曾 雅 劉云宏,2 張嘉怡 席慧涵 胡潤(rùn)潤(rùn)

(1. 河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2. 農(nóng)產(chǎn)品干燥裝備河南省工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽(yáng) 471023)

獼猴桃(Actinidiadeliciosa)被譽(yù)為“水果之王”，含有豐富的礦物質(zhì)、黃酮、多糖、維生素、多酚等對(duì)人體有益的功能性成分，具有很高的營(yíng)養(yǎng)、醫(yī)療、保健、美容等價(jià)值[1]。獼猴桃采后易變軟腐爛，因此，研究其采后貯藏保鮮與加工技術(shù)十分重要。干燥是延長(zhǎng)水果保存期的有效方法之一。通過(guò)干燥脫水來(lái)實(shí)現(xiàn)獼猴桃含水率及水分活度的降低，可抑制微生物的增長(zhǎng)繁殖和酶的活性，防止腐敗變質(zhì)，同時(shí)也有利于降低其貯藏和運(yùn)輸成本[2]。

遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)是利用遠(yuǎn)紅外輻射元件所發(fā)射出的遠(yuǎn)紅外線被物料吸收直接轉(zhuǎn)變成熱能，從而使物料達(dá)到干燥狀態(tài)，為目前應(yīng)用較廣的現(xiàn)代干燥技術(shù)[3]，具有熱效率高、加熱均勻、產(chǎn)品品質(zhì)好等特點(diǎn)[4]。Elmesery等[5]研究發(fā)現(xiàn)紅外干燥得到的產(chǎn)品品質(zhì)明顯優(yōu)于熱風(fēng)干燥所得產(chǎn)品，且能實(shí)現(xiàn)更短的干燥時(shí)間和更低的能耗。Doymaz等[6]研究了不同紅外功率對(duì)大棗干燥的影響，發(fā)現(xiàn)紅外干燥有利于酚類物質(zhì)的保留和抗氧化活性的提高。Saengrayap等[7]關(guān)于紅辣椒的干燥研究中，發(fā)現(xiàn)將遠(yuǎn)紅外輻射輔助于微波干燥時(shí)，有效地縮短了干燥時(shí)間，且色澤、復(fù)水性較好，收縮率更低，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)破壞更小?？梢?jiàn)，遠(yuǎn)紅外輻射加熱可通過(guò)改善受熱和促進(jìn)脫水以實(shí)現(xiàn)縮短時(shí)間、提高品質(zhì)的目的。

低場(chǎng)核磁共振(LF-NMR)技術(shù)是一種有效準(zhǔn)確的水分測(cè)量方法，通過(guò)質(zhì)子弛豫行為來(lái)描述樣品水分狀態(tài)的變化規(guī)律，廣泛應(yīng)用于食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[8]。Wei等[9]利用LF-NMR技術(shù)對(duì)煙葉烘烤過(guò)程進(jìn)行弛豫特性及質(zhì)子密度成像分析，發(fā)現(xiàn)烘烤過(guò)程煙葉中自由水最先被干燥去除，半結(jié)合水和結(jié)合水隨后才能脫除，其中少量結(jié)合水難以通過(guò)干燥脫除。Li等[10]利用NMR光譜對(duì)紅外與熱風(fēng)干燥條件下的牛肉內(nèi)部水分遷移特性進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)紅外干燥會(huì)導(dǎo)致更多的不易流動(dòng)水從肌原纖維遷移為自由水。目前，利用LF-NMR技術(shù)探討獼猴桃遠(yuǎn)紅外輻射干燥中內(nèi)部水分遷移規(guī)律的研究尚未報(bào)道。

在遠(yuǎn)紅外輻射干燥中，遠(yuǎn)紅外輻射溫度(即輻射板表面溫度)是影響干燥速率和脫水過(guò)程最主要的干燥參數(shù)，有必要對(duì)其進(jìn)行深入探討。試驗(yàn)擬以獼猴桃切片為遠(yuǎn)紅外輻射干燥試驗(yàn)對(duì)象，探討遠(yuǎn)紅外輻射溫度變化對(duì)獼猴桃片干燥特性的影響，通過(guò)橫向弛豫時(shí)間反演譜得到不同遠(yuǎn)紅外輻射干燥溫度下的獼猴桃水分狀態(tài)及遷移變化趨勢(shì)，分析遠(yuǎn)紅外輻射溫度對(duì)獼猴桃干燥過(guò)程中各種水分變化的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

