胡萝卜微观区室结构对红外干燥效率和水分迁移的影响

刘玉辉，王相友，魏忠彩

胡萝卜微观区室结构对红外干燥效率和水分迁移的影响

刘玉辉，王相友※，魏忠彩

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255049）

为充分利用果蔬微观结构的特点提高干燥效率，探究切片方式对胡萝卜干燥效率的影响，根据胡萝卜切片的微观区室结构具有各向异性多孔介质的特征，在红外干燥过程中，分别对样品采用纵切和横切方式进行对照试验，在加热功率为800 W，辐照距离为50 cm，表面温度为60 ℃条件下，直径40 mm、厚度为 5mm的圆饼状横切薄片，比35 mm× 35 mm×5 mm的长方体纵切薄片，湿基含水率到达10%的时间少1.5 h，说明横切胡萝卜薄片的干燥速率高于纵切薄片，横向切片的干燥效率更高，能耗更低。对干燥后横切样品的中心和边缘部位分别取样，利用扫描电镜观察，由扫描电镜图像分析得到：失水后干物质形成蜂窝状区室结构，各区室形成的内部孔隙在轴向上前后连接；横截面方向上，孔隙被干物质隔断为独立的单元空间，且样品中心部位比边缘部位孔隙率高，物料弯曲度低，区室舒展，孔隙系数大，区室空间开阔，微孔半径大。用高光谱技术测定胡萝卜薄片干燥过程中的含水率，发现在同一时间点上，中心部位的含水率始终高于边缘部位，两部位的含水率变化率基本相同，说明物料中心和边缘部位的水分迁移相互独立，水分沿横向迁移不明显，由于中心部位的初始含水率高，所以中心部位对红外辐射能量的利用率更高。在新鲜胡萝卜和干燥后样品的同一位置取样，根的上部方向为上表面，根冠的方向为下表面，利用透射电镜对细胞的超微结构进行对照观察，由透射电镜图像分析得到：失水后的细胞内容物沉积于细胞壁横截面的四周，与细胞壁紧密结合在一起，降低了该区域细胞壁的通透性；在细胞壁横截面的顶部和底部，未发现细胞内容物形成的干物质沉积，孔隙的通透性较高。在垂直于区室壁的方向上，水迁移受到的阻力较大，物料中的水主要沿区室连通的方向进行迁移。研究结果为胡萝卜横向切片具有较高干燥效率做出了微观解释。

光谱；干燥；超微结构；胡萝卜；红外干燥；区室结构

0 引 言

利用红外辐射加热技术对果蔬干燥，红外光线在果蔬生物组织间、细胞间、组织间隙乃至细胞内部不同部位之间进行传播的过程中，会发生吸收、散射、反射和透射等[1-2]。果蔬的微观结构对红外光的传播、能量传递和水分迁移都有影响，不同种类果蔬、果蔬的不同部位以及生物组织微观区室的结构、形态、成分都存在差异，对红外线的吸收和能量传递会表现出不同的光学特性。作为植物的根，胡萝卜内部组织结构具有方向性差异，在横切面上，胡萝卜具有以轴向为中心的同心圆型环状结构，不同层级结构的致密度也存在显著差异，在宏观上具有明显的纹理特征，在微观结构上，物料中运输水分的输导组织是由微小的区室状空间单元组成的，这些空间单元在不同方向上具有结构和组成材质的差异，在对物料进行红外干燥的过程中，传热传质都无法呈现出各向同性的特征。

