吐魯番無核白葡萄晾房干燥的預(yù)處理方法

艾力·哈斯木，余 成，黃 華，郭俊先,*，劉 巍，周 軍，史 勇，劉 亞

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)理學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

葡萄作為一種世界性的水果，其富含維生素、糖、氨基酸等對(duì)人類健康有益的營(yíng)養(yǎng)元素[1-3]。新疆吐魯番盛產(chǎn)無核白葡萄，其2016年產(chǎn)量達(dá)到98.73萬 t，較上一年增長(zhǎng)8.45%[4]。其葡萄的1/3用于鮮食，1/3用作葡萄酒加工或葡萄飲料加工，1/3干燥后以葡萄干的形式儲(chǔ)存[5]。由于氣候原因，新疆吐魯番的葡萄休眠后生長(zhǎng)周期主要包括：葡萄4月中上旬萌芽，5月下旬開花掛果，8月中下旬漿果成熟。其生長(zhǎng)周期約為130～140 d[6-7]。目前，吐魯番主要的干燥方式為晾房蔭干，其干燥周期長(zhǎng)，且開放式干燥使得品質(zhì)也無法得到有效保障[8-9]。

近年來，國(guó)內(nèi)外專家主要針對(duì)提高葡萄干燥速率、保證衛(wèi)生等指標(biāo)進(jìn)行了大量的干燥設(shè)備研制及預(yù)處理工藝的改進(jìn)，結(jié)果證明，預(yù)處理、改變溫度和風(fēng)速均可以提高干燥速率及改善成品品質(zhì)[10-20]。其中，葡萄干燥預(yù)處理和工藝優(yōu)化方面最典型的研究包括：張英麗等[21]利用NaOH溶液、亞硫酸氫鈉與促干劑混合液、促干劑對(duì)葡萄進(jìn)行預(yù)處理，在不同熱風(fēng)溫度下進(jìn)行干燥，結(jié)果表明促干劑可以起到縮短干燥時(shí)間和保護(hù)葡萄干燥顏色的作用。高振江等[22]在設(shè)計(jì)滾筒式真空脈動(dòng)干燥機(jī)時(shí)，開展了葡萄促干劑預(yù)處理組與對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明促干劑預(yù)處理組干燥速率優(yōu)于對(duì)照組。Tulasidas等[23]在進(jìn)行浸漬和水洗預(yù)處理對(duì)微波干燥葡萄的影響時(shí)，采用NaOH、碳酸鉀、油酸乙酯溶液對(duì)葡萄進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)驗(yàn)表明堿性溶液對(duì)葡萄干干燥速率有促進(jìn)作用，但干燥出的葡萄質(zhì)量較差[24]。Sharma等[24]發(fā)現(xiàn)使用油酸乙酯和碳酸鉀溶液對(duì)葡萄進(jìn)行干燥前預(yù)處理可以提高干燥產(chǎn)品質(zhì)量。Dincer[25]發(fā)現(xiàn)在葡萄自然干燥前，采用堿性預(yù)處理液預(yù)處理，可以縮短干燥時(shí)間并獲得更高的產(chǎn)品質(zhì)量。Serratosa等[26]在干燥實(shí)驗(yàn)中利用碳酸鉀與橄欖油混合液、油酸乙酯乳液進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后葡萄干燥時(shí)間及產(chǎn)品色澤、元素含量方面都優(yōu)勝于傳統(tǒng)方法。Petrucci等[27]使用油酸衍生物對(duì)葡萄進(jìn)行干燥前預(yù)處理，結(jié)果證明采用預(yù)處理劑可縮短葡萄干燥時(shí)間；Doymaz等[28]的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使用預(yù)處理液的無籽葡萄，干燥后色澤較好。部分干燥研究成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化并獲批專利[29-30]，目前，干燥設(shè)備與干燥工藝雖然在干燥速率和干燥品質(zhì)方面得到很大提升，但成本較高或操作復(fù)雜，并不能在果農(nóng)中廣泛推廣。

