熱風干燥對阜平紅棗品質(zhì)的影響及其數(shù)學模型的構(gòu)建

魯 潔，孫劍鋒 ，王 頡，袁周率，劉占奇

(1.河北農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，河北保定071000;2.河北省農(nóng)產(chǎn)品加工工程技術(shù)研究中心，河北保定071000;3.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京100083;4.湖南農(nóng)業(yè)大學食品科學技術(shù)學院，湖南長沙410011;5.保定天航綠色食品保鮮有限公司，河北保定073200)

紅棗(zizyphus jujuba dates)，又名中華大棗、棗、刺棗，是鼠李科(Rhamnaceae)棗屬植物棗樹(Ziziphus jujubaMill)的果實［1］。我國紅棗產(chǎn)量居世界首位［2］，每年有1萬t以上的棗子出口，出口高峰時可以達到1.5萬t以上［3］。國外由于沒有棗原料，雖有深入研究，但難以出現(xiàn)與棗相關(guān)的產(chǎn)品開發(fā)企業(yè)和產(chǎn)品。因此，在國際市場上，中國紅棗產(chǎn)品幾乎沒有任何競爭威脅［4］。其作為藥食同源植物，棗在我國有悠久的食用和藥用歷史［5］。阜平紅棗是全國700多個棗品種中干食最為優(yōu)良的品種之一，在脆熟期維生素C含量高達6mg/g，有“天然維生素丸”之稱［4］。我國許多地方都盛產(chǎn)棗，但由于棗不耐儲藏，貨架期很短，所以大部分都制成干果或者果脯。干燥技術(shù)可以脫除果實中大部份水分，降低酶活性，改變果實組織結(jié)構(gòu)及加工特性提高干制食品的質(zhì)量［6］，使其適宜于貯藏和后序加工［7］。鮮棗常用的干燥方法有:自然干燥、熱風干燥、微波干燥、真空冷凍干燥等。目前，大多數(shù)鮮棗的干燥使用的是自然干燥法，但是其不僅受到地域和氣候的限制，而且干燥時間長，易受潮霉變，干燥品質(zhì)較差［8］。薄層干燥是食品熱風干燥加工中的主要干燥形式，指被干燥物料以薄層的形式充分暴露于一定干燥環(huán)境中的干燥過程［9］，它利用加熱后的空氣作為介質(zhì)對物料進行加熱，不僅可以縮短干燥周期，還能提高干制食品的質(zhì)量、減少腐爛損失且工藝簡易，非常適合農(nóng)村小企業(yè)應用，將會成為今后紅棗干制的主要途徑。通過對果蔬干燥特性及其數(shù)學模型的研究可為預測和控制干燥過程、優(yōu)化干燥工藝及設計干燥設備提供理論依據(jù)。近年來國內(nèi)學者也對農(nóng)產(chǎn)品的薄層干燥數(shù)學模型進行了大量研究［9-12］，然而目前關(guān)于紅棗薄層干燥數(shù)學模型的研究報道較少［13］。本實驗以河北省特產(chǎn)優(yōu)質(zhì)阜平大棗為研究對象，對其干燥特性及干燥溫度對干制大棗感官特性和營養(yǎng)成分的影響進行研究，并用薄層數(shù)學模型對紅棗熱風干燥過程進行了描述，為紅棗的干燥提供科學依據(jù)及理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

半干阜平大棗 由保定天航綠色食品保鮮有限公司提供。

GZX-9140MBE型電熱鼓風恒溫干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠;TMS-Pro食品物性分析儀 Food Technology Corporation;CR-400型色彩色差計 日本柯尼卡美能達公司;34970A型數(shù)據(jù)采集儀 Agilent Technologies;T型熱電偶;BS214D max型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 紅棗熱風干燥特性的研究實驗

1.2.1.1 紅棗干燥溫度的測定 干燥過程中最重要的過程參數(shù)之一是物料的溫度，為此在本實驗中使用標定過的T型熱電偶和Agilent數(shù)據(jù)采集儀作為電熱鼓風恒溫干燥箱的溫度測定系統(tǒng)。熱電偶分別測量干燥箱內(nèi)空氣、物料表面和物料內(nèi)部溫度，各有3支探頭進行平行測定。