在应用红外辐射加热技术对胡萝卜薄片进行干燥的试验中，张丽丽等[3-4]研究表明，辐射强度和物料厚度对水分扩散系数影响较大，随着辐射强度增加和样本厚度变小，有效水分扩散系数变大，在胡萝卜片厚度为4.5 mm，辐照距离为12 cm，物料温度55 ℃时，在保证干燥品质较好的条件下，效率最高；刘英[5]研究表明，在干燥温度为70 ℃，切片厚度为4 mm，辐照距离为240 mm时，胡萝卜的干燥效果较好；马国军等[6]求解得出干燥温度为72.4 ℃、切片厚度3.01 mm和辐照距离239.99 mm状态下，远红外辐射对胡萝卜薄片干燥工艺较优。上述试验对胡萝卜薄片的分析都停留在宏观层面的基础上，而分析不同切割方向下物料微观结构对干燥的影响则会对物料干燥工程实际更加具有指导意义。马学文等[7]对饼状污泥和球状污泥的干燥特性差异进行了研究，分析了形状差异对干燥速率和物料内外温差的影响；Nazghelichi等[8]通过流化床对胡萝卜立方体进行干燥，探究干燥变量对能源利用率的影响，结果表明小颗粒、深床和高温提高了传热传质的能量利用率，但均未涉及干燥特性与微观结构之间相互作用。

本文对胡萝卜进行纵向和横向2种切片方式进行试验，探究区室结构的各向异性对红外辐射能的吸收率和水分迁移率的影响；利用高光谱技术测定干燥过程中物料不同区域含水率的变化规律，探究干燥过程中水分在物料中的迁移方向；通过扫描电镜观察物料不同部位区室结构的差异，分析水分迁移与区室结构之间的关联特性和相互作用机理；通过透射电镜观察物料干燥过程中细胞超微结构的变化，探究红外干燥过程中物料区室结构的变化规律和内在机理，为红外干燥的光学机理、能量传递、水分迁移理论做进一步完善，为红外辐射加热技术在农产品干燥过程中更好地利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设备

优质红森胡萝卜（购自淄博当地超市，新鲜清洁、品质优良）。

YHG-50*55BS型远红外恒温干燥箱（上海跃进医疗器械厂）；TP-114型电子天平（最大称量220 g，最小称量0.1 mg，丹佛仪器（北京）有限公司）；物料盘若干；样品厚度可调节刀具；镊子；手套；与试验样品直径一致的模具；Quanta250型扫描电子显微镜（FEI香港有限公司）；JEOL-1200EX型透射电子显微镜（日本JEOL公司）、LKB-V型切片机（瑞典LKB公司）。

高光谱成像系统：CCD摄像头（ImSpector V10E, Spectral Imaging Ltd, Finland）、精密电控平移台（SC30021A, Zolix Instruments Ltd, China）、150W 光纤卤素灯（Fiber-Lite DC-950 Illuminator，Dolan-Jenner Industries Inc，America）、电子控制箱（SC300-1A，Zolix Instruments Ltd，China）和计算机等部件。

1.2 试验设计

1.2.1 湿基含水率

胡萝卜在干燥过程中的湿基含水率根据 GB/T5009.3—2010《食品中水分的测定方法》进行测定[9]，计算公式如下：

式中M为物料的湿基含水率，%；m为物料在时刻质量，g；m为物料干燥平衡时的质量，g。

对样品按照纵向和横向两种方式进行切割，如图1所示，分别取样试验。横切样品直径为40 mm，厚度为5 mm的圆饼状薄片，面积1 256 mm2，体积6 280 mm3，取样部位为胡萝卜中部横切面，芯部面积占比约为1/4；纵切样品为35 mm×35 mm×5 mm的长方体薄片，面积1 225 mm2，体积6 125 mm3，取样部位为胡萝卜中部，以中轴部位为中心，左右两侧对称，样品应尽可能多包含胡萝卜的组织结构（髓、木质部、韧皮部、厚角组织、微管束和皮层）。

图1 胡萝卜的两种切片方式

取横切厚度5 mm的胡萝卜薄片，用直径10 mm的打孔器在薄片的中心髓部和边缘皮层部分别取样，样品面积78.5 mm2，体积274.75 mm3。

用红外辐射加热系统（表面温度分别为60 ℃，辐照距离50 cm，功率800 W）对上述2种样品进行干燥。每隔0.5 h取样1次并称质量，每隔1 h对样品进行1次高光谱数据采集，再将所取样品置于105 ℃红外恒温箱内至绝干，干燥至湿基含水率降至8.7%以下时试验结束。每个试验重复3次，取平均值。

