凍融甘薯熱風(fēng)干燥特性與動力學(xué)研究

郭 婷何新益鄧放明

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

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.天津市農(nóng)副產(chǎn)品深加工技術(shù)工程中心，天津 300384；3.天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)系，天津 300384）

中國甘薯種植面積廣、產(chǎn)量大，為防止腐爛變質(zhì)，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(yù)處理對干燥特性［4，5］和品質(zhì)［6，7］有影響。Doymaz［8］報道了經(jīng)過油酸乙酯和碳酸鉀混合液浸漬預(yù)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(yù)處理方式對蘋果熱風(fēng)干燥特性的影響，結(jié)果表明凍融處理蘋果片干燥速率最快。但是，關(guān)于凍融預(yù)處理對甘薯熱風(fēng)干燥特性的影響未見報道。

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

本試驗研究凍融處理對甘薯熱風(fēng)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(chǔ)上，比較凍融甘薯在Newton、Henderson and Pabis和Page 3種經(jīng)典動力學(xué)模型中的擬合優(yōu)度，并建立凍融甘薯熱風(fēng)干燥動力學(xué)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(xué)儀器有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)箱：DHG－9123A型，上海精宏實驗設(shè)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(yù)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(jù)反復(fù)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(fēng)干燥的影響 將凍融預(yù)處理后的甘薯分別置于90，95，100，105℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行熱風(fēng)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(fēng)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(xué)模型

運用3種經(jīng)典動力學(xué)模型［12］（表1）對甘薯熱風(fēng)干燥試驗數(shù)據(jù)進行擬合，建立干燥動力學(xué)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(yù)測MR值；

N——MR個數(shù)。

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

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)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(jié)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(fēng)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(fēng)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(fēng)干燥曲線Figure1 Hot－air drying curves of freeze－thaw sweet potato

由圖1（a）可知，經(jīng)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(nèi)部水分結(jié)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(jīng)歷了短暫的預(yù)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(yù)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(yù)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(fēng)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(fēng)干燥動力學(xué)模型研究

2.2.1 干燥動力學(xué)模型的選擇 運用表1所示的3種經(jīng)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(jù)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(fēng)干燥過程。這一試驗結(jié)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(yù)處理方式的不同，影響了甘薯干燥過程中的傳熱傳質(zhì)，導(dǎo)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(guān)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(guān)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(fēng)干燥的干燥動力學(xué)模型可以表示為

2.2.2 不同膨化溫度下干燥動力學(xué)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(yù)測的MR值比較分析結(jié)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(yù)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(xué)模型能夠較好的預(yù)測凍融甘薯熱風(fēng)干燥過程中水分含量的變化。

3 結(jié)論

凍融預(yù)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(yīng)增大。凍融甘薯熱風(fēng)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(fēng)干燥的動力學(xué)模型滿足Page方程，在不同溫度條件下的驗證試驗結(jié)果表明，模型預(yù)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(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2都為1、Sig＜0.001。

1 劉春泉，江寧，李大婧，等.微波聯(lián)合熱風(fēng)干制蘇渝303甘薯干工藝研究［J］.核農(nóng)學(xué)報，2009，23（6）：1 008～1 013.

2 譚洪卓，譚斌，劉明，等.甘薯淀粉性質(zhì)與其粉絲品質(zhì)的關(guān)系［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（4）：286～292.

3 沈曉萍，王蒙蒙，盧曉黎.熟化甘薯熱風(fēng)干燥特性及數(shù)學(xué)模型研究［J］.食品與機械，2007，23（3）：119～126.

4 Barrera C，Betoret N，F(xiàn)ito P.Ca2＋and Fe2＋influence on the osmotic dehydration kinetics of apple slices（var.Granny Smith）［J］.Journal of Food Engineering，2004，65（1）：9～14.

5 何新益，程莉莉，劉金福，等.蘋果片變溫壓差膨化干燥特性與動力學(xué)研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43（5）：130～135.

6 郭婷，鄧放明，何新益.預(yù)處理方式對甘薯變溫壓差膨化干燥產(chǎn)品品質(zhì)的影響［J］.食品與機械，2012，28（6）：202～250.

7 黃宗海，何新益，王佳蕊，等.預(yù)處理方式對胡蘿卜變溫壓差膨化干燥品質(zhì)的影響［J］.食品與機械，2011，27（1）：124～126.

9 Ramírez C，Troncoso E，Mu?oz J，et al.Microstructure analysis on pre－treated apple slices and its effect on water release during air drying［J］.Journal of Food Engineering，2011，106（3）：253～261.

10 孟岳成，王君，房升，等.熟化紅薯熱風(fēng)干燥特性及數(shù)學(xué)模型適用性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（7）：387～392.

11 王君，房升，陳杰，等.糖漬甘薯熱風(fēng)干燥特性及數(shù)學(xué)模型研究［J］.食品科學(xué)，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(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（12）：389～392.