遠紅外輻射溫度對獼猴桃干燥水分遷移的影響

曾 雅 劉云宏,2 張嘉怡 席慧涵 胡潤潤

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院，河南 洛陽 471023；2. 農產品干燥裝備河南省工程技術研究中心，河南 洛陽 471023)

獼猴桃(Actinidiadeliciosa)被譽為“水果之王”，含有豐富的礦物質、黃酮、多糖、維生素、多酚等對人體有益的功能性成分，具有很高的營養(yǎng)、醫(yī)療、保健、美容等價值[1]。獼猴桃采后易變軟腐爛，因此，研究其采后貯藏保鮮與加工技術十分重要。干燥是延長水果保存期的有效方法之一。通過干燥脫水來實現獼猴桃含水率及水分活度的降低，可抑制微生物的增長繁殖和酶的活性，防止腐敗變質，同時也有利于降低其貯藏和運輸成本[2]。

遠紅外干燥技術是利用遠紅外輻射元件所發(fā)射出的遠紅外線被物料吸收直接轉變成熱能，從而使物料達到干燥狀態(tài)，為目前應用較廣的現代干燥技術[3]，具有熱效率高、加熱均勻、產品品質好等特點[4]。Elmesery等[5]研究發(fā)現紅外干燥得到的產品品質明顯優(yōu)于熱風干燥所得產品，且能實現更短的干燥時間和更低的能耗。Doymaz等[6]研究了不同紅外功率對大棗干燥的影響，發(fā)現紅外干燥有利于酚類物質的保留和抗氧化活性的提高。Saengrayap等[7]關于紅辣椒的干燥研究中，發(fā)現將遠紅外輻射輔助于微波干燥時，有效地縮短了干燥時間，且色澤、復水性較好，收縮率更低，內部組織結構破壞更小。可見，遠紅外輻射加熱可通過改善受熱和促進脫水以實現縮短時間、提高品質的目的。

低場核磁共振(LF-NMR)技術是一種有效準確的水分測量方法，通過質子弛豫行為來描述樣品水分狀態(tài)的變化規(guī)律，廣泛應用于食品和農業(yè)領域[8]。Wei等[9]利用LF-NMR技術對煙葉烘烤過程進行弛豫特性及質子密度成像分析，發(fā)現烘烤過程煙葉中自由水最先被干燥去除，半結合水和結合水隨后才能脫除，其中少量結合水難以通過干燥脫除。Li等[10]利用NMR光譜對紅外與熱風干燥條件下的牛肉內部水分遷移特性進行了對比研究，發(fā)現紅外干燥會導致更多的不易流動水從肌原纖維遷移為自由水。目前，利用LF-NMR技術探討獼猴桃遠紅外輻射干燥中內部水分遷移規(guī)律的研究尚未報道。

在遠紅外輻射干燥中，遠紅外輻射溫度(即輻射板表面溫度)是影響干燥速率和脫水過程最主要的干燥參數，有必要對其進行深入探討。試驗擬以獼猴桃切片為遠紅外輻射干燥試驗對象，探討遠紅外輻射溫度變化對獼猴桃片干燥特性的影響，通過橫向弛豫時間反演譜得到不同遠紅外輻射干燥溫度下的獼猴桃水分狀態(tài)及遷移變化趨勢，分析遠紅外輻射溫度對獼猴桃干燥過程中各種水分變化的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

獼猴桃：購于洛陽市大張超市，要求成熟度均勻、無腐爛損壞。

1.2 儀器與設備

遠紅外輻射干燥器：河南科技大學自制，具體結構和參數見文獻[11]；

核磁共振分析儀：NMI120-015V-1型，上海紐邁電子科技有限公司；

切片機：SHQ-1型，德州天馬機械有限公司；

電子天平：Scout SE型，美國OHAUS公司。

1.3 干燥方法

新鮮獼猴桃的初始干基含水率采用105 ℃烘箱法[12]測得，為(655±12)%。獼猴桃洗凈去皮后切成厚度為5 mm 的圓形薄片，每組試驗取大約70 g獼猴桃均勻平鋪于物料盤上。遠紅外輻射干燥設備參數參照文獻[11]進行設置；開啟熱泵干燥機和遠紅外輻射裝置，設定不同的遠紅外輻射溫度(120，160，200，240，280 ℃)，隨后將物料放置于干燥裝置中進行干燥試驗。干燥過程中每隔30 min 稱重1次，直至連續(xù)2次所稱質量不變時，干燥結束。為較好地探討遠紅外輻射溫度對干燥特性與水分遷移的影響，本試驗固定其他干燥參數，如氣流溫度35 ℃、風速1.5 m/s、輻射距離10 cm。每組試驗均重復3次。