獼猴桃：購(gòu)于洛陽(yáng)市大張超市，要求成熟度均勻、無(wú)腐爛損壞。

1.2 儀器與設(shè)備

遠(yuǎn)紅外輻射干燥器：河南科技大學(xué)自制，具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[11]；

核磁共振分析儀：NMI120-015V-1型，上海紐邁電子科技有限公司；

切片機(jī)：SHQ-1型，德州天馬機(jī)械有限公司；

電子天平：Scout SE型，美國(guó)OHAUS公司。

1.3 干燥方法

新鮮獼猴桃的初始干基含水率采用105 ℃烘箱法[12]測(cè)得，為(655±12)%。獼猴桃洗凈去皮后切成厚度為5 mm 的圓形薄片，每組試驗(yàn)取大約70 g獼猴桃均勻平鋪于物料盤上。遠(yuǎn)紅外輻射干燥設(shè)備參數(shù)參照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行設(shè)置；開(kāi)啟熱泵干燥機(jī)和遠(yuǎn)紅外輻射裝置，設(shè)定不同的遠(yuǎn)紅外輻射溫度(120，160，200，240，280 ℃)，隨后將物料放置于干燥裝置中進(jìn)行干燥試驗(yàn)。干燥過(guò)程中每隔30 min 稱重1次，直至連續(xù)2次所稱質(zhì)量不變時(shí)，干燥結(jié)束。為較好地探討遠(yuǎn)紅外輻射溫度對(duì)干燥特性與水分遷移的影響，本試驗(yàn)固定其他干燥參數(shù)，如氣流溫度35 ℃、風(fēng)速1.5 m/s、輻射距離10 cm。每組試驗(yàn)均重復(fù)3次。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 物料干基含水率和干燥速率的計(jì)算 參照文獻(xiàn)[13]。

1.4.2 干燥過(guò)程中物料的有效水分?jǐn)U散系數(shù) 通過(guò)水分比公式和Fick擴(kuò)散定律計(jì)算，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

1.4.3 不同組分水比例及質(zhì)量的計(jì)算 參照文獻(xiàn)[15]。

1.5 LF-NMR檢測(cè)

根據(jù)文獻(xiàn)[16]的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 遠(yuǎn)紅外輻射溫度對(duì)獼猴桃干燥特性的影響

由圖1可知，獼猴桃水分含量隨著干燥的進(jìn)行而持續(xù)下降，且輻射溫度越高，干燥時(shí)間越短。輻射溫度為120，160，200，240，280 ℃時(shí)，獼猴桃的干燥時(shí)間分別為600，480，390，300，240 min，平均干燥速率之比為1.00∶1.30∶1.54∶2.00∶2.50。輻射溫度升高，干燥介質(zhì)與濕物料溫差越大，傳熱推動(dòng)力越大，干燥速率越快，干燥過(guò)程越短；另一方面，隨著輻射溫度的升高，相對(duì)濕度減小，傳質(zhì)推動(dòng)力越大，水分從物料表面擴(kuò)散至干燥介質(zhì)速率越大，更有利于干燥[17]。與南瓜[18]和鐵棍山藥[19]的紅外干燥過(guò)程結(jié)果類似。

圖1 不同輻射溫度下獼猴桃的干燥特性曲線Figure 1 Drying characteristic curves of kiwifruit at different radiation temperatures

水蒸氣蒸發(fā)所需壓力通常受干燥溫度和水分含量?jī)蓚€(gè)因素共同制約[5]。由圖1(b)可知，干燥速率隨著輻射溫度的升高而增大，且在物料含水率較高時(shí)尤其明顯。當(dāng)輻射溫度為280 ℃時(shí)，初期的干燥速率為7.6%/min，后期干燥速率降至1.0%/min以下。在干燥初期，由于物料含水量較高，物料吸收紅外能并快速轉(zhuǎn)化為熱能，干燥速率較高。隨著水分不斷被除去，獼猴桃片含濕量降低導(dǎo)致內(nèi)部傳質(zhì)阻力增大，干燥速率呈下降趨勢(shì)。由干燥速率曲線可知，除輻射溫度120 ℃外，其他4個(gè)輻射溫度水平下的干燥過(guò)程均只呈降速階段，說(shuō)明獼猴桃的遠(yuǎn)紅外輻射干燥過(guò)程主要由內(nèi)部水分?jǐn)U散控制[20]。因此，在保證獼猴桃干燥品質(zhì)的前提下，適當(dāng)提高輻射溫度有利于加快脫水進(jìn)程、縮短干燥時(shí)間。

