黃秋葵熱風與遠紅外干燥特性、動力學及品質的比較

麥馨允，牛俊樂，胡秦佳寶，黃斌，劉彩華*，周奕豪，鞠明哲

（1.百色學院 農業與食品工程學院，廣西 百色 533000；2.百色學院亞熱帶特色農業產業學院，廣西 百色 533000；3.百色學院 廣西芒果生物學重點實驗室，廣西 百色 533000）

黃秋葵（Abelmoschus moschatus L.Medic.）屬錦葵科、秋葵屬，其營養豐富，開發利用價值較高。新鮮黃秋葵在采摘后仍進行呼吸作用，而且其質地脆嫩，易發生機械損傷，從而導致微生物侵染和營養流失，影響貨架壽命及食用品質。對黃秋葵進行干制可抑制微生物活動和酶活性，減輕質量，減小體積，降低包裝和貯運成本[1]。

加工過程中對黃秋葵干燥的方法主要有熱風干燥[2]、遠紅外干燥[3]、真空干燥[4]、真空冷凍干燥[5]、真空微波干燥[6]等。真空干燥、真空冷凍干燥、微波干燥成本高，熱風干燥、遠紅外干燥成本低廉、操作簡單，適合工業化生產，因此熱風干燥、遠紅外干燥技術得到了廣泛的應用。李婧怡等[6]研究了黃秋葵真空微波干燥特性及其動力學；徐康等[7]和李婧怡等[8]研究了不同干燥方法對黃秋葵膳食纖維、果膠、總糖、黃酮等物質含量及抗氧化能力的影響；王迪等[3]應用不同干燥方式對黃秋葵進行干燥，主要考察干制品硬度、脆度、收縮率、總黃酮、總酚、多糖和干燥時間；劉文超等[4]采用響應面優化黃秋葵真空干燥工藝試驗中以干燥速率和VC含量作為評判指標。由此可見，目前對黃秋葵干燥過程和干燥工藝的研究角度單一，或單一研究干燥特性，或以營養、質構和干燥時間為指標研究干燥工藝，缺乏結合干燥特性、干燥動力學和產品理化指標這3 方面對黃秋葵干燥過程和干燥工藝的研究。

本文通過研究黃秋葵熱風干燥和遠紅外干燥的干燥特性、動力學及干制品品質上的差異，并基于主成分分析，以干燥時間、有效水分擴散系數、VC含量、復水比、硬度為評價指標，獲得黃秋葵的最優干燥工藝，以期為黃秋葵的干制技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮黃秋葵：市售，挑揀無病蟲害、無畸形、無機械損傷、大小均勻、成熟度一致的黃秋葵。干燥試驗前測定鮮黃秋葵初始濕基含水率。

抗壞血酸、碳酸氫鈉：天津市致遠化學試劑有限公司；2，6-二氯靛酚鈉鹽：南京都萊生物技術有限公司；草酸：西隴化工股份有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TMS-PRO 食品物性分析儀：美國FTC 公司；FA1204B 型電子天平：上海安亭電子儀器廠；101-3AB型電熱鼓風干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；YHG-300-BS 遠紅外快速恒溫干燥箱：上海躍進醫療器械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥試驗

將挑選好的黃秋葵清洗干凈后，去掉頭尾，將中段橫切（垂直果莖長度方向）成1 cm 高度的小段，取22.11 g樣品分別置于電熱鼓風干燥箱、遠紅外快速恒溫干燥箱中在一定的溫度（60、70、80、90 ℃）下干燥，每隔30 min進行稱量；當前后兩次質量差不超過0.10 g 時，即認為樣品達到平衡含水率，結束干燥。此時的干基含水率不超過0.087 g/g，符合脫水蔬菜水分含量的要求[9]。設3 組平行，干燥結束后，測定干制品的VC含量、復水比和硬度。

