太陽能干燥風速對哈密瓜片品質(zhì)的影響

郭雪霞 ，張子赫，劉 瑜 ，冉國偉 ，郭海楓 ，王 海

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部，a.規(guī)劃設計研究院；b.產(chǎn)地初加工重點實驗室，北京 100125；2.河北農(nóng)業(yè)大學，河北 保定 071001）

哈密瓜有“瓜中之王”的美稱，風味獨特，營養(yǎng)豐富，富含大量的礦物元素、豐富的膳食纖維和抗壞血酸、黃酮類化合物等健康功能成分，經(jīng)常食用對身體健康有極大益處，深受廣大消費者喜愛［1］。哈密瓜采收期集中且貨架期短，容易受溫度、生產(chǎn)季節(jié)等不利因素的影響［2］，造成大量的浪費，貯運過程中有部分腐爛變質(zhì)，嚴重影響其商品性。因此，哈密瓜干燥技術逐漸受到人們的重視［3］。

干燥技術在哈密瓜加工中被廣泛應用。目前，哈密瓜的干燥技術研究主要有自然晾曬、普通熱風干燥、真空冷凍干燥、熱泵干燥、變溫壓差膨化干燥、氣體射流沖擊干燥、太陽能干燥等。自然晾曬哈密瓜干是其加工普遍采用的方法，自然晾曬一般需要10 d 左右時間［4］；楊咪等［5］對哈密瓜熱風烘干的工藝進行正交試驗，對比得出哈密瓜最佳的熱風烘干工藝參數(shù)，為后續(xù)的加工貯藏提供依據(jù)。高靜靜等［2］研究了熱風干燥和真空冷凍干燥方式對哈密瓜片品質(zhì)的影響，得出不同干燥方式對哈密瓜片的營養(yǎng)成分、色澤、微觀結(jié)構(gòu)以及香氣成分均有顯著影響。羅磊等［6］開展了充氮低氧熱泵干燥哈密瓜片工藝，得到最佳干燥工藝參數(shù)為干燥溫度50 ℃，切片厚度5 mm，氧體積分數(shù)5%。畢金峰等［7］對哈密瓜變溫壓差膨化干燥工藝進行了優(yōu)化研究，得出回歸方程，通過響應面分析表明預干燥后原料的3 個變量對干制后的產(chǎn)品含水率、色澤、膨化度和脆度都有顯著的影響，干燥時間大約8.1 h。張茜等［8］將氣體射流沖擊干燥技術用于哈密瓜片的干制，通過建立模型，經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn)Modified Page 模型可以較好地模擬干燥過程中的水分比變化，且與溫度和風速都呈正相關，整個過程干燥的時間為6 h。太陽能干燥技術是一種新型、節(jié)能、環(huán)保加工技術［9-11］，其干燥農(nóng)產(chǎn)品可減少常規(guī)能耗50%以上［12-15］。郭雪霞等［16］研究對比了自然晾曬、太陽能干燥、真空冷凍干燥和市售4 種條件下的哈密瓜干產(chǎn)品品質(zhì)，得到不同干燥方式對哈密瓜干色澤、硬度、能耗、感官評分影響差異顯著，太陽能干燥時間短，干燥產(chǎn)品的硬度、咀嚼性、色澤較好，香氣成分保留較好，能耗較低，適合哈密瓜的干燥。本研究以哈密瓜片為原料，研究不同太陽能干燥風速對哈密瓜片理化特性和干燥能耗的影響，旨在為哈密瓜片工業(yè)干制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