1.2.2 高光谱成像数据的采集与标定

高光谱技术具有便捷、高效、快速、准确的特点，为研究胡萝卜样品中不同部位之间含水率的差异及测量水分在样品干燥过程中的传热传质特征带来了便利。采用高光谱技术对同一样品的中心部位和边缘部位，在同一干燥时刻的含水率进行测量，分别找出中心部位和边缘部位含水率的变化规律。

采集数据之前，将系统打开预热30 min，将采集参数设置为：曝光时间为45 ms，图像分辨率为618×1 628像素，平移台的移动速度为90 mm/s，光谱分辨率为2.8 nm，光谱范围为410～1 010 nm，采样间隔为0.858 nm。采集时将胡萝卜薄片样本平放在平移台上并关闭箱门，打开平移台装置，开始采集数据。样品设置3个平行组，取平均值。样本采集过程中的噪声、暗电流会等因素会对图像造成干扰，因此，对原始图像进行校正后再提取数据。

1.2.3 超微结构的观察与测定

对横切胡萝卜薄片样品在60 ℃状态进行红外干燥至含水率降至8.7%，对干燥后样品的中心髓部和边缘部位分别取样，切成2 mm×2 mm的小块，用镊子固定到样品台上，喷金镀膜处理5 min，真空度为200 Pa，加速电压为5 kV，采用电子显微镜观察该样品的表面结构。

分别在新鲜的萝卜和红外干燥后的样品的髓部的同一位置取样，用双面刀片将选取的样品，分别切成1 mm× 1 mm×2 mm大小的块，用质量分数4%戊二醛溶液（0.1 mol/L磷酸缓冲液配制，pH值7.2）在4 ℃条件下前固定2 h，用pH值7.2的磷酸缓冲液漂洗3次，每次15 min。用质量分数1%饿酸溶液（磷酸缓冲配制）4 ℃后固定2 h，用磷酸缓冲液冲洗漂洗3次，每次30 min。用质量分数50%、70%、80%、90%、100%丙酮溶液梯度脱水，各级30 min。环氧树脂Epon-812渗透包埋，37 ℃烘箱聚合12 h后，于45 ℃聚合12 h，最后于60 ℃聚合24 h。用LKB-V型超薄切片机切成60 nm的薄片，以根上部方向为上表面，根冠方向为下表面，再经铅铀电子染色后，在JEOLM-1230型透射电镜观察拍照。

1.2.4 传热传质特征分析

对样品的传热传质特征进行分析，用到的公式如下[10]

非稳态扩散过程中的菲克第二定律

式中为扩散物质的体积浓度，kg/m3；为扩散时间，s；，，为3个维度上的距离，m；为扩散系数，cm2/s。

2 结果与分析

2.1 含水率的变化规律

试验中采用单一辐照源，胡萝卜薄片内部形成不稳定、不均衡的湿热场，由式（2）可知，由于胡萝卜物料在3个维度上对水的迁移阻力存在差异，不具有各向同性的特征，再加上干燥过程中物料的传输特性不断发生变化，因此，水分在3个维度上的扩散系数必然存在差异。

如图2所示，在物料干燥过程中，水分与物料的分离主要发生在红外辐射源直接照射的辐照面（物料上表面），物料在吸收红外辐射能量后，物料辐照面处在温度升高的同时，含水率下降，由辐照面向内，温度逐渐下降，含水率不断升高，形成向着辐照面呈温度递增、湿度递减的湿热场，物料中的水分迁移，在热力作用下，沿着轴的负方向，向物料上表面迁移，并最终在辐照面处与物料分离。在沿着轴和轴方向两个维度上，由于缺少能量的持续供给，水的迁移主要是以渗透扩散的方式进行，迁移速率较慢。由于胡萝卜具有各向异性非匀质多孔介质材料的性质，水在物料内不同方向上迁移过程中所受的阻力存在差异。在2种切割方式下，物料在3个维度上的厚度存在较大差别，水在向辐照面迁移时所受的阻力必然存在差异，消耗的能量也不尽相同。物料沿轴方向的通透性越好，干燥速率越快，能耗越低。由图3可以看出，横切方式的薄片，干燥过程中自1.5 h开始，含水率下降较快，到达绝干状态用时较少，干燥过程中的能耗低，说明在横切方式下，物料内部水分迁移到辐照面受到的阻力小，水在物料中的扩散系数大、渗透速率高。

