胡云峰，位錦錦，李寧寧，胡晗艷

1(天津科技大學 食品工程與生物技術學院，天津，300457) 2(天津市食品加工工程中心，天津，300457)

不同熱風干燥溫度對枸杞干燥特性的影響

胡云峰1*，位錦錦1，李寧寧1，胡晗艷2

1(天津科技大學 食品工程與生物技術學院，天津，300457) 2(天津市食品加工工程中心，天津，300457)

為了研究枸杞在不同熱風干燥溫度下的干燥特性，改善其干制品質，以寧夏枸杞為原料，對其進行不同溫度的熱風干燥處理，分析它的干燥特性和品質變化，結果表明：枸杞干制過程由升速、降速和恒速3個階段組成，以降速階段為主要過程；枸杞熱風干燥水分有效擴散系數(shù)在0.76×10-10m2/s和1.98×10-10m2/s之間，且溫度越高系數(shù)越大，枸杞干燥活化能為61.36 kJ/mol；通過試驗得出風速為0.2 m/s、濕度為30%、物料厚度1層(8 mm)恒定不變，溫度為55 ℃熱風干燥時制得的枸杞品質最好；此外，由枸杞的感官品質分析結果得出：色澤、口感和質地對枸杞的品質有重要的影響。

枸杞；熱風干燥；干制特性；品質

枸杞(Lyciumbarbarum)是我國傳統(tǒng)常用藥食同源材料[1]。我國枸杞資源豐富，主要分布在寧夏、新疆、內蒙古、河北等省區(qū)，全國年總產量接近1億萬t[2]。鮮枸杞營養(yǎng)豐富，含水量高，但易腐爛變質，難以貯藏，目前除少量鮮食外，大部分枸杞被作為干果銷售[3]。在我國，枸杞的干制普遍采用曬干、烘干等傳統(tǒng)技術，其生產成本低，周期長且品質差。因而，一些干燥技術，如熱風干燥、真空冷凍干燥、微波干燥、遠紅外干燥等開始被廣泛研究并應用，其中，熱風干燥是目前應用較普遍的干燥技術[4]。

賈清華等[5]對枸杞熱風干制特性進行研究，發(fā)現(xiàn)溫度是影響干燥速率的主要因素。鄭碩等[6]對枸杞熱風干燥動力學及干燥品質試驗，試驗得出在枸杞的熱風干燥中，溫度對干燥速率的提高起決定性作用。但是，熱風干燥法對干燥條件要求較高，不適的干燥條件會導致枸杞營養(yǎng)成分損失，果實嚴重收縮，色澤及風味品質降低，直接影響其商品價值[7]。因而，本實驗以寧夏優(yōu)質枸杞為原料，研究不同熱風干燥溫度下枸杞水分變化規(guī)律，掌握枸杞干燥特性，為枸杞的熱風干制加工提供理論和技術支撐，保證干制枸杞品質良好。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

枸杞鮮果采摘于寧夏中寧枸杞有限責任公司果園，采后2 h內立即運回公司冷庫預冷，裝盒冷藏包裝空運回實驗室。試驗選擇大小均勻、果實完整，色澤均勻，無機械損傷的新鮮枸杞為原料，要求其平均質量為(1.003 7±0.09)g，直徑為(1.2±0.11)cm，含水率為78.5%。試驗前先將枸杞置于溫度為(4±1)℃、相對濕度為90%的冷庫中保存。

1.2 儀器與設備

DGG-101-2型電熱鼓風干燥箱，天津市天宇試驗儀器有限公司；XQ501電子水分測定儀，上海郎平儀器儀表有限公司；CR-10型自動測色色差計，柯盛行儀器有限公司；PL203/01電子分析天平，特勒-托利多儀器(上海)有限公司；JJ300電子分析天平，美國雙杰(兄弟)集團有限公司。

