麥馨允，?？罚丶褜?，黃斌，劉彩華*，周奕豪，鞠明哲

（1.百色學院 農(nóng)業(yè)與食品工程學院，廣西 百色 533000；2.百色學院亞熱帶特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)學院，廣西 百色 533000；3.百色學院 廣西芒果生物學重點實驗室，廣西 百色 533000）

黃秋葵（Abelmoschus moschatus L.Medic.）屬錦葵科、秋葵屬，其營養(yǎng)豐富，開發(fā)利用價值較高。新鮮黃秋葵在采摘后仍進行呼吸作用，而且其質(zhì)地脆嫩，易發(fā)生機械損傷，從而導致微生物侵染和營養(yǎng)流失，影響貨架壽命及食用品質(zhì)。對黃秋葵進行干制可抑制微生物活動和酶活性，減輕質(zhì)量，減小體積，降低包裝和貯運成本[1]。

加工過程中對黃秋葵干燥的方法主要有熱風干燥[2]、遠紅外干燥[3]、真空干燥[4]、真空冷凍干燥[5]、真空微波干燥[6]等。真空干燥、真空冷凍干燥、微波干燥成本高，熱風干燥、遠紅外干燥成本低廉、操作簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)，因此熱風干燥、遠紅外干燥技術(shù)得到了廣泛的應用。李婧怡等[6]研究了黃秋葵真空微波干燥特性及其動力學；徐康等[7]和李婧怡等[8]研究了不同干燥方法對黃秋葵膳食纖維、果膠、總糖、黃酮等物質(zhì)含量及抗氧化能力的影響；王迪等[3]應用不同干燥方式對黃秋葵進行干燥，主要考察干制品硬度、脆度、收縮率、總黃酮、總酚、多糖和干燥時間；劉文超等[4]采用響應面優(yōu)化黃秋葵真空干燥工藝試驗中以干燥速率和VC含量作為評判指標。由此可見，目前對黃秋葵干燥過程和干燥工藝的研究角度單一，或單一研究干燥特性，或以營養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)和干燥時間為指標研究干燥工藝，缺乏結(jié)合干燥特性、干燥動力學和產(chǎn)品理化指標這3 方面對黃秋葵干燥過程和干燥工藝的研究。

本文通過研究黃秋葵熱風干燥和遠紅外干燥的干燥特性、動力學及干制品品質(zhì)上的差異，并基于主成分分析，以干燥時間、有效水分擴散系數(shù)、VC含量、復水比、硬度為評價指標，獲得黃秋葵的最優(yōu)干燥工藝，以期為黃秋葵的干制技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鮮黃秋葵：市售，挑揀無病蟲害、無畸形、無機械損傷、大小均勻、成熟度一致的黃秋葵。干燥試驗前測定鮮黃秋葵初始濕基含水率。

抗壞血酸、碳酸氫鈉：天津市致遠化學試劑有限公司；2，6-二氯靛酚鈉鹽：南京都萊生物技術(shù)有限公司；草酸：西隴化工股份有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TMS-PRO 食品物性分析儀：美國FTC 公司；FA1204B 型電子天平：上海安亭電子儀器廠；101-3AB型電熱鼓風干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；YHG-300-BS 遠紅外快速恒溫干燥箱：上海躍進醫(yī)療器械有限公司。

1.3 方法

1.3.1 干燥試驗

將挑選好的黃秋葵清洗干凈后，去掉頭尾，將中段橫切（垂直果莖長度方向）成1 cm 高度的小段，取22.11 g樣品分別置于電熱鼓風干燥箱、遠紅外快速恒溫干燥箱中在一定的溫度（60、70、80、90 ℃）下干燥，每隔30 min進行稱量；當前后兩次質(zhì)量差不超過0.10 g 時，即認為樣品達到平衡含水率，結(jié)束干燥。此時的干基含水率不超過0.087 g/g，符合脫水蔬菜水分含量的要求[9]。設(shè)3 組平行，干燥結(jié)束后，測定干制品的VC含量、復水比和硬度。

