欧姆加热预处理对苹果切片热风干燥特性的影响

杨兴胜,丁辛亭,李星恕

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西 杨凌 712100)

0 引言

果蔬干燥脱水有利于阻碍微生物增长繁殖,抑制组织内所含的酶的活性,推迟和减少以水为媒介的腐烂变质,从而提高产品的保存时间,且便于运输和携带。热风干燥是一种高能量的果蔬干燥手段,减少干燥所需时间不仅可以提高效率、降低加工成本,还可以改善高温对果蔬营养价值的损害[1]。

欧姆加热利用食品本身所具有的电不良传导性所产生的电阻来加热食品,使食品不分液体、固体均可受热一致[2]。欧姆加热过程中,电场可以改变细胞膜的通透性,甚至破坏细胞膜结构,通透性的改变可以是可逆的,也可以不可逆,取决于外加电场强度、脉冲宽度和处理时间等[3]。欧姆加热必定伴随着果蔬温度的升高,果蔬组织内约90%的水分都在细胞内,提高温度可以有效地破坏细胞结构,使得细胞内液运输至细胞间,改变了干燥过程中果蔬内部水分的迁移方式[4-5]。因此,对果蔬进行欧姆加热预处理提高细胞膜通透性,与渗透脱水、热风干燥、真空干燥等干燥技术结合,可以加快干燥速度[6-8]。

本文对苹果试样进行欧姆加热预处理后热风干燥,研究欧姆加热预处理的电场强度和温度对苹果干燥特性的影响,并进行干燥动力学分析。

1 材料与方法

1.1 苹果试样的制备

试样材料为新鲜成熟、无损伤、大小相近的陕西杨凌红富士苹果。将苹果清洗干净后擦干放置在实验室平衡12h,使温度恢复为室温20℃;然后,除去苹果花萼、果皮和果核,将苹果切成15mm×20mm×20mm的长方体试样,并立即进行欧姆预处理试验。

1.2 试样系统与方法

欧姆加热预处理系统由5kVA变频电源(OYHS-9805P,深圳市欧阳华电源有限公司)、温度采集系统和电脑组成。热风干燥装置为热泵干燥机(WRH-100TB1,广东威而信实业有限公司),如图1所示。将制备好的长方形苹果试样放入欧姆加热装置,装置由上、下距离约20mm的平行导电极板构成,使苹果试样表面与两电极板充分接触,在试样中心插入热电偶,并连接温度采集系统(自行研发)测量其内部实时温度。探究电场强度对苹果干燥影响试验时,调节变频电源电场强度为60、80、100V/cm,频率为50Hz,欧姆加热至试样温度到50℃停止;探究温度对苹果干燥影响试验时,调节变频电源至电场强度为80V/cm,频率为50Hz,分别处理试样至40、50、60℃。将欧姆加热预处理的苹果试样切片,厚度为3mm,放入提前预热为50℃、20%相对湿度的热泵干燥机内的悬空网状托盘内,调节干燥机为恒温恒湿工作模式,每10min迅速取出测量试样质量并记录,直到每次测量质量差小于0.01g,认为达到此干燥条件下的平衡质量Me,停止干燥,每组试验做3次。

1.变频电源 2.欧姆加热装置 3.温度采集系统 4.PC 5.干燥机

1.3 数据处理

1.3.1 水分比的计算

水分比可由下式计算[9],即

(1)

式中M0—苹果的初始水分比(g/g);

Mt—t时刻苹果的水分比(g/g);

Me—干燥平衡时苹果的水分比(g/g)。

1.3.2 有效水分扩散系数的计算

有效水分扩散系数Deff-t的关系为[10-12]

(2)

在不同干燥条件下,拟合InMR-t的关系为y=kx+b,根据直线斜率k就可以计算苹果组织有效水分扩散系数Deff。

1.3.3 干燥速率常数的计算

果蔬干燥是一个复杂的传质传热过程,为了更好地描述果蔬干燥过程中含水率随时间的变化关系,中外学者通过对大量农产品的试验探究,总结出很多经验、半经验数学模型来描述这一过程,如指数模型、单项扩散模型和Page方程模型等[10]。为了便于比较不同欧姆预处理条件下苹果热风干燥速率,选用较为简单的指数模型来描述苹果试样干燥过程中水分比随时间的变化[13],即

MR=exp*(Kt)

(3)

式中K—干燥速率常数(min-1)。

1.3.4 干燥速率的计算

干燥速率DR的计算公式为[14]

(4)

式中MRt1—第i个测量点的水分比(%);

MRt2—第i+1个测量点的水分比(%)。

2 结果与分析

2.1 电场强度对苹果干燥速率的影响

为了探究欧姆加热预处理过程中电场强度对苹果干燥速率的影响,在加热温度50℃、频率为50Hz条件下,得到不同电场强度预处理条件下苹果试样水分比随时间变化的曲线,如图2所示。