新疆豐富的太陽(yáng)能、區(qū)域高熱環(huán)境使廉價(jià)、易制造的晾房干燥一直在新疆區(qū)域占有主導(dǎo)地位。為更有效地繼續(xù)發(fā)揮晾房成本低、操作簡(jiǎn)單、綠級(jí)率較高的優(yōu)勢(shì)，通過開展晾房干燥預(yù)處理和工藝控制研究，縮短干燥周期和提高葡萄干綠級(jí)率，是一個(gè)較好的研究方向。因此本實(shí)驗(yàn)針對(duì)晾房傳統(tǒng)干燥方式，結(jié)合葡萄主產(chǎn)區(qū)吐魯番果農(nóng)干燥經(jīng)驗(yàn)，對(duì)比經(jīng)不同預(yù)處理劑處理后，葡萄的晾房干燥效率和葡萄干外觀品質(zhì)，確定更佳的預(yù)處理方式，為傳統(tǒng)晾房干燥工藝和參數(shù)的改進(jìn)，以及葡萄晾房干燥整體工藝研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

新鮮無核白葡萄（600 kg）購(gòu)于新疆吐魯番克孜里土爾村木合塔爾果農(nóng)的葡萄園，葡萄粒長(zhǎng)度為（223.82±3.00）mm，粒徑為（53.70±4.00）mm，葡萄濕基含水率為（81±4）%。

碳酸鉀（分析純） 天津市福晨化學(xué)試劑廠；橄欖油 上海嘉里食品工業(yè)有限公司；促干劑（成分包括氫氧化鉀、碳酸鈉、脂類、乳化劑等） 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院；食鹽 中鹽新疆維吾爾自治區(qū)鹽業(yè)有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JM電子天平 浙江余姚紀(jì)銘稱重校驗(yàn)設(shè)備有限公司；101-0AS電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海特慧實(shí)業(yè)有限公司；RC-4HA溫濕度記錄儀 溫州標(biāo)諾儀器有限公司；GM8902風(fēng)速儀 杭州華制電子商行；AT-200CL彩色面陣3CCD攝像機(jī) 丹麥JAI公司；DSC-W80數(shù)碼相機(jī) 日本索尼公司。

1.3 方法

1.3.1 晾房選擇

實(shí)驗(yàn)于2016年8月24日至2016年9月27日在新疆吐魯番高昌區(qū)克孜里土爾村晾房開展。

選擇新疆吐魯番克孜里土爾村較為常見的晾房，晾房基本尺寸為9.2 m×4.1 m×3.18 m，以土坯（0.3 m×0.15 m×0.05 m）砌成的墻體，主墻體有效空洞面積（即通風(fēng)面積）比為60%，墻高3.18 m，屋頂遮蔽，避免陽(yáng)光直射。晾架采用鐵絲網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)寬分別為0.6 m×0.18 m，共有39 個(gè)網(wǎng)格；每?jī)善F絲網(wǎng)格之間的間距為0.2 m。

1.3.2 預(yù)處理

參考文獻(xiàn)[31-35]，采用3 類預(yù)處理方法浸泡1 min后掛串：1）促干劑處理組（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%、3.0%、3.5%和4.0%促干劑溶液）；2）碳酸鉀溶液+橄欖油混合處理組（40 mg/mL碳酸鉀+6 mg/mL的橄欖油、45 mg/mL碳酸鉀+6 mg/mL橄欖油、50 mg/mL碳酸鉀+6 g/mL的橄欖油、55 mg/mL碳酸鉀+6 mg/mL的橄欖油）；3）食鹽溶液處理組（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%和20%食鹽溶液）。以不做任何處理、直接掛曬為對(duì)照。各預(yù)處理組料液比約為1∶3（m/V）。

1.3.3 儀器安裝和測(cè)量要求

在晾房?jī)?nèi)安裝溫濕度記錄儀和風(fēng)速儀測(cè)量溫濕度和風(fēng)速。溫濕度儀在晾房?jī)?nèi)采用正反“S”形走向，由上向下每隔0.6 m安裝1 個(gè)溫濕度記錄儀，同一平面共安裝5 個(gè)溫濕度記錄儀，整個(gè)晾房共安裝25 個(gè)。安裝位置如圖1所示。風(fēng)速儀安裝于晾房主體墻的中心位置，進(jìn)、出口各安裝一個(gè)。

圖 1 溫濕度儀安裝圖Fig. 1 Temperature and humidity measurement positions in air-drying shelter

從8月24日至9月27日，每天在固定時(shí)間（溫濕度具有時(shí)間設(shè)定功能）測(cè)量晾房的溫濕度，測(cè)試時(shí)間間隔為1 h；風(fēng)速人工讀取，每4 h人工讀取一次風(fēng)速；每天定時(shí)（早晨8點(diǎn)整）采集葡萄干燥樣本，然后測(cè)定含水率，為保證取樣對(duì)干燥原始條件的最小干擾和測(cè)量對(duì)比性，每天所有測(cè)定樣本都采摘不同預(yù)處理方式的同一位置高度（鐵絲網(wǎng)格）的5 粒葡萄進(jìn)行測(cè)量；葡萄干外觀色度品質(zhì)的圖像采集采用固定支架，每天在固定時(shí)間（早晨9點(diǎn)）拍攝不同預(yù)處理網(wǎng)格的葡萄樣本RGB圖像，拍攝物距、焦距和曝光等條件一致。