1.2.1.2 紅棗熱風干燥曲線的測定 目前紅棗的熱風干燥溫度主要集中在50～70℃［14］，溫度低于50℃，干燥時間太長，溫度高于70℃，紅棗營養(yǎng)成分損失嚴重，并會產(chǎn)生不愉快的焦苦味。因此實驗選取50、60、70℃對紅棗進行熱風恒溫干燥。每次實驗選擇果肉飽滿、個頭較大、表面光滑、無蟲害無碰傷的紅棗果實，經(jīng)自然晾曬至干基含水量為0.276kg水/kg干料的半干阜平大棗10顆進行熱風干燥實驗。將紅棗單層平鋪于已達到預設溫度的恒溫鼓風干燥箱上層，每小時測定一次質(zhì)量，測定14h。其它操作條件恒定:干燥箱內(nèi)風速為1.3～1.5m/s，外界環(huán)境相對濕度為50%～60%，實驗重復3次。

1.2.1.3 實驗參數(shù) 試樣干基含水量Mt見式(1):

式中:Mt為試樣干燥至t時刻的干基含水量，kg水/kg干料;mt為試樣干燥至t時刻的質(zhì)量，kg;mg為試樣干燥至絕干時的質(zhì)量，kg。

試樣干燥速率Dr見式(2):

式中:Dr為試樣干燥速率，kg/(kg·h);Mt+Δt為試樣t+Δt時刻的干基含水量，kg水/kg干料;Δt為干燥間隔時間，h。

試樣水分比MR見式(3):

式中:MR為試樣水分比，無量綱;Me為物料的平衡干基含水量，kg水/kg干料;M0為物料的初始干基含水量，kg水/kg干料。

由于Me的值相對于Mt和M0來說較小，可以忽略不計，因而式(3)可以簡化為式(4)。

1.2.1.4 紅棗熱風干燥過程的數(shù)學模擬及分析 以菲克第二定律為基礎(chǔ)建立的薄層干燥數(shù)學模型廣泛應用于描述降速干燥階段的農(nóng)產(chǎn)品干燥特性。本實驗選擇6個較常用的薄層干燥數(shù)學模型，采用非線性回歸法對不同溫度條件下的實驗數(shù)據(jù)進行擬合，從而建立紅棗的熱風薄層干燥數(shù)學模型。選取用于擬合紅棗熱風干燥曲線的的方程如表1。

表1 常用的薄層干燥數(shù)學模型Table 1 Commonly used mathematical models of thin-layer drying

應用Origin Pro8.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，對實驗所得的干燥曲線進行6種不同數(shù)學模型的回歸分析，與實驗數(shù)據(jù)的匹配程度可以用相關(guān)系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)和卡方值(χ2)來衡量，R2越高RMSE和χ2越小，數(shù)學模型的匹配程度越好。R2、RMSE和χ2可以從式6～式7中得到:

式中:MRexp，i為任意時刻的實驗值;MRpre，i為任意時刻的預測值;N為觀測值個數(shù);Z為模型中待定常數(shù)的個數(shù)。

1.2.2 不同干燥溫度對紅棗感官特性的影響 實驗選取50、60、70℃對紅棗進行熱風恒溫干燥。每個干燥溫度選擇果肉飽滿，個頭較大，表面光滑，無蟲害無碰傷半干紅棗各10顆((57.5±0.5)g)，干燥至干基含水量為0.19kg水/kg干料。干燥結(jié)束后對其質(zhì)構(gòu)特性和色澤進行測定。實驗重復3次。測定方法如下:

質(zhì)構(gòu)測定:采用整果穿刺實驗。質(zhì)構(gòu)儀采用直徑2mm針狀探頭，實驗測試速度30mm/min，穿刺距離4mm，測后速度100mm/min，起始力0.5N。穿刺實驗采用完整的紅棗作為實驗對象，每果取最大橫徑處部位測定，以穿刺最大力量峰值表征棗果硬度。每份樣品隨機取10個果實。

