間架構。因此，無論是在干燥初始狀態，還是干燥中間階段，橫切薄片更有利于對紅外輻射能的吸收利用。

由圖3a、3b可以看出，在橫切方式下，細胞在切面處被截成開放的微小腔體，垂直入射的紅外波進入該微腔后易形成諧振特征明顯的相干光場，相干光場產生的光學力導致約束它的腔體產生微小形變，在一定條件下的腔體形變會導致空腔邊界產生持續不斷的機械振動[41]，微腔的振動對腔內水分向外遷移形成助推作用，振動產生的機械能又會迅速轉化為物料的內能，使物料溫度快速上升，腔內水分子運動速率加快，水的遷移能力增強。同時，由于細胞形成的微腔結構對光場具有束縛作用，使得腔內光場因具有極高的功率密度而產生級聯混頻效應，在腔內產生一系列寬帶的梳狀光譜[42]，提高了光能向內能轉變的速率，使空腔中水的遷移能力迅速提高。空腔結構對光的作用表現為：粗糙多孔的橫切面比光滑平整的縱切面在圖2b譜線上呈現出較低的反射率。表面空腔快速脫水后對物料內部相鄰空腔形成負壓，提高了相鄰空腔內水分向外遷移的能力，相鄰腔體的脫水速率增大，逐層依次向內傳遞，形成由表及里的連鎖效應，使物料內部水分在整體上向表面遷移的速率加快。

3.2.4水溶液濃度對光吸收的影響

水溶液濃度越高，對水的折射作用越明顯[43-44]，由表2可知，胡蘿卜皮層部可溶性固形物質量分數高于髓部。因此，皮層部具有更高的折光率，紅外線自物料上表面射入后，光入射到皮層部后會產生更大的偏轉角，降低了光傳播到下表面的幾率，使下表面能夠接收到的輻射能量降低。因此，與髓部相比，物料皮層部下表面水的遷移能力較弱。

4 結論

(1)采用橫切方式既能增大胡蘿卜薄片中水與紅外線直接作用的幾率，發揮孔隙對紅外線的吸收能力，削弱紅外線在物料表面的散射作用，提升物料對紅外輻射吸收的均勻度，又可減少薄片的層級數，降低水的遷移阻力。

(2)在干燥前期應采用較高的輻射功率，以提高自由水的脫除速率，并降低能耗；在干燥后期應采用較低的溫度，對美拉德反應進行抑制。