哈密瓜：金蜜寶（購自超市）。

1.2 儀器與設備

強制對流太陽能干燥器，張家口市泰華機械廠；DRT-2 型輻照儀，北京天裕德有限公司；溫度傳感器，天津市萬博儀表制造有限公司；無紙記錄儀，北京中旺傳感設備公司；OH6-914385-III 型電熱恒溫鼓風干燥箱，廣東精華智能裝備有限公司；FA-stlab型水分活度測定儀，法國GBX 公司；TMS-Pro 型食品物性分析儀，美國Food Technology Corporation 公司；CR-400 型色彩色差計，柯尼卡美能達公司；電子秤，凱豐集團有限公司；DY5 型多功能電量檢測儀，深圳多一電子有限公司；高效液相色譜，美國Waters公司；GC-MS 氣質(zhì)聯(lián)用儀，美國Agilent公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 預處理方法 選擇成熟度適宜、大小適中、無病蟲害的哈密瓜，清洗后去皮、瓤、頭尾。從內(nèi)到外切成厚度均勻的哈密瓜片。每次試驗前均使用新鮮樣品進行預處理，同時測定初始含水率。

1.3.2 干燥試驗設計 本試驗旨在探究風速參數(shù)對哈密瓜切片干燥過程的影響。設置4 個水平，分別為干燥風速1、2、3、4 m/s，其中每個處理的切片厚度恒定為5 mm，干燥溫度恒定為60 ℃。將經(jīng)預處理的哈密瓜切片，平鋪到干燥箱2 個托盤里，每個托盤里均勻放置500 g 哈密瓜切片。干燥過程中每隔1 h測定哈密瓜質(zhì)量、水分活度和設備耗電量。每次稱重后待5 min 再次稱重，用來計算不同時刻的干燥速率，直至哈密瓜切片的濕基含水率低于15 %（企業(yè)標準），并測定哈密瓜干制品的理化性質(zhì)。試驗重復3 次。

1.3.3 水分含量測定方法 初始含水率：參照Hossain 等［17］方法并改進，將哈密瓜樣品按照約1 mm×1 mm×1 mm 大小切塊，稱重起始重量記為M0；然后放入稱量瓶中，置于105°C 烘箱干燥24 h，再次稱重記為m干，試驗重復3 次。

初始含水率計算公式如下：

式中，Dbt、Wbt分別為t時刻哈密瓜切片的干基含水率、濕基含水率，Mt為t時刻哈密瓜切片的質(zhì)量。

1.3.4 水分活度測定方法 利用水分活度儀測定，參照文獻［18］的方法測定。

1.3.5 質(zhì)構(gòu)測定方法 參照畢金峰等［7］方法并改進，將哈密瓜干裁剪為2 cm×2 cm 方塊。具體參數(shù)為感應元量程999 N，樣品形變量75%，測試前后速度均為2 mm/s，測試速度1 mm/s，測試距離5 mm，閾值0.3 N，探頭P/50。試驗重復3 次。

1.3.6 色澤測定方法 利用CR-400 型色彩色差計，參照文獻［18］的方法測定。

1.3.7 香氣成分測定方法 參照方芳等［19］的方法并改進。哈密瓜干粉碎、萃取、色譜條件、升溫程序、質(zhì)譜條件、定性分析等參照文獻［18］的方法。

1.3.8 耗電量測定方法 利用DY5 型電量監(jiān)測儀，參照文獻［18］的方法測定。

1.3.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用Excel 軟件，數(shù)據(jù)分析使用SPSS 軟件（差異顯著性水平為0.05），試驗數(shù)據(jù)用Xˉ±SD表示；香氣成分分析使用Smica 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同風速對哈密瓜切片干基含水率的影響

不同風速下哈密瓜切片干基含水率隨時間的變化如圖1 所示。由圖1 可知，當干燥溫度為60 ℃、切片厚度為5 mm 條件一定時，哈密瓜切片達到干燥終點的時間隨著風速的升高而縮短，風速1、2 m/s 干燥時間均與4 m/s 干燥時間差異性顯著（P＜0.05），3 m/s與4 m/s 干燥時間之間差異不顯著。說明提高風速可以顯著提高干燥效率，這是由于風速越大，物料表面的飽和濕空氣越容易被帶走，從而使物料表面的蒸發(fā)壓差增大，提高干燥效率。