1.3 試驗設計方法

稱取枸杞鮮果(250±5)g，置于物料托盤上，將物料托盤置于鼓風干燥箱內進行干燥試驗。鼓風干燥箱的溫度分別設定為50、55、60、65 ℃，每個溫度條件設5組平行試驗，風速0.2 m/s，濕度30%，物料厚度為1層(8 mm)。采用等時取樣稱重法計算枸杞的含水率，當枸杞干基含水率≤0.176 g/g(濕基含水率≤15%)時，終止干燥，記錄干燥時間，對枸杞干燥特性進行研究。

1.4 指標測定方法

1.4.1 初始含水率

參照國標測定枸杞的初始含水率[8]。

1.4.2 干制水分比MR

計算公式如下[9-10]

(1)

式中:M0為初始干基含水率,g/g；Me為枸杞干制到平衡時的干基含水率,g/g；Mt為任意干制t時刻的干基含水率,g/g。

由于平衡干基含水率Me遠遠小于M0和Mt，所以MR簡化為:

(2)

1.4.3 干燥速率DR

計算公式如下:

(3)

式中:Mt1和Mt2為干制時間為t1和t2時枸杞的干基含水率,g/g。

1.4.4 干制過程中水分有效擴散系數(shù)的計算

由枸杞干制速率變化趨勢，若干制過程中處于降速階段，說明枸杞的干制以內部水分擴散控制為主，F(xiàn)ick第二定律被廣泛的應用于描述這種擴散過程[11-12]，其公式如下：

(4)

假設在干制過程中，水分在枸杞內部均勻分布、恒定，且忽略物料的收縮[13]，可得到公式：

(5)

式中:MR為干燥水分比；Deff為水分有效擴散系數(shù),m2/s；r為枸杞體積等效半徑,m；t為干燥時間,s。

對于長時間干制過程，式(5)可只取第一項，其對數(shù)形式為：

(6)

(7)

1.4.5 干制活化能的求解

干制過程中水分有效擴散系數(shù)Deff和干制溫度的關系可由阿倫尼烏斯方程[14]表示：

(8)

式中:Deff為水分有效擴散系數(shù)，m2/s；D0為物料中的擴散前置因子，m2/s；Ea為干燥活化能，J/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為物料干制溫度，℃。

對式(8)兩邊取自然對數(shù)，活化能可由ln(Deff)和1/(T+273.15)所組成的回歸方程斜率求得。

(9)

1.4.6 感官評價

從形狀、色澤、滋氣味、干爽度、質地5個方面對4個溫度下干制得到的枸杞進行品質評價。表1為感官評價標準[15]，邀請10位有經驗的老師對不同干燥溫度下得到的枸杞干制品進行感官評價。

表1 枸杞感官評價表

1.5 數(shù)據(jù)處理

各試驗測定指標取其平均值進行分析，采用Excel進行數(shù)據(jù)整理分析，采用SPSS進行相關性分析和顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 不同熱風干燥溫度處理下枸杞的干燥曲線

枸杞在不同熱風干燥溫度下的水分變化情況如圖1所示，干燥曲線呈逐漸下降趨勢，但從初始水分達到安全水分所用時間不同，且溫度越高，水分含量下降越快，枸杞干制所需時間越短。風速為0.2 m/s恒定，50 ℃條件下干制所需時間最長，為44 h；而65 ℃條件下所需時間最短，為20 h。這是因為干燥初期，由于枸杞被加熱，此時其水分高，故熱量傳遞、水分擴散蒸發(fā)都比較快[16]。

圖1 枸杞的干燥曲線Fig.1 The drying curve of Lycium barbarum

2.2 不同干燥溫度下枸杞的水分比-時間曲線

圖2是不同熱風干燥溫度下枸杞的水分比-時間曲線。枸杞水分比隨著干燥時間的延長呈現(xiàn)大幅度降低趨勢，干制完成后，由初始值1降低到0.15左右。溫度越高，枸杞的MR-t曲線越陡峭，干燥耗時越短，與水分含量變化趨勢一致。原因在于干燥所需時間主要是由有效水分擴散系數(shù)決定的，較高的溫度可以提高物料與熱風之間的對流強度，并且能夠增強物料內部水分的遷移和擴散，水分有效擴散系數(shù)增大，加快干燥進行[17]。