注：箭头表示辐照方向。

图3为红外干燥过程中胡萝卜两种切割薄片的含水率变化曲线。从图中可以看出，两种切样方式下，样品含水率随红外干燥时间的变化趋势相同。但是，两种样品干燥过程中含水速率的变化存在差异。在干燥初期的1 h，两种方式下样品的含水率相近，此时物料失去的主要是靠近辐照面部位的水，因此，和组织结构对内部水分迁移的阻碍作用关系较小。从1.5 h开始，横切样品的失水速率开始高于纵切样品，在3.5 h之后，横切样品的含水率开始快速下降，7 h后，横切样品含水率降至10%，趋于稳定。纵切样品在4 h后，含水率开始快速下降，8.5 h后，纵切样品含水率降至10%，趋于稳定，湿基含水率降至10%所需时间比横切样品大约多1.5 h。整个干燥过程中，纵切薄片含水率一直高于横切薄片，纵切薄片具有明显的滞后特征。由于物料中水分的散失遵循先外后内的规律，首先失去的是处于物料表面的水分，内部的水分需要迁移到表面位置之后，才能实现与物料的最终分离，因此，在两种切片的干燥过程中，只有最初位于物料表面处的水分迁移特征具有一定的相似性，位于物料内部的水分散失过程差异较大。

图3 两种胡萝卜薄片含水率随红外干燥时间的变化曲线

在中心髓部和边缘皮层部取相同形状、表面积和体积的横切物料，在相同条件下（表面温度分别为60 ℃，辐照距离50 cm，功率800 W）进行干燥，得到如图4所示的含水率变化曲线。

图4 胡萝卜中心髓部和边缘皮层部含水率变化曲线

由图4可以看出，在6.5 h处两部位含水率基本相同，在6.5 h之前的相同时间节点上，中心髓部的含水率一直高于边缘皮层部，但两者含水率变化趋势大致相同，6.5 h之后两部位含水率变化基本相同。将两条曲线按照横切面积1:3的比例进行加权平均，则与图3中的横切样品含水率曲线具有较高的吻合度，说明在干燥过程中，物料中心髓部和边缘皮层部的水分迁移具有一定的相对独立性。

2.2 光谱反射率分析

从图5干物料的表征特性可以看出，物料在干燥过程中，中心部位和边缘部位的收缩度、弯曲率以及物料的致密度等都有较大的差异。中心部位收缩率高，物料中心和边缘在干燥过程中产生应力差，物料在失水过程中发生扭曲变形，这种差异除去材料自身的特性外，水的迁移对物料也会起到一定作用。这就需要对中心部位和边缘部位含水率的变化进行对比研究。

图5 两种胡萝卜切片干物料

图6为通过高光谱技术测量的样品对光线的反射率光谱图，从图6中可以看出，胡萝卜样品对980 nm附近的光线具有较低的反射率，形成一个突出的吸收峰值，这是由于水对于波长为980 nm的红外线具有较强的吸收能力所导致的。同时，水分子有较宽的吸收峰，所以水分子的红外吸收光谱在980 nm附近形成具有一定宽度的带状光谱。在980 nm附近的波谱段上，样品含水率越大，反射率就越低。随着干燥时间的增长，样品含水率不断下降，样品中水对于980 nm波段光的吸收能力不断下降，谱线在该波段的反射率也随着干燥时间的增加不断上升。在干燥时间达到7 h后，样品对980 nm波段的反射峰值消失，这与样品干燥曲线中含水率的关系相吻合。

由图6的反射率光谱求出物料对波长980 nm处光的反射率，得到如图7所示样品对波长为980 nm处光的反射率随干燥时间变化曲线。从图中可以看出，在相同时间点上，中心部位始终低于边缘部位，但两部位反射率随时间变化的规律和趋势基本相同，并且在相同时刻，两部位反射率的变化梯度值接近，其差值与两部位物料表面的孔隙形状、孔隙率以及表面粗糙度有关。