色差測定:以儀器白板色澤為標準，依CIELAB表色系統(tǒng)測定紅棗表皮的明度指數(shù)L*、彩度指數(shù)a*和b*［15］。當2組數(shù)據(jù)進行比較時，可采用色差來進行。色差用式(8)表示:

實驗中將進行硬度測定的10顆紅棗通過使用色彩色差計進行色澤測定，記錄明度指數(shù)L*、彩度指數(shù)a*和b*值，并計算ΔE值，最后取平均值，以此反映干制產(chǎn)品色澤的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅棗熱風干燥特性的研究實驗

2.1.1 紅棗熱風干燥動力學特性研究

2.1.1.1 紅棗干燥溫度的測定 紅棗溫度與干燥時間的關(guān)系見圖1。由圖1可見，烘箱溫度高于物料溫度，物料表面溫度高于物料內(nèi)部溫度，即存在一定溫度梯度。70℃干燥條件下烘箱與物料間溫度差大于50、60℃時的溫度差，且物料表面與物料內(nèi)部間溫度差大于50、60℃時的溫度梯度。

圖1 紅棗溫度與干燥時間曲線關(guān)系Fig.1 Relationship between temperatures and dring time

2.1.1.2 紅棗熱風干燥曲線的測定 紅棗干基含水量與干燥時間的關(guān)系見圖2。圖2可知，隨著干燥溫度的升高，紅棗干基含水量下降速度增快，在相同干燥時間內(nèi)降低幅度增大，說明不同干燥溫度對紅棗干燥程度的影響很大，紅棗失水的速率隨著干燥溫度的上升而明顯增大。干基含水量隨干燥時間延長不斷下降，干燥初期干基含水量下降較快，隨后變慢并逐漸趨于平緩。在一定的溫度范圍內(nèi)(50～70℃)，提高熱風溫度可以加速干燥過程，縮短干燥時間。在14h 50℃的熱風條件下，紅棗的干基含水量降至0.178kg水/kg干料，是60℃的1.12倍(0.160kg水/kg干料)，70℃的1.29倍(0.137kg水/kg干料)。

圖2 干基含水量與干燥時間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between moisture content and dring time

2.1.1.3 紅棗干燥速率曲線的測定 干燥速率與干燥時間的關(guān)系見圖3。由圖3可見，干燥初期干燥速率最大。試樣在熱風作用下存在升溫和水分擴散過程，由于試樣經(jīng)過自然干燥，因此紅棗的干燥速率在預熱階段過程非常短，在本次實驗中無法測定出來。70℃條件下的最大干燥速率為0.0671kg/(kg·h)，是60℃時的1.1倍，是50℃時的1.4倍。由于試樣自由水含量不斷下降，其內(nèi)部水分向外擴散的阻力不斷增大，而且試樣初始含水量已較低，且棗皮較致密，限制水分向外部擴散，所以干燥過程很快進入物料的內(nèi)部遷移控制階段。干燥速率隨干燥時間不斷下降，紅棗在干燥過程中只有降速干燥階段。70、60、50℃條件下的平均干燥速率分別為 0.0360、0.0306、0.0257kg/(kg·h)。

圖3 干燥速率與干燥時間的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between drying rates and drying durations at different temperatures

干燥速率與干基含水量的關(guān)系見圖4。由圖4可見，紅棗干燥速率隨干基含水量下降呈降低趨勢，紅棗熱風干燥直接開始了降速過程，說明內(nèi)部水分擴散是干燥紅棗的主導因素，決定了紅棗的主要干燥特性。研究表明，溫度是影響食品干燥速率大小的最重要因素，通常干燥溫度越高，干燥速率越大，所能達到的最高干燥速率也越大。隨著干燥溫度的增加，起始干燥速率變大，在干燥進行的過程中，相同干基含水量的干燥速率逐漸降低并且接近，不同溫度下干燥后期的干燥速率相近。說明干燥后期紅棗內(nèi)部水分較少，可能因為紅棗物理狀態(tài)發(fā)生變化，造成表面硬化現(xiàn)象和內(nèi)部纖維的收縮，導致內(nèi)部水分擴散能力降低，水分蒸發(fā)量減少，干燥速率隨之下降［11］。