1.4 指標測定

1.4.1 物料干基含水率和干燥速率的計算 參照文獻[13]。

1.4.2 干燥過程中物料的有效水分擴散系數 通過水分比公式和Fick擴散定律計算，詳見文獻[14]。

1.4.3 不同組分水比例及質量的計算 參照文獻[15]。

1.5 LF-NMR檢測

根據文獻[16]的方法進行試驗。

2 結果與分析

2.1 遠紅外輻射溫度對獼猴桃干燥特性的影響

由圖1可知，獼猴桃水分含量隨著干燥的進行而持續(xù)下降，且輻射溫度越高，干燥時間越短。輻射溫度為120，160，200，240，280 ℃時，獼猴桃的干燥時間分別為600，480，390，300，240 min，平均干燥速率之比為1.00∶1.30∶1.54∶2.00∶2.50。輻射溫度升高，干燥介質與濕物料溫差越大，傳熱推動力越大，干燥速率越快，干燥過程越短；另一方面，隨著輻射溫度的升高，相對濕度減小，傳質推動力越大，水分從物料表面擴散至干燥介質速率越大，更有利于干燥[17]。與南瓜[18]和鐵棍山藥[19]的紅外干燥過程結果類似。

圖1 不同輻射溫度下獼猴桃的干燥特性曲線Figure 1 Drying characteristic curves of kiwifruit at different radiation temperatures

水蒸氣蒸發(fā)所需壓力通常受干燥溫度和水分含量兩個因素共同制約[5]。由圖1(b)可知，干燥速率隨著輻射溫度的升高而增大，且在物料含水率較高時尤其明顯。當輻射溫度為280 ℃時，初期的干燥速率為7.6%/min，后期干燥速率降至1.0%/min以下。在干燥初期，由于物料含水量較高，物料吸收紅外能并快速轉化為熱能，干燥速率較高。隨著水分不斷被除去，獼猴桃片含濕量降低導致內部傳質阻力增大，干燥速率呈下降趨勢。由干燥速率曲線可知，除輻射溫度120 ℃外，其他4個輻射溫度水平下的干燥過程均只呈降速階段，說明獼猴桃的遠紅外輻射干燥過程主要由內部水分擴散控制[20]。因此，在保證獼猴桃干燥品質的前提下，適當提高輻射溫度有利于加快脫水進程、縮短干燥時間。

2.2 遠紅外輻射溫度對有效水分擴散系數的影響

不同輻射溫度下，遠紅外輻射干燥獼猴桃片的有效水分擴散系數如圖2所示，干燥樣品的有效水分擴散系數為2.85×10-10～7.03×10-10m2/s。在一般脫水食品的有效水分擴散系數(10-11～10-9m2/s)范圍內[21]。輻射溫度為280 ℃時，有效水分擴散系數達到最大值，相比輻射溫度120 ℃條件下提高了146.7%，表明提高輻射溫度可以顯著增大獼猴桃切片遠紅外干燥的有效水分擴散系數。提高輻射溫度會增加提供給物料的熱能，進而增強物料內部水分子活性及加快水分子遷移速率，從而提升水分擴散速率[22]。Darvishi等[23]研究蘑菇的遠紅外干燥特性表明，在50～90 ℃條件下，有效水分擴散系數隨著干燥溫度升高而增大。高鶴等[24]研究番木瓜的中短波紅外干燥，結果表明隨著干燥溫度從60 ℃升高到90 ℃，有效水分擴散系數從2.81×10-10m2/s增加到7.29×10-10m2/s。

字母不同表示在95%的置信水平有顯著差異

Figure 2 Effective moisture diffusivity values of kiwifruit at different radiation temperatures