2.2 遠(yuǎn)紅外輻射溫度對(duì)有效水分?jǐn)U散系數(shù)的影響

不同輻射溫度下，遠(yuǎn)紅外輻射干燥獼猴桃片的有效水分?jǐn)U散系數(shù)如圖2所示，干燥樣品的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為2.85×10-10～7.03×10-10m2/s。在一般脫水食品的有效水分?jǐn)U散系數(shù)(10-11～10-9m2/s)范圍內(nèi)[21]。輻射溫度為280 ℃時(shí)，有效水分?jǐn)U散系數(shù)達(dá)到最大值，相比輻射溫度120 ℃條件下提高了146.7%，表明提高輻射溫度可以顯著增大獼猴桃切片遠(yuǎn)紅外干燥的有效水分?jǐn)U散系數(shù)。提高輻射溫度會(huì)增加提供給物料的熱能，進(jìn)而增強(qiáng)物料內(nèi)部水分子活性及加快水分子遷移速率，從而提升水分?jǐn)U散速率[22]。Darvishi等[23]研究蘑菇的遠(yuǎn)紅外干燥特性表明，在50～90 ℃條件下，有效水分?jǐn)U散系數(shù)隨著干燥溫度升高而增大。高鶴等[24]研究番木瓜的中短波紅外干燥，結(jié)果表明隨著干燥溫度從60 ℃升高到90 ℃，有效水分?jǐn)U散系數(shù)從2.81×10-10m2/s增加到7.29×10-10m2/s。

字母不同表示在95%的置信水平有顯著差異

Figure 2 Effective moisture diffusivity values of kiwifruit at different radiation temperatures

2.3 遠(yuǎn)紅外輻射溫度對(duì)T2反演譜的影響

圖3顯示了獼猴桃切片在輻射溫度120 ℃條件下弛豫譜隨時(shí)間的變化。由核磁共振原理可知，橫向弛豫時(shí)間越長(zhǎng)，質(zhì)子自由度越大，水分流動(dòng)性更強(qiáng)[9]。獼猴桃的反演譜有3個(gè)波峰，可以代表獼猴桃中3 種不同的水分狀態(tài)，將其分為T21(0.01～10.00 ms)、T22(10.00～100.00 ms)和T23(>100.00 ms)3個(gè)區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)結(jié)合水、不易流動(dòng)水以及自由水。樣品中橫向弛豫時(shí)間的分布特征與細(xì)胞組織的性質(zhì)有著密不可分的關(guān)系。弛豫時(shí)間最短的T21，即流動(dòng)性最小的組分，代表通過(guò)氫鍵與蛋白質(zhì)、多糖等細(xì)胞內(nèi)部大分子物質(zhì)緊密結(jié)合的水分。T22代表存在于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞間隙中受一定束縛力約束的水，稱為不易流動(dòng)水。最大面積的T23對(duì)應(yīng)的是游離在纖維組織之間流動(dòng)性較大的自由水，占新鮮獼猴桃組織總峰振幅的70%。

