不同干燥工艺对新疆主要制干葡萄干燥特性的影响

谢 辉，张 恒，王 敏，韩守安，艾尔买克·才卡斯木， 钟海霞，王文勇，张 雯，潘明启

(1. 新疆农业科学院园艺作物研究所，乌鲁木齐 830091；2. 新疆农业科学院国际科技合作交流处，乌鲁木齐 830091； 3. 新疆农业大学科技学院生物科学系，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆是我国葡萄干的主产区，葡萄干产业是新疆林果业的重要支柱产业[1-3]。新疆葡萄干的生产主要以晾房加工和晒场晒干2种工艺为主，绿色葡萄干是新疆葡萄干的主要产品，加工工艺为晾干工艺，棕褐色葡萄干占有一定的比例，加工工艺为晒干工艺[4, 5]，这2种加工工艺是新疆葡萄干产业主要的传统工艺，研究晾干和晒干干燥工艺条件下葡萄的干燥特性对于传统工艺的干燥具有重要的意义。【前人研究进展】对于葡萄干燥特性主要采用烘干工艺对无核白[6,7]和黑色葡萄干[8,9]进行研究。干燥工艺对果蔬制干特性及干燥模型的研究有红枣[10]、荔枝[11]、明星杏[12]及魔芋[13]研究发现，干燥模型能够较好的阐释以上干果干燥过程中有效水分散失规律、干燥速率和活化能。【本研究切入点】在葡萄干干燥工艺对干燥时间[14, 15]、葡萄干的品质[16，17]和风味[18-20]等已有研究，对于采用以上2种工艺对葡萄干干燥特性的研究较少。研究不同制干工艺对新疆主要制干葡萄品种无核白和无核白鸡葡萄干燥特性的影响。【拟解决的关键问题】采用传统工艺对新疆主要的制干葡萄品种无核白和无核白鸡心进行研究，分析传统工艺下这2种葡萄的干燥特性，为新疆葡萄干燥工艺的改进提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

选择栽培条件相同成熟度一致的无核白鸡心和无核白葡萄各500 kg，采用棚架栽培模式栽培，无核白鸡心葡萄树龄7年，无核白葡萄树龄9年，样品选自吐鲁番鄯善县园艺场葡萄瓜果研究所试验基地。样品于2018年8月18日采集，样品采集时选择果粒大小均匀，颜色一致的葡萄作为试验材料进行干燥特性研究。

葡萄果粒参数：无核白鸡心葡萄果粒的基本参数：可溶性固形物含量23.6%、单粒重为4.65 g、纵横径分别为27.18、17.02 mm，干燥半径8.5 mm，表面积为12.70 cm2。无核白葡萄果粒的基本参数：可溶性固形物22.8%、单粒重为3.22 g，纵横径分别为22.43、15.67 mm，干燥半径7.8 mm，表面积为9.92 cm2。

干燥预处理：采用新疆农业科学院惠普园艺公司生产的促干剂预处理，每袋促干剂溶解于15 kg水中，将新鲜葡萄浸入溶液中1 min，制干。

葡萄干燥：研究分别采用晒干和晾干的方法进行干燥，每个处理挑选葡萄200 kg干燥。晒干：将葡萄采用促干剂处理后，平铺在水泥地上，下雨时采用大棚膜遮挡。晾干：将葡萄采用促干剂处理后，将葡萄均匀挂在铁丝网格上，在吐鲁番砖块结构晾房中晾干。

实验仪器：百分之一天平、路格L95-4型号温湿度记录仪。

1.2 方 法

1.2.1 温、湿度

环境温湿度由Ll95-4型仪器每30 min测量1次。将探头置于各干燥制造环境中，各干燥制造环境中放置3台仪器。晾房是农户生产用晾房，按照从南到北的顺序分别在南、北靠墙0.5 m、高度1.5 m的区域挂温湿度计1个，中间挂温湿度计1个。晒干环境在水泥地上进行，设置3个重复，温湿度探头遮阴，避免阳光暴晒。