在含水率降到10%以前，对于980 nm波段附近的光线，样品中心部位的反射率一直低于边缘部位，说明无论是新鲜的胡萝卜还是在干燥失水的过程中的同一时间点上，中心部位的含水率都高于边缘部位，中心部位和边缘部位之间的含水率一直存在梯度差，与图4结果一致，可以看出在相同的时间点上，物料中心部位和边缘部位含水率的变化率基本相同，这说明在干燥过程中，两部位之间水分的迁移不明显，水主要沿胡萝卜纵向迁移，与纵向的迁移量相比，水在横向的迁移量占比较低。可见，在红外辐射干燥过程中，样品中的水分迁移路径主要是沿平行于中轴的纵向进行的，在横向上由内向外进行水分迁移的特征不明显。

图6 胡萝卜表面的反射率光谱

图7 中心和边缘对波长980 nm的反射率

2.3 扫描电镜（Scanning Electron Microscope）微观结构分析

多孔介质的渗透差异是由孔隙结构决定的[11-12]，孔隙的微观差异会造成水的分布和温度场不均衡[13]，多孔介质的空间节点和矩阵格子特征都会对多孔介质流体运动和溶质运移过程的相关参数产生较大影响[14-17]，孔隙率、弯曲率、孔隙形状和微孔半径等结构特性都会影响到流体的渗透率[18]。胡萝卜作为多孔介质材料，在干燥过程中，水在物料不同部位迁移速率的差异，与这些部位孔隙的特点必然存在一定的关联性，因此，取横切、纵切薄片为研究样本，对干燥后的胡萝卜薄片的中心部位和边缘部位分别取样，通过扫描电镜进行观察，对二者在水分迁移速率上存在差异的微观特性进行分析。

图8是干燥后样品在扫描电镜下微观结构图。将横切样品SEM图像中心和边缘部位的结构进行比较，可以看出：样品中心部位的结构相对松散，干物质含量相对较少，相等空间范围中含有的区室数量少，单位区室占有的空间大，干物质所形成的孔隙壁较薄；边缘部位区室紧凑，单位区室占有的空间小，区室壁厚度大，物质结构致密。中心部位的区室材质相对松散，区室内部空间较大，具有更强的水合能力，因此，在胡萝卜的横切面上，中间部位比边缘部位的含水率高。在孔隙结构排列上，两部位的区室壁都沿纵向排列，区室之间的联通方式也都呈现出横向阻隔、纵向联通的状态。具有相似特点的区室之间有机结合，形成了区室之间在纵向上联通、在横向上彼此隔离的微孔结构，样品吸收红外辐射能后，大部分的水会沿着平行于胡萝卜中轴方向，在这些微管束中向辐照面方向进行迁移。

图8 干燥胡萝卜样品表面SEM图像（50 μm）

与横切样品相比，纵切样品中心部位不但孔隙数量少，而且孔隙的深度较浅，而边缘部位表面平整度较高，没有明显的孔隙结构。与横切薄片相比，孔隙通道较少的纵切薄片，内部水分在向表面迁移的过程中所受阻力较大。

2.4 透视电镜（Transmission Electron Microscope）超微结构分析

对物料进行红外干燥时，细胞所具有的生命力与传热传质之间产生一定的相互影响和相互作用。为此，试验中对鲜物质中含水率高且在干燥过程中失水速率较快的中心部位细胞取样，通过透射电镜进行观察（图9），对水分迁移的内在机理作进一步的探究。

