洋蔥切片熱風干制特性和數(shù)學模型的建立

王存堂++張雄峰++王偉++李鑫++王璐瑤+++王芝偉++李萌

摘要：研究洋蔥切片在60、70、80、90 ℃不同干制溫度下薄層熱風干制特性，建立干制過程中的數(shù)學模型，以分析熱風干制溫度對洋蔥切片干制特性的影響。結(jié)果表明，洋蔥切片熱風干制過程以降速干燥為主，熱風干制時的水分轉(zhuǎn)移符合菲克（Fick）擴散模型，從確定系數(shù)（R2）、卡方（χ2）、均方根誤差（RMSE）3個統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，Page方程模型與洋蔥切片干制過程的擬合度較高。

關(guān)鍵詞：洋蔥切片；干制特性；薄層干制模型；溫度

中圖分類號： TS255.3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0369-03

收稿日期：2015-05-11

基金項目：黑龍江省自然科學基金面上項目（編號：C2015050）；齊齊哈爾大學青年教師科研啟動支持計劃（編號：2014K-M25）。

作者簡介：王存堂（1980—），男，甘肅高臺人，博士，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品儲藏與加工研究。Tel：（0452）2714727；E-mail：robbertwang@163.com。洋蔥（Allium cepa）系百合科蔥屬多年生草本植物，以肥大的肉質(zhì)鱗莖供食用，營養(yǎng)價值較高，在歐美素有“蔬菜皇后”之美譽[1]。 洋蔥在中國分布很廣，南北各地均有栽培，而且種植面積還在不斷擴大，是目前中國主栽蔬菜之一[2]。洋蔥收獲季節(jié)相對比較集中，其鱗莖含水量高，易腐爛，貯藏難度大，在運輸過程中損失較大，運輸成本較高，因此，通常將洋蔥干制脫水后再進行外銷。洋蔥有紅皮洋蔥、黃皮洋蔥、白皮洋蔥之分，本試驗選用黃皮洋蔥，其皮為黃色或淡黃色，扁圓形，直徑6～8 cm，肉質(zhì)為鱗片狀，組織細密，辣味較濃，產(chǎn)量雖比紅皮種低，但品質(zhì)較好，可作脫水加工用[3]。

果蔬干制有曬干、烘干、減壓干制及冷凍干制等多種方式。曬干過程果蔬容易被微生物污染，產(chǎn)品衛(wèi)生質(zhì)量差，質(zhì)量不均一；烘干、冷凍干燥耗時耗能。為縮短干制時間，減少營養(yǎng)成分損失和能量消耗，物料切片后再干制被廣泛應用于果蔬的脫水干制加工[4]。但是，果蔬干制過程中水分變化對干燥過程的意義重大，將直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)，而限于現(xiàn)代干燥技術(shù)，實現(xiàn)干燥過程中物料水分的在線檢測是個難題。研究干燥過程中果蔬水分的變化規(guī)律，將為其實際脫水生產(chǎn)提供更多的數(shù)據(jù)支持。目前，已有學者對辣椒、番茄、胡蘿卜、梨等果蔬物料切片進行熱風干燥特性和動力學模型研究[5-11]，而關(guān)于洋蔥切片熱風薄層干制數(shù)學模型的研究鮮見報道。因此，本試驗將洋蔥進行切片處理并熱風干制，考查洋蔥切片熱風干制溫度對其干制特性的影響，建立干制過程中的數(shù)學模型，以望為洋蔥的生產(chǎn)加工實踐提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1材料與方法

1.1試驗材料

無軟爛、大小均一的新鮮黃皮洋蔥，購于黑龍江省齊齊哈爾農(nóng)貿(mào)市場。

1.2主要儀器設備

數(shù)顯101A-2型電熱鼓風干燥箱，由上海浦東榮豐科學儀器有限公司生產(chǎn)；BS222S電子天平，由賽多利斯科學儀器（北京） 有限公司生產(chǎn)。

1.3試驗方法

干制之前，將洋蔥外層干皮剝?nèi)?，用刀將洋蔥橫切成寬度為（0.5±0.1） cm的切片，切片大小均勻一致，初始的水分含量（M0）為（10.43±0.52） g/g（水分質(zhì)量/干物質(zhì)質(zhì)量，下同）；干制試驗前2 h，將熱風干燥箱開機并分別選定溫度，以獲得穩(wěn)定的干制條件；準確稱取洋蔥切片200 g，單層平鋪于鐵絲網(wǎng)上，置于電熱鼓風進行干燥，干制溫度分別為60、70、80、90 ℃，風速恒定為1.0 m/s；每隔10 min 記錄1次洋蔥切片的質(zhì)量變化，精確至0.01 g，每次稱質(zhì)量不超過20 s，直至連續(xù)3次質(zhì)量不發(fā)生變化為止。重復3次。