1.2.2 含水量

分别取200 g无核白和无核白鸡心葡萄各6份，总计12份试验材料放置于晾房和水泥地上，每个处理3次重复，每天采用百分之一天平测定其重量变化情况并记录。

1.2.3 葡萄干燥特性计算

(1)无核白和无核白鸡心葡萄干燥参数的计算[21]

干基含水率(Wt)计算公式为：

(1)

式中：Wt代表葡萄果实的干基含水率，单位g/g；md代表葡萄干物质的质量(g)；mt为任意t时刻葡萄的质量(g)。

水分比(MR)公式：

(2)

注：MR为水分比，Mt-样品任意时刻葡萄果实的干基含水率(g/g)，Me-葡萄干的平衡干基含水率(g/g)；M0-葡萄的初始干基含水率(g/g)。

干燥速率公式：

(3)

式中：Ui为i时刻试验葡萄果实的干燥速率，单位为g·(g/min)，Mi为i时刻试验葡萄果实干基含水率(g/g)。

有效水分扩散系数(Deff)计算公式：

(4)

式中：Deff为葡萄的有效水分扩散系数，单位为m2/s；L为物料厚度(m)；t为干燥时间，单位为h。

(2)葡萄干干燥模型的建立

葡萄果实的干燥过程是一个极为复杂的热量传递过程，研究选用4种常见的干燥动力学数学模型进行拟合[21,22]。表1

将2种葡萄干燥水分变化得到的数据进行拟合回归分析，并用决定系数R2、卡方检验值λ2和均方根误差RMSE来评价模型拟合的适用性，公式如下：

(5)

(6)

R2值越大，x2和RMSE越小，葡萄干燥模型的拟合性越好。

在晒干和晾干工艺下，无核白鸡心和无核白葡萄果实的半径分别为为0.85和0.78 cm，对模型进行验证。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2013软件进行数据统计分析、作图，采用Origin 9.0软件进行模型拟合和回归分析。

2 结果与分析

2.1 制干工艺对葡萄果实干燥特性的影响

2.1.1 制干工艺对葡萄果实干基含水率和干燥速率的影响

研究表明，晒干工艺葡萄果实的干燥速率高于晾干葡萄果实的干燥速率。晒干工艺下无核白鸡心和无核白葡萄果实干燥时间分别为180和144 h，晾干工艺则为380和288 h。干燥时间与葡萄果粒大小、重量2个指标未形成线性关系，无核白鸡心葡萄的单粒重和表面积分别是无核白葡萄果粒重量和表面积的1.44和1.28倍。晒干和晾干环境中无核白鸡心葡萄的干燥时间是无核白葡萄干燥时间的1.25和1.31倍，小于果实重量的差异值，干燥时间介于两者之间。不同葡萄品种随着葡萄果粒重的增加干燥时间未呈现出线性关系，可能与不同品种间葡萄表皮的组织结构，质地具有一定的关系。24 h内无核白鸡心葡萄果实在晒干环境的干燥速率与晾干环境的干燥速率相比，制干第1 d晒干工艺葡萄果实干燥速率是晾干工艺的1.66倍，第2 d、第3 d、第4 d分别是3.06、2.32、2.29倍。无核白葡萄晒干工艺第1 d葡萄果实干燥速率是晾干条件果实干燥速率的2.97倍，第2 d、第3 d分别为2.81、3.21倍。图1，图2

2.1.2 白昼环境及制干工艺对无核白鸡心葡萄果实干燥特性的影响

研究表明，白昼条件下，晒干工艺的平均温度高于晾房中的平均温度，2017年白昼晒干工艺的平均温度分别为50.9℃，夜间平均温度为27.8℃；晾房中白昼平均温度为35℃，夜间条件平均温度为28.4℃。第1 d晒干工艺下无核白鸡心葡萄的干燥速率是晾干工艺的3.12倍，第2 d为2.19倍，第3 d为1.21倍，后期随着晒干环境中无核白鸡心葡萄果实失水较多，干燥速率低于晾干工艺。夜间晒干环境的平均温度较晾房内的平均温度较低，晾房中的平均温度较晒干环境中的平均温度高0.6℃。在制干第1、第2 d晒干环境内果实的失水速率显著高于晾房内果实的失水速率，后期晾房内葡萄果实的失水速率高于晒干环境内葡萄果实的失水速率。图3