隨著干燥的進(jìn)行，反演譜總峰面積不斷減少，反演譜圖整體向左側(cè)偏移，說(shuō)明樣品中的水分含量減小，且水分不斷由高自由度向低自由度轉(zhuǎn)變，樣品中的水與固質(zhì)的結(jié)合程度增大[25]。干燥初期，獼猴桃中的水分以自由水為主，由于自由水流動(dòng)性較好，在干燥過(guò)程中最易被脫除，導(dǎo)致T23不斷向左移動(dòng)且峰幅值迅速減小。隨著干燥的進(jìn)行，自由水完全脫除，獼猴桃片中剩下流動(dòng)性較差的不易流動(dòng)水和結(jié)合水，T21、T22的峰幅值和橫向弛豫時(shí)間也逐漸開(kāi)始減小。在整個(gè)干燥過(guò)程中，T21弛豫時(shí)間變化較小，意味著結(jié)合水與大分子物質(zhì)的結(jié)合十分穩(wěn)定，干燥過(guò)程對(duì)其影響不明顯[26]。干燥初期，由于樣品內(nèi)酶和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分解等因素，會(huì)使一些結(jié)合水向不易流動(dòng)水轉(zhuǎn)變[9]，致使結(jié)合水含量有所降低。在干燥后期，T22峰幅值逐漸下降，T21峰幅值會(huì)有所增大。由于遠(yuǎn)紅外干燥造成的細(xì)胞膜損傷使獼猴桃中葡萄糖、果糖和蔗糖等碳水化合物的濃度增加，且細(xì)胞質(zhì)中某些營(yíng)養(yǎng)成分降解，溶質(zhì)的增加導(dǎo)致部分不易流動(dòng)水遷移為結(jié)合水[27]，直至干燥結(jié)束，樣品中以流動(dòng)性最小的結(jié)合水為主。

圖3 輻射溫度120 ℃下獼猴桃干燥過(guò)程中T2反演譜的變化

Figure 3T2relaxation spectra of kiwifruit during drying process at radiation temperature of 120 ℃

遠(yuǎn)紅外輻射溫度為120，160，200，240，280 ℃時(shí)的T2圖譜的變化規(guī)律相同，因此選擇具有代表性的單個(gè)輻射溫度進(jìn)行分析。T2反演譜的變化能夠反映水分子的動(dòng)力學(xué)特性，可間接表征出獼猴桃遠(yuǎn)紅外輻射干燥過(guò)程中的水分遷移規(guī)律。

2.4 輻射溫度對(duì)水分遷移變化的影響

由T2反演譜得到不同狀態(tài)水分的總信號(hào)強(qiáng)度，將其標(biāo)記為A21、A22、A23，可代表結(jié)合水、不易流動(dòng)水、自由水3種組分的相對(duì)含量，進(jìn)而得到遠(yuǎn)紅外干燥過(guò)程中各組分水的比例變化見(jiàn)圖4。

由圖4可知，新鮮獼猴桃樣品中以自由水為主，約占總水分的70%。干燥初期，物料所吸收紅外能可迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽锪蠝囟入S之升高，造成獼猴桃內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)狀況發(fā)生變化，自由水不斷地從組織中脫除，12.85 g鮮樣中自由水含量由7.70 g一直降低為0 g。當(dāng)輻射溫度從120 ℃升高到280 ℃時(shí)，自由水脫除時(shí)間由480 min 降至120 min，說(shuō)明提高輻射溫度能顯著加快自由水的遷移與脫除。王雪媛等[15]在蘋果片中短波紅外干燥的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，溫度越高，自由水脫除所需的時(shí)間越短。由于輻射溫度的升高使干燥介質(zhì)產(chǎn)生了更多熱能，提高了自由水的內(nèi)能及流動(dòng)性，從而加快了自由水向外遷移的速率，自由水脫除所需的時(shí)間縮短[17]。獼猴桃在120，160，200，240，280 ℃的輻射溫度條件下，分別在干基含水率為36.9%，56.6%，93.9%，100.6%，130.2%時(shí)自由水波峰被完全除去，結(jié)合圖1可知，干燥過(guò)程中，自由水的變化快慢會(huì)直接影響干燥速率大小。

在不同的輻射溫度條件下，A22所占比例的變化趨勢(shì)相同，均隨干燥時(shí)間的推移先增大后減小。在輻射溫度為120 ℃下，獼猴桃中不易流動(dòng)水的絕對(duì)質(zhì)量從最初的2.17 g，在60 min時(shí)增加至2.84 g，再逐漸減少為0.07 g。干燥進(jìn)行的初期，獼猴桃內(nèi)部的碳水化合物濃度升高會(huì)導(dǎo)致自由水向不易流動(dòng)水遷移，且細(xì)胞質(zhì)內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及酶分解出的結(jié)合水也可能遷移為不易流動(dòng)水，導(dǎo)致不易流動(dòng)水所占比例升高[25]。獼猴桃在120，160，200，240，280 ℃的輻射溫度的條件下，干燥至90 min時(shí)，不易流動(dòng)水的比例分別占34%，40%，43%，58%，70%。說(shuō)明在較高輻射溫度下，不易流動(dòng)水比例的增大幅度更明顯，是由于輻射溫度升高，溫度梯度增大使自由水去除更快，隨著脫水的進(jìn)行以及組織液濃度的升高，高自由度水分向低自由度水分的遷移轉(zhuǎn)化速率加快[28]。隨著干燥繼續(xù)進(jìn)行，A22比例呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明在自由水被脫除后，不易流動(dòng)水開(kāi)始逐漸減少，可能是一部分不易流動(dòng)水向外遷移為自由水被脫除，另一小部分遷移為與獼猴桃固質(zhì)結(jié)合更緊密的結(jié)合水。

