杏子热风干燥收缩特性和色泽变化研究

王庆惠，李忠新，闫圣坤，阿布里孜

(新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

杏子热风干燥收缩特性和色泽变化研究

王庆惠，李忠新，闫圣坤，阿布里孜

(新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

【目的】为提高杏子干燥品质及市场竞争力，【方法】本文将热风技术应用于杏子的干燥，研究不同干燥温度和风速对杏子干燥收缩特性及色泽的影响。【结果】在热风干燥过程中，杏子干燥收缩率随干燥温度或风速的增加均呈现先增加后减小的趋势；在干燥温度为50 ℃，风速为6 m/s时，杏子的干燥收缩率达到最大值45.25 %；考虑收缩计算的杏子水分有效扩散系数随干基含水率的减少呈先增加后减小的变化趋势，与不考虑收缩相比其值小一个数量级；杏子收缩活化能为20.67 kJ/mol；温度对干燥后杏子的色泽变化有重要影响，随着干燥温度的增加，a*值和b*值逐渐增加，而L*值逐渐减小，但风速对L*、a*和b*值的影响不大。【结论】该研究对杏子干燥后体积的留存及色泽变化的规律性提供了理论参考。

热风；杏子；干燥；收缩；色泽

【研究意义】杏是蔷薇科杏属杏种植物的果实，在中国已有3000多年的栽培史。我国是杏的生产大国，据统计，2014年仅新疆省杏树的种植面积13.24×104hm2，产量128.16×104t，分别占全疆水果种植总面积和总产量的14.9 %及13.9 %[1]。杏果实娇嫩，极易损失，常温下一般只能存放7 d 左右[2]，杏子成熟期主要集中在6月下旬至7月中旬，大批量鲜杏集中上市，给杏子的鲜食鲜销带来极大困难。制干是目前鲜杏销售的主要渠道[3]。杏是热敏性水果。在干燥过程中，杏子的收缩及色泽等外观品质是消费者购买的首选因素，这也成为决定市场竞争力的关键因素。探讨杏子干燥时的收缩特性及色泽变化的规律性对优化杏子干燥工艺，改善杏子干燥后的感官品相具有重要意义。【前人研究进展】在杏子干燥技术方面前人已将气体射流冲击干燥技术[4]、太阳能干燥技术[5]、低温干燥技术[6]等运用于杏子的干燥，但在实际推广使用范围最广的还是热风干燥技术[7]。【本研究切入点】本文采用热风干燥技术，研究不同干燥温度和风速对杏子干燥的收缩特性、有效水分扩散系数、干燥活化能及色泽的影响变化规律。【拟解决的关键问题】本文以新疆主栽杏子品种赛买提为研究对象，建立不同干燥条件下杏子的体积收缩率随干燥时间及干基含水率变化的数学模型，这是实现杏子干燥加工过程中体积收缩率实时监测与优化干燥工艺的关键所在，也是本文所要解决的关键科学问题。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用的原料是新鲜的杏子(品种赛买提)，购于新疆九鼎农贸批发市场。杏子平均长轴直径36.62 mm、短轴直径34.31 mm，单果重24.56 g/个，去核后的湿基含水率为80.58 %±0.42 %(真空干燥箱内70 ℃干燥24 h)(AOAC)[8],试验前将杏子放在纸箱内并置于(5±1) ℃的冰箱内保存。

1.2 试验设备

内循环热风干燥试验装置(新疆农业科学院农业机械化研究所)，YP型电子称(上海精科天平，10 g)，DZF-6020 型真空干燥箱(河南兄弟仪器设备有限公司)，SMY-2000型色差计(北京盛名扬科技开发责任有限公司)。

1.3 试验方法

取出冰箱内的杏子，挑选表面无损伤且大小、色泽及成熟度基本一致的杏子，清洗、擦除表面水分、在室温下放入塑料袋中密封8～12 h，人工将杏子沿骑缝线切成大小几乎相同的两瓣，取出杏核，将杏子切分面向上，单层均匀地依次摆放在托盘上。在不同干燥温度和风速条件下进行试验，每隔2 h 测定样品重量及体积变化，直至杏子湿基含水率降到15 %时停止试验。根据前期预试验的结果，试验设计如表1所示。每组试验重复3次。