放大倍率为5 000×的TEM图像显示：由于新鲜胡萝卜含水率很高，因此，在鲜活的胡萝卜细胞内，大部分空间都被占空比较大的液泡占据，细胞壁厚度均匀，排列规则有序，细胞器和细胞质被限定在液泡膜和紧贴细胞壁的细胞膜之间占比非常小的区域内。尽管细胞器在细胞内所占空间较小，但是这个空间所在的位置规则有序，从胡萝卜的横向切面方向看，细胞器都位于细胞横切面上，紧贴于细胞壁的边缘区域，在横切面中央部位，未发现细胞器结构。在经红外干燥后干样品细胞的TEM图像上，脱水后干细胞的细胞壁具有明显的塌陷现象，细胞壁皱缩特征明显，细胞膜和液泡膜等各种类型的膜结构均消失，细胞壁厚度不均，有干物质沉积的部位，细胞壁比较厚，没有干物质沉积的部位，细胞明显较薄。以细胞壁为骨架构建的区室中间形成一个空腔，空腔的中央部位没有发现沉积的干物质，空腔沿轴向具有较高的通透性。

图9 横切鲜物料和干物料细胞结构的TEM图像

通过放大倍率为15 000×的TEM图像，对鲜物料与干物料在细胞壁附近区域进行比较，可见，随着干燥过程的进行，细胞结构发生了明显的变化。鲜物料细胞的细胞器被挤压在液泡膜与细胞膜（细胞膜紧贴细胞壁）之间的狭小区域内，细胞膜和液泡膜结构完整，细胞器结构完整且排列紧凑有序，细胞质中固态物质的含量明显高于液泡内的固态物质，细胞质内固态物质在膜结构的阻隔下，未能与细胞壁之间形成稳定的结合力，也无法达到与细胞壁紧密结合的状态。失水后干物料细胞的细胞膜和液泡膜结构均消失，细胞器及细胞内其他内容物失水后形成的干物质沉积于临近的细胞壁上，并与细胞壁紧密结合在一起，使该区室部位的细胞壁明显变厚。在失水过程中，失水后的细胞器以及细胞质中的固态物质逐渐收缩为大小不等的固态颗粒物，沉积在细胞壁的孔隙处，降低了该部位细胞壁的通透性，削弱了细胞内剩余的水透过细胞横向进行迁移的能力。

3 讨 论

新鲜胡萝卜细胞的细胞器位于细胞壁为框架的区室结构内沿轴向的细胞壁侧壁部位[19-21]。在红外辐照作用下，液泡膜的分解是一个逐渐的过程，在液泡膜分解之前，细胞失去的主要是细胞质内的自由水，液泡内溶液与细胞质溶液间的浓度差不断加大[22-25]。液泡膜内液体浓度较低，呈现牛顿流体特征，黏稠力较小，而液泡外液体，随着干燥过程的进行，浓度不断升高，黏稠度也不断上升，非牛顿流体特征越来越突出。随着液泡膜内外溶液浓度差异的上升，在液泡膜的内外表面形成的压力差也越来越大，加速了液泡膜的破裂。同时，具有较高黏度的细胞质逐渐黏附于邻近的细胞壁上，阻塞了细胞壁上的孔隙，降低细胞壁横向的通透性。

胡萝卜的区室结构把物料中的水分分割在不同的空间体系中[26-27]，形成水分子的聚集团，在外部能量输入过程中，由于区室内部各部位水的受热不均，不同部位的水之间产生密度、温度等物理量的差异，左右相邻区域和上下层级区域之间都产生热力梯度差，水的运动产生紊流现象，在区室内部形成局部湍流现象[28-29]，阻碍水分的迁移。垂直于红外辐照方向上，横切薄片的区室孔径较大，红外辐照能量在区室内垂直于红外光传播方向的横截面上差异较小，区室内部水受热均匀，热力梯度差异小，湍流特征不明显，这也是横切薄片干燥速率较快的一个因素。

4 结 论

1）对胡萝卜切片进行红外加热干燥时，水分沿纵向的迁移能力高于横向，这既与胡萝卜本身的结构和材质有关，也受物料干燥过程中出现的变化的影响。为提高胡萝卜薄片红外干燥的效率和降低能耗，脱水生产中应对胡萝卜物料进行横向切片。