晾房白昼平均温度较夜间平均温度高6.6℃，晒干白昼平均温度较夜间平均温度高23.1℃。干燥初期晾干工艺下无核白鸡心葡萄果实白昼的干燥速率是夜间的2.00～6.14倍，白昼极端高温天气的干燥速率达到夜间的10倍以上。晒干环境内无核白鸡心葡萄果实白昼条件下的干燥速率是夜间葡萄果实干燥速率的1.02～6.12倍。当干燥环境内的温度低于30℃时，葡萄的干燥速率极为缓慢。图4

2.2 葡萄干燥动力学模型

2.2.1 2种葡萄干燥动力学模型拟合

研究表明，4个模型均可模拟2种葡萄干燥过程中的水分比变化规律，通过R2值的比较，Page模型适宜于无核白鸡心葡萄干燥过程的拟合结果最好，R2的均值为0.998 20，χ2均值为0.000 885，RSME平均值为0.001 55，Midilli模型对无核白鸡心葡萄的拟合结果接近于Page模型。表1～3

表2 晒干和晾干工艺下无核白鸡心葡萄果实数据拟合结果Table 2 Statistical results of drying models for Centennial Seedless grape under the different drying conditions

Midilli模型的拟合结果的R2值最高，晾干的模型拟合R2值为0.994 82，晒干模型的拟合结果为0.997 39，其次为晒干葡萄的Page模型拟合结果，R2为0.997 33，与Midilli模型的拟合结果接近。Newton和Wang and singh 2个模型对晾干无核白葡萄拟合结果R2值均高于Page模型。无核白葡萄的R2均值为0.983 79，x2均值为0.001 53，RSME均值为0.015 87。无核白和无核白鸡心2个葡萄品种的模型拟合结果略有差异，其中无核白晒干的Page模型拟合度最高，晾干则是Midlli模型拟合度最高，但是在相关的对杏干及其他干果的干燥中也发现Page模型适用于以上水果干燥过程水分比的变化，以Page模型研究2个葡萄品种的干燥特性。表3

表3 传统干燥工艺条件下无核白葡萄果实数据拟合结果Table 3 Statistical results of drying models for ‘Thompson Seedless’ grape under the different drying conditions

2.2.2 Page模型的求解

Page模型适用于描述晒干和晾干工艺下无核白和无核白鸡心葡萄果实的干燥过程，模型中的n和k是干燥工艺和半径(r)的函数，采用一元线性回归的方法对n和k与干燥工艺和半径进行分析：

当无核白鸡心葡萄果实干燥半径为0.85 cm时，

k=1.181 7T+0.003 4(R2=1).

n=1.180 3T+0.041 5(R2=1).

当无核白葡萄果实干燥半径为0.78 cm时，

k=1.181 3T+0.015 5(R2=1).

n=1.954T-0.373(R2=1).

2.2.3 Page模型的验证

研究表明，试验值与预测值体现出较高的拟合度，Page模型可较好的描述2种葡萄果实在2种干燥工艺下制干过程中葡萄果实水分变化的规律。图5，图6

2.3 葡萄果实有效水分扩散系数

研究表明，干燥过程中葡萄果实水分比MR的自然对数与干燥时间t呈现出线性关系，可计算出不同干燥工艺下葡萄果实的有效水分扩散系数Deff。晒干和晾干工艺条件下无核白鸡心葡萄果实的有效水分扩散系数分别为2.036 25 E-8和6.468 75 E-9m2/h，晒干工艺的有效水分扩散系数是晾干工艺的3.14倍。表4

表4 传统干燥工艺条件下无核白鸡心葡萄果实干燥有效水分扩散系数Table 4 Effective moisture diffusivity of Centennial Seedless under tradition drying conditions