1.4 试验参数的计算方法

1.4.1 体积测量 杏子干燥过程中体积的测量采用固体置换法[9]。选取直径0.2 mm的玻璃珠，分别计算出烧杯的容积和玻璃珠的密度，利用体积置换的方法，求出被测杏子样本的体积。

(1)

(2)

(3)

其中,V1：烧杯的容积，mL；W1：烧杯内装满水后的总重量，g；W：烧杯的重量，g；ρ1：水的密度，1.0 g/cm3；ρ2：玻璃珠的密度，g/cm3；W2：烧杯内装满玻璃珠后的总重量，g；V2：杏子样本的容积，mL；W3：烧杯内放入样本并用玻璃珠填满后的总重量，g；W4：样本的重量，g。

1.4.2 收缩曲线 体积相对收缩率S(简称体积收缩率或收缩率)是表征物料体积收缩程度的重要指标。体积相对收缩率越小表示干燥时收缩掉的体积越大，体积相对收缩率可按式(4)进行计算：

(4)

其中，Vt:任意t时刻杏子样本的体积，mL；V0:杏子样本的初始体积，mL。杏子干燥在t时刻时水分比MR计算公式为：

(5)

其中,M0、Me和Mt：杏子的初始干基含水率、干燥到平衡时的干基含水率和干燥到t时刻的干基含水率，g/g。

1.4.3 水分有效扩散系数 杏子在任意时刻水分有效扩散系数Deff可以由公式(6)进行计算[10-11]：

(6)

(7)

其中，R：杏子的等量半径，m；t：干燥时间，s。

表1 试验设计及试验参数

1.4.4 收缩活化能 杏子的收缩活化能可利用阿伦尼乌斯方程进行计算[12]：

(8)

(9)

其中，f：体积收缩系数，常数；A：物料的扩散基数，为定值；Ea：物料的收缩活化能，J/mol；R：摩尔气体常数，8.314 J/(mol·K)；T：物料的干燥温度， ℃。

1.4.5 色泽的测定 采用CIELAB表色系统(亦称L*a*b*表色系)，以仪器白板色泽为标准，测量物料的L*、a*，和b*值。L*为明亮度，变化范围为0(黑色)～100(白色)；a*为绿红值，变化范围为-60(纯绿色)～+60(纯红色)；b*为蓝黄值，变化范围为-60(纯蓝色)～+60(纯黄色)。其中，L*值越大，物料干燥后的颜色越好。

2 结果与分析

2.1 温度对杏子干燥收缩特性的影响

将风速固定在6 m/s进行不同干燥温度条件下杏子的干燥收缩试验，试验结果如图1所示。由图1可以看出：随着干燥的进行，杏子的收缩率逐渐降低，也就是说杏子在整个干燥过程中体积不断缩小。当干燥温度为45、50、55和60 ℃时，杏子水分含量降到贮藏要求水分时的收缩率分别为44.74 %、45.25 %、40.32 %和37.41 %，其中50 ℃的收缩率比60 ℃的收缩率增加了7.84 %，杏子干燥的收缩率随干燥温度的增加呈现先增加后减小的趋势，在50 ℃的收缩率达到最大。这可能是因为：对于杏子而言，整个温度处于45 ℃时，较低的干燥温度导致干燥速度较慢，杏子持续收缩的时间较长，当杏子达到贮藏要求水分时，其收缩率的值已超过了50 ℃的值；而当干燥温度达到50 ℃时，杏子干燥速度适中，在干燥后期杏子水分外扩散远远超过内扩散，杏子表面过度干燥形成硬壳，阻碍了水分的收缩，因而得到较大的收缩率[13]；进一步提高干燥温度后，杏子内部与干燥介质间的饱和蒸汽压也随之增加，由于杏子属于含水率较高的果品，在较高的干燥温度下，物料较软的组织往往会被压破，造成固体骨架变形，加速了体积的收缩。

