基于响应面法的哈密瓜片热风干燥工艺优化研究

阚明琪 王庆惠 郭俊先 闫圣坤 万文瑜

摘要：为提高哈密瓜片的干燥品质，优化哈密瓜片的热风干燥工艺。在单因素试验的基础上，以干燥温度、干燥风速、切片厚度为自变量，感官评价为响应值，通过BoxBehnken中心组合试验设计，进行响应面优化分析，确定哈密瓜片的最优干燥工艺。结果表明，随着干燥温度的升高，哈密瓜片的色差值会增大，复水比会降低；随着干燥风速的增大，色差值变化不明显，但复水比同样会降低；随着切片厚度的增大，哈密瓜片的色差变化增大且比干燥温度变化明显，复水比会降低。响应面优化结果表明，哈密瓜片的最佳干燥工艺为干燥温度55 ℃，干燥风速2 m/s，切片厚度8 mm，此时感官评价的得分最高为92.1。

关键词：哈密瓜片；热风干燥；响应面法；干燥特性；干燥工艺

中图分类号：S226

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 03-0094-07

Abstract： In order to improve the quality of air drying technology on Hami melon slices， the drying process of Hami melon slices is optimized. On the basis of single factor experiment， using drying temperature， drying wind speed and slice thickness as independent variables and sensory evaluation as response value， the BoxBehnken center combined test design was carried out， and the response surface optimization analysis was performed， and the drying process of Hami melon slices was determined. The results showed that with the increase of drying temperature， the color difference of Hami melon slices increased gradually， and the rehydration ratio decreased gradually. With the increase of drying wind speed， the rehydration ratio decreased gradually， but the color difference of Hami melon slices was not different. With the increase of slice thickness， the color difference of Hami melon slices increased gradually that the change was more obvious than drying temperate and the rehydration ratio decreased gradually. Response surface optimization results showed that the optimum drying parameters of dying apricot were as follows： drying temperature 55 ℃， air velocity 2 m/s， and slice thickness 8 mm. Under this condition， the highest score for sensory evaluation was 92.1.

Keywords： Hami melon slices; hot air dry; response surface method; drying characteristics; drying process

0引言

哈密瓜學名甜瓜（Cucumis melo L.），是葫芦科黄瓜属植物［1］，主产于新疆吐鲁番盆地与哈密盆地［2］。新疆是我国哈密瓜的主要产地，一直以来新疆哈密瓜的年产量约占全国总产量的16%，是新疆重要的特色水果，大量种植有利于推动新疆经济发展［3］。哈密瓜风味独特、清脆爽口、营养价值高，其中富含大量的维生素C、糖类和胡萝卜素［4］。哈密瓜的收获期都集中在8月份，其产量巨大不方便储存，同时因为新疆与其他地区相距较远不便于外销，这些都会造成农民的经济损失［5］。所以需要对哈密瓜进行加工处理延长上市的时间，减少成本。干燥是哈密瓜的加工方式之一，干燥方法与工艺直接影响到哈密瓜产品的品质［67］。

哈密瓜在干燥时多会采用切片的方法进行干燥，近年来国内外的学者对芒果［8］、柠檬［9］、香蕉［10］、猕猴桃［11］、胡萝卜［12］等物料进行相关的研究，取得了较好地成果。张茜等［13］将气体射流干燥技术应用到哈密瓜干燥上，研究了在不同干燥温度（60 ℃～80 ℃）和干燥风速（5～20 m/s）下的干燥特性，结果表明哈密瓜片的气体射流干燥属于降速干燥，干燥温度对干燥速率的影响最为显著，但干燥风速的影响较小。郑霞等［14］通过研究红外联合气体射流冲击的干燥方法缩短了哈密瓜片的 干燥时间，探究了不同的干燥温度（55 ℃～80 ℃）和切片厚度（3～11 mm）对哈密瓜片干燥特性的影响。研究表明温度对干燥速率有显著影响，尤其在干燥初期不同干燥温度下的干燥速率差异很大；切片厚度对哈密瓜的干燥速率较为显著。同时研究显示经过此项干燥工艺干燥后的哈密瓜片色差较小，干燥所需能耗小，保留了哈密瓜的风味。不同的干燥工艺对哈密瓜片的干燥速率与品质的影响不同，因此需要一种适用性广，干燥效果较好的干燥方法。