无核白葡萄果实有效水分扩散系数，晾干无核白葡萄果实的有效水分扩散系数为6.023 16E-9m2/h，晒干方式无核白葡萄的有效水分扩散系数为1.892 12E-8m2/h，无核白葡萄在晒干环境中的有效水分扩散系数高于晾干无核白葡萄的有效水分扩散系数，是其扩散系数的3.18倍。表5

表5 传统干燥工艺条件下无核白葡萄果实干燥有效水分扩散系数Table 5 Effective moisture diffusivity of Thompson Seedless under tradition drying conditions

晾干无核白鸡心葡萄的有效水分扩散系数是无核白葡萄有效水分扩散系数的1.33倍，晒干工艺无核白鸡心葡萄的有效水分扩散稀释无核白葡萄有效水分扩散系数的1.38倍，2种制干工艺的水分扩散系数都介于重量比与表面积比之间。

3 讨 论

新疆吐鲁番、哈密地区晾房建造的戈壁滩上营造晾干葡萄小环境[4,15]。虽然采用烘干方式、微波干燥、压差干燥等处理方式对葡萄进行干燥的研究较多，但是绿色葡萄干的烘干技术还未见成熟的技术报道。国外采用40、50、60和70℃及不同风速组合的实验中发现Page模型能够很好的解释黑色葡萄干燥的实验结果[13]。Ibrahim对黑色葡萄干的研究得出同样的结论，并得到水分扩散系数为3.82×10-10到1.28×10-9m2/s[8]。也有学者采用fick第二定律对50～65℃，3～9 m/s风速条件下葡萄水分扩散系数计算结果为1.821 0×10-10到5.84×10-10m2/s[9]。而采用晒干和晾干工艺的水分散失速率则在1.673×10-12到7.265 10-12m2/s，显著小于其他研究水分扩散系数，这个主要是因为晒干、晾干工艺干燥环境中的温度和风速显著低于热风干燥的干燥条件。Page模型适宜于描述晒干和晾干工艺对葡萄薄层干燥的过程。

通过干燥动力学和干燥特性的研究发现葡萄在夜间温度低于30℃时失水速率较低，白昼失水速率最高是夜间的6.14倍，但是干燥温度过高将影响葡萄干的品质。前人研究结果表明，干燥环境中的温度[23，24]、湿度[25]及预处理方式[17,26,27]通过对葡萄果实的多酚氧化酶活性[28]和干燥速率[29]等方式影响干燥时间和干果品质，因此，可提出晾房的改造方案。在这一基础上提出了以保持葡萄干品质为前提，提升夜间温度、降低白昼最高温度的方式提升干燥速率和干果品质，是下一步研究的重点方向，研究结果对晾房的改造提供改造方向和科学数据。研究仅针对晒干和晾干工艺对无核白鸡心和无核白葡萄干燥特性的影响进行了分析，未设置不同粒重、不同直径的无核白和无核白鸡心葡萄果实，是有待进一步研究的内容。

4 结 论

4.1通过对白昼和夜间葡萄果实的失水速率分析发现，晒干和晾干环境中白昼失水速率是夜间的2.00～6.14倍，葡萄的水分主要是在白昼散失的。制干初期，晒干工艺失水速率是晾干失水速率的1.21～3.12倍。当温度低于30℃时，葡萄果实内的水分散失极为缓慢。

4.2通过对无核白和无核白鸡心葡萄果实的干燥速率比较，晒干工艺高于晾干工艺。Page模式适宜于解释2种葡萄干燥过程中的失水过程，拟合度较高，2种工艺下无核白鸡心和无核白的R2均值分别为0.998 20和0.983 8；χ2分别为8.85×10-4和0.001 53；RSME分别为0.001 5和0.015 87。

4.3晒干工艺的有效水分扩散系数高于晾干工艺，分别是晾干的3.14和3.18倍，无核白鸡心果实的有效水分扩散系数高于无核白葡萄果实的有效水分扩散系数。无核白鸡心葡萄在晒干和晾干工艺下的有效水分扩散系数分别为2.615 45×10-8和8.308 75×10-9m2/h，无核白葡萄在2种工艺下的有效水分扩散系数分别为6.023 16×10-8和1.892 12×10-8m2/h。