1.3.4 指標(biāo)測(cè)定

1.3.4.1 含水率的測(cè)定

葡萄樣本剪摘，裝入自封袋貼上編號(hào)標(biāo)簽，采用電子天平對(duì)樣本進(jìn)行稱量，并記錄，將樣本放入鼓風(fēng)干燥箱玻璃皿進(jìn)行干燥。干燥一段時(shí)間后，每隔20 min稱量干燥箱中的樣本質(zhì)量，并計(jì)算含水率，若連續(xù)3 次測(cè)量樣本含水率在13%～16%之間，則停止干燥，稱取干燥后質(zhì)量。根據(jù)公式（1）進(jìn)行含水率計(jì)算并記錄數(shù)據(jù)[36]。

式中：m1表示干燥前干燥皿和試樣的質(zhì)量/g；m2表示干燥后干燥皿和試樣的質(zhì)量/g；m3表示干燥皿的質(zhì)量/g。

1.3.4.2 晾房溫濕度、風(fēng)速及無核白葡萄干燥時(shí)間、含水率、褐變率的測(cè)定

在干燥過程中對(duì)晾房的迎風(fēng)口及背風(fēng)口處的風(fēng)速使用風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)定，對(duì)晾房頂部和底部的溫度、相對(duì)濕度用溫濕度記錄儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)；每天利用干燥箱對(duì)晾房中的葡萄樣本進(jìn)行含水率測(cè)定，在干燥箱干燥一段時(shí)間后，每隔20 min對(duì)干燥箱中的樣本稱質(zhì)量，并計(jì)算含水率，若連續(xù)3 d所測(cè)得樣本的含水率范圍均在13%～16%之間，視為干燥完成，記錄各位置的干燥時(shí)間，并且按照無核葡萄干農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 705—2003《無核葡萄干》中規(guī)定的檢測(cè)方法進(jìn)行褐變率檢測(cè)[37]。

1.3.4.3 果面色度的測(cè)定

利用Matlab軟件對(duì)不同預(yù)處理組采集的葡萄RGB圖像進(jìn)行分析[38-40]，計(jì)算所有分割后葡萄粒區(qū)域的R、G、B灰度平均值，繪制干燥過程中色度變化曲線。

其中R、G、B分別代表紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道顏色，在整個(gè)干燥過程中葡萄的顏色在不斷地改變，其灰度值持續(xù)降低，說明顏色漸漸變淡或者發(fā)生褐變。

1.3.4.4 綠級(jí)率的測(cè)定

根據(jù)GB/T 19586—2008《地理標(biāo)志產(chǎn)品 吐魯番葡萄干》[41]中規(guī)定的果粒色澤度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行葡萄干綠級(jí)率檢測(cè)，計(jì)算如公式（2）所示。

式中：m0表示色澤相對(duì)一致的綠葡萄干果粒總質(zhì)量/g；m表示試樣質(zhì)量/g。

1.3.4.5 果梗部褐變率的測(cè)定

將果梗部發(fā)生褐變的葡萄干設(shè)為劣質(zhì)品，根據(jù)NY/T 705—2003[37]中規(guī)定的劣質(zhì)果率的檢測(cè)方法進(jìn)行果梗部褐變率的計(jì)算，具體計(jì)算見式（3）。

式中：m0表示果梗部發(fā)生褐變的樣本質(zhì)量/g；m表示試樣質(zhì)量/g。

1.3.4.6 果體糖析率的測(cè)定

根據(jù)NY/T 705—2003[37]中定義的滲糖果粒，篩選發(fā)生糖析的果粒，果粒糖析率的計(jì)算如公式（4）所示。

式中：m0表示糖分析出果粒質(zhì)量/g；m表示試樣質(zhì)量/g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Excel軟件繪圖。利用Matlab軟件對(duì)不同預(yù)處理組采集的葡萄RGB圖像進(jìn)行分析，包括圖像增強(qiáng)、圖像分割、二值圖像后處理和二值圖像掩模R、G、B分通道圖像，計(jì)算所有分割后葡萄粒區(qū)域的R、G、B灰度平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 預(yù)處理方式對(duì)無核白葡萄晾房干燥過程中含水率的影響