圖4 不同輻射溫度下獼猴桃干燥過(guò)程中各組分水比例的變化

Figure 4 Changes in proportion of each component of water of kiwifruit at different radiation temperatures

結(jié)合水通過(guò)氫鍵與蛋白質(zhì)、糖類等大分子緊密結(jié)合，一般不易被干燥去除[29]。前2 h結(jié)合水可能會(huì)有所減少，是因?yàn)闇囟忍荻鹊男纬墒沟蒙俨糠至鲃?dòng)性相對(duì)較大的結(jié)合水向不易流動(dòng)水遷移。隨著干燥中自由水和不易流動(dòng)水不斷被脫除，導(dǎo)致總水分含量下降，因此結(jié)合水峰比例在后期逐漸增大。

通過(guò)干燥過(guò)程中各組分水比例的變化，可以看出不同輻射溫度對(duì)獼猴桃內(nèi)部水分遷移的影響不同。自由水流動(dòng)大，在獼猴桃樣品中的相對(duì)比例從70%降至0%，表現(xiàn)為干燥初期水分?jǐn)U散快、脫水速率大的特點(diǎn)；此外，提高輻射溫度可以通過(guò)提供更多的能量來(lái)促進(jìn)自由水的蒸發(fā)擴(kuò)散以及各種水分狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程，最終加快干燥脫水進(jìn)程。與Xu等[30]研究胡蘿卜遠(yuǎn)紅外干燥中水分變化一致。

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究不同遠(yuǎn)紅外輻射溫度對(duì)干燥獼猴桃的水分?jǐn)U散特性的影響。隨著輻射溫度的升高，干燥時(shí)間明顯縮短，干燥速率顯著提高。干燥過(guò)程的有效水分?jǐn)U散系數(shù)為2.85×10-10～7.03×10-10m2/s，且隨著輻射溫度的升高而增大。

LF-NMR結(jié)果表明，新鮮獼猴桃樣品中含有大量的自由水，在干燥過(guò)程中最易被脫除，從而表現(xiàn)出干燥初期干燥速率大的特點(diǎn)；隨著干燥的進(jìn)行及自由水的脫除，水分由高自由度逐漸向低自由度轉(zhuǎn)變，不易流動(dòng)水含量增多，待不易流動(dòng)水達(dá)到一定量時(shí)，又向結(jié)合水遷移；直至干燥結(jié)束，樣品中以流動(dòng)性最差的結(jié)合水為主。不同輻射溫度對(duì)水分?jǐn)U散的影響不同，提高輻射溫度可以促進(jìn)自由水的蒸發(fā)擴(kuò)散，以及各種水分狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變過(guò)程。

運(yùn)用LF-NMR技術(shù)能實(shí)現(xiàn)獼猴桃遠(yuǎn)紅外干燥中水分狀態(tài)變化的實(shí)時(shí)檢測(cè)。因此，在保證獼猴桃干燥品質(zhì)的前提下，適當(dāng)提高輻射溫度能促進(jìn)其內(nèi)部水分的蒸發(fā)與擴(kuò)散，從而提高干燥速率，縮短干燥時(shí)間。試驗(yàn)為遠(yuǎn)紅外輻射干燥中水分?jǐn)U散特性及遷移規(guī)律研究提供理論參考，為更好地評(píng)價(jià)遠(yuǎn)紅外輻射對(duì)獼猴桃干燥的作用，遠(yuǎn)紅外輻射干燥對(duì)產(chǎn)品的物理特性與品質(zhì)特征的影響還有待進(jìn)一步研究。