1.3.2 含水率測定

采用直接干燥法測定樣品含水率[10]。

1.3.3 干基含水率

干基含水率測定參考王新茗等[11]的方法，計算公式如下。

式中：Mt為干基含水率，g/g；mt為樣品干燥t 時刻的質(zhì)量，g；md為樣品干物質(zhì)質(zhì)量，g。

1.3.4 水分比

水分比測定參考Xiao 等[12]的方法，計算公式如下。

式中：RM為水分比；M0為樣品初始干基含水率，g/g；Mt為樣品干燥t 時刻的干基含水率，g/g。

1.3.5 干燥速率

干燥速率測定參考Horuz 等[13]的方法，計算公式如下。

式中：RD為樣品干燥速率，g/（g·min）；Mt+Δt為樣品干燥t+Δt 時刻的干基含水率，g/g；Mt為樣品干燥t 時刻的干基含水率，g/g；Δt 為時間差值，min。

1.3.6 VC含量的測定

黃秋葵中的VC含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定[14]。

1.3.7 復水比

稱取一定質(zhì)量黃秋葵干制品，在室溫下浸泡于蒸餾水中50 min，撈出瀝干2 min 后稱重，復水比計算如下[15]。

式中：R 為復水比；mf為樣品復水后瀝干質(zhì)量，g；md為干制品質(zhì)量，g。

1.3.8 硬度

采用食品物性分析儀的穿刺模式進行黃秋葵硬度的測定。

1.4 干燥動力學

1.4.1 動力學模型

選取6 種常用模型對黃秋葵干燥過程水分變化進行非線性擬合[16-18]，干燥模型見表1。

表1 干燥模型Table 1 Drying models

1.4.2 有效水分擴散系數(shù)

黃秋葵橫向切斷，體積形狀類似圓柱體，干燥特性可用Fick 擴散方程描述，計算公式如下。

式中：Deff為有效水分擴散系數(shù)，m2/s；r 為黃秋葵橫切后圓柱體小段的半徑，0.008 41 m；t 為干燥時間，s；λn為貝塞爾函數(shù)（Bessel）函數(shù)的根；n=1，2，3…。

令dY/dt=0，y1*=0,y2*=1,X*=(S5-C3)/S5若被動房對購房者產(chǎn)生吸引力，則政府需要通過財政補貼等方式，確保購房者購買被動房所獲得的收益超過其額外付出的成本，因此S5>C3。

式（11）只取第一項，即n=1，λ1=2.405[19]，則方程可變換為以下公式。

1.4.3 干燥活化能

干燥活化能計算參考Doymaz 等[20]的方法，計算公式如下。

式中：Ea干燥活化能，J/mol；D0為擴散前置因子，m2/s；T 為干燥溫度，℃；R 為摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用PASW Statistics 18 進行方差分析、主成分分析，差異顯著性分析采用最小顯著性差異法。采用1stOpt 1.5 對試驗數(shù)據(jù)進行非線性回歸分析、二次多項式回歸分析，根據(jù)模型的決定系數(shù)R2、均方根誤差（root mean square error，RMSE）、殘差平方和（sum of squares for error，SSE）對模型擬合度進行整體評價[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同干燥條件對黃秋葵干燥特性的影響

熱風干燥、遠紅外干燥對黃秋葵干燥特性的影響如圖1 所示。

圖1 不同干燥條件對黃秋葵干燥特性的影響Fig.1 Effects of different drying conditions on the drying characteristics of Abelmoschus moschatus

由圖1a、圖1A 的干基含水率曲線可知，干基含水率隨著干燥時間的延長而下降。干燥溫度越高，干基含水率下降越快，到達干燥終點的時間越短；在相同溫度下，熱風干燥到達干燥終點的時間比遠紅外干燥的短。60、70、80、90 ℃下熱風干燥結(jié)束時間分別為420、300、240、210 min，遠紅外干燥結(jié)束耗時480、420、330、300 min。由圖b、圖B 的水分比曲線可知，熱風干燥和遠紅外干燥的水分比變化趨勢與干基含水率相似，均隨干燥時間延長而下降。