图2 不同电场强度条件下水分比随时间变化

由图2可以看出:电场强度越大,干燥过程中苹果试样失水速率越快。这是因为欧姆加热预处理导致细胞膜的通透性提高[15],细胞内的水分更容易透过细胞膜向外扩散,不同电场强度对细胞膜通透性影响程度不一样,从而导致干燥速率不同[3]

不同电场强度条件下干燥速率随时间变化的曲线如图3所示。

图3 不同电场强度条件下干燥速率随时间变化

由图3可以看出:在干燥前40min,电场强度越大,干燥速率越快;但干燥约80min以后,电场强度越小,干燥速率越快。其中,未处理的对照组试验干燥速率最快,这是因为未经欧姆加热预处理的苹果细胞膜通透性较低,在干燥最后阶段其内部含水量高于经欧姆加热处理过的试样,因此在最后阶段失水较快。

2.2 加热温度对苹果干燥速率的影响

为了探究欧姆加热预处理过程中温度对苹果干燥速率的影响,在电场强度为80V/cm、频率为50Hz条件下,得到不同温度的预处理条件下苹果试样水分比随时间变化的曲线,如图4所示。

图4 不同处理温度条件下水分比随时间变化

由图4可以看出:欧姆加热预处理温度越高,苹果试样失水速率越快。这是由于随着温度升高,细胞膜通透性变大,苹果试样内自由水的含量增加导致[16]。同时,还可以看出:在60℃时,干燥速率相较于40℃和50℃显著提升,可能是因为60℃苹果细胞急剧破裂所致[10]。

不同加热温度条件下干燥速率随时间变化的曲线如图5所示。

图5 不同处理温度条件下干燥速率随时间变化

由图5可以看出:干燥前50min,加热温度越高,干燥速率越快;但90min以后,加热温度越低反而干燥速率越快。这一现象原因与电场处理类似,加热温度改变了细胞膜通透性,但到了干燥最后阶段,欧姆加热未处理过的苹果试样含水量高于处理过的苹果试样。

2.3 不同欧姆加热处理条件对苹果干燥速率常数的影响

为了描述欧姆加热预处理对苹果干燥速率的影响,计算了不同欧姆加热电场强度下苹果的干燥速率常数,如表1所示。由表1可以看出:在加热温度为50℃时,电场强度越大,干燥速率常数也越大(60V/cm时,K=0.018 34;100V/cm时,K=0.021 71),苹果整体干燥速率越快。在电场强度为80V/cm时,不同欧姆加热温度下苹果的干燥速率常数,如表2所示。加热温度越高,干燥速率常数也越大(40℃时,K=0.018 45;60℃时,K=0.021 91),表明加热温度越高,苹果整体干燥速率越快。相比于对照组的干燥速率常数K=0.017 26,可以发现:欧姆加热的温度和电场强度都可以提高苹果干燥速率。

表1 不同欧姆加热电场强度条件下苹果干燥速率常数Table 1 Drying rate constants of apples under different ohmic heating pretreatment conditions

表2 不同欧姆加热温度条件下苹果干燥速率常数

2.4 不同欧姆加热处理条件对苹果干燥的有效水分扩散系数的影响

In(MR)欧姆加热电场预处理通过改变苹果试样的组织结构和水分特性相关参数,进而提高苹果试样的干燥速率。为了研究欧姆加热对苹果组织水分迁移能力的影响,计算苹果有效水分扩散系数,首先需要拟合不同欧姆加热条件下InMR-t的关系,如图6所示。由图6可以看出,In(MR)与时间t基本呈线性关系。

图6 不同欧姆加热条件下In(MR)-t的变化

通过线性回归计算拟合得到不同欧姆加热处理电场强度和温度条件下苹果组织有效水分扩散系数,如表3和表4所示。由表3、表4可以看出:在热风干燥条件下(50℃、20%RH),苹果的有效水分扩散系数范围为2.336×10-10～3.348×10-10m2/s,一般食物干燥的有效水分扩散系数介于10-9～10-11m2/s之间[17-18];随着欧姆预处理过程中电场强度和温度的提高,苹果试样热风干燥的有效水分扩散系数逐渐变大,表明欧姆加热预处理时加大电场和温度,有助于干燥过程中苹果试样内水分的迁移能力的提升。这是由于欧姆加热电场处理改变了细胞膜的通透性,导致细胞内的水分更容易流出细胞并在组织内部迁移。

表3 不同欧姆加热预处理电场强度下苹果组织有效水分扩散系数

表4 不同欧姆加热温度条件下苹果组织有效水分扩散系数

3 结论

1)欧姆加热预处理温度越高,电场强度越大,苹果切片的热风干燥速率越大,干燥速率常数为0.017 26～0.021 91。

2)欧姆加热预处理温度越高,电场强度越大,苹果有效水分扩散系数为2.336×10-10～3.348×10-10m2/s。