圖1 不同風速下哈密瓜切片含水量隨時間的變化

2.2 不同風速對哈密瓜切片干燥速率的影響

不同干燥風速對哈密瓜切片干燥速率的影響如圖2 所示。由圖2 可知，當干燥溫度為60 ℃、切片厚度為5 mm 條件一定時，不同風速下哈密瓜太陽能干燥過程只有降速階段，沒有反映階段0（初始階段）和階段I（恒定速率階段），這是由于哈密瓜切片表面的非結(jié)合水很少，可以在很短時間內(nèi)完全汽化，且風速越大，哈密瓜干燥速率越快。這是因為降至臨界含水量后，哈密瓜切片內(nèi)部水分擴散速率低于表面水分蒸發(fā)速率，此階段的干燥速率取決于材料內(nèi)部的水分擴散活性。風速越大，可以越快地將聚集在物料表面附近的飽和濕空氣帶走，使物料表面的蒸發(fā)壓差大，從而加快干燥速率。

圖2 不同干燥風速下干燥速率與干基含水率的關系

2.3 不同風速對哈密瓜切片水分活度的影響

不同干燥風速對哈密瓜切片水分活度變化的影響如圖3 所示。由圖3 可知，不同風速干燥的哈密瓜切片的水分活度隨著時間變化而減小。且在干燥初期，不同風速間水分活度差異不顯著。這是由于干燥初期主要為大量游離水的蒸發(fā)，對水分活度影響不大。當干燥進行到一定程度，水分活度會快速下降至 0.4 左右。其中干燥至 5 h 時，4 m/s 和 1 m/s 的水分活度差異顯著（P＜0.05），說明風速越大，水分活度下降越快，這是因為風速升高會使哈密瓜內(nèi)部結(jié)合水遷移加快，從而使水分活度變化速率加快。

圖3 干燥風速和時間參數(shù)對哈密瓜水分活度的影響

2.4 不同風速對哈密瓜切片質(zhì)構(gòu)的影響

不同干燥風速對哈密瓜干制品質(zhì)構(gòu)的影響如表1 所示。由表1 可知，當干燥溫度為60 ℃、切片厚度為5 mm 條件一定時，哈密瓜切片干制品的硬度、黏附性、彈性和咀嚼性均與風速呈正相關。其中硬度1 m/s 和 3、4 m/s 之間差異性顯著（P＜0.05），黏附性和內(nèi)聚性各組間差異均不顯著，彈性和咀嚼性3 m/s和1、2 m/s 之間差異性顯著（P＜0.05）。說明增大干燥風速可以顯著增加哈密瓜干的硬度和咀嚼性，這可能是由于干燥風速過大，產(chǎn)品表面的水分蒸發(fā)很快，而內(nèi)部水分擴散速度遠小于表面蒸發(fā)速度，水分不能及時移動到產(chǎn)品表面，從而在產(chǎn)品表面形成一層硬殼［19］。因此，適宜干燥風速范圍為2～4 m/s。

表1 不同干燥風速對哈密瓜干制品質(zhì)構(gòu)的影響

2.5 不同風速對哈密瓜干制品色澤的影響

不同干燥風速對哈密瓜干制品色澤的影響如表2 所示。由表2 可知，在太陽能溫度為60 ℃、切片厚度為5 mm 條件一定時，哈密瓜干制品L*值隨著風速的提高整體呈上升趨勢，且1 m/s 和2、4 m/s 之間差異性顯著（P＜0.05）。a*和b*值均隨著風速增大逐漸減小，a*值各組差異不顯著，b*值1 m/s 和其他組之間差異性顯著（P＜0.05）。說明風速是影響哈密瓜干制品色澤的重要因素。這可能是由于風速大時，干燥速率越快，干燥時間越短，發(fā)生美拉德反應較少導致的。因此，干燥時應適當加大風速，適宜干燥風速范圍為2～4 m/s。