1.3.2 含水率測定

采用直接干燥法測定樣品含水率[10]。

1.3.3 干基含水率

干基含水率測定參考王新茗等[11]的方法，計算公式如下。

式中：Mt為干基含水率，g/g；mt為樣品干燥t 時刻的質量，g；md為樣品干物質質量，g。

1.3.4 水分比

水分比測定參考Xiao 等[12]的方法，計算公式如下。

式中：RM為水分比；M0為樣品初始干基含水率，g/g；Mt為樣品干燥t 時刻的干基含水率，g/g。

1.3.5 干燥速率

干燥速率測定參考Horuz 等[13]的方法，計算公式如下。

式中：RD為樣品干燥速率，g/（g·min）；Mt+Δt為樣品干燥t+Δt 時刻的干基含水率，g/g；Mt為樣品干燥t 時刻的干基含水率，g/g；Δt 為時間差值，min。

1.3.6 VC含量的測定

黃秋葵中的VC含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定[14]。

1.3.7 復水比

稱取一定質量黃秋葵干制品，在室溫下浸泡于蒸餾水中50 min，撈出瀝干2 min 后稱重，復水比計算如下[15]。

式中：R 為復水比；mf為樣品復水后瀝干質量，g；md為干制品質量，g。

1.3.8 硬度

采用食品物性分析儀的穿刺模式進行黃秋葵硬度的測定。

1.4 干燥動力學

1.4.1 動力學模型

選取6 種常用模型對黃秋葵干燥過程水分變化進行非線性擬合[16-18]，干燥模型見表1。

表1 干燥模型Table 1 Drying models

1.4.2 有效水分擴散系數

黃秋葵橫向切斷，體積形狀類似圓柱體，干燥特性可用Fick 擴散方程描述，計算公式如下。

式中：Deff為有效水分擴散系數，m2/s；r 為黃秋葵橫切后圓柱體小段的半徑，0.008 41 m；t 為干燥時間，s；λn為貝塞爾函數（Bessel）函數的根；n=1，2，3…。

令dY/dt=0，y1*=0,y2*=1,X*=(S5-C3)/S5若被動房對購房者產生吸引力，則政府需要通過財政補貼等方式，確保購房者購買被動房所獲得的收益超過其額外付出的成本，因此S5>C3。

式（11）只取第一項，即n=1，λ1=2.405[19]，則方程可變換為以下公式。

1.4.3 干燥活化能

干燥活化能計算參考Doymaz 等[20]的方法，計算公式如下。

式中：Ea干燥活化能，J/mol；D0為擴散前置因子，m2/s；T 為干燥溫度，℃；R 為摩爾氣體常數，8.314 J/（mol·K）。

1.5 數據分析

采用PASW Statistics 18 進行方差分析、主成分分析，差異顯著性分析采用最小顯著性差異法。采用1stOpt 1.5 對試驗數據進行非線性回歸分析、二次多項式回歸分析，根據模型的決定系數R2、均方根誤差（root mean square error，RMSE）、殘差平方和（sum of squares for error，SSE）對模型擬合度進行整體評價[18]。

2 結果與討論

2.1 不同干燥條件對黃秋葵干燥特性的影響

熱風干燥、遠紅外干燥對黃秋葵干燥特性的影響如圖1 所示。

圖1 不同干燥條件對黃秋葵干燥特性的影響Fig.1 Effects of different drying conditions on the drying characteristics of Abelmoschus moschatus

由圖1a、圖1A 的干基含水率曲線可知，干基含水率隨著干燥時間的延長而下降。干燥溫度越高，干基含水率下降越快，到達干燥終點的時間越短；在相同溫度下，熱風干燥到達干燥終點的時間比遠紅外干燥的短。60、70、80、90 ℃下熱風干燥結束時間分別為420、300、240、210 min，遠紅外干燥結束耗時480、420、330、300 min。由圖b、圖B 的水分比曲線可知，熱風干燥和遠紅外干燥的水分比變化趨勢與干基含水率相似，均隨干燥時間延長而下降。

