蘋果熱風干燥工藝優化和特性分析

王迪芬，苑 亞，*，魏 娟，張 沖，楊魯偉，*

(1.中國科學院理化技術研究所，北京100190;2.中國科學院大學，北京100049)

蘋果作為我國最受歡迎的水果之一，具有較高的水分含量和營養價值［1］。鮮蘋果在儲存過程中會因部分腐爛而造成浪費［2］，干燥可以延長蘋果存儲時間，并且減少運輸和儲存過程中的物理損傷和品質惡化［3－4］。隨著經濟生活質量的提高，蘋果干燥產品逐漸走進了大眾視野［5］。蘋果片品質和干燥速率是制約其工業化推廣的主要因素，也是目前研究的重點［6－9］。

熱風干燥是一種傳統的、操作簡單和成熟的干燥技術，在我國干燥行業被廣泛使用［10］。目前，熱風干燥技術的主要問題是物料在干燥過程易發生氧化，產生褐變［11］，降低了物料的干燥品質。目前，主要采用干燥前預處理的方式來解決物料干燥過程中的氧化問題［12］。苑亞等［13］采用漂燙預處理的方案，不僅解決氧化問題，而且提高了物料的干燥速率。李澤珍等［14］報道了超聲波預處理方式可以提高蘋果片干燥品質，這說明超聲波可以抑制干燥過程物料的氧化。化學滲透法［15－16］和輻照預處理方式［17］都可以提升干燥速率。針對蘋果的不同預處理方法已有大量報道，但是對于不同預處理干燥效果對蘋果熱風干燥特性影響的對比尚未研究。雖然熱風干燥試驗的數學模型已經有報道［18－19］，但是尚未研究關于不同預處理方式對于蘋果片的熱風干燥過程的模擬。

本文以蘋果片作為試驗材料，以預處理方式(超聲波和護色劑)、熱風溫度以及切片厚度作為試驗因素，對蘋果片熱風干燥正交試驗，研究了其熱風干燥特性，選出了最佳正交試驗條件，建立了描述其干燥特性的數學模型，為蘋果片的工業化生產提供了技術支持和理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮的紅富士蘋果 購于洛川蘋果旗艦店，將購入的蘋果放入4℃的冰箱保存;氯化鈉、蔗糖、海藻糖 分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

WGL－30B型電熱恒溫鼓風干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司;SB－202A型電子天平 盛博電子衡器有限公司;NH310電腦色差儀 深圳市三恩馳科技有限公司;BG－01型80W超聲波清洗機 廣州邦潔電子產品有限公司;水果切片機 購于福瑞特旗艦店。

1.2 實驗方法

1.2.1 蘋果干燥工藝 在干燥之前，將蘋果進行去皮和去核，然后利用切片機對其進行切片，選取直徑大小為85 mm的蘋果片，進行預處理，將預處理的蘋果片每片均勻平鋪在物料盤上，放入風速為1.5 m/s的恒溫干燥箱中。每隔5 min測一次物料的重量，為減少稱重過程對干燥過程的影響，將稱重時間控制在20 s以內，干燥至前后兩次物料的重量小于0.01 g。

1.2.2 預處理方式 超聲波預處理:將切好的蘋果片放入超聲波清洗機進行超聲波預處理，將處理好的蘋果片用無塵紙除去表面的水分，并在稱重之后準備進行干燥加工。

護色劑預處理:準備好0.1%的NaCl、1.0%的蔗糖和0.8%的海藻糖的護色劑溶液［20］，將切好的蘋果片放入護色劑溶劑的燒杯內浸泡30 min，將處理好的蘋果片用無塵紙除去表面的水分，并在稱重之后準備進行干燥加工。

1.2.3 單因素干燥實驗 采用干燥時間作為評價指標，對干燥過程進行評價。試驗A組:預處理方式均為無處理，切片厚度均為3 mm，熱風溫度分別為50、55和60℃分別標記為AI、AII和AIII，進行3組試驗;試驗B組:預處理方式均為無處理，熱風溫度均為60℃，切片厚度分別為1.5、3和5 mm分別標記為BI、BII和BIII，進行3組試驗;試驗C組:熱風溫度均為55℃，切片厚度均為3 mm，預處理方式為無處理、超聲波和護色劑分別標記為CI、CII和CIII，進行3組試驗。干燥進行到干燥前后兩次物料重量小于0.01 g結束。

