郭 婷何新益鄧放明

GUO Ting1，2HE Xin－yi2，3DENG Fang－ming1

（1.湖南農業(yè)大學食品科技學院，湖南 長沙 410128；2.天津市農副產品深加工技術工程中心，天津 300384；3.天津農學院食品科學系，天津 300384）

中國甘薯種植面積廣、產量大，為防止腐爛變質，常將其加工成干制品［1，2］。甘薯營養(yǎng)豐富，但由于富含淀粉及還原糖，干燥過程中，還原糖會大量析出，表面容易硬化［3］，不利于甘薯水分的逸出。研究發(fā)現(xiàn)，預處理對干燥特性［4，5］和品質［6，7］有影響。Doymaz［8］報道了經過油酸乙酯和碳酸鉀混合液浸漬預處理的黑葡萄干燥時間最短，干燥速率最大；Ramirez等［9］研究了漂燙、凍融和真空浸漬氯化鈣溶液等預處理方式對蘋果熱風干燥特性的影響，結果表明凍融處理蘋果片干燥速率最快。但是，關于凍融預處理對甘薯熱風干燥特性的影響未見報道。

為提高干燥效率、保證干制品質量，可通過干燥動力學模型來描述和預測干燥過程。孟岳成等［10］研究了溫度、風速和紅薯厚度對干燥動力學的影響，在12種動力學模型中Wang and Singh模型的擬合程度最高。研究表明甘薯熱風干燥過程中干燥特性除了受干燥參數(shù)（如溫度、風速等）的影響外，還受預處理方式的影響。王君等［11］研究了不同糖漬濃度預處理對甘薯熱風干燥特性的影響，結果表明Page模型的擬合效果最好。目前，國內關于甘薯預處理對干燥動力學的影響報道較少，凍融甘薯的熱風干燥動力學研究還未見報道。

本試驗研究凍融處理對甘薯熱風干燥過程的影響；在分析凍融甘薯干燥過程中干燥速度和干燥速率曲線的基礎上，比較凍融甘薯在Newton、Henderson and Pabis和Page 3種經典動力學模型中的擬合優(yōu)度，并建立凍融甘薯熱風干燥動力學模型。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮甘薯：濟黑1號，購于天津市紅旗批發(fā)市場。

水分快速測定儀：SH10A型，上海精密科學儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風箱：DHG－9123A型，上海精宏實驗設備有限公司；

色彩色差計：CR－400型，日本美能達公司；

物性分析儀：TA.XT Plus型，英國Stable Micro System公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 甘薯的凍融預處理 新鮮甘薯洗凈去皮，切成0.5cm×0.5cm×5cm的條狀，置于沸水中燙漂2～3min后冷卻；冷卻甘薯先置于－18℃的條件下冷凍12h，再置于室溫（20℃）自然解凍，整個完整的過程即稱為凍融1次，根據反復循環(huán)凍融的次數(shù)進行了凍融0次（FT0）、凍融1次（FT1）、凍融2次（FT2）、凍融3次（FT3）的凍融處理。

1.2.2 凍融對甘薯熱風干燥的影響 將凍融預處理后的甘薯分別置于90，95，100，105℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中進行熱風干燥，每隔20min稱重一次，干至水分含量≤7%（干基計）時為干燥終點。

1.3 水分測定

在一定干燥條件下，水分比（moisture ratio，MR）可用來表示物料還有多少水分未被干燥去除，還可以反映物料干燥速率的快慢，計算公式見式（1）。

式中：

Mt——t時刻的水分含量，g／g；

Me—— 平衡水分含量，g／g；

M0—— 初始水分含量，g／g。

甘薯熱風干燥速率（drying rate，DR）計算公式見式（2）。

式中：

Mt＋dt——t＋dt時刻的水分含量，g／g；

Mt——t時刻的水分含量，g／g；

t—— 干燥時間，min。

1.4 干燥動力學模型

運用3種經典動力學模型［12］（表1）對甘薯熱風干燥試驗數(shù)據進行擬合，建立干燥動力學模型。用決定系數(shù)（R2）和均方誤差的根（RMSE）這2個參數(shù)來評價模型擬合度的優(yōu)劣。R2和RMSE表示模型的精確度和可靠度，R2越接近于1，RMSE越小，說明模型擬合度越高。計算公式見式（3）、（4）。

式中：

MRexp，j——試驗MR值；

MRpre，j——預測MR值；

N——MR個數(shù)。

表1 3種經典薄層干燥模型Table1 Three classic models of thin layer drying

1.5 數(shù)據處理

應用SPSS.V 13.0軟件進行模型擬合和回歸分析，用SigmaPlot 10.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同凍融處理甘薯的干燥特性研究

不同凍融次數(shù)的甘薯在95℃干燥溫度下的熱風干燥曲線見圖1（a）、干燥速率曲線見圖2（a），凍融3次的甘薯在不同干燥溫度下的熱風干燥曲線見圖1（b）、失水速率曲線見圖2（b）。

