郭 婷 吳 燕 陳益能 - 段振華 - 陳振林 - 蔡 文 鄧春麗 -

(1. 賀州學院食品與生物工程學院，廣西 賀州 542899；2. 賀州學院食品科學與工程技術研究院，廣西 賀州 542899；3. 湖南農業(yè)大學信息科學技術學院，湖南 長沙 410128)

大果山楂屬南果山楂，在廣西種植面積廣，是優(yōu)良的地方特色品種[1]。大果山楂富含黃酮類化合物、熊果酸和單體有機酸類等活性成分，具有促進血液循環(huán)和新陳代謝、降低膽固醇、降低血脂、降低血壓和清除自由基的作用[2]。大部分大果山楂需要脫水干燥，常用熱風干燥，但未經預處理的大果山楂經熱風干燥所得山楂片卷縮較嚴重，品質欠佳，且干燥時間長，加工效率低。研究[3-8]發(fā)現(xiàn)，燙漂、滲透、超高壓、超聲波和凍融等預處理對干燥特性和品質有影響。凍融包括凍結和解凍2個過程，現(xiàn)作為一種新型的物理預處理方式應用于果蔬干燥加工前處理，可改善干燥產品品質，提高干燥效率。何新益等[9]對不同凍融預處理甘薯膨化干燥的脫水行為進行了監(jiān)測，獲得了甘薯變溫壓差膨化干燥動力學模型；Ramirez等[10]研究對比了不同預處理方式對蘋果熱風干燥特性的影響，發(fā)現(xiàn)凍融預處理的蘋果片干燥所需時間較短，干燥速率最快。凍融預處理在果蔬干燥中的應用與研究越來越廣泛，但關于凍融預處理對大果山楂熱風干燥特性的影響尚未見諸于報道。

通過研究物料干燥特性，建立干燥動力學模型，可用于描述和預測干燥過程，便于對干燥過程的控制及干燥終點的判斷。劉艷等[11]發(fā)現(xiàn)大果山楂片厚度、裝料量對大果山楂片熱風干燥特性影響較大，在3種動力學模型中Page模型的擬合程度最高；任茹娜等[12]運用16種果蔬薄片干燥模型擬合試驗數(shù)據，篩選出了Approximation of diffusion模型和Hii and others模型用于描述山楂聯(lián)合干燥的熱風、微波干燥過程。目前，中國關于預處理對大果山楂干燥動力學的影響研究較少，凍融大果山楂的熱風干燥動力學研究還未見報道。

研究擬考察不同凍融預處理對大果山楂熱風干燥過程的影響；在分析凍融大果山楂熱風干燥過程中干燥速度和干燥速率曲線的基礎上，比較凍融大果山楂在4種經典薄層干燥動力學模型中的擬合優(yōu)度，研究不同凍融次數(shù)和溫度條件對干燥大果山楂水分有效擴散系數(shù)的影響，以期為提高山楂熱風干燥效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮大果山楂：市售；

水分分析儀：PMB53型，廣州億興科學儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9140A型，上海齊欣科學儀器有限公司；

冰箱：BCD-249WP3CX型，合肥美菱有限公司；

掃描電子顯微鏡：JSM-6380L型，日本電子株式會社。

1.2 試驗方法

1.2.1 凍融預處理 呈7 mm厚度的山楂鮮果片經料液比為1∶2 (g/mL)沸水燙漂2 min撈起冷卻至25 ℃；將其置于-16 ℃的條件下冷凍14 h，再置于8 ℃的條件下解凍24 h，整個完整的過程即稱為凍融1次，反復循環(huán)凍融0，1，2，3次即為凍融0次(FT0)、凍融1次(FT1)、凍融2次(FT2)、凍融3次(FT3)預處理。

1.2.2 凍融預處理對大果山楂熱風干燥的影響 將凍融0，1，2，3次的大果山楂樣品置于70 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中進行熱風干燥；將凍融2次預處理后的大果山楂分別置于55，60，65，70 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中進行熱風干燥；每隔10～20 min進行樣品質量監(jiān)測，直至水分含量≤7%(干基計)時結束干燥。

1.3 水分測定

在一定干燥條件下，水分比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)。

(1)

式中：

MR——水分比；

Mt——大果山楂片干燥到t時刻的水分含量，g/g；

Me——平衡水分含量，g/g；

M0——凍融預處理山楂片開始干燥時的初始水分含量，g/g。

凍融大果山楂片熱風干燥速率計算公式見式(2)。

(2)