表2 風速參數(shù)對哈密瓜干制品色澤的影響

2.6 不同風速對哈密瓜干香氣組成的影響

不同太陽能干燥風速下制得的哈密瓜干中共檢出176 種香氣成分，根據(jù)官能團的不同，將檢出的香氣成分分為10 類，其相對含量、種類數(shù)量如表3 所示。由表3 可知，不同風速下制得的哈密瓜干中，相對含量最高的4 類物質(zhì)為醇、酮、醛和酯類。為進一步分析不同風速對哈密瓜干香氣組成的影響，對表3 中數(shù)據(jù)進行PCA 主成分分析，其結(jié)果如圖4 所示。

表3 不同干燥風速下哈密瓜干揮發(fā)性成分分類比較

由圖4 可知，第一主成分（F1）的方差貢獻率為65.3%，第二主成分（F2）為29.3%，二者方差貢獻率合計94.6%，說明這兩種主成分可以解釋原有大部分香氣的成分信息。F1主要和酸類、醇類呈正相關，和酮類、醛類、酚類、烯類呈負相關；F2主要和其他類、醚類呈正相關，和烷類、酯類呈負相關。低風速的哈密瓜干位于代表醛類和酮類較多的象限，說明低風速的哈密瓜切片干燥過程中產(chǎn)生了更多具有不良氣味的醛類和酮類化合物。這可能是由于風速越低，干燥時間越長，發(fā)生氧化反應和美拉德反應的時間長，從而產(chǎn)生了更多的醛類和酮類物質(zhì)。因此，干燥哈密瓜的風速不宜太低。

圖4 不同干燥風速下哈密瓜干香氣得分

2.7 不同風速對哈密瓜切片干燥過程中能耗的影響

干燥風速對哈密瓜太陽能干燥能耗的影響如圖5 所示。由圖5 可知，不同干燥風速單位時間能耗隨著風速的增加而增加，各組間差異性顯著（P＜0.05），不同風速對干燥總能耗的影響不顯著。說明適當提高風速，不會對總能耗產(chǎn)生影響，因此，較適宜風速范圍為2～4 m/s。這是由于風速是由風機的頻率控制，當風速大時，風機頻率高，電流大，功率大，從而使單位時間能耗增加。但由于干燥風速對干燥時間也有顯著影響，風速大時干燥時間短，因此，風速對總能耗的影響不顯著。

圖5 不同太陽能干燥風速對能耗的影響

3 小結(jié)

通過分析不同的太陽能干燥風速1、2、3、4 m/s對哈密瓜片品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)哈密瓜片干燥時間隨著風速的升高而縮短，1、2 m/s 干燥時間均與4 m/s干燥時間差異性顯著（P＜0.05）；哈密瓜太陽能干燥過程只有降速階段；不同風速干燥的哈密瓜切片的水分活度會隨著時間變化而減小，干燥至5 h 時，4 m/s 和 1 m/s 的水分活度差異顯著（P＜0.05）；哈密瓜切片干制品的硬度、黏附性、彈性和咀嚼性均與風速呈正相關，其中硬度1 m/s 和3、4 m/s 之間差異性顯著（P＜0.05），黏附性和內(nèi)聚性各組間差異均不顯著，彈性和咀嚼性3 m/s 和1、2 m/s 之間差異性顯著（P＜0.05）；哈密瓜干制品色澤L*值隨著風速的上升呈下降趨勢，且1 m/s 和4 m/s 之間差異性顯著（P＜0.05）。a*和b*值均隨著風速增大而逐漸減小，a*值各組差異不顯著，b*值1 m/s 和其他組之間差異性顯著（P＜0.05）；不同太陽能干燥風速下制得的哈密瓜干中共檢出176 種香氣成分，相對含量最高的4 類物質(zhì)為醇、酮、醛和酯類；不同干燥風速單位時間能耗隨著風速的增加而增加，各組間差異性顯著（P＜0.05），不同風速對干燥總能耗的影響不顯著；2～4 m/s 太陽能干燥風速下，哈密瓜片干制品硬度、黏附性、彈性和咀嚼性、香氣成分等理化特性較優(yōu)，干燥能耗低，適于哈密瓜片的干燥。