昭通蘋果脆片熱風干燥特性及動力學模型研究

付冬雪，羅旋飛*，謝藍華,，林茂森，杜冰

1.滇西應用技術大學普洱茶學院（普洱 665000）；2.普洱市謝藍華職工創新工作室（普洱 665008）；3.華南農業大學食品學院（廣州 510642）

蘋果是日常生活中最常見的一種水果，富含氨基酸、礦物質和維他命，有“活水”之稱，能夠調整腸道菌群，具有降低血脂、降血壓、降膽固醇、防治腫瘤、強化骨骼抗氧化以及保持酸堿平衡等功能作用[1]。昭通蘋果原產于海拔兩百米以上的云貴高原，采用自然生長的種植方式，不套袋，不打蠟，因此外觀較差，蘋果個體大小不規則，色彩紛雜且不均勻，表面布有小坑洼，被稱為“丑蘋果”，影響鮮果的銷售和果農經濟效益[2]。

研究以昭通蘋果為材料，以開發一種蘋果脆片為目標，探討了不同護色方法對昭通蘋果脆片感官品質的影響，對蘋果脆片的熱風干燥特性進行了分析，建立了干燥動力學模型和干燥過程中的有效水分擴散的相關系數，為果蔬熱風干燥預測、調控和工藝技術優化提供理論參考，也為昭通蘋果深加工提供解決思路。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

昭通蘋果，云南昭通永豐鎮果農個體戶。

復合護色劑[NaCl（0.3%）]、抗壞血酸（0.5%）、草酸（0.2%）、L-半胱氨酸（0.5%）。抗壞血酸（批號：20210107；分析純AR）、二水合草酸（批號：20210419；分析純AR）：上海國藥集團化學試劑有限公司；L-半胱氨酸（批號：C12774177；純度：99%）：上海麥克林生化科技有限公司。

HPX-9162MBE電熱恒溫培養箱（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）；SH881-3電熱鼓風干燥箱（吳江市三合烘箱制造廠）；DS-020ST超聲波清洗機（深圳市品凰科技有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 蘋果脆片護色處理方法

挑選新鮮的、無機械損傷及無腐敗變質的昭通蘋果，用清水沖洗后去皮去核，切成厚度為2 mm的薄片，取8份適量蘋果片并標上序號1，2，3，4，5，6，7和8，按表1方法處理后，先在80 ℃條件下干燥10 min后，再用120 ℃烘烤15 min，得到蘋果脆片進行感官評定，感官評價要求及標準見表2[3]。

表1 昭通蘋果脆片護色處理方法及條件

表2 昭通蘋果脆片感官評價表

1.2.2 熱風干燥特性及動力學模型實驗方法

在最佳護色處理條件下，稱取相應量的蘋果片均勻平鋪于烤網上，放到恒溫干燥箱中進行熱風干燥。按照表3的相關條件對切片厚度、裝樣量以及熱風溫度進行不同的試驗，試驗開始后，每隔0.5 h稱量一次并進行翻動，直至蘋果薄片的實際水分含量低于5%時，不再進行干燥。每組試驗進行3次，取平均值為試驗結果。

表3 昭通蘋果脆片熱風干燥特性試驗方案

1.2.2.1 水分比測定

水分比（MR）具體計算公式見式（1）[7]。

式中：MR為水分比；Mt為某一時間的干基含水率，g/g；M0為剛開始時的干基含水率，g/g；Ms為平衡時的干基含水率，g/g。

1.2.2.2 干燥速率測定

干燥速率計算公式見式（2）[8]。

式中：DR為干燥速率，g·g-1·h-1；Mt+Δt和Mt依次為t+Δt和t時刻樣品的干基含水率，g/g；Δt為相鄰2次測量的時間差距，h。

1.2.2.3 干燥動力學模型建立

試驗選用了6種常用薄層干燥動力學模型，見表4。對昭通蘋果脆片熱風干燥得出的試驗數據進行擬合[9-14]，通過采用決定系數R2、卡方χ2、均方根誤差RMSE 3個參數對模型進行評價，R2越大，χ2和RMSE越小，說明模型擬合效果越好，其計算公式分別見式（3）～式（5）。