1.2.4 正交試驗方案設計 切片厚度、熱風溫度和預處理方式為試驗因素的正交試驗方案，正交試驗因素和水平設計如表1所示，以干燥速率和色澤作為蘋果熱風干燥工藝的評價指標。

表1 正交試驗因素和水平設計Table 1 Orthogonal test factors and horizontal design

1.2.5.水分比 計算方法參考文獻［21］為:

式中，MR為水分比;mt為某一時刻的干基含水率，g/g;Mb為蘋果的平衡干基含水率，g/g;M0為初始時刻的干基含水率，g/g。

1.2.6 色澤測定 使用色差儀測量可以測量得到L*、a*、b*的值。L*為明度，數值越大越白;a*表示從紅到綠的數值變化，b*表示從黃到藍的數值變化。褐變指數(BI)表示了蘋果的褐變程度［22］，BI表示如下式:

1.2.7 綜合評價法 采用綜合評價法對色澤和干燥時間兩個試驗指標進行權重計算，對熱風溫度、切片厚度和預處理方式對這兩個試驗指標的影響進行綜合評價。

假設正交試驗中評價指標有m個，分別為xi(i=1，…，m)，試驗個數為n個，則矩陣為:

式中，tij為第j組試驗的第i個指標值。采用極值法對矩陣進行歸一化處理。

第i個指標的熵Hi可定義為

第i個指標的熵權wi:

綜合評價指數ESI為:

1.2.8 干燥模型 采用較常用的薄層模型［23－24］(如表2)對熱風干燥的試驗數據進行擬合，決定系數(R2)、卡方(χ2)和均方根誤差(RMSE)對擬合結果進行評價。公式如下式:

式中:MRp，i為模型預測的水分比;MRe，i為試驗所得水分比;N為試驗點的個數;Z為模型參數個數。

表2 三種薄層干燥模型Table 2 Three thin layer drying models

1.2.9 有效擴散系數 有效擴散系數是表示水分遷移機理關系的參數，可以根據Fick第二定律，式(2)計算［25］:

式中，Deff為物料有效擴散系數，m2/s;L為蘋果片厚度，m;t為干燥時間，s。

1.3 數據處理

本文采用Origin pro 9.1軟件對文章中的試驗數據作圖，并采用SPSS Statistics 21進行單因素方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 干燥特性

2.1.1 熱風溫度對蘋果片干燥特性的影響 取切片厚度為3 mm的蘋果片進行無預處理的熱風干燥試驗，對不同溫度下的干燥試驗進行分析，得出溫度對蘋果片干燥動力學曲線圖。由圖1可知，蘋果片的含水量在干燥初期下降較快，在后期則是減緩。隨著溫度的升高，干燥完成的時間更短。

圖1 熱風溫度對干燥過程的影響Fig.1 Effect of hot air temperature on drying process

2.1.2 切片厚度對蘋果片干燥特性的影響 取不同的切片厚度的蘋果片進行無預處理的熱風干燥試驗，對不同厚度的熱風干燥的動力學曲線進行分析，如圖2所示。在圖2中，可以看出來厚度不同也影響著干燥過程的快慢。選擇1.5、3和5 mm厚度的蘋果片進行熱風干燥，發現厚度越小，整個干燥過程完成所需的時間更短，干燥曲線也越陡。這是因為厚度越小，通透性越好，傳熱傳質過程快，因此干燥速率增高，反之干燥速率降低。

圖2 切片厚度對干燥過程的影響Fig.2 Effect of slice thickness on drying process

2.1.3 預處理方式對蘋果片干燥特性的影響 對預處理的蘋果進行熱風干燥試驗并對結果進行分析，不同處理方式下干燥動力學曲線如圖3所示。從圖3可以看出，在前期超聲波對干燥過程有明顯影響，干燥速率明顯加快;護色劑對干燥速率也有一定的影響。