本文通过热风干燥技术，以新鲜的哈密瓜为研究对象，对其进行热风干燥试验。通过探究不同干燥温度（50 ℃、55 ℃、60 ℃）、干燥风速（1 m/s、2 m/s、3 m/s）和切片厚度（4 mm、8 mm、12 mm）对哈密瓜片干燥特性、复水比、色差的影响。通过使用Design Expert 8.0.5软件进行优化，确定哈密瓜片最佳干燥工艺，为哈密瓜片热风干燥工艺提供理论参考。

1材料及方法

1.1试验原料

原料采用西州蜜17号采购于新疆乌鲁木齐市新北园春市场，材料要求哈密瓜新鲜，无明显机械伤，大小一致且无病虫害。哈密瓜购买后放置于2 ℃～4 ℃的环境下冷藏备用。哈密瓜的初始平均湿基含水率为92.28%±1.1%（恒温干燥箱，24 h）。

1.2主要仪器与设备

本研究用于哈密瓜热风干燥的试验设备由新疆农业科学院农业机械化研究所自制。其他仪器与设备；YP-5002型电子天平；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱；SMY-2000型色差计；电热恒温水浴锅DZKW-S-4。

1.3哈密瓜干燥试验

1.3.1试验准备

先打开设备电源，设置当前试验的干燥参数，将设备进行预热，当干燥室内的温度达到设定温度时，开始对哈密瓜洗净去皮和去籽，按照工艺参数切成不同厚度的哈密瓜片，将哈密瓜片均匀单层地摆放在料盘上、称重、放入设备、试验开始。

1.3.2试验方法

试验开始后，每隔1 h对样品进行称重记录，直到湿基含水率降至25%以下或者相邻两次质量变化小于0.02 g/h时试验结束。待样品冷却后放入密封袋中贮藏，进行下一组试验。每组试验重复三次。根据前期的预试验的结果，将干燥温度分别为50 ℃、55 ℃和60 ℃，干燥风速分别为1 m/s、2 m/s和3 m/s，切片厚度分别为4 mm、8 mm、12 mm，具体试验安排如表1所示。

1.6响应面优化试验

本试验使用DesignExport 8.0.5软件进行响应面优化试验。在单因素试验的基础上，选择哈密瓜干燥温度（A）、干燥风速（B）、切片厚度（C）为响应因素，以感官评价为响应值，基于BoxBehnken设计三因素三水平的试验［16］。响应面分析因素水平及编码如表3所示。

2结果与分析

2.1不同干燥因素对哈密瓜片干燥特性的影响

2.1.1干燥温度对干燥特性的影响

切片厚度为8 mm，风速为2 m/s，不同干燥温度下的哈密瓜片的水分比随时间变化的曲线以及干燥速率随干基含水率变化的曲线如图1，图2所示。由图1可以看出，哈密瓜片的水分比随着时间的增加而不断地降低，干燥温度越高所需的干燥时间越短；干燥温度为60 ℃时，与50 ℃时相比，干燥时间明显减少相差了10 h，哈密瓜片干燥时间缩短了约55.56%。

由图2可知，干燥速率的曲线整体都是先升高后下降，干燥温度越高，哈密瓜的干燥速率越快，随着干燥温度提高，哈密瓜片表层的水分蒸发速度及内部的水分扩散速度都逐渐加快，随着干燥进程的发展，到了干燥后期哈密瓜片内部水分扩散速度小于表面的水分蒸发速度，水分扩散到表面的阻力加大，所以干燥速率会逐渐降低，温度对哈密瓜片的干燥速率有较大影响，诸多研究都证明了干燥温度是影响干燥速率的主要因素［1718］。

2.1.2干燥风速对干燥特性的影响

切片厚度为8 mm，干燥温度为55 ℃，不同干燥风速下的哈密瓜片的水分比随时间变化的曲线以及干燥速率随干基含水率变化的曲线如图3，图4所示。由图3可以看出，所有的干燥曲线都是呈现逐渐下降的趋势，即哈密瓜片的水分比随着时间的增加而不断的降低，且在干燥前期下降速度较后期的更快。从不同的曲线比较中可以看出，干燥风速越大，干燥所需时间越少，3 m/s与1 m/s之間相差了2 h，时间相较缩短了14.29%，说明干燥风速可以缩短干燥时间，但效果相较于干燥温度不明显。