2.3 遠紅外輻射溫度對T2反演譜的影響

圖3顯示了獼猴桃切片在輻射溫度120 ℃條件下弛豫譜隨時間的變化。由核磁共振原理可知，橫向弛豫時間越長，質子自由度越大，水分流動性更強[9]。獼猴桃的反演譜有3個波峰，可以代表獼猴桃中3 種不同的水分狀態(tài)，將其分為T21(0.01～10.00 ms)、T22(10.00～100.00 ms)和T23(>100.00 ms)3個區(qū)間，分別對應結合水、不易流動水以及自由水。樣品中橫向弛豫時間的分布特征與細胞組織的性質有著密不可分的關系。弛豫時間最短的T21，即流動性最小的組分，代表通過氫鍵與蛋白質、多糖等細胞內部大分子物質緊密結合的水分。T22代表存在于細胞質和細胞間隙中受一定束縛力約束的水，稱為不易流動水。最大面積的T23對應的是游離在纖維組織之間流動性較大的自由水，占新鮮獼猴桃組織總峰振幅的70%。

隨著干燥的進行，反演譜總峰面積不斷減少，反演譜圖整體向左側偏移，說明樣品中的水分含量減小，且水分不斷由高自由度向低自由度轉變，樣品中的水與固質的結合程度增大[25]。干燥初期，獼猴桃中的水分以自由水為主，由于自由水流動性較好，在干燥過程中最易被脫除，導致T23不斷向左移動且峰幅值迅速減小。隨著干燥的進行，自由水完全脫除，獼猴桃片中剩下流動性較差的不易流動水和結合水，T21、T22的峰幅值和橫向弛豫時間也逐漸開始減小。在整個干燥過程中，T21弛豫時間變化較小，意味著結合水與大分子物質的結合十分穩(wěn)定，干燥過程對其影響不明顯[26]。干燥初期，由于樣品內酶和營養(yǎng)物質分解等因素，會使一些結合水向不易流動水轉變[9]，致使結合水含量有所降低。在干燥后期，T22峰幅值逐漸下降，T21峰幅值會有所增大。由于遠紅外干燥造成的細胞膜損傷使獼猴桃中葡萄糖、果糖和蔗糖等碳水化合物的濃度增加，且細胞質中某些營養(yǎng)成分降解，溶質的增加導致部分不易流動水遷移為結合水[27]，直至干燥結束，樣品中以流動性最小的結合水為主。

圖3 輻射溫度120 ℃下獼猴桃干燥過程中T2反演譜的變化

Figure 3T2relaxation spectra of kiwifruit during drying process at radiation temperature of 120 ℃

遠紅外輻射溫度為120，160，200，240，280 ℃時的T2圖譜的變化規(guī)律相同，因此選擇具有代表性的單個輻射溫度進行分析。T2反演譜的變化能夠反映水分子的動力學特性，可間接表征出獼猴桃遠紅外輻射干燥過程中的水分遷移規(guī)律。

2.4 輻射溫度對水分遷移變化的影響

由T2反演譜得到不同狀態(tài)水分的總信號強度，將其標記為A21、A22、A23，可代表結合水、不易流動水、自由水3種組分的相對含量，進而得到遠紅外干燥過程中各組分水的比例變化見圖4。

由圖4可知，新鮮獼猴桃樣品中以自由水為主，約占總水分的70%。干燥初期，物料所吸收紅外能可迅速轉變?yōu)闊崮?，物料溫度隨之升高，造成獼猴桃內部組織結構狀況發(fā)生變化，自由水不斷地從組織中脫除，12.85 g鮮樣中自由水含量由7.70 g一直降低為0 g。當輻射溫度從120 ℃升高到280 ℃時，自由水脫除時間由480 min 降至120 min，說明提高輻射溫度能顯著加快自由水的遷移與脫除。王雪媛等[15]在蘋果片中短波紅外干燥的研究中同樣發(fā)現，溫度越高，自由水脫除所需的時間越短。由于輻射溫度的升高使干燥介質產生了更多熱能，提高了自由水的內能及流動性，從而加快了自由水向外遷移的速率，自由水脫除所需的時間縮短[17]。獼猴桃在120，160，200，240，280 ℃的輻射溫度條件下，分別在干基含水率為36.9%，56.6%，93.9%，100.6%，130.2%時自由水波峰被完全除去，結合圖1可知，干燥過程中，自由水的變化快慢會直接影響干燥速率大小。