由圖1c、圖1C 的干燥速率曲線可知，熱風干燥未監(jiān)測到恒速干燥階段，說明熱風干燥可能大部分階段均處在內(nèi)部擴散控制階段，黃秋葵內(nèi)部水分擴散速度低于表面水分的汽化速度。在干燥30 min 后，熱風干燥速率下降比遠紅外干燥快，這是因為在熱風干燥過程中，黃秋葵表面干燥速率過快容易形成硬殼，溫度越高，形成硬殼的進程就越快，從而阻礙表面汽化。

2.2 干燥動力學模型的比較

干燥動力學通常被用于描述在干燥過程中的傳質(zhì)規(guī)律，模型受干燥條件和待干燥物料特性等決定。干燥動力學模型對干燥設(shè)備設(shè)計、干燥過程優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量改進十分重要[23]。將部分試驗數(shù)據(jù)擬合表1 所列的干燥動力學模型，擬合效果見表2。

表2 干燥模型擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of drying models

模型擬合優(yōu)度可用試驗值和預測值之間的關(guān)系來判斷，R2越接近1，RMSE、SSE 越接近0，其模型擬合度越好。通過表2 的模型優(yōu)度指標對比可知，Midilli 模型的RMSE＜0.02、SSE＜0.002，R2≥0.999，均最優(yōu)，故Midilli 模型為預測黃秋葵熱風干燥及遠紅外干燥的水分變化規(guī)律最適宜的干燥模型。該模型在預測胡蘿卜熱風薄層干燥[24]、腰果的太陽能干燥[25]、山楂熱風薄層干燥[26]等的效果均較好。

表3 為采用Midilli 模型擬合獲得的模型參數(shù)估計值。

表3 Midilli 模型參數(shù)估計值Table 3 Drying parameter estimations of Midilli model

由表3 可知，無論是熱風干燥還是遠紅外干燥，模型參數(shù)k、a、b、n 值都隨溫度（T，℃）變化而變化，即是T 的函數(shù)，將k、a、b、n 值與T 進行二次多項式回歸分析，得到各模型參數(shù)對應的多項式，再將上述參數(shù)對應的多項式帶入式（9），分別得到熱風和遠紅外干燥的最終模型，即式（14）、式（15）。

選取70 ℃的試驗數(shù)據(jù)分別與式（14）、式（15）模型進行驗證，結(jié)果如圖2 所示，熱風干燥、遠紅外干燥試驗觀測值與模型預測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 0 和0.999 6（α=0.01），斜率和截距分別與1 和0 無顯著差異，說明擬合程度較好，模型能夠預測黃秋葵熱風和遠紅外干燥試驗范圍內(nèi)任意時刻、任意干燥溫度下的水分變化。

2.3 有效水分擴散系數(shù)和活化能分析

根據(jù)式（12）、式（13）計算出有效水分擴散系數(shù)和活化能，結(jié)果見表4。

表4 不同干燥條件下的有效水分擴散系數(shù)和活化能Table 4 Deff and Ea at different drying conditions

由表4 可知，有效水分擴散系數(shù)的范圍在6.13×10-10～1.99×10-9m2/s 之間，符合農(nóng)產(chǎn)品干燥典型的數(shù)值范圍（10-11～10-9m2/s），表明了在干燥過程中，黃秋葵內(nèi)部水分擴散方式為液態(tài)擴散[27]。干燥溫度越高，干燥能力越強，有效水分擴散系數(shù)就越大；在相同干燥溫度下，熱風干燥的有效水分擴散系數(shù)比遠紅外干燥的大0.52～1.10 倍，這可能是由于遠紅外加熱原理和黃秋葵的植物組織特性造成的。遠紅外干燥初期，黃秋葵表面平均含水量較高，所吸收的遠紅外線大部分作用于表面水分的蒸發(fā)，但蒸發(fā)的水分散失不如熱風干燥及時，因此遠紅外干燥速率低于熱風干燥[28]。到降速干燥階段，黃秋葵表面水分含量降低，內(nèi)部吸收較多遠紅外線，內(nèi)部溫度高于表面溫度，但由于黃秋葵內(nèi)部多孔狀，起到絕緣體功能，從而減慢熱量的傳遞[29]。相同干燥溫度下遠紅外干燥效率比熱風干燥低這一現(xiàn)象，與楊亮[30]對苦瓜片熱風、紅外干燥中的結(jié)果相似。由活化能大小可知，熱風每干燥1 mol 的水分需要的能量比遠紅外約少5 481.76 J，說明熱風干燥黃秋葵比遠紅外干燥容易。