圖 2 預(yù)處理方式對(duì)葡萄晾房干燥過程中含水率的影響Fig. 2 Effects of different pretreatments on water content in grapes during drying

由圖2可知，干燥初期的1～3 d，各不同預(yù)處理組葡萄干燥速率并無明顯變化，從第3天開始經(jīng)過預(yù)處理的葡萄干燥速率急劇變化，經(jīng)促干劑、碳酸鉀+橄欖油混合液處理的葡萄干燥速率變化更為劇烈，第21天開始趨于平緩，后期一直基本處于較為緩慢的變化；經(jīng)食鹽溶液處理和對(duì)照組的葡萄干燥第3～25天，含水率下降較為明顯，第28天趨于平穩(wěn)；促干劑、碳酸鉀+橄欖油混合液處理的葡萄干燥時(shí)間比對(duì)照組和食鹽溶液處理組縮短近6 d。

促干劑的主要成分是氫氧化鉀、碳酸鈉、脂類和乳化劑等，它的水溶液呈堿性，對(duì)葡萄表皮果蠟和細(xì)胞有破壞或分解作用，能加速葡萄漿果內(nèi)部水分的擴(kuò)散[42-45]，處理溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，對(duì)果蠟和細(xì)胞的作用越強(qiáng)。碳酸鉀的水溶液對(duì)葡萄表皮的蠟質(zhì)層具有分解作用，有助于提高葡萄表皮水分的滲透性；而橄欖油作為一種天然植物油，其本身具有美容等多種功效，因此將碳酸鉀與橄欖油的混合作為預(yù)處理劑，對(duì)葡萄進(jìn)行干燥前預(yù)處理，有助于提高葡萄干燥速率，且對(duì)葡萄干燥過程中的色澤保持有一定的促進(jìn)作用[33]。利用食鹽溶液進(jìn)行浸泡預(yù)處理，是為了起到腌制的效果，使葡萄在干燥過程中不易變質(zhì)或腐爛，但是鹽溶液為中性溶液，可將葡萄表皮的果粉沖洗掉，并不能起到分解或破壞葡萄表皮蠟質(zhì)層的作用[46]；因此其在干燥過程中雖然對(duì)干燥速率有少量促進(jìn)作用，但與對(duì)照組并未出現(xiàn)明顯差異。

2.2 無核白葡萄干燥過程溫濕度、風(fēng)速分析

表 1 晾房不同位置溫濕度及葡萄干品質(zhì)對(duì)比Table 1 Temperature and humidity levels at different locations and raisin quality

由表1可知，葡萄干燥過程中，晾房頂部的葡萄干燥周期比晾房底部的葡萄干燥周期縮短3 d，褐變率較底部增加18%，出現(xiàn)此種差別的原因是傳熱效應(yīng)的影響，晾房外頂部長(zhǎng)時(shí)間受太陽(yáng)照射，溫度較高，經(jīng)頂部遮蔽物傳入晾房的溫度也高于底部；因此接近晾房頂部的葡萄在整個(gè)干燥過程中的整體溫度高于底部，所以干燥速率有所提升；由于頂部長(zhǎng)期處于溫度較高的環(huán)境中，所以出現(xiàn)褐變臨界溫度的機(jī)率增加，因此褐變率遠(yuǎn)高于底部的葡萄干。

同一預(yù)處理?xiàng)l件下，迎風(fēng)口位置與背風(fēng)口位置葡萄干燥情況是在兩個(gè)風(fēng)口均安裝風(fēng)速記錄儀，設(shè)置每30 min測(cè)定一次，進(jìn)行全程不間斷測(cè)定，計(jì)算得知迎風(fēng)口的平均風(fēng)速為0.985 m/s，干燥時(shí)間為21 d；背風(fēng)口風(fēng)速為0.654 m/s，干燥時(shí)間為28 d?？梢姡m當(dāng)?shù)娘L(fēng)速有利于提高葡萄干燥速率。

綜上可知，無核白葡萄干燥過程中溫濕度、風(fēng)速對(duì)干燥的品質(zhì)及速率有著重要的影響。

2.3 預(yù)處理方式對(duì)無核白葡萄晾房干燥過程中果面色度的影響

圖 3 不同預(yù)處理方式的葡萄晾房干燥過程中R通道灰度平均值Fig. 3 Mean gray values of R-channel of grapes with different pretreatments during drying