2.2 风速对杏子干燥收缩特性的影响

将干燥温度固定在50 ℃进行不同干燥风速条件下杏子的干燥收缩试验如图2所示，与干燥温度对杏子收缩特性影响相同，随着干燥的进行，杏子的收缩率也逐渐降低。当干燥风速为3、6和9 m/s时，杏子水分含量降到贮藏要求水分时的收缩率分别为45.03 %、45.25 % 和41.02 %，其中6 m/s的收缩率比9 m/s的收缩率增加了4.23 %，杏子干燥的收缩率随干燥风速的增加也呈现先增加后减小的趋势，在6 m/s时收缩率达到最大。这可能是因为风速越低，干燥介质中热空气流动的速度越慢，单位时间内杏子表面与周围介质进行能量交换的数量越少，延长了干燥时间，杏子缓慢的收缩最终超过了6 m/s的收缩率；当干燥风速达到6 m/s时，杏子的干燥速度适中，随着杏子内部水分的不断蒸发，干燥后期杏子表面形成硬壳，阻碍了水分的收缩，因而得到较大的收缩率；进一步提高干燥风速后，加大了干燥介质与杏子内部间的湿度梯度，导致了较大体积的收缩。

杜志龙[14]进行杏子气体射流冲击干燥收缩率的试验后发现，在风速为8.1 m/s时杏子干燥收缩率出现了拐点，娄正[15]进行红枣气体射流冲击干燥收缩率的试验后发现，在风速为9 m/s时红枣干燥收缩率也出现了拐点，这可能是由于物料的品种，干燥方式以及是否采用预处理方式间的差异导致。Ratti[16]研究也发现干燥温度和风速是影响物料收缩特性的主要因素。因此，合理的选择干燥温度及风速对物料干燥后体积的优化具有重要意义。

2.3 杏子的水分有效扩散系数

水分有效扩散系数是衡量物料干燥过程中水分迁移速度快慢的一个重要指标。收缩是物料干燥过程中的重要表现形式之一。杏子在干燥过程中的水分有效扩散系数可以由费克第二定律进行计算。

图1 干燥温度对杏子收缩特性的影响Fig.1 Effects of air temperatures on apricot shrinkage

图2 干燥风速对杏子收缩特性的影响Fig.2 Effects of air velocities on apricot shrinkage

图3 水分有效扩散系数与干基含水率关系Fig.3 Relation of moisture effective diffusivity and moisture content in dry basis

干燥温度或风速越高，杏子的水分有效扩散系数也越大(图3)，也就是说干燥温度或风速越高，杏子干燥过程中水分迁移速度越快。同时水分有效扩散系数随着干基含水率的减少呈现先增加后减小的变化趋势，说明杏子在干燥前期水分迁移速度较快，干燥后期水分迁移速度逐渐减慢。水分有效扩散系数的这一结论与Azzouz等[17]研究葡萄干燥的结论一致，而与肖红伟[4]不考虑收缩时计算的杏子水分有效扩散系数值(8.346×10-10～13.846×10-10m2/s)相比，其值小一个数量级，这可能是因为考虑收缩时物料迁移的距离是不断减小的，而非一个定值所致。

2.4 杏子收缩活化能

收缩活化能的大小与物料收缩难易程度呈正比。由公式(8)可知体积收缩系数的自然对数lnf与1/(T+ 273.15)呈线性关系，绘制线性关系图(图4)，其斜率k=-2.4811×103=-Ea/R，求杏子收缩活化能Ea= 20.67 kJ/mol。与干燥活化能30.62 kJ/mol[4]相比，杏子收缩活化能低于干燥活化能，也就是说杏子在水分开始迁移前，其体积已经发生了收缩。同时也与红枣收缩活化能12.81 kJ/mol[15]相比，杏子收缩活化能值相对较大，说明杏子发生体积收缩变化所需要的启动能量较大，在同样的条件下，杏子更难发生收缩变化。

