温度对明星杏干燥动力学及品质影响规律研究

过利敏，肖 波，孟伊娜，张 健，张 平，霍锦双

(1.新疆农业科学院农产品贮藏加工研究所，乌鲁木齐 830091；2.中国科学院理化技术研究所，北京 100190)

0 引 言

【研究意义】我国新疆地区杏树资源丰富，种植面积和产量均居全国各省(区)之首[1, 2]。新鲜杏果采收时间集中，果实含水率较高，易腐且运距长，严重限制了杏的鲜食鲜销，超过95%的鲜杏只能在产区干制加工[3]，且主要集中在南疆地区。明星杏具有个大、肉厚、中晚熟等特点，是新疆和田地区主栽制干杏品种[4]。目前果农多采用传统露天摊晒制干，产品卫生质量问题突出。加强明星杏热风干燥技术及其最优工艺参数的研究，提高杏干产品质量，形成规模化加工，是解决以上问题的有效途径。【前人研究进展】新疆杏的机械制干目前主要可分为两大类：太阳能制干和普通热风制干[5]。现有杏的干燥研究主要集中于新疆赛买提杏[6-9]、库买提杏[10]、小白杏[11-14]和索克亚格勒克[9]等品种，对于明星杏干燥关注较少[1, 15]；且集中于太阳能干燥，太阳能干燥存在间歇性、易受天气影响的缺点，干燥时间仍然偏长[6, 16]。杏果干燥过程中除了水分含量变化外，还会伴随发生风味、色泽等一系列品质变化，了解杏的干燥特性和品质变化规律是干燥机械设计和操作规程制定的重要前提[17]。【本研究切入点】热风干燥对天气等环境因素要求不高，干燥温度可控，但对干燥操作要求较高，干燥参数的设置不当容易造成严重的产品品质退化，导致明星杏色泽变差、风味流失严重、产品香感官品质不及传统摊晒制干产品。研究温度对明星杏干燥动力学及品质影响规律。【拟解决的关键问题】高含水率植物物料的干燥过程中，物料中水分传输主要为内部过程控制，受温度影响最为显著[18-20]。以干燥温度为主要影响因素，通过明星杏干燥实验、色泽变化测定、感官指标综合评价等方法，建立明星杏的热风干燥动力学模型，提出明星杏的优化干燥温度。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 样品来源

新鲜的明星杏，选购于新疆乌鲁木齐水果批发市场。选择外观形状完整、大小基本一致的杏果，暂存于4℃冷库中保存备用，测得10个杏果的平均质量为(32.6±1.5) g，厚度为(1.26±0.01) cm。

1.1.2 主要仪器

101型电热鼓风干燥箱；TD型电子分析天平；CR-10型全自动测色色差计；DZF-6020型真空干燥箱；UV-2600型紫外-可见分光光度计。

1.2 方 法

1.2.1 操作要点

挑选无伤、大小基本一致的杏果，沿骑缝线一分为二切成两瓣，果肉保持完整，剖面朝上平摊于不锈钢平盘中，单层摆放，水平送风。

1.2.2 干燥

每盘装载量为500 g，干燥温度分别为40、50、60和70℃；干燥过程中将物料分为称重物料和抽样物料，同时放入给定温度的干燥箱中，每2～4 h称重1次，同时抽样测10个杏片的色度。每个处理每个时间点均进行3次平行试验，计算平均值及标准差。当含水量(w/w)在18%以下时，抽样并密封包装后放置于阴凉处保存，用于感官评价的测定。

1.2.3 干基含水率的测定

参照国标GB5009.3-2016减压干燥法测定。随机称取12瓣新鲜明星杏杏片，将其打碎成匀浆混合，取3个铝制称量皿和直径为1.5 cm玻璃棒。各称取3 g匀浆和石英砂充分混匀放入干燥箱45℃鼓风干燥4 h后取出。再放入55℃真空干燥箱内，抽真空为50 kPa，每隔2 h待恢复常压后，置于干燥器中0.5 h后称重一次。重复以上步骤直至前后两次质量差不超过2 mg，即为恒重。计算公式如下：

Mt=(mt-mg)/(mg-mb)×100.

(1)

式中，Mt-干基含水率，g/g；mt-称量皿和试样t时刻的质量，g；mg-称量皿和试样干燥后的质量，g；mb-称量皿的质量，g；t等于0时，为初始干基含水率M0。

1.2.4 干燥速率的测定

干燥速率DR是物料在干燥过程中每小时蒸发的水分量，其计算公式如下：

DR=dMt/dt=M△t/t=(Mt+△t-Mt)/△t.

(2)

式中，DR-干燥速率，g/(g·h)；M△t-相邻时间点物料干基含水率的变化量，g；△t-两次测量的时间间隔，h。

1.2.5 干燥动力学模型

利用测得的鲜杏含水率，根据干燥过程中物料重量变化计算出干燥过程中物料含水率的变化，以时间为自变量绘制相应的干燥曲线，明确明星杏各干燥阶段情况。利用干燥曲线外推获得其在给定干燥条件下的平衡含水率。为得到描述明星杏干燥过程的最佳动力学模型，研究采用以下3种最常用的干燥动力学方程来拟合获得的干燥数据[21, 22]：

单项扩散方程：

(3)

指数方程：

MR=exp(-Kt).