表2 不同薄層干燥數(shù)學模型的擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of different thin-layer drying models

圖4 干燥速率與干基含水量的關(guān)系曲線Fig.4 The relation of drying rate varying with moisture content

2.1.2 紅棗熱風干燥過程的數(shù)學模擬及分析

2.1.2.1 干燥數(shù)學模型的確定 用所選的6個薄層干燥數(shù)學模型(表1)對大棗在不同溫度條件下MR與干燥時間關(guān)系曲線進行擬合，得到各干燥數(shù)學模型待定常數(shù)、R2、χ2和RMSE值。實驗數(shù)據(jù)用Origin Pro8.0軟件進行擬合，擬合結(jié)果見表2。如表2所示，對于所有數(shù)學模型，R2＞0.94，χ2＜0.02，RMSE ＜0.06，說明這6種數(shù)學模型對實驗數(shù)據(jù)效果都比較好。用各數(shù)學模型不同溫度條件下R2、χ2和RMSE的平均值作評價指標，對它們的擬合效果排序，發(fā)現(xiàn)Page模型(2)和Logaritlunic模型(4)的擬合效果更佳，適于建立紅棗的薄層干燥數(shù)學模型。其中，Page模型簡單，待定常數(shù)少，應用方便。本實驗選擇Page模型作為紅棗干燥的最佳薄層干燥數(shù)學模型。

2.1.2.2 Page模型常數(shù)k和n的確定 不同薄層干燥數(shù)學模型的擬合結(jié)果見表2。由表2可看出，干燥模型常數(shù)隨熱風溫度而變化。為了考察熱風溫度對Page模型常數(shù)k和n的影響，采用溫度(T)的一元二次方程對Page模型常數(shù)k和n進行擬合，得出T與k以及T與n的關(guān)系式，從而可以用干燥時間和干燥溫度作為自變量建立紅棗的干燥數(shù)學模型:MR=exp(-k·tn)，式中:k=0.2495-0.0776T+0.0000793T2;n=-0.51341+0.04252T-0.0003496T2。

2.1.2.3 模型的驗證 為了對Page模型的擬合效果進行驗證，對實驗值和Page模型預測值進行比較，結(jié)果如圖5所示。經(jīng)計算，實驗值與預測值的相對誤差均小于0.106，這說明Page模型的預測效果較好，適合對紅棗的熱風干燥過程進行模擬。

圖5 Page模型預測值與實驗值的比較Fig.5 Comparison between experimental value and predicted value from Page model at different temperatures

2.2 不同干燥溫度對紅棗感官特性及營養(yǎng)成分的影響

2.2.1 不同干燥溫度對紅棗質(zhì)構(gòu)特性的影響 干燥溫度對紅棗硬度的影響見表3。由表3可見，干燥處理后紅棗的硬度較干燥前有所增大，且喪失相同比例的水分后，干燥溫度越高，處理后棗果硬度越大。70℃干制紅棗與干燥前和50℃干制得紅棗其硬度有顯著差異(p＜0.05)，50、60℃干制的紅棗與干燥前紅棗在硬度上不存在顯著差異(p＞0.05)。這是由于在熱風干燥過程中，干燥溫度較高時，內(nèi)部水分不能及時轉(zhuǎn)移到表面，隨著表面水分的蒸發(fā)遷移，細胞迅速收縮在表面形成一層干硬膜。當顆粒中心干燥和收縮時，又會出現(xiàn)內(nèi)裂空隙，從而形成干癟堅硬的現(xiàn)象。

b*值代表黃色和藍色，經(jīng)過F檢驗(顯著性水平取p＜0.05)，發(fā)現(xiàn)三種干燥溫度下紅棗的b*值與干燥前的紅棗均存在顯著性差異，且均低于未干燥紅棗的b*值，但三種干燥溫度間紅棗的b*值無顯著性差異，說明干燥后紅棗表皮的黃色程度降低。