圖3 預處理方式對干燥過程的影響Fig.3 Effect of pretreatment on drying process

2.2 褐變結果

以上述實驗產生的褐變結果進行分析，如表3所示。當切片厚度為3 mm，無處理的蘋果片熱風干燥溫度為50、55和60℃的干燥后的褐變指數分別是41.18、44.26和48.52，褐變指數隨著熱風溫度的升高而增加，表明溫度降低有利于蘋果片熱風干燥中的褐變程度降低;當熱風溫度為60℃，無預處理的蘋果片熱風干燥的厚度分別為1.5、3和5 mm時，褐變指數分別為28.19、48.52和49.16，隨著蘋果切片厚度的增加，褐變指數升高，表明褐變程度隨蘋果厚度的增加而升高;當熱風溫度為55℃，蘋果切片厚度為3 mm，超聲波預處理后的蘋果片褐變指數為25.92，護色劑預處理后的蘋果片的褐變指數為26.22，對于不同預處理方式，超聲波和護色劑都降低了褐變程度，對蘋果色澤有一定的提升效果。

2.3 正交試驗結果

通過得出干燥因素對干燥過程特性的綜合評價，根據極差分析可以得出，對蘋果片熱風干燥過程的影響程度的排序依次為蘋果片厚度、預處理方式和熱風溫度。根據綜合評價指數，蘋果片熱風干燥的最優方案為A3B1C3，即60℃的熱風溫度，1.5 mm的切片厚度和護色劑預處理。

表3 褐變結果Table 3 Result of browning

2.4 干燥模型擬合

選擇3 mm的切片厚度、50℃的熱風溫度，未經預處理的蘋果片的熱風干燥試驗數據進行模擬。由表6中的薄層干燥擬合結果可知，Weibull模型的擬合度最優，R2最大，RMSE和χ2的值最小，因此選擇Weibull模型對單因素熱風干燥試驗進行模擬。模擬結果如表7所示，所有模型的R2均大于0.9973，所有RMSE均小于1.6161×10－2，χ2的值均小于2.7758×10－4，可以使用Weibull模型預測蘋果片的熱風干燥中水分變化規律。

2.5 有效擴散系數

水分有效擴散系數可以表示水分遷移的快慢，通過Fick第二定律率可知，做ln(MR)和時間t的曲線，擬合曲線可以得出有效擴散系數，如表8所示。有效擴散系數隨著熱風溫度的升高而增大，隨著熱風溫度的升高，有效擴散系數從1.8694×10－8m2·s－1增加到了3.1096×10－8m2·s－1，研究結果與Doymaz等［26］一致;當熱風溫度為60℃時，有效擴散系數隨著蘋果片厚度的增加而增大，蘋果片的厚度在1.5、3和5 mm時，其有效擴散系數分別是1.1278×10－8、3.1096×10－8和5.2940×10－8m2·s－1，其研究結果與［18，27］一致;使用超聲波作為預處理的蘋果片有效擴散系數為4.6506×10－8m2·s－1，護色劑浸泡處理的蘋果片有效擴散系數為3.3922×10－8m2·s－1，大于無處理的蘋果片的有效擴散系數1.9150×10－8m2·s－1，表明通過預處理的蘋果片水分更容易遷移擴散。

表4 正交試驗的結果和分析Table 4 Orthogonal test results and analysis

表5 方差分析表Table 5 ANOVA analysis

表6 薄層擬合結果Table 6 Result of thin layer fitting

表7 Weibull模擬結果Table 7 Results of simulation on Weibull model

表8 不同干燥條件下的有效擴散系數Table 8 Effective diffusion coefficient under different drying conditions

3 結論

本文以熱風溫度、切片厚度和預處理方式作為試驗變量，對蘋果片進行熱風干燥的正交試驗研究。結果發現:蘋果片熱風干燥處于降速干燥階段，熱風溫度與干燥速率呈正比關系，而切片厚度與干燥速率呈反比關系，相對于無處理和護色劑預處理的方案，超聲波預處理方式相對提高干燥速率。根據正交試驗，切片厚度對熱風干燥過程的影響最為顯著，其次為預處理方式和熱風溫度，蘋果片熱風干燥的最優方案為60℃的熱風，1.5 mm的切片厚度和護色劑預處理。相對于Lewis模型和Henderson and Paris模型，Weibull模型描述蘋果片的干燥特性相對較優，干燥過程蘋果片的有效擴散系數范圍為1.1278×10－8～5.2940×10－8m2·s－1。