表4 薄層干燥數學模型

式中：MRexp和MRpre依次為第i個數據點最后得到的MR以及模型預測之后所得到的MR；N為數據點的實際個數；模型里面的參數則有n個。

式中：Deff為有效水分擴散系數，m2/s；L為蘋果片厚度，m；t為干燥所用的時間，s。

1.3 數據處理

圖表繪制時使用Origin 2019軟件，進行試驗數據回歸擬合分析時則用SPSS 26.0軟件。

2 結果與分析

2.1 昭通蘋果脆片最佳護色方法的確定

由圖1可知，蘋果脆片在復合護色劑與超聲波+復合護色劑條件下的護色效果相近，且這兩種方法的護色效果比其他方法更具優勢，超聲波+復合護色劑條件下的護色效果最好，主要原因是蘋果富含酚類物質，在多酚氧化酶催化下極易發生酶促褐變，復合護色劑可以抑制多酚氧化酶的活性及阻止多酚氧化酶與氧氣接觸，起到護色作用[16]；超聲波在一定條件下，可以降低鮮切果蔬氧化酶的活性，延緩酶促褐變發生[17]；兩者協同作用下達到更好的護色效果。因此研究采用超聲波+復合護色劑的方法對昭通蘋果片護色處理，再進行熱風干燥試驗。

圖1 不同護色方法下蘋果脆片感官評價分值

2.2 昭通蘋果脆片熱風干燥特性分析

2.2.1 切片厚度對蘋果脆片干燥特性的影響

不同切片厚度下蘋果片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖2和圖3。由圖2和圖3可知，在相同熱風溫度及裝樣量下，隨切片厚度的減少，干燥速率逐漸增大，曲線斜率也逐漸變大，同時含水量越低，需要的干燥時間越少。蘋果片厚度越小，與空氣接觸的面積就會越大，水分蒸發速度越快，干燥速率也越大，且蘋果片內部水分遷移的距離也越短，蒸發的阻力就會變小；傳質和傳熱的速度加快，干燥速率也同樣加快。蘋果片熱風干燥過程只有開始的升速和之后的降速階段，無恒速階段。物體的水分含量較少，水從物體的內部向表面傳送的速度比從物體表面水分氣化的速度慢，水分在物體內部傳遞的速率控制著干燥速率。物體的含水量在不斷地減小，這就使得它里面的水分移動的速度慢慢減小，減緩了干燥的速度[18]。如果存在不同的試驗樣品以及條件，會使最終的試驗結果有所不同。本次所進行的試驗，蘋果片在進行熱風干燥的時候只有升速以及減速這兩個不同的干燥階段，結果和參考文獻[19-20]里面結果一致。

圖2 不同切片厚度的干燥曲線

圖3 不同切片厚度的干燥速率曲線

2.2.2 熱風溫度對蘋果脆片干燥特性的影響

不同熱風溫度下蘋果片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖4和圖5。據圖4和圖5可知，相同裝樣量和切片厚度條件下，隨熱風溫度的升高蘋果片的熱風干燥曲線斜率變大，且蘋果片中的干基含水量隨干燥時間延長而降低，從而干燥所需的時間就越短。溫度越高，蒸發的水分越多，熱空氣的相對濕度降低，在同一時間內水蒸氣蒸發就越多，蘋果片與熱空氣的濕度差也越大，水分散失越快，干燥速率就越大。另外，熱風溫度越高，傳熱動力越大，可以加快蘋果片表面水分蒸發速度和內部水分遷移速度。

圖4 不同熱風溫度的干燥曲線

圖5 不同熱風溫度的干燥速率曲線

2.2.3 裝樣量對蘋果脆片干燥特性的影響

不同裝樣量下蘋果片的干燥曲線和干燥速率曲線如圖6和圖7。由圖6和圖7可以看出，在切片厚度和熱風溫度相同的條件下，干燥速率隨裝樣量的增加呈先上升再下降的趨勢。裝料量較大時，蒸發水分的表面積也隨之增大，從而單位時間內蒸發的水分越多，干燥速度也越快，而試驗結果與之不符，可能是由于裝樣量增加時，不能把所有樣品都放在中間位置，因受熱不均而導致的結果。在試驗條件下，裝樣量為50 g時的干基含水率基本都大于裝樣量為100 g和150 g的干基含水率，這個試驗結果與劉艷等[20]、陳健凱等[21]的研究結果不一樣，導致結果不相同的原因或許是所選試驗設備不一樣。在此次試驗條件下，裝樣量為100 g的干基含水率接近150 g的干基含水率，這個結果或能為實際生產中設備的最佳裝樣量的確定提供一個依據。