由圖3可知，經(jīng)食鹽溶液預(yù)處理的葡萄干燥過程中R通道灰度平均值變化較大，而經(jīng)促干劑和碳酸鉀+橄欖油預(yù)處理的葡萄干燥過程R通道灰度平均值變化較小。

圖 4 不同預(yù)處理方式的葡萄晾房干燥過程中G通道灰度平均值Fig. 4 Mean gray values of G-channel of grapes with different pretreatments during drying

由圖4可以看出，經(jīng)食鹽溶液處理的葡萄干燥過程中G通道灰度平均值變化較大，而經(jīng)促干劑和碳酸鉀+橄欖油處理的葡萄干燥過程中G通道的灰度值的變化明顯小于食鹽溶液處理組。

圖 5 不同預(yù)處理方式的葡萄晾房干燥過程中B通道灰度平均值Fig. 5 Mean gray values of B-channel of grapes with different pretreatments during drying

由圖5可以看出，促干劑預(yù)處理的葡萄干燥過程中B通道灰度平均值變化較小，且各組變化相差不大；經(jīng)40 mg/mL碳酸鉀+6 mg/mL橄欖油預(yù)處理的葡萄B通道灰度平均值較小。

圖3～5表明，干燥過程中葡萄色澤在不斷地變化，灰度值總體趨于變小，即原始葡萄較為明亮，隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)，顏色逐漸變化為暗淡或略微褐變；在干燥的前半期，顏色變化較大，與其快速失水和質(zhì)變有關(guān)，后半期水分變化趨于穩(wěn)定，色澤變化不大；圖中色澤起伏變化主要是每日采集時(shí)外界亮度的變化造成。在干燥過程中使用3.0%促干劑處理的葡萄及40 mg/mL碳酸鉀+6 mg/mL橄欖油混合液處理的葡萄色度變化較為平緩，可能是保持色澤的較好的預(yù)處理方式。

2.4 預(yù)處理方式對(duì)無核白葡萄晾房干燥后成品品質(zhì)的影響

由表2可知，3.0%促干劑處理的葡萄，干燥后成品的褐變率為26.0%，綠級(jí)率為24.5%，果體糖析率為4.0%，與其他預(yù)處理組的葡萄干成品相比較，其成品質(zhì)量整體較優(yōu)；相對(duì)于對(duì)照組，其褐變率降低67.0%，綠級(jí)率提高了20.5%。碳酸鉀+橄欖油混合液預(yù)處理的葡萄，干燥后綠級(jí)率整體較高，其中，40 mg/mL碳酸鉀+6 mg/mL橄欖油混合液處理的葡萄干綠級(jí)率達(dá)到34.0%；因此初步判斷橄欖油具有提高綠級(jí)率的作用，但橄欖油成本為促干劑成本的3 倍。綜合干燥速率、色度變化、綠級(jí)率、褐變率、糖析率及經(jīng)濟(jì)成本，可初步確定葡萄干燥較優(yōu)的預(yù)處理方式為3.0%促干劑預(yù)處理。

表 2 不同預(yù)處理方式下晾房干燥無核白葡萄的成品品質(zhì)Table 2 Quality traits of raisin produced by different pretreatments in drying room

3 結(jié) 論

經(jīng)促干劑和碳酸鉀+橄欖油混合液處理的葡萄干燥速率較快，與未經(jīng)預(yù)處理的對(duì)照組和食鹽溶液處理組相比，干燥周期能由27 d縮短至21 d，干燥周期明顯縮短。經(jīng)3.0%促干劑預(yù)處理的無核白葡萄干燥成品品質(zhì)有所提升，與晾房中自然干燥的葡萄干相比較，褐變率降低67%，綠級(jí)率提高了20.5%，提高了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。添加橄欖油的預(yù)處理組葡萄干綠級(jí)率普遍高于其他預(yù)處理組，因此認(rèn)為橄欖油具有提高綠級(jí)率的作用，但橄欖油成本較高。

該實(shí)驗(yàn)通過對(duì)無核白葡萄晾房干燥預(yù)處理方法綜合分析，以干燥速率、葡萄干成品品質(zhì)、干燥成本等為評(píng)價(jià)依據(jù)，初步確定無核白葡萄晾房干燥最佳預(yù)處理方法為3.0%促干劑預(yù)處理，可為當(dāng)?shù)毓r(nóng)進(jìn)行晾房葡萄干燥提供參考。