在不同的輻射溫度條件下，A22所占比例的變化趨勢相同，均隨干燥時間的推移先增大后減小。在輻射溫度為120 ℃下，獼猴桃中不易流動水的絕對質量從最初的2.17 g，在60 min時增加至2.84 g，再逐漸減少為0.07 g。干燥進行的初期，獼猴桃內部的碳水化合物濃度升高會導致自由水向不易流動水遷移，且細胞質內營養(yǎng)物質及酶分解出的結合水也可能遷移為不易流動水，導致不易流動水所占比例升高[25]。獼猴桃在120，160，200，240，280 ℃的輻射溫度的條件下，干燥至90 min時，不易流動水的比例分別占34%，40%，43%，58%，70%。說明在較高輻射溫度下，不易流動水比例的增大幅度更明顯，是由于輻射溫度升高，溫度梯度增大使自由水去除更快，隨著脫水的進行以及組織液濃度的升高，高自由度水分向低自由度水分的遷移轉化速率加快[28]。隨著干燥繼續(xù)進行，A22比例呈下降趨勢，說明在自由水被脫除后，不易流動水開始逐漸減少，可能是一部分不易流動水向外遷移為自由水被脫除，另一小部分遷移為與獼猴桃固質結合更緊密的結合水。

圖4 不同輻射溫度下獼猴桃干燥過程中各組分水比例的變化

Figure 4 Changes in proportion of each component of water of kiwifruit at different radiation temperatures

結合水通過氫鍵與蛋白質、糖類等大分子緊密結合，一般不易被干燥去除[29]。前2 h結合水可能會有所減少，是因為溫度梯度的形成使得少部分流動性相對較大的結合水向不易流動水遷移。隨著干燥中自由水和不易流動水不斷被脫除，導致總水分含量下降，因此結合水峰比例在后期逐漸增大。

通過干燥過程中各組分水比例的變化，可以看出不同輻射溫度對獼猴桃內部水分遷移的影響不同。自由水流動大，在獼猴桃樣品中的相對比例從70%降至0%，表現為干燥初期水分擴散快、脫水速率大的特點；此外，提高輻射溫度可以通過提供更多的能量來促進自由水的蒸發(fā)擴散以及各種水分狀態(tài)之間的轉變過程，最終加快干燥脫水進程。與Xu等[30]研究胡蘿卜遠紅外干燥中水分變化一致。

3 結論

試驗研究不同遠紅外輻射溫度對干燥獼猴桃的水分擴散特性的影響。隨著輻射溫度的升高，干燥時間明顯縮短，干燥速率顯著提高。干燥過程的有效水分擴散系數為2.85×10-10～7.03×10-10m2/s，且隨著輻射溫度的升高而增大。

LF-NMR結果表明，新鮮獼猴桃樣品中含有大量的自由水，在干燥過程中最易被脫除，從而表現出干燥初期干燥速率大的特點；隨著干燥的進行及自由水的脫除，水分由高自由度逐漸向低自由度轉變，不易流動水含量增多，待不易流動水達到一定量時，又向結合水遷移；直至干燥結束，樣品中以流動性最差的結合水為主。不同輻射溫度對水分擴散的影響不同，提高輻射溫度可以促進自由水的蒸發(fā)擴散，以及各種水分狀態(tài)之間的轉變過程。

運用LF-NMR技術能實現獼猴桃遠紅外干燥中水分狀態(tài)變化的實時檢測。因此，在保證獼猴桃干燥品質的前提下，適當提高輻射溫度能促進其內部水分的蒸發(fā)與擴散，從而提高干燥速率，縮短干燥時間。試驗為遠紅外輻射干燥中水分擴散特性及遷移規(guī)律研究提供理論參考，為更好地評價遠紅外輻射對獼猴桃干燥的作用，遠紅外輻射干燥對產品的物理特性與品質特征的影響還有待進一步研究。