切片厚度对太阳能干燥哈密瓜片品质的影响

郭雪霞，张子赫，刘 瑜，冉国伟，郭海枫，王 海*

（1.农业农村部 规划设计研究院/农业农村部 农产品产后处理重点实验室，北京 100125；2.河北农业大学，河北 保定 071001）

哈密瓜有“瓜中之王”的美称，风味独特，营养丰富，富含大量的矿物元素、丰富的膳食纤维和抗坏血酸、黄酮类化合物等健康功能成分，经常食用对身体健康有极大益处，其深受广大消费者喜爱［1］。哈密瓜采收期集中且货架期短，容易受温度、生产季节等不利因素的影响［2］，造成大量的浪费，在贮运过程中有部分腐烂变质就会严重影响其商品性，因此哈密瓜的干燥技术逐渐受到人们的重视［3］。

干燥技术在哈密瓜加工中被广泛应用。目前，哈密瓜的干燥技术研究主要有自然晾晒、普通热风干燥、真空冷冻干燥、热泵干燥、变温压差膨化干燥、气体射流冲击干燥、太阳能干燥等。自然晾晒哈密瓜干是其加工普遍采用的方法，自然晾晒一般需要10 d左右时间［4］；杨咪等［5］也对哈密瓜热风烘干的工艺进行了正交试验，对比得出哈密瓜最佳的热风烘干工艺参数，为后续的加工贮藏提供依据。高静静等［2］研究了热风干燥和真空冷冻的干燥方式对哈密瓜片品质的影响，得出不同干燥方式对哈密瓜片的营养成分、色泽、微观结构以及香气成分均有显著影响。罗磊等［6］开展了充氮低氧热泵干燥哈密瓜片的工艺研究，得到最佳干燥工艺参数为干燥温度50 ℃，切片厚度5 mm，氧体积分数5%。毕金峰等［7］对哈密瓜变温压差膨化的干燥工艺进行了优化研究，得出回归方程，通过响应面分析表明预干燥后原料的3个变量对干制后的产品含水率、色泽、膨化度和脆度都有显著的影响，干燥时间大约8.1 h。张茜等［8］将气体射流冲击干燥技术用于哈密瓜片的干制，通过建立模型，经过对比分析，发现Modified Page模型可以较好地模拟干燥过程中的水分比变化，且与温度和风速都呈正相关，整个过程干燥的时间为6 h。太阳能干燥技术是一种新型、节能、环保加工技术［9-11］，其干燥农产品可减少常规能耗50%以上［12-15］。郭雪霞等［16］研究对比了自然晾晒、太阳能干燥、真空冷冻干燥和市售这4种条件下的哈密瓜干产品品质，得到不同干燥方式对哈密瓜干的色泽、硬度、能耗、感官评分等影响差异显著，太阳能的干燥时间短，干燥产品的硬度、咀嚼性、色泽较好，香气成分保留较好，能耗较低，适合哈密瓜的干燥。本研究以哈密瓜片为原料，研究了不同太阳能干燥温度对哈密瓜片品质的影响，旨在为哈密瓜片工业干制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

哈密瓜为金蜜宝品种（购自超市）；强制对流太阳能干燥器产自张家口市泰华机械厂；DRT-2辐照仪产自北京天裕德有限公司；温度传感器产自天津市万博仪表制造有限公司；无纸记录仪产自北京中旺传感设备公司；OH6-914385-III电热恒温鼓风干燥箱产自广东精华智能装备有限公司；FA-stlab水分活度测定仪产自法国 GBX 公司； TMS-Pro型食品物性分析仪产自美国 Food Technology Corporation 公司；CR-400型色彩色差计产自柯尼卡美能达公司；电子秤产自凯丰集团有限公司；DY5多功能电量检测仪产自深圳多一电子有限公司；高效液相色谱产自美国Waters公司；GC-MS气质联用仪产自美国Agilent公司。

1.2 试验方法

1.2.1 预处理方法 选择的哈密瓜大小适中，成熟度适宜，无病虫害，清洗、去皮、挖瓤。按照由内到外的顺序将哈密瓜切成厚度均匀的切片。每次试验前均使用新鲜样品进行预处理，同时测定初始含水率。

1.2.2 干燥试验设计 本试验旨在探究不同厚度参数对哈密瓜切片干燥过程的影响。设置4个水平，分别为切片厚度2、5、8、11 mm，其中每个处理的干燥风速恒定为3 m/s，干燥温度恒定为60 ℃。将经预处理的哈密瓜切片，平铺到干燥箱2个托盘里，每个托盘里均匀放置500 g哈密瓜切片。干燥过程中每隔1 h测定哈密瓜的质量、水分活度和设备耗电量。每次称重待5 min后再次称重，用来计算不同时刻的干燥速率，直至哈密瓜切片的湿基含水率低于15%，并测定哈密瓜干制品的理化性质。每个试验重复3次。