(4)

Page 方程：

MR=exp(-KtN).

(5)

上述方程中：MR为水分比；M为物料平均含水率；M0为物料初始含水率；Me为在给定热风温度、相对湿度的情况下的平衡含水率，实验中通过干燥法外推获得，认为物料重量变化很小时或不变时的含水率即为物料的平衡含水率；K为干燥动力学参数；A、N为参数。

1.2.6 色度的测定

杏干颜色变化采用CR-10型色差计测定，采用反射模式测定样品的L、a、b值，重复10次并计算总色差△E。其中L表示亮度，L值越小，表明产品亮度越低；a>0表示红值、a<0表示绿值；b>0表示黄值、b<0表示蓝值。△E表示总色差，见式6，反映色泽的总体变化，△E越大表示颜色变化越大。

(6)

1.2.7 感官综合评价

当杏片水分降至安全水分以下(≤18%)，取出编号后于阴凉处密封过夜再转入4℃保存备用。采用甜度、色泽、酸度、香气和硬度五个指标综合评价明星杏的品质。用于摆放杏干样品的盒子要求外观一致。评价人员共选9位，要求生活习惯较好、无特别饮食偏好。在评价前需要掌握与香气相关的描述词，如4个频次最高的描述词(A典型浓郁、B较浓郁、C基本无香味、D后熟味)，然后给各气味指标的强度打分：强度分为十级(0～9)，等级越高表示强度越高，气味越浓。采用雷达图展现实验数据[12]。

1.3 数据处理

每组实验重复3次，用Excel2016软件对干燥实验数据做曲线图，并对干燥动力学模型进行回归拟合分析。

2 结果与分析

2.1 干燥温度对明星杏热风干燥特性的影响

水分含量对明星杏干感官品质及储藏稳定性均有十分重要的影响。不同干燥温度的干燥曲线和干燥速率曲线显示，4个风温梯度下明星杏含水率和干燥速率的干燥曲线。风温越高，干燥速率越大，相同时间干燥物料的干基含水率就越低，所用的干燥时间也越短。明星杏片达到干燥终点时，70℃的干燥时间是60℃的1.7倍，并且两者干燥曲线差距较大，这可能是由于风温越高，传热推动力温度差越大，当温度达到物料内部传质的临界值，干燥过程中的果实与外界热交换、水分扩散的速率发生了跃迁，因此，出现较大差异。但是温度过高，干燥过程能耗较大。一般选择干燥温度50～60℃较适宜。图1

图1 不同温度下明星杏含水率和干燥速率变化
Fig.1 Effect of temperatures on water content and drying rate of star apricot

2.2 干燥动力学模型拟合结果

2.2.1 参数拟合

用经过线性化处理后的3种干燥动力学模型，对实验获得的各含水率数据进行拟合，得到不同温度下各参数的值。表1

表1 各方程参数的拟合值
Table 1 Fitting value of each equation parameter

TMR=Aexp(-Kt)MR=exp(-Kt)MR=exp(-KtN)AKR2KR2KNR2401395702003888309368370034121091791600163841155216097375501516971007449809660100652110945449002913111971080978684601342820008559609815700775570969811003320112238570965367016744680153255092934501334280908060039756113509220954573

各模型决定系数R2的对比图，总体上可以认为Page方程的拟合优度较好。图2

根据表1中各参数值随温度的变化规律，假设方程(1)中A为常数，取平均值，K为热风温度的线性函数，单项扩散方程为：

MR=1.482 491exp[-(0.003 542T-0.106 76)t].

(7)

式中:T为温度，℃；t为温度，h。

假设方程(2)中，K为热风温度的线性函数，指数方程为：

MR=exp[-(0.003 103T-0.093 068)t].

(8)

式中:T为温度，℃；t为温度，h。

假设方程(3)中，K和N为热风温度的线性函数，Page方程为：

MR=exp[-(0.000 742T-0.011 184)t0.006 139 T+0.894 149].

(9)

式中T为温度，℃；t为温度，h。

图2 各公式拟合结果的决定系数R2对比

2.2.2 拟合结果

研究表明，三个模型的预测结果与实验结果的对比情况表明，单项扩散方程的预测值在干燥开始阶段与实验结果有较大的差距，随着干燥的进行与实验结果吻合得越来越好，这是单项扩散方程的典型特征。单项扩散方程为描述物料内部水分扩散传输方程在给定狄利克雷边界条件下解析解的第一项，忽略了对流传质边界层的影响，忽略了高阶项的影响，因此，在干燥初始阶段有较大误差，随着干燥过程进行，边界层和高阶项的影响越来越来小，单项扩散方程越来越准确[19]。模型预测值与实验结果的标准偏差，可见Page模型的预测效果最好。因此，对于明星杏薄层干燥过程，适合采用Page模型描述温度的影响。表2

干燥时热风温度对干燥时间有显著影响。热风温度从40℃增加到70℃时，干燥时间从100 h左右减少到30 h左右。杏干的大部分干燥过程中，物料失水速率由物料内部水分传输过程控制，热风温度升高，物料内部的温度也会升高，内部水分传输会加快(假设物料内部水分传输为液态扩散，则扩散系数随温度升高而升高)，进而干燥速率增大，干燥时间缩短。因此，实际杏干的制干生产中，在保证产品品质的前提，可适当提高热风温度以缩短干燥时间。图3

图3 模型预测结果与实验结果的对比

Fig.3Comparisonofmodelpredictionsandexperimentalresults

表2 模型预测值与实验结果的标准偏差(S.E.)
Table 2 Model predictions and experimental results standard deviation (S.E.)