2.4 不同干燥條件對黃秋葵干制品質(zhì)量的影響

熱風干燥、遠紅外干燥對黃秋葵干制品質(zhì)量的影響如表5 所示。

表5 不同干燥條件對黃秋葵品質(zhì)的影響Table 5 Effects of different drying conditions on the quality of A.moschatus

由表5 可知，在相同溫度下，熱風干燥產(chǎn)品VC含量比遠紅外干燥的VC含量高1.42～2.05 倍。這反映了VC高溫降解過程具有溫度和時間的累積效應，相同溫度下熱風干燥耗時比遠紅外干燥的短，因此熱風干燥的VC保留較多。60 ℃熱風干燥的VC含量最高（P＜0.05）。

對于復水比而言，熱風干燥的復水比隨溫度的上升而先上升后下降，遠紅外干燥的復水比隨溫度的上升而下降。前者可能是因為60 ℃熱風干燥速率慢，植物組織萎縮、變形時間長，復水性差；80、90 ℃熱風干燥，黃秋葵在干燥初始階段迅速失水，蛋白質(zhì)變性、糖分等水溶性成分隨水向外遷移，導致表面結(jié)殼，復水性差。后者是因為遠紅外加熱具有穿透性和均勻性，且60 ℃遠紅外干燥對黃秋葵細胞組織的破壞較小，復水比較大。因此，熱風70 ℃、遠紅外60 ℃的干制品復水比較好。

對于硬度而言，溫度過高，脫水反應越激烈，容易形成較硬的組織，因此90 ℃時硬度最大（P＜0.05）；熱風70 ℃、遠紅外60 ℃、遠紅外70 ℃的干制品硬度較好。

2.5 黃秋葵最優(yōu)干燥工藝選擇

對不同干燥條件下黃秋葵的干燥時間、有效水分擴散系數(shù)、VC含量、復水比、硬度這5 個指標進行主成分分析。主成分分析結(jié)果中的因子得分、主成分得分、綜合得分見表6。

表6 因子得分、主成分得分、綜合得分結(jié)果Table 6 Factor scores，principle component scores，and overall scores

由表6 可知，70 ℃熱風干燥黃秋葵的綜合得分最高，因此黃秋葵最優(yōu)干燥條件為70 ℃熱風干燥。

3 結(jié)論

由干燥特性曲線可知，無論熱風干燥還是遠紅外干燥，升高溫度，干基含水率、水分比下降就越快。相同干燥溫度下，熱風干燥的耗時比遠紅外干燥的要短。黃秋葵的熱風干燥速率受干基含水量影響較大，遠紅外干燥速率受干基含水率影響較小。

Midilli 模型能準確描述黃秋葵熱風和遠紅外干燥過程中的水分變化規(guī)律，模型的試驗值與預測值擬合精度較高，可在試驗條件范圍內(nèi)對水分比進行預測。在試驗條件范圍內(nèi)，黃秋葵有效水分擴散系數(shù)隨溫度的增大而增大；由于遠紅外的干燥原理以及黃秋葵植物組織內(nèi)部多孔狀特性，在相同干燥溫度下，熱風干燥的有效水分擴散系數(shù)比遠紅外干燥的大0.52～1.10 倍，同時其干燥所需活化能比遠紅外干燥的小5 481.76 J/mol。

干燥過程中VC的降解受溫度和時間累積效應的影響；干燥時間、干燥溫度過高對復水比和硬度影響較大。最終，以黃秋葵干燥特性、動力學及干制品質(zhì)量為指標，基于主成分分析獲得黃秋葵干燥條件，即：熱風溫度70 ℃，干燥時間為300 min，有效水分擴散系數(shù)為1.36×10-9m2/s，所得干制品VC含量7.71 mg/100 g、復水比6.03、硬度3.25 N。