圖6 不同裝樣量的干燥曲線

圖7 不同裝樣量的干燥速率曲線

2.3 蘋果脆片熱風干燥模型的選擇

2.3.1 蘋果脆片熱風干燥模型的建立

用表4中的6種干燥模動力學型對3個不同因素（切片厚度、熱風溫度和裝樣量）條件下的試驗數據進行擬合，建立蘋果脆片的熱風干燥動力學模型。擬合結果如表5～表7所示。

6種模型的擬合效果用R2、χ2、RMSE指標進行評價，R2越大，χ2、RMSE越小說明擬合效果越好。

從表5～表7可以看出Logarithmic、Henderson and Pabis、Midilli-Kucuk三種模型具有較高的擬合度，其中Logarithmic模型的擬合效果又更好，說明Logarithmic模型擬合效果最好，在試驗所選6種模型中最適合預測分析蘋果脆片熱風干燥過程中水分比變化情況。因此選擇Logarithmic模型為蘋果片熱風干燥研究的動力學模型，其擬合方程為MR=aexp(-kt)+c。

表5 不同切片厚度下6種動力學模型的評價指標及參數

表6 不同熱風溫度下6種動力學模型的評價指標及參數

表7 不同裝樣量下6種動力學模型的評價指標及參數

2.3.2 蘋果脆片熱風干燥模型的驗證

圖9 不同熱風溫度的Logarithmic模型預測值與試驗值的關系

為了對Logarithmic模型預測蘋果脆片熱風干燥過程的準確性進一步檢驗，以不同切片厚度、熱風溫度、裝樣量的MR預測值與試驗值進行了比較。從圖8～圖10可以看出，各個數據點位于直線y=x上或在直線上下浮動，說明Logarithmic模型的MR預測值與試驗值具有較高的擬合度，能夠較準確地描述蘋果脆片熱風干燥過程中MR的變化規律。

圖8 不同切片厚度的Logarithmic模型預測值與試驗值的關系

圖10 不同裝樣量的Logarithmic模型預測值與試驗值的關系

2.3.3 蘋果脆片熱風干燥的有效水分擴散系數

利用式（6）計算以裝樣量100 g、切片厚度4 mm為固定條件，熱風溫度為50，60和70 ℃時的有效水分擴散系數。計算得出熱風溫度從小到大時的有效水分擴散系數為6.263 9×10-13，9.463 9×10-13和1.140 8×10-12m2/s。由此可知，溫度越高，蘋果片中的水分子擴散越快。

3 結論

試驗研究了空白組、燙漂組、復合護色劑組、超聲波組、燙漂+復合護色劑組、燙漂+超聲波組、復合護色劑+超聲波組、燙漂+復合護色劑+超聲波組8種蘋果脆片護色方法。結果表明，復合護色劑+超聲波組護色效果最好，感官評價分值為88.125分，高于其他護色組別。

熱風干燥研究表明，熱風干燥過程中切片厚度、熱風溫度及裝樣量三個因素都能對干燥速率產生較大的影響。蘋果片的厚度、裝樣量與熱風干燥速率成反比，熱風溫度與熱風干燥速率成正比。蘋果片的熱風干燥過程分為升速和降速干燥階段，無恒速階段。

采用6種薄層干燥數學模型對蘋果脆片的熱風干燥過程的試驗數據進行擬合和驗證。結果表明，Logarithmic模型的擬合度最高，預測蘋果脆片水分變化規律較準確，可用于描述蘋果脆片熱風干燥過程。

熱風溫度越高，蘋果脆片的有效水分擴散系數就大。當熱風溫度從50 ℃升到70 ℃時，其有效水分擴散系數則從6.263 9×10-13m2/s到1.140 8×10-12m2/s。

試驗對蘋果脆片護色和干燥原理的探究，建立熱風干燥模型，預測并控制蘋果脆片在熱風干燥過程中水分含量的變化規律，為果蔬熱風干燥預測、調控和工藝技術優化提供理論參考，也為昭通蘋果脆片深加工提供解決方案。