1.2.3 水分含量测定 初始含水率的测定参照Hossain等［17］的方法并改进，将哈密瓜样品按约1 mm×1 mm×1 mm大小切块，称重起始重量记为M0；然后放入称量瓶中，置于105 ℃烘箱干燥24 h，再次称重记为m干，试验重复3次。

初始含水率计算公式：

初始干基含水率：Dbi=（M0-m干）/m干

初始湿基含水率：Wbi=（M0-m干）/M0

干燥过程中含水率计算公式：

干基含水率：Dbt=（Mt-m干）/m干

湿基含水率：Wbt=（Mt-m干）/Mt

其中，Dbt、Wbt分别为t时刻哈密瓜切片的干基含水率、湿基含水率，Mt为t时刻哈密瓜切片的质量。

1.2.4 水分活度测定 利用水分活度仪测定，参照文献［18］的方法测定。

1.2.5 质构测定 参照毕金峰等［7］方法并改进，将哈密瓜干裁剪为2 cm×2 cm大小的方块。具体参数为感应元量程999 N，样品形变量75%，测试前后速度均为2 mm/s，测试速度1 mm/s，测试距离5 mm，阈值0.3 N，探头P/50。试验重复3次。

1.2.6 色泽测定 利用CR-400型色彩色差计，参照文献［18］的方法测定。

1.2.7 香气成分测定 哈密瓜干粉碎、萃取、色谱条件、升温程序、质谱条件、定性分析等参照文献［18］的方法。

1.2.8 耗电量测定 利用DY5电量监测仪，参照文献［18］的方法测定。。

1.2.9 试验结果统计分析 试验数据统计使用Excel软件，数据分析使用SPSS软件（差异显著性水平为0.05），试验数据用X±SD表示；香气成分分析使用Smica软件。

2 结果与分析

2.1 不同切片厚度对哈密瓜切片干基含水率的影响

不同切片厚度下哈密瓜切片的干基含水率随时间的变化如图1所示。从图1可知，在干燥温度为60 ℃、风速3 m/s条件时，哈密瓜切片达到干燥终点的时间随着厚度的减小而缩短，各组之间差异显著（P＜0.05），说明减小切片厚度可以显著提高干燥效率。这可能是由于哈密瓜内部水分扩散到表面的时间和扩散距离呈正比，厚度小，水分扩散时间短，从而提高干燥效率，但厚度过小会使哈密瓜干的品质下降。

图1 不同切片厚度下哈密瓜切片含水率随时间的变化情况

2.2 不同切片厚度对哈密瓜切片干燥速率的影响

不同切片厚度对哈密瓜片干燥速率的影响如图2所示。从图2可见，在干燥温度为60 ℃、风速3 m/s条件时，不同厚度的哈密瓜太阳能干燥过程都只观察到降速阶段，没有反映出阶段0（初始阶段）和阶段I（恒定速率阶段），这是由于哈密瓜切片表面的非结合水很少，可以在很短时间内完全汽化，切片且厚度越大，哈密瓜干燥速率越慢。这是因为降至临界含水量后，哈密瓜切片内部水分扩散速率低于表面水分蒸发速率，此阶段的干燥速率取决于材料内部的水分扩散活性。随着厚度增加，哈密瓜切片内部水分的扩散距离增加，同时单位体积哈密瓜切片的有效干燥面积减少［22］，从而降低了干燥速率。

图2 不同哈密瓜切片厚度下干燥速率与干基含水率的关系

2.3 不同切片厚度对哈密瓜切片水分活度的影响

不同切片厚度对哈密瓜片水分活度变化的影响如图3所示。由图3可见，不同厚度的哈密瓜切片的水分活度会随着时间变化而减小，且在干燥初期，不同厚度的水分活度差异不显著。这是由于干燥初期主要为大量游离水的蒸发，对水分活度影响不大。当干燥进行到一定程度，水分活度会快速下降至0.4左右。其中干燥至4 h时，除了8 mm和11 mm外，其余各组间差异显著（P＜0.05），说明厚度越大，水分活度下降越快。这是因为厚度越小，水分扩散时间越短，水分活度变化越快。

图3 切片厚度和时间参数对哈密瓜水分活度的影响

2.4 不同切片厚度对哈密瓜干质构的影响

不同切片厚度对哈密瓜干质构的影响见表1。由表1可见，当干燥温度为60 ℃、干燥风速3 m/s条件时，随切片厚度增加，哈密瓜干制品的硬度、黏附性、弹性和咀嚼性均增加。其中，除了5 mm和8 mm切片厚度的哈密瓜外，其余厚度的硬度差异显著（P＜0.05）；除了2 mm切片厚度哈密瓜的弹性、黏附性显著减小，其余各组间差异不显著；内聚性各组间差异均不显著；咀嚼性在2 mm和11 mm之间差异显著（P＜0.05），其他各组间差异不显著。研究表明增加切片厚度可以增加哈密瓜干的硬度和咀嚼性，这可能是由于随着切片厚度的增加，哈密瓜干制品的内部结合力增大，从而使硬度和咀嚼性增大。因此，适宜干燥风速范围为2~8 mm。