由图4可以看出，随着干燥风速的加大，单位时间内哈密瓜片接触的空气数量加大，带走空气内的水分也就越多，内部的水分扩散越容易扩散到表面，哈密瓜片干燥速率加快，而到了干燥后期，哈密瓜片体积收缩结构变得紧致内部的孔隙收缩或者封闭，结合水越难脱除，各方面作用导致干燥速率降低，哈密瓜片的干燥速率同样呈现先增大后降低的趋势。干燥风速对哈密瓜片的干燥速率有影响，但不如温度提升明显。

2.1.3切片厚度对干燥特性的影响

干燥温度为55 ℃，干燥风速为2 m/s，不同切片厚度下的哈密瓜片的水分比随时间变化的曲线以及干燥速率随干基含水率变化的曲线如图5，图6所示。由图5可知，随着切片厚度的减小，干燥曲线越陡，干燥所达到平衡时的时间越少。当切片为4 mm时，干燥达到平衡的时间最短，只需要8 h，与12 mm相比干燥时间缩短了50%，说明切片厚度可以明显缩短干燥时间，对干燥时间有着较大的影响。

由图6可知在切片厚度的影响下，在干燥前期哈密瓜片的干燥速率较快，随着干燥的进行哈密瓜片的速率同样呈下降趋势。随着切片厚度的增加，哈密瓜片内部的水分扩散到表面所需的运动路径越长，水分流失缓慢，整体干燥速率下降，因此较厚的物料干燥速率低于薄物料，切片厚度影响下的哈密瓜干燥速率属于降速干燥，整体趋势为随着干基含水率的降低干燥速率也逐渐降低。切片厚度对哈密瓜片的干燥速率有着较大的影响。

2.2不同干燥因素对哈密瓜片色差和复水率的影响

哈密瓜片在不同干燥因素下对色泽和复水率的影响如表4所示。

2.2.1干燥温度对哈密瓜色泽和复水率的影响

由表2中1、2、3组试验可以看出，切片厚度为8 mm，干燥风速2 m/s时，不同干燥温度下，温度越高哈密瓜片的色差也就越大。这与李佳等的试验结果相似，因为哈密瓜富含糖分，在温度逐渐增加的过程中还原糖发生了Maillard反应，又称非酶褐变，导致干燥后的哈密瓜片的颜色逐渐加深，色差变大。而干燥温度逐渐增高，哈密瓜片的复水率降低，这是因为干燥温度的增高会导致哈密瓜片的干燥速率加快，使得哈密瓜片的结构变得更加紧密，进而使得复水率降低。

2.2.2干燥风速对哈密瓜片色泽和复水率的影响

由表2中2、4、5组试验可以看出，干燥温度为50 ℃，切片厚度为8 mm时，不同干燥风速下，风速越高哈密瓜片的色差反而越小，但与温度相比变化相对不明显。因为在干燥过程中，风速越快可以更好地带走物料表面的水分与温度，减少了高温带来的色泽变化。但是风速过快，哈密瓜片的失水率加快，造成哈密瓜片的细胞组织造成破坏，降低了其复水性，所以风速过高会导致其复水率的降低。因此在本试验中，干燥风速不易选太快，干燥风速应选2 m/s。

2.2.3切片厚度对哈密瓜片色泽和复水率的影响

由表2中2、6、7组试验可以看出，干燥温度为50 ℃，干燥风速为2 m/s时，不同切片厚度下，切片厚度越大哈密瓜片的色差越大。这是因为哈密瓜片的厚度不断增加，导致哈密瓜片达到平衡时的时间延长，对其的酶与糖类的破坏增多，从而色差逐渐增大。哈密瓜片的复水率随着切片厚度的增加而降低，出现这种结果的原因是，随着哈密瓜切片厚度的增加，哈密瓜片内部的水分扩散减慢，蒸汽压力减少，哈密瓜片的孔隙更为紧致，从而导致复水率降低，所以切片厚度同样不能选过高。