1.4熱風干制的特性

1.4.1水分比和干制速率的計算洋蔥切片薄層干制試驗的水分比（MR）和干制速率（DR）的計算方程分別為：

MR=（M-Me）/（M0-Me）；

DR=（Mt+dt-Mt）/dt。

式中：M為任意時刻的水分含量，M0為初始水分含量，Me為平衡水分含量，Mt為t時刻的水分含量，Mt+dt為t+dt時刻的水分含量，單位均為g/g；t為干制的某一時刻，單位為min。當干制時間較長時，與M或M0相比，Me值比較小時可以忽略不計，此時，MR=M/M0。

1.4.2相關(guān)系數(shù)和誤差分析利用5個常見的理論-擴散模型（表1）分別描述洋蔥切片的干制曲線[5，8]，以選擇合適的數(shù)學模型描述洋蔥切片的干制過程。

采用OriginPro 8.5數(shù)學統(tǒng)計軟件分析線性和非線性回歸方程，統(tǒng)計確定系數(shù)（R2）、卡方（χ2）、均方根誤差（RMSE）3個參數(shù)。χ2、RMSE的計算方程分別為：

χ2=∑Ni=1（MRexp，i-MRpre，i）2N-z；

RMSE=1N∑Ni=1（MRexp，i-MRpre，i）2。

式中：MRexp，i、MRpre，i分別為試驗MR值和預測MR值，N為觀測點數(shù)量，z為干制數(shù)學模型中常數(shù)的數(shù)量。

2結(jié)果與分析

2.1洋蔥切片的干制曲線

干制特性曲線是物料水分比（MR）與干制時間之間的關(guān)系曲線，可表明水分含量隨干制時間延長而下降的過程。由圖1可見，洋蔥切片的MR值隨干制時間延長而逐漸下降；熱風溫度對MR值的影響較為明顯，溫度分別為60、70、80、90 ℃ 條件下，干制獲得平衡水分的時間分別為230、170、140、120 min；熱風溫度的增加加速了洋蔥切片的干制過程，干制時間縮短。這在番茄片、梨切片、茄切片、蘋果渣等[6，8，12-13]干制過程中均有類似報道。

2.2洋蔥切片的干制速率

由圖2可見，洋蔥切片干制過程中只有極短時間的加速干燥，達到某一速率便依次進入減速干燥、降速干燥過程，洋蔥切片干制沒有出現(xiàn)恒速干燥過程。這主要是因為洋蔥在干

制過程中，表面的水分擴散速率大于洋蔥內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)移速率，水分擴散過程很快，與Vega等的研究結(jié)果[5，12-13]相似。由圖3可見，隨水分含量持續(xù)下降，洋蔥切片的干制速率降低；洋蔥切片干制速率大于0.07 g/（g·min） 時，干制溫度越高，干制速率越大，洋蔥切片干制速率小于0.07 g/（g·min）時，干制溫度越高，干制速率越小。干制后期，洋蔥切片內(nèi)部水分含量越低，干制的速率越小，水分也越難以除去。因此，在干制后期，可采用微波干制等干制方式以加快水分的蒸發(fā)，縮短干制時間[7]。

2.3洋蔥切片的熱風干制模型

由表2可見，R2、χ2、RMSE值的變化范圍分別為 0.971 8～0.998 5、0.001 4×10-4～0.003 1、0.000 3～0.053 3；Page模型計算得到的R2相對較大，χ2、RMSE相對較小，這說明其擬合度相對較高，能很好地描述洋蔥切片的薄層干制過程。由圖4可見，Page方程預測和試驗數(shù)據(jù)測得的MR值非常吻合，這與Demiray等的研究結(jié)論[6，8，12]類似。

3結(jié)論

試驗結(jié)果表明，熱風溫度對洋蔥切片薄層熱風干燥特性的影響十分明顯，在60～90 ℃試驗溫度范圍內(nèi)，熱風溫度越高，洋蔥切片的干燥速率越快，干燥時間越短，其干燥過程為開始短暫的升速階段，其后為降速干燥階段，沒有恒速干燥階段。經(jīng)驗數(shù)學模型的擬和結(jié)果表明，Page模型擬合度相對較高，R2值相對較高，χ2、RMSE相對較小，是模擬洋蔥切片薄層熱風干燥過程最適合的數(shù)學模型，能準確表達和預測洋蔥切片薄層熱風干燥過程中不同溫度條件任一時刻的水分含量和干燥速率。

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