2.5 不同切片厚度对哈密瓜干色泽的影响

不同切片厚度对哈密瓜干色泽的影响见表2。由表2可知，在太阳能温度为60 ℃、干燥风速3 m/s条件时，哈密瓜干制品的L*随着切片厚度的增加而下降，a*和b*值均随着厚度的增加而增加；5 mm和8 mm之间L*值和b*值差异性不显著，其余各组间差异性均显著（P＜0.05）；a*值在11、2、5 mm切片厚度之间差异性显著（P＜0.05），说明厚度是影响哈密瓜干制品色泽的重要因素。这可能是由于厚度越大，干制品内部色素沉积越多，导致颜色加深；同时厚度增加使干燥时间大幅延长，从而导致干燥过程中各种反应的发生时间延长。因此，干燥时切片不应过厚，所以适宜切片厚度范围为2~8 mm。

表2 厚度参数对哈密瓜干色泽的影响

2.6 不同切片厚度对哈密瓜干香气组成的影响

不同切片厚度的哈密瓜制得的哈密瓜干中共检测出170种香气成分，根据官能团的不同，将检测出的香气成分分为10类，其相对含量、种类数量由表3所示。由表3可知，在不同切片厚度制得的哈密瓜干中，相对含量最高的4类物质为醇、酮、醛和酯类。为进一步分析不同厚度对哈密瓜干香气组成的影响，对表3中的数据进行PCA主成分分析，其结果如图4所示。

由图4可知，第一主成分（F1）的方差贡献率为60.6%，第二主成分（F2）的为30.4%，二者方差贡献率合计91%，说明这两种主成分可以解释原有大部分香气的成分信息。F1主要和酯类、酸类、其他类呈正相关，和烯类、醛类、醚类呈负相关；F2主要和酚类、烷类呈正相关，和酮类、醇类呈负相关。2 mm和11 mm的哈密瓜干位于代表醛类和酮类较多的象限，说明过薄或过厚都会使干燥过程产生更多具有不良气味的醛类和酮类化合物。可能是由于2 mm的哈密瓜干虽然干燥时间短，但由于其厚度小，温度梯度小，所以内部温度相对厚度较大的哈密瓜干要高，使氧化反应和美拉德反应更剧烈；而11 mm的哈密瓜干由于干燥时间很长，从而产生了更多的醛类和酮类。因此哈密瓜切片厚度应适中。

2.7 不同切片厚度对哈密瓜片干燥过程中能耗的影响

切片厚度对哈密瓜太阳能干燥能耗的影响如图5所示。由图5可知，不同切片厚度下，单位时间能耗11 mm的处理显著高于其他各组（P＜0.05），不同切片厚度下总能耗随着切片厚度的增加而增加，除了5 mm和8 mm外，其余各组间差异显著（P＜0.05）。说明切片厚度过高，会显著增加太阳能设备的能耗，因此较适宜厚度范围为2～8 mm。这是由于当哈密瓜切片厚度过大时，干燥速率低，干燥时间长。干燥后期太阳能辐照度下降，太阳能收集器所收集的热量不足以维持整个干燥过程中干燥室的温度恒定，干燥设备自动打开热泵补偿干燥室热量，从而使能耗显著提高。

3 结论

通过分析不同的切片厚度（2、5、8、11 mm）对哈密瓜片品质的影响，得出哈密瓜切片达到干燥终点的时间随着厚度的减小而缩短，减小切片厚度可以显著提高干燥效率；不同厚度的哈密瓜太阳能干燥过程都有降速阶段，厚度越大，哈密瓜干燥速率越慢；不同厚度的哈密瓜切片的水分活度会随着时间变化而减小；随着切片厚度的增加，哈密瓜干制品的硬度、黏附性、弹性和咀嚼性均增加；哈密瓜干制品的色泽L*随着切片厚度的增加而下降，a*和b*值均随着厚度的增加而增加；不同切片厚度的干燥哈密瓜干中检出170种香气成分，相对含量最高的四类物质均为醇、酮、醛和酯类；不同切片厚度单位时间能耗在切片厚度11 mm时显著高于其他各组（P＜0.05），不同切片厚度下总能耗随着切片厚度的增加而增加；2~8 mm切片厚度下，哈密瓜片干制品硬度、黏附性、弹性和咀嚼性、香气成分等理化特性较优，干燥能耗低，适宜哈密瓜片的干燥。