式中：

DR——從t時刻到t+dt時刻大果山楂片的干燥速率，g/(g·min)；

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 干燥動力學模型篩選

運用表1中的動力學模型[9]對大果山楂熱風干燥試驗數(shù)據進行擬合。模型擬合度的優(yōu)劣常通過P值、決定系數(shù)(R2)和均方誤差的根(RMSE)3個參數(shù)來評價，其中R2越接近于1，RMSE越小，說明模型擬合度越高，P值越小模型越可靠。計算公式見式(3)～(5)。

R2=

(3)

(4)

(5)

式中：

MRexp,i——試驗MR值；

MRpre,i——預測MR值；

N——MR個數(shù)。

表1 4種經典薄層干燥模型Table 1 Four classic models of thin layer drying

1.5 有效擴散系數(shù)(Deff)

有效擴散系數(shù)可通過Fick擴散第二定律求得[9]，在一定干燥條件下，其值越大說明水分質量傳遞越快，脫水能力越強。計算公式如式(6)所示。

(6)

式中：

Deff——大果山楂水分有效擴散系數(shù)，m2/s；

L——大果山楂片厚度的1/2，m；

t——干燥時間，s。

1.6 微觀結構

大果山楂干制品經離子濺射噴金后，置于200倍掃描電鏡(SEM)下觀察其超微結構。

1.7 數(shù)據處理

應用SPSS.V 18.0軟件進行模型擬合和回歸分析，用SigmaPlot 10.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同凍融預處理大果山楂的干燥特性

在同等干燥溫度(70 ℃)下，凍融0，1，2，3次的大果山楂熱風干燥曲線見圖1(a)、干燥速率曲線見圖2(a)；經過凍融2次預處理的大果山楂在55，60，65，70 ℃干燥溫度下的熱風干燥曲線見圖1(b)、干燥速率曲線見圖2(b)。

從圖1可以看出，凍融大果山楂的水分含量隨干燥時間增加呈直線下降，當物料水分含量降至臨界含水量時，水分含量下降減慢且曲線變得平緩，結果顯示凍融大果山楂的臨界含水量在0.65～0.50 g/g(干基計)左右；凍融0，1，2，3次的大果山楂片在70 ℃熱風溫度下，干至含水率低于7%所需時間分別為570，370，330，340 min，凍融預處理后的大果山楂干燥所需時間較未凍融試驗組明顯縮短；隨著熱風干燥溫度的增加，凍融2次大果山楂干燥至含水率低于7%時所需時間逐漸縮短，55 ℃時所需時間最長，為520 min。圖1(b)表明，干燥前期，各試驗組間水分含量下降差別不大，干燥120 min后，水分含量變化受溫度影響較大，隨著溫度升高下降的越快，但70 ℃較65 ℃水分含量下降較緩慢，可能是由于溫度較高易使大果山楂外表層較先脫水固化，受導濕溫性影響較大，故內部水分向表層遷移受阻，此時高溫對提高山楂片干燥速度效果不明顯。

由圖2可知，經過凍融預處理的大果山楂熱風干燥過程出現(xiàn)了3個階段，分別為：加速干燥、恒速干燥和降速干燥階段。干燥開始時，凍融大果山楂片進入預熱階段，干燥速率達到較大值；而后隨著干燥時間的增加，進入一個較長的恒速干燥階段，此階段干燥速率穩(wěn)定在0.025～0.055 g/(g·min)；隨著干燥的進行，大量非結合水被脫去，大果山楂片水分含量繼續(xù)降低，當降至結合水與非結合水的臨界水分點后出現(xiàn)了一個較短的降速階段。此結果與文獻[12]報道的山楂熱風干燥過程為加速和降速兩個階段不一樣，可能由于南北山楂原料品種差異較大導致干燥過程不同，而且大果山楂經過凍融預處理，內部組織結構發(fā)生改變，從而導致干燥行為的不同。

2.2 凍融大果山楂熱風干燥動力學模型篩選

運用表1中的干燥模型對監(jiān)測的凍融大果山楂在熱風干燥溫度為55，60，65，70 ℃干燥試驗數(shù)據進行擬合優(yōu)度比較，各干燥模型具體的擬合優(yōu)度統(tǒng)計量值見表2。

圖1 凍融大果山楂熱風干燥曲線Figure 1 Hot-air drying curves of freeze-thaw malus domeri (Bois) chev.