表3 干燥溫度對紅棗硬度的影響Tabel 3 Effect of the hardness by drying temperatures

表4 干燥溫度對紅棗色澤的影響Table 4 Effect of the color parameters by drying temperature

2.2.2 不同干燥溫度對紅棗色澤的影響及評價 干燥溫度對紅棗色澤的影響見表4。表4為紅棗顏色在CIELAB系統(tǒng)下的L*，a*，b*值。L*值表示顏色相對亮度。經(jīng)過F檢驗(顯著性水平取p＜0.05)，發(fā)現(xiàn)三種干燥溫度下紅棗的亮度L*值與干燥前的紅棗存在顯著性差異，且均低于未干燥紅棗的亮度值，但三種干燥溫度間紅棗的亮度無顯著性差異。這說明紅棗在干燥過程中的亮度是降低的，但通過不同溫度對紅棗進行干燥對其亮度影響不顯著。

a*值區(qū)分紅色和綠色，由表4可見，隨干燥溫度的升高，棗果的a*值越低。經(jīng)過F檢驗(顯著性水平取p＜0.05)，未干燥棗果的a*值與60、70℃干燥條件下的棗果a*值間存在顯著差異。50℃與70℃條件下棗果的a*間存在顯著差異。這說明用較低的干燥溫度制得的棗顏色較紅，更接近未干燥棗的顏色。

計算總色差ΔE，根據(jù)表4可知，隨干燥溫度的升高，干制紅棗的色澤與未干制紅棗的色澤差異增大。60、70℃干制的紅棗與未干制紅棗色澤差異顯著。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

3.1.1 紅棗熱風干燥動力學實驗及其數(shù)學模型的研究 本文針對不同干燥溫度對紅棗熱風干燥動力學特性展開了研究，并對紅棗熱風干燥進行了6種數(shù)學模型的模擬及回歸分析。得到紅棗的熱風干燥僅有降速干燥階段;經(jīng)過對紅棗熱風干燥過程6種薄層干燥模型的分析，Page模型(MR=exp(-ktn))擬合精度最高，適合對紅棗的熱風恒溫干燥過程進行模擬。采用溫度的一元二次方程對Page模型常數(shù)k和n進行擬合，從而得到以干燥時間和干燥溫度之間的函數(shù)關(guān)系，該模型可以較好地預測50～70℃紅棗的干燥過程。

3.1.2 不同干燥溫度對紅棗感官特性的影響及評價本實驗對不同干燥溫度下紅棗的質(zhì)構(gòu)和色澤進行了研究。結(jié)果表明，紅棗的硬度隨干燥溫度的升高而升高;干制紅棗的L*值、a*值、b*值隨干燥溫度的升高均降低，與未干燥紅棗差異顯著。

3.2 討論

由于時間和其它條件的限制，還有一些問題需要進一步的研究和探討。為了今后更好地研究和探討有關(guān)問題，建議主要從以下兩方面開展研究:

首先由于實驗期間不是紅棗成熟的季節(jié)，在新鮮原料的獲得上有較大困難。故本實驗以2011年12月保定天航綠色食品保鮮有限公司提供的經(jīng)過自然干燥至半干的紅棗為實驗材料。建議在今后的研究中采用新鮮紅棗對其干燥特性和營養(yǎng)變化進行進一步研究。

并且雖然溫度是影響干燥的最主要因素，但風速、濕度、物料厚度等因素對熱風干燥也有重要影響。因此建議在后續(xù)實驗中可以繼續(xù)研究其他干燥參數(shù)對紅棗干燥特性和品質(zhì)的影響，以便更全面的為紅棗熱風干燥提供理論研究基礎(chǔ)，使熱風干燥技術(shù)在食品干燥加工中發(fā)揮更重要的作用。

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