2）在红外干燥过程中，胡萝卜细胞内容物失水后，以固态颗粒物的形式附着于横向的细胞壁上，阻塞该部位细胞壁上的孔隙，降低了细胞的横向通透性，增大了水透过该区域细胞壁的阻力。在失去生命特征之前，细胞与邻近细胞之间会发生一系列生物化学反应，并且随着含水率的下降，毗邻细胞间的结合度上升，并在细胞间不断拓展和外延，形成网状空间区室结构体系，体系中的每一个区室都是以这些细胞为骨架材料构建的，横向的区室壁紧密排列，纵向孔隙通道顺次连接形成通路。这与扫描电镜图像显示的胡萝卜中的区室结构具有纵向通透和横向阻隔的特征相吻合。

3）水在胡萝卜这种以微观区室结构为单元构成的多孔介质材料中迁移时，在垂直于轴向上的迁移阻力较大，在沿着轴向上则具有较高的传质能力。干燥过程中，水在胡萝卜内的迁移路径主要为沿轴向孔隙连通的方向。

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Effects of carrot microstructure on infrared drying efficiency and moisture transfer

Liu Yuhui, Wang Xiangyou※, Wei Zhongcai

(,,255049,)

This study aims to improve the drying efficiency and quality of a carrot during infrared drying. Two cutting methods (cross cutting and longitudinal cutting) were selected to treat the fresh produces, according to the anisotropic porous media of a carrot. The results showed under the surface temperature of 60 ℃, the cross-cutting carrots with the diameter of 40 mm and the thickness of 5 mm behaved the higher drying efficiency, compared with the longitudinal samples with the length of 35 m, the width of 35 mm, and the thickness of 5 mm. The 10% of moisture content was achieved about 5 hours for the treatment of cross cutting ones, indicating 1.5 hours less than that of longitudinal carrots. It suggested that the water in carrots was mainly transferred along the axial direction, whereas, the transport of water along the cross section cannot be found obviously during the drying process. A Scanning Electron Microscope (SEM) was used to observe the middle and edge positions of dried samples, to further verify the microcosmic mechanism. The SEM images showed that a honeycomb microstructure was formed after the process of water loss, which was connected in the axial direction, but divided in the horizontal direction. Compared with the marginal part, the central part presented the higher voidage, lower curvature, larger coefficient of voidage, wider chamber space, and larger micropore radius. A Transmission Electron Microscopy (TEM) was also used to characterize the ultrastructure of the cells for the samples. TEM images showed that the dehydrated cells were mostly deposited around the cross section of the cell wall. These sediments were closely bound to the cell wall, and thereby to reduce the permeability of the cell wall in this part. Furthermore, sediments were not observed at the top or bottom of cell wall in the cross section, due mainly to the higher of porosity. These cells served as the skeletal materials for the wall of compartments. It infers that the water in the material flowed mainly through the voids, possibly due to the high resistance for water in the direction perpendicular to the cell wall. Moreover, Hyperspectral images revealed that the water content in the center was higher than that at the edge during the whole drying process, indicating that the loss rate of water in the two parts showed no significant differences at the same time. There was no obvious water migration in the lateral direction of materials, whereas, the central part of the zone with loose structure had a higher utilization rate of infrared energy. These data demonstrated that the different cutting methods (cross cutting and longitudinal cutting) can strongly affect the efficiency of drying. The findings can contribute to a microcosmic explanation for the infrared drying characteristics of carrot slices, and further provide a theoretical basis to improve the energy efficiency in infrared drying of carrots.

spectrum; drying; ultrastructure; carrot; infrared drying; chamber structure

刘玉辉，王相友，魏忠彩. 胡萝卜微观区室结构对红外干燥效率和水分迁移的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(23)：293-300.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034 http://www.tcsae.org

Liu Yuhui, Wang Xiangyou, Wei Zhongcai. Effects of carrot microstructure on infrared drying efficiency and moisture transfer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(23): 293-300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034 http://www.tcsae.org

2020-09-30

2020-11-18

国家自然科学基金面上项目（31271908）

刘玉辉，博士生，主要从事农产品加工技术研究。Email：liuyuhui@sdut.edu.cn

王相友，教授，博士生导师，主要从事农产品加工技术与装备研究。Email：wxy@sdut.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.23.034

TS253.4

A

1002-6819(2020)-23-0293-08