圖2 凍融大果山楂熱風干燥速率曲線Figure 2 Hot-air drying rate curves of freeze-thaw malus domeri (Bois) chev.

表2 4種干燥模型擬合優(yōu)度統(tǒng)計量值比較Table 2 Fitting parameters of four drying models

由表2可知， Page、Logarithmic干燥模型在不同凍融次數(shù)和干燥溫度條件下的決定系數(shù)分別在0.989～0.998，0.965～0.998，整體較其他兩個模型的R2大，但Logarithmic干燥模型下凍融大果山楂的RMSE和P值均較Page干燥模型的小。由此可見，Logarithmic模型擬合度較高、較可靠，能夠較好地描述凍融大果山楂熱風干燥過程。此結果與劉艷等[11]報道的大果山楂熱風干燥過程符合Page模型不一樣，可能是由于試驗的大果山楂干燥前進行了凍融預處理，影響了大果山楂干燥過程中的傳熱傳質，導致匹配的模型不同。

2.3 凍融甘薯變溫壓差膨化干燥的有效擴散系數(shù)

通過式(6)可以計算出凍融大果山楂在不同干燥條件下的有效擴散系數(shù)，見圖3。

由圖3可知，干燥前凍融預處理及熱風干燥溫度對大果山楂有效擴散系數(shù)有影響。凍融大果山楂在55，60，65，70 ℃的溫度下進行熱風干燥的有效水分擴散系數(shù)為1.08×10-9～2.54×10-9m2/s。凍融大果山楂有效擴散系數(shù)隨著凍融次數(shù)增加呈先增大而后減小的趨勢，說明大果山楂內部水分質量傳遞速度隨著凍融次數(shù)的增加而加快，可能與反復凍融后大果山楂內部組織結構改變有關，在反復冷凍過程中組織內部會形成大量冰晶，再經解凍后，內部組織結構較之前松散，細胞膜受到機械損傷后通透性改變，使大果山楂內部水分更易脫去。

圖3 不同干燥條件下凍融大果山楂的有效水分擴散系數(shù)

Figure 3 Variation of effective moisture diffusivity of freeze-thawmalusdomeri(Bois)chev. under different drying temperature

由圖4可知，經凍融預處理的大果山楂干制品組織呈現(xiàn)出較松散的結構，而未經凍融預處理大果山楂熱風干制品結構較緊密，凍融1次山楂干制品組織空隙較凍融2次小，松散度不如凍融2次山楂干制品，圖4(d)呈不均勻的大孔洞結構，可能是由于在經過多次凍結和解凍后，物料部分組織結構受損嚴重，而出現(xiàn)坍塌，故凍融3次山楂干制品部分結構出現(xiàn)粘連堆積，影響內部水分的遷移，凍融2次山楂干制品內部空隙均勻、結構松散，更利于內部水分遷移至表層，故有效擴散系數(shù)較大，水分更易脫去。凍融次數(shù)相同的大果山楂隨著熱風干燥溫度的升高，有效擴散系數(shù)呈先增大而后減小的趨勢，從1.08×10-9m2/s增至2.54×10-9m2/s后降至2.30×10-9m2/s，凍融2次大果山楂在65 ℃下進行熱風干燥時的有效擴散系數(shù)最大。此結果雖與凍融大果山楂熱風干燥曲線的變化相一致，但65 ℃是否為最優(yōu)值，還需進行優(yōu)化研究才能確定。

圖4 大果山楂干制品的電鏡掃描

Figure 4 Scanning electron micrographs of the driedmalusdomeri(Bois)chev. (×200)

3 結論

凍融預處理對大果山楂熱風干燥特性影響明顯。凍融預處理可縮短組織結構致密類物料干燥加工時間。

(1) 凍融大果山楂熱風干燥過程存在3個階段：加速、恒速和降速干燥階段，隨著凍融次數(shù)增加，大果山楂熱風干燥所需時間縮短。

(2) 不同干燥條件下的凍融大果山楂熱風干燥過程符合Logarithmic方程。工業(yè)生產中可通過Logarithmic模型描述和預測凍融大果山楂熱風干燥過程中水分含量隨干燥時間的變化。

(3) 凍融次數(shù)和干燥溫度影響大果山楂熱風干燥時間和有效擴散系數(shù)，大果山楂的有效擴散系數(shù)為1.08×10-9～2.54×10-9m2/s范圍內。