圖2 枸杞的水分比-時間曲線Fig.2 MR-t curve of Lycium barbarum

2.3 不同干燥溫度下枸杞的干燥速率曲線

由圖3可以看出，枸杞在整個干制過程中，DR-t曲線趨勢一直在變化。前4 h內干燥速率呈現(xiàn)劇增趨勢，4～8 h內干燥速率又急劇下降，這與枸杞表面水分的快速散失有關。隨著干燥過程的繼續(xù)，干燥速率下降或趨于平衡。風速0.2 m/s不變，65 ℃條件下，干燥速率下降最快，其次為60 ℃。50 ℃條件下，枸杞的干燥速率經過前期的快速下降階段后，在16～36 h內下降速率相對較小，36 h后趨于平穩(wěn)；55 ℃條件下，干燥速率在32 h后趨于平穩(wěn)。由此可見，枸杞干制過程可分為升速、降速和恒速3個階段，其中降速階段為主要過程，這與賈清華[5]對枸杞熱風干燥特性的研究結果相一致。干燥溫度越高，歷時越短[18]，因為在熱風作用下，枸杞中的水分由內部向表面擴散，隨著含水量的下降，水分擴散阻力也不斷增大，干燥速率隨之下降[19]。

圖3 枸杞的干燥速率曲線Fig.3 The drying rate curve of Lycium barbarum

2.4 枸杞干燥過程中水分有效擴散系數(shù)的計算

由速率曲線可以得出，枸杞的整個干燥過程幾乎沒有恒速階段，主要是降速階段，這說明枸杞的內部水分擴散作用控制著整個干燥過程。因此，可以利用費克第二定律來描述枸杞干燥過程中的這種水分擴散現(xiàn)象。枸杞在干燥過程中水分比的自然對數(shù)ln(MR)與干制時間t呈線性關系，其方程表達式以及由其求出的水分擴散系數(shù)見表2。

表2 不同熱風溫度條件下枸杞的水分有效擴散系數(shù)

枸杞在4個不同熱風干燥溫度下的水分有效擴散系數(shù)在0.76×10-10m2/s和1.98×10-10m2/s之間，并且隨著熱風干燥溫度的升高，水分有效擴散系數(shù)增大。RAMOS 研究表明[20]：農產品在干燥時的水分有效擴散系數(shù)一般在10-11m2/s和l0-9m2/s之間，本研究得到的枸杞熱風干燥水分有效擴散系數(shù)也在其區(qū)間之內。綜合上述，在試驗范圍內提高干燥溫度能有效提高枸杞在干燥過程中的水分有效擴散系數(shù)，但是這種增長是不均等的，這可能是由于干燥過程中水分的擴散與干燥溫度、物料成分以及物料所處的狀態(tài)有關[21]。

2.5 枸杞干燥過程中水分有效擴散系數(shù)的計算

干燥過程中，水分有效擴散系數(shù)Deff與干燥溫度T的關系可由阿倫尼烏斯方程表示。ln(Deff)-1/(T+273.15)關系曲線見圖4?；貧w方程為ln(Deff)=7.429 2×1/(T+273.15)-0.342 9，由斜率求得枸杞的干燥活化能為61.36kJ/mol。干燥活化能是評價物料干燥能耗的一個重要參數(shù)，表示物料脫除1mol水分需要消耗能量的多少。經過大量試驗研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)物料的干燥活化能在12.70～110.00kJ/mol，物料的種類、組織狀態(tài)、成分等會影響到干燥活化能的大小，而且同一物料的不同處理方式和干燥方式也會對干燥活化能產生影響[22]。

圖4 枸杞水分有效擴散系數(shù)與干燥溫度的關系曲線Fig.4 The relationship curve of Lycium barbarum between water effective diffusion coefficient and drying temperature