2.5 不同干燥条件对杏子色泽的影响

如图5所示，干燥温度对干燥后杏子的色泽有重要影响，当干燥温度由45 ℃增加到60 ℃时，绿红值a*由8.132变化到11.303，蓝黄值b*由23.481变化到27.315，明亮度L*却由51.322变化到42.808，a*与b*值随干燥温度的增加而逐渐增加，L*值随干燥温度的增加而逐渐减小；但当干燥风速由3 m/s变化到 9 m/s时，绿红值a*由9.284变化到9.801，蓝黄值b*由23.620变化到24.881，明亮度L*却由49.722变化到46.616，风速对L*、a*和b*的值影响却不大。这主要是因为杏子中含有多酚氧化酶[18]，干燥过程中，在氧气和水的共同作用下发生酶促褐变，使干燥后的杏干颜色变暗，L*值降低；此外，随着干燥温度的不断升高，也加剧了杏子中糖类物质的分解，发生了Maillard反应，也使得杏子L*值降低。因此，为了得到较好的杏干色泽，干燥温度不宜过高。张京芳等[19]在研究不同处理方式对控制杏酶褐变的影响时得出，将杏子在沸水中烫漂4 min可基本控制多酚氧化酶引起的酶褐变；田呈瑞等[20]在研究杏多酚氧化酶动力学时得出，SO2、抗坏血酸及L-半胱氨酸对杏子的多酚氧化酶活性均有抑制作用，且抑制程度随浓度增加而增强。为获得较好的杏子干制品色泽，可采用预处理的方式。

图4 体积收缩系数与干燥温度的关系Fig.4 Relation of volume shrinkage coefficient and drying temperatures

图5 不同干燥条件对杏子色泽的影响Fig.5 Apricot colour value under different drying conditions

3 结 论

(1)在热风干燥过程中，杏子干燥收缩率随干燥温度或风速的增加均呈现先增加后减小的趋势。其中在干燥温度为50 ℃，风速为6 m/s时，杏子的干燥收缩率达到最大值45.25 %。

(2)在不同干燥条件下，利用费克第二定律计算的杏子水分有效扩散系数随干基含水率的减少呈现先增加后减小的变化趋势。与不考虑收缩后计算的水分有效扩散系数值相比小一个数量级。

(3)利用阿伦尼乌斯方程计算的杏子收缩活化能为20.67 kJ/mol，杏子在水分开始迁移前，其体积已经发生了收缩。

(4)干燥温度对干燥后杏子的色泽变化有重要影响，a*与b*值随干燥温度的增加而增加，L*值随干燥温度的增加而减小；风速对L*、a*和b*的值影响不大。

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Hot-airDryingShrinkageCharacteristicsandColorChangingofApricot

WANG Qing-hui, LI Zhong-xin, YAN Sheng-kun，A Bu-lizi

(Agricultural Mechanization Institute, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Xinjiang Urumqi 830091, China)

【Objective】The present study was conducted to improve the apricot drying quality and market competitiveness. 【Method】Hot-air was applied to drying apricot, and the effects of different drying temperatures and air velocities on the shrinkage characteristics and color change of drying apricot were investigated. 【Result】The shrinkage rate of apricot appeared to increase and then decrease with the increase of air temperature or air velocity; Its shrinkage rate reached the maximum of 45.25 % when the drying temperature was 50 ℃,and air velocities was 6 m/s; Considering its shrinkage characteristics, the moisture effective diffusivity coefficient of apricot appeared to increase and then decrease with the decrease of moisture content in dry basis, and the value of moisture effective diffusivity coefficient was smaller of a magnitude than that without considering shrinkage; The shrinkage activation energy of apricot was 20.67 kJ/mol; The drying temperature had a significant effect on the drying processing,a*andb*values appeared to increase with the increase of drying temperature, butL*values decrease; The air velocities had a little effect onL*,a*andb*values. 【Conclusion】This research provided a theoretical reference for shrinkage characteristics and color change of apricot using hot-air drying technology.

Hot-air；Apricot；Drying；Shrinkage；Color

1001-4829(2017)5-1189-05

10.16213/j.cnki.scjas.2017.5.035

2016-05-10

国家自然科学基金“杏子热风干燥过程中品质变化及调控机理的研究”(31460397)

王庆惠(1980-)，女，山东梁山人，副研究员，博士，研究方向为农产品加工技术及装备，E-mail：wangqh1201@126.com，Tel：13609978326。

S662.2

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(责任编辑 陈 虹)