由圖1c、圖1C 的干燥速率曲線可知，熱風干燥未監測到恒速干燥階段，說明熱風干燥可能大部分階段均處在內部擴散控制階段，黃秋葵內部水分擴散速度低于表面水分的汽化速度。在干燥30 min 后，熱風干燥速率下降比遠紅外干燥快，這是因為在熱風干燥過程中，黃秋葵表面干燥速率過快容易形成硬殼，溫度越高，形成硬殼的進程就越快，從而阻礙表面汽化。

2.2 干燥動力學模型的比較

干燥動力學通常被用于描述在干燥過程中的傳質規律，模型受干燥條件和待干燥物料特性等決定。干燥動力學模型對干燥設備設計、干燥過程優化和產品質量改進十分重要[23]。將部分試驗數據擬合表1 所列的干燥動力學模型，擬合效果見表2。

表2 干燥模型擬合結果Table 2 Fitting results of drying models

模型擬合優度可用試驗值和預測值之間的關系來判斷，R2越接近1，RMSE、SSE 越接近0，其模型擬合度越好。通過表2 的模型優度指標對比可知，Midilli 模型的RMSE＜0.02、SSE＜0.002，R2≥0.999，均最優，故Midilli 模型為預測黃秋葵熱風干燥及遠紅外干燥的水分變化規律最適宜的干燥模型。該模型在預測胡蘿卜熱風薄層干燥[24]、腰果的太陽能干燥[25]、山楂熱風薄層干燥[26]等的效果均較好。

表3 為采用Midilli 模型擬合獲得的模型參數估計值。

表3 Midilli 模型參數估計值Table 3 Drying parameter estimations of Midilli model

由表3 可知，無論是熱風干燥還是遠紅外干燥，模型參數k、a、b、n 值都隨溫度（T，℃）變化而變化，即是T 的函數，將k、a、b、n 值與T 進行二次多項式回歸分析，得到各模型參數對應的多項式，再將上述參數對應的多項式帶入式（9），分別得到熱風和遠紅外干燥的最終模型，即式（14）、式（15）。

選取70 ℃的試驗數據分別與式（14）、式（15）模型進行驗證，結果如圖2 所示，熱風干燥、遠紅外干燥試驗觀測值與模型預測值的相關系數分別為0.999 0 和0.999 6（α=0.01），斜率和截距分別與1 和0 無顯著差異，說明擬合程度較好，模型能夠預測黃秋葵熱風和遠紅外干燥試驗范圍內任意時刻、任意干燥溫度下的水分變化。

2.3 有效水分擴散系數和活化能分析

根據式（12）、式（13）計算出有效水分擴散系數和活化能，結果見表4。

表4 不同干燥條件下的有效水分擴散系數和活化能Table 4 Deff and Ea at different drying conditions

由表4 可知，有效水分擴散系數的范圍在6.13×10-10～1.99×10-9m2/s 之間，符合農產品干燥典型的數值范圍（10-11～10-9m2/s），表明了在干燥過程中，黃秋葵內部水分擴散方式為液態擴散[27]。干燥溫度越高，干燥能力越強，有效水分擴散系數就越大；在相同干燥溫度下，熱風干燥的有效水分擴散系數比遠紅外干燥的大0.52～1.10 倍，這可能是由于遠紅外加熱原理和黃秋葵的植物組織特性造成的。遠紅外干燥初期，黃秋葵表面平均含水量較高，所吸收的遠紅外線大部分作用于表面水分的蒸發，但蒸發的水分散失不如熱風干燥及時，因此遠紅外干燥速率低于熱風干燥[28]。到降速干燥階段，黃秋葵表面水分含量降低，內部吸收較多遠紅外線，內部溫度高于表面溫度，但由于黃秋葵內部多孔狀，起到絕緣體功能，從而減慢熱量的傳遞[29]。相同干燥溫度下遠紅外干燥效率比熱風干燥低這一現象，與楊亮[30]對苦瓜片熱風、紅外干燥中的結果相似。由活化能大小可知，熱風每干燥1 mol 的水分需要的能量比遠紅外約少5 481.76 J，說明熱風干燥黃秋葵比遠紅外干燥容易。