圖1 凍融甘薯熱風干燥曲線Figure1 Hot－air drying curves of freeze－thaw sweet potato

由圖1（a）可知，經凍融處理的甘薯達到干燥終點所需的時間明顯較未凍融處理甘薯少，所需時間隨著凍融次數(shù)增加而減少，可能是凍融處理后的甘薯內部水分結合程度發(fā)生變化，使之較易除去；FT3甘薯干燥所需時間為160min，F(xiàn)T0甘薯干燥所需時間為220min。由圖1（b）可知，隨著干燥溫度升高，干燥時間縮短，90℃時干燥時間最長，其它3組干至終點所需干燥時間相差不大。

由圖2可知，凍融甘薯干燥過程中沒有出現(xiàn)明顯的恒速干燥階段，在經歷了短暫的預熱階段后，直接進入到較長的降速階段，干燥后期干燥速率均較小。由圖2（a）可知，F(xiàn)T1甘薯的干燥速率曲線與FT0相似，且表現(xiàn)出較低的干燥速率；FT2和FT3的干燥速率較其它兩組高，預熱時間短，較先達到最大速率。由圖2（b）可知，90℃時凍融甘薯的預熱階段較長，在整個干燥過程中干燥速率均小于其它3個試驗組；105℃時凍融甘薯干燥速率最大，在降速干燥階段速率緩慢降低。

圖2 凍融甘薯熱風干燥速率曲線Figure2 Hot－air drying rate curves of freeze－thaw sweet potato

2.2 凍融甘薯熱風干燥動力學模型研究

2.2.1 干燥動力學模型的選擇 運用表1所示的3種經典薄層干燥模型對不同凍融處理（FT0、FT1、FT2、FT3）甘薯分別在干燥溫度為90，95，100，105℃的干燥試驗數(shù)據進行擬合優(yōu)度比較，得各干燥模型的擬合優(yōu)度統(tǒng)計量值見表2。

表2 3種干燥模型擬合優(yōu)度統(tǒng)計量值比較Table2 Fitting parameters of three drying models

由表2可知，Newton干燥模型下不同凍融次數(shù)、干燥溫度條件下的決定系數(shù)R2在0.952～0.987，Henderson and Pabis干燥模型下不同凍融次數(shù)、干燥溫度條件下的決定系數(shù)R2在0.961～0.989，Page干燥模型下不同凍融次數(shù)、干燥溫度條件下的決定系數(shù)R2在0.994～0.999。由此可見，Page干燥模型下凍融甘薯的R2最大，同時均方誤差的根RMSE也最小，所以Page模型能夠較好地描述凍融甘薯熱風干燥過程。這一試驗結果與Doymaz［13］報道的漂燙甘薯干燥過程符合Logarithmic模型不一樣，這可能是由于預處理方式的不同，影響了甘薯干燥過程中的傳熱傳質，導致符合的模型不同。

為了解釋凍融對Page模型參數(shù)k，n的影響，利用SPSS.V 13.0統(tǒng)計軟件分別對干燥溫度為95℃時，Page模型下凍融甘薯的待定系數(shù)k、n與凍融次數(shù)進行曲線回歸分析，可得出參數(shù)k、n與凍融次數(shù)（x）關系表達為

各待定系數(shù)與凍融次數(shù)（x）回歸分析后的相關系數(shù)R2都為1、Sig＜0.001，說明各待定系數(shù)可以用凍融次數(shù)（x）來表示。因此，凍融甘薯熱風干燥的干燥動力學模型可以表示為

2.2.2 不同膨化溫度下干燥動力學模型的驗證 圖3為90，95，100，105℃干燥溫度下，F(xiàn)T0、FT1甘薯的試驗 MR值和得到的Page模型預測的MR值比較分析結果。

圖3 Page模型的驗證Figure3 Comparison of experimental and predicted moisture ratio using Page models

由圖3可知，預測值和試驗值都是緊挨著直線分布，說明建立的Page干燥動力學模型能夠較好的預測凍融甘薯熱風干燥過程中水分含量的變化。

3 結論

凍融預處理對甘薯的干燥曲線和速率曲線有影響。隨著凍融次數(shù)增加，干燥時間縮短，干燥速率也相應增大。凍融甘薯熱風干燥過程主要可分為加速和降速2個階段，干燥過程大部分處于降速階段。

凍融甘薯熱風干燥的動力學模型滿足Page方程，在不同溫度條件下的驗證試驗結果表明，模型預測值與試驗值的一致性好。Page方程中待定系數(shù)k，n與凍融次數(shù)呈立方關系，相關系數(shù)R2都為1、Sig＜0.001。

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11 王君，房升，陳杰，等.糖漬甘薯熱風干燥特性及數(shù)學模型研究［J］.食品科學，2012，33（7）：105～109.

12 何新益，程莉莉，劉金福，等.膨化溫度對冬棗變溫壓差膨化干燥特性的影響［J］.農業(yè)工程學報，2011，27（12）：389～392.