2.3响应面优化试验结果分析

2.3.1响应面试验结果及方差分析

哈密瓜干燥优化工艺试验设计与结果如表5所示，回归方程系数显著性分析如表6所示。

由表6可以看出，模型的显著性检验p<0.05说明该模型具有统计学意义，所以由表6可知哈密瓜片因素影响顺序为：干燥温度（A）>切片厚度（C）>干燥风速（B）。模型的决定系数R2为0.986，修正决定系数Adj R2为0.968 1，与切预测系数Pred R2相接近，说明该模型与实际数据拟好较优，具有实际的指导意义。

2.3.2响应面分析

不同干燥因素对感官评价的影响如图7～图9所示。由图7可以看出，干燥温度A和干燥风速B的交互作用对感官评价的影响成抛物面分布，当干燥温度A一定时，随着干燥风速B的增加，感官评价是先增加后下降，但波动幅度较小。同理，当干燥风速B一定时，随着干燥温度的增加，感官评价也呈现先增加后降低的趋势，且波动幅度大于干燥风速B的影响。在干燥温度为55 ℃，干燥风速为2 m/s时取得了最大值。仅考虑在二者之间的交互作用，最佳的干燥工艺范围是：干燥温度A为52.5 ℃～57.5 ℃，干燥速度B为1.5～2.5 m/s之间。

由图8可以看出，干燥温度A和切片厚度C的交互作用對感官评价的影响同样成先增后减的趋势，整体的波动幅度较大。在干燥温度A为55 ℃，切片厚度C为8 mm时取得了最大值。仅考虑在二者之间的交互作用，最佳的干燥工艺范围是：干燥温度A为52.5 ℃～57.5 ℃，切片厚度C为4～10 mm之间。

由图9可知，干燥风速B和切片厚度C的交互作用对感官评价的影响同样成先增后减的趋势，但是相较于图7整体对称性较好。在二者的交互作用下，切片方式C对在交互作用中的贡献更大。在干燥风速B为2 m/s，切片厚度C为8 mm时取得了最大值。仅考虑在二者之间的交互作用，当干燥风速B为1.5～2.5 m/s，切片厚度C为4～10 mm之间时，感官评分较高。

为进一步确定最佳的干燥工艺，以最大化感官评价为目标，由软件加算出的结果可知，在干燥温度A、干燥风速B、切片厚度C共同影响下的感官评价最佳的干燥工艺为：干燥温度为55.03 ℃、干燥风速为2.02 m/s、切片厚度为7.23 mm，在此工艺下去的感官评分最大值为91.603。

2.3.3最优工艺条件试验验证

根据软件预测结果，结合实际工艺设置的可行性，干燥温度A为55 ℃、干燥风速B为2 m/s、切片厚度8 mm为条件进行三次重复试验，得到平均分92.1，与模型预测结果接近，表明基于响应面模型分析优化感官得分的方法有效可行。为便于实际操作参数的控制，将哈密瓜最优干燥工艺参数修正为：干燥温度55 ℃、干燥风速2 m/s、切片厚度为8 mm。

3结论

1） 以新鲜的哈密瓜片为干燥试验材料，进行热风干燥试验。试验结果表明：干燥温度与切片厚度对哈密瓜片干燥时间与干燥速率有着较大的影响，适当的提高干燥温度，减小切片厚度可以有效地降低干燥时间提高干燥速率，干燥风速的变化则对干燥速率的影响不大。

2） 对哈密瓜片的色差和复水率的影响较大的是干燥温度与切片厚度，过高的干燥温度会导致哈密瓜片的色差和复水率降低，同理切片厚度也是一样，因此都不宜选太高。但是随着干燥风速的提高哈密瓜片的色差会降低，但是复水率会降低，所以也不应选过高。通过单因素试验，以干燥时间、色差和复水率为影响指标，选择的干燥工艺为：干燥温度55 ℃、干燥风速2 m/s、切片厚度8 mm。

3） 使用响应面法分析感官评价得出，哈密瓜片最优干燥工艺参数为：干燥温度55 ℃、干燥风速2 m/s，切片厚度8 mm，在此条件下，平均综合得分为92.1，与模型预测结果接近，优化结果可靠，可以为哈密瓜片热风干燥的加工提供一定的依据。

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