2.4 不同干燥條件對黃秋葵干制品質量的影響

熱風干燥、遠紅外干燥對黃秋葵干制品質量的影響如表5 所示。

表5 不同干燥條件對黃秋葵品質的影響Table 5 Effects of different drying conditions on the quality of A.moschatus

由表5 可知，在相同溫度下，熱風干燥產品VC含量比遠紅外干燥的VC含量高1.42～2.05 倍。這反映了VC高溫降解過程具有溫度和時間的累積效應，相同溫度下熱風干燥耗時比遠紅外干燥的短，因此熱風干燥的VC保留較多。60 ℃熱風干燥的VC含量最高（P＜0.05）。

對于復水比而言，熱風干燥的復水比隨溫度的上升而先上升后下降，遠紅外干燥的復水比隨溫度的上升而下降。前者可能是因為60 ℃熱風干燥速率慢，植物組織萎縮、變形時間長，復水性差；80、90 ℃熱風干燥，黃秋葵在干燥初始階段迅速失水，蛋白質變性、糖分等水溶性成分隨水向外遷移，導致表面結殼，復水性差。后者是因為遠紅外加熱具有穿透性和均勻性，且60 ℃遠紅外干燥對黃秋葵細胞組織的破壞較小，復水比較大。因此，熱風70 ℃、遠紅外60 ℃的干制品復水比較好。

對于硬度而言，溫度過高，脫水反應越激烈，容易形成較硬的組織，因此90 ℃時硬度最大（P＜0.05）；熱風70 ℃、遠紅外60 ℃、遠紅外70 ℃的干制品硬度較好。

2.5 黃秋葵最優干燥工藝選擇

對不同干燥條件下黃秋葵的干燥時間、有效水分擴散系數、VC含量、復水比、硬度這5 個指標進行主成分分析。主成分分析結果中的因子得分、主成分得分、綜合得分見表6。

表6 因子得分、主成分得分、綜合得分結果Table 6 Factor scores，principle component scores，and overall scores

由表6 可知，70 ℃熱風干燥黃秋葵的綜合得分最高，因此黃秋葵最優干燥條件為70 ℃熱風干燥。

3 結論

由干燥特性曲線可知，無論熱風干燥還是遠紅外干燥，升高溫度，干基含水率、水分比下降就越快。相同干燥溫度下，熱風干燥的耗時比遠紅外干燥的要短。黃秋葵的熱風干燥速率受干基含水量影響較大，遠紅外干燥速率受干基含水率影響較小。

Midilli 模型能準確描述黃秋葵熱風和遠紅外干燥過程中的水分變化規律，模型的試驗值與預測值擬合精度較高，可在試驗條件范圍內對水分比進行預測。在試驗條件范圍內，黃秋葵有效水分擴散系數隨溫度的增大而增大；由于遠紅外的干燥原理以及黃秋葵植物組織內部多孔狀特性，在相同干燥溫度下，熱風干燥的有效水分擴散系數比遠紅外干燥的大0.52～1.10 倍，同時其干燥所需活化能比遠紅外干燥的小5 481.76 J/mol。

干燥過程中VC的降解受溫度和時間累積效應的影響；干燥時間、干燥溫度過高對復水比和硬度影響較大。最終，以黃秋葵干燥特性、動力學及干制品質量為指標，基于主成分分析獲得黃秋葵干燥條件，即：熱風溫度70 ℃，干燥時間為300 min，有效水分擴散系數為1.36×10-9m2/s，所得干制品VC含量7.71 mg/100 g、復水比6.03、硬度3.25 N。