T(℃)MR=Aexp(-Kt)MR=exp(-Kt)MR=exp(-KtN)400140640056190049035001206200638500283860012240106970052770013058009775005484

2.3 热风温度对杏干颜色影响

干燥温度是影响明星杏干果颜色指标的重要因素。研究表明，干燥前后杏干颜色的差值随热风温度的变化情况，可以看出随着温度的升高，杏干颜色变化越大，但是50和60℃之间的差异较小。干燥过程使得明星杏颜色的红值增加，黄值减少，亮度降低；并且随着温度增加，增加和减小的幅度都呈增大的趋势。杏的干燥过程应尽量提高红值、黄值，维持其亮度[14]，可见热风干燥过程中杏的色泽品质存在下降，干燥温度越高下降越大。因此，在后续的研究中应研究控制L、a、b值变化的干燥参数操作机制，优化杏干的品质。图4

2.4热风温度对杏干感官品质指标影响的综合评价

获得的感官指标数据如表3所示，图5为温度对感官品质指标影响的综合评价。

甜度得分越高表示品质越好，4种干燥条件下测得杏片的甜度都在适中范围内，其中40℃的甜度最高。从色泽上观察，40、50、60℃下色泽变化不大，而70℃下变化较大，这与测得的色差变化一致。酸度结果显示，酸度都适中，符合大众的口味。其中40℃干燥时酸度最小，60℃时酸度最大，其余干燥条件酸度相近。从香气角度来说，60℃香气最差，在40℃干燥条件下明星杏的香气较其它3种干燥条件更为浓郁。从硬度方面来讲，40℃硬度最小，其余各干燥方式下明星杏硬度适中。综合考虑，50℃干燥下的明星杏感官上最优。表3，图5

图4 干燥前后杏干颜色的差值随温度的变化
Fig.4 The color difference of apricot with the temperature changes before and after drying

表3 各干燥温度下的感官品质指标
Table 3 Sensory quality indicators at different drying temperatures

干燥条件(℃)甜度硬度色泽酸度香气合计404529553135195503749554629217602642555623203703355614429222

图5 温度对感官品质指标影响的综合评价
Fig.5 The comprehensive evaluation on influences of temperature on the sensory quality indicators

3 讨 论

研究了干燥过程最重要的参数之一“干燥温度”对明星杏干燥过程和干燥品质的影响。结果表明，在最常用的三种薄层干燥模型中，Page模型适合用来描述温度对明星杏薄层干燥过程的影响。热风温度对干燥效率(干燥时间)的影响显著。热风温度从40℃增加到70℃时，干燥时间从100 h左右减少到30 h左右。杏干的制干生产实际中，在保证产品品质的前提，可适当提高热风以缩短干燥时间。

品质指标的影响研究表明，总体上干燥温度越高，品质指标劣化越严重，尤其是颜色和硬度指标。为了保证品质，干燥过程中应尽量降低干燥温度，但会严重影响干燥效率。因此，综合考虑温度对干燥时间和各品质指标的影响，可以认为明星杏干燥的最优温度在干燥温度的上下限范围内存在最优值，实验中最优值为50℃。

研究没有涉及到影响干燥过程的其他重要影响因素，如热风相对湿度和风速，在后续的研究中应综合考虑这些因素的影响，对明星杏的干燥工艺进行进一步的优化。

4 结 论

4.1 采用最常用的三种薄层干燥模型，对实验获得的各含水率数据进行线性化处理和拟合，结果显示，在明星杏薄层干燥过程，Page模型适宜用于描述温度的影响，Page方程为：MR=exp[-(0.000 742T-0.011 184)t0.006 139 T+0.894 149]。

4.2 杏干感官品质综合评价结果显示，4种干燥条件下测得杏片的甜度、酸度和硬度都在适中范围内，其中40℃的甜度最高。干燥过程使得明星杏颜色的红值增加，黄值减少，亮度降低，其中70℃下色泽变化较大，50和60℃的差异较小。40°C的明星杏香气较其它3种干燥条件更为浓郁。50℃干燥下的明星杏感官上最优。

4.3 在明星杏的热风干燥实验中，风温越高，相同时间点物料的干基含水率就越低，所用的干燥时间也越短。明星杏片达到干燥终点时，70℃的干燥时间是60℃的1.7倍。综合考虑温度对干燥时间和各品质指标的影响，得出明星杏的热风干燥温度最优值为50℃。

)

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