2.6 不同熱風干燥溫度下枸杞的感官品質變化

通過從形狀、色澤、滋氣味、干爽度、質地5個方面對不同熱風干燥溫度下得到的枸杞進行感官評價，其評價結果見表3，通過感官評價得出，風速0.2 m/s不變，4種熱風溫度干燥的枸杞總分順序為55℃>60℃>50℃>65℃。表3中，感官評分得出55℃>60℃>50℃>65℃，這是因為，本試驗干制的枸杞對其干制品的滋氣味以及質地要求較高，溫度越高越會影響干制品的色澤，但是適當?shù)母邷貐s有益于其滋氣味、質地、口感，因此評分較高。使用SPSS 17.0軟件針對枸杞感官評價的各指標間的典型相關性進行分析，結果見表3。

表3 4種熱風溫度干制的枸杞感官評價結果

注：風速為0.2 m/s，濕度為30%，物料厚度為8 mm，同一列中，不同小寫字母表示P=0.05 水平的多重比較，不同大寫字母表示P=0.01 水平的多重比較。

表4 感官指標之間的相關性分析結果

由表4可以得出：質地、滋氣味、色澤、形狀指標呈現(xiàn)顯著性正相關，這幾個指標間的密切關系程度以滋氣味與色澤最為突出(r=0.965*)，其次是質地與形狀(r=0.958*)，其余各指標間關系均不明顯。所以，枸杞感官評價中，色澤、滋氣味和質地3個指標對枸杞的品質是非常重要的。綜合感官評價者的感官評分和SPSS相關性分析結果，確定色澤、口感(滋氣味)及質地為枸杞感官評價的關鍵性指標。

3 結論

(1)根據(jù)4組處理的熱風干燥時間和感官評分分析得出，不同熱風溫度下，枸杞干燥溫度越高，干燥達到預期水分所需時間越短。根據(jù)枸杞干制過程中的MR-t曲線、DR-t曲線，確定枸杞熱風干制過程大體分為升速、降速和恒速3個階段，且以降速階段為主要過程。枸杞在風速0.2 m/s，濕度30%，物料厚度8 mm不變，推薦55 ℃熱風干制枸杞，四個熱風溫度下的水分有效擴散系數(shù)在0.76×10-10～1.98×10-10m2/s，根據(jù)阿倫尼烏斯方程計算得到枸杞干燥活化能為61.36 kJ/mol。

(2)根據(jù)4組處理的感官評價和各感官指標間的相關性分析，確定枸杞的色澤、口感(滋氣味)和質地是枸杞品質評價的重要指標，對枸杞總體接受度有重要影響。

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Effects of different hot air drying temperatures on characteristics of driedLyciumbarbarum

HU Yun-feng1*, WEI Jin-jin1, LI Ning-ning1, HU Han-yan2

1(Tianjin University of Science and Technology, Food Engineering and Biotechnology Institute, Tianjin 300457, China) 2(Tianjin Food Engineering Center, Tianjin 300457, China)

In order to study characteristics of driedLyciumbarbarumand improve its quality,Lyciumbarbarumfrom Ningxia province used as raw material. The hot air drying at different temperature was explored on drying characteristics and quality ofLyciumbarbarum. The results showed that: dried process was made of speeding stage, deceleration stage and constant stage. Deceleration period was the main drying process. The higher the temperature, the larger the moisture effective diffusivity (Deff). Moisture effective diffusivity values ofLyciumbarbarumrange from 0.76×10-10m2/s to 1.98×10-10m2/s. The activation energy was 61.36 kJ/mol. It is concluded that the quality ofLyciumbarbarumis the best by t wind speed at 0.2 m/s, humidity 30%, the material thickness of one layer (8 mm) and the hot air drying at 55 ℃. In addition, color, taste and texture have a critical influence on the quality ofLyciumbarbarum.

Lyciumbarbarum; hot-air dried; drying characteristics; quality

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.201701022

教授(本文通訊作者,E-mail：hu-yf@163.com.)。

農業(yè)科技成果轉化資金項目(2014GB2A100517)

2016-05-12，改回日期：2016-06-12